Computergestützte Strukturanalyse des Fahrkorb-Rahmensystems unter Notarrest-Betriebsbedingungen

Ihre Autoren beschreiben das CAA-Modell in Bezug auf Kabinenstressvorhersagen.

von Mohammad Ghaleeh, Stefan Kaczmarczyk, Shafqat Rasool, Jonathan Adams und Nawar Al-Esawi

Dieser Artikel wurde erstmals auf dem Online Symposium on Lift and Escalator Technologies, 23.-25. September 2020, von der University of Northampton, Großbritannien, präsentiert; Für weitere Informationen besuchen Sie liftsymposium.org.

Stichwort: Auto, Rahmen, Pufferung, Dynamik, Biegung, Durchbiegungen, Zulässige Belastung

Abstrakt. Der Artikel präsentiert ein Computer-Aided Analysis (CAA)-Modell eines Fahrkorb-Rahmen-Systems. Die Strukturanalyse wird durch die Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, um die Reaktionen und Spannungen vorherzusagen, die im System unter Notfallbedingungen auftreten. Das in dem Papier vorgestellte Notfallszenario beinhaltet ein Pufferschlagereignis, das während des Überfahrens des Fahrzeugs auftritt. Das Modell kann dann verwendet werden, um das Design zu optimieren, um einen sicheren Betrieb des Systems zu gewährleisten.

Einführung

Vertikale Transportsysteme (VTS) wie Aufzüge (Aufzüge) sind Schlüsselelemente in der gebauten Umwelt, insbesondere in der Umgebung von Hochhäusern. Es ist äußerst wichtig, dass das Design von VTS den Bewohnern und Benutzern des Gebäudes einen effizienten und sicheren Dienst bietet.^[1].

Die dynamischen Lasten wirken auf Komponenten des Aufzugssystems während des normalen Betriebs und im Notfall. Dann können hohe dynamische Spannungen in der Fahrkorb-Rahmenstruktur auftreten. Um die Anforderungen der Sicherheitsnormen und die Kriterien für einen akzeptablen Betrieb zu erfüllen, ist ein gründliches Verständnis der angewandten Konstruktionsprinzipien und -modelle bei der Durchführung der Systemberechnungen von größter Bedeutung.^[2].

Ziel dieser Arbeit ist es, eine computergestützte Lösung und Analyse der auftretenden dynamischen Reaktionen während eines Notfallszenarios aufzuzeigen. Die Notarretierung wird eingeleitet, wenn die Kabine das vorgesehene Terminalgeschoss am unteren Ende des Schachtes überfährt. Die während der Veranstaltung auftretenden dynamischen Belastungen werden ermittelt und in der FEM-Strukturanalyse der Fahrzeugrahmen-Strukturbauteile angewendet.

Autoüberschreitung und Notarrest

Die Nachlaufsperre besteht aus Puffern unter der Kabine (und oft unter dem Gegengewicht).^[2]. Drei Arten von Puffern sind durch Sicherheitscodes erlaubt^[3].: lineare Puffer vom Energieakkumulationstyp; nichtlineare Energiespeicherpuffer; und Energiedissipationspuffer. Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem das Auto auf einen Energieverlustpuffer trifft (Abbildung 1).

Die Bewegungsgleichung, die die Dynamik des Systems beschreibt, wenn das Auto mit Geschwindigkeit fährt V hat einen Energiedissipationspuffer (Pufferereignis) aktiviert wird als

woher g ist die Erdbeschleunigung, x ist die Verschiebung, M ist die Masse der Fahrzeugrahmenbaugruppe, c stellt den Dämpfungskoeffizienten dar und k bezeichnet den Steifigkeitskoeffizienten des Puffers. Der am Pufferschließblech wirkende Puffer wird bestimmt als

In diesem Modell des Autorahmens wird die Pufferdynamik durch die Grundmode repräsentiert, wobei der Autorahmen als starrer Körper behandelt wird. Durch Lösen der Bewegungsgleichung (1) kann die Pufferkraft dann leicht aus Gleichung (2) berechnet werden.

Strukturanalyse der Car-Frame-Baugruppe

Um die dynamischen Verformungen und Spannungsniveaus der Fahrzeugrahmenbaugruppe zu bestimmen, kann das System durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert werden. Das Verhalten der Struktur wird dann durch die folgende Gleichung dargestellt^[4].

wo [M] ist die Massenmatrix, [C] ist die Dämpfungsmatrix, [K] ist die Steifigkeitsmatrix,  ist der Lastvektor und  bezeichnet den Verschiebungsvektor.

