自动扶梯桁架范文

自动扶梯桁架范文（精选5篇）

自动扶梯桁架 第1篇

1.1 角钢形式

桁架整体采用等边角钢或不等边角钢拼组焊接而成。

1.2 方管形式

桁架整体采用等边或不等边的钢管拼组焊接而成。

2 自动扶梯桁架结构的特点

2.1 角钢形式

角钢俗称角铁,是两边互相垂直成角形的长条钢材,有等边角钢和不等边角钢之分。当扶梯的桁架结构采用角钢形式制作时,大多都会采用不等边角钢。这是由于不等边角钢的截面尺寸比等边角钢更适合于设计人员对桁架结构的设计布置,而且对于具有一条相同边宽的等边角钢和不等边角钢来讲,不等边角钢的抗弯截面系数及惯性矩也只是比等边角钢稍逊一筹,其在一定程度上完全可以满足设计上的受力要求。

另外,角钢的焊接方式也相对简单,适用多种焊接工艺,可操作性极强;角钢的“开放式”结构也便于桁架整体的镀锌防锈处理,有利于保障桁架整体防水防锈的效果。

然而,市场上角钢价格常常居高不下,所以很多扶梯生产厂家在优先考虑制作成本的情况下,都会选择价格较低的方管来代替角钢。这样,角钢就成了扶梯桁架材料中的“奢侈品”,在一些大型商业中心所使用的提升高度超过6 m的商业型扶梯、在地铁站等公共场所所使用的公共交通型扶梯、室外型扶梯及供特殊行业使用的特种扶梯才有机会使之发挥作用。

总的来说,尽管价格成本对角钢的使用产生了一定程度的制约,但它却拥有着无可估量的发展前景。

2.2 方管形式

方管,是一种空心的轻型薄壁钢管,也称为钢制冷弯型材,有等边和不等边之分。

方管按生产工艺可分为热轧无缝方管、冷拔无缝方管、挤压无缝方管和焊接方管。

扶梯桁架主要是采用无缝方管制作,大多采用不等边形式,因为它和不等边角钢一样都适合于设计人员对桁架结构的设计布置。在截面尺寸及相对强度接近的情况下,方管每米的质量较角钢要轻5%~15%;而且其市场价格相对便宜,组焊加工后外形大体美观,所以得到了大多数扶梯生产厂家及客户的青睐。

尽管方管有这么多的优势和好处,但有两点却使它在发展道路上受到了阻碍:

(1)方管的拼组焊接加工较为复杂,工艺流程多而细,加工精度要求极高,所以用方管制作扶梯桁架的时间比用角钢制作扶梯桁架的时间要多出6~7天。

(2)方管制作成扶梯桁架后再进行镀锌防锈处理时,外表面部分可以完全覆盖上防锈材料,但由于方管在焊接加工前不能先进行镀锌防锈处理,必须在成型后才能进行这一步骤,所以方管内部就没有防锈材料的保护,从而成为了整台扶梯中最容易出现锈蚀的部分。天长日久,腐蚀就会从方管内部慢慢地向表面蔓延,直至影响到扶梯桁架的整体强度,甚至使桁架加速老化并发生塑性变形,这也是方管材料在制作成扶梯桁架时所无法摆脱的工艺缺陷。由于以上种种原因,使用方管制作的扶梯桁架大多都只是用在一些较为普通和要求并不太高的场合,如小型商业广场的室内型扶梯、小型超市的室内型扶梯、有挡雨棚保护的半室外型扶梯、中小型酒楼餐馆的室内型扶梯及图书馆等公共场所所使用的提升高度小于5 m的室内型扶梯。

3 桁架结构应用的特殊案例

在一些特殊场所,扶梯的桁架结构要根据现场的特殊要求去作一定的调整,以下笔者将根据一个特殊案例对扶梯桁架在实际现场的应用及使用效果进行详细的说明和分析。

3.1 扶梯的主要结构参数

3.2 使用环境

安装地点:市区内一个大型商业娱乐购物广场。两台并列扶梯就安装在广场内露天活动区域靠近购物大楼的一个角落处,扶梯上方有遮阳顶棚,但遮阳顶棚无法完全覆盖扶梯安装位置的整个投影区域。下雨天时,会有部分雨水洒落到占扶梯整体约40%的区域,即该扶梯实际上是属于典型的半室外形式。

