CN102426632B - 一种使用用于防爆电梯安全钳的改进热流密度法计算安全钳钳块模型节点温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防爆电梯安全钳设计技术，具体是一种用于防爆电梯安全钳的改进热流密度法，取出时间平均效应，同时，空间上的平均效应仍旧存在，得到一种保守的温升估计。然后从接触力学的角度进行分析，建立安全钳制停的完全有限元数值模型，通过将轿厢质量等效成具有超高密度的安全钳钳块机体材料，然后施加与实际工况相同的工作压力和制停初速度条件，针对安全钳的制停过程进行有限元仿真，并通过仿真分析研究了摩擦系数、制停工作压力、制停初速度、钳块材料以及制停过程中钳块的塑性变形对制停最大温升的影响。最后利用跌落制停实验，并与仿真结果进行比对，使其测量的结果更加准确可信。

Description

一种使用用于防爆电梯安全钳的改进热流密度法计算安全钳钳块模型节点温度的方法

[技术领域]

本发明涉及防爆电梯安全钳设计技术，具体是一种使用用于防爆电梯安全钳的改进热流密度法计算安全钳钳块模型节点温度的方法。

[背景技术]

电梯安全钳的摩擦学特性十分重要：一方面，在最恶劣的工况下，比如悬挂装置断裂时，安全钳钳块与导轨之间应具有足够强大的摩擦力以将轿厢锁停在导轨上^[1]；另一方面，对于一些特殊的梯种，比如石油化工行业里广泛使用的防爆电梯，钳块与钢轨的摩擦温升还应当被限定在安全的范围^[2]。

安全钳主要分瞬时式和渐进式两种。瞬时安全钳作用的特点是制停距离短，轿厢承受冲击厉害。在制停过程中楔块或其他形式的卡块将迅速地卡入导轨表面，从而使轿厢停止。滚珠柱型瞬时安全钳的制停时间约在0.1s左右，而双楔块瞬时式的瞬时制停力最高时的脉冲宽只有0.01s左右。整个制停距离也只有几十毫米，乃至几个毫米。轿厢的最大制停减速度约在5～10g左右，甚至更大。因此，我国规定，瞬时式安全钳只能适用于额定速度不超过0.63m/s的电梯。而根据已有的试验数据表明，瞬时式安全钳在制停过程中的能量损耗(见下表)主要在钳体和钢丝绳以及导轨的变形上，而摩擦的损耗只占很小的比例，因此，摩擦导致的温升也较小。

而渐进式安全钳与瞬时式安全钳结构上的主要区别在于钳体是弹性夹持型。渐进式安全钳动作时，轿厢有一定的制停距离，这样轿厢的制停减速度小，我国的安全规范要求，轿厢在制停过程中的平均减速度在0.2g～1.0g之间。因此渐进式安全钳在制停过程中，轿厢的能量除了转换成钳体弹性元件的势能外，主要为安全钳楔块与导轨摩擦功所消耗。鉴于此，在对安全钳的制停温升进行实验和模拟分析时，本项研究主要针对渐进式安全钳。

一般通过试验是检验安全钳制停性能的良好手段，然而对于防爆电梯这种应用在特殊场合的特种设备，缺乏理论或经验指导的盲目试验无疑非常困难且耗费巨大。又因为电梯安全钳系统的制停过程是一个复杂的热机耦合作用过程，理论解析方法常常无能为力；而结构分析的有限单元法则可以稳健处理各种复杂的几何构型、材料行为以及边界条件，应用相对广泛。譬如，现有文献中针对汽车刹车系统热机耦合作用的有限元模拟工作就非常丰富。然而就我们所知，针对电梯安全钳制动过程的热机耦合有限元分析却未见报道。倪陆等[4]采用有限元方法，对安全钳制动时钳块与导轨之间的摩擦生热问题进行了仿真分析。在他们的计算模型中，摩擦产生的热(通过功能原理粗略计算)被当作热边界条件施加到钳块上，而没有考虑热载荷对接触体应力场及接触条件的影响，而且他们得到的温升是一种在时间和空间上都被平均化了的结果，因此与实际情况有较大偏差。

[发明内容]

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种取出时间平均效应的改进热流密度法。

为实现上述目的设计一种使用用于防爆电梯安全钳的改进热流密度法计算安全钳钳块模型节点温度的方法，所述的改进热流密度法用于检测防爆电梯安全钳制停温升，用解析的方法首先求出瞬时的热流密度，然后利用有限元软件将瞬时热流密度作为边界条件施加到安全钳钳块上，求得安全钳钳块的温升；

a.所述的瞬时的热流密度计算方法：

在安全钳的制动过程中，自动作开始的时间t内，系统的重力势能及动能改变量转化为用于整个系统温度上升的摩擦能量；

其中，重力势能改变为：

W₁＝mgh

其中 $h=v_{0}t-\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2$

动能的改变量为：

$W_2=\frac{1}{2}{{\mathrm{mv}}_0}^2-\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2$

