Методика расчета лифтовых ловителей резкого торможения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.86

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЛИФТОВЫХ ЛОВИТЕЛЕЙ РЕЗКОГО

ТОРМОЖЕНИЯ

П.В. Витчук, Н.В. Трухов, А.В. Усачев

Кратко рассмотрена классификация лифтовых ловителей и проблемы, возникающие при их расчете. Предложена методика расчета ловителей резкого торможения. Показано, что при расчете аварийной скорости для лифтов с номинальной скоростью движения до 0,63 м/с целесообразно использовать рекомендации ВНИИПТМАШ. Приведены зависимости для расчета замедления кабины при посадке на ловители резкого торможения. Даны примеры расчета эксцентрикового и роликового ловителей. Показано, что при расчете геометрических параметров рабочих элементов ловителей целесообразно использовать многовариантную процедуру расчета с использованием прикладных программ для ЭВМ.

Ключевые слова: лифт, ловитель, эксцентрик, ролик, клин, многовариантный расчет, проектирование.

Безопасность эксплуатации лифтов обеспечивается на основе введения в их конструкцию автоматически действующих ловителей, предназначенных для остановки и удержания на направляющих кабины или противовеса в случае достижения ими заранее определенной (аварийной) скорости, независимо от причины, по которой увеличилась скорость.

По характеру нарастания тормозного усилия ловители бывают резкого торможения (используются при номинальной скорости лифта до 0,63 м/с), резкого торможения с амортизирующим элементом (до 1 м/с) и плавного торможения (свыше 1 м/с). В качестве рабочих элементов ловителей используют клинья, эксцентрики и ролики [1]. В ловителях резкого торможения рабочие элементы непосредственно воздействуют на направляющие, в ловителях резкого торможения с амортизирующим элементом и плавного торможения - через податливую систему энергонакопительного или энергорассеивающего типа (пружину, амортизатор и др.).

Наибольшую сложность при расчете ловителей представляет случай самозаклинивания, который имеет место при посадке кабины или противовеса на ловители резкого торможения, так как в этом случае при торможении возникают неопределенные по своей величине силы. Эти силы

150

определяются начальными условиями торможения и геометрическими параметрами рабочих элементов ловителей. Поэтому известные методики расчета лифтовых ловителей, изложенные в [1 - 3 и др.], изобилуют большим числом допущений и эмпирических коэффициентов. Это приводит к тому, что результаты расчета параметров ловителей и действующих на пассажиров в процессе торможения ускорений могут сильно разниться в зависимости от выбранных допущений и коэффициентов [4, 5].

Кроме того, приведенные в известной литературе [1, 2] значения эмпирических коэффициентов были получены более 60 лет назад, что ставит вопрос об их актуальности в настоящий момент.

С целью некоторой компенсации неопределенностей, возникающих при расчете ловителей резкого торможения, предлагается методика расчета, отличительной особенностью которой является то, что расчет параметров, информация о которых носит спорный характер, выполняется в конце расчета. Таким образом, при необходимости внесения каких-либо изменений в расчет, объем вычислений, подлежащий перерасчету, минимален. Предлагаемая методика состоит из следующих этапов.

1. Выбор типа ловителя в зависимости от номинальной скорости кабины или противовеса (см. п.5.4.6.4 ГОСТ Р 53780-2010).

2. Выбор формы рабочих элементов ловителей в зависимости от назначения и грузоподъемности лифта. При этом могут быть использованы рекомендации, данные в [3], или имеющиеся сведения о лифтах, аналогах проектируемому.

3. Выбор материала рабочих элементов ловителей. Из [1 - 3] известно, что для изготовления роликов, эксцентриков и клиньев наиболее часто используют Сталь 35, 45 и 20Х. В грузовых лифтах малой грузоподъемности могут быть также использованы эксцентрики из латуни.

4. Расчет геометрических параметров рабочих элементов ловителей и проверка их на прочность в соответствии с зависимостями [1 - 3]. Если условие прочности не выполняется, то следует изменить материал рабочего элемента или его геометрические параметры.

