观光电梯轿厢底板及设计与受力分析.docx

窗体顶端观光电梯轿厢底板的设计与受力分析摘要：本设计采用的是来自杭州霍普曼电梯公司的最新开发的观光电梯的轿厢架为研究对象，通过对国内外电梯轿厢架结构课题的研究调查，在综合它们的优缺点的基础上，用材料力学，理论力学，机械设计手册对轿厢架进行设计和受力分析，利用构造的优化设计方法对轿厢架进行稳健可靠性综合优化设计。本设计中包含了底板加强筋，轿底托与底板托，吸振块，底托前后梁，并对重要结构部分进行了强度校核，以保证满足工作的需求。中国分类号：关键词：轿厢底板、受力分析Design and force analysis of Sight-seeing elevator car floorAbstract:This design is based on the latest development from Hangzhou huopumanelevator, sightseeing elevator car frame as the research object, through the research of domestic and foreign elevator car frame structure project, based on their advantages and disadvantages on the material mechanics, theoretical mechanics, mechanical design manual design and the force analysis of a car frame, the comprehensive optimization of reliability robust design of car frame structure by using the method of optimum design. The design includes the bottom stiffener, car bottom and floor support, vibration block, the front and rear support beam, and the important part of the strength of the structure to ensure that the work to meet the needs of.Key word：Sightseeing elevator car floor、force analysis摘要 目次 1 绪论11.1 课程研究的背景及意义11.2 本课题国内外发展的情况11.3 课题的主要研究任务31.4 观光电梯底板设计拟解决的问题及分析32 研究方案52.1 研究方案的确定2.2 技术路线的确定3 电梯的轿底托与底板托的设计53.1 电梯底板的主要参数设计53.2 电梯轿底托的选材与设计53.2.1 观光电梯底板托与轿底托材料的选择 53.2.2 观光电梯轿底托的设计、受力分析与尺寸的确定 83.2.3 观光电梯底板托的设计、受力分析与尺寸的确定103.2.4 螺栓配合和选择4 电梯底板轿托前后梁与加强筋的设计144.1 观光电梯底板轿托前后梁的设计与尺寸确定144.2 观光电梯底板加强筋的设计与尺寸确定155 观光电梯底板其他零部件的尺寸确定185.1 底板有效面积的确定185.2 底板吸震块 195.3 电梯底板其他零部件的尺寸确定215.4 电梯底板各零部件的配合以及装配图的226 结论27参考文献28学位论文数据集291 绪论1.1 课程研究的背景及意义电梯作为现在常见的垂直运输设备，正在扮演着无可替代的作用。伴随着家庭使用需求和商场使用的普遍的需求,在日常家用，商场商用的许多领域内,对观光电梯的要求正日渐增加。我们所采用，或者说常见的观光电梯，它们的运行速度往往很慢,但它在承载的重量不会非常的高，根据人的体重，一部观光电梯所能承载的重量一般不会超过两顿。虽然载重不是很高，但是它能否安全、长期高效得运行成为了很普遍的问题。观光电梯轿厢架的所采用的材料是否能保证它安全有效的运行，是一个非常重要的参考依据。所以设计观光电梯轿厢底板的工作机理和受力分析，保证它安全的前提下，对位观光电梯的长期稳定可靠的使用有这非常重要的意义。