CAD-Modell

Die Aufzugskabine-Rahmen-Baugruppe ist eine Kombination aus drei unterschiedlichen Komponenten: Autokarosserie (Gehäuse), Schlinge (Rahmen) und Kabinenplattform. Ein in der Studie verwendete CAD-Modell ist in Abbildung 2 dargestellt.

Fundamentale Modenanalyse des Car-Frame-Puffersystems

Gleichung (1) kann hinsichtlich der Grundmodenparameter umformuliert werden als

woher  ist das Dämpfungsverhältnis und  repräsentiert die Grundfrequenz des Auto-Frame-Puffer-Systems.

Gleichung (4) wird dann unter Berücksichtigung der Fahrkorbgeschwindigkeit von 2 m/s, des Dämpfungsverhältnisses z = 0.25, 0.75 bzw. der angenommenen Grundfrequenz von 1.63 Hz gelöst. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt.

Die dynamischen Durchbiegungen sind in Abbildung 3 (a) und die Pufferkräfte sind in Abbildung 3 (b) dargestellt.

Die Bewertung der Puffer basiert auf dem Anhalten des Fahrkorbs ab 115 % der Nenngeschwindigkeit (der elektrischen Auslösegeschwindigkeit des Geschwindigkeitsbegrenzers). Sicherheitscodes^[4]. vorschreiben, dass der mögliche Gesamthub der Energiedissipationspuffer mindestens gleich dem Schwerkraftstopp sein muss. In Anbetracht dessen, dass das Fahrzeug mit Nenngeschwindigkeit und Schwerkraftbremsweg auf den Puffer auftrifft, für die Nenngeschwindigkeit von V = 2 m/s, berechnet sich als = 0.2696 m ist ersichtlich, dass die maximalen Auslenkungen des Puffers kleiner sind als der minimale Pufferhub.

FEM-Simulation und Ergebnisse

Bei der FEM-Simulation der Fahrzeugrahmenbaugruppe wird die Pufferkanalträgerstruktur ausgewählt. Die Biegespannungen (Bild 4) und die Durchbiegungen (Bild 5) werden unter den maximalen Lastbedingungen gemäß Bild 3 (b) ermittelt.

Die maximal zulässigen Spannungen in Wagenrahmen-Pufferbrettern unter Pufferbedingungen, die in ASME A17.1 spezifiziert sind, werden mit 189.6 MPa (27,500 psi) angegeben. Es ist ersichtlich, dass unter den betrachteten Belastungsbedingungen die maximalen Beanspruchungen (ermittelt mit 142.4 MPa bzw. 112.9 MPa) den zulässigen Wert nicht überschreiten. Die übliche Praxis für den Umgang mit Lasten, die auf die Konstruktion des Pufferkanalträgers (Sicherheitsbohle) wirken, ist sicherzustellen, dass die Durchbiegungen nicht mehr als betragen th der Kanalspanne. Bei einer Spannweite von 2350.7 mm liegen die maximalen Durchbiegungen (ermittelt mit 0.9687 mm bzw. 0.7679 mm) im akzeptablen Bereich.

Schlussfolgerungen

Die Analyse und die Ergebnisse, die in diesem Papier präsentiert werden, zeigen, dass in einem Aufzugssystem während eines durch das Überfahren der Kabine ausgelösten Notstoppereignisses große Verformungen und Belastungsniveaus auftreten können. Die Belastung und Durchbiegung in den Pufferkanälen müssen im ungünstigsten Betriebsfall bewertet werden. Dies kann während der Pufferung von Ereignissen der Fall sein, wie in dem Papier gezeigt.

Referenzen

[1] S. Mirhadizadeh, S. Kaczmarczyk, N. Tongue, H. Al-Jelawy, P. Feldhusen, W Delk, K. Anderson, F. Dudde, „Modelling and Computer Simulation of aerodynamic Interactions in High-Rise Lift Systems .“ Tagungsband des 5. Symposiums für Aufzugs- und Fahrtreppentechnologien. Band 5, September 2015, Northampton, UK, S. 117–123.

[2] JP Andrew und S. Kaczmarczyk, Systems Engineering of Elevators. Elevator World, Mobil, AL (2011).

[3] British Standards Institution, Sicherheitsregeln für den Bau und die Installation von Aufzügen — Aufzüge für die Beförderung von Personen und Gütern, Teil 20: Personen- und Lastenaufzüge. BS EN 81-20:2014.

[4] SS Rao, Mechanische Schwingung. Prentice Hall, Singapur (2005)

Anmerkung der Redaktion: Die Autoren sind Mitglieder der Faculty of Arts, Science and Technology (FAST), University of Northampton, University Drive, Northampton NN1 5PH, UK