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广州广日电梯工业有限公司 523000
摘要：文章首先简要介绍了自动扶梯的结构及其工作原理，在此基础上运用有限元的方法对重载自动扶梯桁架及梯级安全性能进行分析，最后提出提高重载自动扶梯梯级安全系数的有效途径。期望通过本文的研究能够对重载自动扶梯整体安全性能的提升有所帮助。
关键词：有限元分析；自动扶梯；桁架；梯级；安全
1自动扶梯的结构及其工作原理
自动扶梯又被称之为电动扶梯，它是一种以运输带方式进行行人运输的工具。通常情况下，自动扶梯的形式均是以倾斜设置为主，行人在扶梯的底端站上自动行走的梯级后，便可被传输到扶梯的顶端，在整个过程中，梯级始终都会保持水平状态。
1.1自动扶梯的结构
自动扶梯主要是由以下几个部分组成：梯级、牵引链条、导轨、传动系统、驱动系统、电气系统、桁架等等。自动扶梯运行的过程中，梯级一般都是在扶梯的底端呈水平运动，之后会逐渐形成阶梯，并在抵达扶梯另一端时，阶梯会逐渐消失，梯级再度进行水平运动，上述运动过程全部都是由梯级主、辅轮沿不同的梯级导轨行走来实现的。
1.2自动扶梯的基本工作原理
链条是自动扶梯的核心组成部件，一座扶梯上通常有两根链条，它们绕着两对齿轮进行循环转动；在扶梯的顶部，有一台电动机对传动齿轮进行驱动，以此来转动链圈。常规的自动扶梯一般都是采用100马力的发动机转动链条，这两个部件则是安装在扶梯桁架上。自动扶梯的每个台阶上都配有两组轮子，其会沿着分离的轨道进行转动，靠近台阶顶部的轮子与转动的链条相连接，并由驱动齿轮进行带动，其它的轮子会沿着轨道进行滑动，并始终跟在第一组轮子的后面。
2重载自动扶梯桁架及梯级安全性能的有限元分析
重载自动扶梯最为显著的工作特性是载重大、运行时间长，故此对这种类型扶梯的主要承载构件，如桁架、梯级等的安全性和可靠性要求较高。通过对一些重载自动扶梯进行研究后发现，其在设计时过于偏重安全，从而导致扶梯的整体结构十分笨重，材料用量也随之增多。扶梯的轻量化设计对其主要承载构件提出了更高的要求，即在满足安全性能的基础上，尽可能减少材料的用量，节约成本。有限元分析简称FEA，它是一种借助数学近似的方法对真实物理系统进行模拟仿真的分析方法，其被广泛应用于诸多领域，尤其是在工程设计中，更具应用优势。鉴于此，下面本文以有限元分析的方法对重载自动扶梯设计阶段的桁架和梯级的安全性能进行研究。
2.1有限元建模
在本次分析中，重载自动扶梯桁架结构的薄壁板材采用壳体单元进行结构构建，并以实体单元对螺栓联接进行模拟，螺栓的载荷以温度法进行施加，即对节点施加负温度值，在冷缩的效应下使螺栓产生出拉紧力，桁架的材质为Q235A型钢。根据我国现行的GB16899规范标准中的规定要求，自动扶梯桁架结构计算的乘客载荷是以梯级水平投影面积作为基准的载荷，该规范中给出的乘客载荷为5000N/㎡。为了方便在有限元模型中进行加载，本次分析中，将乘客、扶手、栏杆、梯级等面荷载全都转换为线荷载，并全部加载至桁架上，载荷的具体分布情况如表1所示。
表1 桁架线载荷的分布情况（单位：N/mm）
载荷的具体类型 扶手+栏杆 梯级+导轨 乘客 其它
上水平部 1.05 1.75 5.62 0.38
中间倾斜部 1.05 1.75 5.43 0.38
下水平部 1.05 1.75 5.62 0.38
本次分析中的集中载荷主要包括以下部件的重量：主机、驱动张紧机构、扶手带驱动机以及控制柜等，按照实际的位置将这些部件的重量分别加载至相应的节点上。根据载荷的具体施加情况，可将桁架的计算工况分为以下几种情况：第一种工况为集中载荷+分布载荷+扶梯自重；第二种工况仅为乘客的载荷；第三种工程为为第一和第二种工况的载荷。
2.2计算结果及分析