现在的电梯由底板，绳索，电脑控制系统，井道，牵引系统等组成。电梯通过牵引绳带动，可以在井道中进行自由工作，完成上升以及下降等动作。电梯设计需要考虑安全因素、输送速度、和乘坐舒适，对可靠性要求也较高，毕竟中国电梯产业发展的水平并不是很高，电梯如果经常出现小毛病对于电梯用户来说会产生很大的维修费用。在观光电梯设计中轿厢的重量是至关重要的,太重了徒然多浪费材料;太轻了就不能够保证充足的牵引力,进而不能够提供从空载到满载时曳引力的要求。轿厢重量是怎样确定的?与哪些因素有关?这是值得探讨的问题。1.2 本课题国内外发展的情况电梯是目前家用商用中的重要运输工具，是由多方面协同工作的运送设备。它包含机械电子工程，电子信息技术，微电机技术，电力技术，电力系统和土木建工程等等许多技术行业。电梯的生产及使用的情况已经变成衡量国家现代化的一个内容。我国现代化进程很快，对于电梯的使用也与日俱增，每天都有大量的人员及货物需要通过电梯来运输。为节省土地使用和顺应经济的发展，大量高楼掘地而起，解决这些高层建筑的运输难题是一个关键问题，和人们的工作、学习和生活密切相关。我国电梯市场逐渐庞大，自主品牌的发展有目共睹，在我国市场中扮演着销售副主力的角色，不及外资品牌，但是在顺应市场接地气方面，国产品牌有着得天独厚的优势。外资品牌的垄断。在中国百废待兴时期，电梯行业成了必不可少的需求，但当时经济和技术都没用成熟，我国决定必需引进国外的品牌解决当时的需求，电梯也成为中国社会主义先期率先引进中国的行业。上世纪 80 年代，中国自主品牌的一些电梯企业，比如上海电梯厂等，没有自己的先进技术以及管理经验，所以它们都与诸如美国等发达国家进行合作，自从那个时候，外资电梯正式在我国生根发芽。 它们有着自己先进的技术，以及资金优势，较大的品牌影响力,加上中国市场当时供不应求的市场，它们极快占领了国内市场,很大程度限制了自主品牌的发展。但总体而言，外资品牌所带来的技术和先进的管理理念也深深的影响了中国品牌，使他们快速完成技术学习与使用。填补了一些国内的空白，比如在电梯配套零部件的生产上，依靠外资品牌，国内的品牌也得了技术的提升。由于电梯的复杂性和需要经常的养护，中国品牌初期遇到了很多困难，没有先进的技术，也没有设计和维修保养的人才，这些需要长时间的积累，这些都成了踏入这个行业的障碍。电梯是一种商品，作为商品肯定是遵循市场经济的原则，而品牌在市场中起着重要作用，国产品牌的认可度在中国人眼中还不是很高，因为它没有出现很长时间，就跟现在中国的汽车行业一样，国产品牌已经做的非常出色了，但是人们的固有印象阻碍着人们去选择国产品牌，这还需要很长时间的市场考验。但整体趋势而言，国货物美价廉，已经被一部分的消费者所认可。我国需要电梯的地方非常多，几乎是世界第一，所以市场也是世界第一。近几年来,中国电梯的出口量也达到了惊人的水平，增长率有着 40%之高,对出口GDP 的贡献毋庸置疑。中国电梯行业出口销售量空前绝后,以后这几年我国很有可能出现在全球各个角落，中国制造的电梯也会被世界人民所接受。对于国内来说，中国千亿级的市场还会是全球之最。随着我过现代化进程的加快，电梯在各行各业中的使用越来越多，例如，宿舍，商场，酒店以及民营企业,需求量飞速增长。如今中国市场已不是国外品牌的天下,虽然合资品牌占国内电梯市场份额的一大半以上,但相对与电梯行业的初期来说，我国的自主品牌市场占有率也有了 25%的提升。虽然差距还是存在，但是自主品牌的进步有目共睹。随着中国自主品牌影响力的提升,人们对电梯有了更加客观的认识,以及国内用户对于外国品牌就是好的谬论有了一定认识,电梯产品一定会像黑色家电一样,中国品牌一定会从合资品牌中抢回市场,将来的几十年也许能够占据中国市场的大部分份额。到那时，我国的电梯产业才算是上了一个新的等级。上世纪 90 年代开始,大量民营企业开始技术革新以及管理升级,从依赖与合资生产转变为自主研发,在生产中不停革新学习和掌握关键技术,参考外国企业提供的先进技术标准、安装维护保体系、国际化管理模式,我国品牌电梯在质量、管理、技术、服务上快速地进入国际化行列,逐渐发展到现在占有一定的市场,打破了外资品牌的垄断地位,涌现了江南嘉力电梯股份有限公司、苏州市康龙电梯股份有限公司、申捷电梯有限公国产品牌。