編者按：針對電梯在高速及重載運(yùn)行工況下，目前，我國還沒有合適配套轎廂用安全鉗。同時，針對當(dāng)前電梯監(jiān)督檢驗(yàn)125%載荷安全鉗制動檢測時，如沒有可靠的能量消耗措施，則其制停時產(chǎn)生的破壞力是十分驚人的。由此，需要研發(fā)一種既保護(hù)轎廂受到高能量的沖擊，又使其80%以上能量消耗在制動過程的安全鉗鉗體中。則通過其薄殼組合圓筒彈性結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元設(shè)計(jì)理論，解決其在不同能量的沖擊下，利用第一級組合圓筒體將其大部分能量消耗在此彈性元件中。

　　一、問題的提出

　　當(dāng)前，我國電梯行業(yè)曳引式電梯產(chǎn)品配套用的安全鉗品種齊全，依據(jù)其制動方式，分為漸進(jìn)式和瞬時式兩種形式。且其結(jié)構(gòu)與形式各異。它常用于曳引式中、低速乘客電梯和載貨電梯等產(chǎn)品中。那么，高速或超高速電梯是否具備其適用的安全鉗呢？至目前為止，我國高速或超高速電梯配套使用的安全鉗均為進(jìn)口部件，且重載或超重載系列安全鉗國內(nèi)也無人涉足。隨著國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市及工業(yè)化建設(shè)步伐越來越快，高速與重載電梯無疑將逐步進(jìn)入各地。因此，對于我們電梯系統(tǒng)性研究機(jī)構(gòu)有責(zé)任與義務(wù)解決此類問題。所以，應(yīng)利用當(dāng)今各類新型材料、技術(shù)的面世，兼顧考慮其結(jié)構(gòu)的實(shí)用性、通用性及先進(jìn)性。

　　電梯在載重量較大，或較高速度運(yùn)行過程中，因電梯在故障或超速過程中安全鉗突然動作時，由于制動過程中時間極短，其轎廂的動能與勢能形成巨大的沖擊能量，造成對導(dǎo)軌與轎廂等不同程度的損傷與變形。同時，易對人身造成傷害。尤其對電梯監(jiān)督檢驗(yàn)125載荷檢測中，如安全鉗本身沒有有效的能量消耗措施，則其制停時對轎廂產(chǎn)生的破壞力是無法想象的。國內(nèi)外電梯用安全鉗卡塊動作結(jié)構(gòu)主要分為三大類：1.楔塊式；2.偏心塊式；3.滾柱式（即滾柱為一實(shí)心圓柱體）。盡管它們各有所長，但在電梯運(yùn)行制動過程中都同樣產(chǎn)生對導(dǎo)軌或轎廂等損傷及變形。關(guān)于這點(diǎn)我們從上海交通大學(xué)提供的電梯安全鉗制停過程中能量分配有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，具體摘錄如下，見下表1：

　　表1 安全鉗制停過程中能量分配有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　綜上所述，上述安全鉗各結(jié)構(gòu)有所長短。從與導(dǎo)軌接觸來看，偏心塊式明顯動作可靠性低，且局部接觸應(yīng)力很大，則不可能作為較高速度電梯的配套使用。而滾柱式結(jié)構(gòu)對導(dǎo)軌破壞也大，可見，作為載重量較大，或較高速度電梯的配套使用也覺得力不從心。至于楔塊式結(jié)構(gòu)的主要能量消耗在本身，這是設(shè)計(jì)電梯運(yùn)行制停過程中，當(dāng)產(chǎn)生巨大能量時，能將此能量吸收最好地考慮結(jié)構(gòu)。因此，利用此結(jié)構(gòu)主體，能否選擇一種像液壓緩沖器一樣的耗能材料及裝置，將電梯在較高速，或重載，或125負(fù)載檢測時，運(yùn)行制停中產(chǎn)生的巨大能量消耗自身約80%以上，這就是本方案設(shè)計(jì)所要解決問題的目標(biāo)值。

　　二、結(jié)構(gòu)與原理

　　由上可知，本安全鉗發(fā)明理念須以此點(diǎn)為目標(biāo)。根據(jù)各類安全鉗整體結(jié)構(gòu)及彈性元件的特點(diǎn)，綜合楔塊式與滾柱式兩者優(yōu)點(diǎn)，，引入新型耗能元件，獨(dú)辟蹊徑形成一組合式整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。即將該種安全鉗主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成常用彈性導(dǎo)向夾鉗式。主體為一焊接式整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部首層放置U型鉗體（可認(rèn)為是一剛性式夾鉗），作為第二級彈性元件。里面制停組件由滾筒組件與楔塊及提拉機(jī)構(gòu)相結(jié)合，且滾筒組件為數(shù)個圓筒嵌入疊加組成薄殼彈性體。中間由銷軸固定，而薄殼彈性體可在其上滾動，作為第一級彈性元件。詳見圖1 B-B剖面所示。

