施工升降机安全钳可靠性分析.docx
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施工升降机安全钳可靠性分析
施工升降机安全钳可靠性分析
摘要
升降机已广泛应用于建筑工地垂直运输人员及货物，也是目前唯一上下运行的交通工具。
与批量生产不同，大吨位载荷的施工升降机往往都是点菜式定做，不利于支持物理样机的开发，但同时又对其结构性能、安全性能提出了比较高的要求。
用虚拟样机代替物理样机验证设计，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率都将得到提高。
本文首先阐述了安全钳的发展过程，并对各种安全钳的结构性能进行分析对比。
同时针对各种工况，分析计算了升降机安全钳的制动过程。
建立安全钳的数学模型，并将安全钳系统的数学模型顺利导入ADAMS软件，在对各个部件施加约束和力后，进行了刚性系统动力学仿真分析，完成了安全嵌制停过程的动力学仿真，得到了各参数与制停性能之间的关系。
最后，对安全钳的可靠性能进行分析。
总之，升降机安全钳的可靠性分析，为设计可靠、稳定的高性能安全钳提供了有力的工具和实现方法，可以大大减少升降机的安全事故，保证人身和货物的安全。
关键词：
安全钳；数学建模；动力学仿真；可靠性分析
Abstract
Theelevatoralreadyhasbeenappliedtoperpendicularlytransportthepersonnelandthegoodswidely.It’stheonlywaytorunhightransporting.Differentfromthebatchmanufacturing,thebigtonnageloadingelevatoriscustom-builtsuchasorderdishes.Itisnotinfavorofphysicsmodelmachineexploitation.Butitrequesthighlystructurefunctionandsafefunctionatthesametime.Usingvirtualprototypetoreplacephysicsmodelnotonlyshortenaconstructioncyclebutalsoimprovedesignqualityandefficiencyforverifydesign.
Atfirst,thispaperanalyzedthedevelopmentofsafeplierwasintroduced.Thehaltedcapablilityofallkindsofsafeplierwerecompared.Thestoppingprocessofthesafeplierwasanalyzedaccordingtoseveralcircumstances.Builtthesystematicsafepliermathematicalmodel,ItwastransferredintoADAMSsoftware.Themulti-rigidbodiesdynamicswassimulatedandanalysisedafterexertedconstraintandforceonthecomponents.Thesafetyplierhadbeendynamicsstoppingprocesssimulated.Therelationbetweeneveryparameterandthestoppingeffectwasgot.Attheand,analyzereliableperformanceofthesafepiler.
Inshort,thereliableperformanceanalyzeofsystematicsafeelevatorplierprovidestheforcefulimplementationandrealizationmethodtodesignareliablestablehigh-performancesafeyplier,cangreatlyreduceelevatorsafetyaccident,ensurethesafetyofpersonalanddoods.
Keyword:
safeplier;mathematicalmodel；dynamicsimulation;Reliabilityabalysis
目录
第一章绪论1
1.1升降机安全装置的发展1
1.2课题研究的背景及意义6
1.3课题的研究内容7
第二章安全钳的工作原理及数学建模8
2.1引言8
2.2安全钳的结构性能分析8
