液压电梯轿厢架的优化设计

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1、液压电梯轿厢架的优化设计朱晓东冯志华沈亮（苏州大学机电工程学院，江苏苏州215021）摘要：液压电梯轿厢架因为其空间静不定结构的特点，给设计计算带来难度。本文采用有限元方法对电梯轿厢架进行建模和应力分析，在此基础上确定轿厢架重量为目标函数，主要构件的截面尺寸为设计变量，相应弯曲正应力为状态变量，应用ANSYS软件进行优化设计，获得了各截面的较优尺寸。关键词：液压电梯；轿厢架；有限元方法；ANSYS；优化设计中图分类号：TH236文献标识码：A1．引言液压电梯是用高速油泵作为动力驱动柱塞以提升人员或货物的工具，适用于2~6层的中低层建筑，速度可达0.125~1.0m/s。单缸的提升

2、能力达到1000~10,000kg，采用多缸可使提升能力达到10,000~50,000kg。液压电梯主要由液压泵、液压控制系统、轿厢及油缸柱塞组成。油缸柱塞直接支撑在轿厢架顶部，[1]使轿厢升降。与曳引式电梯比较，液压电梯的优点是：(1)机房不需要设在井道上方，因此能降低建筑高度；(2)轿厢运行中产生的力大部份作用于井底，改善了建筑的受力情况；(3)不需要配重，可降低设备费用。轿厢架是液压电梯轿厢的主要结构，它通过轿底承受人员或货物的重量，必须满足强度和刚度条件。由于轿厢架采用多重框架和拉索的组合，属于静不定结构，给设计计算带来困难。如果计算模型过[2]分简化，将导致采用过大的安

3、全系数，必然设计出过于笨重的结构，其重量过大带来的后果是：(1)增加原材料和制造成本；(2)必须采用更高功率级的动力系统，两者都会引起成本上升。相反采用有限元方[3][4]法对轿厢架进行合理的建模，能够充分体现设计的意图，并能对关键参数进行优化设计，提高电梯的有效载重量，降低制造成本，因此对液压电梯的机械设计具有重要意义。2．液压电梯轿厢架的结构特点某博物馆液压载货电梯轿厢架由三部分组成，即轿厢主框架，盒式副框架和加强杆，参见图1。主框架由直梁、上下组梁、导靴梁及横撑杆组成。盒式副框架由上支撑杆、支撑竖杆、下支撑横杆、梁封头和底梁组成。加强杆由16根拉杆组成。在电梯运行中，电梯有

4、效载荷及轿厢内壁的载荷通过底梁作用在盒式副框架上，然后再传递给主框架，最终由液压缸的柱塞支承。电梯的设计额定载荷为10吨，底梁的跨度为6m，下梁的长度为3.3米，支撑竖杆高度为5.3米，两直梁间距等于侧向两液压缸柱塞的距离1.5m。从结构设计方案来看，在货物提升时，主框架承受轿厢全部重量。油缸柱塞顶在两根上梁的两端，初步设计可将上梁作为简支梁确定上梁的截面尺寸，下梁直接承受底梁传递的负荷，可按受均布载荷的简支梁确定截面尺寸，而直梁主要受拉力作用，其尺寸由偏载条件确定，认为是弯曲和拉伸的组合变形。左右两边共四个导靴保证轿厢能垂直地沿着两列主导轨上下运行，并在偏载情况下防止轿厢侧倾。

5、收稿日期：2006-4-29；第一作者简介：朱晓东(1966-)，男，讲师，1987年毕业于东南大学数力系力学研究生班。盒式副框架用于布置轿厢承重平台、门机、装饰内壁，通过螺栓和加强板与主框架联接。为增加刚度，在四根支撑竖杆上下布置12个导靴与导轨相连。支撑竖杆下端还装有平层卡钳以利运货卡车进出。加强杆主要用于主副框架的装配校直，装配完成后保留在结构上以提高整体刚度。图1液压载货电梯轿厢架轿厢架有限元模型如图2所示，其中数字为节点号，带圈数字为单元号。由于主要构件的长度比横截面尺寸大得多，因此采用梁单元分析较合理。为此应用ANSYS中BEAM4空间梁单元，各构件连接处开孔用螺栓和

6、加强板连接，对应力和应变的影响是局部的，可作为刚节点以简化分析。拉杆用空间杆单元LINK8建模。轿厢架的计算，根据电梯设计要求，必须考虑均载提升、偏载提升和最大静载下平层等三种电梯工作情况。对于边界条件，将油缸提升处作为铰链支座，限定垂直向位移，而导轨对导靴的约束作为可动铰链支座，限定水平面内位移。轿厢架各构件的截面形状和参数见表1。表1主要杆件的截面形状和截面参数截面形状槽型截面空心长方形截面实心圆截面双槽型截面构件直梁、上水平杆、导靴梁、底梁、支撑竖杆拉杆上梁、下梁组件加强横杆、下支撑横杆截面参数宽度、高度、厚度宽度、高度、厚度直径宽度、高度、厚度、间隔26344674521

7、35223623374024383926255987644748908889686141762775284265697822602062773140324133423443354436284643275152475366703019208482812419268321792929543080453746163112322334455632554871254973577893810101112781911285865672587449395013143313141515161617