公共交通型自動(dòng)扶梯傳動(dòng)鏈條及桁架的安全性能分析

馬幸福

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電梯工程學(xué)院，湘潭 411101)

公共交通型自動(dòng)扶梯傳動(dòng)鏈條及桁架的安全性能分析

馬幸福

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電梯工程學(xué)院，湘潭 411101)

為了消除公共交通型自動(dòng)扶梯高負(fù)荷、長時(shí)間運(yùn)行過程中存在的安全隱患，運(yùn)用理論計(jì)算方法分析了梯級傳動(dòng)鏈條、主驅(qū)動(dòng)鏈條的安全系數(shù)，運(yùn)用有限元分析方法研究了在滿載工作條件下金屬桁架的強(qiáng)度特性.研究表明，梯級傳動(dòng)鏈條、主驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈條安全系數(shù)足夠，金屬桁架最大變形位于梯級傾斜段中間位置，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求.該分析方法可為公共交通型自動(dòng)扶梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考，確保自動(dòng)扶梯的安全性.

自動(dòng)扶梯；傳動(dòng)鏈條；金屬桁架；安全系數(shù)；有限元

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活水平的日益提高，自動(dòng)扶梯作為一種方便快捷的交通運(yùn)輸工具，已經(jīng)在商業(yè)中心、地鐵站、醫(yī)院等公共場所得到了廣泛的使用.根據(jù)使用場合與載荷程度，自動(dòng)扶梯可以分為普通型自動(dòng)扶梯與公共交通型自動(dòng)扶梯.公共交通型自動(dòng)扶梯屬于公共交通系統(tǒng)，每周運(yùn)行時(shí)間約140 h，且在任何3 h的間隔內(nèi)，其載荷達(dá)到100%制動(dòng)載荷的持續(xù)時(shí)間不低于0.5 h.因此公共交通型自動(dòng)扶梯具有工作環(huán)境差、高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、使用時(shí)間長、啟動(dòng)頻繁等特點(diǎn)[1-4]，安全隱患大.自動(dòng)扶梯作為特種設(shè)備，一旦發(fā)生重大安全事故，將產(chǎn)生惡劣的社會影響.例如2014年北京動(dòng)物園地鐵站自動(dòng)扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈條脫落導(dǎo)致扶梯發(fā)生逆行，造成1人死亡、3人重傷、27人輕傷，引起了社會對自動(dòng)扶梯安全的深度擔(dān)憂.

自動(dòng)扶梯由驅(qū)動(dòng)裝置、金屬桁架、梯級系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示.金屬桁架、傳動(dòng)鏈條是自動(dòng)扶梯系統(tǒng)中最重要的承載部件.其中梯級傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)乘客上下運(yùn)行，主驅(qū)動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)扶手及梯級部件上下運(yùn)行，金屬桁架承載自動(dòng)扶梯的全部重量.因此，在公共交通型自動(dòng)扶梯的設(shè)計(jì)過程中，需要對梯級傳動(dòng)鏈條、主驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈條、金屬桁架等關(guān)鍵承載部件進(jìn)行重點(diǎn)分析計(jì)算，從而保證整機(jī)系統(tǒng)的可靠性與安全性.

目前自動(dòng)扶梯整機(jī)制造企業(yè)大多基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)方法進(jìn)行生產(chǎn)制造，或依靠扶梯配件生產(chǎn)企業(yè)提供的型式試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)參考，對于梯級傳動(dòng)鏈條、主驅(qū)動(dòng)鏈條等關(guān)鍵傳動(dòng)部件的安全系數(shù)并未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，造成自動(dòng)扶梯整機(jī)結(jié)構(gòu)笨重[5-8].

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元分析方法、虛擬技術(shù)[9-13]等分析方法在工程制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可以簡化復(fù)雜的手動(dòng)計(jì)算工作，快速計(jì)算分析對象的力學(xué)特性，并且計(jì)算結(jié)果也接近實(shí)際情況.