2.2.1桁架的安全性能。经过相关计算后，得出三种工况下桁架的位移及应力分布，如表2所示。
表2 三种工况下桁架的位移与应力情况
工况 第一种工况 第二种工况 第三种工况
X向最大位移（mm） 2.5 2.8 5.8
Z向最大位移（mm） -11.5 -11.8 -23.5
最大合成位移（mm） 11.5 11.8 25.2
最大应力（MPa） 95 98 190
由表2可知，在第二种工况下的桁架最大应力为98MPa，桁架的材质为Q235A型钢，查询相关资料后得知，该钢材的屈服极限为235MPa，抗拉强度极限为398MPa，故此，从理论的角度上讲，桁架在该工况下不会产生塑性变形，即达不到破坏极限。此外，在该工况下，计算挠度为11.8mm，其结构变形的允许值为18.5mm，可判定其符合变形要求。
2.2.2梯级的安全性能。经计算后得出上述三种工况下，梯级结构的最大变形位置在踢板下部中间位置，最大变形量为1.35mm，踏面载荷施加位置的变形量较小，约为0.9-1.05mm。根据GB16899规范中的规定要求，自动扶梯的梯级踏面挠度应当≤4mm，由有限元分析结果可知，其变形量仅为1.35mm，由此可判断梯级在上述三种工况下均满足安全性能要求。
3提高重载自动扶梯梯级安全系数的有效途径
由上文分析可知，在仅有乘客载荷的条件下，扶梯的梯级安全性能基本能够达到规范标准的要求。为了进一步提高梯级的安全系数，下面提出几点建议：
3.1增大围裙板刚度
由于微动开关一般都是设置在局部区域，其并非是全行程设置，故此，在开关以外的区域内仍然有可能发生伤害事故，换言之，开关之外的区域并非是绝对安全的。为了解决这一问题，可在不设置微动开关的前提下，通过增大围裙板的刚度，来确保梯级与围裙板之间的安全间隙，由此便可降低伤害事故的发生几率。
3.2合理应用填充装置
为了进一步提高梯级的安全系数，可在梯级的两侧间隙处加装填充装置，即填充板，它是由塑料和干润滑剂制成，其位置可以通过弹簧予以保持。在扶梯的整个行程内填充板与围裙板相接触，并将梯级与围裙板之间的间隙填满，大量的实践表明，加装填充板的自动扶梯安全系数更高。
3.3防夹装置
目前，在自动扶梯上使用的防夹装置有两种，一种是橡胶条，另一种是毛刷。
3.3.1橡胶条防夹。这是比较经济且实用的防夹措施，具体做法是将橡胶条压制成D型截面，并与围裙板进行固定，因橡胶条本身具有较大的摩擦系数，当乘客踏上之后，会产生出被牵拉的感觉，由此便会离开梯级侧端，从而避免了伤害事故的发生。在应用橡胶条时需要做好固定点的维护工作，以免橡胶条松动引起危险。
3.3.2毛刷防夹。这种防夹装置主要是由基座和毛刷两个部分构成，前者为单元体结构，应当牢固且不会断裂；后者应当比较柔软，且还应具有一定的硬度。该装置可安装在扶梯进口处梳齿板前50cm左右的位置处，全面覆盖梯级与围裙板间的间隙。
结论：
综上所述，本文基于有限元的方法对重载自动扶梯的桁架及梯级的安全性能进行了分析，结果表明，在乘客载荷的条件下，自动扶梯的安全性能符合规范标准的规定要求。同时，为了进一步提高扶梯的安全性，提出了几点增大梯级安全系数的措施。期望通过本文的研究可以为自动扶梯整体安全性能的提升有所帮助。
参考文献：
[1]洪致育.谢明军.自动扶梯的发展趋向——多驱动组合式自动扶梯[J].起重运输机械.2011（9）.
[2]刘季能.论自动扶梯和自动人行道的非操纵逆转保护装置[J].质量技术监督研究.2011（10）.
[3]张志富.超超.基于多级驱动变频调速的节能自动扶梯的设计与研究[J].起重运输机械.2013（7）.
[4]黄忠堂.浅谈影响自动扶梯安全运行的主要原因分析[J].城市轨道交通研究.2014（10）.
[5]程东霁.自动扶梯金属刚架结构的分析及其优化[J].长江大学学报.2010（6）.
