浅析自动扶梯金属骨架的设计

付春平

（苏州市职业大学机电工程学院，江苏 苏州 215104）

随着社会经济的发展与人民生活水平的提高，自动扶梯作为一种常用的交通工具，已被广泛应用于商场、机场、地铁、火车站等各个场所。自动扶梯由驱动装置、金属骨架、梯级系统、扶手装置等结构组成，金属骨架是自动扶梯系统中最重要的承载部件，承载自动扶梯的全部质量。自动扶梯的生产制造标准GB 16899—2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装附加规范》及自动扶梯相关推荐标准等对自动扶梯的支撑结构即金属骨架的设计有明确的要求，主要是自动扶梯在受载情况下的最大扰度要求。

高铁、地铁等公共交通领域的自动扶梯具有工作环境差、高负荷运转、使用时间长、启动频繁等特点，尤其很多自动扶梯安装于户外、暴露于雨水之下，自动扶梯金属骨架容易产生锈蚀，安全隐患大。因此，对公共交通领域的自动扶梯金属骨架要求更加严格，要求所用金属支撑结构安全系数更大、受载情况下扰度更小。如果简单通过增加材料用量，用冗余设计达到特殊要求，必将增加自动扶梯自重，同时增加材料成本，显然不合理。本文接下来将重点分析各种情况下的金属骨架设计，利用有限元分析对比不同的设计方案，从而得出更加合理的解决方案。

1 金属骨架常见的几种设计方案

目前各主要自动扶梯生产厂家的自动扶梯金属骨架设计都非常接近，但也略有不同，从自动扶梯金属骨架其主弦杆所用材料上看，可以分为矩形管结构的金属骨架和角钢结构的金属骨架。除了金属骨架上、下主弦杆以外，还有竖撑和斜撑等杆件与上、下主弦杆焊接形成网状结构，所谓的竖撑就是垂直于上、下主弦杆的杆件，所谓斜撑就是连接上、下弦杆和竖撑间形成的封闭四边形对角线的杆件，主要是起到稳定作用。显然，斜撑的布置可以有多种情况出现。通过调研及实际统计，斜撑的布置基本可以分为8 种方案，如图1 所示。具体为方案一的斜撑布置一律斜向下、方案二的斜撑布置一律向右、方案三的斜撑布置先向下后向右、方案四的斜撑布置先向右后再向下、方案五—方案八分别在方案一—方案四基础上改变了上折角处的布局。这8 种方案基本上在材料用料、设备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强度效果呢？接下来将要探究不同的斜撑布置方式在受力之后导致的金属骨架的强度和刚度变化。

图1 金属骨架常见的几种布局方案

2 建模及有限元分析

有限元分析应选择合理的单元类型，梁单元用于生成三维结构的一维理想化单元模型，与实体单元和壳单元相比，梁单元求解效率更高。BEAM188 和BEAM189 梁单元提供了更强大的非线性分析能力，更出色的截面数据定义功能和可视化特性。其中，BEAM188 单元具有1 个轴向分量、2 个剪应力分量共3 个应力分量。在横截面上，横向剪应变是常量，剪切能是横向剪力的函数，剪力在横截面上按照预定的剪应力分布系数重新分布，使得输出的横向剪力值是有效的。SHELL63 允许使用面内载荷和法向载荷，每个节点有6 个自由度，分别是沿、、方向的平动和转动，且包含了处理应力钢化和大变形功能，在大变形有限元分析中，只要选中相容正切刚度矩阵选项即可。根据金属骨架的结构特点，本文选用BEAM188和SHELL63 这2 种单元类型，据此对各种方案下的金属骨架进行建模并进行有限元分析。

首先对方案一进行建模，建立约束条件并加载，通过ANSYS 软件分析计算得出应力和应变云图，分别如图2 和图3 所示。从计算结果上可以看出，方案一的最大应力为126.108 MPa，最大应变为12.492 mm。按此逻辑，继续完成方案二—方案八的建模及有限元分析，并得出各自对应的最大应力值和最大应变值，并将其统计在表1 中。

