李寒冰，衛(wèi)小兵，張召軍，王敏星

（1.河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000；2.西繼迅達(dá)（許昌）電梯有限公司，河南 許昌 461000）

1 引言

目前我國(guó)電梯行業(yè)發(fā)展迅速，但電梯事故頻發(fā)[1]，《GB7588-2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范》及其第1 號(hào)修改單針對(duì)電梯層門(mén)的強(qiáng)度提出了新的擺錘沖擊要求，即電梯層門(mén)在遭受意外撞擊時(shí)不能被撞開(kāi)[2]，而2016 年7 月這一修改單實(shí)施前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)投入運(yùn)行了約有400 萬(wàn)臺(tái)未考慮層門(mén)強(qiáng)度要求的電梯（以下簡(jiǎn)稱老舊電梯）。電梯層門(mén)最薄弱的位置是在下部的層門(mén)靴上，老舊電梯上的層門(mén)靴并沒(méi)有考慮或設(shè)計(jì)防撞功能，導(dǎo)致電梯層門(mén)在異常外力下打開(kāi)，造成了人身傷亡事故，近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)生的因?qū)娱T(mén)靴脫槽引起事故的案例大多與此有關(guān)[2]。

因此，老舊電梯加裝防層門(mén)腳靴脫槽裝置成為亟待解決的問(wèn)題，這就要求加裝結(jié)構(gòu)具有普遍適用性，必須要嚴(yán)格滿足新規(guī)范中的擺錘沖擊要求。目前，有限元分析法已在電梯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方面廣泛應(yīng)用[3-7]，運(yùn)用有限元分析的方式可以對(duì)層門(mén)的撞擊性能進(jìn)行準(zhǔn)確和快速完整的分析。目前，對(duì)老舊電梯的耐撞性或?qū)娱T(mén)加固設(shè)計(jì)方面的研究較少，通過(guò)運(yùn)用仿真和試驗(yàn)結(jié)合的手段，可以更準(zhǔn)確的對(duì)老舊電梯層門(mén)的加固提供設(shè)計(jì)方案和分析依據(jù)。

2 沖擊有限元模型

2.1 掛鉤式防脫槽裝置組成

選取具有代表性單側(cè)寬度475mm 規(guī)格層門(mén)建模，設(shè)計(jì)掛鉤式電梯層門(mén)防脫槽裝置，主要包括門(mén)腳掛鉤、地坎防脫件、門(mén)板掛鉤、門(mén)套防脫件等部件[8-9]。層門(mén)關(guān)閉后受外力作用時(shí)，門(mén)腳掛鉤可以掛住地坎防脫件，門(mén)板掛鉤掛住門(mén)套防脫件。掛鉤式防電梯層門(mén)脫槽裝置，如圖1 所示。

圖1 掛鉤式防電梯層門(mén)脫槽裝置Fig.1 Hook-Type Anti-Elevator Door Slotting Device

2.2 接觸-碰撞算法

接觸碰撞算法可處理任意多個(gè)物體間的相互作用，假設(shè)相互接觸的兩個(gè)柔性體A和B，t時(shí)刻邊界的外法向分別為nA和nB[10]。接觸碰撞系統(tǒng)除應(yīng)滿足有限元法中連續(xù)體控制方程外，接觸界面還應(yīng)滿足物理不可穿透條件和動(dòng)量守恒定律[11]?？疾煳挥诮佑|界面分別屬于物體A和物體B的任意兩個(gè)點(diǎn)xA和xB，不可穿透條件可表述為：

即接觸間隙要求不小于0，0 值對(duì)應(yīng)于剛好接觸狀態(tài)，式中：gN為接觸間隙。接觸界面的動(dòng)量守恒要求作用于兩物體的面力tA和tB滿足：

