A mesura que la urbanització s'accelera i el nombre d'edificis{0}}de gran alçada continua creixent, els ascensors, com a equipament bàsic per al transport vertical, estan trobant una aplicació cada cop més estesa. Segons les estadístiques de la indústria, hi ha prop de 1.000 fabricants d'ascensors al meu país i la competència del mercat s'està intensificant. Reduir costos i augmentar l'eficiència mitjançant l'optimització del producte s'ha convertit en un tema clau per a la indústria. Els ascensors de tracció, com el tipus d'ascensor principal, han madurat la seva tecnologia de suport després d'un segle de desenvolupament. La seva estructura consta de vuit sistemes principals: el sistema de tracció, el sistema de cotxes i el sistema de guia. El sistema del cotxe suporta directament la càrrega, mentre que el marc del cotxe, com a marc estructural del cotxe, té un disseny que afecta directament el rendiment de seguretat i el cost de fabricació de l'ascensor. Una massa excessiva del bastidor del cotxe pot provocar malbarataments de materials i disseny redundant; mentre que un pes massa lleuger pot no complir els requisits de càrrega, cosa que suposa un perill per a la seguretat.
Hem realitzat una investigació d'optimització de l'estructura del bastidor de l'ascensor de tracció, utilitzant un programari de simulació numèrica per analitzar l'estàtica i la dinàmica del bastidor. Aquest enfocament ens permet aconseguir un disseny lleuger alhora que garanteix la seguretat estructural, proporcionant una solució pràctica per millorar l'eficiència econòmica de les empreses.
1. Anàlisi mecànica del marc del cotxe de l'ascensor: la base del disseny d'optimització
Per garantir la solució d'optimització científica i fiable, l'equip d'investigació va utilitzar primer programari de simulació numèrica professional per dur a terme una anàlisi exhaustiva de les propietats mecàniques del bastidor de la cabina de l'ascensor en diferents condicions de funcionament, proporcionant suport de dades per al disseny lleuger posterior.
1.1 Anàlisi estàtica: rendiment d'estrès en condicions nominals i de sobrecàrrega
L'anàlisi estàtica es va centrar en les condicions de funcionament nominal i les condicions de sobrecàrrega extremes del funcionament normal de l'ascensor. El seu objectiu principal era simular la distribució de tensions i el desplaçament del bastidor del cotxe mitjançant l'establiment d'un model estructural precís. Durant la investigació, l'equip va construir primer un model estructural 3D del marc del cotxe mitjançant el programari SolidWorks i després va importar el model al programari d'anàlisi Abaqus en format x_t. Donada la complexa estructura del bastidor del cotxe, per simplificar els càlculs i mantenir la precisió de l'anàlisi, van ometre petits detalls com connexions, soldadures, cargols i xamfràs. L'estructura principal es va convertir llavors en una carcassa, i components com la politja de retorn, la pinça de seguretat i la sabata de guia es van simplificar a cossos rígids. La configuració dels paràmetres es va basar en els estàndards reals de funcionament de l'ascensor, amb una potència del motor de tracció d'11,7 kW, un pes del cotxe de 1100 kg, una velocitat nominal d'1,75 m/s, una càrrega nominal de 1050 kg i una alçada d'elevació de 82,5 m. Es van aplicar restriccions horitzontals al model per simular el pes real, la pressió del cotxe i la pressió de càrrega suportades pel bastidor del cotxe. Els elements S4R es van utilitzar per a la malla, amb una mida de malla de 10 mm, donant lloc a 590.350 nodes i 431.287 elements, garantint la precisió del model.
Els resultats de l'anàlisi mostren que en condicions de funcionament nominal, la tensió màxima al bastidor del cotxe és de 138,9 MPa, molt per sota de la tensió de rendiment del material. La tensió màxima es produeix al contacte entre la goma anti-vibració i les bigues laterals del bastidor de l'automòbil, donant lloc a una concentració de tensió localitzada a causa de la compressió de contacte. Tanmateix, aquesta àrea concentrada només cobreix dos elements de malla i té un impacte mínim sobre l'estrès general del bastidor del cotxe. Els càlculs mostren que la relació entre la tensió de fluència del material a un factor de seguretat 1,5 vegades és de 156,7 MPa (235 MPa/1,5) i la tensió màxima de 138,9 MPa compleix els requisits de seguretat.
En una condició de sobrecàrrega del 125%, la tensió màxima al bastidor del cotxe augmenta a 296,2 MPa, concentrada de nou al punt de contacte entre la goma anti-vibració i les bigues laterals del bastidor del cotxe. L'àrea de concentració d'estrès s'expandeix a quatre cel·les de quadrícula, però el seu impacte en l'estrès estructural general és encara limitat. A part de l'àrea de concentració d'estrès, la tensió màxima a les àrees restants és de 166,4 MPa. Tot i que és inferior al límit de fluència del material, no arriba al requisit del factor de seguretat 1,5 vegades superior. A més, el desplaçament acumulat màxim del bastidor del cotxe és de 9,5 mm, la qual cosa requereix evitar operacions de sobrecàrrega a llarg termini-en ús real.
1.2 Anàlisi dinàmica: verificació de la seguretat estructural en condicions de funcionament extremes
L'anàlisi dinàmica se centra en les condicions de risc extrems durant l'operació de l'ascensor-la baixada del cotxe i la frenada d'emergència. En aquestes condicions, la velocitat i l'acceleració del bastidor del cotxe canvien dinàmicament amb el temps. Les simulacions dinàmiques transitòries es realitzen mitjançant el mòdul Abaqus Explicit. La velocitat inicial és la velocitat de contacte entre el buffer i el bastidor del cotxe, i s'introdueix l'amplitud del canvi de velocitat real durant el funcionament per simular la resposta dinàmica de l'estrès de l'estructura.
