À medida que a urbanização acelera e o número de-arranha-céus continua a crescer, os elevadores, como equipamento principal para o transporte vertical, estão encontrando aplicações cada vez mais difundidas. De acordo com estatísticas da indústria, existem cerca de 1.000 fabricantes de elevadores no meu país e a concorrência no mercado está a intensificar-se. Reduzir custos e aumentar a eficiência através da otimização de produtos tornou-se uma questão fundamental para a indústria. Os elevadores de tração, como o tipo principal de elevador, amadureceram sua tecnologia de suporte após um século de desenvolvimento. Sua estrutura consiste em oito sistemas principais: o sistema de tração, o sistema do carro e o sistema de guia. O sistema do carro suporta diretamente a carga, enquanto a estrutura do carro, como estrutura estrutural do carro, tem um design que impacta diretamente o desempenho de segurança e o custo de fabricação do elevador. A massa excessiva da estrutura do carro pode levar ao desperdício de material e ao design redundante; embora um peso muito leve possa não atender aos requisitos de carga, representando um risco à segurança.
Realizamos pesquisas de otimização na estrutura do chassi do elevador de tração, utilizando software de simulação numérica para analisar a estática e a dinâmica do chassi. Esta abordagem permite-nos obter um design leve, garantindo ao mesmo tempo a segurança estrutural, proporcionando uma solução prática para melhorar a eficiência económica das empresas.
1. Análise mecânica da estrutura do carro do elevador: a base do projeto de otimização
Para garantir a solução de otimização científica e confiável, a equipe de pesquisa usou primeiro um software de simulação numérica profissional para conduzir uma análise abrangente das propriedades mecânicas da estrutura do elevador sob diferentes condições operacionais, fornecendo suporte de dados para o projeto leve subsequente.
1.1 Análise Estática: Desempenho de Tensão em Condições Nominais e de Sobrecarga
A análise estática focou nas condições nominais de operação e nas condições extremas de sobrecarga da operação normal do elevador. Seu principal objetivo era simular a distribuição de tensões e o deslocamento da estrutura do carro, estabelecendo um modelo estrutural preciso. Durante a pesquisa, a equipe primeiro construiu um modelo estrutural 3D da estrutura do carro usando o software SolidWorks e depois importou o modelo para o software de análise Abaqus no formato x_t. Dada a estrutura complexa da estrutura do carro, para simplificar os cálculos e manter a precisão da análise, omitiram pequenos detalhes como conexões, soldas, parafusos e chanfros. A estrutura principal foi então convertida em uma carcaça, e componentes como polia de retorno, braçadeira de segurança e sapata guia foram simplificados em corpos rígidos. As configurações dos parâmetros foram baseadas nos padrões reais de operação do elevador, com potência do motor de tração de 11,7 kW, peso do carro de 1.100 kg, velocidade nominal de 1,75 m/s, carga nominal de 1.050 kg e altura de elevação de 82,5 m. Restrições horizontais foram aplicadas ao modelo para simular o peso real, a pressão do carro e a pressão de carga suportada pela estrutura do carro. Para a malha foram utilizados elementos S4R, com malha de 10mm, resultando em 590.350 nós e 431.287 elementos, garantindo a precisão do modelo.
Os resultados da análise mostram que, sob condições nominais de operação, a tensão máxima na estrutura do carro é de 138,9 MPa, muito abaixo da tensão de escoamento do material. A tensão máxima ocorre no contato entre a borracha anti{2}}vibração e as vigas laterais da estrutura do carro, resultando em uma concentração de tensão localizada devido à compressão de contato. No entanto, esta área concentrada cobre apenas dois elementos da malha e tem um impacto mínimo na tensão global da estrutura do carro. Os cálculos mostram que a relação entre a tensão de escoamento do material e um fator de segurança de 1,5 vezes é de 156,7 MPa (235 MPa/1,5), e a tensão máxima de 138,9 MPa atende aos requisitos de segurança.
Sob uma condição de sobrecarga de 125%, a tensão máxima na estrutura do carro sobe para 296,2 MPa, novamente concentrada no ponto de contato entre a borracha anti{2}}vibração e as vigas laterais da estrutura do carro. A área de concentração de tensão se expande para quatro células da grade, mas seu impacto na tensão estrutural geral ainda é limitado. Além da área de concentração de tensões, a tensão máxima nas demais áreas é de 166,4 MPa. Embora inferior ao limite de escoamento do material, fica aquém do requisito de fator de segurança de 1,5 vezes. Além disso, o deslocamento cumulativo máximo da estrutura do carro é de 9,5 mm, sendo necessário evitar operações de sobrecarga-de longo prazo no uso real.
1.2 Análise Dinâmica: Verificando a Segurança Estrutural sob Condições Operacionais Extremas
A análise dinâmica se concentra em condições de risco extremo durante a operação do elevador-afundamento do elevador e frenagem de emergência. Nessas condições, a velocidade e a aceleração do chassi do carro mudam dinamicamente ao longo do tempo. Simulações dinâmicas transitórias são realizadas usando o módulo Abaqus Explicit. A velocidade inicial é a velocidade de contato entre o amortecedor e a estrutura do carro, e a amplitude da mudança real de velocidade durante a operação é inserida para simular a resposta dinâmica ao estresse da estrutura.
