張九洲, 馬曉龍,2, 鄢宇中, 胡松濤, 史 熙*,

(1.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,上海 200240,E-mail:xishi@sjtu.edu.cn;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 201108)

隨著科技的發(fā)展,在現(xiàn)代社會,電梯作為一種可以節(jié)省人力的垂直交通工具,已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。而伴隨著社會對于高質(zhì)量物質(zhì)生活水平的追求以及電梯行業(yè)的發(fā)展,人們開始越來越關(guān)注電梯的功能性、舒適性、安全性[1]。安全性作為電梯運行過程中最關(guān)鍵的一環(huán),更應(yīng)引起高度重視。

安全鉗是電梯在緊急情況下一個重要的安全保護裝置,能夠在電梯超速或墜落時自動觸發(fā),使電梯緊急制停在導(dǎo)軌上,起到降低事故危險的作用[2]。而在安全鉗制停的過程中,過大的減速度有可能引發(fā)對重上跳現(xiàn)象[3],甚至?xí)?dǎo)致乘客受傷;過小的減速度則又可能引發(fā)制停距離過長甚至無法制停等問題,進而造成更大的安全隱患。GB7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中規(guī)定,漸進式安全鉗制動時的平均減速度應(yīng)為0.2g-1.0g[4]。因此,系統(tǒng)地研究安全鉗的制動過程、探尋安全鉗制動力、制動減速度的變化規(guī)律對指導(dǎo)和改進電梯相關(guān)機械部件的設(shè)計非常重要。

近年來,由于安全鉗制動失效而導(dǎo)致的電梯事故屢見不鮮[5]。普通的曳引電梯系統(tǒng)由于對重和鋼絲繩的影響,難以對安全鉗的制動性能進行單獨評估。若想從根本上研究安全鉗的制動性能及制動過程,必須忽略對重和鋼絲繩的影響。目前,針對緊急情況下電梯安全鉗制動規(guī)律的相關(guān)研究尚不夠充分。王仁君[6]對影視升降機安全鉗進行了建模與仿真分析,同時校核了安全鉗各部件的強度;談偉榮[7]對直驅(qū)電梯安全鉗進行了設(shè)計,并通過ADAMS仿真確定該安全鉗具有良好的制動性能。但他們都未開展單側(cè)的安全鉗制動實驗,其仿真分析僅僅針對某一種特定的安全鉗,仿真模型缺乏普適性。

本文主要通過仿真與實驗相結(jié)合的形式,對不同型式的漸進式安全鉗制動時的動力學(xué)性行為進行分析,通過實驗驗證仿真模型的精度,并通過仿真與實驗的結(jié)果系統(tǒng)地分析安全鉗的制動規(guī)律,為改進安全鉗設(shè)計、完善緊急情況下電梯曳引系統(tǒng)的動力學(xué)模型打下堅實基礎(chǔ)。

1 安全鉗三維模型的建立

安全鉗是電梯安全制動系統(tǒng)的主要部件,主要分為瞬時式安全鉗和漸進式安全鉗兩大類。漸進式安全鉗由于沖擊小、緩沖效果好,在中高速電梯中應(yīng)用更廣泛。漸進式安全鉗又可細分為雙楔塊安全鉗與單楔塊安全鉗,一般由限速器、提拉機構(gòu)和安全鉗鉗體等部分組成,分別如圖1和圖2所示。

▲圖1 雙楔塊安全鉗結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 單楔塊安全鉗結(jié)構(gòu)示意圖

兩者的工作原理為:電梯在超速或墜落時觸發(fā)限速器,進而觸發(fā)安全鉗聯(lián)動機構(gòu)上拉提拉桿,使得楔塊與導(dǎo)軌接觸,進而產(chǎn)生巨大的摩擦力,使轎廂制停在導(dǎo)軌上。兩者的主要區(qū)別在于:單楔塊安全鉗在制動過程中可能會使轎廂產(chǎn)生一定程度的橫向位移,而雙楔塊安全鉗由于結(jié)構(gòu)的對稱性,不會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

選取某公司提供的兩對設(shè)計觸發(fā)速度相同的安全鉗作為本文仿真與實驗所用安全鉗,在SolidWorks軟件中分別建立三維模型,并確定好裝配關(guān)系,如圖3和圖4所示。