其中v＝v₀-at

因此整个系统的摩擦能量：

W＝(W₁+W₂)η

其中η是系统能量转换为热能的比率，取值为0.85～0.9[5]

将W对t求导数，则得到钳块表面瞬时产热率：

p_f＝(P+Q)(g+a)(v₀-at)η

钳块和导轨之间的热量分配占比系数为[6]：

$b=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1{k}_1}}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1{k}_1}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2{k}_2}}$

其中ρ，c，k分别为钳块/导轨材料的密度、比热和导热系数

假设单个安全钳的名义面积为s,实际接触面积百分比为β，则实际单个安全钳的接触面积为S＝sβ.β取为0.8[7]

钳块摩擦接触面瞬时热流密度为：

$f_h=\frac{p_{f}b}{4S}=\frac{(P+Q)(g+a)(v_0-\mathrm{at})\mathrm{\ηb}}{4\mathrm{s\β}}$

b.所述的有限元软件按钳块实际几何尺寸建立三维模型，设置系统的初始温度为20℃,按照上述瞬时热流密度计算方法将不同初速度对应的瞬时热流密度施加在钳块的接触表面，在其他非接触表面设置热对流以及热辐射边界条件，采用Abaqus/standard求解器对安全钳制停的摩擦温升作瞬态传热分析，输出数据为整个模型的节点温度。

所述的钳块三维模型忽略远离接触表面的钳体中的螺纹及通孔，保留了表面沟槽的特征。

所述的钳块三维模型设有386000个8节点六面体单元。

本发明同现有技术相比，优点在于取出了时间上的平均效应，同时，空间上的平均效应仍旧存在，得到一种较为保守的温升估计。然后从接触力学的角度进行分析，建立安全钳制停的完全有限元数值模型，通过将轿厢质量等效成具有超高密度的安全钳钳块机体材料，然后施加与实际工况相同的工作压力和制停初速度条件，针对安全钳的制停过程进行有限元仿真，并通过仿真分析研究了摩擦系数、制停工作压力、制停初速度、钳块材料以及制停过程中钳块的塑性变形对制停最大温升的影响。最后利用跌落制停实验，并与仿真结果进行比对，使其测量的结果更加准确可信。

[附图说明]

[具体实施方式]

对本发明做进一步说明，这种装置的制造技术对本专业的人来说是非常清楚的。

以下通过ABAQUS建立有限元模型，

热流密度模型：

瞬时热流密度的估算：

在安全钳的制动过程中，自动作开始的时间t内，系统的重力势能及动能改变量转化为用于整个系统温度上升的摩擦能量。

其中，重力势能改变为：

W₁＝mg              (1)

其中 $h=v_{0}t-\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2.$

动能的改变量为：

$W_2=\frac{1}{2}{{\mathrm{mv}}_0}^2-\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2---\left(2\right)$

其中v＝v₀-at。

因此整个系统的摩擦能量：

W＝(W₁+W₂)η             (3)

其中η是系统能量转换为热能的比率，一般取值为0.85～0.9[5]。

将W对t求导数，则得到钳块表面瞬时产热率：

p_f＝(P+Q)(g+a)(v₀-at)η            (4)

钳块和导轨之间的热量分配占比系数为[6]：

$b=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1{k}_1}}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1{k}_1}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2{k}_2}}---\left(5\right)$

其中ρ，c，k分别为钳块/导轨材料的密度、比热和导热系数。

假设单个安全钳的名义面积为s,实际接触面积百分比为β，则实际单个安全钳的接触面积为S＝sβ.一般β取为0.8[7]。

钳块摩擦接触面瞬时热流密度为：

$f_h=\frac{p_{f}b}{4S}=\frac{(P+Q)(g+a)(v_0-\mathrm{at})\mathrm{\ηb}}{4\mathrm{s\β}}---\left(6\right)$

