外文翻譯--電梯傳動(dòng)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(dòng)軸的事故分析</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在本研究中隊(duì)電梯傳動(dòng)軸的事故分析作了詳細(xì)的介紹。事故發(fā)生在軸的鍵槽上。微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)、和軸的化學(xué)特性已經(jīng)定了。對(duì)斷裂表面做出視覺(jué)調(diào)查以后得出結(jié)論斷裂的產(chǎn)生是由于扭轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)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(jìn)行計(jì)算。壓力分析的實(shí)現(xiàn)還利用有限元法（FEM）和結(jié)果與計(jì)算值的比較。耐力極限和疲勞安全系數(shù)的計(jì)算，軸的疲勞周期分析進(jìn)行了估計(jì)。失效原因的研究及分析得出破裂的發(fā)生是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)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(yīng)）?？傊拾霃降淖兓瘜?duì)壓力分別的影響可以用FEM解釋，且必須采取預(yù)防措施防止透明的類似的失效。</

3、p><p><b>　　簡(jiǎn)介</b></p><p>　　本文研究的電梯傳動(dòng)軸已經(jīng)被使用了30年。電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在建筑物的底部（圖1）。據(jù)報(bào)道，在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)維護(hù)應(yīng)用在軸上。電梯用于一個(gè)8層和16個(gè)套間組成的建筑里。電梯具有承載4個(gè)人（320kg）的能力。就在事故發(fā)生后，兩個(gè)人離開了電梯，由于軸的突然斷裂，皮帶輪和電動(dòng)發(fā)電機(jī)的連接被打破，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的制動(dòng)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(wú)人員受傷。</p><p><b>　　電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析</b></p><p>　　在電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析得出轉(zhuǎn)矩是由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生的，由螺旋輪傳輸給軸。電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生6.5HP，是1500轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)和螺旋輪的減速比為28.6。軸關(guān)鍵通過(guò)皮帶輪旋轉(zhuǎn)。電梯的四個(gè)主要繩索放在滑輪上且通過(guò)在驅(qū)動(dòng)軸和滑輪方向旋轉(zhuǎn)，電梯上下移動(dòng)。電梯

5、的服務(wù)速度是0.6m/s。軸是由三個(gè)方向上徑向軸承的形式支撐的（圖2）。</p><p><b>　　斷口的視覺(jué)調(diào)查</b></p><p>　　初級(jí)視覺(jué)調(diào)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(cè)到一個(gè)典型的扭轉(zhuǎn)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(dòng)到差不多整個(gè)表面。

6、脆性斷裂面的小面積表明一個(gè)低的作用應(yīng)力。檢測(cè)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(dǎo)致形成疲勞線消失。</p><p><b>　　原料的特性</b></p><p>　　由于沒(méi)有有關(guān)可用化學(xué)成分軸材料的信息，事故分析的首要任務(wù)是材料的鑒定。確定軸材料、化學(xué)成分、機(jī)械性能和顯微結(jié)構(gòu)分析的進(jìn)行。</p><p><b&g

7、t;　　化學(xué)分析</b></p><p>　　軸的化學(xué)分析采用原子吸收光譜法，如表1報(bào)告。</p><p><b>　　微觀結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　軸材料的微觀結(jié)構(gòu)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(xì)晶粒結(jié)構(gòu)可以清楚地看到。</p><p>&

8、lt;b>　　機(jī)械性能</b></p><p>　　拉伸和硬度試驗(yàn)來(lái)確定軸的機(jī)械特性，見(jiàn)表2。</p><p>　　考慮到機(jī)械、化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，軸材料估計(jì)為St52.0。張力，屈服，伸長(zhǎng)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(guò)壓力分析，調(diào)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(guò)程中的斷裂面。起初，力和力矩作用在確定的軸上。通過(guò)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(nèi)。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(fù)載引起，形成了3.5MPa的剪切壓力。通過(guò)分析最大壓力值，平衡重量，四個(gè)人在內(nèi)的客艙重量（每個(gè)

10、人是80kg，且客艙的總重是740kg），扭轉(zhuǎn)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(gè)27MPa正常壓力值。剪切壓力值，由于剪切力，才是4.7MPa。6.5HP電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)率是1500rot/min，螺旋齒的換算比率是28.6且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率是0.7。考慮到這些參量，扭力矩計(jì)算為887.7N m?？偧羟袎毫υ谶@種情況下作為25.7MPa計(jì)算。</p><p>　　通過(guò)視

11、覺(jué)檢查后確定，從鍵槽范圍到鍵槽側(cè)面（角落）的過(guò)渡近似垂直的，并且沒(méi)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(guò)精銑刀具到達(dá)0.4mm的值[3]。因此，通過(guò)把RC看作0.4mm來(lái)計(jì)算，引起一個(gè)巨大的高切口的效果。理論的缺口效應(yīng)在兩個(gè)狀態(tài)下（使用相關(guān)表[4]）分析；剪切缺口效應(yīng)（）被定義為2.93和彎曲缺口效應(yīng)被定義為2.72。疲勞切口元素（β）考慮到幾何學(xué)和軸的材料可以計(jì)