罰函數(shù)算法假設(shè)法向接觸壓力fN與主節(jié)點(diǎn)與法向滲透量Δp成線性正相關(guān)，即：

式中：α—?jiǎng)偠纫蜃?，取值一般在?～1）之間，可由計(jì)算程序控制，式中：E—材料的彈性模量，A—接觸單元面積，V—單元體積。

同理，在引入切向動(dòng)摩擦系數(shù)μ 后，可以得出

根據(jù)計(jì)算得到的法向接觸力fN和切線摩擦力ft需要根據(jù)具體單元的形函數(shù)將力插值到節(jié)點(diǎn)[12]。

2.3 網(wǎng)格模型

掛鉤式防脫槽裝置主要為鈑金和螺栓連接裝配結(jié)構(gòu)，在有限元建模時(shí)，進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：刪除了不影響主體結(jié)構(gòu)的小特征，如小圓角[11]等；根據(jù)板殼理論，對(duì)鈑金結(jié)構(gòu)抽取中面，使用殼單元shell181 進(jìn)行模擬[12]；對(duì)于螺栓連接，使用和實(shí)際螺栓等徑的beam188 單元模擬；其它零部件使用六面體solid186 單元實(shí)體單元建模。網(wǎng)格劃分使用ANSYS19.0 有限元軟件，單元尺寸設(shè)置為（2～15）mm，采用高級(jí)尺寸函數(shù)控制曲率，網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖2所示。共生成28 萬(wàn)個(gè)單元，三角形單元的數(shù)量小于3%，單元的平均扭曲度0.193，滿足分析對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的要求。根據(jù)實(shí)際裝配關(guān)系建立各個(gè)部件之間的連接方式，掛鉤接觸對(duì)、導(dǎo)輪接觸對(duì)、擺錘與層門(mén)、層門(mén)腳靴與地坎等接觸對(duì)設(shè)置為非線性摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，目標(biāo)面和接觸面設(shè)定為對(duì)稱。材質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3 所示。掛鉤組件材質(zhì)和門(mén)框等材質(zhì)為Q235A，層門(mén)等鈑金結(jié)構(gòu)材質(zhì)為SPCC，考慮到擺錘沖擊過(guò)程中可能產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，對(duì)層門(mén)和掛鉤材質(zhì)依據(jù)《GB/T228.1-2010 金屬材料拉伸試驗(yàn)》制作了樣件，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并根據(jù)工程應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系對(duì)彈塑性曲線進(jìn)行了修正，以此作為有限元分析的材料參數(shù)輸入，材料的力學(xué)屬性，如表1 所示。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 FEA Mesh Model

圖3 材質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-Strain Curves of Main Materials

表1 材料的力學(xué)屬性Tab.1 Mechanical Property of Main Materials

2.4 邊界條件

軟擺錘沖擊裝置，如圖4 所示?？傎|(zhì)量為45kg，分析時(shí)簡(jiǎn)化為等質(zhì)量的實(shí)心球，彈性模量見(jiàn)表1。全約束電梯層門(mén)周?chē)鷤?cè)邊框架端部的自由度，模擬實(shí)際電梯層門(mén)的安裝狀態(tài)；分析時(shí)，軟擺錘處于距離層門(mén)底部1m 高度且居單側(cè)層門(mén)中間的位置，根據(jù)動(dòng)能定理，軟擺錘具有的撞擊初速度為：

圖4 軟擺錘測(cè)試裝置的示意Fig.4 Schematic of the Soft Pendulum Test Device

圖中：H—跌落高度0.8m。

3 擺錘沖擊分析與試驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果分析

在撞擊層門(mén)過(guò)程中，擺錘沖擊動(dòng)能傳遞到層門(mén)，再通過(guò)層門(mén)傳遞到掛鉤和層門(mén)腳靴與周?chē)B接處，最終傳遞到門(mén)框和地坎的約束位置，提取以下位置的撞擊力曲線：擺錘與層門(mén)之間，加裝掛鉤裝置的層門(mén)，如圖5（a）所示。未加裝層門(mén)，如圖5（b）所示。門(mén)腳掛鉤與地坎防脫件之間，如圖5（c）所示。門(mén)板掛鉤與門(mén)板防脫件之間，如圖5（d）所示。

從圖5（a）和圖5（b）中可以看出，加裝掛鉤式防脫裝置后，擺錘撞擊力在撞擊開(kāi)始后4.5ms 達(dá)到峰值5113N；沒(méi)有加裝防脫裝置的層門(mén)的撞擊力峰值為3578N，由于層門(mén)腳靴與地坎之間在垂直方向上可以相對(duì)移動(dòng)，撞擊過(guò)程中導(dǎo)致層門(mén)腳靴與地坎脫離，可以看出，底部構(gòu)件約束不足是造成這種老舊電梯層門(mén)在事故中被異常打開(kāi)的直接原因。

從圖5（c）和圖5（d）可以看出，在加裝掛鉤式防脫裝置后的層門(mén)撞擊中，位于側(cè)面的門(mén)套防脫掛鉤主要承受了由于層門(mén)彎曲而產(chǎn)生的垂直（FZ）方向的力；位于底部的門(mén)坎防脫掛鉤則同時(shí)承受了水平（FY）和垂直（FZ）方向的撞擊反作用力，從而避免了層門(mén)底部與地坎的脫離，提高了層門(mén)的防撞性能。

圖5 沖擊過(guò)程中的接觸力曲線Fig.5 Contact Force Curve During Impact

從表2 可以看出，加裝掛鉤防脫裝置和未加裝的層門(mén)組件中的最大塑性應(yīng)變均沒(méi)有超過(guò)對(duì)應(yīng)材質(zhì)的斷裂延伸率，因此，撞擊過(guò)程中不會(huì)發(fā)生因結(jié)構(gòu)斷裂導(dǎo)致的層門(mén)異常打開(kāi)；而未加裝掛鉤組件的層門(mén)的最大塑性應(yīng)變僅為0.002，因此，擺錘撞擊未加裝掛鉤的層門(mén)時(shí)，層門(mén)產(chǎn)生的彈性變形是導(dǎo)致層門(mén)腳靴脫離地坎的主要原因，體現(xiàn)了在撞擊過(guò)程中層門(mén)材質(zhì)本身的強(qiáng)度未得到充分的利用；而加裝掛鉤的層門(mén)結(jié)構(gòu)也仍具有較大的抗撞裕度。在45kg 擺錘沖擊仿真基礎(chǔ)上，通過(guò)直接施加沖擊力，在滿足120mm 永久變形規(guī)范范圍內(nèi)，分別計(jì)算帶掛鉤式防脫槽裝置和不帶掛鉤電梯層門(mén)的最大耐撞力，結(jié)果表明，加裝前不帶掛鉤層門(mén)最大耐撞擊力為2765N；加裝后帶掛鉤式防脫槽裝置后層門(mén)最大撞擊力為5974N；加裝掛鉤式防脫槽裝置后的抗撞擊能力是加裝前的2.16 倍。