▲圖3 雙楔塊安全鉗三維模型

▲圖4 單楔塊安全鉗三維模型

2 基于ADAMS的安全鉗制動仿真

2.1 參數(shù)化建模方法

▲圖5 雙楔塊安全鉗橫截面

▲圖6 虛擬樣機機械系統(tǒng)

不同型號安全鉗的主要區(qū)別在于楔塊的尺寸以及楔塊與導(dǎo)軌之間的間隙不同,因此本文單獨在ADAMS中建立楔塊參數(shù)化模型,以適應(yīng)不同型號安全鉗仿真的需要。以雙楔塊安全鉗為例,其楔塊橫截面為直角梯形,如圖5所示。本文將BC與CD的長度作為設(shè)計變量,對各頂點坐標進行參數(shù)定義,其中D點為固定點。進而通過多邊形板體模塊連接各點成面并拉伸成楔塊,實現(xiàn)楔塊的參數(shù)化建模。在楔架傾斜角度確定的情況下,通過修改設(shè)計變量BC與CD,便可實現(xiàn)楔塊長度以及楔塊與導(dǎo)軌間隙的修改。

在Solidworks中建立導(dǎo)軌以及簡化的轎廂模型,與安全鉗模型一同導(dǎo)入ADAMS中,將D點坐標設(shè)定在楔架底部,并將安全鉗成對固定在轎廂底部,建立安全鉗虛擬樣機機械系統(tǒng),如圖6所示。

虛擬樣機機械系統(tǒng)基于以下假設(shè):

(1) 雙楔塊安全鉗的板簧被等效為四個相同的彈簧-阻尼單元;

(2) 所有部件均不會產(chǎn)生柔性變形;

(3) 轎廂質(zhì)量、安全鉗觸發(fā)速度、摩擦系數(shù)、彈簧剛度等參數(shù)由用戶自定義,可隨時修改。

2.2 約束關(guān)系的添加

根據(jù)安全鉗的結(jié)構(gòu)特性,為兩個仿真模型中的零件分別定義了動力學(xué)約束與配合關(guān)系,如表1和表2所示。

表1 雙楔塊安全鉗仿真模型中各部件連接關(guān)系

表2 單楔塊安全鉗仿真模型中各部件連接關(guān)系

2.3 關(guān)鍵參數(shù)的確定

安全鉗制動的過程,本質(zhì)上是楔塊與導(dǎo)軌產(chǎn)生摩擦力使得轎廂速度最終降為0的過程,這個過程中,楔塊與導(dǎo)軌的接觸、摩擦起到了決定性作用,因此這些參數(shù)的選擇尤為關(guān)鍵。

ADAMS根據(jù)Hertz接觸理論,由Impact函數(shù)所提供的非線性彈簧阻尼模型作為接觸力的計算模型,如下式所示:

F=Kδe+CV

(1)

其中:F為法向接觸力;K為接觸剛度;δ為接觸點的法向穿透深度;e為剛度貢獻因子,對金屬材料一般取1.5;C為接觸阻尼;V為接觸點的法向相對速度。

根據(jù)Hertz接觸理論,可得到楔塊與導(dǎo)軌之間的接觸剛度的計算公式如下:

(2)

▲圖7 接觸阻尼和穿透深度的關(guān)系[7]

ADAMS采取非線性阻尼模型,阻尼隨穿透深度的增大而增大,穿透深度達到最大值時,阻尼也達到臨界值,如圖7所示。

在等效能量損失的基礎(chǔ)上,可得到最大接觸阻尼的計算公式[8]:

(3)

式中:e為彈性恢復(fù)系數(shù),可通過實驗測定;δmax為最大穿透深度;U為碰撞速度,與具體仿真工況有關(guān);n為非線性指數(shù),根據(jù)Hertz接觸理論,一般取1.5。

ADAMS中的摩擦力模型采用基于相對速度的摩擦模型,考慮靜摩擦與動摩擦,摩擦系數(shù)與相對滑移速度的關(guān)系如圖8所示。其中μd為靜摩擦系數(shù),μs為動摩擦系數(shù),vd為摩擦滑移速度,vs為靜滑移速度,取值由材料特性決定,可查表獲得[9]。

▲圖8 摩擦系數(shù)與相對滑移速度的關(guān)系[9]

最終確定仿真參數(shù)如表3及表4所示。

表3 雙楔塊安全鉗關(guān)鍵仿真參數(shù)

