金屬結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的注意要點(diǎn)分析以自動(dòng)扶梯為例

邵志堅(jiān)

（桐鄉(xiāng)市安怡置業(yè)有限公司設(shè)計(jì)部，浙江 嘉興 314000）

引言

現(xiàn)階段，金屬結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)在空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛推廣和應(yīng)用，而在電梯行業(yè)中還沒(méi)有大規(guī)模地應(yīng)用。隨著能源的緊缺、鋼材市場(chǎng)價(jià)格急劇攀升，自動(dòng)扶梯的生產(chǎn)加工行業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到降低扶梯運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能源消耗與金屬結(jié)構(gòu)所需的鋼材的量是具有積極的意義的，即自動(dòng)扶梯面臨著輕量化發(fā)展的緊迫性。在自動(dòng)扶梯的結(jié)構(gòu)中，其主要的承載構(gòu)件為金屬結(jié)構(gòu)，側(cè)面采用的是桁架結(jié)構(gòu)，自動(dòng)扶梯的截面為一開(kāi)口結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)由多種不同型號(hào)的型鋼經(jīng)焊接而成。在對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該確保扶梯結(jié)構(gòu)的整體性能滿(mǎn)足使用要求。

1 選用新型金屬材料

金屬結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)中，宜采用更多的新型輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度材料來(lái)替代目前的碳鋼材料。要滿(mǎn)足上述要求的新型材料目前有兩種較為普遍，其一是質(zhì)量較輕而強(qiáng)度高的非鋼合金，其二就是較普通的碳鋼相比質(zhì)量相對(duì)略輕、強(qiáng)度略高的優(yōu)質(zhì)材料。第一類(lèi)材料在市場(chǎng)中應(yīng)用較為廣泛，也具有較多的應(yīng)用案例可供參考，材料的種類(lèi)較多更具選擇空間，空間結(jié)構(gòu)的輕量化研究中得到較多的驗(yàn)證而被人們所認(rèn)可，這種材料的造價(jià)較為高昂，使得在自動(dòng)扶梯中應(yīng)用造成較高的生產(chǎn)成本。因此，在自動(dòng)扶梯的輕量化過(guò)程中，從投資性?xún)r(jià)比來(lái)看，還不具備應(yīng)用的市場(chǎng)條件。第二類(lèi)新型材料中常見(jiàn)的型材包括優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼材等。第二類(lèi)新型材料的普遍的特征就是，與普通的碳素鋼材相比較，其剛度、屈服強(qiáng)度更高，質(zhì)量略輕。一般第二類(lèi)新型材料中有較大部分的市場(chǎng)價(jià)格符合自動(dòng)扶梯生產(chǎn)投資的經(jīng)濟(jì)性要求，可以在其允許價(jià)格的基礎(chǔ)上選擇剛度、強(qiáng)度符合要求的輕質(zhì)材料，從而實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)自動(dòng)扶梯的輕量化設(shè)計(jì)。此外，選用新型材時(shí)還需要結(jié)合焊接工藝，確保焊接裝配后的金屬結(jié)構(gòu)的整體剛度滿(mǎn)足要求。

2 金屬結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則

剛度和強(qiáng)度是金屬結(jié)構(gòu)性能的判定指標(biāo)，有些金屬結(jié)構(gòu)在最初設(shè)計(jì)時(shí)由于沒(méi)有進(jìn)行細(xì)致的分析計(jì)算，導(dǎo)致其剛度和強(qiáng)度有較大冗余。可對(duì)這類(lèi)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化。在輕量化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以控制其剛度為主，因?yàn)閯偠戎苯佑绊懽詣?dòng)扶梯梯路運(yùn)動(dòng)件（包括梯級(jí)、滾輪等）與靜止件（包括導(dǎo)軌、支架）之間的配合，對(duì)自動(dòng)扶梯的運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。

2.2 金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要措施

自動(dòng)扶梯的金屬結(jié)構(gòu)中以主弦桿、接頭和底板等的質(zhì)量比重較大，同時(shí)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度冗余也一般在這些部件中體現(xiàn)。所以，需要結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量分布特點(diǎn)和剛度、強(qiáng)度特性，來(lái)研究如何降低這些部件的質(zhì)量。通常使用的方法或措施主要包括下述三個(gè)方面：

2.2.1 減小主弦桿的截面積

鋼材的密度為7850kg/m3，主弦桿的截面面積每減小1cm2，質(zhì)量可減少0.785kg/m。主弦桿的總長(zhǎng)度一般為數(shù)十米甚至上百米，因此該措施對(duì)減輕質(zhì)量的效果非常明顯。為確保金屬結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，一般不減小上弦桿的截面面積，但可以適當(dāng)?shù)販p小下弦桿的截面面積。

2.2.2 減少底板厚度

底板是金屬結(jié)構(gòu)中必不可少的部件，它提高了金屬結(jié)構(gòu)的剛度和抗扭性能，同時(shí)還兼具防塵、儲(chǔ)油等輔助功能。金屬結(jié)構(gòu)中的底板長(zhǎng)度一般從十幾米到幾十米不等，覆蓋整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的底部，因此減少其厚度對(duì)質(zhì)量影響很大。如圖1所示，鋼底板的厚度隨其厚度的增加而增大，當(dāng)厚度為3mm是鋼底板剛度增速的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)大于3mm時(shí)，剛度增大速度加快。有限元計(jì)算果和實(shí)際應(yīng)用表明，當(dāng)?shù)装搴穸却笥?mm時(shí)，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的剛度的貢獻(xiàn)比較明顯；當(dāng)?shù)装搴穸刃∮? mm時(shí)，其作用更多體現(xiàn)在防塵、儲(chǔ)油等方面，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)則隨底板厚度的減小而迅速減少。且底板厚度不應(yīng)小于1.5 mm，否則人無(wú)法站在底板上進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)的焊接裝配操作。因此，在考慮減少底板厚度時(shí)，必須確保金屬結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和抗扭性能，否則在自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)有發(fā)生活動(dòng)梯級(jí)與裙板碰擦事故的安全隱患。

圖1 剛度與厚度關(guān)系（注：q為擬合函數(shù)的指數(shù)參數(shù)）

2.2.3 減少接頭數(shù)量

接頭是金屬結(jié)構(gòu)中各段的連接部件。在提升高度較大的金屬結(jié)構(gòu)上接頭數(shù)量往往較多，因此采用合理的設(shè)計(jì)來(lái)減少整體結(jié)構(gòu)的接頭組數(shù)，對(duì)減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量很有幫助。

通常在實(shí)施了上述的三個(gè)輕量化措施后，金屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可以得到較大程度的降低，除此之外，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)合理地減輕其他構(gòu)件的質(zhì)量。有必要注意的就是在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性以及整體剛度，避免發(fā)生局部強(qiáng)度不足而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合空間結(jié)構(gòu)對(duì)于金屬構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)方法，本文針對(duì)自動(dòng)扶梯的金屬結(jié)構(gòu)的輕量化提出了兩個(gè)主要的措施：一是選擇輕質(zhì)、高強(qiáng)的新型優(yōu)質(zhì)型材替代普通碳素鋼來(lái)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低部件質(zhì)量的目的；二是對(duì)于剛度、強(qiáng)度存在較大冗余的部件進(jìn)行合理的改進(jìn)設(shè)計(jì)，降低質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)輕量化。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)一般可以通過(guò)減小下弦桿的截面積、底板厚度等達(dá)到輕量化目標(biāo)。

[1] 黃鑫.超大跨度自動(dòng)扶梯支撐設(shè)計(jì)新方案探討[J].裝備制造，2010（04）.