本文運(yùn)用工程力學(xué)及材料力學(xué)理論原理，對公共交通型自動(dòng)扶梯梯級傳動(dòng)鏈條及主驅(qū)動(dòng)鏈條工作載荷及安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；運(yùn)用有限元方法對金屬桁架的剛度與強(qiáng)度進(jìn)行分析，以期為公共交通型自動(dòng)扶梯的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)的安全性能提供參考依據(jù).

圖1 自動(dòng)扶梯結(jié)構(gòu)示意圖

1 梯級傳動(dòng)鏈條分析

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

梯級傳動(dòng)鏈條主要驅(qū)動(dòng)乘客及梯級系統(tǒng)運(yùn)行，本文分析的公共交通型自動(dòng)扶梯梯級傳動(dòng)鏈條相關(guān)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 梯級傳動(dòng)鏈條設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 梯級傳動(dòng)鏈條張力計(jì)算

梯級傳動(dòng)鏈條運(yùn)行的阻力主要來自梯路系統(tǒng)、梯級系統(tǒng)、扶手系統(tǒng)及乘客自重幾部分，各系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果如下：

梯路上分支傾斜區(qū)段乘客載荷形成的阻力：

W1=qkBLm(sinα+μtcosα)=16761 N

梯路上分支水平區(qū)段乘客載荷形成的阻力：W2=qkB(l1+l2)μt=348 N

上分支與下分支傾斜區(qū)段梯路自重形成的阻力：W3=2QtμtLm/Lt=637 N

上分支與下分支水平區(qū)段梯路自重形成的阻力：W4=2Qtμt(l1+l2)/Lt=231 N

梯級曲線區(qū)段的運(yùn)行阻力：

W6=ψQtμt/Lt=63 N；

扶手系統(tǒng)施加的阻力：

W7=4qf(Lm+l1+l2)×μe×μf=645 N

自動(dòng)扶梯系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的總阻力：

梯級傳動(dòng)鏈條承受的阻力為：

∑W′ =[∑W-(W3+W4+W6)]×

50/35+(W3+W4+W6)=25863 N

每根梯級傳動(dòng)鏈條承受阻力F1=12931.5 N，承受張緊裝置所產(chǎn)生的張力F2=5320 N，所以每根鏈條承受的總張力為F1+F2=18251.5 N.

1.3 梯級傳動(dòng)鏈條強(qiáng)度校核

單節(jié)梯級及梯級傳動(dòng)鏈條自重W=285 N，梯路系統(tǒng)水平投影長度修正值ΔLm=0.58 m，牽引鏈條初張力Fc=1000 N，梯級傳動(dòng)鏈條破斷載荷Fb=123000 N，梯級和梯級傳動(dòng)鏈條在運(yùn)行方向上的自重力及乘客載荷在運(yùn)行方向上的力分別為：

FHV=(Lm-ΔLm)qBsinα=28550 N

梯級傳動(dòng)鏈條在每邊緊邊上所受的力：

FJ=0.5(FHG+FVG+0.5T)=16909.5 N

梯級傳動(dòng)鏈條安全系數(shù)計(jì)算：

2 主驅(qū)動(dòng)鏈條分析

主驅(qū)動(dòng)鏈條連接主機(jī)與驅(qū)動(dòng)主軸，驅(qū)動(dòng)主軸再分別與梯級系統(tǒng)、扶手系統(tǒng)進(jìn)行同步傳動(dòng).與主驅(qū)動(dòng)鏈條相關(guān)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示.

表2 主驅(qū)動(dòng)鏈條設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 扶手系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

扶手帶傳動(dòng)路線可細(xì)化為15個(gè)曲線段，如圖2所示，每個(gè)曲線段阻力系數(shù)為CRR，CRR0_1表示0-1曲線段的阻力系數(shù)，L0_1表示0-1曲線段的長度.

圖2 扶手帶傳動(dòng)示意圖

分別計(jì)算15個(gè)曲線段的運(yùn)行張力：

S0=300+qfH=475 N、

S1=S0CRR0_1=486.9 N、

S2=S1-qfL1-2(sinα-CORcosα)=346.6 N、

S3=S2CRR2_3=359.5 N、

S4=S3+qfL3-4(sinα+CORcosα)=369.8 N，

同理可依次計(jì)算得S5=375.7 N、S6=376 N、S7=445.6 N、S8=543.6 N、S9=614.8 N、S10=1030 N、S11=614.8 N、S12=1033.2 N、S13=1221.2 N、S14=1214.3 N、S15=1231.3 N.

