外文翻譯--電梯傳動軸的事故分析 中文版

1、<p><b>　　工程事故分析</b></p><p>　　電梯傳動軸的事故分析</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在本研究中隊電梯傳動軸的事故分析作了詳細的介紹。事故發(fā)生在軸的鍵槽上。微觀結構、力學、和軸的化學特性已經(jīng)定了。對斷裂表面做出視覺調查以后得出結論斷裂的產(chǎn)生是由于扭轉的彎

2、曲疲勞。疲勞裂紋已開始在鍵槽邊緣?？紤]到電梯以及驅動系統(tǒng)、力和力矩已決定作用在軸上；在失效面上的壓力事故須進行計算。壓力分析的實現(xiàn)還利用有限元法（FEM）和結果與計算值的比較。耐力極限和疲勞安全系數(shù)的計算，軸的疲勞周期分析進行了估計。失效原因的研究及分析得出破裂的發(fā)生是由于設計錯誤或鍵槽的制造（鍵槽角落較低的曲率半徑造成高切口效應）?？傊?，曲率半徑的變化對壓力分別的影響可以用FEM解釋，且必須采取預防措施防止透明的類似的失效。</

3、p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　本文研究的電梯傳動軸已經(jīng)被使用了30年。電梯驅動系統(tǒng)安裝在建筑物的底部（圖1）。據(jù)報道，在運行過程中無維護應用在軸上。電梯用于一個8層和16個套間組成的建筑里。電梯具有承載4個人（320kg）的能力。就在事故發(fā)生后，兩個人離開了電梯，由于軸的突然斷裂，皮帶輪和電動發(fā)電機的連接被打破，從而導致發(fā)電機的制動系統(tǒng)失敗。由

4、于平衡重量變重，電梯以巨速上升。在事故中無人員受傷。</p><p><b>　　電梯驅動系統(tǒng)的分析</b></p><p>　　在電梯驅動系統(tǒng)的分析得出轉矩是由一個電動馬達產(chǎn)生的，由螺旋輪傳輸給軸。電動發(fā)動機產(chǎn)生6.5HP，是1500轉的旋轉和螺旋輪的減速比為28.6。軸關鍵通過皮帶輪旋轉。電梯的四個主要繩索放在滑輪上且通過在驅動軸和滑輪方向旋轉，電梯上下移動。電梯

5、的服務速度是0.6m/s。軸是由三個方向上徑向軸承的形式支撐的（圖2）。</p><p><b>　　斷口的視覺調查</b></p><p>　　初級視覺調查后發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生在軸上皮帶輪固定的鍵槽處（圖3）。</p><p>　　在分析斷口（圖4），檢測到一個典型的扭轉彎曲疲勞斷裂面[1]。疲勞裂紋開始發(fā)生在鍵槽的角落，然后移動到差不多整個表面。

6、脆性斷裂面的小面積表明一個低的作用應力。檢測到的疲勞線僅在脆性斷裂地區(qū)。這可能由于摩擦表面的相互分離，導致形成疲勞線消失。</p><p><b>　　原料的特性</b></p><p>　　由于沒有有關可用化學成分軸材料的信息，事故分析的首要任務是材料的鑒定。確定軸材料、化學成分、機械性能和顯微結構分析的進行。</p><p><b&g

7、t;　　化學分析</b></p><p>　　軸的化學分析采用原子吸收光譜法，如表1報告。</p><p><b>　　微觀結構</b></p><p>　　軸材料的微觀結構是由蝕刻，金剛石拋光后，用2%的Nitral溶解并在顯微鏡下觀察（圖5）。鐵素體，珠光體和細晶粒結構可以清楚地看到。</p><p>&

8、lt;b>　　機械性能</b></p><p>　　拉伸和硬度試驗來確定軸的機械特性，見表2。</p><p>　　考慮到機械、化學和微觀結構分析結果，軸材料估計為St52.0。張力，屈服，伸長率和硬度值依照DIN1629都是適合于St52.0的目錄值[2]。</p><p><b>　　壓力分析</b></p>