Os resultados da simulação mostram que quando o carro atinge o fundo do poço, ocorrem grandes concentrações de tensão no ponto de contato entre o amortecedor e a estrutura do carro, e alguns componentes sofrem deformação plástica devido ao estresse excessivo. 0,084 segundos após atingir o fundo do poço, a tensão máxima no ponto de impacto atinge 248,2 MPa. Embora isso não exceda o limite de resistência do material de 400 MPa e evite falhas estruturais gerais, a estrutura do carro perde a capacidade de operar normalmente. Portanto, sistemas abrangentes de proteção de segurança são essenciais no projeto e operação do elevador para evitar o afundamento do carro. Em condições de frenagem de emergência, o valor máximo de tensão da estrutura do carro é 229,1 MPa, que é inferior à tensão de escoamento do material, e a faixa de ação da tensão é pequena, o que não representará uma ameaça à segurança estrutural. Isso mostra que o sistema de frenagem de emergência do elevador pode efetivamente garantir a estabilidade da estrutura do carro.
2. Projeto de otimização da viga superior da estrutura do carro: uma solução leve em ação
Com base nos resultados da análise mecânica, a equipe de pesquisa descobriu que a tensão geral da estrutura do carro atendia aos requisitos de segurança e tinha margens de segurança significativas durante a operação normal, indicando potencial para otimização do peso leve. Uma análise mais aprofundada da distribuição de tensão de cada componente identificou a viga superior como o principal alvo de otimização-seus valores de tensão sob diversas condições operacionais estavam bem abaixo do limite do material, indicando o maior potencial de otimização.
2.1 Determinação de Variáveis e Métodos de Otimização
Considerando a estabilidade do layout estrutural geral da estrutura do carro, decidimos não alterar as dimensões principais, como o comprimento, a altura da curvatura e a altura total da viga transversal superior. Nós nos concentramos apenas na espessura da viga superior como a única variável de otimização para evitar afetar o equilíbrio de tensões de outros componentes devido a ajustes estruturais. O método de otimização empregou uma abordagem de "redução-passo a-passo", começando com uma espessura original de 6 mm e reduzindo a espessura em 0,5 mm por vez. Através de múltiplas análises de simulação, verificamos o desempenho de tensão e o status de segurança da viga superior com espessuras variadas, selecionando, em última análise, a solução ideal.
2.2 Comparação de desempenho e qualidade antes e depois da otimização
Várias rodadas de verificação de simulação confirmaram que a redução da espessura da viga superior de 6 mm para 4 mm alcançou o equilíbrio ideal entre desempenho estrutural e leveza. Em termos de desempenho de tensão, a tensão máxima da viga superior antes da otimização era de apenas 17,08 MPa, bem abaixo do limite de escoamento do material. Após a otimização, a tensão máxima aumentou para 139,5MPa, ainda abaixo do limite de segurança de 156,7MPa, atendendo ao requisito de fator de segurança de 1,5x e demonstrando propriedades mecânicas estáveis e confiáveis.
Em termos de leveza e controle de custos, após a otimização, a massa de uma única viga superior foi reduzida de 29,95kg para 22,46kg, uma redução de peso de 7,49kg por viga e um grau de leveza de 25%. A massa reduzida da viga superior também reduz indiretamente a carga total-de suporte da estrutura do carro, otimizando ainda mais o estado de tensão de todo o sistema do carro, formando um ciclo virtuoso de "leve - carga baixa - maior segurança".
3. Conclusões da pesquisa e valor da indústria
Esta pesquisa sobre o projeto otimizado da estrutura da cabine do elevador de tração, por meio de análise mecânica científica e otimização precisa dos parâmetros, produziu as seguintes conclusões principais: primeiro, a tensão máxima na estrutura do carro sob condições nominais de operação foi de 138,9 MPa, e a tensão máxima em áreas não{1}}concentradas sob condições de sobrecarga foi de 166,4 MPa, ambas atendendo aos requisitos mecânicos básicos. Em segundo lugar, a estrutura não sofreu danos globais em condições de afundamento do carro e de travagem de emergência, mas o risco de afundamento do carro continua a ser uma preocupação. Terceiro, ao otimizar a espessura da viga superior de 6 mm para 4 mm, o desempenho de segurança foi mantido, ao mesmo tempo em que foi alcançada uma meta de redução de peso de 25%.
Do ponto de vista do setor, esta pesquisa fornece aos fabricantes de elevadores uma solução prática de-redução de custos e aumento de eficiência-. Ao reduzir a espessura da viga superior, os fabricantes podem reduzir diretamente o uso de matérias-primas como o aço, reduzindo assim os custos de produção. Além disso, a estrutura leve do carro reduz o consumo de energia durante a operação do elevador, melhorando a eficiência energética geral do equipamento. Além disso, o método de "análise mecânica - triagem de variáveis - passo-otimização-passo" usado na pesquisa também fornece um paradigma de referência para o projeto otimizado de outros componentes estruturais na indústria de elevadores, promovendo a transformação da indústria de "projeto empírico" para "projeto orientado-por dados" e ajudando os produtos para elevadores alcançam um nível mais alto de equilíbrio entre segurança e economia.
