刘立肖 安云强
奥的斯电梯曳引机（中国）有限公司 天津市 300457
摘要：本文主要针对钢丝绳曳引机的盘车救援装置进行重新设计，提出了对应的轻量化思路和方法，将原有的实心齿轮轴改为空心钢管结构，连接方式由原来的螺栓法兰一体连接改为异形连接，轻量化优化设计后，盘车救援装置减重约3kg。理论校核和试验验证表明，轻量化盘车救援装置各方面性能均满足使用要求，可替代原救援装置使用。
关键词：盘车救援；空心管；分体；减重；有限元
1 引言
近年来，随着高层住宅小区的增多电梯呈井喷式增长，电梯困人事故也逐渐上升。电梯困人事故的发生无法完全避免，及时、正确的应急救援是减少事故和意外伤害的重要手段。困人救援工作是一个复杂的系统工程，也是电梯安全工作的重要组成部分。电梯出现故障或停电困人时，需要用到手动紧急救援装置尽快将被困人员救出。电梯紧急盘车救援装置是电梯以人为本的重要体现，在保证电梯停电或发生故障救援乘客时发挥重要的作用。
2 盘车救援装置结构设计
盘车救援装置一般有可拆卸和不可拆卸两种方式，现有盘车救援装置是一体化的结构设计，其结构为不可拆卸式，采用手轮和实心齿轮轴连接方式，其组成为：盘车手轮，实心轴和小齿轮整体加工一体轴，盘车手轮和齿轮轴通过螺栓紧固连接，在工厂加工装配后整体发货到工地进行使用。重新设计后的轻型盘车救援装置，采用空心钢管形式轴和异形手轮连接的方式。在空心钢管的形状选取上，比较了市场上空心管比较通用的两种形状，方形和圆形，并进行了两种管结构的抗扭截面矩的计算，计算公式如下：
方管计算公式（a^4-b^4）/6a，圆管计算公式π*（D^4-d^4）/（16D）。假设选用的方管和圆管规格近似，尺寸a、D均为40，计算得方管抗扭截面矩为w=3668.27，圆管抗扭截面矩为w=4321.57所以近似尺寸情况下圆管抗扭截面矩更大，因而圆管性能更加优异，且市场上圆管材料更采购更为方便，所以此设计确定使用空心圆管作为盘车救援装置的齿轮轴。
轻型化设计后的的空心齿轮轴部分结构详细说明如下：
图1 空心轴结构组成：① 空心钢管 ②通心齿轮 ③导向小轴
空心管端部三角型结构压制成型，可以加热后整形，也可以通过整形工装施加压力整形获得，后与异形手轮三角结构相匹配，优化前后盘车救援装置模型对比如下图2、3所示
图2 实心轴（螺栓连接）
图3 空心钢管（异形卡簧连接）
盘车救援装置经过轻量化设计后，改为分体结构，由盘车手轮、空心钢管、通心齿轮和导向小轴组成，其中空心钢管、通心齿轮和导向小轴通过焊接的方式相连，代替原有设计的实心齿轮轴和小齿轮一体加工轴，空心钢管未连接齿轮的另一端，通过压制整形的方法，将空心管的另一端压制为异形三角结构，通过两个卡簧简易地与盘车手轮相连，卡簧固定起到防止手轮在空心轴上的轴向滑动，这种异形连接方式比较简便，方便操作，节省焊接组装工时，齿轮轴的重量由实心齿轮轴的3.63kg降低为空心轴管的0.85kg，重量减轻了77%，实现了大幅减重，更利于使用者移动和操作救援装置，更加符合人体工程学。另外，盘车救援装置在改为分体连接形式后，产品包装箱的尺寸可以缩小30%，同时由于结构的重量减轻，装配工艺性地简化，降低了盘车救援装置的制造成本，因此轻量化的盘车救援装置给生产带来了更好的经济效益。
3.轻量化盘车救援装置关键部件—空心齿轮轴的有限元分析
3.1 Creo模型建模设计
在保证计算模型的几何特征、力学特性和真实情况相近的条件下，在导入ANSYS Workbench前进行模型简化处理，对非主要承载部位及其结构予以简化，比如去掉各种螺钉孔和小的倒角等，利用Creo3.0建立关键受力部件空心齿轮轴的模型，转化为.stp格式，导入ANSYS Workbench进行后续分析。
3.2盘车救援装置空心齿轮轴的静力学有限元分析
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元有限元分析软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程软件，能与多数计算机辅助设计软件接口，不仅可以做结构应力分析、瞬态动力学分析、传热、流体、声场和磁场分析，还可以用来做优化设计，已成为国际最流行的有限元分析软件，在高校及企业有着很广泛的应用。
空心齿轮轴使用的材料为Q235，其材料属性为：杨氏模量2.1E+11Mpa，泊松比为0.274，屈服强度为235Mpa。空心齿轮轴模型导入ANSYS Workbench，对其进行材料设置，划分网格，边界条件和载荷加载，运行计算，得到分析结果。
3.2.1空心轴网格划分
通常对于复杂模型，采取四面体实体单元网格划分方式，对于薄壁模型划分较为规则的长方体，单元网格划分如图：
图4 空心齿轮轴网格划分
3.2.2边界条件及载荷设置：
（1）边界条件施加—将小齿轮一端固定（2）加载设置—异形管端部加载72.7KN扭矩，设置边界条件和载荷如下图所示
图5 边界条件和加载设置
3.2.3有限元求解及后处理
求解并提取分析结果，盘车装置空心齿轮轴结构分析结果见图6~8
图6 齿轮轴变形
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论文作者:刘立肖,安云强
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第28期
论文发表时间:2019/8/26
标签：装置论文; 盘车论文; 手轮论文; 圆管论文; 结构论文; 齿轮轴论文; 实心论文; 《建筑细部》2018年第28期论文;