从生产布局上来看,中国电梯及零件制造基本上是在北上广地区,其中上海、浙江地区的电梯生产量占据全国的50%。中国观光电梯的生产水平、产品品质和成本控制具有有很高的国际竞争力。我国给予进口的小幅优惠政策可能使合资品牌的产品进口量和零配件进口量增加，有危机同时也有帮助，给予国产品牌零配件进口的机会；中国电梯是很大的市场，也是很精益求精的市场。中国的用户不仅对产品质量要求高，而且对新技术的接受能力很强，所以变压变频技术、无机电梯、电脑控制技术、监控技术等迅速推广。对于中国这个庞大的市场，电梯维护及其保养也会被大量的需求所带动；我国开始采取规范化的生产有助于产品的产量和质量都有着极大的提升，受到了顾客和电梯后期维护行业的喜爱，提供了很大的市场。虽然机遇很大，但是国产电梯的品质还有些不足，与国外还有一定差距，所以提升国产电梯的品质，规范市场，提升自主研发能力成了重中之中。1.3 课题的主要研究任务1.在文献查阅、调查研究的基础上，就课题的主要研究内容、技术关键点、技术路线的选择、目标的完成进度计划、预期结果及参考文献写出开题报告；2.完成观光梯的尺寸：额度载重:1150kg；速度：1.0m/s；井道尺寸：宽 2550深 2350，轿厢外部尺寸：宽 1600，深 1800，高 2400；3.完成该装置的零件图和装配图一套，做出必要的设计分析计算；2.研究方案2.1 研究方案的确定结合本论文所研究的问题，我决定采取以下方案进行研究1.文献检索通过大量文献的阅读理解才能总结出本课题研究的国内外状况，找出前人研究的不足和可以改进的地方，也可以获得一些自己不知道，不了解的知识，对设计会有一定帮助。通过总结文献研究获得理论基础2.比较分析通过比较国内外观光电梯的发展，可以了解到我国观光电梯的不足与优势，进而可以提出改进学习的地方。2.2 技术路线的确定通过自己的理解以及结合实际，制定了如下方案：3.电梯的轿底托与底板托的设计3.1 观光电梯底板的设计参数1.额度载重:1150kg；速度：1.0m/s；2.井道尺寸：宽 2550 深 23503.轿厢外部尺寸：宽 1600，深 1800，高 2400。根据观光电梯的参数指标本，通过研究杭州霍普曼电梯公司的最新开发的观光电梯的轿厢架的研究，加上对不同国家不同型号电梯框架的深入研究分析，在综合它们的优缺点的基础上，用材料力学，理论力学，机械设计手册，工程力学等对电梯底板进行设计和受力分析，通过受力分析计算出合适的尺寸和图纸，最后再加入其他一些外购件完善本次设计的观光电梯轿厢底板。在使用过程中应注意应避免超重，尽量避免搬运重物。电梯眼谨防漏水，因为电梯有大量的电子元器件，这些都不能遇水，还有钢板遇水也会快速氧化，电梯的使用时间也会大大缩短。电梯底板应定期由有资质的专业厂商保养、检修。3.2 电梯轿底托的选材与设计3.2.1 底板托与底托材料的选择底板的材料一般需要强度，可塑性和力学性能好的材料，在不同工况下皮实耐用。所以，根据以上要求列举了以下几种可供选择的材料：1.碳素结构钢，常用的分为含碳较少的碳素结构钢和含碳较多的碳素结构钢，普通碳素钢一般会被用在性能要求不高的地方，因为其性价比高，机械性能也一般，强度不会很高，但它的可塑性和冷变形性能好，而且具有较强的韧性。而且它不需热处理。用途多，用量大，可用于铁道，小型桥，各种建筑上，这些使用场景中的要求不高，并且不需要热加工的零件，装置上。优质碳素结构钢钢质纯净，杂质含量较少，性能强度好，价格高，可进行热加工处理。含碳量 0.26以下的钢，不需经热处理，可以直接使用，用于制造中螺钉、柳丁、垫圈等；含碳量在 0 .26 0 .6，典型钢号有 40，45， 45Mn 等，需经调质处理，制造连杆、螺栓等；含碳量在 0 .6%以上，如 65，70 ， 70Mn 等，多作为螺旋弹簧、板簧等耐磨零件使用。表 3.1 碳素钢的分类及用途表 3.1 中中“Q”是最大屈服强度，例如 Q255 表示屈服点为 255Mpa。按A、B、C、D 表示的是钢材杂质含量的多少，例如硫、磷等，这些的含量由A 到 D 越来越少，钢材的等级也越来越高。（注：在这串符号后面不标注任何字母的表示镇静钢，而标“F”的为沸藤钢，后面有字母 b 的是半滇静钢）成本高，收得率低，但质量高于沸腾钢。碳素结构钢可以直接使用，一般情况下都不需经热处理。