3.3 面临的难题

(1)这种半室外型扶梯极其容易受到雨水等外部因素的影响,所以桁架在使用一段时间后会出现大范围腐蚀、老化加剧及局部塑性变形等恶劣情况。

(2)作为提升高度小于6 000 mm的扶梯,一般来说只要在结构上作适当调整,则使用方管桁架结构也能满足设计要求。但考虑到该扶梯属于半室外形式,如不选用角钢桁架结构,则难以更好地保证其有足够的能力去抵御外部恶劣环境的侵蚀。同时,生产成本问题也是不得不考虑的主要因素。

(3)即使采用了防腐蚀能力更强的角钢桁架结构,但外部环境因素的不确定性还是会对扶梯的正常使用带来难以预计的影响。

3.4 解决方案

(1)采用角钢桁架结构形式,扶梯前沿的材料选用角钢∠200×200×20,扶梯骨架的材料选用角钢∠125×80×12,骨架加强筋部分的材料选用角钢∠63×63×6,同时采用6.3#槽钢、8#槽钢、10#槽钢、扁钢180×35、扁钢120×10、扁钢70×7和扁钢60×6作为其他辅助部分的材料。

(2)扶梯的桁架整体采用材料间交叉拼组焊接的形式制作,这样可在最大程度上优化其整体的强度与刚性。

(3)桁架整体在完成焊接后采用热浸镀锌工艺进行防腐蚀处理,这种技术有着良好的防腐蚀性能,防腐层的稳定性好,是室外型扶梯防腐蚀处理的最佳选择。

(4)在扶梯上增设若干套防水、防尘及防恶作剧的电气联动保护开关装置。

(5)在扶梯下部设置油水分离器。

(6)在扶梯整体的上部及其两侧,制作一个用铝型材作为骨架、塑料作为板材的半密闭式保护棚。

通过以上措施的实施,扶梯整体便得到了应有的合理保护。

4 结语

自动扶梯桁架 第2篇

【关键词】桁架自动化加工单元；数控车床；机械手；旋转料库；节拍

1、概述

近年来，随着社会经济的发展，人力成本逐渐增加，在机加工行业中降低工人劳动强度，提高生产效率，减少人力成本才能更好的适应市场竞争的需要。因此，必须利用先进的自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化生产的需求，才能更好的适应市场竞争的需要。机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人工完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人的劳动强度。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，目前机械手已发展成为柔性制造系统fms中的重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大、低效率的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。并且实现加工过程的灵活性、自动化和无人化，它适合于机械零件的大批量生产。

目前我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用上下料机械手装置代替人工工作，以提高劳动生产率，并大幅降低人工成本。桁架自动化加工单元具有自动上下料、自动翻面、自动检测等功能，可以实现零件从毛坯到成品的全部加工工序。该单元由两台或多台数控车床、一至二套桁架机器手、旋转料库、成品料库、翻面机构等组成，结构布局紧凑，占地面积小、操作便捷等优点。

2、桁架自动化加工单元

2.1自动化加工单元的布局。自动化加工单元由一套桁架机器人与两台数控车床串联组成，毛坯旋转料库位于自动线左侧，成品料库位于自动线右侧，工件翻面模块位于两台机床中间立柱处（如图1所示），左侧为第1序OP10数控机床，右侧为第2序OP20数控机床。桁架机器人负责从料库去料并完成此两台机床的上下料，1序到2序之间要经过翻面平台进行一次翻面。

2.2总体结构设计及主要技术参数。在两台数控机床中间用两根立柱支撑横梁导轨，两根立柱在高度方向设计可调，此结构具有节省空间的特点，占地面积小，结构紧凑。横梁导轨采用齿轮齿条传动，电机主动轮采用润滑毛毡齿轮，并结合集中润滑系统对传动系统进行充分的润滑，大大的降低了快移时产生的工作噪音。经过计算，选配的两轴驱动电机最大加速度为4m/s2，水平轴最大快移速度达到100m/min、竖直轴最大快移速度达到80m/min。桁架机械手两轴重复定位精度为±0.1mm，抓取重量为25kg（含手部）。

