自動扶梯金屬結構設計中應注意的問題

張震宇

日立電梯（廣州）自動扶梯有限公司 廣東廣州 510660

1 自動扶梯的結構特點及分類

1.1 結構特點

自動扶梯是以電力驅動，在一定方向上能夠大量、連續(xù)運送乘客的開放式運輸機械。具有結構緊湊、安全可靠、安裝維修簡單方便等特點。因此，在客流量大而集中的場所，如車站、地鐵、商場等處，得以廣泛應用。

1.2 分類

扶梯分類方法很多，可從不同角度來分[1]。

（1）按驅動方式分類：有鏈條式或直接式(端部驅動)和齒輪齒條式(中間驅動)兩類。

（2）按使用條件分：有普通型(每周少于140h運行時間)、公共交通型(每周大于140h運行時間)、重載型(在任何3小時間隔內，持續(xù)重載時間至少為1小時)。

（3）按運行速度分：有恒速和可調速兩種。

（4）按梯級運行軌跡分：有直線型(傳統(tǒng)型)、螺旋型、變坡度型3類。

2 自動扶梯金屬結構設計中應注意的問題

2.1 做好原材料的控制

在設計階段，需要技術部門選擇適用的鋼材，盡量在節(jié)省鋼材的前提下達到金屬結構的力學性能。當金屬結構進行生產以后，首先要對外購件進行驗收，對需要進行檢測的金屬進行檢測，確保金屬質量合格。確認質量不合格的，應單獨存放，做好標記，并及時處理。若制造企業(yè)對原材料的把關很不嚴謹，原材料運進制造企業(yè)，制造企業(yè)并不進行檢驗，就直接應用于生產，須知最終造成的質量問題是由制造企業(yè)全部承擔的。所以制造企業(yè)應該加強對原材料的檢驗，這不僅是避免承擔質量問題責任，更重要的是從根本上杜絕質量問題，加強自動扶梯的安全可靠性。原材料檢驗之后進入制造階段，確認原材料質量合格的，注意分類存放，禁止將不同類金屬接觸（比如不銹鋼和碳素鋼不能接觸），并保證存儲原材料所需的自然條件[2]，如溫度、濕度等，確保原材料在焊接前質量仍符合要求。

2.2 做好結構邊緣至形心距離的改變

對于自動扶梯這樣一種較為成熟的產品而言,結構邊緣至形心距離的改變意味著產品的整體尺寸的變化。由于各廠家的產品已經相對成體系,所用配件也達到了標準化設計,所以,如果對整體外形進行改動,勢必帶來一系列的問題,故本文不討論這一部分內容。

2.3 優(yōu)化金屬結構設計實現輕量化

（1）金屬結構優(yōu)化設計的準則。剛度和強度是金屬結構性能的判定指標,有些金屬結構在最初設計時由于沒有進行細致的分析計算,導致其剛度和強度有較大冗余?？蓪@類金屬結構進行優(yōu)化設計,實現輕量化。在輕量化設計時應以控制其剛度為主,因為剛度直接影響自動扶梯梯路運動件(包括梯級、滾輪等)與靜止件(包括導軌、支架)之間的配合,對自動扶梯的運行可靠性至關重要。GB16899《自動扶梯和自動人行道制造與安裝安全規(guī)范》中對自動扶梯的剛度提出了明確要求[3]。

（2）金屬結構優(yōu)化設計的主要措施。在金屬結構中通常占總質量比重較大的部件為主弦材(包括上弦材和下弦材)、底板、駁接等，同時剛度和強度冗余也多出現在這些部件上。因此,根據金屬結構質量分布的特點,研究合理減少這些部件鋼材用量的措施?？刹扇〉拇胧┲饕校?/p>

①減小主弦材(包括上弦材和下弦材)的截面面積。②減少底板厚度。③減少駁接數量(適用于有多組駁接且駁接質量占總質量比重較大的金屬結構)。

以下對這三種措施分別討論。

措施一,鋼材的密度為7850kgm3,主弦桿的截面面積每減小1cm2,質量可減少0.785kgm。主弦桿的總長度一般為數十米甚至上百米,因此該措施對減輕質量的效果非常明顯。對未輕量化的金屬結構有限元模型計算后發(fā)現,結構應力的最大值一般出現在上弦材。為確保金屬結構有足夠的強度,一般不減小上弦材的截面面積,但可以適當地減小下弦材的截面面積。

措施二,底板是金屬結構中必不可少的部件,它提高了金屬結構的剛度和抗扭性能,同時還兼具防塵、儲油等輔助功能。金屬結構中的底板長度一般從十幾米到幾十米不等,覆蓋整個金屬結構的底部,因此減少其厚度對質量影響很大。有限元計算結果和實際應用表明,當底板厚度大于3mm時,對金屬結構的剛度和抗扭性能的貢獻比較明顯;當底板厚度小于3mm時,其作用更多體現在防塵、儲油等方面,對金屬結構剛度的貢獻則隨底板厚度的減小而迅速減少。且底板厚度不應過小,否則人無法站在底板上進行金屬結構的焊接裝配操作。因此在考慮減少底板厚度時,必須確保金屬結構有足夠的剛度和抗扭性能,否則在自動扶梯運行時有發(fā)生活動梯級與裙板碰擦事故的安全隱患。

措施三,駁接是金屬結構中各段的連接部件。某些金屬結構為了連接牢固,保證足夠的剛度,在駁接處采用相對比較復雜的結構,質量也隨之增加。在提升高度較大的金屬結構上駁接數量往往較多,因此采用合理的設計來減少整體結構的駁接組數，對減少結構質量很有幫助。如果受運輸條件及結構剛度限制不能減少駁接組數,那么對駁接的結構進行優(yōu)化設計也可減少質量。對多駁接結構而言,該措施的效果不容忽視。

除以上三種主要措施外,還可根據實際情況有選擇地減輕其他部件的質量。需要注意的是,在輕量化過程中應始終以確保結構的剛度和安全為前提,以避免由于減少結構中各部件的鋼材用量而導致局部剛度或強度不足現象的發(fā)生[4]。

3 結語

綜前所述,在自動扶梯的結構設計中，除了以上需要注意的問題之外，還應注意從以下幾個方面對金屬結構設計予以改進：①提升高度不同，上下弦材可采用具有不同截面的型材。②沒有特殊的結構要求時，上弦材的橫截面尺寸可略大于下弦材。③如果要提高現有產品的強度指標，在維持原有型材不變的情況下，較好的方法是在上弦桿外側貼加強板[5]。④加厚底板及選取適當的加強筋布置方式，能提高析架的抗扭剛度。