Els resultats de la simulació mostren que quan el cotxe toca fons, es produeixen grans concentracions d'estrès al punt de contacte entre l'amortidor i el marc del cotxe, i alguns components pateixen una deformació plàstica a causa d'un esforç excessiu. Als 0,084 segons després de tocar fons, la tensió màxima al punt d'impacte arriba als 248,2 MPa. Tot i que això no supera el límit de resistència del material de 400 MPa i evita una fallada estructural general, el marc del cotxe perd la seva capacitat de funcionar amb normalitat. Per tant, els sistemes integrals de protecció de seguretat són essencials en el disseny i el funcionament de l'ascensor per evitar el fons del cotxe. En condicions de frenada d'emergència, el valor màxim de tensió del bastidor del cotxe és de 229,1 MPa, que és inferior a la tensió de fluència del material, i el rang d'acció de tensió és petit, la qual cosa no suposarà una amenaça per a la seguretat estructural. Això demostra que el sistema de frenada d'emergència de l'ascensor pot garantir eficaçment l'estabilitat de l'estructura del bastidor del cotxe.
2. Disseny d'optimització de la travessa superior del bastidor del cotxe: una solució lleugera en acció
A partir dels resultats de l'anàlisi mecànica, l'equip d'investigació va trobar que l'estrès general del bastidor del cotxe complia els requisits de seguretat i tenia marges de seguretat significatius durant el funcionament normal, cosa que indica un potencial d'optimització lleugera. Una anàlisi més detallada de la distribució de tensions de cada component va identificar la travessa superior com a objectiu principal d'optimització-els seus valors de tensió en diverses condicions de funcionament estaven molt per sota del límit del material, cosa que indica el major potencial d'optimització.
2.1 Determinació de variables i mètodes d'optimització
Tenint en compte l'estabilitat de la disposició estructural general del bastidor del cotxe, vam decidir no canviar les dimensions clau, com ara la longitud, l'alçada del corbat i l'alçada total de la travessa superior. Ens vam centrar únicament en el gruix de la travessa superior com a única variable d'optimització per evitar afectar el balanç de tensions d'altres components a causa dels ajustos estructurals. El mètode d'optimització va utilitzar un enfocament de "reducció-per-pas a pas", començant amb un gruix original de 6 mm i reduint el gruix en 0,5 mm alhora. Mitjançant múltiples anàlisis de simulació, vam verificar el rendiment de tensió i l'estat de seguretat de la travessa superior amb gruixos variables, seleccionant finalment la solució òptima.
2.2 Comparació de rendiment i qualitat abans i després de l'optimització
Múltiples rondes de verificació de simulació van confirmar que la reducció del gruix de la travessa superior de 6 mm a 4 mm va aconseguir l'equilibri òptim entre el rendiment estructural i la lleugeresa. Pel que fa al rendiment de tensió, la tensió màxima de la travessa superior abans de l'optimització era només de 17,08 MPa, molt per sota de la resistència a la fluència del material. Després de l'optimització, l'estrès màxim va augmentar a 139,5 MPa, encara per sota del llindar de seguretat de 156,7 MPa, complint el requisit del factor de seguretat 1,5x i demostrant propietats mecàniques estables i fiables.
Pel que fa a la lleugeresa i el control de costos, després de l'optimització, la massa d'una sola traversa superior es va reduir de 29,95 kg a 22,46 kg, una reducció de pes de 7,49 kg per feix i un grau d'alleugeriment del 25%. La massa reduïda de la travessa superior també redueix indirectament la càrrega total-de càrrega del bastidor del cotxe, optimitzant encara més l'estat de tensió de tot el sistema del cotxe, formant un cicle virtuós de "lleuger - càrrega baixa - més seguretat".
3. Conclusions de la recerca i valor de la indústria
Aquesta investigació sobre el disseny optimitzat de l'estructura del bastidor de l'ascensor de tracció, mitjançant anàlisi mecànica científica i optimització precisa dels paràmetres, va donar les següents conclusions clau: en primer lloc, la tensió màxima al bastidor del cotxe en condicions de funcionament nominal va ser de 138,9 MPa, i la tensió màxima en zones no concentrades en condicions de sobrecàrrega va ser de 166,4 MPa, ambdós complint els requisits mecànics bàsics. En segon lloc, l'estructura no va patir danys generals sota el fons del cotxe i les condicions de frenada d'emergència, però el risc que el cotxe toqui fons continua sent preocupant. En tercer lloc, optimitzant el gruix de la travessa superior de 6 mm a 4 mm, es va mantenir el rendiment de seguretat alhora que s'aconseguia un objectiu d'alleugeriment del 25%.
Des del punt de vista del sector, aquesta investigació ofereix als fabricants d'ascensors una solució pràctica d'estalvi{0}}de costos i d'eficiència-. En reduir el gruix de la travessa superior, els fabricants poden reduir directament l'ús de matèries primeres com l'acer, reduint així els costos de producció. A més, el marc lleuger del cotxe redueix el consum d'energia durant el funcionament de l'ascensor, millorant l'eficiència energètica global de l'equip. A més, el mètode d'"anàlisi mecànica - detecció de variables - pas-{-optimització pas a pas" utilitzat a la investigació també proporciona un paradigma de referència per al disseny optimitzat d'altres components estructurals a la indústria d'ascensors, promovent la transformació de la indústria del "disseny empíric" a "impuls de dades- disseny", i ajudant els productes d'ascensors a aconseguir un major nivell d'equilibri entre seguretat i economia.
