宮曉凱

施工升降機又稱建筑施工電梯，主要由四部分組成，分別是導(dǎo)軌架、附墻架、吊盤和安全機構(gòu)。為了使乘坐升降機比較舒適和安全，一般都使用的是吊盤式結(jié)構(gòu)。施工升降機的額定承載重量一般為1~3 t，運行速度為1~60 m/min.安全裝置是升降機最重要的部件，一般安裝在吊盤或者是對重框架上。由于安全裝置長時間工作會發(fā)生疲勞或者磨損等引起功能失效或者不能提供足夠大的制動力，所以當(dāng)施工升降機發(fā)生斷繩、沖頂或墜落時，成員的生命安全得不到保障。由此，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)比較簡單的升降機安全保護裝置[1]。

1 安全保護裝置結(jié)構(gòu)及其工作原理

圖1表示的是升降機安全保護裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置主要是有電機和力矩放大機構(gòu)組成。電機1用緊固件與電機支架3相連，導(dǎo)向裝置5和電機支架3與底座1相連。角鋼8通過導(dǎo)向軸4夾子2相連，摩擦材料9粘接在夾子2上。安全保護裝置安裝在安全鉗或者對重框架上。吊盤正常工作時，夾軌器是不工作的，當(dāng)?shù)醣P出現(xiàn)急速下墜或者沖頂時夾軌器開始工作。其工作原理是當(dāng)?shù)醣P出現(xiàn)異常運行時，電機7將會向后拉動角鋼8，在連桿6的帶動下，夾子2沿著導(dǎo)向裝置5做水平方向移動，直至將導(dǎo)軌夾住。即使安全鉗出現(xiàn)失效或者不能提供足夠大的制動力時，安全保護裝置也會很好地保護工作人員的安全。

圖1 安全保護裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 安全保護裝置結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

當(dāng)安全保護裝置工作時，會受到導(dǎo)軌面給它的摩擦力。當(dāng)安全保護裝置的夾子給導(dǎo)軌的正壓力最大時，導(dǎo)軌給它的摩擦力最大（安裝示意圖2所示），為此在此情況下，校核該機構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)。表1顯示的是各種工況下，能夠使吊盤制停的制停力[2]。

圖2 安裝示意圖

表1 吊盤需要的制停力

從表1可以看到危險的工況是發(fā)生在吊盤自由墜落時，此時需要的安全保護裝置需要提供Fmax=10 kN的制停力。通過第2節(jié)對安全裝置結(jié)構(gòu)的了解，知道導(dǎo)向軸是最薄弱的環(huán)節(jié)，而其受到的是剪切力。如圖3所示。

圖3 受力分析

導(dǎo)向軸的材料為40cr，直徑為10.

許用剪切應(yīng)力[τ]=211 MPa，τ=Fs/A=10 000/π25 MPa=127 MPa，τ =127 MPa<[τ]=211 MPa.

從計算結(jié)果可以得出，導(dǎo)向軸在工作時的剪切應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，所以此機構(gòu)的強度是滿足要求的[3]。

3 夾軌裝置上摩擦材料的拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化可以幫助設(shè)計工程師在做研發(fā)階段時，將很多不確定因素有一個很好的把控，從而在設(shè)計出的產(chǎn)品上，用料最少，性能最佳。在做拓撲優(yōu)化時，首先將模型從熟悉的三維軟件中（Pro/e）轉(zhuǎn)化成.X_T格式或者自己比較熟悉的格式，導(dǎo)入到有限元workbench中。然后在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進入拓撲優(yōu)化設(shè)計模塊，在選擇拓撲優(yōu)化計算方法上，可以設(shè)置將材料減少百分之十五。對于摩擦材料拓撲優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)果可參考圖4所示。

圖4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

根據(jù)圖4的形狀，可以清晰的看到，黑色部分是可以移除的材料，所以根據(jù)圖4重新設(shè)計了摩擦塊的形狀圖5所示。可以將摩擦材料的表面形狀設(shè)計成齒狀，這樣既滿足了要求又節(jié)省了成本。

4 結(jié)束語

由于目前高層建筑不斷涌現(xiàn)，增加了對升降機的需求，但升降機的安全性能不能完全保障。本文分別從結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和拓撲優(yōu)化設(shè)計上分析了新型的安全保護裝置，并對其結(jié)構(gòu)和工作原理進行了描述，得到了比較理想的結(jié)果。

[1]張玲玲，秦小嶼.基于ANSYS的施工升降機安全鉗楔塊分析與優(yōu)化設(shè)計[M].實驗室研究與探索，2013，32（5）：97-100.

[2]唐友剛.高等機構(gòu)動力學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版，2002.

[3]秦 榮．計算結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.