9、<p>　　通過壓力分析，調查發(fā)現(xiàn)最大和最小正常和剪切壓力值發(fā)生在操作過程中的斷裂面。起初，力和力矩作用在確定的軸上。通過分析最小壓力值，只有空艙的重量（420kg）和平衡重量（580kg）考慮在內。在這種情況下，反作用力在斷裂面處瞬間引起437.4 N m的彎曲度，作為20.6MPa的正壓力值。剪切力，由于空艙、繩索和平衡重量的負載引起，形成了3.5MPa的剪切壓力。通過分析最大壓力值，平衡重量，四個人在內的客艙重量（每個

10、人是80kg，且客艙的總重是740kg），扭轉瞬間和沖擊比是要考慮的。在這種情況下，571N m的彎曲力矩在斷裂面發(fā)生并引起一個27MPa正常壓力值。剪切壓力值，由于剪切力，才是4.7MPa。6.5HP電動發(fā)動機旋轉率是1500rot/min，螺旋齒的換算比率是28.6且驅動系統(tǒng)的效率是0.7?？紤]到這些參量，扭力矩計算為887.7N m?？偧羟袎毫υ谶@種情況下作為25.7MPa計算。</p><p>　　通過視

11、覺檢查后確定，從鍵槽范圍到鍵槽側面（角落）的過渡近似垂直的，并且沒有觀察到曲率半徑（RC）（圖6）。</p><p>　　理論上，RC不能為零，它只能通過精銑刀具到達0.4mm的值[3]。因此，通過把RC看作0.4mm來計算，引起一個巨大的高切口的效果。理論的缺口效應在兩個狀態(tài)下（使用相關表[4]）分析；剪切缺口效應（）被定義為2.93和彎曲缺口效應被定義為2.72。疲勞切口元素（β）考慮到幾何學和軸的材料可以計

12、算為[4]:</p><p>　　其中？？是缺口靈敏度元素且其值為0.85[4]。使用方程（1）剪切疲勞缺口效應（）計算為2.64并且標準疲勞缺口效應（）為2.46。沖擊比例系數(shù)被認為1.2?？紤]到剪切和正向壓力，沖擊比例（）和疲勞缺口效應，等效壓力（）使用“形狀變形能量假說”計算[5]為：</p><p><b>　　計算結果見表3。</b></p>

13、<p><b>　　疲勞強度分析</b></p><p>　　軸材料的疲勞強度（耐力極限）計算為[6]</p><p>　　考慮到大小因素（kD）當kD=0.77時直徑為60mm且表面因素（精細拋光）kS=0.95[6]；新的耐力極限計算為</p><p>　　，從我們在知道平均壓力值之前已經(jīng)做的計算中（）得出不為零。為確定對耐力極限

14、的影響，我們必須知道或至少估計下。為了計算，我們必須考慮發(fā)生在斷裂面處隨時的壓力值變化。但是這是相當困難的。通過我們做過的計算，我們估計最大和最小壓力值。最小壓力值出現(xiàn)在空艙位置和固定位置（速度為零）且沒有加速度，通過電梯和四個人（每個人被認為是80kg）在客艙內加速到達最大壓力值。但在現(xiàn)實中，運輸在客艙內人的數(shù)量并不總是最大運輸數(shù)量的人數(shù)（4）。因此，一個“變振幅壓力”要視客艙內的人數(shù)發(fā)生在斷裂面（圖7）。</p>&l

15、t;p>　　每個最小峰值證明是在電梯不動和空載時壓力在斷裂面的值，最大峰值證明是壓力值發(fā)生在載人電梯巡游時且考慮加速度。</p><p>　　要計算平均壓力，我們必須轉變 “變振幅壓力”為“恒振幅壓力”通過假設最大壓力值總是發(fā)生在斷裂面處（通常運送四個人）。根據(jù)這一假設，壓力值隨時間的變化見圖8。這種情況下平均壓力值是108MPa。</p><p>　　考慮到平均壓力值，計算耐力極限