基于估算的瞬时热流密度的有限元分析

电梯制停时导轨固定，安全钳钳块在导轨上摩擦滑动，考虑到完全制停以前接触面一直有摩擦热生成，所以安全钳的钳块部分最有可能出现最大瞬时温度，因此，本研究取一钳块为分析对象。按钳块实际几何尺寸建立三维模型，模型中忽略了远离接触表面的钳体中的螺纹及通孔，但保留了表面沟槽的特征。根据热量传递的特点，在钳块接触面的表层区域划分更为精细的网格。整个模型有386000个8节点六面体单元(单元型号为DC3D8)。设置系统的初始温度为20℃,按照前节所述方法将不同初速度对应的瞬时热流密度施加在钳块的接触表面；在其他非接触表面设置热对流以及热辐射边界条件。采用Abaqus/standard求解器对安全钳制停的摩擦温升作瞬态传热分析，输出数据为整个模型的节点温度。模拟中所采用钳块的基本参数由下表给出。

基于接触力学的渐进式安全钳制停温升的有限元模拟

制停时间与制停距离：在渐进式安全钳的作用过程中，当提拉杆将楔形钳块向上提起，楔块背面滚柱组随动，楔块与导轨面接触后，楔块继续上滑一直到限位板停止，此时楔块夹紧力达到预定的最大值，形成一个不变的制动力，使轿厢以恒定的减速度平滑制动。因此，整个制动过程是匀减速制动过程。

a.制停时间

楔块受到夹紧力作用后，保持恒定的减速度运动，由受力分析得到：

f＝μP cosθ                (7)

f-G-P sinθ＝ma           (8)

减速度a可以由式(7)～(8)解出，相应的制停所需时间t＝v₀/a，其中v₀是限速器动作时的初速度。

b.制停距离

渐进式安全钳制停期间钳体夹紧导轨后轿厢的下滑距离称为轿厢的制停距离为：

$h=v_0^2/2a$

(9)

其中v₀是限速器动作时的初速度，对于额定速度1m/s的安全钳取为1.5m/s。例如当制停减速度为a＝4.9m/s²，初速度为v₀＝1.5m/s时，

最后，可以分别解出制停时间为0.31s，制停距离为0.23m。

Claims (3)

1.一种使用用于防爆电梯安全钳的改进热流密度法计算安全钳钳块模型节点温度的方法，其特征在于所述的改进热流密度法用于检测防爆电梯安全钳制停温升，用解析的方法首先求出瞬时的热流密度，然后利用有限元软件将瞬时热流密度作为边界条件施加到安全钳钳块上，求得安全钳钳块的温升；

a.所述的瞬时的热流密度计算方法：

在安全钳的制动过程中，自动作开始的时间t内，系统的重力势能及动能改变量转化为用于整个系统温度上升的摩擦能量；

其中，重力势能改变为：

W₁＝mgh

其中 $h=v_{0}t-\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2$

动能的改变量为：

$W_2=\frac{1}{2}{{\mathrm{mv}}_0}^2-\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2$

其中v＝v₀-at

因此整个系统的摩擦能量：

W＝(W₁+W₂)η

其中η是系统能量转换为热能的比率，取值为0.85～0.9，

将W对t求导数，则得到钳块表面瞬时产热率：

p_f＝(P+Q)(g+a)(v₀-at)η

钳块和导轨之间的热量分配占比系数为：

$b=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1{k}_1}}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1{k}_1}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2{k}_2}}$

其中ρ₁,c₁,k₁分别为钳块的密度、比热和导热系数，ρ₂,c₂,k₂导轨材料的密度、比热和导热系数，假设单个安全钳的名义面积为s,实际接触面积百分比为β，则实际单个安全钳的接触面积为S＝sβ，β取为0.8，

钳块摩擦接触面瞬时热流密度为：

$f_h=\frac{p_{f}b}{4S}=\frac{(P+Q)(g+a)(v_0-\mathrm{at})\mathrm{\ηb}}{4\mathrm{s\β}}$

b.所述的有限元软件按钳块实际几何尺寸建立三维模型，设置系统的初始温度为20℃,按照上述瞬时热流密度计算方法将不同初速度对应的瞬时热流密度施加在钳块的接触表面，在其他非接触表面设置热对流以及热辐射边界条件，采用Abaqus/standard求解器对安全钳制停的摩擦温升作瞬态传热分析，输出数据为整个模型的节点温度。

2.如权利要求1所述的一种使用用于防爆电梯安全钳的改进热流密度法计算安全钳钳块模型节点温度的方法，其特征在于所述三维模型忽略远离接触表面的钳体中的螺纹及通孔，保留了表面沟槽的特征。

3.如权利要求2所述的一种使用用于防爆电梯安全钳的改进热流密度法计算安全钳钳块模型节点温度的方法，其特征在于所述的钳块三维模型设有386000个8节点六面体单元。