3、桁架自动化加工单元的主要模块结构

3.1旋转料库。自动线的毛坯料与成品料由16工位的旋转托盘式料库实现装载，料库可装直径为φ50-φ150mm的盘类零件，堆积料高可达到400mm，工件毛坯由人工放在旋转料库中，该料仓配置了上料与下料的两个工位，通过电机和链条带动的料库旋转已达到传送物料的作用。料仓的上料与下料位处分别设置有两套提升与下降机构，料库执行程序根据信号自动控制。首先托板气缸将上下料均推到上极限位置，随着上下料的进行，当上料与下料丝杠均移动到下极限位置时，两个托盘气缸同时退回，转位电机带动分割器带动两个上下料托盘实现180度转位。转位完成后托板气缸同时再次推出，上料与下料丝杠上移到对应感应开关位置，此时旋转料库配合机械手的取料和放料，依靠对射开关感应工件，控制上、下料提升机构的自动运行。实现与机械手模块的上下料动作。

3.2机械手模块。机械手模块由1套带有直线气缸的抓手支架和1套气爪组成，可同步完成上料与下料动作，上下料效率高。两个气爪均采用卡工件外圆方式，单套气爪抓取工件最大重量为5kg，要求气源压力为0.5MPa以上。手爪设计成可调结构，以适应零件外径尺寸的变化。气爪配有工件弹出机构，保证在上料时，工件定位面可靠的压在卡盘夹具的定位面上，保证工件加工的上料稳定性。

3.3工件翻面模块。翻面模块采用直线气缸和选装气缸的有机组合来实现工件两序之间的换面操作。由于零件是按照两序加工的，考虑到自动线的结构紧凑性和翻转的快速可靠性，因此，在自动线的两序之间加一个翻转工位来实现对工件的180°翻转。具体工件动作为：上料时，機械手模块将工件放置在带导杆气缸的定位盘上，宽型气爪将工件夹紧，带导杆气缸退回，摆台带动宽型气爪完成180°翻面，带导杆气缸伸出接住工件，宽型气爪松开。机械手模块将工件抓走。

3.4人工抽检台。自动线设有人工固定检测平台，可根据客户工艺要求，编程设置完成指定数目的工件后机器人就自动放置一个成品到检测平台就进行抽检，操作者可以将放在固定平台上的工件拿走进行人工测量。

4、桁架机械手工作流程节拍和零件加工节拍实例

桁架自动化加工单元要求上下料流程节拍小于或等于机床加工零件的最大节拍，才可保证自动线的最大加工效率。桁架机械手的工作流程可分为以下六步：1）机械手从料库上料区抓工件至机床OP10上方；2）机械手将工件送进OP10机床，装卸料，然后运行至翻面区上方；3）机械手将工件放入翻转台手爪内，然后翻转机构将工件换面；4）机械手从翻转台抓取第一序成品，翻转台回转并返回至起始位置；5）机械手将翻面完成的工件放进OP20机床，装卸料，然后将成品工件运行至料库下料区；6）机械手下料，并返回至料库上料区上方等待；每个工作流程都是按照上述六步循环。

此桁架机械手动作节拍包括机器人从上料托盘取料6秒，移动到OP10机床3秒，给OP10机床换料16秒，移动到换面机构处3秒，工件换面7秒，移动到OP20机，3秒，给OP20机床换料16秒，行走至下料托盘3秒，下料托盘放料5秒，全过程的总节拍为62秒。

以加工的?92离合器盘毂为例，第1序加工时间为70秒，第2序加工时间为66秒。而机械手的节拍为62秒，小于机床对此零件两序的加工节拍，故此机械手自动线满足机床处于最大利用率的生产节拍要求。

