陳棟棟，洪 睿，羅英俊，楊凱杰

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，浙江 杭州 310020)

(2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

電梯制造單位對(duì)電梯轎廂頂部安全護(hù)欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大體相同。轎頂護(hù)欄主要由立欄、橫欄、側(cè)欄等組成，其中橫欄處于護(hù)欄的中間位置。當(dāng)電梯井道壁面距轎頂外緣水平距離大于0.30 m時(shí)，轎頂應(yīng)裝設(shè)護(hù)欄，在設(shè)計(jì)護(hù)欄時(shí)應(yīng)保留足夠的轎頂作業(yè)空間[1]。

當(dāng)前，一些電梯轎廂頂部護(hù)欄設(shè)計(jì)僅為了滿足標(biāo)準(zhǔn)中護(hù)欄存在的要求，設(shè)計(jì)時(shí)偷工減料，忽視了護(hù)欄本身的安全質(zhì)量，致使這些護(hù)欄的強(qiáng)度性能不夠，給作業(yè)人員帶來(lái)較大的安全隱患。美國(guó)ASME17.1標(biāo)準(zhǔn)和歐洲EN81-20：2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)欄強(qiáng)度提出了明確的要求，其中歐洲EN81-20：2014規(guī)定：在護(hù)欄頂部的任意點(diǎn)垂直施加1 000 N的水平靜力，護(hù)欄應(yīng)無(wú)大于50 mm的彈性變形[2-3]。

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多學(xué)者從檢驗(yàn)檢測(cè)角度提出了護(hù)欄設(shè)計(jì)尺寸上的要求，對(duì)一些常見(jiàn)的護(hù)欄隱患案例進(jìn)行詳細(xì)分析，強(qiáng)調(diào)通過(guò)合理的護(hù)欄尺寸設(shè)計(jì)，規(guī)避可能的安全風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。另外，部分學(xué)者針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄實(shí)際設(shè)置情況，提出了提高護(hù)欄強(qiáng)度性能的要求，使其真正符合安全實(shí)際使用需求[7-9]。到目前為止，鮮有針對(duì)具體的某一種轎廂頂部護(hù)欄進(jìn)行深入的強(qiáng)度性能分析的文獻(xiàn)。

本文依據(jù)EN81-20：2014標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定，針對(duì)典型的電梯轎頂護(hù)欄結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)護(hù)欄等邊角鋼的選型、護(hù)欄尺寸設(shè)計(jì)及部件布置方案進(jìn)行護(hù)欄強(qiáng)度的對(duì)比研究，以為工程人員進(jìn)行轎頂護(hù)欄設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元分析與初步設(shè)計(jì)方案

本文以某品牌額定載質(zhì)量為1 350 kg的電梯轎頂護(hù)欄結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，護(hù)欄龍門(mén)頂梁為轎廂組成部分，其材料主要為槽鋼，與轎廂龍門(mén)架固定連接，有限元分析時(shí)進(jìn)行固定Fixed Support設(shè)置。護(hù)欄結(jié)構(gòu)部件與龍門(mén)頂梁的模型網(wǎng)格Body尺寸設(shè)置為5 mm，其模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為3萬(wàn)，材料選取常規(guī)的Q235結(jié)構(gòu)鋼，采用薄壁殼單元進(jìn)行分析，添加實(shí)常數(shù)厚度，模型前處理時(shí)需調(diào)整模型構(gòu)件間的間隙，防止網(wǎng)格模型單元貫穿所導(dǎo)致的位移解失真。由于護(hù)欄角鋼連接為焊接或者螺栓固定，因此角鋼接觸連接選取Bonded綁定的接觸模式進(jìn)行分析轎頂護(hù)欄一般由同規(guī)格的等邊角鋼長(zhǎng)梁所組成，其固定在龍門(mén)頂梁槽鋼上。根據(jù)GB/T 706—2016[10]要求，選取常用規(guī)格角鋼進(jìn)行護(hù)欄的初步設(shè)計(jì)，轎頂護(hù)欄初步設(shè)計(jì)方案與角鋼等截面參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 典型的轎頂護(hù)欄結(jié)構(gòu)

表1 轎頂護(hù)欄初步設(shè)計(jì)方案與角鋼等截面參數(shù)

依據(jù)EN81-20：2014標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行護(hù)欄強(qiáng)度性能分析，經(jīng)過(guò)多次結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)有限元計(jì)算分析，結(jié)果表明：轎頂護(hù)欄在橫梁最頂部的中間節(jié)點(diǎn)處，受1 000 N水平靜力時(shí)，護(hù)欄整體彈性變形最大。因此，根據(jù)表1的初步設(shè)計(jì)方案，本文選取橫欄頂部中間節(jié)點(diǎn)為受力作用點(diǎn)，進(jìn)行護(hù)欄的強(qiáng)度性能研究。