5. Расчет аварийной скорости и замедления кабины лифта, сравнение полученной величины замедления с допустимым значением по ГОСТ Р 53780-2010.

Для расчета минимальной Уа т^п и максимальной Уа тах аварийных скоростей лифта могут быть использованы рекомендации, приведенные в ГОСТ Р 53780-2010 или разработанные ВНИИПТМАШ [2].

В соответствии с п. 5.4.7.1 ГОСТ Р 53780-2010 ограничитель скорости, приводящий в действие ловители кабины, должен срабатывать, если скорость движения кабины вниз превысит номинальную не менее чем на 15 % и составит не более: а) 0,8 м/с для ловителей резкого торможения; б) 1,5 м/с для ловителей плавного торможения и ловителей резкого торможения с амортизирующим элементом при номинальных скоростях не более

1 м/с; в) 1,25V + 0,25/ V м/с для ловителей плавного торможения при номинальных скоростях более 1,0 м/с, где V - номинальная скорость кабины, м/с.

В соответствии с рекомендациями ВНИИПТМАШ [2] минимальная аварийная скорость в момент включения ловителей (так же, как и в ГОСТ Р 53780-2010) составляет Vamjn = 1,15V, а максимальная рассчитывается по формуле

Va max = kV м/с (1)

где k - коэффициент, зависящий от номинальной скорости лифта.

С учетом того факта, что большинство лифтов выполняют со стандартными значениями номинальной скорости по ГОСТ Р 53770-2010 (ИСО 4190-1:1999) «Лифты пассажирские. Основные параметры и размеры» и ГОСТ Р 53771-2010 (ИСО 4190-2:2001) «Лифты грузовые. Основные параметры и размеры», можно рассчитать минимальное и максимальное значения аварийной скорости, при которых будет осуществляться включение ловителей. Результаты расчета представлены в таблице.

Как видно из таблицы, некоторые ситуации, рассчитанные в соответствии с ГОСТ Р 53780-2010, являются маловероятными, например, то, что лифт с номинальной скоростью движения 0,25 м/с разгонится до 0,80 м/с. Поэтому введем допущение - для диапазона номинальных скоростей 0,25...0,50 м/с будем использовать значения аварийных скоростей, полученных с учетом рекомендаций ВНИИПТМАШ, а для диапазона скоростей 0,63...6,00 м/с - рекомендаций ГОСТ Р 53780-2010. Полученные значения аварийных скоростей могут быть использованы при определении величин замедления кабины, необходимых для расчета каждого известного типа ловителей. Кроме того, из таблицы видно, что, начиная с номинальной скорости движения лифта V = 1 м/с, значения аварийных скоростей, полученные с использованием ГОСТ Р 53780-2010 и рекомендаций ВНИИПТМАШ, различаются несущественно.

Значения аварийных скоростей в момент включения ловителей

Номинальная скорость, м/с Аварийная скорость, м/с

минимальная максимальная

ГОСТ Р 53780-2010 ВНИИПТМАШ

0,25 0,29 0,80 0,35

0,40 0,46 0,80 0,56

0,50 0,58 0,80 0,70

0,63 0,72 0,80 0,88

1,00 1,15 1,50 1,40

1,60 1,84 2,16 2,13

2,00 2,30 2,63 2,66

Окончание таблицы

Номинальная скорость, м/с Аварийная скорость, м/с

минимальная максимальная

ГОСТ Р 53780-2010 ВНИИПТМАШ

2,50 2,88 3,23 3,33

3,00 3,45 3,83 3,99

3,50 4,03 4,45 4,66

4,00 4,60 5,06 5,00

5,00 5,75 6,30 6,25

6,00 6,90 7,54 7,50

Величина максимально возможного замедления кабины при посадке на ловители с эксцентриковыми и роликовыми рабочими элементами может быть рассчитана [1 - 3] как

V2 2

а = Уа тах , м/с2, (2)

5

где 5 - путь, который кабина проходит до полной остановки, м.