5、结束语

自动扶梯桁架 第3篇

1.1 桁架的受力分析

金属桁架的受力模型可简化为两支点的简支梁上加载均布载荷, 根据材料力学[1]中挠度方程:

可知截面惯性矩I越大, 产生的挠度就越小。而I的大小取决于截面的形状。

如图, 桁架截面由上弦杆、下弦杆、底板三部分面积组成。要求得截面对形心轴的惯性矩I, 需先确定截面的形心位置YC和ZC, 由图可得:

然后求桁架截面的惯性矩IY。先分别求上、下弦杆和底板对YC轴的惯性矩:

受力分析结论:

影响桁架刚度的主要因素为截面惯性矩IY, 而IY的大小可以通过改变上、下弦杆的型材规格, 底板尺寸和桁架截面高度来控制。

2 不同形式的桁架受力分析对比

我们可以分别对角钢型材和矩形管型材的金属桁架进行对比分析, 同时也可以研究桁架进行怎样的非标设计才可以有效的提高其性能。

2.1 不同型钢桁架对比分析

现时主流扶梯桁架主弦杆主要采用两种型钢:角钢和矩形管。现对比两种型材性能上的优劣。判断条件为两种桁架截面的惯性矩IY。

采用矩形管作为上弦杆:

公式1.2~1.6代入数据得

采用角钢作为上弦杆:

公式1.2~1.6代入数据得

不同型钢桁架对比分析结论:

由此可见, 采用角钢作为桁架主弦杆型材, 截面惯性矩比采用矩形管小, 这会使得桁架的刚度和强度降低。但是使用角钢能降低成本, 在满足挠度要求的条件下使用角钢将更符合经济效益。

2.2 桁架非标的加固方式对比

我司桁架上弦杆矩形管规格为120×60×5, 下弦杆为80×60×5, 底板厚度为1.5mm, 截面高度为960mm。在公式1.2~1.6中求得:

下面对各项参数进行修改对比, 研究各参数变化对桁架截面惯性矩的影响情况。

2.2.1 提高主弦杆规格

将上弦杆厚度改为8, 下弦杆改为120×60×8, 将新参数代入公式1.2~1.6可得:,

则

可见采用更大规格的型材可令截面惯性矩变大, 从而减少桁架挠度。

2.2.2 增加截面高度

桁架截面高度改为1200mm, 代入公式1.2~1.6, 得:

可见改变截面高度也是比较有效的加固方式。若在桁架下方加焊一条120×60×5的矩形管, 则由前述式子变形可算得:

同样可达到加固效果。

2.2.3 增加底板厚度

底板厚度同样是影响惯性矩的一项因素, 现取底板厚度为3mm, 代入公式1.2~1.6得:

可见加厚底板的方法也是可行的。

加固结论:

从上述数据中可得出, 桁架加固方式的有效程度依次为:

增加高度>增加弦杆型材规格>加焊矩形管>加厚底板

但从可行性角度来讲, 可直接实行的方案为:加厚矩形管, 加厚底板和加焊矩形管加固。

参考文献

[1]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社, 2002.

[2]曲彩云, 机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2004.

自动扶梯桁架 第4篇

随着基础设施建设的快速发展,整个社会对电梯产品的需求量也迅猛增长,如何降低持续运转的自动扶梯功耗和减少金属结构的钢材使用量,是亟需解决的问题。同时,自动扶梯式电梯作为一种广为应用的公共输送工具,其结构强刚度可靠性不足造成的危害是非常严重的,基于此,对电梯产品的安全性及可靠性要求越来越高,这对于设计人员在设计阶段进行电梯各种性能的准确预测提出了很大挑战[1]。

运用优化设计方法,在保证或改善结构强刚度性能的前提下降低结构质量、减少资源损耗,是产品轻量化设计的有效途径[2]。目前,轻量化优化设计技术在汽车等领域已得到广泛应用[3,4,5,6],在电梯产品的设计中也开始采用[7],并越来越受到重视。

