都市化が加速し、高層ビルの数が増え続ける中、垂直輸送の中核機器としてエレベーターの用途がますます広がっています。{0}業界統計によると、我が国にはエレベーターメーカーが1,000社近くあり、市場競争は激化しています。製品の最適化によるコストの削減と効率の向上は、業界にとって重要な課題となっています。トラクションエレベータは、主流のエレベータとして、1世紀の開発期間を経て、そのサポート技術が成熟しました。その構造は、主に牽引システム、かごシステム、案内システムの8つのシステムから構成されています。かごシステムは荷重を直接受けますが、かごの構造骨組みであるかご枠はエレベーターの安全性能や製造コストに直接影響する設計になっています。車のフレーム質量が過剰になると、材料の無駄や冗長な設計が発生する可能性があります。一方、重量が軽すぎると負荷要件を満たせず、安全上の危険が生じる可能性があります。
トラクションエレベータのかごフレーム構造について、数値シミュレーションソフトを用いてフレームの静力学と動力学を解析し、最適化研究を実施しました。このアプローチにより、構造上の安全性を確保しながら軽量設計を実現することができ、企業の経済効率を向上させる実用的なソリューションを提供します。
1. エレベーターかごフレームの機械解析：最適化設計の基礎
科学的で信頼性の高い最適化ソリューションを確保するために、研究チームはまず専門的な数値シミュレーション ソフトウェアを使用して、さまざまな動作条件下でエレベータかごフレームの機械的特性の包括的な分析を実施し、その後の軽量設計にデータ サポートを提供しました。
1.1 静的解析: 定格および過負荷条件下での応力性能
静的解析は、通常のエレベーター動作の定格動作条件と極度の過負荷条件に焦点を当てました。その中心的な目的は、正確な構造モデルを確立することによって、車両フレームの応力分布と変位をシミュレーションすることでした。研究中、チームはまず SolidWorks ソフトウェアを使用して自動車フレームの 3D 構造モデルを構築し、次にそのモデルを x_t 形式で Abaqus 解析ソフトウェアにインポートしました。自動車フレームの複雑な構造を考慮して、計算を簡素化し、解析精度を維持するために、接続、溶接、ボルト、面取りなどの細部を省略しました。次に、主要構造がシェルに変換され、リターン プーリー、安全クランプ、ガイド シューなどのコンポーネントが剛体に簡略化されました。パラメータ設定は、主電動機出力11.7kW、かご重量1100kg、定格速度1.75m/s、定格荷重1050kg、揚程82.5mという実際のエレベーター運転基準に基づいたものである。水平拘束をモデルに適用して、実際の重量、車両圧力、車両フレームが負担する荷重圧力をシミュレートしました。メッシュ サイズ 10mm の S4R 要素がメッシュ化に使用され、ノード数 590,350 と要素数 431,287 が得られ、モデルの精度が確保されました。
解析結果によると、定格運転条件下では、かごフレームの最大応力は 138.9MPa であり、材料の降伏応力をはるかに下回っています。最大応力は-防振ゴムと車枠側梁との接触部に発生し、接触圧縮による局所的な応力集中が発生します。ただし、この集中領域は 2 つのメッシュ要素のみをカバーしており、車のフレーム全体の応力に与える影響は最小限です。計算によると、材料の降伏応力と 1.5 倍の安全率の比は 156.7 MPa (235 MPa/1.5) であり、最大応力 138.9 MPa は安全要件を満たしています。
125% の過負荷条件下では、かごフレームの最大応力は 296.2 MPa に上昇し、やはり防振ゴムとかごフレームの側梁との接触点に集中します。-。応力集中領域は 4 つのグリッド セルに拡大しますが、構造応力全体への影響は依然として限定的です。応力集中部を除いた残りの部分の最大応力は166.4MPaです。材料の降伏強度よりは低いですが、安全率要件の 1.5 倍には達していません。さらに、車体フレームの最大累積変位は 9.5 mm であるため、実際の使用では長期間の過負荷運転を避ける必要があります。-
1.2 動的解析: 極端な動作条件下での構造の安全性の検証
動的解析は、エレベーターの運転中かごの底付きや緊急ブレーキ中の極めて危険な状態に焦点を当てています。{0}このような条件下では、車のフレームの速度と加速度は時間の経過とともに動的に変化します。過渡動的シミュレーションは、Abaqus Explicit モジュールを使用して実行されます。初速度は緩衝器と車両フレームとの間の接触速度であり、動作中の実際の速度変化の振幅を入力して、構造物の動的応力応答をシミュレートします。
