周正啟

摘  要：为研究电梯承重梁焊接头在最大加速提升时的稳定性，该文通过分析电梯模型，对电梯系统进行受力分析，依此建立电梯运行时动态力学模型，根据电梯系统实际运行工况，建立电梯承重梁焊接头动力学模型，分析焊接头在最大加速度时的力学特性。其次利用ABAQUS有限元分析工具的Explicit求解器对电梯承重梁实际运行参数进行模拟分析，分析结果为，承重梁焊接头区域出现较大应力集中区，且该区域的应力大于其他部位，承重梁焊接头接触支点部位受力大于背面，应力集中由焊接头向承重梁两端逐渐减小，应力最大值出现在焊接头区域，由计算可知焊接头部位是整个承重梁在运行过程中受载最大的部位，因此，承重梁焊接头稳定性是保证电梯系统正常运行的关键因素，为电梯承重梁焊接安装工艺提供依据。

关键词：电梯承重梁；焊接头；有限元分析；最大加速度；動力学模型

中图分类号：TH113.1      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0093-05

Abstract： In order to study the stability of the welded joint of the elevator load-bearing beam during the maximum acceleration， this paper analyzes the elevator model， carries on the force analysis to the elevator system， establishes the dynamic mechanical model of the elevator during operation; and according to the actual operating condition of the elevator system， this paper establishes the dynamic model of the welded joint of the elevator load-bearing beam， and analyzes the mechanical characteristics of the welded joint at the maximum acceleration. Secondly， the actual operation parameters of the elevator load-bearing beam are simulated and analyzed using the Explicit solver of the ABAQUS finite element analysis tool. the results show that there is a large stress concentration zone in the welding head area of the load-bearing beam， and the stress in this area is greater than that in other parts， the stress at the contact fulcrum of the welded joint of the load-bearing beam is greater than that on the back， the stress concentration decreases gradually from the welded joint to the two ends of the load-bearing beam， and the maximum stress appears in the welded joint area. It is calculated that the welded joint is the most loaded part of the whole load-bearing beam during operation， so the stability of the welding head of the load-bearing beam is the key factor to ensure the normal operation of the elevator system， which provides a basis for the welding and installation process of the elevator load-bearing beam.

Keywords： elevator load-bearing beam; welded joint; finite element analysis; maximum acceleration; dynamic model

随着经济持续高速发展，全国各大、中、小城市高楼建筑如雨后春笋，大大增加对电梯的使用量[1-4]，甚至为满足人们生活便捷需求[5]，采用多台电梯构造电梯群已成为高层建筑运送人员的一种发展趋势，据国家特种设备相关单位统计，截至2018年全国电梯使用在册总量超过627万台，且数据显示2011年以来国内电梯保持20%以上的年增长率[6-8]，目前，我国不仅是全球最大的电梯销售、制造市场，更是最大的电梯使用国。

电梯已成为人们生活中重要的交通工具之一[9-11]，每天都有大量人群依赖其出行[12]，但随着电梯使用数量的急剧增加，电梯故障伤人事件频频发生[13-14]，因此电梯安全稳定问题已引起了行业及社会的高度重视[15]，电梯安全隐患因素来源比较复杂，主要包括材料、生产制造、加工工艺、安装调试、运行控制系统可靠性及稳定性等因素，其中电梯部件安装焊接工艺是其安全性评估的重要指标，然而电梯承载梁的安装是电梯安装的基石。

本文以电梯承重梁焊接稳定性研究为对象，利用ABAQUS有限元分析软件对电梯承重梁焊接接头进行有限元分析。电梯承重梁均采用工字钢，在其安装过程中，时常会遇到承重梁需要采用2根工字钢进行对接焊接的情况，但因受材料结构、现场安装条件等限制，电梯承重梁焊接不能使用机械自动化操作，只能通过手工电弧焊作业，由于受手工焊接工人技术差异及环境等不确定随机偶然因素的影响，导致电梯焊接过程中质量不稳定，很容易产生钎焊裂纹，本文以曳引式电梯为研究对象，利用ABAQUS有限元分析工具对电梯承重梁焊缝稳定性进行研究，研究结果为电梯承重梁焊接安全性评估提供理论基础。

1  电梯承重梁力学模型

1.1  电梯力学模型

电梯是办公楼、商场及居民住宅楼等高层建筑垂直运输货物和人员的重要交通工具，根据传动系统牵引结构的不同，曳引式电梯的曳引比通常有1∶1和2∶1 两种，曳引比是指电梯曳引轮沿竖直方向的线速度与轿厢竖直升降速度之比。本文研究选用曳引比为1∶1的曳引拖动式电梯，其机械硬件部分主要由曳引组件、平衡组件、张紧组件、补偿组件和轿厢组件等组成，其中各构件与构件，以及组件与组件之间的连接大多采用焊接和螺纹连接方式，各部件之间的连接方式对电梯工作时载荷变化有很大影响。为方便研究可以将电梯系统中竖直方向的曳引机、轿厢、对重、曳引钢丝绳及绳头板装置等机构简化如图1所示的模型。曳引机是整个电梯运行的动力源，为电梯的升降提供驱动力，曳引轮两侧分别是轿厢组件和对重组件，其通过曳引钢丝绳及绳头组件将二者悬挂连接在一起。

