廣州廣日電梯工業(yè)有限公司 523000

摘要：文章首先簡要介紹了自動(dòng)扶梯的結(jié)構(gòu)及其工作原理，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用有限元的方法對(duì)重載自動(dòng)扶梯桁架及梯級(jí)安全性能進(jìn)行分析，最后提出提高重載自動(dòng)扶梯梯級(jí)安全系數(shù)的有效途徑。期望通過本文的研究能夠?qū)χ剌d自動(dòng)扶梯整體安全性能的提升有所幫助。

關(guān)鍵詞：有限元分析；自動(dòng)扶梯；桁架；梯級(jí)；安全

1自動(dòng)扶梯的結(jié)構(gòu)及其工作原理

自動(dòng)扶梯又被稱之為電動(dòng)扶梯，它是一種以運(yùn)輸帶方式進(jìn)行行人運(yùn)輸?shù)墓ぞ?。通常情況下，自動(dòng)扶梯的形式均是以傾斜設(shè)置為主，行人在扶梯的底端站上自動(dòng)行走的梯級(jí)后，便可被傳輸?shù)椒鎏莸捻敹?，在整個(gè)過程中，梯級(jí)始終都會(huì)保持水平狀態(tài)。

1.1自動(dòng)扶梯的結(jié)構(gòu)

自動(dòng)扶梯主要是由以下幾個(gè)部分組成：梯級(jí)、牽引鏈條、導(dǎo)軌、傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、桁架等等。自動(dòng)扶梯運(yùn)行的過程中，梯級(jí)一般都是在扶梯的底端呈水平運(yùn)動(dòng)，之后會(huì)逐漸形成階梯，并在抵達(dá)扶梯另一端時(shí)，階梯會(huì)逐漸消失，梯級(jí)再度進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，上述運(yùn)動(dòng)過程全部都是由梯級(jí)主、輔輪沿不同的梯級(jí)導(dǎo)軌行走來實(shí)現(xiàn)的。

1.2自動(dòng)扶梯的基本工作原理

鏈條是自動(dòng)扶梯的核心組成部件，一座扶梯上通常有兩根鏈條，它們繞著兩對(duì)齒輪進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)；在扶梯的頂部，有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)對(duì)傳動(dòng)齒輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以此來轉(zhuǎn)動(dòng)鏈圈。常規(guī)的自動(dòng)扶梯一般都是采用100馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條，這兩個(gè)部件則是安裝在扶梯桁架上。自動(dòng)扶梯的每個(gè)臺(tái)階上都配有兩組輪子，其會(huì)沿著分離的軌道進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，靠近臺(tái)階頂部的輪子與轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈條相連接，并由驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行帶動(dòng)，其它的輪子會(huì)沿著軌道進(jìn)行滑動(dòng)，并始終跟在第一組輪子的后面。

2重載自動(dòng)扶梯桁架及梯級(jí)安全性能的有限元分析

重載自動(dòng)扶梯最為顯著的工作特性是載重大、運(yùn)行時(shí)間長，故此對(duì)這種類型扶梯的主要承載構(gòu)件，如桁架、梯級(jí)等的安全性和可靠性要求較高。通過對(duì)一些重載自動(dòng)扶梯進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其在設(shè)計(jì)時(shí)過于偏重安全，從而導(dǎo)致扶梯的整體結(jié)構(gòu)十分笨重，材料用量也隨之增多。扶梯的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)其主要承載構(gòu)件提出了更高的要求，即在滿足安全性能的基礎(chǔ)上，盡可能減少材料的用量，節(jié)約成本。有限元分析簡稱FEA，它是一種借助數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真的分析方法，其被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，尤其是在工程設(shè)計(jì)中，更具應(yīng)用優(yōu)勢。鑒于此，下面本文以有限元分析的方法對(duì)重載自動(dòng)扶梯設(shè)計(jì)階段的桁架和梯級(jí)的安全性能進(jìn)行研究。

2.1有限元建模

在本次分析中，重載自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)的薄壁板材采用殼體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)建，并以實(shí)體單元對(duì)螺栓聯(lián)接進(jìn)行模擬，螺栓的載荷以溫度法進(jìn)行施加，即對(duì)節(jié)點(diǎn)施加負(fù)溫度值，在冷縮的效應(yīng)下使螺栓產(chǎn)生出拉緊力，桁架的材質(zhì)為Q235A型鋼。根據(jù)我國現(xiàn)行的GB16899規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定要求，自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算的乘客載荷是以梯級(jí)水平投影面積作為基準(zhǔn)的載荷，該規(guī)范中給出的乘客載荷為5000N/㎡。為了方便在有限元模型中進(jìn)行加載，本次分析中，將乘客、扶手、欄桿、梯級(jí)等面荷載全都轉(zhuǎn)換為線荷載，并全部加載至桁架上，載荷的具體分布情況如表1所示。

表1 桁架線載荷的分布情況（單位：N/mm）

載荷的具體類型扶手+欄桿梯級(jí)+導(dǎo)軌乘客其它

上水平部1.051.755.620.38

中間傾斜部1.051.755.430.38

下水平部1.051.755.620.38

本次分析中的集中載荷主要包括以下部件的重量：主機(jī)、驅(qū)動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)、扶手帶驅(qū)動(dòng)機(jī)以及控制柜等，按照實(shí)際的位置將這些部件的重量分別加載至相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)載荷的具體施加情況，可將桁架的計(jì)算工況分為以下幾種情況：第一種工況為集中載荷+分布載荷+扶梯自重；第二種工況僅為乘客的載荷；第三種工程為為第一和第二種工況的載荷。