扶手摩擦輪圓周力Pw=S15-S0=756.3 N，扶手帶驅(qū)動(dòng)鏈輪的圓周力Pt=1.115Pw=843 N.扶手帶驅(qū)動(dòng)鏈輪力矩MHW=385 N·m，折算到扶手帶驅(qū)動(dòng)鏈輪上的力為FHT=4745.2 N.

2.2 主驅(qū)動(dòng)鏈條強(qiáng)度校核

主驅(qū)動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)乘客及梯級部件上下運(yùn)行，是扶梯動(dòng)力傳送裝置，主要承受乘客、梯級、梯級傳動(dòng)鏈條沿傾斜方向產(chǎn)生的分力及摩擦力.

傾斜曲線段上乘客沿傾斜面產(chǎn)生的分力FHV=HBqcosα=30310.9 N；梯級和梯級鏈條沿斜面的分力FHG=1.5(Qt+Fk)sinα=3408 N；彎曲轉(zhuǎn)向曲線段上乘客載荷引起的曲段轉(zhuǎn)向力

FBV=2FHVsin(α/2)=15690 N；梯級和鏈條引起的曲段轉(zhuǎn)向力FBT=2FHGsin(α/2)=1764 N.

乘客載荷引起的摩擦力：

2413 N

梯級和梯級鏈條引起的摩擦力：

FRG=μc·[(Qt+FK)·cosα+2(Qt+FK)+

FBT]=894.5 N

因此，主驅(qū)動(dòng)鏈條上最大的張緊力為：

33759 N

主驅(qū)動(dòng)鏈條安全系數(shù)計(jì)算：

3 金屬桁架分析

3.1 模型及參數(shù)設(shè)置

金屬桁架是自動(dòng)扶梯最重要的承重部件，它的剛度與強(qiáng)度直接影響整機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性.GB16899-2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》對桁架的剛度與強(qiáng)度提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求.本文運(yùn)用有限元分析方法，在Pro/E軟件中建立公共交通型自動(dòng)扶梯的金屬桁架結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型，轉(zhuǎn)換格式到Ansys有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析.

金屬桁架材料Q235-A，密度7.85×103kg/m3，屈服強(qiáng)度235 MPa，彈性模量默認(rèn)為2×105MPa，泊松比采用0.3，安全系數(shù)取1.5.

3.2 載荷設(shè)置

自動(dòng)扶梯載荷分為乘客載荷及扶梯自重載荷兩部分.乘客載荷均勻分布在自動(dòng)扶梯傾斜段梯級面上，按最大工況時(shí)，每個(gè)梯級上全部站立2名乘客，載荷分布值按國家標(biāo)準(zhǔn)取為5000 N/m2，乘客載荷分布示意圖如圖3所示.

圖3 乘客載荷分布圖

自動(dòng)扶梯自重載荷包括金屬桁架自重、梯級、扶手裝置、裝潢等部件的均勻分布載荷，以及驅(qū)動(dòng)主機(jī)、控制柜等部件的集中分布載荷.將自重載荷按表3所示分布到相應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐作用點(diǎn)上.

表3 自動(dòng)扶梯自重載荷分布表

導(dǎo)軌下頭部加載在A處每邊50%漲緊力，加載在B處每邊50%漲緊力；前沿板和梳齒板加載在C處每邊50%漲緊力；導(dǎo)軌上頭部與扶手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加載在D處每邊50%漲緊力；主驅(qū)動(dòng)裝置加載在E處，每邊各50%漲緊力；前沿板和梳齒板加載在F處每邊50%漲緊力.載荷加載點(diǎn)如圖4～圖6所示.

