本發(fā)明涉及電梯漸進式安全鉗摩擦學設計技術領域，特別是涉及一種針對電梯漸進式安全鉗的熱力耦合分析方法。

背景技術：

近年來由于國內電梯事故頻發(fā)，電梯運行的安全問題越來越受到人們重視。如何減少或杜絕事故，最大限度地保證電梯運行安全，已然成為國家有關部門和廣大社會公眾關注的焦點問題。從技術方面看，電梯系統(tǒng)的安全保護已涵蓋機械保護，電氣保護和安全防護等多個環(huán)節(jié)。其中安全鉗是機械保護環(huán)節(jié)中最關鍵的關鍵部件，它與限速器聯(lián)動，擔負著電梯失控和超速的保護作用。電梯安全鉗可以說是防止電梯轎廂墜落的最后一道屏障，即使在最險惡的工況下，比如曳引鋼絲繩斷裂時，安全鉗也必須具有足夠強大的摩擦制動力，以將超速行駛的轎廂制停在導軌上。常見的漸進式電梯安全鉗及其工作原理如圖1所示。

漸進式電梯安全鉗的摩擦制動包含著復雜的熱力耦合問題，特別是高速電梯在運行時能量大、制動過程摩擦生熱多，所以高速電梯安全鉗制動過程中的熱力耦合問題更加突出(隨著城市的快速發(fā)展，高速電梯的使用越來越廣泛)。只有先對漸進式電梯安全鉗制動過程中的基礎摩擦學問題和熱/力學問題進行準確地認識和掌握，才能進一步對高速電梯安全鉗的摩擦制動性能進行正確的設計和檢驗。然而，漸進式電梯安全鉗摩擦制動的理論分析和計算機模擬目前還非常欠缺，其設計還主要是采用傳統(tǒng)的庫倫摩擦定律。根據(jù)電梯性能指標(主要是額定載重和額定速度)以及制動減速度的國標要求，機械設計工程師通常是從剛體力學的角度來分析安全鉗的制動過程，得出摩擦力和制停距離，然后使用庫倫摩擦公式進一步計算接觸面正壓力，最終確定制動鉗塊及彈性元件的參數(shù)。分析計算中，摩擦制動力被認為是常數(shù)(正壓力恒定，導軌和鉗塊之間的摩擦系數(shù)恒定)，同時也沒有考慮接觸面磨損對制動性能的影響。然而在實際情形中，安全鉗的摩擦制動性能受多方面因素的影響，而目前采用的庫倫摩擦模型對實際情況考慮不周。過于簡化的分析計算，導致所設計的安全鉗需要反復多次調整和修改彈簧變形量，以達到所需的摩擦制動效果，因此，其試驗工作量和新產(chǎn)品研發(fā)成本極大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種針對電梯漸進式安全鉗的熱力耦合分析方法，能夠模擬電梯漸進式安全鉗摩擦制動過程的動態(tài)行為。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種針對電梯漸進式安全鉗的熱力耦合分析方法，包括以下步驟：

(1)在有限元分析軟件中建立熱應力耦合的鉗塊-導軌接觸模型；

(2)根據(jù)摩擦熱量來源于接觸表面摩擦作用產(chǎn)生的能量耗散，計算摩擦功率其中，P_f為摩擦功率，τ為摩擦剪應力，通過所述鉗塊-導軌接觸模型計算得到，為接觸表面之間的滑移速率；根據(jù)摩擦功率得到注入到兩個接觸面的熱流密度分別為：f_h-s＝ζηP_f和f_h-m＝(1-ζ)ηP_f，其中，f_h-s和f_h-m分別是鉗塊接觸面和電梯導軌接觸面的熱流密度；η和ζ分別是熱轉換系數(shù)和熱分配系數(shù)。

