自動扶梯梯級固定卡扣受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王立志

東芝電梯（中國）有限公司 遼寧沈陽 110168

隨著人們生活水平的提高，人們對于自動扶梯產(chǎn)品的要求變得更加多樣，所以對于自動扶梯的制造和生產(chǎn)提出了更高的要求，尤其是在自動扶梯產(chǎn)品的安全性上，要通過對梯級固定卡扣的受力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對梯級固定卡扣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并從中找出最為合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，切實(shí)提升自動扶梯產(chǎn)品的安全性，為人們的生命安全帶來有力的保障[1]。

1 梯級固定卡扣的工作原理

自動扶梯的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，最初的產(chǎn)量每年大概在二十臺左右，所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)的想法都相對單調(diào)，結(jié)構(gòu)本身并沒有相應(yīng)的改進(jìn)空間，制作工藝也十分的傳統(tǒng)，所采用的仍然是手工作業(yè)方式，在人員培訓(xùn)的方面仍然采用以老帶新的方法。國外自動扶梯最具代表性的是德國的蒂森克魯勃漢堡工廠，其裝配效率很高且精度具有保障。我國引入德國激光拼接技術(shù)后雖然技術(shù)上有了較大的改善，但成本相對較高。在自動扶梯生產(chǎn)的過程中，梯級固定卡扣的制造是非常重要的，直接決定了整個(gè)自動扶梯的安全性能。從目前的情況來看，一般是采用卡扣或者襯套這兩種方式來實(shí)現(xiàn)對自動扶梯的梯級固定，第一種方式是利用襯套來固定自動扶梯的梯軸，使得梯級以軸為中心來進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，或者運(yùn)用卡扣來對梯級進(jìn)行有效的固定，防止其出現(xiàn)移動的情況。梯級固定卡扣的工作原理就是通過對螺母螺栓中存在的預(yù)緊力來減少其中的結(jié)構(gòu)變形，使得卡扣能夠在軸中擰緊，通過兩側(cè)的卡扣就能夠?qū)崿F(xiàn)梯級在軸中的有效固定，避免其出現(xiàn)移動的情況。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行過程中所反饋的信息，梯級卡扣出現(xiàn)松動的原因主要包括以下幾個(gè)方面：首先是其中的螺母螺栓缺乏足夠的夾緊力，沒有實(shí)現(xiàn)科學(xué)的螺栓選取。其次，所選用的卡扣質(zhì)地較硬，擰緊后沒有達(dá)到預(yù)期的效果，導(dǎo)致了卡扣無法抱緊梯級軸。最后，卡扣在具體的工作當(dāng)中沒能過達(dá)到相應(yīng)的擰緊力矩，且會在后續(xù)投入使用時(shí)出現(xiàn)振動的情況，從而導(dǎo)致螺紋的松動[2]。

2 梯級固定卡扣的受力分析

上文提到了梯級固定卡扣的工作原理是采用螺母和螺栓的預(yù)緊力，使得卡扣開頭結(jié)構(gòu)能夠抱緊梯級軸，所選優(yōu)的卡扣材質(zhì)應(yīng)該具備較強(qiáng)的塑性和韌性，并且容易變形。一般情況下會采用冷軋低碳鋼板和鈑金來作為材料，在對卡扣受力分析的過程中所選擇的是10#鋼作為案例材料，通過相關(guān)的分析軟件來對其受力進(jìn)行分析，參考最后得出的結(jié)果來對材質(zhì)選擇的合理性進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。首先要做的是邊界條件以及三維模型的設(shè)定，卡扣材料屬性中，彈性模量一般為兩百兆帕，泊松比為零點(diǎn)二九，屈服強(qiáng)度為兩百六十兆帕，在模擬實(shí)際狀況時(shí)采用內(nèi)圓鉸鏈約束及中心固定約束這兩種方式。結(jié)合實(shí)際的工作情況來對模型進(jìn)行分析和求解，從而得到卡扣的受力分布，通過結(jié)果可能得知卡扣工作面受力較大，能夠達(dá)到所用材料的屈服極限，應(yīng)力達(dá)到了兩百八十兆帕，小于極限的抗拉強(qiáng)度。在實(shí)際的運(yùn)行過程中卡扣所應(yīng)用的材料雖然會發(fā)生塑性的變形情況，但卻沒受到任何破壞，證明所選擇的材料是合理的，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的相關(guān)要求[3]。

3 梯級固定卡扣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從上文的內(nèi)容可知，當(dāng)前梯級固定卡扣中容易發(fā)生來的問題是螺母可能會發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況，這樣一來螺母內(nèi)壁就會和螺紋之間出現(xiàn)摩擦的情況，之所以會出現(xiàn)這樣的問題，是因?yàn)樘菁壒潭蹟Q矩沒能夠達(dá)到要求。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，之前所設(shè)計(jì)的卡扣螺母只是在單邊固定鈑金臺階當(dāng)中，而另一邊并未具備定位的作用。在擰緊螺栓的過程中，要降低梯級固定卡扣的開口，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，螺母和螺栓都向外側(cè)進(jìn)行移動，使得螺母和臺階之間出現(xiàn)脫離進(jìn)而旋轉(zhuǎn)的情況[4]。通過對結(jié)構(gòu)的分析來實(shí)現(xiàn)對梯級固定卡扣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并在這個(gè)過程中將臺階面設(shè)計(jì)成為具備更強(qiáng)固定功能的凹凸臺面。通過對其進(jìn)行改進(jìn)以后，梯級固定卡扣能夠改善之前設(shè)計(jì)中存在的問題，通過凹凸臺面結(jié)構(gòu)的增加，使得螺栓螺母的固定效果變得更好，防止在卡扣被擰緊之后再次出現(xiàn)的變形情況。在對梯級固定卡扣的優(yōu)化效果進(jìn)行檢驗(yàn)，需要采用夾緊力實(shí)驗(yàn)的方法來完成測試，對新設(shè)計(jì)的梯級固定卡扣夾緊力與老設(shè)計(jì)的梯級固定卡扣夾緊力進(jìn)行比對，利用擰緊力來將卡扣擰緊固定到梯級軸當(dāng)中，并放入到相關(guān)的工裝內(nèi)部，運(yùn)用壓力裝置來對推理進(jìn)行測試，通過逐步增加壓力來對卡扣移動情況進(jìn)行觀察，通過最終的測試結(jié)果能夠看出，之前所設(shè)計(jì)的卡扣移動距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于優(yōu)化后的固定卡扣移動距離，可見對梯級固定卡扣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果非常好[5]。

4 結(jié)語

本文對于自動扶梯中的梯級固定卡扣所應(yīng)用的工作原理進(jìn)行闡述，并對當(dāng)前梯級固定卡扣設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行了分析，進(jìn)而對其進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)優(yōu)化處理，通過對比新梯級固定卡扣和老梯級固定卡扣的對比能夠發(fā)現(xiàn)，新設(shè)計(jì)的卡扣有著更強(qiáng)的夾緊力，大大降低梯級的移動風(fēng)險(xiǎn)，從而提升自動扶梯的安全程度。通過對固定卡扣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得梯級固定卡扣的應(yīng)用范圍更廣，能夠在很多其他的工程當(dāng)中得到有效的應(yīng)用。