表2 擺錘沖擊產(chǎn)生的最大塑性應(yīng)變Tab.2 Maximum Plastic Strain Due to Pendulum Impact

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證及與分析結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證掛鉤式防電梯門(mén)脫槽裝置的抗沖擊能力和有限元分析結(jié)果的正確性，按照?qǐng)D4 裝置要求搭建了擺錘沖擊平臺(tái)，如圖6 所示。使用高速攝像機(jī)（1500 fps）記錄沖擊整個(gè)擺錘沖擊變形，得到?jīng)_擊過(guò)程中層門(mén)的最大撞擊位移與永久變形位移，并與規(guī)范要求進(jìn)行校核；并與有限元沖擊分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。加裝防脫裝置的層門(mén)的永久變形，如圖7 所示。沖擊過(guò)程中加裝防脫裝置的層門(mén)的最大位移變形，如圖8 所示。此次擺錘沖擊試驗(yàn)的電梯層門(mén)分為加裝掛鉤防脫靴裝置的老舊電梯層門(mén)和傳統(tǒng)未加裝防脫裝置的老舊層門(mén)，單側(cè)層門(mén)寬度均為475mm。試驗(yàn)結(jié)果如下：未加裝掛鉤防脫槽裝置的電梯層門(mén)底部腳靴在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被撞脫開(kāi)，不能滿足現(xiàn)行《GB7588-2003》及其第1 號(hào)修改單中的要求；而加裝掛鉤式防脫槽裝置后的電梯層門(mén)可以抵抗住45kg軟擺錘的沖擊，撞擊后層門(mén)的永久變形小于標(biāo)準(zhǔn)要求的120mm。仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表3 所示。

圖6 軟擺錘撞擊層門(mén)測(cè)試裝置Fig.6 Soft Pendulum Test Device

圖7 加裝防脫裝置的層門(mén)的永久變形Fig.7 Permanent Deformation with Anti-Dropout Device

圖8 沖擊過(guò)程中加裝防脫裝置的層門(mén)的最大位移變形Fig.8 Maximum Displacement and Deformation of Landing Door with Anti-Dropout Device During Impact

表3 仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of Analysis and Test Results

對(duì)比表3 中結(jié)果可知，軟擺錘撞擊試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果趨勢(shì)一致，永久變形結(jié)果和最大撞擊位移結(jié)果相對(duì)誤差小于10%，主要是由于軟件分析和試驗(yàn)中的局部邊界約束差異導(dǎo)致，誤差在合理誤差范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）未加裝掛鉤式防脫槽裝置的電梯層門(mén)腳靴在有限元分析和擺錘試驗(yàn)中均被撞脫開(kāi)；而加裝掛鉤式防脫槽裝置的電梯層門(mén)在有限元分析和擺錘試驗(yàn)中永久變形結(jié)果均小于規(guī)范120mm的要求，部件均未失去完整性，滿足《GB7588-2003》及其第1 號(hào)修改單針對(duì)電梯層門(mén)的強(qiáng)度提出了抗擺錘沖擊要求；同時(shí)，在滿足120mm 永久變形規(guī)范的前提下，通過(guò)加大撞擊力的方式，分析出在加裝掛鉤式防脫槽裝置后的層門(mén)耐撞擊力與加裝前相比提高了2.16 倍。

（2）掛鉤式防層門(mén)脫槽裝置抗撞原理分析：①在擺錘試驗(yàn)中，傳統(tǒng)未加裝掛鉤的層門(mén)腳靴脫離地坎導(dǎo)致整個(gè)下部層門(mén)被撞飛，而層門(mén)的強(qiáng)度并未達(dá)到材料的極限斷裂強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)上有較大的改進(jìn)裕度；②在層門(mén)底部以及側(cè)面加裝防脫槽掛鉤后，撞擊過(guò)程中，撞擊力通過(guò)層門(mén)傳遞到掛鉤和頂部導(dǎo)輪，進(jìn)而將撞擊力傳遞到地坎和門(mén)框；c.層門(mén)撞擊后彎曲變形，門(mén)腳掛鉤和側(cè)門(mén)框的門(mén)套防脫掛鉤從水平和垂直方向阻礙這一彎曲變形，進(jìn)而將撞擊彈性變形能轉(zhuǎn)換為塑性變形能，吸收了部分撞擊能量。

（3）軟擺錘撞擊試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果永久變形和最大變形位移結(jié)果誤差在合理誤差范圍之內(nèi)，對(duì)后續(xù)同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析有較大的指導(dǎo)意義。