淺析自動扶梯金屬骨架的設計

付春平

（蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

隨著社會經濟的發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，已被廣泛應用于商場、機場、地鐵、火車站等各個場所。自動扶梯由驅動裝置、金屬骨架、梯級系統、扶手裝置等結構組成，金屬骨架是自動扶梯系統中最重要的承載部件，承載自動扶梯的全部質量。自動扶梯的生產制造標準GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝附加規范》及自動扶梯相關推薦標準等對自動扶梯的支撐結構即金屬骨架的設計有明確的要求，主要是自動扶梯在受載情況下的最大擾度要求。

高鐵、地鐵等公共交通領域的自動扶梯具有工作環境差、高負荷運轉、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生銹蝕，安全隱患大。因此，對公共交通領域的自動扶梯金屬骨架要求更加嚴格，要求所用金屬支撐結構安全系數更大、受載情況下擾度更小。如果簡單通過增加材料用量，用冗余設計達到特殊要求，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計，利用有限元分析對比不同的設計方案，從而得出更加合理的解決方案。

1 金屬骨架常見的幾種設計方案

目前各主要自動扶梯生產廠家的自動扶梯金屬骨架設計都非常接近，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，可以分為矩形管結構的金屬骨架和角鋼結構的金屬骨架。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狀結構，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，主要是起到穩定作用。顯然，斜撐的布置可以有多種情況出現。通過調研及實際統計，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

有限元分析應選擇合理的單元類型，梁單元用于生成三維結構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，更出色的截面數據定義功能和可視化特性。其中，BEAM188 單元具有1 個軸向分量、2 個剪應力分量共3 個應力分量。在橫截面上，橫向剪應變是常量，剪切能是橫向剪力的函數，剪力在橫截面上按照預定的剪應力分布系數重新分布，使得輸出的橫向剪力值是有效的。SHELL63 允許使用面內載荷和法向載荷，每個節點有6 個自由度，分別是沿、、方向的平動和轉動，且包含了處理應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。根據金屬骨架的結構特點，本文選用BEAM188和SHELL63 這2 種單元類型，據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力和應變云圖，分別如圖2 和圖3 所示。從計算結果上可以看出，方案一的最大應力為126.108 MPa，最大應變為12.492 mm。按此邏輯，繼續完成方案二—方案八的建模及有限元分析，并得出各自對應的最大應力值和最大應變值，并將其統計在表1 中。

圖2 方案一受載后的應力云圖

圖3 方案一受載后的應變云圖

表1 各方案應力應變統計表

3 各方案間的對比分析

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

從表2 中可以看出，單獨從應力計算結果上看，方案五最優，方案三次之，方案四最差。單獨從應變即擾度計算結果來看，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，方案八最差，而且最優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劣之分，工程師在金屬骨架設計之初就應該充分認識到斜撐該如何布置才合理，以獲得最優的金屬骨架設計方案。

表2 各方案應力應變對比分析表

表2（續）

4 帶有中間支撐時的金屬骨架設計

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計呢，還可以繼續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的解決方案。經過分析，發現當中間支撐的位置正好在豎撐下方時，優選方案如圖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，桁架的設計方案需要一定的變動，如果一味地按某一固定的設計習慣進行設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計

特殊情況下，因建筑設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計

5 結論

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力和應變云圖，受篇幅所限，文中僅列出了無中間支撐時方案一的應力、應變云圖，無中間支撐的其他7 個方案以及帶有中間支撐時的8個方案僅將其應力與應變的計算結果進行分析比較。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，得出更加合理的設計方案，從而在相同的金屬材料用料情況下，得到了更加優秀的金屬骨架強度設計，為具體項目自動扶梯的金屬骨架設計提供了有價值的參考。這一研究結果對于那些應力應變原本就處于臨界狀態的自動扶梯更有參考和借鑒意義。