公共交通型自动扶梯传动链条及桁架的安全性能分析

马幸福

(湖南电气职业技术学院 电梯工程学院，湘潭 411101)

公共交通型自动扶梯传动链条及桁架的安全性能分析

马幸福

(湖南电气职业技术学院 电梯工程学院，湘潭 411101)

为了消除公共交通型自动扶梯高负荷、长时间运行过程中存在的安全隐患，运用理论计算方法分析了梯级传动链条、主驱动链条的安全系数，运用有限元分析方法研究了在满载工作条件下金属桁架的强度特性.研究表明，梯级传动链条、主驱动传动链条安全系数足够，金属桁架最大变形位于梯级倾斜段中间位置，均满足国家标准要求.该分析方法可为公共交通型自动扶梯的结构设计提供数据参考，确保自动扶梯的安全性.

自动扶梯；传动链条；金属桁架；安全系数；有限元

0 引言

随着社会经济的发展与人民生活水平的日益提高，自动扶梯作为一种方便快捷的交通运输工具，已经在商业中心、地铁站、医院等公共场所得到了广泛的使用.根据使用场合与载荷程度，自动扶梯可以分为普通型自动扶梯与公共交通型自动扶梯.公共交通型自动扶梯属于公共交通系统，每周运行时间约140 h，且在任何3 h的间隔内，其载荷达到100%制动载荷的持续时间不低于0.5 h.因此公共交通型自动扶梯具有工作环境差、高负荷运转、使用时间长、启动频繁等特点[1-4]，安全隐患大.自动扶梯作为特种设备，一旦发生重大安全事故，将产生恶劣的社会影响.例如2014年北京动物园地铁站自动扶梯主驱动链条脱落导致扶梯发生逆行，造成1人死亡、3人重伤、27人轻伤，引起了社会对自动扶梯安全的深度担忧.

自动扶梯由驱动装置、金属桁架、梯级系统等结构组成，如图1所示.金属桁架、传动链条是自动扶梯系统中最重要的承载部件.其中梯级传动链条驱动乘客上下运行，主驱动链条驱动扶手及梯级部件上下运行，金属桁架承载自动扶梯的全部重量.因此，在公共交通型自动扶梯的设计过程中，需要对梯级传动链条、主驱动传动链条、金属桁架等关键承载部件进行重点分析计算，从而保证整机系统的可靠性与安全性.

目前自动扶梯整机制造企业大多基于传统的经验式设计方法进行生产制造，或依靠扶梯配件生产企业提供的型式试验报告数据作为设计参考，对于梯级传动链条、主驱动链条等关键传动部件的安全系数并未形成统一的技术标准，造成自动扶梯整机结构笨重[5-8].

随着计算机技术的快速发展，有限元分析方法、虚拟技术[9-13]等分析方法在工程制造领域得到广泛应用，可以简化复杂的手动计算工作，快速计算分析对象的力学特性，并且计算结果也接近实际情况.

本文运用工程力学及材料力学理论原理，对公共交通型自动扶梯梯级传动链条及主驱动链条工作载荷及安全系数进行计算；运用有限元方法对金属桁架的刚度与强度进行分析，以期为公共交通型自动扶梯的设计及检验的安全性能提供参考依据.

图1 自动扶梯结构示意图

1 梯级传动链条分析

1.1 设计参数

梯级传动链条主要驱动乘客及梯级系统运行，本文分析的公共交通型自动扶梯梯级传动链条相关的基本设计参数如表1所示.

表1 梯级传动链条设计参数

1.2 梯级传动链条张力计算

梯级传动链条运行的阻力主要来自梯路系统、梯级系统、扶手系统及乘客自重几部分，各系统阻力计算结果如下：

梯路上分支倾斜区段乘客载荷形成的阻力：

W1=qkBLm(sinα+μtcosα)=16761 N

梯路上分支水平区段乘客载荷形成的阻力：W2=qkB(l1+l2)μt=348 N

上分支与下分支倾斜区段梯路自重形成的阻力：W3=2QtμtLm/Lt=637 N

上分支与下分支水平区段梯路自重形成的阻力：W4=2Qtμt(l1+l2)/Lt=231 N

梯级曲线区段的运行阻力：

W6=ψQtμt/Lt=63 N；

扶手系统施加的阻力：

W7=4qf(Lm+l1+l2)×μe×μf=645 N

自动扶梯系统运行时的总阻力：

梯级传动链条承受的阻力为：

∑W′ =[∑W-(W3+W4+W6)]×

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

每根梯级传动链条承受阻力F1=12931.5 N，承受张紧装置所产生的张力F2=5320 N，所以每根链条承受的总张力为F1+F2=18251.5 N.