Значения величины 5 в современной литературе [1, 3] отсутствуют. В книге [2], опубликованной около 60 лет назад, приведены сведения, что путь кабины до полной остановки составляет 5 » 0,015 м, при этом не указаны тип ловителей, скорость и грузоподъемность лифта и др. Поэтому определение значений 5 представляет собой самостоятельную задачу, требующую отдельного экспериментального исследования.

Для расчета замедления кабины при посадке кабины на ловители с клиновыми рабочими элементами известны два способа. Первый (экспериментально-теоретический) базируется на большом числе экспериментальных исследований, проведенных ВНИИПТМАШ [1], а второй (аналитический), разработанный в МГСУ (бывший МИСИ им. Куйбышева), - на учете сопротивлений пластическому деформированию направляющей [6]. В соответствии с первым способом [1]

а = А^а2тах ~У), м/с2, (3)

где А - коэффициент, зависящий от угла заострения клина (при а = 8 -11° А = 45 ^ 50, при а = 9°30' А = 47 ^ 48); у - коэффициент, зависящий от формы тормозящей поверхности (при гладкой поверхности у=0,13, при поверхности с мелкой насечкой у = 0,08, а для крупного зуба у=0,18).

Для вывода формулы, позволяющей рассчитать замедление кабины в соответствии со вторым способом [6], введем следующие обозначения: к п к п

От = 0 + Ок + ОПК + ОКЭ и ОТ = 6п + 6КЭ , где От и От - суммарная

153

улавливаемая масса со стороны кабины и противовеса соответственно; О , Ок , Оп , Опк , Окэ - грузоподъемность лифта, масса кабины, противовеса, подвесного кабеля и компенсирующих элементов соответственно. Опуская преобразования, получим: - для кабины

a ■

оК g2

f - QK g

м/с

(4)

для противовеса

a

^П 2

_ Qn g

F-

Qn g

, м/с2.

В свою очередь,

F

пКЛпЛkzZojkjbhkB (sin в + ^ cos в)

Н;

(5)

(6)

kH sin в

где oj - величина предела текучести материала, из которого изготовлена направляющая, МПа; kj _ 1,3 - коэффициент, учитывающий увеличение предела текучести при быстром изменении нагрузки; h - глубина врезания зуба ловителя в направляющую, мм; кв _ 1,15 - коэффициент, учитывающий высоту валика деформации; ^ - величина коэффициента трения пластически деформируемого материала направляющей по передней грани зуба; в - угол врезания зуба в направляющую.

Очевидно, что формулы (4) - (6) содержат величины A, у, h , kj, кв, полученные эмпирическим путем. Разброс их значений, приводимых в имеющейся литературе, обуславливает расхождение результатов расчета в десятки раз в зависимости от использованных допущений [4] и [5]. Таким образом, задача определения этих величин также требует отдельных экспериментальных исследований.

Рассмотрим применение предлагаемой методики на некоторых примерах.

Пример 1

Необходимо подобрать и рассчитать ловители для кабины малого грузового лифта со следующими параметрами: номинальная скорость движения кабины V _ 0,25 м/с; грузоподъемность Q _ 100 кг; масса кабины Qk _ 110 кг; масса подвесного кабеля Qnk »5 кг; масса компенсирующих элементов Окэ » 20 кг.

Решение

1. В соответствии с п.5.4.6.4 ГОСТ Р 53780-2010 для лифта со скоростью движения кабины V _ 0,25 м/с назначаем тип ловителей - ловители резкого торможения.

2. В малых грузовых лифтах рационально использовать наиболее простые по конструктивному исполнению элементы, в том числе ловители. Поэтому принимаем форму рабочих элементов ловителей - эксцентрики. Примем самую простую конструкцию эксцентриковых ловителей, когда в каждом ловителе установлено только по одному эксцентрику. Материал, из которого изготавливают эксцентрики, как правило, Сталь 35 или 45, примем Сталь 35. В качестве материала оси, относительно которой поворачиваются эксцентрики, примем Сталь 45.