2 位移分析與討論

由表1可知，初步設(shè)計(jì)方案主要是對(duì)同一個(gè)護(hù)欄采用不同截面尺寸的角鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)不同截面尺寸角鋼護(hù)欄的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比研究。由于護(hù)欄模型整體對(duì)稱(chēng)分布，選取頂部上橫欄的一半進(jìn)行彈性位移分析(取上橫欄頂部中間節(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)為0 mm，則端部為950 mm)，不同設(shè)計(jì)方案的上橫欄頂部彈性位移如圖2所示。

圖2 上橫欄頂部彈性位移

由圖2可知，由于采用了不同規(guī)格的角鋼，上橫欄產(chǎn)生的彈性位移也不相同，護(hù)欄頂部的彈性位移與護(hù)欄等邊角鋼的總質(zhì)量正相關(guān)。方案1與方案2角鋼規(guī)格小，護(hù)欄整體材料成本較低，盡管設(shè)計(jì)符合GB 7588—2003標(biāo)準(zhǔn)，但是依據(jù)EN81-20：2014標(biāo)準(zhǔn)，其護(hù)欄最大彈性位移已超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50 mm，強(qiáng)度性能不符合要求，需要重新進(jìn)行護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下文將對(duì)表1中方案1與方案2進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3 護(hù)欄設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

當(dāng)頂部橫欄受到1 000 N水平推力時(shí)，由材料力學(xué)可知，護(hù)欄兩邊的立欄角鋼頂部區(qū)域單側(cè)面分別受到500 N的作用力，作用力完全作用在立欄與橫欄的接觸面上，致使在方案1,2下其橫欄與立欄分別承受大的彈性變形與應(yīng)力。

方案1下，立欄頂部Von Mises應(yīng)力分布如圖3所示。由有限元分析可知：立欄頂部區(qū)域與橫欄端部區(qū)域Bonded接觸，該橫欄最下方邊緣接觸處應(yīng)力最大；對(duì)于立欄角鋼兩側(cè)面而言，其一側(cè)面承受橫欄的橫向推力，另一側(cè)面承受側(cè)欄的拉力，該立欄角鋼已發(fā)生塑性變形。保持方案1與方案2的橫欄和側(cè)欄角鋼截面規(guī)格不變，增加連接上下橫欄的筋板，減少橫欄長(zhǎng)度和提高立欄角鋼規(guī)格，對(duì)轎頂護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)(筋板的結(jié)構(gòu)尺寸與立欄一致，只是安裝位置不同)。設(shè)計(jì)方案及立欄與筋板截面參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 立欄頂部Von Mises應(yīng)力分布

表2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案及立欄與筋板截面參數(shù)

通過(guò)有限元法分析得到橫欄頂部中間節(jié)點(diǎn)最大彈性位移，針對(duì)方案1,2分別改進(jìn)的方案頂部橫欄最大位移見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)方案頂部橫欄最大彈性位移 單位：mm

3.1 筋板設(shè)計(jì)分析

在表2中，方案A和方案B的護(hù)欄筋板分別布置在橫欄中間位置和距橫欄端點(diǎn)的兩個(gè)1/4位置；護(hù)欄與立欄尺寸規(guī)格一致。比較圖2和表3可知，筋板加強(qiáng)了護(hù)欄的剛度，使得方案2(A)的最大彈性位移為48.32 mm，符合EN81-20：2014的設(shè)計(jì)要求。方案2(B)較方案2(A)增加了1個(gè)筋板，其彈性位移由48.32 mm變?yōu)?5.38 mm，僅減少了6.1%，筋板個(gè)數(shù)的增加，并沒(méi)有顯著改善護(hù)欄水平面橫向抗彎剛度，這是因?yàn)槠渌绞芰Ψ较蚺c筋板軸向垂直，導(dǎo)致筋板提高護(hù)欄橫向抗彎剛度的能力有限。

筋板連接上、下兩橫欄，有效提高了護(hù)欄軸向抗彎剛度。將護(hù)欄模型的受力方向改為垂直向下，力大小不變，分析得到方案1(A)下的彈性位移為35.47 mm，而不加筋板的方案1下為58.08 mm，可見(jiàn)方案1(A)較方案1的位移減少了38.8%，顯著改善縱向強(qiáng)度特性。這是因?yàn)榻畎褰Y(jié)構(gòu)方向與其受力方向一致，可有效連接上、下橫欄，提高其縱向抗彎剛度。

從實(shí)際考慮，人體在發(fā)生意外傾斜時(shí)，護(hù)欄承受橫向與縱向的沖擊動(dòng)載荷，從安全角度考慮，應(yīng)該要提高縱向剛度。美國(guó)ASME 17標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)欄縱向強(qiáng)度特性給出了明確的規(guī)定[3]。

3.2 橫欄設(shè)計(jì)分析

依據(jù)EN81-20：2014和GB 7588—2003標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)欄外側(cè)與轎廂外壁間的水平距離最大不得超過(guò)0.15 m，因此橫欄可以進(jìn)一步縮短，表2的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案C和設(shè)計(jì)方案D將橫欄長(zhǎng)度分別縮短為1 800 mm和1 700 mm。由表3可知，方案1(D)與方案2(D)的最大彈性位移分別為47.20 mm和40.21 mm，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，方案1(D)較方案1(C)橫欄的長(zhǎng)度減少了5.6%，其橫欄彈性變形由69.79 mm變?yōu)?7.20 mm，減少了32.3%，可見(jiàn)，橫欄長(zhǎng)度的縮短顯著提高了其橫向抗彎剛度。