2.3渐进式安全钳的工作原理9
2.4安全钳制停性能分析10
2.4.1制停加速度计算10
2.4.2制停力分析12
2.4.3制停距离计算12
2.5渐进式安全钳的主要零件分析计算13
2.5.1楔块夹角计算14
2.5.2圆柱螺旋压缩弹簧的确定15
2.5.3拉杆支座强度分析16
第三章对称双楔块渐进式安全钳动力学仿真18
3.1引言18
3.2ADAMS多刚体系统动力学仿真18
3.2.1ADAMS仿真软件介绍18
3.2.2ADAMS软件模块简介20
3.2.3多刚体系统动力学仿真21
3.3仿真实验与分析22
3.3.1升降机系统的结构及工作要求22
3.3.2仿真结果分析实例22
3.3.3仿真结果分析和参数修正31
3.4本章小结34
第四章总结35
参考文献37
致谢39
附录一英文科技文献翻译40
附录二毕业设计（论文）任务书51
第一章绪论
1.1升降机安全装置的发展
升降机作为一种垂直升降设备，其安全保护装置是必不可少的。
早在古代阿拉伯人就曾在底坑内放置装满羽毛的大袋，为吊篮断绳起缓冲作用。
近年来各类安全装置被广泛应用于升降机中。
现根据其发展过程将其结构特点分述如下：
1．棘齿形安全装置
19世纪中期美国人奥迪斯在高层建筑升降机中创造性地发明了一种棘齿形安全装置。
见图1.1。
该装置的原理是：
在竖井的两壁装有棘齿，起升绳连接在上横梁的板簧上，板簧通过杠杆与棘齿连接。
桥箱可上下运行。
当起升绳断开时，棘齿在板簧作用下卡在棘齿中起保护作用，该装置使用于低速电梯。
图1.1棘齿安全装置
2.带缓冲阻尼的棘齿装置
如图1.1所示，奥迪斯发明的棘齿装置其缺陷是冲击大。
如图1.2为奥迪斯装置的改进，改装置是在升降机两侧棘爪上连接以液压阻尼起缓冲作用。
图1.2带液压阻尼器的棘齿安全装置
3．螺母丝杠结构
图1.3所示为德国30年代用于升降机的安全装置，升降机的提升采用齿轮条结构。
安全装置为丝杠螺母结构。
螺母安装在升降台上，丝杠与螺母间隙较大，平时丝杠空转其转速与升降台一致，当起升机构发生故障时，螺母落到丝杠上，防止升降台坠落。
该装置常用于重在低速。
图1.3丝杠螺母机构
4．带齿凸轮机构
早期的升降机两侧为木制导轨，其侧面固定有涂油脂的小方木作为滑动导轨，制动导轨两侧是带齿的凸轮，当提升绳与重力失衡，弹簧力使凸轮嵌入木导轨，使桥箱制动（图1.4c）。
图1.4带齿凸轮制动机构
5.安全钳机构
（a）楔块式瞬时安全钳
如图1.5所示楔块式瞬时安全钳嵌体2由铸钢制成，安装在桥箱架下横梁，每根导轨分别由2个楔形嵌块夹持，一旦楔块与导轨接触，由于楔块斜面作用，导轨会被越夹越紧。
嵌体夹持导轨的必要条件为：
α≤φ2-φ1
式中：
α——楔块角α=60-80
φ2——楔块与导轨间的摩擦角
φ1——楔块与嵌体间的摩擦角
图1.5楔块形安全钳结构见图
（b）滚柱式安全钳
如图1.6所示，当提拉杆1提起时钢制滚柱在嵌体楔块内向上滚动，当滚柱贴近导轨时，嵌体水平移动，消除了与导轨间一侧的间隙。
其条件为：
α≤φ2+φ1
式中：
α——嵌块楔形角
φ1——滚柱与楔形嵌块之间摩擦角
φ2——滚柱与导轨间摩擦角
图1.6滚柱瞬时安全钳
（c）渐进式滚柱安全钳
近年来国外在交流电梯上常采用一种渐进式滚柱安全钳。
结构简图如图1.7所示。
嵌体的斜面由2个扁平弹簧代替，形成一滚道供钢制滚花滚柱在上滚动。
滚柱的动作仍由提拉杆控制，提拉杆提起，滚柱上升并与导轨接触，楔入导轨与弹簧之间。
图1.7渐进式滚柱安全钳
1.2课题研究的背景及意义
升降升降机是广泛应用于建筑工地垂直运输人员及货物的重要工具，也是目前唯一上下运行的交通工具。
随着社会的不断发展和现代化程度的提高，升降机已成为现代社会生产中所不可缺少的一种建筑交通运输工具。
在升降机运行中，由于控制失灵、曳引力不足、制动器失灵或制动力不足以及超载拖动、曳引绳断裂等原因都会造成升降台超速和坠落。
近年来，我国升降机引发的重大安全事故时有发生，施工升降机安全装置的齐全与否以及安装调整的质量是直接关系到货物及人身安全的重大问题。
安全钳是升降机设备的重要安全装置，是升降机增强安全保护措施功能的重要组成部分。
安全钳的主要作用是：
当机在故障状态下超速下滑或坠落而达到限速器动作速度时，由限速器操纵安全钳使电梯桥箱安全制停后夹持在导轨上，从而防止意外事故的发生。
1.3课题的研究内容
本课题以施工升降机安全钳为研究对象，以数学建模和实验验证相结合的方法。
课题研究的主要内容有：
1.阐述了安全钳的发展过程，并对各种安全钳的结构性能进行分析对比。
2.分析安全钳的结果性能与工作原理，并建立安全钳的数学模型。
3.用ADAMS软件对安全钳进行仿真分析，通过对仿真得出的数据进行分析，优化安全钳的可靠性能。
