淺析自動扶梯金屬骨架的設(shè)計

付春平

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與人民生活水平的提高，自動扶梯作為一種常用的交通工具，已被廣泛應(yīng)用于商場、機場、地鐵、火車站等各個場所。自動扶梯由驅(qū)動裝置、金屬骨架、梯級系統(tǒng)、扶手裝置等結(jié)構(gòu)組成，金屬骨架是自動扶梯系統(tǒng)中最重要的承載部件，承載自動扶梯的全部質(zhì)量。自動扶梯的生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝附加規(guī)范》及自動扶梯相關(guān)推薦標(biāo)準(zhǔn)等對自動扶梯的支撐結(jié)構(gòu)即金屬骨架的設(shè)計有明確的要求，主要是自動扶梯在受載情況下的最大擾度要求。

高鐵、地鐵等公共交通領(lǐng)域的自動扶梯具有工作環(huán)境差、高負(fù)荷運轉(zhuǎn)、使用時間長、啟動頻繁等特點，尤其很多自動扶梯安裝于戶外、暴露于雨水之下，自動扶梯金屬骨架容易產(chǎn)生銹蝕，安全隱患大。因此，對公共交通領(lǐng)域的自動扶梯金屬骨架要求更加嚴(yán)格，要求所用金屬支撐結(jié)構(gòu)安全系數(shù)更大、受載情況下擾度更小。如果簡單通過增加材料用量，用冗余設(shè)計達(dá)到特殊要求，必將增加自動扶梯自重，同時增加材料成本，顯然不合理。本文接下來將重點分析各種情況下的金屬骨架設(shè)計，利用有限元分析對比不同的設(shè)計方案，從而得出更加合理的解決方案。

1 金屬骨架常見的幾種設(shè)計方案

目前各主要自動扶梯生產(chǎn)廠家的自動扶梯金屬骨架設(shè)計都非常接近，但也略有不同，從自動扶梯金屬骨架其主弦桿所用材料上看，可以分為矩形管結(jié)構(gòu)的金屬骨架和角鋼結(jié)構(gòu)的金屬骨架。除了金屬骨架上、下主弦桿以外，還有豎撐和斜撐等桿件與上、下主弦桿焊接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所謂的豎撐就是垂直于上、下主弦桿的桿件，所謂斜撐就是連接上、下弦桿和豎撐間形成的封閉四邊形對角線的桿件，主要是起到穩(wěn)定作用。顯然，斜撐的布置可以有多種情況出現(xiàn)。通過調(diào)研及實際統(tǒng)計，斜撐的布置基本可以分為8 種方案，如圖1 所示。具體為方案一的斜撐布置一律斜向下、方案二的斜撐布置一律向右、方案三的斜撐布置先向下后向右、方案四的斜撐布置先向右后再向下、方案五—方案八分別在方案一—方案四基礎(chǔ)上改變了上折角處的布局。這8 種方案基本上在材料用料、設(shè)備自重及成本方面相差不大，但由于布置方式不同是否有不同的強度效果呢？接下來將要探究不同的斜撐布置方式在受力之后導(dǎo)致的金屬骨架的強度和剛度變化。

圖1 金屬骨架常見的幾種布局方案

2 建模及有限元分析

有限元分析應(yīng)選擇合理的單元類型，梁單元用于生成三維結(jié)構(gòu)的一維理想化單元模型，與實體單元和殼單元相比，梁單元求解效率更高。BEAM188 和BEAM189 梁單元提供了更強大的非線性分析能力，更出色的截面數(shù)據(jù)定義功能和可視化特性。其中，BEAM188 單元具有1 個軸向分量、2 個剪應(yīng)力分量共3 個應(yīng)力分量。在橫截面上，橫向剪應(yīng)變是常量，剪切能是橫向剪力的函數(shù)，剪力在橫截面上按照預(yù)定的剪應(yīng)力分布系數(shù)重新分布，使得輸出的橫向剪力值是有效的。SHELL63 允許使用面內(nèi)載荷和法向載荷，每個節(jié)點有6 個自由度，分別是沿、、方向的平動和轉(zhuǎn)動，且包含了處理應(yīng)力鋼化和大變形功能，在大變形有限元分析中，只要選中相容正切剛度矩陣選項即可。根據(jù)金屬骨架的結(jié)構(gòu)特點，本文選用BEAM188和SHELL63 這2 種單元類型，據(jù)此對各種方案下的金屬骨架進行建模并進行有限元分析。

首先對方案一進行建模，建立約束條件并加載，通過ANSYS 軟件分析計算得出應(yīng)力和應(yīng)變云圖，分別如圖2 和圖3 所示。從計算結(jié)果上可以看出，方案一的最大應(yīng)力為126.108 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?2.492 mm。按此邏輯，繼續(xù)完成方案二—方案八的建模及有限元分析，并得出各自對應(yīng)的最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值，并將其統(tǒng)計在表1 中。