1.3 梯级传动链条强度校核

单节梯级及梯级传动链条自重W=285 N，梯路系统水平投影长度修正值ΔLm=0.58 m，牵引链条初张力Fc=1000 N，梯级传动链条破断载荷Fb=123000 N，梯级和梯级传动链条在运行方向上的自重力及乘客载荷在运行方向上的力分别为：

FHV=(Lm-ΔLm)qBsinα=28550 N

梯级传动链条在每边紧边上所受的力：

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

梯级传动链条安全系数计算：

2 主驱动链条分析

主驱动链条连接主机与驱动主轴，驱动主轴再分别与梯级系统、扶手系统进行同步传动.与主驱动链条相关的基本设计参数如表2所示.

表2 主驱动链条设计参数

2.1 扶手系统驱动力计算

扶手带传动路线可细化为15个曲线段，如图2所示，每个曲线段阻力系数为CRR，CRR0_1表示0-1曲线段的阻力系数，L0_1表示0-1曲线段的长度.

图2 扶手带传动示意图

分别计算15个曲线段的运行张力：

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，

同理可依次计算得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.

扶手摩擦轮圆周力Pw=S15-S0=756.3 N，扶手带驱动链轮的圆周力Pt=1.115Pw=843 N.扶手带驱动链轮力矩MHW=385 N·m，折算到扶手带驱动链轮上的力为FHT=4745.2 N.

2.2 主驱动链条强度校核

主驱动链条驱动乘客及梯级部件上下运行，是扶梯动力传送装置，主要承受乘客、梯级、梯级传动链条沿倾斜方向产生的分力及摩擦力.

倾斜曲线段上乘客沿倾斜面产生的分力FHV=HBqcosα=30310.9 N；梯级和梯级链条沿斜面的分力FHG=1.5(Qt+Fk)sinα=3408 N；弯曲转向曲线段上乘客载荷引起的曲段转向力

FBV=2FHVsin(α/2)=15690 N；梯级和链条引起的曲段转向力FBT=2FHGsin(α/2)=1764 N.

乘客载荷引起的摩擦力：

2413 N

梯级和梯级链条引起的摩擦力：

FRG=μc·[(Qt+FK)·cosα+2(Qt+FK)+

FBT]=894.5 N

因此，主驱动链条上最大的张紧力为：

33759 N

主驱动链条安全系数计算：

3 金属桁架分析

3.1 模型及参数设置

金属桁架是自动扶梯最重要的承重部件，它的刚度与强度直接影响整机运行的安全性与可靠性.GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》对桁架的刚度与强度提出了严格的技术要求.本文运用有限元分析方法，在Pro/E软件中建立公共交通型自动扶梯的金属桁架结构三维实体模型，转换格式到Ansys有限元分析软件进行强度分析.

金属桁架材料Q235-A，密度7.85×103kg/m3，屈服强度235 MPa，弹性模量默认为2×105MPa，泊松比采用0.3，安全系数取1.5.

3.2 载荷设置

自动扶梯载荷分为乘客载荷及扶梯自重载荷两部分.乘客载荷均匀分布在自动扶梯倾斜段梯级面上，按最大工况时，每个梯级上全部站立2名乘客，载荷分布值按国家标准取为5000 N/m2，乘客载荷分布示意图如图3所示.

图3 乘客载荷分布图

自动扶梯自重载荷包括金属桁架自重、梯级、扶手装置、装潢等部件的均匀分布载荷，以及驱动主机、控制柜等部件的集中分布载荷.将自重载荷按表3所示分布到相应结构支撑作用点上.

表3 自动扶梯自重载荷分布表

导轨下头部加载在A处每边50%涨紧力，加载在B处每边50%涨紧力；前沿板和梳齿板加载在C处每边50%涨紧力；导轨上头部与扶手驱动系统加载在D处每边50%涨紧力；主驱动装置加载在E处，每边各50%涨紧力；前沿板和梳齿板加载在F处每边50%涨紧力.载荷加载点如图4～图6所示.

图4 扶梯下部载荷分布图

图5 扶梯上部载荷分布图

图6 驱动装置集中载荷分布图

3.3 有限元分析

金属桁架支撑位置节点设置好相应约束条件后，对金属桁架结构的挠度与强度进行有限元分析.