第二章安全钳的工作原理及数学建模
2.1引言
安全钳是升降机设备的重要安全装置，是升降机增强安全保护功能的重要组成部分。
安全钳的主要作用是：
当升降机在故障状态下滑落或坠毁而达到限速动作速度时，由限速器操纵安全钳使电梯桥箱安全制停后夹持在导轨上，从而防止意外事故的发生。
在升降机产品中，安全钳的选择和性能要求是提升产品质量的重要保证。
2.2安全钳的结构性能分析
升降机安全钳分为三大类：
瞬时式安全钳、具有缓冲作用的瞬时式和渐进式安全钳。
瞬时式安全钳按其制动元件的形式可分为偏心块、楔块和滚柱式三种。
通常安全钳通过偏心块、楔块和滚柱来向导轨施加压力，没有任何弹性构件被引入以限制其制动距离，因此也被称为刚性安全钳。
渐进式安全钳在制动期间以有限的压力作用于导轨上，其制动距离与被制动的质量及安全钳开始作用时的速度有关，制动力在安全钳完全制动后基本是均匀一致的。
这种安全钳制动力的限定和保持，是靠限制力弹性元件的变形来实现的，动作后它以被限定的制动力制动，所以也称其为弹性滑移式安全钳。
瞬时式安全钳在制停期间对导轨产生一个迅速的压力，制动距离很短，其动作力完全由所制停的桥箱质量及其运动所产生。
一般用于速度1m/s以下的电梯。
渐进式安全钳是靠限制施力弹性元件的变形来实现的，动作以后它以被限定的制动力制动，因此其制动的滑移距离比瞬时式的要长的多。
偏心式安全钳卡紧导轨的面积很小，接触面上的压力会很大，在偏心块外部及导轨的受挤压部分会产生较大的变形。
这类安全钳在我国使用不多。
滚柱式安全钳一般情况下滚柱的直径不可能做得很大，与导轨和嵌体的接触面积比较小，接触面上的比压就很大，接触去内导轨和嵌体的局部变形也会较大。
由于这个原因，一般不适宜用大吨位（额定载荷大于4000kg）的电梯。
楔形式安全钳一般情况下楔块与导轨的接触面积要比偏心块式和滚柱式大得多，接触面的比压也相对较小，因此接触滑动区内导轨、楔块和嵌体的变形也相对小一些，也就是说制动后对导轨的损伤较其他两种为小，可用于吨位较大的低速升降机。
本课题采用的是对称双楔块、圆柱螺旋压缩弹簧式安全钳。
2.3渐进式安全钳的工作原理
对称双楔块渐进式安全钳在制动期间以有限的压力作用于导轨上，其制动力的限定和保持，靠限制施力弹性元件的变形来实现。
动作后它以被限定的制动力制动，其制停距离与被制动的质量及安全钳开始动作时的速度有关，制动力在安全钳完全动作后基本均匀一致。
对称双楔块渐进式安全钳结构如图2.1所示。
当钢丝绳拉起时，圆柱螺旋弹簧处于压缩状态，楔块与导轨面的间隙一般为2~3mm，升降机能正常运行。
当钢丝绳出现松弛或者断裂时，圆柱螺旋压缩弹簧推动拉杆，通过可调螺杆、三角块、传动杆等将楔块向上提起。
在提起楔块的过程中，楔块与导轨面间的距离越来越小，最终楔块与导轨面接触。
根据自锁原理，楔块与导轨之间的摩擦力使超速下降的升降机夹持在导轨上。
楔块式安全钳一般情况下楔块与导轨的接触面积比较到，接触面的比压也就相对较小，因此接触滑动区内导轨、楔块、嵌体的变形也相对小一些。
也就是说制动后对导轨的损伤较小。
因而比较适合大载荷的升降机。
图2.1对称双楔块渐进式安全钳示意图
2.4安全钳制停性能分析
假如安全钳制停是恒力，承载弹簧按平均制动力来确定其压缩行程，以保证升降台在满载情况下平均加速度在0.2~1.0g之间。
2.4.1制停加速度计算
为了使安全钳能满足升降机各种制停情况，必须可能出现的安全钳动作状态进行讨论。
经常遇到的情况有：
1.拽引机停止转动，附带对重的升降台超速下降
升降台超速时，限速器超速开关将控制电路切断，拽引机被制动，运转停止。
此时升降台动力学模型如图2.2所示，其力学方程为：
4F+α*G/2*g
（P+Q+W）*g=（α*G/2+P+Q+W）*a
可得出升降台的加速度为：
式中：
W——提升钢丝绳重量；
G——对中重量；
F——每个安全钳制停力；
α——拽引系数，即拽引两边钢丝绳张力比。
图2.2升降台系统动力学模型
2.拽引力仍在驱动运转，附带对重的升降台超速
在这种情况中，拽引轮上的拽引效应与情况1刚好相反，其力学方程：
4α*F+G/2*g
α*（P+Q+W）*g=[G/2+α*（P+Q+W）]*a
因此很容易写出升降台制停过程中的加速度表达式：
3.升降台自由坠落
当钢丝绳断裂，升降台自由下落，其力学方程为：
4F
（P+Q）*g=（P+Q）*a
此时安全钳制停时的升降台加速度是：
2.4.2制停力分析
为了定量分析起见，假设P=Q，对重G=P+0.45Q，钢丝绳忽略不计。
升降机驱动装置是一个双绕的无齿轮拽引机，去拽引系数α=2，安全钳的制停力是由升降台的加速度来确定的（加速度amin=0.2，amax=1.0g）。