表4 單楔塊安全鉗關(guān)鍵仿真參數(shù)

2.4 仿真結(jié)果分析

設(shè)置轎廂質(zhì)量2 000 kg,使轎廂與安全鉗做自由落體運動,達到所設(shè)定速度時,提拉桿上施加相應(yīng)的提拉力,觸發(fā)安全鉗動作。先后對單楔塊安全鉗與雙楔塊安全鉗進行仿真,設(shè)定正方向與重力加速度方向一致,仿真持續(xù)時間為1.5 s,仿真輸出內(nèi)容為轎廂質(zhì)心的加速度以及楔塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力,設(shè)置的安全鉗的觸發(fā)速度為3 m/s。仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

▲圖9 雙楔塊安全鉗仿真結(jié)果

▲圖10 單楔塊安全鉗仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知,摩擦力的變化趨勢與加速度相同,故可知安全鉗制動時的減速度主要由楔塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力提供。安全鉗的制動過程主要分為以下四個階段:

(1) 自由落體階段:轎廂做自由落體運動,速度不斷增大,此時安全鉗與導(dǎo)軌未接觸。

(2) 初始制動階段:轎廂達到設(shè)定速度,安全鉗開始動作,楔塊與導(dǎo)軌碰撞,產(chǎn)生較大的沖擊。

(3) 穩(wěn)定制動階段:楔塊與導(dǎo)軌完全接觸,并產(chǎn)生動摩擦力,這個過程中摩擦力與減速度較為平穩(wěn)。這該階段中,單楔塊安全鉗相對來說制動更加穩(wěn)定。

(4) 最終制停階段:轎廂的速度逐漸減小至靜摩擦滑移速度,摩擦力與減速度開始增大,最終使轎廂制停在導(dǎo)軌上。

轎廂橫向加速度的仿真結(jié)果如圖11所示。由仿真結(jié)果可知,單楔塊安全鉗制動時會使轎廂產(chǎn)生一定程度的橫向振動,并產(chǎn)生微小位移,對導(dǎo)軌產(chǎn)生沖擊,而雙楔塊安全鉗由于結(jié)構(gòu)的對稱性,不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

▲圖11 轎廂橫向加速度仿真結(jié)果

綜合以上仿真結(jié)果,雙楔塊安全鉗制動時對結(jié)構(gòu)沖擊相對較小,但其成本相對較高,可適用于高速、重載電梯;單楔塊安全鉗對結(jié)構(gòu)沖擊相對較大,但其制動相對更加平穩(wěn),且成本相對較低,可適用于中低速電梯。設(shè)計時,可根據(jù)具體需要作出相應(yīng)調(diào)整。

3 安全鉗制動實驗

普通的曳引電梯系統(tǒng)由于對重和鋼絲繩的影響,無法單獨地對安全鉗制動過程進行評估,故本次實驗地點選擇為具備單側(cè)安全鉗制動測試能力的上海交通大學(xué)電梯檢測中心電梯實驗塔,如圖12所示。該實驗塔能夠方便地更換安全鉗與導(dǎo)軌、變換載重及初始速度。

實驗裝置的原理示意圖如圖13所示。

▲圖12 電梯實驗塔

▲圖13 實驗裝置原理示意圖

卷揚機用于提升轎廂,在轎廂達到指定高度時,釋放脫鉤裝置,使卷揚機與轎廂分離,轎廂做自由落體運動,達到指定位置時,由人工觸發(fā)限速器,進而觸發(fā)安全鉗動作,最終使轎廂制停在導(dǎo)軌上。通過增加重物以及調(diào)整墜落高度可實現(xiàn)對轎廂載重及速度的控制,轎廂底部中心位置安裝加速度傳感器,用于實時記錄實驗過程中轎廂的加速度數(shù)據(jù),加速度傳感器采樣頻率為10 000 Hz,遠高于實驗塔結(jié)構(gòu)的固有頻率。

以系統(tǒng)質(zhì)量和安全鉗觸發(fā)速度作為兩個實驗自變量,分成四組實驗,如表5所示。并先后加裝兩套安全鉗及導(dǎo)軌,以相同的條件進行重復(fù)實驗。