16、之前需進行改進。通過分析，古德門的標準被考慮（圖9）并改進耐力極限（）計算為</p><p>　　考慮到改進耐力極限（）和等效壓力（），疲勞安全系數(shù)（）計算為</p><p><b>　　疲勞壽命分析</b></p><p>　　從方程式（6）可以看出疲勞安全系數(shù)是相當?shù)牡停ǎ?。對于詳細的疲勞壽命分析，壽命周期通過下面的假設估計：大廈里所有電梯

17、的唯一大約是八層樓21m。這棟建筑包括16個公寓。其中一半公寓是兩個人，另外一半公寓是三個人居住。每個人每天使用電梯兩次。電梯每年使用349天且軸可運行30年?；喌闹睆绞?00mm，被每個旋轉的電梯移動1.257m?？紤]到這些解釋，電梯的總壽命大約是6.8×106圈。</p><p>　　為進一步的疲勞分析，軸的壓力-圈數(shù)（S-N）曲線得以估計。為繪制軸的S-N的曲線，根據(jù)Juvinall和Shigl

18、ey[7，8]，疲勞事故壓力值在103圈時發(fā)生，由下式計算</p><p>　　其中m=0.9是彎曲度。根據(jù)方程式（7）在Nf=103周期時壓力值是512MPa。圖中第二點是耐力極限值，其中鋼為106圈。根據(jù)這些解釋，估計的S-N圖表見圖10。</p><p>　　通過低壓力值和高周期疲勞，事故可能發(fā)生在106和107圈之間[9]。所以估算壽命6.8×106圈數(shù)值為疲勞事故支持我

19、們的論點。</p><p><b>　　有限元素分析</b></p><p>　　為在鍵槽和斷裂面檢查壓力分布，需應用有限元素分析（FEM）。通過使用分析ANSYS程序。建立了一個精確的軸幾何模型。作為一個三維物體由于軸太長而不能完全被分析，只有鍵槽和斷裂區(qū)進行了詳細的建模（圖11）。</p><p>　　高壓力區(qū)域，特別是在鍵槽角落，可以清楚

20、地看到。上升對壓力值的顯著效果是低的曲率半徑引起一個高的缺口效應。使用FEM進行壓力分析的主要目的是核實我們以前所做的計算。從圖11可以看出，斷裂面的壓力值接近計算值。</p><p><b>　　討論</b></p><p>　　通過增加曲率半徑（RC）值，產(chǎn)生在鍵槽角落的壓力值可有效降低。要確定RC在壓力分布的影響，可使用有效元素分析。通過這種檢查，RC-值的逐漸

21、增加是為壓力值減少的視覺分析，可見圖12。</p><p>　　鍵槽處壓力值的劇烈增加清晰可見。對于進一步的研究，RC改變對壓力和疲勞安全系數(shù)的影響詳細分析見圖13和14。</p><p>　　通過從0.5mm到2mm增加曲率半徑將減少壓力值從163到104MPa和疲勞安全系數(shù)從1.05到1.78的增加。圖13和14證實曲率半徑的增加可能會預防電梯驅動軸的事故?？傊?，這確定軸斷裂發(fā)生是由于

22、錯誤設計或鍵槽的制造（曲率半徑低），造成高缺口的影響。</p><p><b>　　小結</b></p><p>　　一個電梯傳動軸故障分析的詳細調查。確定了軸的微觀結構，機械和化學特性。做了斷裂面的視覺調查之后得出結論是斷裂的發(fā)生時由于扭轉-彎曲疲勞。疲勞裂紋最初時在鍵槽的邊緣。確定的作用在軸上的力和力矩；對發(fā)生在斷裂面的壓力進行了計算。計算了耐力極限和疲勞安全系數(shù)