圖2 方案一受載后的應(yīng)力云圖

圖3 方案一受載后的應(yīng)變云圖

表1 各方案應(yīng)力應(yīng)變統(tǒng)計表

3 各方案間的對比分析

在對8 個設(shè)計方案進行有限元分析后，得出了各自的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值，顯然在同等受力的情況下，應(yīng)力越小、應(yīng)變越小就越優(yōu)秀。如果簡單以應(yīng)力或應(yīng)變中任一單一指標(biāo)進行優(yōu)劣對比，那分析變得非常簡單，實際上必須兼顧應(yīng)力和應(yīng)變2 個指標(biāo)。為此，提出得分“評分求和”和“評分求積”2 種對比方案。具體是將8 個方案中應(yīng)力最小的計100 分，按應(yīng)力值比例分別給出另外7 種方案的對應(yīng)比例分。同樣道理，將應(yīng)變最小的計100 分，其他方案按比例得出各自的對應(yīng)分值。為了有效兼顧應(yīng)力與應(yīng)變2 項指標(biāo)，將應(yīng)力計算得分和應(yīng)變計算得分分別進行“評分求和”和“評分求積”處理。根據(jù)“評分求和”和“評分求積”計算后的結(jié)果再進行排序，具體如表2 所示。

從表2 中可以看出，單獨從應(yīng)力計算結(jié)果上看，方案五最優(yōu)，方案三次之，方案四最差。單獨從應(yīng)變即擾度計算結(jié)果來看，方案七最佳，方案三次之，方案八最差。由于引入了“評分求和”和“評分求積”2 種方案。從“評分求和”后的結(jié)果來看，方案七最佳，方案三次之，方案八最差；從“評分求積”后的結(jié)果看，依然是方案七最佳，方案三次之，方案八最差。無論是采用哪種分析方案，都是方案七最優(yōu)，方案八最差，而且最優(yōu)方案七和最差方案八之間的分值相差也比較大，說明在不同方案間進行遴選還是有必要的。也就是說，自動扶梯金屬骨架的斜撐布置方案有優(yōu)劣之分，工程師在金屬骨架設(shè)計之初就應(yīng)該充分認(rèn)識到斜撐該如何布置才合理，以獲得最優(yōu)的金屬骨架設(shè)計方案。

表2 各方案應(yīng)力應(yīng)變對比分析表

表2（續(xù)）

4 帶有中間支撐時的金屬骨架設(shè)計

前文分析了自動扶梯在沒有中間支撐的情況下，金屬骨架如何設(shè)計將得到更好的強度和剛度。有時因為自動扶梯跨距太大，會設(shè)置中間支撐，那么有了中間支撐后，自動扶梯的金屬骨架又該如何設(shè)計呢，還可以繼續(xù)沿用前文提到的方案七嗎？如果不能沿用，那中間支撐處的各種豎撐、斜撐又該如何布置呢？

同樣的，在各種可能的情況下將帶有中間支撐的金屬骨架設(shè)計方案分成8 種，分別建模并進行有限元分析，通過“評分求積”和“評分求和”2 種不同計算方法得出最優(yōu)的解決方案。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)中間支撐的位置正好在豎撐下方時，優(yōu)選方案如圖4 所示。圖中顯示了3 個斜撐，即斜撐①、斜撐②、斜撐③，3個斜撐的布置方向明顯與前文不帶中間支撐時的方案七不同，這就說明，帶有中間支撐時，桁架的設(shè)計方案需要一定的變動，如果一味地按某一固定的設(shè)計習(xí)慣進行設(shè)計那很難得到理想的效果。

圖4 中間支撐在豎撐正下方時的金屬骨架設(shè)計

特殊情況下，因建筑設(shè)計原因中間支撐的位置不在豎撐正下方時，通過計算得出優(yōu)選方案，如圖5所示，同樣需注意圖中斜撐①、斜撐②、斜撐③的布置方式。

圖5 中間支撐不在豎撐正下方時的金屬骨架設(shè)計

5 結(jié)論

無論自動扶梯是否帶有中間支撐，都可以對各種可能的斜撐布置方案進行建模及有限元分析，分析之后都將得到各自的應(yīng)力和應(yīng)變云圖，受篇幅所限，文中僅列出了無中間支撐時方案一的應(yīng)力、應(yīng)變云圖，無中間支撐的其他7 個方案以及帶有中間支撐時的8個方案僅將其應(yīng)力與應(yīng)變的計算結(jié)果進行分析比較。總之，通過對自動扶梯金屬骨架豎撐和斜撐的合理布局，利用有限元分析手段，得出更加合理的設(shè)計方案，從而在相同的金屬材料用料情況下，得到了更加優(yōu)秀的金屬骨架強度設(shè)計，為具體項目自動扶梯的金屬骨架設(shè)計提供了有價值的參考。這一研究結(jié)果對于那些應(yīng)力應(yīng)變原本就處于臨界狀態(tài)的自動扶梯更有參考和借鑒意義。