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(yīng)（）計(jì)算為2.64并且標(biāo)準(zhǔn)疲勞缺口效應(yīng)（）為2.46。沖擊比例系數(shù)被認(rèn)為1.2?？紤]到剪切和正向壓力，沖擊比例（）和疲勞缺口效應(yīng)，等效壓力（）使用“形狀變形能量假說(shuō)”計(jì)算[5]為：</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。</b></p>

13、<p><b>　　疲勞強(qiáng)度分析</b></p><p>　　軸材料的疲勞強(qiáng)度（耐力極限）計(jì)算為[6]</p><p>　　考慮到大小因素（kD）當(dāng)kD=0.77時(shí)直徑為60mm且表面因素（精細(xì)拋光）kS=0.95[6]；新的耐力極限計(jì)算為</p><p>　　，從我們?cè)谥榔骄鶋毫χ抵耙呀?jīng)做的計(jì)算中（）得出不為零。為確定對(duì)耐力極限

14、的影響，我們必須知道或至少估計(jì)下。為了計(jì)算，我們必須考慮發(fā)生在斷裂面處隨時(shí)的壓力值變化。但是這是相當(dāng)困難的。通過(guò)我們做過(guò)的計(jì)算，我們估計(jì)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(méi)有加速度，通過(guò)電梯和四個(gè)人（每個(gè)人被認(rèn)為是80kg）在客艙內(nèi)加速到達(dá)最大壓力值。但在現(xiàn)實(shí)中，運(yùn)輸在客艙內(nèi)人的數(shù)量并不總是最大運(yùn)輸數(shù)量的人數(shù)（4）。因此，一個(gè)“變振幅壓力”要視客艙內(nèi)的人數(shù)發(fā)生在斷裂面（圖7）。</p>&l

15、t;p>　　每個(gè)最小峰值證明是在電梯不動(dòng)和空載時(shí)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(shí)且考慮加速度。</p><p>　　要計(jì)算平均壓力，我們必須轉(zhuǎn)變 “變振幅壓力”為“恒振幅壓力”通過(guò)假設(shè)最大壓力值總是發(fā)生在斷裂面處（通常運(yùn)送四個(gè)人）。根據(jù)這一假設(shè)，壓力值隨時(shí)間的變化見(jiàn)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(jì)算耐力極限

16、之前需進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)分析，古德門的標(biāo)準(zhǔn)被考慮（圖9）并改進(jìn)耐力極限（）計(jì)算為</p><p>　　考慮到改進(jìn)耐力極限（）和等效壓力（），疲勞安全系數(shù)（）計(jì)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(dāng)?shù)牡停ǎ?。?duì)于詳細(xì)的疲勞壽命分析，壽命周期通過(guò)下面的假設(shè)估計(jì)：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(gè)公寓。其中一半公寓是兩個(gè)人，另外一半公寓是三個(gè)人居住。每個(gè)人每天使用電梯兩次。電梯每年使用349天且軸可運(yùn)行30年。滑輪的直徑是400mm，被每個(gè)旋轉(zhuǎn)的電梯移動(dòng)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(jìn)一步的疲勞分析，軸的壓力-圈數(shù)（S-N）曲線得以估計(jì)。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(shí)發(fā)生，由下式計(jì)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(shí)壓力值是512MPa。圖中第二點(diǎn)是耐力極限值，其中鋼為106圈。根據(jù)這些解釋，估計(jì)的S-N圖表見(jiàn)圖10。</p><p>　　通過(guò)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(diǎn)。</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(yīng)用有限元素分析（FEM）。通過(guò)使用分析ANSYS程序。建立了一個(gè)精確的軸幾何模型。作為一個(gè)三維物體由于軸太長(zhǎng)而不能完全被分析，只有鍵槽和斷裂區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)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(duì)壓力值的顯著效果是低的曲率半徑引起一個(gè)高的缺口效應(yīng)。使用FEM進(jìn)行壓力分析的主要目的是核實(shí)我們以前所做的計(jì)算。從圖11可以看出，斷裂面的壓力值接近計(jì)算值。</p><p><b>　　討論</b></p><p>　　通過(guò)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(guò)這種檢查，RC-值的逐漸

21、增加是為壓力值減少的視覺(jué)分析，可見(jiàn)圖12。</p><p>　　鍵槽處壓力值的劇烈增加清晰可見(jiàn)。對(duì)于進(jìn)一步的研究，RC改變對(duì)壓力和疲勞安全系數(shù)的影響詳細(xì)分析見(jiàn)圖13和14。</p><p>　　通過(guò)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(shí)曲率半徑的增加可能會(huì)預(yù)防電梯驅(qū)動(dòng)軸的事故?？傊?，這確定軸斷裂發(fā)生是由于

22、錯(cuò)誤設(shè)計(jì)或鍵槽的制造（曲率半徑低），造成高缺口的影響。</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　一個(gè)電梯傳動(dòng)軸故障分析的詳細(xì)調(diào)查。確定了軸的微觀結(jié)構(gòu)，機(jī)械和化學(xué)特性。做了斷裂面的視覺(jué)調(diào)查之后得出結(jié)論是斷裂的發(fā)生時(shí)由于扭轉(zhuǎn)-彎曲疲勞。疲勞裂紋最初時(shí)在鍵槽的邊緣。確定的作用在軸上的力和力矩；對(duì)發(fā)生在斷裂面的壓力進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算了耐力極限和疲勞安全系數(shù)