作为一种高效快捷的数值仿真技术,研究者通过利用有限元方法可以在自动扶梯式电梯三维设计阶段对其桁架的强度、刚度和动态特性进行准确的分析和预测,其仿真结果可以达到较高的计算精度[8,9]。在有限元强刚度分析的基础上,研究者通过对结构参数进行灵敏度分析,筛选出对结构强刚度贡献较大的变量,可以大幅度提高产品优化设计的效率和准确性[10,11]。因此,基于有限元灵敏度分析的优化设计是电梯桁架结构轻量化设计的关键技术,对改善结构强刚度性能、减轻重量具有十分重要的意义。

本研究运用有限元方法计算原设计中自动扶梯的结构强度和刚度性能,分析原设计中存在的不足;结合结构参数对性能影响的灵敏度分析,提出结构改进设计的主要对象;在改善结构强度和刚度性能的基础上,应用优化设计技术对电梯桁架结构的板材厚度进行轻量化优化分析。

1 扶梯桁架有限元计算

1.1 有限元模型建立

扶梯桁架结构的薄壁板材采用壳体单元进行结构构建,螺栓联接采用实体单元模拟,螺栓载荷采用文献[12]描述的温度法施加,即对节点施加负的温度值,使其收缩产生螺栓拉紧力。整个模型节点数178 626,单元数177 931,电梯桁架结构材料为Q235A。国家标准GB16899-97规定,自动扶梯金属结构计算的乘客载荷是以梯级水平投影面积为基准的载荷,国标规定的乘客载荷为5 000 N/m2。为了便于有限元模型中加载,本研究将乘客、扶手带、栏杆、梯级及外装饰重量等面载荷转换成线载荷加载到电梯桁架上,实际线载荷分布如表1所示。集中载荷主要有驱动张紧机构、控制柜、扶手带驱动机、主机等的重量,根据实际位置加载到相应的节点上。按照载荷的施加,电梯桁架的计算工况分为3种:工况1包含集中载荷、分布载荷、扶梯自重;工况2只考虑乘客的载荷;工况3的载荷包含工况1和工况2的载荷。

1.2 计算结果分析

本研究根据上述进行模型前处理后,计算得到结果,桁架位移及应力分布如图1、图2所示。3种工况下的位移分布及应力分布基本相同,只是数值上存在区别,计算结果汇总如表2所示。

本研究计算得出扶梯工况2下的最大应力为98 MPa,扶梯材料Q235A的屈服极限为235 MPa,抗拉强度极限σlim为398 MPa,所以理论上不会产生塑性变形,达不到破坏极限。

工况2下的安全系数S为:

基于桁架结构安全系数小于5的要求,有待于研究者进一步提高其安全系数。

在GB16899-97中规定,对公区交通型自动扶梯,以乘客重量为基础(工况2)的计算或测得的最大挠度不超过两支点距离的1/1 000,此时桁架的最大允许挠度为18 500×1/1 000=18.5 mm。工况2下计算挠度为11.8 mm,桁架结构的变形低于允许值,基本满足变形要求。

该桁架结构的强度和刚度性能基本满足要求,不会发生破坏现象,但其可靠性还略有不足,有待于研究者进一步加强结构强度和刚度。

2 结构参数灵敏度分析

在结构设计和优化中,常常有许多设计参数可供调整,为了确定设计和优化方案,分析各个设计参数或变量对结构特性变化的灵敏度是十分必要的。研究者通过进行灵敏度分析可以避免结构修改中的盲目性、提高设计效率和减少设计成本。

在电梯结构分析中的灵敏度分析是分析结构参数ux的变化对电梯结构性能参数变化uj的敏感度。敏感度Sen定义为:

灵敏度分析计算时,本研究依次设计变量变动较小值,然后重新求解,从而计算出变量在变动之后的目标函数值。该电梯结构各部件壁厚对结构强度刚度灵敏度计算结果如表3所示。

灵敏度绝对值越大,设计参数对结构性能的影响就越大。由表3可以看出,1号、8号、10号、12号部件的厚度对于结构强度刚度影响比较大,在优化的过程中可作为重要对象进行分析。