1.2  电梯系统受力分析

电梯运行过程中经历3个阶段，即启动阶段、平衡阶段和制动阶段，其中启动和制动过程电梯处于变加速状态，在启动阶段电梯驱动加速度从0逐渐增大，当达到某一设定峰值后其逐渐减小至0进入平衡阶段，在平衡阶段以恒定的速度运行，此时电梯系统处于受力平衡状态，当电梯进入制动阶段时，制动加速度呈先增加后减小的趋势，直至加速度減为0，此时电梯速度也减小到0达到制动效果。因此，电梯系统运行时随空间和时域不断变化，若电梯运行参数不随时间变化，可将图1电梯系统中钢丝绳与绳头弹簧的组合及超载橡胶等抽象为黏弹性凯尔文体，假设忽略曳引电机和曳引钢丝绳等的水平振动影响，可将电梯系统运行时的动力学模型简化如图2所示。

图1  电梯模型

图2  电机系统动力学模型

图2中，m1、I1、R1分别为曳引组件的质量、曳引轮转动惯量和等效半径，m2、I2、R2分别为张紧组件的质量、张紧轮转动惯量和等效半径；k1、k2、k3、k4、k5和k6分别为减震垫与承重梁刚度，曳引轮与对重间钢丝绳和绳头弹簧刚度，张紧轮与对重间钢丝绳和绳头弹簧刚度，张紧组件阻尼器刚度，张紧轮与轿厢间钢丝绳和绳头弹簧刚度，曳引轮与轿厢间钢丝绳和绳头弹簧刚度；c1、c2、c3、c4、c5和c6分别为减震垫与承重梁阻尼，曳引轮与对重间钢丝绳和绳头弹簧阻尼，张紧轮与对重间钢丝绳和绳头弹簧阻尼，张紧组件阻尼器阻尼，张紧轮与轿厢间钢丝绳和绳头弹簧阻尼，曳引轮与轿厢间钢丝绳和绳头弹簧阻尼；m3、m4分别为张紧组件的质量，轿厢组质量。

通过电梯系统受力模型的等效简化，可以建立其在垂直方向上的动力学方程，假设曳引电机输出的动力载荷为F（t），则电梯系统动力学微分方程为

M■（t）+c■（t）+kx（t）=F（t）+Mg， （1）

式中：M为电梯各组件质量矩阵，M=[m1，m2...m6]，其中m5为轿架组件质量，m6为补偿链质量；x为电梯系统各组件的位移，x=[x1，x2...x6]；c为电梯各部件的阻力矩阵，c=[c1，c2...c6]；k为电梯组件的刚度矩阵，k=[k1，k2...k6]；F（t）为电梯曳引力

。

2  电梯承重梁焊接头瞬态力学模型

电梯承重梁主要承载的载荷来自轿厢组（轿厢自重及货物质量）的运行过程中产生的动态载荷，因此研究电梯承重梁在电梯运行中所受载荷关键在于分析轿厢产生的动态载荷。轿厢在电梯系统中是承载和货物关键部分，并通过钢丝绳跨过曳引轮与对重相连，由此通过曳引底座将轿厢动态载荷传递给承重梁，电梯整个运行过程中轿厢在曳引电机、对重等的作用下作变加速运动，但曳引电机和对重等都是通过末端带有弹簧的钢丝绳间接作用于轿厢，假设钢丝绳的刚度为 k（t），其作用于轿厢的拉力为f（t），根据图2电梯系统动力学模型可将轿厢动力学模型简化如图3所示。

电梯承重梁是电梯安全运行的承载部件，是保证轿厢与对重组件受曳电机牵引运行的关键部件，本文选用焊接承重梁为研究对象，分析承重梁焊接接头在电梯额定载荷下的力学稳定性能。本文选用的电梯安装方式为上至式，因此电梯在运行过程中，电梯承重梁所受的载荷有曳引电机组件施的静载荷，其中电梯承重梁所承受的主要载荷来自轿厢质量、货物质量及平衡对重等在电梯快速运行过程中产生的动态载荷，以承重梁焊接横截面对象对承重梁进行受力分析，在电梯运行时承重梁所受承重墙体支撑力f（t）随电梯动载而变化，根据电梯力学模型，可将承重梁焊接截面受力情况简化为如图4所示。

图3  轿厢组件动力学模型

图4  电梯承重梁受力分析

根据电梯升降过程受力平衡，则

f（t）=F+C■1，    （2）

式中：C为电梯系统钢丝绳阻尼，x1为轿厢竖直方向上的运动位移。

3  有限元模型建建

3.1  承重梁焊接模型创建

本文选用的电梯承重梁焊接模型按1∶1比例创建，由于研究的承重梁是通过焊接组成，因此承重梁可视为由3部分部件组成的装配件，故直接在ABAQUS中建模较为复杂，所以本文选用三维建模软件Solidworks创建承重梁焊接模型如图5所示，图5中承重梁凸起部分为焊接头。