所述步驟(1)中所述鉗塊-導軌接觸模型，當安全鉗鉗塊與導軌的接觸界面上某點的剪應力達到鉗塊材料的剪切強度時，定義該點處發(fā)生微滑移；如果接觸界面上每點都發(fā)生了微滑移，則表示鉗塊與導軌之間則發(fā)生宏觀相對滑動；通過鉗塊材料單軸拉伸的屈服應力σ_s確定粘著接合部的剪切極限τ_c，按照Mises屈服準則，單剪狀態(tài)下材料的屈服應力等于取鉗塊材料的剪切強度作為接合部的極限摩擦剪應力τ_c；同時，定義引起接觸點粘滑轉變的極限剪應力為溫度的函數(shù)，通過試驗得出鉗塊材料屈服強度隨溫度變化的函數(shù)關系，定義極限摩擦剪應力τ_c與接觸點溫度T的關系為：

所述步驟(2)中85％的摩擦耗散能轉化成熱，則η＝0.85，ζ＝0.5。

將鉗塊-導軌接觸模型編寫成用戶子程序VFRIC(摩擦子程序)嵌入到ABAQUS/Explicit計算程序中，計算出電梯漸進式安全鉗制動過程中安全鉗鉗塊與導軌滑動接觸產(chǎn)生的摩擦熱和摩擦力。

有益效果

由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果：本發(fā)明通過建立熱應力耦合的鉗塊-導軌接觸模型，模擬了電梯漸進式安全鉗摩擦制動過程的動態(tài)行為，得到了制停距離、轎廂速度、減速度、摩擦制動力和摩擦因數(shù)等重要結果，并得到了應力場，溫度場等重要信息。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術中漸進式電梯安全鉗工作原理圖；

圖2是本發(fā)明實施例中建立的有限元模型圖；

圖3是本發(fā)明預測結果和實測結果對比圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明的實施方式涉及一種針對電梯漸進式安全鉗的熱力耦合分析方法，熱量來源于安全鉗鉗塊與導軌接觸表面摩擦作用產(chǎn)生的能量耗散，其中，摩擦功率式中τ為摩擦剪應力，為接觸表面之間的滑移速率。模型中定義，當安全鉗鉗塊與導軌的接觸界面上某點的剪應力達到鉗塊材料的剪切強度時，定義該點處發(fā)生微滑移，如果接觸界面上每點都發(fā)生了微滑，鉗塊與導軌之間則發(fā)生宏觀相對滑動。實際應用時，通過鉗塊材料單軸拉伸的屈服應力σ_s確定粘著接合部的剪切極限τ_c。按照Mises屈服準則，單剪狀態(tài)下材料的屈服應力等于取鉗塊材料的剪切強度作為接合部的極限摩擦剪應力τ_c。同時，定義引起接觸點粘滑轉變的極限剪應力為溫度的函數(shù)，通過試驗得出鉗塊材料屈服強度隨溫度變化的函數(shù)關系，定義極限摩擦剪應力τ_c與接觸點溫度T的關系為：

在數(shù)值計算模型中，摩擦熱被換算成熱流密度施加在安全鉗鉗塊與導軌的接觸表面，注入到兩個接觸面的熱流密度分別為f_h-s＝ζηP_f和f_h-m＝(1-ζ)ηP_f，其中，f_h-s和f_h-m分別是接觸從面和接觸主面的熱流密度；η和ζ分別是熱轉換系數(shù)和熱分配系數(shù)。假定85％的摩擦耗散能轉化成熱(部分能量轉化成聲能)，然后平均分配給接觸從面和接觸主面，即η＝0.85，ζ＝0.5。

本發(fā)明將熱機耦合的摩擦接觸模型編寫成用戶子程序VFRIC嵌入到ABAQUS/Explicit計算程序中，考察電梯漸進式安全鉗制動過程中安全鉗鉗塊與導軌滑動接觸產(chǎn)生的摩擦熱和摩擦力。

