电梯曳引机主轴系统的设计分析与优化

电梯曳引机主轴系统的设计分析与优化

梁志雄

广东高菱电梯有限公司

摘要：电梯曳引机做为整个电梯的动力设备，其性能直接影响着电梯的安全等级和电梯的舒适度，甚至直接影响着搭乘电梯的乘客的生命安全。而电梯曳引机的主轴系统又是曳引机的核心组成部分之一，直接决定者电梯曳引机承载的优劣程度。本文以某型号的电梯曳引机主轴系统为例，对其主轴系统的设计进行分析，并提供相应的优化方案，期望能在节约成本的同时优化电梯曳引机主轴系统的性能，并且为相关研究提供一定的借鉴。

关键词：电梯曳引机；主轴系统；设计分析；优化

Design,analysisandoptimizationofmainshaftsystemofelevatortractor

LiangZhixiong

GuangdongHighLiftElevatorCo.,Ltd.

Abstract:Elevatortractionmachineasthewholeelevatorpowerequipment,Itsperformancedirectlyaffectstheelevatorsafetylevelandelevatorcomfort,Evendirectlyaffectthelivesofpassengerstakingtheelevator.Andthemainshaftsystemofelevatortractorisoneofthecorecomponentsofthetractor,Directlydeterminethequalityoftheelevatortractionmachine.Inthispaper,theelevatorspindlesystemofacertaintypeofelevatoristakenasanexample,Thedesignofthespindlesystemisanalyzed,Andprovidethecorrespondingoptimizationscheme,Itisexpectedtooptimizetheperformanceofthemainshaftsystemoftheelevatortractorwhilesavingthecost,Andprovidesomereferenceforrelatedresearch.

Keywords:Tractionmachine;Spindlesystem;Designanalysis；Optimization

前言

随着经济快速发展，带动城市建设高速推进，电梯的数量正在快速地增加，覆盖面迅速扩大。目前，电梯已经成为人们日常生产生活中必不可少的交通工具。然而随着电梯保有量的持续快速增长，电梯发生事故的频率也越来越高，电梯关人、故障停梯、运行不正常等事例不断增多，甚至损害到乘客生命安全的恶性事故也时有发生，电梯的安全与质量越来越受到人们的关注。电梯故障多数因为电梯控制系统或者机械零件的某部分元器件工作异常，导致电梯不能正常运行，影响乘坐的舒适程度甚至产生严重的安全隐患，造成设备故障和对乘客的人生安全威胁。而电梯曳引机是整个电梯运行的动力系统，曳引机主轴系统又是电梯曳引机的核心部件，一旦出现问题，例如发生断裂或者是轴承部位的损坏，就会使整个电梯曳引机发生故障，导致十分严重的安全事故甚至人员伤亡。同时由于电梯建设的数量增长速度加快，有些不法企业为了获取利益，降低成本，利欲熏心，在建设电梯时只是一味的考虑如何节省成本，忽略电梯建设的安全因素，这就导致电梯的质量安全得不到保障，严重影响着人们的人身财产安全。因此，在实际工作当中，对电梯曳引机主轴系统要进行分析，采取科学合理有效的优化解决方案，在保证电梯曳引机乃至整个电梯建设的安全前提下，有效降低成本，是当前电梯设计和建设关注的重点。

一、电梯曳引机主轴系统设计分析

（一）电梯曳引机及其工作原理

电梯曳引机又被叫做电梯主机，作为电梯的动力系统，电梯曳引机的作用是传送运输动力从而使电梯上下运行。电梯曳引机由电动机、制动器、曳引轮、联轴器、减速器等部分组成，根据其减速器的减速方式不同，分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机两种类型[1]。

电梯曳引机的安装地点一般都在电梯机房。钢丝绳经过曳引轮连接轿厢和对重，轿厢和对重的重力会使钢丝绳压紧曳引轮的内槽不会滑出，同时产生摩擦力来驱动曳引轮在电动机的动力下转动，带动钢丝绳来使得轿厢和对重两部分做相对运动。当电梯运行时，轿厢会沿着井道里面的内置轨道上升（或下降），而对重部分就会沿着井道下降（或上升）[2]。（见图1）

如图2，其中A点为前轴承的支撑点；B点为后轴承的支撑点；C点为曳引轮的中点；D点为转子的的中点。A点的轴径Da为75mm，D点的轴径Dd为70mm，制动花键部分最小直径dmin为44.3mm，主轴的材质选择40Cr。