シミュレーションの結果、車両が底付きした場合、緩衝材と車両フレームの接触点に大きな応力集中が発生し、一部の部品が過大な応力により塑性変形を起こすことが分かりました。ボトムアウト後 0.084 秒で、衝撃点の最大応力は 248.2 MPa に達します。これは材料の強度限界である 400 MPa を超えず、構造全体の破損は防止されますが、自動車のフレームは正常に動作する能力を失います。したがって、エレベータの設計および運用においては、かごの底付きを防ぐための包括的な安全保護システムが不可欠です。緊急ブレーキ条件下では、かごフレームの最大応力値は229.1MPaであり、材料の降伏応力よりも低く、応力の作用範囲が小さいため、構造上の安全性を脅かすことはありません。これは、エレベータの非常ブレーキシステムがかごフレーム構造の安定性を効果的に確保できることを示しています。
2. 車体フレームの上部クロスビームの最適化設計: 実用的な軽量ソリューション
研究チームは、機械的分析の結果に基づいて、車両フレームの全体的な応力が安全要件を満たしており、通常の動作中に大幅な安全マージンがあることを発見し、軽量化の最適化の可能性を示しました。各コンポーネントの応力分布をさらに分析した結果、上部クロスビームがコア最適化ターゲットであることが特定されました。-さまざまな動作条件下での応力値は材料限界を大幅に下回っており、最適化の可能性が最も高いことがわかりました。
2.1 最適化変数と最適化手法の決定
車両フレーム全体の構造レイアウトの安定性を考慮し、上部横梁の長さ、曲げ高さ、全高などの重要な寸法は変更しないことにしました。構造調整による他のコンポーネントの応力バランスへの影響を避けるために、唯一の最適化変数として上部クロスビームの厚さだけに焦点を当てました。最適化方法では、「段階的に削減」アプローチを採用し、元の厚さ 6 mm から始めて、一度に 0.5 mm ずつ厚さを減らしていきました。--複数のシミュレーション解析を通じて、さまざまな厚さの上部梁の応力性能と安全性状況を検証し、最終的に最適なソリューションを選択しました。
2.2 最適化前後のパフォーマンスと品質の比較
複数回のシミュレーション検証により、上部クロスビームの厚さを 6mm から 4mm に減らすことで、構造性能と軽量化の最適なバランスが達成されることが確認されました。応力性能に関しては、最適化前の上部クロスビームの最大応力はわずか 17.08MPa であり、材料の降伏強度を大幅に下回っていました。最適化後、最大応力は 139.5MPa まで増加しましたが、それでも安全閾値の 156.7MPa を下回り、1.5 倍の安全率要件を満たし、安定した信頼性の高い機械的特性を実証しました。
軽量化とコスト抑制の観点では、最適化により上部横梁1本の質量が29.95kgから22.46kgとなり、1本当たり7.49kgの軽量化となり、軽量化率は25％となった。上部クロスビームの質量の減少により、かごフレームの全体的な耐荷重も間接的に軽減され、かごシステム全体の応力状態がさらに最適化され、「軽量 - 低荷重 - 安全性の向上」という好循環が形成されます。
3. 研究結果と業界価値
科学的な機械分析と正確なパラメータの最適化を通じて、牽引エレベーターのかごフレーム構造の最適化設計に関するこの研究により、次の重要な結論が得られました。まず、定格運転条件下のかごフレームの最大応力は 138.9 MPa、過負荷条件下での非集中領域の最大応力は 166.4 MPa であり、どちらも基本的な機械的要件を満たしています。第二に、車のボトミングや緊急ブレーキの状況下でも構造全体に損傷はありませんでしたが、車のボトミングのリスクが依然として懸念されています。第三に、上部クロスビームの厚さを6mmから4mmに最適化することで、安全性能を維持しながら25％の軽量化を達成しました。
業界の観点から見ると、この研究はエレベーター メーカーに{0}}コスト削減と効率性の向上{1}}を実現する実用的なソリューションを提供します。上部クロスビームの厚さを減らすことで、メーカーは鋼などの原材料の使用を直接削減でき、それによって生産コストを削減できます。さらに、かごフレームが軽量であるため、エレベーター運転時のエネルギー消費が削減され、機器全体のエネルギー効率が向上します。さらに、研究で使用された「機械解析-変数スクリーニング-ステップ-バイ-ステップ最適化」手法は、エレベーター業界の他の構造コンポーネントの最適化設計のための参照パラダイムも提供し、業界の「経験的設計」から「データ駆動型設計」への変革を促進し、 安全性と経済性を高次元でバランスさせたエレベーター製品。