计算金属桁架挠度时，只考虑乘客载荷时，金属桁架等效变形分布如图7所示.由计算结果可知，金属桁架最大变形量发生在桁架上端部支撑位置.最大变形量为12.425 mm，桁架的最大水平跨距为17.43 m，根据特种设备国家标准要求[14-15]，最大变形量要求为：

12.425<17.43，因此最大变形量满足设计要求.

图7 乘客载荷Mises等效变形分布图

同时考虑乘客载荷与扶梯自重载荷时，金属桁架Von-mises(第四强度理论的等效应力)应力图如图8所示.

图8 实际载荷Mises等效应力分布图

由计算结果可知，最大的Mises应力值发生在梯级倾斜段中间位置，其他位置应力相对均匀.最大的Mises应力值为116.972 MPa，小于许用应力162 MPa.金属桁架安全系数计算：

综上所述，自动扶梯金属桁架在自重及额定乘客载重工况下的强度及安全系数均满足要求，桁架结构是安全的.

4 结论

(1)由于公共交通型自动扶梯在实际运行过程中，乘客依靠在梯级一侧站立的情况比较严重，因此在偏载情况下，需要考虑梯级传动链条及主驱动链条的安全系数，梯级传动链条必须具备较高的耐用度以及滚轮承重能力强的要求.需要加强对其日常维护与保养，杜绝由于链条偏载磨损引发的安全事故.

(2)在满足挠度的情况下，公共交通型自动扶梯金属桁架的最大应力发生在梯级倾斜段中间位置，最大变形量处于金属桁架中间位置.因此在生产制造时，需要着重考虑该区段的结构装配；为了达到扶梯结构的使用寿命，扶梯金属桁架的防锈能力必须适应扶梯外部环境的变化.

(3)公共交通型自动扶梯工作环境如果是室外，金属桁架还需作室外防腐处理，增加梯级传动链轮保护装置、温度检测开关、扶手带加热器、机房及桁架空间汀式加热器等室外特殊结构；此外，为了防湿防潮，电气控制柜必须放置在专门外置机房.

[1] 饶美婉.地铁设计中的公共交通型重载自动扶梯[J].都市快轨交通,2008,21(5):74-78.

[2] 韩树新，马 舜，李 忠，等.城市电梯应急救援体系及机制研究[J].中国安全生产科学技术，2013，9(2)：145-150.

[3] 王秦平.特种设备安全监察研究[M].北京：中国计量出版社，2006：121-158.

[4] 蒋树栋.自动扶梯梯级的安全管理[J].中国电梯,1992 (6): 15-16.

[5] 方晓旻，朱昌明.自动扶梯金属结构轻量化方法研究[J].机械强度,2008 (3): 433-436.

[6] 邓方华，方 夏，许有才,等.模糊故障树的自动扶梯安全评价系统[J].计算机与数字工程,2016,44(5):874-876.

[7] 庆光蔚，王会方，胡静波.电梯安全级别模糊综合评价方法及应用研究[J].中国安全生产科学技术，2013,9(4):129-134.

[8] 蒋爱琴.自动扶梯和自动人行道安全性研究[J].质量技术监督研究,2013,(5):26-31.

[9] 吴战国，钟遇舟，任安心.自动扶梯桁架系统的快速设计[J].中国工程机械学报,2010,8(4):427-431.

[10] 胡志炜.自动扶梯桁架的有限元分析[J].机械设计,2011,28(10):74-77.

[11] 陈 涛，吴 斌，李伟忠,等.基于有限元的重载自动扶梯桁架及梯级的安全性能分析[J].中国安全生产科学技术,2014,10(10):62-67.

[12] 杜宏亮，袁 媛，蒋家桥，等.一种大型桁架CAD中的有限元分析[J].机械,2010,37(1):52-54.

[13] 张红兵，万长东，尚广庆，等.自动扶梯桁架结构的有限元轻量化分析[J].机械工程,2012,29(10):1139-1142.

[14] 项玉章．中国质量监督检验检疫年鉴2012[M]．北京: 中国标准出版社，2013:150-163．

[15] GB16899-2011自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范[S].北京：中国标准出版社，2011.

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

湖南省教育厅科研资助项目(16C0361).

马幸福(1983-)，硕士，讲师，研究方向：机械设计制造及系统安全分析.