摘要：文章首先简要介绍了自动扶梯的结构及其工作原理，在此基础上运用有限元的方法对重载自动扶梯桁架及梯级安全性能进行分析，最后提出提高重载自动扶梯梯级安全系数的有效途径。期望通过本文的研究能够对重载自动扶梯整体安全性能的提升有所帮助。
关键词：有限元分析；自动扶梯；桁架；梯级；安全
1自动扶梯的结构及其工作原理
自动扶梯又被称之为电动扶梯，它是一种以运输带方式进行行人运输的工具。通常情况下，自动扶梯的形式均是以倾斜设置为主，行人在扶梯的底端站上自动行走的梯级后，便可被传输到扶梯的顶端，在整个过程中，梯级始终都会保持水平状态。
1.1自动扶梯的结构
自动扶梯主要是由以下几个部分组成：梯级、牵引链条、导轨、传动系统、驱动系统、电气系统、桁架等等。自动扶梯运行的过程中，梯级一般都是在扶梯的底端呈水平运动，之后会逐渐形成阶梯，并在抵达扶梯另一端时，阶梯会逐渐消失，梯级再度进行水平运动，上述运动过程全部都是由梯级主、辅轮沿不同的梯级导轨行走来实现的。
1.2自动扶梯的基本工作原理
链条是自动扶梯的核心组成部件，一座扶梯上通常有两根链条，它们绕着两对齿轮进行循环转动；在扶梯的顶部，有一台电动机对传动齿轮进行驱动，以此来转动链圈。常规的自动扶梯一般都是采用100马力的发动机转动链条，这两个部件则是安装在扶梯桁架上。自动扶梯的每个台阶上都配有两组轮子，其会沿着分离的轨道进行转动，靠近台阶顶部的轮子与转动的链条相连接，并由驱动齿轮进行带动，其它的轮子会沿着轨道进行滑动，并始终跟在第一组轮子的后面。
2重载自动扶梯桁架及梯级安全性能的有限元分析
重载自动扶梯最为显著的工作特性是载重大、运行时间长，故此对这种类型扶梯的主要承载构件，如桁架、梯级等的安全性和可靠性要求较高。通过对一些重载自动扶梯进行研究后发现，其在设计时过于偏重安全，从而导致扶梯的整体结构十分笨重，材料用量也随之增多。扶梯的轻量化设计对其主要承载构件提出了更高的要求，即在满足安全性能的基础上，尽可能减少材料的用量，节约成本。有限元分析简称FEA，它是一种借助数学近似的方法对真实物理系统进行模拟仿真的分析方法，其被广泛应用于诸多领域，尤其是在工程设计中，更具应用优势。鉴于此，下面本文以有限元分析的方法对重载自动扶梯设计阶段的桁架和梯级的安全性能进行研究。
2.1有限元建模
在本次分析中，重载自动扶梯桁架结构的薄壁板材采用壳体单元进行结构构建，并以实体单元对螺栓联接进行模拟，螺栓的载荷以温度法进行施加，即对节点施加负温度值，在冷缩的效应下使螺栓产生出拉紧力，桁架的材质为Q235A型钢。根据我国现行的GB16899规范标准中的规定要求，自动扶梯桁架结构计算的乘客载荷是以梯级水平投影面积作为基准的载荷，该规范中给出的乘客载荷为5000N/㎡。为了方便在有限元模型中进行加载，本次分析中，将乘客、扶手、栏杆、梯级等面荷载全都转换为线荷载，并全部加载至桁架上，载荷的具体分布情况如表1所示。
表1 桁架线载荷的分布情况（单位：N/mm）
载荷的具体类型 扶手+栏杆 梯级+导轨 乘客 其它
上水平部 1.05 1.75 5.62 0.38
中间倾斜部 1.05 1.75 5.43 0.38
下水平部 1.05 1.75 5.62 0.38
本次分析中的集中载荷主要包括以下部件的重量：主机、驱动张紧机构、扶手带驱动机以及控制柜等，按照实际的位置将这些部件的重量分别加载至相应的节点上。根据载荷的具体施加情况，可将桁架的计算工况分为以下几种情况：第一种工况为集中载荷+分布载荷+扶梯自重；第二种工况仅为乘客的载荷；第三种工程为为第一和第二种工况的载荷。
2.2计算结果及分析
2.2.1桁架的安全性能。经过相关计算后，得出三种工况下桁架的位移及应力分布，如表2所示。