3 电梯桁架结构优化

3.1 优化方案

优化设计以数学规划为理论基础,将设计问题的物理模型转化为数学模型,运用最优化数学理论,以计算机和应用软件为工具,在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。有限元法被广泛应用于结构分析中,当研究者采用这种方法时,任意复杂问题都可以通过它们的结构响应进行研究。

优化设计有3要素,即:设计变量、目标函数、约束条件。设计变量是在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数。目标函数要求的最优化性能,是关于设计变量的函数。约束条件是对设计的限制,是对设计变量和其他性能的要求。

对于电梯桁架的优化,本研究主要采用尺寸优化的方法,在不改变原型结构的基础上,将16个管材壁厚作为设计变量,将结构的最大位移变形和最大应力作为设计约束,将结构体积最小化作为设计目标(实际上也就是重量最小化),对电梯结构进行强度和刚度性能改善,同时进行结构轻量优化。

该电梯尺寸优化的数学描述如下:

优化函数表达:

式中:fV(x)—目标函数,即电梯桁架结构体积最小;x1,x2,...,x16—自变量,即16个部件的壁厚;g1(x)—工况1位移响应函数,此时,H1=12 mm;g2(x)—工况)1应力响应函数,此时,H21=80 MPa;g3(x—工况2位移响应函数,此时,H3=12 mm;g4(x)—工况2应力响应函数,此时,H4=80 MPa;g5(x)—工况3位移响应函数,此时,H5=20 mm;g6(x)—工况3应力响应函数,此时,H6=180 MPa。

3.2 优化结果与原始结构对比

本研究以各部件厚度为设计变量,体积变化低于0.001为收敛条件,经过迭代计算5步后收敛。优化前后的各部件的厚度变化如表4所示,其中个别部件加厚,多数部件减薄,总重量降低7.2%,同时,优化后的位移及应力结果也较原始结构有所改善。优化前后刚度、强度和质量对比如表5所示,工况1、2应力值均低于80 MPa,也就是说结构强度达到安全系数5的要求,最大变形量也低于允许值,说明优化后的结构性能得到了良好的改善。

4 结束语

以电梯桁架结构各个管材壁厚为设计变量,以刚度和强度为设计约束,基于灵敏度分析,本研究运用有限元分析优化方法对电梯桁架结构进行了再设计。计算结果表明,综合工况下,经优化设计后的电梯桁架结构强度较设计前提高了21.1%,刚度提高了24.6%;同时,结构质量减轻了7.2%。该方法不仅实现了结构性能的改善,也达到了降低电梯重量的目的。

参考文献

[1]朱昌明,洪致育,张惠侨.电梯与自动扶梯[M].上海:上海交通大学出版社,2003:5-30.

[2]张胜兰,郑冬黎,郝琪.基于Hyperworks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]ASNAFI N,LANGSTEDT G.A new lightweight metal composite panel for applications in the automotive and other in dustries[J].Thin-walled Struetures,2000(4):289-310.

[4]张宇,朱平,陈关龙.基于有限元法的轿车发动机罩板轻量化设计[J].上海交通大学学报,2006,40(1):177-180.

[5]万长东.薄壁碰撞吸能部件的可适应响应面法轻量优化分析[J].机械设计与制造,2011(11):163-165.

[6]廖君,王冯良,胡望岳.电动轿车车身轻量化优化设计[J].机电工程,2009,26(2):76-79.

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

[8]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.

[9]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.

[10]许志,李芳.基于灵敏度分析的发动机连杆优化设计[J].机电工程,2011,28(9):1052-1055.

[11]曲令晋.重型卡车车身灵敏度分析研究与拓扑优化设计[D].合肥:合肥工业大学机械与汽车工程学院,2009.