3. Из конструктивных соображений зададимся предварительными значениями плеча нормальной реакции гN = 15 мм (рис. 1) и диаметра оси эксцентрика ^ = 10 мм. Тогда радиус оси эксцентрика составит гс = = 10/2 = 5 мм.

Рис. 1. Схема действия сил в ловителе резкого торможения

с эксцентриковым рабочим элементом: Мл - момент, необходимый для срабатывания ловителей; Мс - момент сопротивления; Рн - сила трения эксцентрика о направляющую;

Лн - нормальная реакция при контакте эксцентрика и направляющей; гр и гл - плечи сил РН и Лн соответственно; Я - равнодействующая силы трения и нормальной реакции;

Ь - угол контакта

Выразим величину гр из зависимостей, изложенных в [1]:

гЛ гс г 2 гЛ+тсгСл/1+т2

=т-тс >/1^гр =-л—с с *——,

гр гр т

где т - приведенный коэффициент трения эксцентрика о направляющую; тс - приведенный коэффициент трения в оси эксцентрика.

155

Примем me _ 0,10. Согласно рекомендациям ВНИИПТМАШ [2] при расчете на самозаклинивание коэффициент трения принимается m_ 0,30...0,35 для скорости лифта от 0,25 до 0,50 м/с (большие значения коэффициента трения относят к меньшим скоростям) и m_ 0,25...0,30 для скорости лифта от 0,50 до 1,00 м/с.

Примем m _ 0,35, тогда

15 + 0,1 • 5 J1 + 0,352 ,,

rF _---» 44 мм.

F 0,35

4. Угол между осью эксцентрика и точкой контакта эксцентрика и направляющей

tga_ rN/rF _ 15/44 » 0,341 ^ a» 19°.

5. Тормозная сила (сила трения между ловителем и направляющей, необходимая для уравновешивания силы тяжести груженой кабины), развиваемая одним эксцентриком

(Q + QK + QnK + 0КЭ )g (100 +110 + 5 + 20 )• 9,81 F _ kHv^ ~11k _ 1,25 • А->_!_«1440 Н,

«л 2

где kh _ 1,25 - коэффициент неравномерности распределения тормозной

силы по ловителям; «л - число ловителей.

6. Равнодействующая тормозной силы F и нормальной реакции в точке контакта эксцентрика и направляющей N

R F2 + N 2 _ F/ sin a_ 1440/sin (19°)» 4460 H.

7. Выразим ширину зуба эксцентрика из формулы Герца:

¡RE г п (0,418)2 RE

SK _ 0,418J bRE £[s]K ^ b >( , г )]2 ,

V brF rF [S]K

где E - модуль упругости материала, из которого изготовлены направляющие (современные направляющие, как правило, изготавливают из Стали 30, для которой E _ 2,1 105 МПа); [о]к _ 0,8ов - допускаемые напряжения при расчете на контактную прочность; Ов - предел прочности наименее прочного материала из образующих контактную пару (эксцентрика или направляющей).

Получим [о]к _ 0,8оВ _ 0,8 • 530 _ 424 МПа.

Тогда

(0,418)2 • 4460 • 2,1 • 105 b >----2-»14,9 мм, принимаем b =15 мм.

61 •( 424 )2

8. Проверка прочности оси эксцентрика по напряжениям среза (использованы общеизвестные зависимости из курса «Детали машин»).

156

Допускаемое напряжение среза для Стали 45

[т] = (0,2...0,3)оТ = 0,25 • 360 = 90 МПа.

Действующее напряжение среза

4 Я 4 • 4460 ^ОЛ/ГТТ т =-- =-- » 56,8 МПа

р(ас)2 3,14-(ю)2 т = 56,8 МПа < [т] = 90 МПа - проверка выполняется.

9. Проверка отверстия для оси в эксцентрике по напряжениям смятия (использованы общеизвестные зависимости из курса «Детали машин»).

Допускаемое напряжение смятия для Стали 35 [о]СМ = 0,8оТ = 0,8 • 300 = 240 МПа.