通常 Q1 95、Q 215、 Q 235钢碳含量低，焊接方便，可塑性、韧性强，强度稍差，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于铁路、建筑等结构和制造普通紧固件。Q 255和Q275钢碳含碳量高，通常用于成型钢、农机用型钢和钢板作结构件以及制造简单机械的输送链、键、轴、销等零件。第二种是合金钢：就是在普通碳素钢中加入一些其他金属来提高碳素钢的性能。这些不同的元素也决定了合金钢不同的性能，比如在极限条件下具有更高的可靠性，更加的耐磨，更加的耐高温，低温不易失去原有强度。一些合金钢的牌号、性能、应用见表 3.2 所示。合金钢正因为其种种优势，被人们所广泛的使用，它能在纯金属无法使用的工况下具有良好的表现，比如普通的碳素钢很难做到到三大力学性能都很强，而合金钢则可以同时兼顾到硬度，弹性和强度，使用不同计量的金属元素，它显现出来的性能即可以达到非常好的硬度跟弹性，还可以得到很好的强度。第三种工程塑料，具有很强的机械性能，媲美金属的存在，被广泛应用在表 3.2 合金钢的分类及用途很多需要轻量化的产品上。它在差异工况下都可以保持杰出的性能，塑料还有很好的耐腐蚀性、耐磨性以及尺寸稳定性好等特点；它可以用挤压、注射、浇注、模塑和压制等方法加工成型。工程塑料一般分为指聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、聚碳酸酯、ABS、聚砜、氯化聚醚、聚苯醚、聚酚氧、线性聚酯等材料这些都具有一定热塑性。工程塑料增强材料是指以热固性或者热塑性树脂为粘结剂，某些纤维作为加强材料的一种复合工程塑料。另一工程塑料，热塑性增强塑料，一般都采用玻璃纤维增强，对尼龙增强效果最为显著，对聚碳酸酯、线性聚酯、聚乙烯和聚丙烯等效果也很优良。热塑性树脂增强后的强度、刚性、硬度以及弹性性能都有提高，耐热性也显著上升，线膨胀系数和吸水率的降低，尺寸稳定性增加，并且抑制应力开裂。冲击强度有所下降，但缺口敏感性改善。成型工艺可采用一般注射方法。热固性材料增强塑料所用的增强材料，主要是玻璃纤维或玻璃布、玻璃带等，这种增强塑料一般被称为玻璃钢。成型方法有手糊法、模压法、层压法、袋压法、液压法、喷射法和缠绕法等好多种；特点是：质量小、强度高，特别是强度可以大大超过普通钢材；且耐腐蚀、耐热、耐辐射，有优越的电绝缘性能和良好的高频电磁波渗透性；加之成型方法比较方便，价格较低。热固性玻璃增强塑料主要品种有：酚醛玻璃钢、环氧玻璃钢、聚酯玻璃钢、呋喃玻璃钢、聚二苯醚玻璃钢等。上面列举的三种材料是目前使用最为普遍，也最适合的。工程塑料其性能是三种中最好的，但是由于价格较高，且容易老化，带来安全隐患。一般电梯消费者都需要其有较长时间的使用，所以难以达到要求。合金钢强度、弹性等性能并不能达到要求，价格也是最贵的，是适用于本产品的量产，一般用于高精度的器械上面。而碳素钢在这三者中的力学性能都比较好，可以满足轿厢底板的要求，而且价格也属于比较合适的区间，强度在这三者中偏低，但其他的，比如塑性、弹性、冷变形性能好。结合上术，选择用碳素钢做观光电梯轿厢底板。底板托采用 3mm 的 Q235 碳素钢板，轿底托采用 6mm 的 Q235 碳素钢板。3.2.2 观光电梯轿底托的设计、受力分析与尺寸的确定观光电梯轿底托为简支梁,有关参数:选材：Q235 钢材。工艺：折弯。数量：托两根，后框一根。后框长度尺寸远远小于托的尺寸，而且两者选材的厚度跟材质都一样，只需要验证后框尺寸长的符合即可。支点距 L1=1400mm，Q235 钢材弹性模量E=2.0 1011Pa X 轴抗弯矩 WX=6bh2=27.16cm3单根托对 X 轴惯性矩 IX=12bh3=176.82cm4刚框架结构应不大于跨度的 1/400（普通钢结构设计规范 GB50017），即：轿托许用挠度y=4001930= 4.825mm均布载荷q=14005/8(1.25)nP Q g14005 /8(1500 1.25 1200) 9.813.125KN最大弯矩 MmaxqL128813.125140023.216KNm最大应力:max=-6X227.16103.2162WMmax59.21MPa厚度 6mm 的 Q235 钢材的强度为 235MPamax，所以选择强度适合。最大挠度 W1max=5qL14=513.1251404384E.IX 38421011176.82=0.00186cmmax，所以选择强度适合。