扶梯焊接工裝支架結構的有限元分析

曾小紅 曾淑琴 顧曉勤

(1.湖北荊門城建集團有限公司，湖北 荊門 448124；2.蒂森克虜伯機場系統(中山)有限公司，廣東 中山 528437； 3.電子科技大學中山學院，廣東 中山 528402)

·結構·抗震·

扶梯焊接工裝支架結構的有限元分析

曾小紅1曾淑琴2顧曉勤3

(1.湖北荊門城建集團有限公司，湖北 荊門 448124；2.蒂森克虜伯機場系統(中山)有限公司，廣東 中山 528437； 3.電子科技大學中山學院，廣東 中山 528402)

以ANSYS有限元分析軟件為工具，利用ANSYS提供的二次開發工具APDL進行命令流的參數化建模，對扶梯焊接工裝支架結構模型進行了有限元計算，得到了在最惡劣載荷工況下的應力和變形，并對結構的強度和剛度進行了校核，驗證了該結構的安全性，以保證生產扶梯產品的質量要求。

扶梯工裝支架，ANSYS，有限元計算

1 概述

隨著城市化、城鎮化的不斷深化，住宅、商場、機場、地鐵建設等項目的增多，住宅電梯、自動扶梯、自動人行道的需求會不斷增大。未來50年我國新增住房面積將達到200億m2。市場對自動扶梯的需求量越來越大，我國電梯(含扶梯)業目前發展勢頭良好，2011年中國電梯銷量達45萬部，與2010年銷量相比增長23%。電梯保有量約200萬部，產量超過了全世界電梯年產量的50%。其中，自動扶梯的生產已經實現了批量化生產，扶梯設備焊接用的工裝支架是自動扶梯生產中的重要設備，其結構的可靠性直接影響了扶梯的產量和扶梯生產商的成本。因此對扶梯支撐框架的有限元分析在決定該工裝支架材料成本等方面顯得尤為重要。

2 扶梯焊接工裝支架的有限元結構分析

2.1 扶梯焊接工裝支架結構的組成

如圖1所示，扶梯焊接工裝支架的結構包括：滑道、底座、兩側樓梯及扶手。整個支撐框架為鋼結構組成的架子，實際上是分成幾段在底部用螺栓固定組成到一起的，圖2即為包含滑道部分的架子結構[1-3]。

2.2 固定通道的有限元模型說明

除自重外，該支架的主要受力部分為頂部的滑道，工裝的過程中主要承受著來自扶梯的載荷作用。兩邊的樓梯是方便工作人員上下的，對于該工裝支架沒有載荷的作用，因此在有限元建模過程中，可以省去。支架兩邊懸出部分為平臺，供工作人員工作時行走，詳圖中省略了護欄扶手。在有限元建模過程中，該懸出部分及其護欄扶手，對支架主要的作用為重力載荷，即平臺上人員的載荷，該重力載荷已知；為了建模方便，將該平臺部分由MPC單元建模，直接施加力的載荷到懸出部分的最外邊緣的節點上。由于支架各個架子在底部用螺栓連接在一起，在有限元建模時直接視為連續梁單元。支架的有限元模型見圖3。

3 加載和約束處理

3.1 支架的約束

框架底部長度方向上的鋼管為螺栓連接，在有限元計算時通過施加UX，UY和UZ三個方向上的位移約束來處理。框架上部長度方向上的鋼管與上面的軌道通過螺栓連接，在有限元計算時通過耦合對應節點來實現[4]。

3.2 載荷施加處理

兩側梯子總重3 000 kg(約3×104N),通過施加到兩側MPC單元的連接節點(共40個)處，每個節點載荷為3×104N÷40=750 N。

軌道上的上段固定塊、下段滑動塊與中間滑動塊的作用力，通過施加到作用在軌道上作用區域的節點來施加。由于軌道上載荷可變，在有限元計算時，考慮了支架最薄弱的區域施加力的載荷，可變載荷施加點如圖4所示。

4 計算結果分析

4.1 位移結果

框架結構整體最大向上位移：0.307 mm，向下最大位移：0.272 mm；分別在支架兩端架子處(見圖5～圖7)。

最大位移為0.590 mm，發生在導軌固定塊作用的端部(見圖8，圖9)，最大撓度0.590 mm/30.32=1/51 390,滿足剛度要求。

4.2 應力結果

最大應力：107 MPa<215 MPa(Q235材料的許用應力)，滿足強度要求。最大應力發生在滑道開始的支架部分的豎梁鋼管下方(見圖10，圖11)。

5 結論與討論

1)扶梯滑道的撓度直接決定著扶梯產品的精度與質量，若滑道變形大，會嚴重影響扶梯的焊接工裝作業，本文通過對扶梯工裝焊接支架結構的有限元分析，得到軌道的撓度值為1/51 390，可以確信對于大量的工裝作業，該支架仍然能夠保證扶梯產品的質量。

2)在ANSYS建模過程中，對于固定通道這種有規律的空間桁架類結構，采用的是APDL命令流方法進行參數化建模，既方便模型的修改，也比直接生成法建模和用戶GUI操作建模效率更高。同時通過必要的簡化，省去了建立人行平臺的模型，卻計算了該結構的載荷。因此在有限元計算分析前，對結構做適當的簡化顯得十分重要。

[1] 張 濤.扶梯的參數化設計及有限元分析[D].沈陽：東北大學碩士論文，2008.

[2] EN 1990-2002，Eurocode-Basis of structural design，Eurocode 3:Design of steel structures[S].

[3] GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[4] 商躍進.有限元原理與ANSYS應用指南[M].北京：清華大學出版社，2009.

FEanalysisforassemblyweldingjigstructureofescalator

ZENGXiao-hong1ZENGShu-qin2GUXiao-qin3

(1.HubeiJingmenUrbanConstructionGroupLimitedCompany,Jingmen448124,China; 2.ThyssenKruppAirportSystem(Zhongshan)LimitedCompany,Zhongshan528437,China; 3.ZhongshanCollege,ElectronicScienceandTechnologyUniversity,Zhongshan528402,China)

Taking the ANSYS finite element analysis software as tools, this paper made command flow parametric modeling using secondary development tool APDL provided by ANSYS, and made finite element calculation to escalator welding tooling bracket model, gained the stress and deformation at the worst load conditions, and checked the structure strength and stiffness, verified the safety of structure, to ensure the quality requirements of production of escalator products.

escalator tooling support, ANSYS, finite element calculation

1009-6825(2014)33-0025-02

2014-09-11

曾小紅(1982- )，女，工程師； 曾淑琴(1983- )，女，工程師； 顧曉勤(1964- )，男，教授

TU311.41

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