Примем, что зубья выполнены на всю ширину поверхности эксцентрика, тогда ширину эксцентрика можно принять равной ширине его зуба, в этом случае условие прочности по напряжениям смятия будет иметь вид

Я 4460

°СМ =7^ = Т4460 = 29,7 МПа < [о]см = 240 МПа, Ьас 15•10

то есть условие прочности отверстия в эксцентрике по напряжениям смятия выполняется с большим запасом.

10. Величина максимально возможного замедления кабины при посадке на ловители

а = ЕЙпах =( 0,35) » 8,17 м/с2.

5 0,015

2 2 а = 8,17 м/с < [а] = 25 м/с - проверка выполняется.

Пример 2

Необходимо подобрать и ловители для кабины грузового лифта со следующими параметрами: скорость движения кабины V = 0,4 м/с; грузоподъемность Q = 2000 кг; масса кабины Qк = 3200 кг; масса подвесного кабеля Опк » 20 кг; масса компенсирующих элементов Окэ » 200 кг.

Решение

1. В соответствии с п.5.4.6.4 ГОСТ Р 53780-2010 для лифта со скоростью движения кабины V = 0,4 м/с назначаем тип ловителей - ловители резкого торможения.

2. В грузовых лифтах большой грузоподъемности, как правило, используют роликовые ловители, поэтому принимаем форму рабочих элементов ловителей - ролики. Материал, из которых изготавливают ролики, как правило, Сталь 35, 45 или 20Х, примем ролик из Стали 20Х закаленной.

3. Для скорости лифта V = 0,4 м/с примем т = 0,31. Тогда наибольший допустимый угол наклона опорной плоскости корпуса из условия самозатягивания ролика (рис. 2)

tgу = ——= 2-0,312 » 0,686 ^ у»33,4° .

1 -т2 1 -(0,31)2

4. Грузовые лифты большой грузоподъемности, как правило, работают на четырех направляющих, то есть число ловителей составит _ 4. Тогда тормозная сила, развиваемая одним роликом,

_ % (б + бК + Опк + бКЭ)& _ 1,25 • (2000 + 3200 + 20 + 200) • 9,81

пл

4

16600Н.

Рис. 2. Схема действия сил в ловителе резкого торможения с роликовым рабочим элементом: Рл - сила, необходимая для срабатывания ловителей; и - сила трения ролика о направляющую и колодку соответственно; Ын и Ып - нормальная реакция при контакте ролика о направляющую и колодку соответственно; у - угол контакта

5. Нормальная реакция в точке контакта ролика и направляющей:

N _ ^у_ 16600 • 0,686 »11400 Н.

6. Допускаемые напряжения при расчете на контактную прочность:

[о]к _ 0,8оВ _ 0,8 • 530 _ 424 МПа.

7. Из конструктивных соображений примем радиус ролика г _ 30 мм, тогда ширина ролика

(0,418)2ЫЕ (0,418)2 • 11400 • 2,1 • 10

2

ь >

2

78 мм, примем Ь _ 80 мм.

г [а]К 30 •( 424 )2

8. Величина максимально возможного ускорения замедления кабины при посадке на ловители

а

V 2

_ у а тах

5

2

0,015

20,9 м/с

2

а

9 г т 9

20,9 м/с < [а] _ 25 м/с - проверка выполняется.

Из рассмотренных примеров, а также работ [4, 5] видно, что при расчете ловителей резкого торможения ряд параметров (материал, из которых изготовлены рабочие элементы, их геометрические параметры и др.) приходится выбирать из конструктивных соображений. Это обуславливает рациональность проведения многовариантного расчета с целью подбора наилучшего варианта. Для упрощения и автоматизации подобного расчета могут быть использованы прикладные программы для ЭВМ, в частности, МаШСЛБ [7], ЬаЬУ1ЕШ [8]. Например, в КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана были разработаны программы, позволяющие производить многовариантный расчет лифтовых ловителей резкого торможения. При этом варьируемыми параметрами являются материал, из которого изготовлены рабочие элементы, и его геометрические размеры. В качестве примера результатов такого расчета на рис. 3 представлена зависимость ширины ролика ловителя от его радиуса и грузоподъемности лифта. Окончательный вариант может быть выбран по технологическим соображениям.