因此得到四种情况下安全钳的制停力，如表2.1：
表2.1安全钳的制停力
状态
拽引机
Fmin（0.2g）
Fmax（1.0g）
F（0.35）
1
超速
电机停止
0.28Q*g
0.89Q*g
0.4Q*g
2
超速
电机停止
0.53Q*g
1.0Q*g
0.62Q*g
3
超速
自由转动
0.46Q*g
1.0Q*g
0.56Q*g
4
自由坠落
无
0.6Q*g
1.0Q*g
0.657Q*g
从表中可以看出，安全钳夹持力的设计不能去下限值，如设定夹持力为0.6Q*g（自由坠落时的最小制停力），则在情况2时，加速度为0.35g的升降台制停力就不满足。
为了使安全钳的夹持力不至于过大或过小，设计时刻按平均加速度0.6g来确定弹性元件的夹持力。
在试验调整时。
夹持力尽量去上限值。
2.4.3制停距离计算
由于制停过程中假设是匀加速，制停距离的计算公式可用下式：
Smin=vp2/2αmax
Smax=（vp2/2αmin）+A
式中：
vp——安全钳动作时速度；
amax——升降机制停过程中的最大容许加速度（m/s2）；
amin——升降机制停过程中的最小容许加速度（m/s2）；
A——是从安全钳开始动作到安全钳提拉杆提起与导轨接触期间升降运行距离。
2.5渐进式安全钳的主要零件分析计算
升降机的主要参数有：
表2.2升降机主要参数
序号
参数名称
数值
单位
备注
1
拽引轮轮槽直径
0.56
m
2
拽引轮转动惯量
4.5
Kg.m2
3
拽引轮等效转动惯量
6.3
Kg.m2
4
钢丝绳直径
13
mm
4根
5
对重质量
10200
kg
6
升降平台质量
3000
kg
7
提升能力
3000-4000
kg
8
升降速度
1-2
m/s
9
动滑轮质量
136.2
kg
10
升降最大行距
21.6
m
11
升降平台有效长度
6.0
m
12
对重有效长度
5.6
m
13
井道宽度
2.4
m
14
井道长度
7
m
2.5.1楔块夹角计算
当安全钳楔块被拉条起与导轨接触时，为保证超速下降的升降机能被夹持在导轨上，安全钳上的楔块受力必须满足向上力大于向下力这个自锁条件，即满足以下不等式:
μ1N3cosα-μ1N3μ2sinα>N3sinα+N3μ2sinα
可得楔角必须满足不等式
式中：
μ1——楔块与导轨之间的摩擦系数；
μ2——楔块与夹块之间的摩擦系数；
图2.3楔块式安全钳
表2.3楔块的参数表
名称
参数值
名称
参数值
楔角（red）
artg1/10
楔块宽度（mm）
60
楔块高（mm）
200
楔块槽宽（mm）
40
楔块上底长（mm）
40
楔块槽高（mm）
10
2.5.2圆柱螺旋压缩弹簧的确定
升降机在升降的过程中，弹簧所受载荷基本不变，为静载荷。
按两个端面均与邻圈并紧且磨平的YI型硅胶锰弹簧来考虑，以保证两个支承端面与弹簧的轴线垂直，从而使弹簧受压时不致歪斜。
弹簧直径由下式确定：
式中：
Pmax——弹簧承受的最大静载荷；
K——补偿系数；
C——弹簧指数（D2/d）；
[τ]——弹簧钢丝的许用切应力。
弹簧工作圈数由下式确定：
n=Gd4/8D23kp
式中：
G——弹簧钢丝的切变模量；
D2——弹簧中径；
表2.4弹簧的参数表
名称
参数值
名称
参数值
弹簧中径（mm）
30
长度（mm）
145
弹簧内径（mm）
24
有效圈数
15
弹簧外径（mm）
36
总圈数
18
2.5.3拉杆支座强度分析
升降机在升降的过程中，要到不同的楼层提取物料，拉杆支座承受载荷主要为横向载荷，其主要破坏形式是螺栓杆和孔壁的贴合面上出现压溃或螺栓被剪断，所以要保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度，其中联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性作用。
图2.4拉杆支座螺栓组联接
当钢绳将拉杆拉起时，拉杆支座受一个横向力，由此产生一个转矩，一个倾覆力矩，受力模型如图2.4所示。
螺栓杆与孔壁的挤压条件为：
σp=（F/d0lmin）≤[σ]p
螺栓杆的剪切强度条件为：
τ=F/（πd02/4）≤[τ]
式中：
F——螺栓所受的工作剪力，N；
d0——螺栓剪切面的直径（可取为螺栓孔的直径），mm；
Lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，mm；
[σ]——螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MP；
螺栓的轴向总拉力为：