曳引轮处受力F为2200kg，A支点到D点距离L1为168mm，D点到B支点的距离L2为184mm，曳引轮中点到A支点距离L3为59mm，支点A的的作用力RA为2489.34N，支点B的作用力RB为419.34N，主轴运行状态时的转矩为250N·m，制动状态时的转矩为660N·m，A点的弯矩为1697.64N·m，D点的弯矩为763.05N·m，B点的弯矩为0。

A点运行状态时的弯扭组合力矩为1690.19N·m，制动状态时的转矩为1648.44N·m，D点运行状态时的弯扭组合力矩为750.36N·m，制动状态时的转矩为966.33N·m。

A点抗弯截面模量为52200mm3，D点的抗弯截面模量为46387.5mm3，花键部分抗扭截面模量为19790.57mm3，A点的弯曲应力为30.71MPa（制动状态），D点的弯曲应力为22.81MPa（制动状态），花键部分的抗扭应力τ为30.74MPa（制动状态），材料的许用弯曲极限［σ］为65MPa，材料的许用扭转极限［τ］为35MPa。

过上述的计算可以得知主轴的强度是满足要求的。

C点的轴径DC为79mm，D点的轴径Dd为75mm，C点的惯性矩Ic为1911957.59mm4，D点的惯性矩Id为1659.52mm，材料的弹性模量E为206000MPa。C点的挠度为-0.0374mm方向向下，D点的挠度为0.0475mm（方向朝下）。许用挠度应不大于电机气隙的0.1倍，即0.1mm。

通过上述的计算可以得知主轴的刚度是满足要求的。

当仅弯矩作用时，A点与D点的弯曲疲劳极限为300；A点与D点的弯矩分别为1367.64MPa和715.05MPa；A点与D点的抗弯截面模量分别为512400mm3和427887.5mm3；A点与D点的弯曲应力分别为28.06MPa和16.65MPa；A点与D点的平均应力为0；因而A点与D点仅考虑弯曲时的安全系数分别为11.23和28.49。

当仅扭转作用时，A点与D点的弯曲疲劳极限为250；A点与D点的弯矩分别为1587.64MPa和763.05MPa；A点与D点的抗弯截面模量分别为51300mm3和4515.5mm3；A点与D点的弯曲应力分别为28.06MPa和17.95MPa；A点与D点的平均应力为0；因而A点与D点仅考虑弯曲时的安全系数分别为11.43和32.49。A点与D点的弯矩为600MPa；A点与D点的抗扭截面模量分别为113400mm3和85635mm3；A点与D点的扭转应力分别为6.87MPa和7.63MPa；A点与D点的平均应力为0；因而A点与D点仅考虑扭转时的安全系数分别为13.85和12.69。

通过上面的计算得知，A点与D点的疲劳安全系数分别为8.96与11.77，其数值远大于1，故主轴的疲劳强度满足要求。

二、电梯曳引机主轴系统优化

电梯的主轴系统在电梯运行时，承载情况和承载负荷十分复杂，因此在实际设计时，缺乏同一有效的标准来衡量主轴结构计算的可靠程度[3]。因此本文结合本人多年实际工作经验，对电梯运行情况分为空载上行、空载下行、满载上行和满载下行四种情况。众所周知，当电梯处于满载上行时，其主轴系统负荷最大，经计算此时受力为22561.35N。

对电梯主轴系统的优化为：将主轴的直径从80mm减少到74mm，优化后的主轴最大等效应力为58.631MPa，小于材料的许用应力169MPa，因此优化后的电梯曳引机主轴系统符合要求。优化后的主轴系统最大位移为0.0136428mm，小于电机气隙的0.1倍，符合刚度满足设计要求。此外，在满足强度刚度疲劳度的要求下，单根主轴节省1.45kg，节省成本15.92元。

三、结语

电梯系统是一个十分复杂的交通机电系统，对电梯的曳引机这个电梯系统的核心，进行不断地优化主轴系统的设计，不仅能节约成本，提高企业经济效益，还能优化电梯的质量安全性能，提高社会效益。

参考文献：

[1]王洪如.电梯曳引机主轴断裂原因分析[J].起重运输机械,2013,(3):104-107.

[2]周健.电梯曳引机主轴系统结构动态分析与优化设计[D].东南大学,2014.

[3]唐文斌.浅析曳引式电梯平衡系数[J].中国特种设备安全,2016,32(6):71-73.