120

я

Е

гЗ =

О

Он

Я X

Е ^

3

20 30 40 50 60 70 80 90 100 Радиус ролика, мм

Рис. 3. Результаты расчета ширины роликового ловителя для грузового лифта грузоподъемностью: 1 - 2000 кг; 2 -1600 кг

Выводы

1. Известные методики расчета лифтовых ловителей содержат большое число эмпирических коэффициентов, а также допущений, обусловленных недостаточностью знания о процессе взаимодействия рабочих поверхностей ловителя и направляющей. Это приводит к тому, что результаты расчета параметров ловителей и действующих на пассажиров в процессе торможения ускорений могут сильно разниться.

2. Для расчета аварийной скорости лифтов с номинальными скоростями 0,25...0,50 м/с целесообразно использовать рекомендации ВНИИПТМАШ, а для скоростей 0,63...6,00 м/с - ГОСТ Р 53780-2010.

159

3. При расчете ловителей резкого торможения возможно варьировать рядом параметров, что обуславливает рациональность проведения процедуры многовариантного расчета, которая может быть выполнена с использованием прикладных программ для ЭВМ.

4. Для снижения недостаточности знаний о процессе взаимодействия рабочих поверхностей ловителя и направляющей целесообразно проведение дополнительных экспериментальных исследований, в процессе которых имитируется случай аварийной посадки кабины на ловители.

Список литературы

1. Лифты: учебник для вузов / под общ. ред. Д.П. Волкова. М.: Изд-во АСВ, 1999. 480 с.

2. Лифты / Г.К. Корнеев [и др.]. М.: Машгиз, 1958. 567 с.

3. Яновски Л. Проектирование механического оборудования лифтов. 3-е изд. М.: Изд-во АСВ, 2005. 336 с.

4. Витчук П.В., Шубин А.А., Потапов Д.В. Зависимость ускорения замедления кабины от параметров клина ловителя // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 7. Ч. 1. С.171 - 177.

5. Витчук П.В., Осницкий А.В., Грачева Е.В. Совершенствование методов расчета и испытаний лифтовых ловителей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014. Вып. 11. Ч. 1. С.447 - 452.

6. Архангельский Г.Г. Расчет ловителей резкого торможения кабины лифта с учетом пластической деформации поверхности направляющей. // Исследование строительных машин: сб. науч. трудов. М.: МИСИ, 1993. С. 5 - 11.

7. Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Калабин П.Ю. Оптимизация металлических конструкций грузоподъемных машин мостового типа // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2009. Вып. 4. С. 18 - 22.

8. Мокин Д.Г. Применение среды LabVIEW при моделировании объектов и процессов подъемно-транспортного машиностроения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 7. Ч. 1. С. 195 - 198.

Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, zzz Ventor@yandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),

Трухов Николай Викторович, студент, 240594kamail. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),

160

Усачев Александр Игоревич, студент, alexandr_igorevi4@mail. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

METHOD OF CALCULA TING THE ELEVA TED BRAKE LIFT TRAPS P. V. Vitchuk, N. V. Trukhov, A. V. Usachev

The classification of elevator catchers and the problems that arise when calculating them are briefly considered. A technique for calculating sharpshooters is proposed. It is shown that when calculating the emergency speed for elevators with a nominal speed of motion up to 0.63 m/s, it is advisable to use the recommendations of VNIIPTMASH. Dependencies are presented for calculating the deceleration of the cabin when landing on the safety catcher braking. Examples of calculation of eccentric and roller catchers are given. It is shown that when calculating the geometric parameters of working elements of catchers it is expedient to use a multivariate calculation procedure using computer applications.

Key words: elevator, catcher, eccentric, roller, wedge, multivariate calculation, design.

Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical sciences, zzz Ventor@yandex. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch),

Trukhov Nikolay Viktorovich, student, 240594k@,mail. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch),

Usachev Alexander Igorevich, student, alexandr_igorevi4@mail.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch)