Efterhånden som urbaniseringen accelererer, og antallet af højhuse fortsætter med at vokse, finder elevatorer, som kerneudstyr til vertikal transport, stadig mere udbredt anvendelse. Ifølge industristatistikker er der næsten 1.000 elevatorproducenter i mit land, og konkurrencen på markedet skærpes. Reduktion af omkostninger og øget effektivitet gennem produktoptimering er blevet et nøglespørgsmål for industrien. Traction elevatorer, som den almindelige type elevator, har modnet deres understøttende teknologi efter et århundredes udvikling. Deres struktur består af otte hovedsystemer: træksystemet, bilsystemet og styresystemet. Kørevognssystemet bærer direkte belastningen, mens vognstellet, som vognens strukturelle ramme, har et design, der direkte påvirker elevatorens sikkerhedsydelse og fremstillingsomkostninger. For stor bilrammemasse kan føre til materialespild og overflødigt design; mens en for let vægt ikke kan opfylde belastningskravene, hvilket udgør en sikkerhedsrisiko.
Vi udførte optimeringsundersøgelser af trækkraftelevatorvognens rammestruktur ved at bruge numerisk simuleringssoftware til at analysere statikken og dynamikken i rammen. Denne tilgang giver os mulighed for at opnå et letvægtsdesign og samtidig sikre strukturel sikkerhed, hvilket giver en praktisk løsning til at forbedre den økonomiske effektivitet for virksomheder.
1. Elevatorvognsrammemekanisk analyse: Grundlaget for optimeringsdesign
For at sikre den videnskabelige og pålidelige optimeringsløsning brugte forskerholdet først professionel numerisk simuleringssoftware til at udføre en omfattende analyse af elevatorstolens mekaniske egenskaber under forskellige driftsforhold, hvilket gav dataunderstøttelse til efterfølgende letvægtsdesign.
1.1 Statisk analyse: Stresspræstation under normerede og overbelastningsforhold
Den statiske analyse fokuserede på de nominelle driftsforhold og ekstreme overbelastningsforhold ved normal elevatordrift. Dens kerneformål var at simulere spændingsfordelingen og forskydningen af bilrammen ved at etablere en præcis strukturel model. Under forskningen konstruerede holdet først en 3D-strukturel model af bilrammen ved hjælp af SolidWorks-software og importerede derefter modellen til Abaqus analysesoftware i x_t-format. På grund af bilrammens komplekse struktur udelod de små detaljer såsom forbindelser, svejsninger, bolte og affasninger for at forenkle beregningerne og bevare analysens nøjagtighed. Hovedstrukturen blev derefter omdannet til en skal, og komponenter såsom returremskiven, sikkerhedsklemmen og styreskoen blev forenklet til stive kroppe. Parameterindstillingerne var baseret på faktiske elevatordriftsstandarder med en trækmotoreffekt på 11,7 kW, en vognvægt på 1100 kg, en nominel hastighed på 1,75 m/s, en nominel belastning på 1050 kg og en løftehøjde på 82,5 m. Horisontale begrænsninger blev anvendt på modellen for at simulere den faktiske vægt, biltryk og belastningstryk, som bæres af bilrammen. S4R-elementer blev brugt til meshing med en maskestørrelse på 10 mm, hvilket resulterede i 590.350 noder og 431.287 elementer, hvilket sikrer modelnøjagtighed.
Analyseresultater viser, at under nominelle driftsforhold er den maksimale spænding i bilrammen 138,9 MPa, langt under materialets flydespænding. Den maksimale spænding opstår ved kontakten mellem anti-vibrationsgummiet og bilrammens sidebjælker, hvilket resulterer i en lokaliseret spændingskoncentration på grund af kontaktkompression. Dette koncentrerede område dækker dog kun to mesh-elementer og har minimal indvirkning på den samlede belastning af bilrammen. Beregninger viser, at forholdet mellem materialets flydespænding og en 1,5 gange sikkerhedsfaktor er 156,7 MPa (235 MPa/1,5), og den maksimale spænding på 138,9 MPa opfylder sikkerhedskravene.
Under en 125 % overbelastningstilstand stiger den maksimale belastning i bilrammen til 296,2 MPa, igen koncentreret ved kontaktpunktet mellem anti-vibrationsgummiet og bilrammens sidebjælker. Spændingskoncentrationsområdet udvides til fire gitterceller, men dets indvirkning på den overordnede strukturelle spænding er stadig begrænset. Bortset fra spændingskoncentrationsområdet er den maksimale spænding i de resterende områder 166,4 MPa. Selvom det er lavere end materialets flydespænding, opfylder det 1,5 gange sikkerhedsfaktorkravet. Ydermere er den maksimale kumulative forskydning af bilrammen 9,5 mm, hvilket gør det nødvendigt at undgå langvarig overbelastning ved faktisk brug.
1.2 Dynamisk analyse: Verifikation af strukturel sikkerhed under ekstreme driftsforhold
Den dynamiske analyse fokuserer på ekstreme risikoforhold under elevatordrift - vognbunden og nødbremsning. Under disse forhold ændrer bilrammens hastighed og acceleration sig dynamisk over tid. Transiente dynamiske simuleringer udføres ved hjælp af Abaqus Explicit-modulet. Starthastigheden er kontakthastigheden mellem bufferen og bilrammen, og amplituden af den faktiske hastighedsændring under drift er input for at simulere strukturens dynamiske stressrespons.
Simuleringsresultaterne viser, at når bilen bunder, opstår der store spændingskoncentrationer i kontaktpunktet mellem bufferen og vognstellet, og nogle komponenter undergår plastisk deformation på grund af for stor belastning. Ved 0,084 sekunder efter bunden når den maksimale spænding ved stødpunktet 248,2 MPa. Selvom dette ikke overskrider materialets styrkegrænse på 400 MPa og forhindrer overordnet strukturelt svigt, mister bilrammen sin evne til at fungere normalt. Derfor er omfattende sikkerhedsbeskyttelsessystemer essentielle i elevatordesign og -drift for at forhindre bunden af bilen. Under nødbremseforhold er den maksimale spændingsværdi for bilrammen 229,1 MPa, hvilket er lavere end materialets flydespænding, og spændingsaktionsområdet er lille, hvilket ikke vil udgøre en trussel mod den strukturelle sikkerhed. Dette viser, at elevatorens nødbremsesystem effektivt kan sikre stabiliteten af vognens rammekonstruktion.
2. Optimeringsdesign af den øvre tværbjælke på bilrammen: En letvægtsløsning i aktion
Baseret på mekaniske analyseresultater fandt forskerholdet, at den samlede belastning af bilrammen opfyldte sikkerhedskravene og havde betydelige sikkerhedsmargener under normal drift, hvilket indikerer potentiale for letvægtsoptimering. Yderligere analyse af spændingsfordelingen af hver komponent identificerede den øvre tværbjælke som kerneoptimeringsmålet - dens spændingsværdier under forskellige driftsforhold var et godt stykke under materialegrænsen, hvilket indikerer det største optimeringspotentiale.
2.1 Bestemmelse af optimeringsvariabler og -metoder
I betragtning af stabiliteten af det overordnede strukturelle layout af bilrammen besluttede vi ikke at ændre nøgledimensioner såsom længden, bøjningshøjden og den samlede højde af den øvre tværbjælke. Vi fokuserede udelukkende på den øvre tværbjælketykkelse som den eneste optimeringsvariabel for at undgå at påvirke spændingsbalancen af andre komponenter på grund af strukturelle justeringer. Optimeringsmetoden anvendte en "trin-for-trin reduktion" tilgang, der startede med en original tykkelse på 6 mm og reducerede tykkelsen med 0,5 mm ad gangen. Gennem flere simuleringsanalyser verificerede vi spændingsydelsen og sikkerhedsstatus for den øvre tværbjælke med varierende tykkelser, hvilket i sidste ende valgte den optimale løsning.
2.2 Ydeevne og kvalitetssammenligning før og efter optimering
Flere runder af simuleringsverifikation bekræftede, at reduktion af den øvre tværbjælketykkelse fra 6 mm til 4 mm opnåede den optimale balance mellem strukturel ydeevne og letvægt. Med hensyn til spændingsydelse var den maksimale spænding af den øvre tværbjælke før optimering kun 17,08 MPa, et godt stykke under materialets flydespænding. Efter optimering steg den maksimale spænding til 139,5 MPa, stadig under sikkerhedstærsklen på 156,7 MPa, hvilket opfylder 1,5x sikkerhedsfaktorkravet og demonstrerer stabile og pålidelige mekaniske egenskaber.
Med hensyn til letvægt og omkostningskontrol blev massen af en enkelt øvre tværbjælke efter optimering reduceret fra 29,95 kg til 22,46 kg, en vægtreduktion på 7,49 kg pr. bjælke og en letvægtsgrad på 25%. Den reducerede masse af den øvre tværbjælke reducerer også indirekte den samlede bærende belastning af bilrammen, hvilket yderligere optimerer stresstilstanden af hele bilsystemet, hvilket danner en god cyklus af "letvægt - lav belastning - større sikkerhed".
3. Forskningskonklusioner og industriværdi
Denne forskning i det optimerede design af trækkraftelevatorstolens rammestruktur, gennem videnskabelig mekanisk analyse og præcis parameteroptimering, gav følgende nøglekonklusioner: For det første var den maksimale spænding i vognstellet under nominelle driftsforhold 138,9 MPa, og den maksimale belastning i ikke-koncentrerede områder under overbelastningsforhold var 166,4 MP, der begge opfyldte grundlæggende mekaniske krav. For det andet led strukturen ikke overordnet skade under bilbunds- og nødbremseforhold, men risikoen for, at bilen falder i bund er fortsat en bekymring. For det tredje blev sikkerhedsydeevnen opretholdt ved at optimere den øvre tværbjælketykkelse fra 6 mm til 4 mm, samtidig med at et 25 % letvægtsmål blev opnået.
Fra et industriperspektiv giver denne forskning elevatorproducenter en praktisk omkostningsbesparende og effektivitetsforøgende løsning. Ved at reducere den øvre tværbjælketykkelse kan producenterne direkte reducere brugen af råmaterialer som stål og derved sænke produktionsomkostningerne. Desuden reducerer den lette bilramme energiforbruget under elevatordrift, hvilket forbedrer udstyrets overordnede energieffektivitet. Derudover giver metoden "mekanisk analyse - variabel screening - trin-for-trin optimering" anvendt i forskningen også et referenceparadigme for det optimerede design af andre strukturelle komponenter i elevatorindustrien, hvilket fremmer industriens transformation fra "empirisk design" til "datadrevet design", og hjælper elevatorprodukter med at opnå et højere niveau af balance mellem sikkerhed og økonomi.