图2 方案一受载后的应力云图

图3 方案一受载后的应变云图

表1 各方案应力应变统计表

3 各方案间的对比分析

在对8 个设计方案进行有限元分析后，得出了各自的应力和应变数值，显然在同等受力的情况下，应力越小、应变越小就越优秀。如果简单以应力或应变中任一单一指标进行优劣对比，那分析变得非常简单，实际上必须兼顾应力和应变2 个指标。为此，提出得分“评分求和”和“评分求积”2 种对比方案。具体是将8 个方案中应力最小的计100 分，按应力值比例分别给出另外7 种方案的对应比例分。同样道理，将应变最小的计100 分，其他方案按比例得出各自的对应分值。为了有效兼顾应力与应变2 项指标，将应力计算得分和应变计算得分分别进行“评分求和”和“评分求积”处理。根据“评分求和”和“评分求积”计算后的结果再进行排序，具体如表2 所示。

从表2 中可以看出，单独从应力计算结果上看，方案五最优，方案三次之，方案四最差。单独从应变即扰度计算结果来看，方案七最佳，方案三次之，方案八最差。由于引入了“评分求和”和“评分求积”2 种方案。从“评分求和”后的结果来看，方案七最佳，方案三次之，方案八最差；从“评分求积”后的结果看，依然是方案七最佳，方案三次之，方案八最差。无论是采用哪种分析方案，都是方案七最优，方案八最差，而且最优方案七和最差方案八之间的分值相差也比较大，说明在不同方案间进行遴选还是有必要的。也就是说，自动扶梯金属骨架的斜撑布置方案有优劣之分，工程师在金属骨架设计之初就应该充分认识到斜撑该如何布置才合理，以获得最优的金属骨架设计方案。

表2 各方案应力应变对比分析表

表2（续）

4 带有中间支撑时的金属骨架设计

前文分析了自动扶梯在没有中间支撑的情况下，金属骨架如何设计将得到更好的强度和刚度。有时因为自动扶梯跨距太大，会设置中间支撑，那么有了中间支撑后，自动扶梯的金属骨架又该如何设计呢，还可以继续沿用前文提到的方案七吗？如果不能沿用，那中间支撑处的各种竖撑、斜撑又该如何布置呢？

同样的，在各种可能的情况下将带有中间支撑的金属骨架设计方案分成8 种，分别建模并进行有限元分析，通过“评分求积”和“评分求和”2 种不同计算方法得出最优的解决方案。经过分析，发现当中间支撑的位置正好在竖撑下方时，优选方案如图4 所示。图中显示了3 个斜撑，即斜撑①、斜撑②、斜撑③，3个斜撑的布置方向明显与前文不带中间支撑时的方案七不同，这就说明，带有中间支撑时，桁架的设计方案需要一定的变动，如果一味地按某一固定的设计习惯进行设计那很难得到理想的效果。

图4 中间支撑在竖撑正下方时的金属骨架设计

特殊情况下，因建筑设计原因中间支撑的位置不在竖撑正下方时，通过计算得出优选方案，如图5所示，同样需注意图中斜撑①、斜撑②、斜撑③的布置方式。

图5 中间支撑不在竖撑正下方时的金属骨架设计

5 结论

无论自动扶梯是否带有中间支撑，都可以对各种可能的斜撑布置方案进行建模及有限元分析，分析之后都将得到各自的应力和应变云图，受篇幅所限，文中仅列出了无中间支撑时方案一的应力、应变云图，无中间支撑的其他7 个方案以及带有中间支撑时的8个方案仅将其应力与应变的计算结果进行分析比较。总之，通过对自动扶梯金属骨架竖撑和斜撑的合理布局，利用有限元分析手段，得出更加合理的设计方案，从而在相同的金属材料用料情况下，得到了更加优秀的金属骨架强度设计，为具体项目自动扶梯的金属骨架设计提供了有价值的参考。这一研究结果对于那些应力应变原本就处于临界状态的自动扶梯更有参考和借鉴意义。