圖4 扶梯下部載荷分布圖

圖5 扶梯上部載荷分布圖

圖6 驅(qū)動(dòng)裝置集中載荷分布圖

3.3 有限元分析

金屬桁架支撐位置節(jié)點(diǎn)設(shè)置好相應(yīng)約束條件后，對金屬桁架結(jié)構(gòu)的撓度與強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析.

計(jì)算金屬桁架撓度時(shí)，只考慮乘客載荷時(shí)，金屬桁架等效變形分布如圖7所示.由計(jì)算結(jié)果可知，金屬桁架最大變形量發(fā)生在桁架上端部支撐位置.最大變形量為12.425 mm，桁架的最大水平跨距為17.43 m，根據(jù)特種設(shè)備國家標(biāo)準(zhǔn)要求[14-15]，最大變形量要求為：

12.425<17.43，因此最大變形量滿足設(shè)計(jì)要求.

圖7 乘客載荷Mises等效變形分布圖

同時(shí)考慮乘客載荷與扶梯自重載荷時(shí)，金屬桁架Von-mises(第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力)應(yīng)力圖如圖8所示.

圖8 實(shí)際載荷Mises等效應(yīng)力分布圖

由計(jì)算結(jié)果可知，最大的Mises應(yīng)力值發(fā)生在梯級傾斜段中間位置，其他位置應(yīng)力相對均勻.最大的Mises應(yīng)力值為116.972 MPa，小于許用應(yīng)力162 MPa.金屬桁架安全系數(shù)計(jì)算：

綜上所述，自動(dòng)扶梯金屬桁架在自重及額定乘客載重工況下的強(qiáng)度及安全系數(shù)均滿足要求，桁架結(jié)構(gòu)是安全的.

4 結(jié)論

(1)由于公共交通型自動(dòng)扶梯在實(shí)際運(yùn)行過程中，乘客依靠在梯級一側(cè)站立的情況比較嚴(yán)重，因此在偏載情況下，需要考慮梯級傳動(dòng)鏈條及主驅(qū)動(dòng)鏈條的安全系數(shù)，梯級傳動(dòng)鏈條必須具備較高的耐用度以及滾輪承重能力強(qiáng)的要求.需要加強(qiáng)對其日常維護(hù)與保養(yǎng)，杜絕由于鏈條偏載磨損引發(fā)的安全事故.

(2)在滿足撓度的情況下，公共交通型自動(dòng)扶梯金屬桁架的最大應(yīng)力發(fā)生在梯級傾斜段中間位置，最大變形量處于金屬桁架中間位置.因此在生產(chǎn)制造時(shí)，需要著重考慮該區(qū)段的結(jié)構(gòu)裝配；為了達(dá)到扶梯結(jié)構(gòu)的使用壽命，扶梯金屬桁架的防銹能力必須適應(yīng)扶梯外部環(huán)境的變化.

(3)公共交通型自動(dòng)扶梯工作環(huán)境如果是室外，金屬桁架還需作室外防腐處理，增加梯級傳動(dòng)鏈輪保護(hù)裝置、溫度檢測開關(guān)、扶手帶加熱器、機(jī)房及桁架空間汀式加熱器等室外特殊結(jié)構(gòu)；此外，為了防濕防潮，電氣控制柜必須放置在專門外置機(jī)房.

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SafetyPerformanceAnalysisonDrivingChainsandTrussesofPublicTransportTypeEscalator

MA Xing-fu

(Elevator Engineering Institute, Hunan Electrical College of Technology, Xiangtan 411101, China)

In order to eliminate the hidden danger of public transport type escalators with high load and long-running, the theoretical calculation method is adopted to analyze the safety factors of cascade driving chains and the main driving chains, and the finite element method is adopted to analyze the strength characteristics of metal truss under the full load operating conditions. It shows that the cascade driving chains and the main driving chains’ safety factors are sufficient, and the maximum deformation area is located in the middle sloping section of truss, which all meet the national standards. It can provide references for structure design of public transport type escalator and ensure the safety of escalators．

escalator；driving chain；metal truss；safety factor；finite element

TP273

A

1671-119X(2017)03-0031-06

2017-03-27

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(16C0361).

馬幸福(1983-)，碩士，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及系統(tǒng)安全分析.