表5 實驗流程

4 結(jié)果分析

選取與仿真條件相同的一組實驗,對實驗得到的加速度數(shù)據(jù)進行濾波處理,并通過數(shù)值積分得到速度數(shù)據(jù)。將得到的實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比分析,如圖14和圖15所示。

▲圖14 雙楔塊安全鉗仿真與實驗對比圖

▲圖15 單楔塊安全鉗仿真與實驗對比圖

由仿真與實驗對比結(jié)果可知,仿真與實驗加速度、速度變化趨勢與作用時間基本一致,僅在開始制動及制動結(jié)束時有微小偏差,主要表現(xiàn)在實驗中的波動及回彈現(xiàn)象較為明顯,造成偏差的主要原因如下:

(1) 仿真中假設(shè)所有部件均為剛體,不會產(chǎn)生塑性變形、疲勞磨損等問題,而實驗中的部件都存在面臨上述問題的可能性。

(2) 仿真中導(dǎo)軌不會產(chǎn)生振動,而實驗中楔塊接觸導(dǎo)軌時,較大的沖擊力會使導(dǎo)軌產(chǎn)生不規(guī)則振動,導(dǎo)致制動開始和結(jié)束時轎廂振動較為明顯。

(3) 仿真中的轎廂為一個質(zhì)量分布均勻的整體,轎廂內(nèi)部不會產(chǎn)生偏置、變形,而實驗中的轎廂由一塊塊重物堆疊在一起,安全鉗制動時容易發(fā)生不規(guī)則運動,從而影響實驗結(jié)果。

(4) 考慮到楔塊、導(dǎo)軌的潤滑條件及實驗當天的天氣情況,實驗中的摩擦系數(shù)會與理論值有一定程度的偏差,直接導(dǎo)致摩擦力及減速度的偏差。

通過計算,可以得到各組仿真與實驗安全鉗制動的平均減速度,如表6所示。

通過對比可知,安全鉗平均減速度的大小與系統(tǒng)質(zhì)量的大小成負相關(guān),而觸發(fā)速度對安全鉗平均減速度影響較小,因此在設(shè)計重載電梯安全鉗時需著重考量安全鉗平均減速度是否可達到要求。由表可知,仿真與實驗的誤差均在合理范圍內(nèi),且都滿足標準中對于安全鉗減速度的要求。

綜上,兩個安全鉗仿真模型與實驗的結(jié)果變化趨勢基本一致,數(shù)值處于同一數(shù)量級,實驗結(jié)果能夠用于驗證仿真模型的準確性。該仿真模型能夠反映真實安全鉗的物理特征,可模擬真實的安全鉗制動過程,具備較高的精度。

5 結(jié)語

本文從漸進式安全鉗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手,深入分析了安全鉗的制動過程及制動規(guī)律。通過ADAMS軟件中建立兩種型式漸進式安全鉗仿真模型。通過楔塊參數(shù)化建模的方法,實現(xiàn)仿真模型對于不同楔塊尺寸及楔塊導(dǎo)軌間隙的適應(yīng)。仿真結(jié)果可清晰地展示安全鉗制動時經(jīng)歷的不同階段,并根據(jù)仿真結(jié)果分析了兩種型式安全鉗的優(yōu)缺點及適用場景。此外,本文基于電梯實驗塔設(shè)計了相應(yīng)的安全鉗制動實驗,探究了不同因素對安全鉗制動性能的影響,同時對仿真模型進行了對比驗證,結(jié)果表明:

(1) 本文建立的電梯安全鉗制動模型和分析方法可適用于不同型號、不同工況下安全鉗制動的仿真分析,能夠有效模擬真實的電梯安全鉗制動行為,并且具有較高的精度;

(2) 相較于單楔塊安全鉗,雙楔塊安全鉗制動過程更加平穩(wěn),且對電梯結(jié)構(gòu)沖擊相對較小,具有更良好的舒適性;

(3) 安全鉗平均減速度的大小與系統(tǒng)質(zhì)量的大小成負相關(guān),在設(shè)計重載電梯時要著重考量安全鉗平均減速度的范圍。

本文提出的電梯安全鉗制動仿真模型可用于替代相關(guān)工況下電梯安全鉗制動實驗,節(jié)約人力與物力,有助于未來高速重載電梯安全鉗的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析。此外,本文提出的安全鉗制動模型適用于電梯曳引系統(tǒng)動力學(xué)模型的聯(lián)合建立與校正分析。