扶梯桁架静应力计算分析应用研究 第5篇

扶梯桁架是一种常见的普通钢结构, 它是扶梯关键的承载受力部件, 在选择设计方案时应必须确保其具有足够的强度和安全性。自动扶梯桁架, 包括上平层桁架、固定连接于所述的上平层桁架的下侧的中间桁架、固定连接于所述的中部桁架的下侧的下平层桁架, 所述的中间桁架的下边缘部具有下弦管, 所述的下弦管的上端部与上平层桁架通过立柱和斜撑相固定连接, 下弦管的下端部与下平层桁架之间连接有过渡杆。中间桁架的压力转移到过渡杆分别与下弦管、中间桁架上平层相连接的两个连接处, 增强了自动扶梯桁架的稳固性。本文将通过对扶梯桁架进行静应力分析计算及验证, 确保桁架有足够的材料强度和满足客户对于钢结构产品关于安全系数的严格要求。

1 FEA软件介绍

一般的有限元分析软件包括Ansys, RFEM等。本文采用德国Dlulbal公司REFEM进行桁架计算分析。RFEM采用以分析由平板、型材、墙壁等构成的2D和3D结构中变形、内应力、支撑力和接触面压强的FEM程序。此FEA软件已广泛应用于建筑结构及相关桁架钢结构厂房领域的设计计算 (如图1) 。

2 应用有限元分析软件RFEM计算桁架强度的研究

桁架是自动扶梯的关键受力部件, 起到承重和支撑作用 (如图2) 。

扶梯标准主要有:自动扶梯制造与安装安全规范GB16899-2011 (中国标准) [1], EN115-1:2008+A1:2010 (欧洲标准) [2], ASME A17.1-2007 (北美标准) 等。自动扶梯须校核在设计提升高度、倾斜角确定的条件下, 桁架钢结构的静应力强度和挠度是否符合国标的规范设计安全要求。扶梯桁架要求的载荷包括自重载荷以及5 000 N/m2的乘客负载, 根据乘客负载来计算自动扶梯桁架钢结构的静应力强度和挠度, 按自重和乘客规范要求的负载计算自动扶梯桁架钢结构的静应力强度和挠度。扶梯桁架的挠度要求:对于普通型自动扶梯 (即商用扶梯) , 根据乘客标准载荷计算或实测的最大挠度, 不应该超过扶梯桁架两端支撑距离的1/750。而对于公共交通型自动扶梯和自动人行道, 此类梯型一般应用于人流量较多, 负载模式较集中的地铁及火车枢纽站等场所, 根据乘客标准负载来计算或实测的最大挠度, 不应该超过扶梯桁架两端支撑距离的1/1 000。静应力强度:分析计算金属结构的在自重和5 000 N/m2的乘客载荷下的最大应力, 通过与材料的极限破断应力对比计算, 其结果应符合一定的安全系数要求。扶梯桁架钢结构的静应力强度和挠度测量分析, 可将桁架加载相应重量的砝码后进行测量, 使用有限元分析方法计算出挠度数据和最大应力数据[4]。

3 计算

3.1 模型处理

RFEM计算的有限元分析模型由与RFEM有相对应数据接口的CAD等3D辅助绘图软件得到, 数据经过处理后将DXF文件导入RFEM系统所要求的接口中去生成相应的计算模型, 之后可在RFEM中经过网格处理生成有限元模型, 定义材料, 支点及作用力等。桁架是一种比较常见的工程钢结构系统, 它由点 (nodes) , 线 (lines) , 直的杆件 (members) 及5mm底板 (surfaces) 组成, 这些杆件在端点处主要通过螺栓和焊接连接在一起形成相应的有限元模型。

本文以提升高度为5.2 m的扶梯作为分析研究对象, 扶梯倾角为30°, 桁架宽为1 510 mm, 上下弦管为方管120mm×60mm×4mm, 横梁为槽钢63mm×48mm×4.8mm, 斜撑和立柱为槽钢63mm×48mm×4.8mm。

3.2 材料参数

桁架材料为Q345-B (16Mn) 和Q235-A, 各参数如表1所示。

3.3 载荷处理

自动扶梯桁架钢结构计算中的乘客负载以整体扶梯的水平投影面作为基准的负载, 扶梯设计规范要求的乘客负载为5 000 N/m2。扶梯其他子系统部件如扶手带、玻璃扶栏、梯级、梯级链及外装饰板等重量则根据以下的载荷分布进行计算并转化成线载荷加载到桁架的计算模型中。另外涨紧架、主驱动、主机、控制柜、扶手驱动等扶梯子系统部件的重量为点载荷, 根据实际加载在相应部位的作用点上。其主要的均布载荷见表2。