由材料力學(xué)可知，橫欄可簡(jiǎn)化為單根梁，在等截面屬性下，長(zhǎng)度決定了梁的撓度。對(duì)于轎頂護(hù)欄，縮短橫欄長(zhǎng)度既可以減少成本，又可保證符合EN81-20：2014標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而保證護(hù)欄安全。當(dāng)然，提高橫欄的剛度還可通過(guò)提高角鋼截面規(guī)格來(lái)增加截面抗彎矩剛度。

在符合標(biāo)準(zhǔn)間距0.15 m的要求下，盡可能設(shè)計(jì)較短的橫欄，可滿足標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄強(qiáng)度性能要求。

3.3 立欄設(shè)計(jì)分析

由表3的E、F方案頂部橫欄最大彈性位移仿真結(jié)果可知，立欄和筋板截面規(guī)格的提高，對(duì)橫欄彈性位移的減少?zèng)]有顯著影響。由圖1可知，立欄一側(cè)面承受著橫欄的水平推力，為受壓面，另一側(cè)面承受側(cè)欄的拉力，為受拉面，導(dǎo)致立欄角鋼截面的轉(zhuǎn)角處非常容易發(fā)生應(yīng)力集中，致使立欄發(fā)生塑性變形。方案2與方案2(F)下的立欄局部應(yīng)力分布如圖4所示，應(yīng)力集中區(qū)域在橫欄端部與立欄接觸處，立欄角鋼規(guī)格增加后，方案2(F)下的最大應(yīng)力為403.6 MPa，較方案2下的514.9 MPa降低了近22%。

圖4 立欄局部應(yīng)力分布

分析表明，提高立欄角鋼規(guī)格并不能提高其橫向抗彎剛度，但可以降低局部的應(yīng)力值，從而延長(zhǎng)護(hù)欄的使用壽命。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

對(duì)額定載質(zhì)量為1 000 kg的曳引驅(qū)動(dòng)乘客電梯的轎頂護(hù)欄進(jìn)行設(shè)計(jì)，假設(shè)其轎廂寬為1 600 mm，深為1 500 mm。采用如圖1所示護(hù)欄結(jié)構(gòu)型式。由以上分析可知，橫欄跨度小，護(hù)欄的最大彈性位移減小顯著，結(jié)合EN81-20：2014規(guī)定的轎頂安全作業(yè)空間，設(shè)計(jì)轎頂護(hù)欄L×B為1 500 mm×1 450 mm?？紤]護(hù)欄使用壽命，立欄的角鋼截面規(guī)格為等邊45角鋼(l=45 mm)，而側(cè)欄和橫欄均采用25角鋼(l=25 mm)。護(hù)欄所有角鋼截面厚度統(tǒng)一為t=3 mm。考慮到筋板對(duì)增加護(hù)欄橫向剛度的作用不明顯，從成本考慮，不設(shè)置筋板。

對(duì)設(shè)計(jì)的護(hù)欄進(jìn)行有限元分析，得到護(hù)欄位移分布和立欄局部應(yīng)力分布分別如圖5和圖6所示。由圖5可見(jiàn)，橫欄的最大彈性位移為8.46 mm，僅為表3中方案1(D)下彈性位移的17.9%。顯然，橫欄設(shè)計(jì)得越短，護(hù)欄整體剛度越高，且影響顯著，因此在滿足轎頂操作空間的需求下，應(yīng)盡可能地縮短橫欄的長(zhǎng)度。由圖6可知，立欄的最大應(yīng)力區(qū)域在橫欄端部與立欄交匯處，應(yīng)力為199.4 MPa，相較于表3中方案2(F)，其最大應(yīng)力降低近一半。

圖5 護(hù)欄位移分布

圖6 立欄局部應(yīng)力分布

5 結(jié)論

1)基于有限元法對(duì)不同角鋼規(guī)格的電梯轎廂頂部護(hù)欄進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果顯示，護(hù)欄頂部彈性位移與護(hù)欄角鋼總質(zhì)量成正相關(guān)關(guān)系，護(hù)欄角鋼規(guī)格越高，護(hù)欄整體質(zhì)量越大，其位移變形越小。

2)立欄一邊承受著橫欄推力，另一邊承受著側(cè)欄拉力，易發(fā)生塑性變形，縮短護(hù)欄使用壽命。

3)增加護(hù)欄筋板不能提高護(hù)欄橫向抗彎剛度，可有效提高縱向抗彎剛度。

4)橫欄在滿足轎頂作業(yè)人員操作空間的前提下，長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地短；提高立欄角鋼規(guī)格，可以降低其頂部區(qū)域的應(yīng)力，從而延長(zhǎng)護(hù)欄使用壽命。