基于有限元探討重載自動扶梯桁架及梯級的安全性能

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摘要：文章首先簡要介紹了自動扶梯的結(jié)構(gòu)及其工作原理，在此基礎上運用有限元的方法對重載自動扶梯桁架及梯級安全性能進行分析，最后提出提高重載自動扶梯梯級安全系數(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；自動扶梯；桁架；梯級；安全

1自動扶梯的結(jié)構(gòu)及其工作原理

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

1.1自動扶梯的結(jié)構(gòu)

自動扶梯主要是由以下幾個部分組成：梯級、牽引鏈條、導軌、傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、桁架等等。自動扶梯運行的過程中，梯級一般都是在扶梯的底端呈水平運動，之后會逐漸形成階梯，并在抵達扶梯另一端時，階梯會逐漸消失，梯級再度進行水平運動，上述運動過程全部都是由梯級主、輔輪沿不同的梯級導軌行走來實現(xiàn)的。

1.2自動扶梯的基本工作原理

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

2重載自動扶梯桁架及梯級安全性能的有限元分析

重載自動扶梯最為顯著的工作特性是載重大、運行時間長，故此對這種類型扶梯的主要承載構(gòu)件，如桁架、梯級等的安全性和可靠性要求較高。通過對一些重載自動扶梯進行研究后發(fā)現(xiàn)，其在設計時過于偏重安全，從而導致扶梯的整體結(jié)構(gòu)十分笨重，材料用量也隨之增多。扶梯的輕量化設計對其主要承載構(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)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬仿真的分析方法，其被廣泛應用于諸多領(lǐng)域，尤其是在工程設計中，更具應用優(yōu)勢。鑒于此，下面本文以有限元分析的方法對重載自動扶梯設計階段的桁架和梯級的安全性能進行研究。

2.1有限元建模

在本次分析中，重載自動扶梯桁架結(jié)構(gòu)的薄壁板材采用殼體單元進行結(jié)構(gòu)構(gòu)建，并以實體單元對螺栓聯(lián)接進行模擬，螺栓的載荷以溫度法進行施加，即對節(jié)點施加負溫度值，在冷縮的效應下使螺栓產(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)范標準中的規(guī)定要求，自動扶梯桁架結(jié)構(gòu)計算的乘客載荷是以梯級水平投影面積作為基準的載荷，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行加載，本次分析中，將乘客、扶手、欄桿、梯級等面荷載全都轉(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+導軌乘客其它

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、驅(qū)動張緊機構(gòu)、扶手帶驅(qū)動機以及控制柜等，按照實際的位置將這些部件的重量分別加載至相應的節(jié)點上。根據(jù)載荷的具體施加情況，可將桁架的計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計算結(jié)果及分析

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

表2 三種工況下桁架的位移與應力情況

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

最大應力（MPa）9598190

由表2可知，在第二種工況下的桁架最大應力為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，抗拉強度極限為398MPa，故此，從理論的角度上講，桁架在該工況下不會產(chǎn)生塑性變形，即達不到破壞極限。此外，在該工況下，計算撓度為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梯級的安全性能。經(jīng)計算后得出上述三種工況下，梯級結(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，自動扶梯的梯級踏面撓度應當≤4mm，由有限元分析結(jié)果可知，其變形量僅為1.35mm，由此可判斷梯級在上述三種工況下均滿足安全性能要求。

3提高重載自動扶梯梯級安全系數(shù)的有效途徑

由上文分析可知，在僅有乘客載荷的條件下，扶梯的梯級安全性能基本能夠達到規(guī)范標準的要求。為了進一步提高梯級的安全系數(shù)，下面提出幾點建議：

3.1增大圍裙板剛度

由于微動開關(guān)一般都是設置在局部區(qū)域，其并非是全行程設置，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)域并非是絕對安全的。為了解決這一問題，可在不設置微動開關(guān)的前提下，通過增大圍裙板的剛度，來確保梯級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合理應用填充裝置

為了進一步提高梯級的安全系數(shù)，可在梯級的兩側(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。在扶梯的整個行程內(nèi)填充板與圍裙板相接觸，并將梯級與圍裙板之間的間隙填滿，大量的實踐表明，加裝填充板的自動扶梯安全系數(shù)更高。

3.3防夾裝置

目前，在自動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)濟且實用的防夾措施，具體做法是將橡膠條壓制成D型截面，并與圍裙板進行固定，因橡膠條本身具有較大的摩擦系數(shù)，當乘客踏上之后，會產(chǎn)生出被牽拉的感覺，由此便會離開梯級側(cè)端，從而避免了傷害事故的發(fā)生。在應用橡膠條時需要做好固定點的維護工作，以免橡膠條松動引起危險。

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

結(jié)論：

綜上所述，本文基于有限元的方法對重載自動扶梯的桁架及梯級的安全性能進行了分析，結(jié)果表明，在乘客載荷的條件下，自動扶梯的安全性能符合規(guī)范標準的規(guī)定要求。同時，為了進一步提高扶梯的安全性，提出了幾點增大梯級安全系數(shù)的措施。期望通過本文的研究可以為自動扶梯整體安全性能的提升有所幫助。

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