4 计算结果与分析

桁架RFEM有限元分析计算输出结果为:各方向的杆件内力、各方向的弯矩;X、Y、Z轴向的变形、偏心距;约束节点所受外力;模型受力梁各项的最大应力与材料极限应力的百分率等等。最后计算Z轴方向的最大变形量为13.31 mm。

4.1 安全系数与挠度分析

扶梯最大应力为75.508 MPa, 扶梯材料为Q345-B (16Mn) , 其极限破断强度为520 MPa, 安全系数为:

通过计算结果可以看出, 理论计算能够满足桁架钢结构大于5倍以上安全系数的客户要求, 因此采用此材料规格参数所设计的桁架是安全可靠的。

自动扶梯包括乘客载重是靠桁架两端大角钢架在两端层面楼板的底坑来支撑的, 楼板混凝土处所承受的集中载荷由钢筋及预埋钢梁等进行受力加强。在RFEM中可直接计算出上下两端大角钢部位支点所承受的支反力数据, 此计算中上端部的支反力为:75 200 N;下端部的支反力为:62 800 N。与此同时把此支反力数据提供给土建方及设备安装人员进行验算建筑物的受力安全性并采用合理的吊装起重设备。

此扶梯的载荷承载面积的计算如下:

A=扶梯名义宽度×支撑点间距=1.004×16.384=16.45 (m2) 。

则乘客负载为规范标准所要求的乘客载荷P (5 000 N/m2) 乘以扶梯的实际投影面积S (m2) :

由此可以计算出单独乘客负载的挠度为:

实测挠度为6 mm, 所以计算结果与实测值相当接近, 从而有效地验证了RFEM有限元分析计算的可靠性和准确性。GB16899-2011和EN115-2008规定:对于公共交通型自动扶梯和自动人行道, 此梯型可应用于地铁项目, 以单独的乘客负载进行计算或测得的最大挠度不得超过两支点之间距离D的1/1 000。对于此扶梯计算模型, 计算所允许的挠度为13.31/16 384=1/1 231<1/1 000, 所以挠度能够满足扶梯规范的设计要求。

4.2 桁架连接接头的强度分析

在FEA软件RFEM中计算可知, 下弦管应力最大。以P点为支点, 设桁架下弦管受的张力为F, 力臂为L, 靠近下弦管连接部位的高强度螺栓M20 8.8级对应的张力分别为F1、F2、F3, 其力臂L1、L2、L3。根据力矩平衡公式可知F×L=F1×L1+F2×L2+F3×L3[3]而且桁架的连接螺栓M20 8.8级所受的张力与受力点到支点P的距离成正比, 即:

张力F1对应的拉应力为最大, 其值为:

由此可见扭剪的高强度桁架连接螺栓的强度是足够, 其受力小于其本身材料应力要求, 因此设计要求的螺栓可以满足实际使用的要求。

5 结论

(1) 用有限元分析软件RFEM对扶梯桁架进行静应力分析计算, 能够有效地分析扶梯桁架钢结构的静应力, 提高了工作效率和设计的准确性。

(2) 扶梯有限元分析设计模型以客户对设计安全系数要求进行分析计算, 对规范要求的载荷进行受力分析, 同时该计算模型考虑了扶梯自重负载, 因此本文的计算结果可以满足扶梯桁架设计规范及客户对保证一定的安全系数的要求。

摘要：通过应用有限元分析软件对扶梯桁架进行计算分析, 以扶梯标准EN115的载荷要求进行分析计算, 成功解决客户对于钢结构安全系数的要求, 从而设计出满足客户需求的扶梯产品。

关键词：有限元分析,扶梯桁架,静应力计算,安全系数

参考文献

[1]GB16899-2011.自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范[S].

[2]EN115-1:2008.Safety of Escalators and moving walks part one[S].

[3]GB50017-2003钢结构设计规范[S].

[4]朱昌明, 洪致育, 张惠侨.电梯与自动扶梯[M].上海:上海交通大学出版社, 2003.