　　圖1 安全鉗主體圖                                                        

　　可見，電梯在制停過程中一瞬間，轎廂產(chǎn)生的巨大能量絕大部分由其薄殼彈簧組承擔(dān)及消耗，其余少量在U型鉗體上吸收，以最大限度防止對轎廂及導(dǎo)軌的損傷。因此，本安全鉗整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、安裝便利及可靠性高。并其組成的第一級和第二級分級耗能的彈性元件配置合理，恰到好處。

　　本安全鉗整體結(jié)構(gòu)及兩級彈性元件布局詳見圖1所示。

　　序號1為上、下底板及中間立柱圍板整體連成一焊接組件。序號3摩擦板固連在序號2楔塊上，圖1中所示位置為工作（制動）狀態(tài)。當(dāng)序號11提拉桿通過序號1上底板處向上提拉時，帶動楔塊向上移動，使摩擦板緊緊地壓在導(dǎo)軌工作面上。且相應(yīng)帶動序號6保持架也上升到圖示位置。同時，使序號10薄殼彈簧組由序號9銷軸約束下沿著楔塊和序號4鉗體斜面向上滾動或滑動。而序號7壓縮彈簧被向上的序號6保持架壓縮，使序號11提拉桿向上的提拉力有一預(yù)定值，以防止安全鉗誤動作。兩側(cè)序號4鉗體定位在序號1上、下底板的導(dǎo)槽中，當(dāng)楔塊向上移動時，由于制動分力作用，則壓縮鉗體向兩側(cè)沿著導(dǎo)槽微量移動。此時，序號5為一U型鉗體，它置于序號1焊接組件內(nèi)部，由圖中兩側(cè)螺栓及壓縮彈簧相對定位，可解決楔塊安裝不對稱與受力不均問題。當(dāng)楔塊動作時，壓縮序號4鉗體與 U型鉗體剛性接觸，使其承受部分壓力或沖擊，故消耗剩余一部分側(cè)向力產(chǎn)生的能量。此外，序號7壓縮彈簧是空套在序號8調(diào)節(jié)螺桿上的，當(dāng)楔塊復(fù)位時，仍與序號7壓縮彈簧一起歸位。此時，摩擦板與導(dǎo)軌面留有雙邊間隙為4~6毫米，這是在安裝過程中必須保證的基本參數(shù)，以及確保其不對稱度問題。

　　從本安全鉗動作原理來看，其原創(chuàng)性重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)中的序號10薄殼彈簧組。它由厚度為t的薄壁圓筒若干個（一般2～3）組合而成，具體詳見圖1 A-A剖面。并要求每個薄壁圓筒組合時留有0～1mm的間隙不等，其值由不同型號的設(shè)計(jì)參數(shù)而定。從技術(shù)角度而言，薄殼彈簧組A-A剖面圖所示，放大圖形后，模擬在徑向承受壓力后，其狀態(tài)相似于一重迭式板彈簧，只不過該結(jié)構(gòu)的曲率半徑比汽車上常用的重迭式板彈簧小得多。由于它的受力呈非線性特性，在多組（本案例配有6組）薄殼彈簧，當(dāng)制動力作用被壓縮變形時，使產(chǎn)生的能量大部分消耗在此變形能上，以達(dá)到緩沖耗能的目的。

　　三、薄殼彈簧有限元設(shè)計(jì)

　　1. 結(jié)構(gòu)受力分析

　　綜上所述，當(dāng)電梯在運(yùn)行過程中發(fā)生安全鉗動作時，其中薄殼彈簧的組合圓筒沿著楔塊面和鉗體斜面向上滾動或滑動。此時，我們將受外載及非制動力引起的微量變形省略不計(jì)。又當(dāng)圓筒內(nèi)外柱面制作成近似鏡面，則其表面質(zhì)量影響和摩擦力可忽略。它用連續(xù)均質(zhì)、各向剛性的線彈性材料（如硅錳鋼）制成，則看成在線彈性范圍內(nèi)工作。即安全鉗工作時，圓筒承受徑向外壓力作用，產(chǎn)生變形。同時吸收轎廂運(yùn)行時的動能與勢能，其瞬間完成能量轉(zhuǎn)換，可近似為無振動過程。由于圓筒兩端自由，又無軸向外力作用，則軸向內(nèi)力為零。由此，設(shè)定它的單位長度圓筒為薄殼彈簧組；且每一薄殼彈簧組由三個不同直徑的圓筒嵌入疊加而成。