Q=Qp+CbFy/（Cb+Cm）
式中：
Qp——螺栓所受的预紧力，N；
Cb——螺栓的刚度；
Cm——支座的刚度；
Fy——螺栓轴向的最大工作载荷；
第三章对称双楔块渐进式安全钳动力学仿真
3.1引言
系统仿真是以系统理论、形式化理论、随机过程与统计学和优化理论为基础，以计算机和仿真系统软件为工具，对现实系统或未来系统进行动态试验仿真研究和方法。
也有人称它为用模型代替真实系统进行试验研究，以获取所需要的信息的试验方法。
系统、模型和试验系统是系统仿真的三要素。
而“建模—仿真试验—分析”则是仿真的基本框架。
建立系统的软件模型并在计算机上进行模型试验，称为数学仿真。
其中，试验系统为模拟机的称为模拟机仿真；试验系统为数字机并用各种数学方法对系统进行求解以生成数据结果的方法称为数值仿真；而利用动画技术来表达整个过程的方法称为图形仿真。
本章以多体动力学理论为基础在ADAMS软件中建立安全钳系统的动力学模型进行仿真，并对仿真的结果进行分析。
3.2ADAMS多刚体系统动力学仿真
3.2.1ADAMS仿真软件介绍
ADAMS是世界上应用最广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件。
工程师、设计人员利用ADAMS软件能够建立和测试虚拟样机，实现在计算机仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。
利用ADANS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。
它可以有效地将三维实体模型及有限元FEA（FiniteElementAnalysis）软件描述的零部件模态有机结合起来，准确地预测机械系统在虚拟实验室、虚拟场地上进行各种模拟实验的性能。
ADAMS软件具有以下几个特点：
1.利用交互图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。
2.分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性动力学分析，包括刚体和柔性体分析。
3.具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。
4.具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型在某一个过程变化的能力，提供多种“虚拟样机”方案。
5.具有一个强大的函数库供用户自定义和运动发生器。
6.具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。
7.自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形。
8.可预测机械系统的性能、运动范围、包装、碰撞、峰值载荷和计算有限元的输入载荷。
9.支持大多数CAD，FEA和控制设计软件包之间的双向通讯。
ADAMS作为一款虚拟样机技术专业软件其核心理论是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系统动力学和多柔性系统动力学组成的。
多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接。
研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。
多柔性系统力学的研究对象是由大量刚体和柔性组成的系统。
多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。
多柔性系统动力学可以看作时多刚体动力学的自然延伸。
根据多肉体系统组成的特点，一般以多刚体系统动力学的研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元等。
将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程（本课题中系统中各部件均假设为刚体，不作柔性假设）。
3.2.2ADAMS软件模块简介
ADAMS软件由核心模块、功能扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱模块组成。
图3.1ADAMS软件模块图
这里主要介绍一下几个与本课题相关的模块：
1.ADAMS/View（界面模块）是以用户为中心的交互图形环境，它提供
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