自动扶梯金属结构设计中应注意的问题

张震宇

日立电梯（广州）自动扶梯有限公司 广东广州 510660

1 自动扶梯的结构特点及分类

1.1 结构特点

自动扶梯是以电力驱动，在一定方向上能够大量、连续运送乘客的开放式运输机械。具有结构紧凑、安全可靠、安装维修简单方便等特点。因此，在客流量大而集中的场所，如车站、地铁、商场等处，得以广泛应用。

1.2 分类

扶梯分类方法很多，可从不同角度来分[1]。

（1）按驱动方式分类：有链条式或直接式(端部驱动)和齿轮齿条式(中间驱动)两类。

（2）按使用条件分：有普通型(每周少于140h运行时间)、公共交通型(每周大于140h运行时间)、重载型(在任何3小时间隔内，持续重载时间至少为1小时)。

（3）按运行速度分：有恒速和可调速两种。

（4）按梯级运行轨迹分：有直线型(传统型)、螺旋型、变坡度型3类。

2 自动扶梯金属结构设计中应注意的问题

2.1 做好原材料的控制

在设计阶段，需要技术部门选择适用的钢材，尽量在节省钢材的前提下达到金属结构的力学性能。当金属结构进行生产以后，首先要对外购件进行验收，对需要进行检测的金属进行检测，确保金属质量合格。确认质量不合格的，应单独存放，做好标记，并及时处理。若制造企业对原材料的把关很不严谨，原材料运进制造企业，制造企业并不进行检验，就直接应用于生产，须知最终造成的质量问题是由制造企业全部承担的。所以制造企业应该加强对原材料的检验，这不仅是避免承担质量问题责任，更重要的是从根本上杜绝质量问题，加强自动扶梯的安全可靠性。原材料检验之后进入制造阶段，确认原材料质量合格的，注意分类存放，禁止将不同类金属接触（比如不锈钢和碳素钢不能接触），并保证存储原材料所需的自然条件[2]，如温度、湿度等，确保原材料在焊接前质量仍符合要求。

2.2 做好结构边缘至形心距离的改变

对于自动扶梯这样一种较为成熟的产品而言,结构边缘至形心距离的改变意味着产品的整体尺寸的变化。由于各厂家的产品已经相对成体系,所用配件也达到了标准化设计,所以,如果对整体外形进行改动,势必带来一系列的问题,故本文不讨论这一部分内容。

2.3 优化金属结构设计实现轻量化

（1）金属结构优化设计的准则。刚度和强度是金属结构性能的判定指标,有些金属结构在最初设计时由于没有进行细致的分析计算,导致其刚度和强度有较大冗余。可对这类金属结构进行优化设计,实现轻量化。在轻量化设计时应以控制其刚度为主,因为刚度直接影响自动扶梯梯路运动件(包括梯级、滚轮等)与静止件(包括导轨、支架)之间的配合,对自动扶梯的运行可靠性至关重要。GB16899《自动扶梯和自动人行道制造与安装安全规范》中对自动扶梯的刚度提出了明确要求[3]。

（2）金属结构优化设计的主要措施。在金属结构中通常占总质量比重较大的部件为主弦材(包括上弦材和下弦材)、底板、驳接等，同时刚度和强度冗余也多出现在这些部件上。因此,根据金属结构质量分布的特点,研究合理减少这些部件钢材用量的措施。可采取的措施主要有：

①减小主弦材(包括上弦材和下弦材)的截面面积。②减少底板厚度。③减少驳接数量(适用于有多组驳接且驳接质量占总质量比重较大的金属结构)。

以下对这三种措施分别讨论。

措施一,钢材的密度为7850kgm³,主弦杆的截面面积每减小1cm²,质量可减少0.785kgm。主弦杆的总长度一般为数十米甚至上百米,因此该措施对减轻质量的效果非常明显。对未轻量化的金属结构有限元模型计算后发现,结构应力的最大值一般出现在上弦材。为确保金属结构有足够的强度,一般不减小上弦材的截面面积,但可以适当地减小下弦材的截面面积。

措施二,底板是金属结构中必不可少的部件,它提高了金属结构的刚度和抗扭性能,同时还兼具防尘、储油等辅助功能。金属结构中的底板长度一般从十几米到几十米不等,覆盖整个金属结构的底部,因此减少其厚度对质量影响很大。有限元计算结果和实际应用表明,当底板厚度大于3mm时,对金属结构的刚度和抗扭性能的贡献比较明显;当底板厚度小于3mm时,其作用更多体现在防尘、储油等方面,对金属结构刚度的贡献则随底板厚度的减小而迅速减少。且底板厚度不应过小,否则人无法站在底板上进行金属结构的焊接装配操作。因此在考虑减少底板厚度时,必须确保金属结构有足够的刚度和抗扭性能,否则在自动扶梯运行时有发生活动梯级与裙板碰擦事故的安全隐患。

措施三,驳接是金属结构中各段的连接部件。某些金属结构为了连接牢固,保证足够的刚度,在驳接处采用相对比较复杂的结构,质量也随之增加。在提升高度较大的金属结构上驳接数量往往较多,因此采用合理的设计来减少整体结构的驳接组数，对减少结构质量很有帮助。如果受运输条件及结构刚度限制不能减少驳接组数,那么对驳接的结构进行优化设计也可减少质量。对多驳接结构而言,该措施的效果不容忽视。

除以上三种主要措施外,还可根据实际情况有选择地减轻其他部件的质量。需要注意的是,在轻量化过程中应始终以确保结构的刚度和安全为前提,以避免由于减少结构中各部件的钢材用量而导致局部刚度或强度不足现象的发生[4]。

3 结语

综前所述,在自动扶梯的结构设计中，除了以上需要注意的问题之外，还应注意从以下几个方面对金属结构设计予以改进：①提升高度不同，上下弦材可采用具有不同截面的型材。②没有特殊的结构要求时，上弦材的横截面尺寸可略大于下弦材。③如果要提高现有产品的强度指标，在维持原有型材不变的情况下，较好的方法是在上弦杆外侧贴加强板[5]。④加厚底板及选取适当的加强筋布置方式，能提高析架的抗扭刚度。