表2 三种工况下桁架的位移与应力情况
工况 第一种工况 第二种工况 第三种工况
X向最大位移（mm） 2.5 2.8 5.8
Z向最大位移（mm） -11.5 -11.8 -23.5
最大合成位移（mm） 11.5 11.8 25.2
最大应力（MPa） 95 98 190
由表2可知，在第二种工况下的桁架最大应力为98MPa，桁架的材质为Q235A型钢，查询相关资料后得知，该钢材的屈服极限为235MPa，抗拉强度极限为398MPa，故此，从理论的角度上讲，桁架在该工况下不会产生塑性变形，即达不到破坏极限。此外，在该工况下，计算挠度为11.8mm，其结构变形的允许值为18.5mm，可判定其符合变形要求。
2.2.2梯级的安全性能。经计算后得出上述三种工况下，梯级结构的最大变形位置在踢板下部中间位置，最大变形量为1.35mm，踏面载荷施加位置的变形量较小，约为0.9-1.05mm。根据GB16899规范中的规定要求，自动扶梯的梯级踏面挠度应当≤4mm，由有限元分析结果可知，其变形量仅为1.35mm，由此可判断梯级在上述三种工况下均满足安全性能要求。
3提高重载自动扶梯梯级安全系数的有效途径
由上文分析可知，在仅有乘客载荷的条件下，扶梯的梯级安全性能基本能够达到规范标准的要求。为了进一步提高梯级的安全系数，下面提出几点建议：
3.1增大围裙板刚度
由于微动开关一般都是设置在局部区域，其并非是全行程设置，故此，在开关以外的区域内仍然有可能发生伤害事故，换言之，开关之外的区域并非是绝对安全的。为了解决这一问题，可在不设置微动开关的前提下，通过增大围裙板的刚度，来确保梯级与围裙板之间的安全间隙，由此便可降低伤害事故的发生几率。
3.2合理应用填充装置
为了进一步提高梯级的安全系数，可在梯级的两侧间隙处加装填充装置，即填充板，它是由塑料和干润滑剂制成，其位置可以通过弹簧予以保持。在扶梯的整个行程内填充板与围裙板相接触，并将梯级与围裙板之间的间隙填满，大量的实践表明，加装填充板的自动扶梯安全系数更高。
3.3防夹装置
目前，在自动扶梯上使用的防夹装置有两种，一种是橡胶条，另一种是毛刷。
3.3.1橡胶条防夹。这是比较经济且实用的防夹措施，具体做法是将橡胶条压制成D型截面，并与围裙板进行固定，因橡胶条本身具有较大的摩擦系数，当乘客踏上之后，会产生出被牵拉的感觉，由此便会离开梯级侧端，从而避免了伤害事故的发生。在应用橡胶条时需要做好固定点的维护工作，以免橡胶条松动引起危险。
3.3.2毛刷防夹。这种防夹装置主要是由基座和毛刷两个部分构成，前者为单元体结构，应当牢固且不会断裂；后者应当比较柔软，且还应具有一定的硬度。该装置可安装在扶梯进口处梳齿板前50cm左右的位置处，全面覆盖梯级与围裙板间的间隙。
结论：
综上所述，本文基于有限元的方法对重载自动扶梯的桁架及梯级的安全性能进行了分析，结果表明，在乘客载荷的条件下，自动扶梯的安全性能符合规范标准的规定要求。同时，为了进一步提高扶梯的安全性，提出了几点增大梯级安全系数的措施。期望通过本文的研究可以为自动扶梯整体安全性能的提升有所帮助。
参考文献：
[1]洪致育.谢明军.自动扶梯的发展趋向——多驱动组合式自动扶梯[J].起重运输机械.2011（9）.
[2]刘季能.论自动扶梯和自动人行道的非操纵逆转保护装置[J].质量技术监督研究.2011（10）.
[3]张志富.超超.基于多级驱动变频调速的节能自动扶梯的设计与研究[J].起重运输机械.2013（7）.
[4]黄忠堂.浅谈影响自动扶梯安全运行的主要原因分析[J].城市轨道交通研究.2014（10）.
[5]程东霁.自动扶梯金属刚架结构的分析及其优化[J].长江大学学报.2010（6）.