下面通過一個具體的實施例來進一步說明本發(fā)明。

針對漸進式安全鉗的摩擦制動問題建立溫度-應力多場耦合的數(shù)值分析模型。根據(jù)轎廂載荷與初速度分別為4t和2.2m/s的安全鉗的動作特點，安全鉗從恰好動作到轎廂完全駐停約需滑行數(shù)十厘米，因此只取部分導軌(取40cm)建立有限元模型，如圖2所示。同時根據(jù)安全鉗構成以及邊界條件的特點，利用對稱性只選取實體的一半?yún)⑴c建模計算。為了真實反映轎廂的巨大慣性對安全鉗制動過程的影響，模擬中特別考慮了轎廂沿z方向的重力作用，將實際質量等效到楔塊上方的擋塊(限位板)上。模型中采用六面體8節(jié)點溫度-應力耦合單元(C3D8RT)對整個幾何實體進行有限元網(wǎng)格剖分。因為摩擦制動滑行過程中摩擦表面不斷地有熱生成，所以對鉗塊的接觸表面劃分更為精細的網(wǎng)格予以重點考察。整個模型共計368,579個單元和403,765個節(jié)點，其中接觸表層單元沿x,y和z向的尺寸分別為0.2mm,0.4mm和0.4mm.

通過試驗得到不同環(huán)境溫度下鉗塊材料的力學性能參數(shù)，然后根據(jù)不同溫度條件下鉗塊材料的拉伸屈服強度，進一步估算安全鉗鉗塊材料接觸表面的剪切極限，考慮接觸表面之間臨界起滑的摩擦剪應力依賴于接觸溫度。所建立熱應力模型中考慮的傳熱行為除材料內部的熱傳導以外，還包括導軌與鉗塊之間的接觸傳熱、非接觸表面與空氣的對流換熱以及熱輻射。其中安全鉗鉗塊與導軌表面之間的接觸熱導設為接觸壓力的函數(shù)。熱機耦合模型中的位移邊界條件方面，如附圖2，將導軌的底面完全約束，yz面上所有節(jié)點被施加對稱約束，即Ux＝URy＝URz＝0；安全鉗制動初期具有和轎廂相同的沿z方向的初速度；沿x負方向對鉗塊的外表面施加壓力以后，摩擦阻力使安全鉗減速運動直至靜止。采用上述介紹的方法對電梯漸進式安全鉗制動過程的熱機耦合行為進行動態(tài)分析，輸出整個模型的溫度場、應力場、速度場和位移場。

不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明通過建立熱應力耦合的鉗塊-導軌接觸模型，模擬了電梯漸進式安全鉗摩擦制動過程的動態(tài)行為，得到了制停距離、轎廂速度、減速度、摩擦制動力和摩擦因數(shù)等重要結果，并得到了應力場，溫度場等重要信息。

與測試結果相比較(如圖3)，采用本模型的模擬結果很好地反映了實際情況。分析發(fā)現(xiàn)，考慮安全鉗鉗塊與導軌的摩擦生熱效應以后，電梯轎廂的摩擦制動滑移并非勻減速運動過程。在制動初期，接觸表面上積累的摩擦熱量尚不足以顯著地改變材料力學性質，所以制動能力很強，轎廂速率衰減很快。隨著摩擦滑動的進行，接觸面上的摩擦溫升越來越高，材料軟化導致承載能力下降，所以安全鉗的摩擦制動力逐漸減小，于是制動減速度減小。另外，從模擬和實測結果中皆可觀察到，在摩擦制動后期，制動減速度有所增大。這是因為在電梯轎廂快要完全制動的時候，由于滑動速度減小，于是摩擦生熱減少；因為熱擴散一直進行，所以接觸溫度回落；因此材料的承載能力有所恢復，摩擦制動力變大。安全鉗動作過程中的摩擦制動力變化，以及模擬圖中觀察到很明顯的摩擦因數(shù)降低現(xiàn)象等細節(jié)信息，對于高速電梯漸進式安全鉗的摩擦性能設計具有很好的參考意義。