图5  电梯承重梁焊接模型

3.2  试验材料属性及定义接触

以实际工况为依据，本文电梯承重梁选用40a型号的工字钢，材料为Q235A，由于承重梁为电梯关键承载部件，对焊接质量及稳定性要求较高，因此承重梁焊料选用碱性焊条ES5016。本文研究承重梁选用2根工字钢焊接而成，在理想焊接条件下不考虑焊接过程，将左右梁与焊接头视为一个整体，且在划分网格时焊接头与承重梁尺寸差异不大，因此左右承重梁和焊接头可采用绑定接触。

3.3  设定约束及载荷

本文研究选用有安装机房电梯为研究对象，其承重梁实际现场安装工艺为两端固定安装，因此将承重梁两端安装位置设定为固定约束。

电梯运行时承重梁所受的实际工况较复杂，不仅受到引电机组件静载荷的作用，还受到电梯加速或减速时轿厢、货物及对重产生的动载荷的作用，特别电梯在加减速瞬间承重梁受到的载荷冲击较大，甚至会出现极端偏载作用等情况。

本文以电梯加速上升过程中达到最大加速瞬间为研究对象，此时电梯加速提升瞬间承重梁焊缝受力最大，则焊缝裂纹最容易出现扩展风险，因此对加速度最大瞬间进行动力学响应分析有重要意义。轿厢和轿架重量4 000 kg，平衡对重的质量为2 800 kg，曳引电机组自重2 000 kg，额定满载重量m额为2 500 kg，平衡系数r为0.5，轿厢运行时阻尼系数0.8，变加速提升阶段最大加速度gmax可到1.5 m/s2。若忽略承重梁自重及导向滑轮组件的重量，承重梁在电梯到达最大加速提升时所受的载荷为曳引电机组产生的静载荷F，曳引轮钢丝绳产生的拉力C■

F=m1g=2 000×10＝20 000 Ｎ 。            （3）

曳引轮钢丝绳左右拉力分别为轿厢产生的拉力fT1，平衡对重产生的拉力fT2。

， （4）

。（5）

曳引轮钢丝绳拉力C■为左右拉力之和，如下所示

由以上计算可以得到电梯承重梁在提升达到最大加速度时，所受载荷f（t）如下

3.4  网格划分

本文主要研究电梯承重梁焊接接头在电梯最大加速提升时，承重梁焊接头力学性能，因此在网格划分时需要重点考虑焊接头处的网格分布，由于焊接头尺寸相对电梯横梁较小，需要以较小的单元尺寸单独给焊接头布种。另外，为分析更精确，工字钢的上下腿需要布至少两侧网格，为提高模拟精度，整个模型采用六面体网格进行网格划分，因此，电梯承重梁模型网格划分如图6所示。

图6  模型网格划分

4  计算结果及分析

为提高试验仿真模拟精度，准确模拟实际工况条件下电梯运行时承重梁焊接头处力学性能，本文依据电梯安装现场工况，不仅采用实际尺寸创建电梯承重梁模型，而且承重梁及焊料都是依据实际的材料属性进行设置，更重要的是按照电梯运行实际工况，分析电梯承重梁在以最大加速度提升时的受载荷情况，根据电梯实际受力情况选用ABAQUS对应的分析计算工具进行模拟仿真，计算结果如图7所示。电梯焊接承重梁在该工况下，其各部位受载作用下发生形变，并将承重梁应变转化成应变能，图8是电梯承重梁受外载荷后应变能变化关系。

图7  电梯承重梁应力云图

图8  电梯承重梁应变能变化规律

根据图7的计算结果可以得出，电梯承载梁在以最大加速度提升时，其受力分布不均匀，而且整个承重梁出现3个较大应力集中区域，其中焊接头受压区域应力较为集中，并出现应力最大值，其次在电梯承重梁左右两端安装区域下表面受载应力较大。通过分析结果可以见，在承重梁安装区域和焊接区域之间应力分布逐渐扩散，若以承重梁安装区域和焊接头为分界线，承重梁所受的应力分布由两者向其中间逐渐递减趋势，且在焊接头处出现应力最大集中值。通过分析可以得出，在电梯以最大加速度提升时，承重梁上载荷分布规律为焊接头处应力最集中，且逐渐向安装部位递减，因此焊接头是整过承重梁受载最大的部位。故在承重梁安装焊接过程中焊接质量至关重要，焊接头的力学性能直接影响整個电梯系统的安全运行稳定性。

5  结论

本文主要研究电梯承重梁焊接头在电梯最大载荷运行时的受载力学性能。为分析承重梁焊接头在该工况下力学表现，先对电梯整体进行受力分析，并将各部件进行对应的模型简化分析，通过对整个模型分析后，提炼出承重梁受力简化模型，并建立力学模型，最后利用有限元对试验数据进行模拟分析，结果如下。

①通过简化模型分析，创建电梯整体力学模型。②根据实际工况建立电梯承重梁焊接头力学模型。③利用ABAQUS有限元模拟分析最大载荷工况下电梯承重梁焊接头力学性能表现及承重梁应力分布规律。

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