　　2. 力學(xué)模型建立

　　當(dāng)研究單一薄殼圓筒發(fā)生一微小變形后，所設(shè)微小彈性變形與外力仍保持平衡狀態(tài)。則為一中性層圓周長不變，形狀可變化的薄殼圓環(huán)。依據(jù)上述條件對其圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，可獲得其力學(xué)模型，詳見圖2所示。特給出其相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

　　a. 外圓筒厚度：1=d1-d2/2；      （d1、d2分別為外圓筒外徑、內(nèi)徑）

　　b. 中圓筒厚度：2=d2-d3/2；      （d2、d3分別為中圓筒外徑、內(nèi)徑）

　　c. 內(nèi)圓筒厚度：3=d3-d4/2；      （d3、d4分別為內(nèi)圓筒外徑、內(nèi)徑）

        則有  
        a. 外圓筒中性層直徑：d1中= d1+d2/2；

　　b. 中圓筒中性層直徑：d2中= d2+d3/2；

　　c. 內(nèi)圓筒中性層直徑：d3中= d3+d4/2；

 圖2  薄殼圓環(huán)組合結(jié)構(gòu)

　　依圖2所示，環(huán)與環(huán)在P力作用時，其相互接觸點(diǎn)有a1、a2，

　　且將其各環(huán)之間間隙設(shè)為：δ0=0。

　　則有接觸反力： 

　　式中，D1、D2、D3 分別為各圓環(huán)的剛度。                                   

　　
         = A3 = A（截面面積）；G1 = G2 = G3 = G（材料剪切彈性膜料）；并取材料修正系數(shù)k為6/5。

　　由上可知，這是一個三次內(nèi)力超靜定問題[2]。將圖3對稱結(jié)構(gòu)采用對稱性分解，可獲得4個1/4薄殼圓環(huán)的靜定結(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示。

　　因該圓環(huán)的變形相容條件是切口處的連續(xù)變形條件，則有變形幾何方程式：

　　依據(jù)上式，整理得到整個單位薄壁圓環(huán)的總變形能，見公式（9）所示。

　　四、受力分析與計(jì)算

　　根據(jù)上述相關(guān)計(jì)算公式和數(shù)據(jù)，則針對某種大噸位載貨電梯的安全鉗部件進(jìn)行實(shí)例受力核算與分析。下面設(shè)定其實(shí)例安全鉗的相關(guān)技術(shù)參數(shù)：

　　由此可知，組合圓柱筒吸收的總能量超過了安全鉗總能量的80%以上，為第一級彈性元件消耗能量的主體起到了關(guān)鍵的作用，為剩余不到20%能量由第二級彈性元件U型鉗體、轎廂及導(dǎo)軌吸收，符合設(shè)計(jì)時的初衷。在安全鉗地動作過程中，盡量而有效地保護(hù)了對導(dǎo)軌及轎廂體的損傷等問題。

　　五、 實(shí)例要點(diǎn)與說明

　　綜上所述，通過安全鉗的圓筒薄殼彈簧整體受力分析、計(jì)算，以及對安全鉗國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的計(jì)算及校驗(yàn)。由此，得出以下要點(diǎn)及說明。

　　1）本薄殼彈簧組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠、合理。且安全鉗整體布局緊湊，與各類轎廂配套適應(yīng)性好，不僅用于各種較高速度漸進(jìn)式安全鉗，還可替代大載荷瞬時式安全鉗。

　　2）薄殼彈簧組受力分析是在超靜定結(jié)構(gòu)下展開，采用有限元積分法簡約計(jì)算，且是可行的；當(dāng)然，也可選用有限元矩陣式計(jì)算機(jī)分析計(jì)算。

　　3）依據(jù)其設(shè)計(jì)結(jié)果，認(rèn)為相關(guān)數(shù)據(jù)或參數(shù)應(yīng)結(jié)合承載力大小進(jìn)行調(diào)整。如彈簧組的組成個數(shù)改為一個或兩個；圓筒的厚度可在1～4mm之間變更；圓筒的長度根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，最佳選擇在30～50mm范圍內(nèi)。

　　4）單個圓筒組中各圓筒之間的間隙是設(shè)定為零，但事實(shí)上是不切實(shí)際的。如加工的誤差、溫度及受壓變形差異等問題，則在設(shè)計(jì)中應(yīng)實(shí)際考慮它們之間的制作間隙。

　　吳哲 2024年11月整理于益陽