最大挠度 W1max=5qL14=513.1251404384E.IX 38421011130.36=0.00252cmmax，所以选择强度适合。最大挠度 W1max=5qL14=513.1251404384E.IX 38421011106.77=0.00307cm2.43m2符合计算尺寸。下图为表5.1：根据我任务书上，选择额定载荷为 1200（Kg），对应的轿厢最大轿厢有效面积为 2.80（m2），而我设计的底板实际有效面积是 2.88（m2）符合条件。下图为表 5.2乘客人数/人轿厢最小有效面积/m2乘客人数/人轿厢最小有效面积/m21 0.28 11 1.872 0.49 12 2.013 0.60 13 2.154 0.79 14 2.295 0.98 15 2.436 1.17 16 2.577 1.31 17 2.718 1.45 18 2.859 1.59 19 2.9910 1.73 20 3.13图 5.1 观光电梯底板表 5.1 乘客人数与轿厢地板有效面积5.2 观光电梯底板其他配件的尺寸确定观光电梯的其他配件包括一块用于底板与轿厢壁相连接的斜拉杆固定板和一段用于放止底板的钢板受热变形熔化的圆弧。斜拉杆固定板与底板的前后梁焊接在一起，使底板与轿厢壁相连接连接。可以有效提高整个轿托的承载能力。如图 5.2 所示额定载重量（Kg） 轿厢最大有效面积（ m2） 额定载重量（Kg） 轿厢最大有效面积（ m2）100 0.37 900 2.20180 0.58 975 2.35225 0.7 1000 2.40300 0.9 1050 2.50375 1.10 1125 2.65400 1.17 1200 2.80450 1.30 1250 2.90525 1.45 1275 2.95600 1.60 1350 3.10630 1.66 1425 3.25675 1.75 1500 3.40750 1.90 1600 3.56800 2.00 2000 4.20825 2.05 2500 5.00表 5.2 额定载重与轿厢底板最大有效面积：图 5.2 斜拉杆固定板图 5.3 观光电梯底板圆弧为了不使加强筋与钢板直接焊接导致钢板受热熔化变薄，影响其平整度和承受应力减少，所以我设计了如下如5.3的圆弧进行补充。5.3 吸震块的选择在装配中，设计两个托，一个底托一个侧托，它们之间可以放置减震或吸震装置，已达到减少电梯乘坐时的不适感，具体是在电梯起步过程中产生的加速度，还有电梯运动本身产生的一些震动带给人们的不适感。从网上查找资料我发现可以通过安装一种小型的具有高阻尼的吸震块来达到次目的。如下图5.3.1所示作如下基本假设：1.设吸震块阻尼层的复剪切模量 （1 iv）1G G ， i代表损耗因子2.托作弯曲振动时， 阻尼吸振块仅承受剪切变形不计其弯曲刚度。并假定吸振块的横向尺寸远小于托的长度。在上述基本假设下由托和吸振块相互作用的变形几何关系如图（b）所示。当托弯曲时，吸振块的惯性力作为附加横向力作用在托上吸振块两约束层产生相对位移，其总剪力对托产生附加弯矩不难求出在处x=c1第j个吸振块对托的附加横向力和附加弯矩为：Qj=mj22ty（1）Mj=nj22xy（2）式中：mj 为第j个吸振块的等效质量。Dj=D（1 + i ）为第j个吸振块的等效复弯曲刚度。显然，m仅取决于吸振块材料性质和尺寸，而Dj还与梁的刚度有关。因为吸真块是外购件，而且属于锦上添花的配件，所以实际中只需要购买符合规格的就可以实现图5.3.1是吸震块的具体尺寸：图 5.3.1 吸震块结构6 结论本次设计的观光电梯轿厢底板各个零件的参数均符合要求。本次设计的亮点图 5.3.2 吸振块在于采用了一种外购吸震材料，能够大大减轻电梯乘坐的不适感。在加强筋处设计具有 6 个小孔，方便后期的维修保养。此底板的前部采用圆弧设计，可以较大地提升观光电梯使用视野，达到客户人机交互的最合适使用面积。本次设计强调后期使用需要按照规范，不得超重使用或者让电梯系统进水等不当操作。参考文献1 胡胜江, 陈建伟.徐涛。庞涛中国质量技术监督J. 电梯超载保护装置新法,2016. 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