2.2計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1桁架的安全性能。經(jīng)過相關(guān)計(jì)算后，得出三種工況下桁架的位移及應(yīng)力分布，如表2所示。

表2 三種工況下桁架的位移與應(yīng)力情況

工況第一種工況第二種工況第三種工況

X向最大位移（mm）2.52.85.8

Z向最大位移（mm）-11.5-11.8-23.5

最大合成位移（mm）11.511.825.2

最大應(yīng)力（MPa）9598190

由表2可知，在第二種工況下的桁架最大應(yīng)力為98MPa，桁架的材質(zhì)為Q235A型鋼，查詢相關(guān)資料后得知，該鋼材的屈服極限為235MPa，抗拉強(qiáng)度極限為398MPa，故此，從理論的角度上講，桁架在該工況下不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，即達(dá)不到破壞極限。此外，在該工況下，計(jì)算撓度為11.8mm，其結(jié)構(gòu)變形的允許值為18.5mm，可判定其符合變形要求。

2.2.2梯級(jí)的安全性能。經(jīng)計(jì)算后得出上述三種工況下，梯級(jí)結(jié)構(gòu)的最大變形位置在踢板下部中間位置，最大變形量為1.35mm，踏面載荷施加位置的變形量較小，約為0.9-1.05mm。根據(jù)GB16899規(guī)范中的規(guī)定要求，自動(dòng)扶梯的梯級(jí)踏面撓度應(yīng)當(dāng)≤4mm，由有限元分析結(jié)果可知，其變形量僅為1.35mm，由此可判斷梯級(jí)在上述三種工況下均滿足安全性能要求。

3提高重載自動(dòng)扶梯梯級(jí)安全系數(shù)的有效途徑

由上文分析可知，在僅有乘客載荷的條件下，扶梯的梯級(jí)安全性能基本能夠達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。為了進(jìn)一步提高梯級(jí)的安全系數(shù)，下面提出幾點(diǎn)建議：

3.1增大圍裙板剛度

由于微動(dòng)開關(guān)一般都是設(shè)置在局部區(qū)域，其并非是全行程設(shè)置，故此，在開關(guān)以外的區(qū)域內(nèi)仍然有可能發(fā)生傷害事故，換言之，開關(guān)之外的區(qū)域并非是絕對(duì)安全的。為了解決這一問題，可在不設(shè)置微動(dòng)開關(guān)的前提下，通過增大圍裙板的剛度，來確保梯級(jí)與圍裙板之間的安全間隙，由此便可降低傷害事故的發(fā)生幾率。

3.2合理應(yīng)用填充裝置

為了進(jìn)一步提高梯級(jí)的安全系數(shù)，可在梯級(jí)的兩側(cè)間隙處加裝填充裝置，即填充板，它是由塑料和干潤滑劑制成，其位置可以通過彈簧予以保持。在扶梯的整個(gè)行程內(nèi)填充板與圍裙板相接觸，并將梯級(jí)與圍裙板之間的間隙填滿，大量的實(shí)踐表明，加裝填充板的自動(dòng)扶梯安全系數(shù)更高。

3.3防夾裝置

目前，在自動(dòng)扶梯上使用的防夾裝置有兩種，一種是橡膠條，另一種是毛刷。

3.3.1橡膠條防夾。這是比較經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的防夾措施，具體做法是將橡膠條壓制成D型截面，并與圍裙板進(jìn)行固定，因橡膠條本身具有較大的摩擦系數(shù)，當(dāng)乘客踏上之后，會(huì)產(chǎn)生出被牽拉的感覺，由此便會(huì)離開梯級(jí)側(cè)端，從而避免了傷害事故的發(fā)生。在應(yīng)用橡膠條時(shí)需要做好固定點(diǎn)的維護(hù)工作，以免橡膠條松動(dòng)引起危險(xiǎn)。

3.3.2毛刷防夾。這種防夾裝置主要是由基座和毛刷兩個(gè)部分構(gòu)成，前者為單元體結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)牢固且不會(huì)斷裂；后者應(yīng)當(dāng)比較柔軟，且還應(yīng)具有一定的硬度。該裝置可安裝在扶梯進(jìn)口處梳齒板前50cm左右的位置處，全面覆蓋梯級(jí)與圍裙板間的間隙。

結(jié)論：

綜上所述，本文基于有限元的方法對(duì)重載自動(dòng)扶梯的桁架及梯級(jí)的安全性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在乘客載荷的條件下，自動(dòng)扶梯的安全性能符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高扶梯的安全性，提出了幾點(diǎn)增大梯級(jí)安全系數(shù)的措施。期望通過本文的研究可以為自動(dòng)扶梯整體安全性能的提升有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪致育.謝明軍.自動(dòng)扶梯的發(fā)展趨向——多驅(qū)動(dòng)組合式自動(dòng)扶梯[J].起重運(yùn)輸機(jī)械.2011（9）.

[2]劉季能.論自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的非操縱逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究.2011（10）.

[3]張志富.超超.基于多級(jí)驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速的節(jié)能自動(dòng)扶梯的設(shè)計(jì)與研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械.2013（7）.

[4]黃忠堂.淺談?dòng)绊懽詣?dòng)扶梯安全運(yùn)行的主要原因分析[J].城市軌道交通研究.2014（10）.

[5]程?hào)|霽.自動(dòng)扶梯金屬剛架結(jié)構(gòu)的分析及其優(yōu)化[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào).2010（6）.