（机械电子工程专业论文）自动扶梯梯级参数化有限元分析系统设计.pdf

c 、 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在 年一月解密后适用本规定。 非涉密论文留 论文作者签名：聋旦兰 日 期：呈呈! 三：笙：毒鼍。 导师签名： r 一一 自动扶梯梯级参数化有限元分析系统设计 摘要 _ _ - - _ - - - _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ i - _ _ - _ _ i - _ _ _ - _ - - - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 。- _ 。- - _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ - - 。_ _ - - 。_ _ 一 摘要 在一台自动扶梯中，梯级是数量最多的部件。由于梯级数量众多，又是经常 运动的部件，因此一台自动扶梯的质量在很大程度上取决于梯级的结构和质量。 c a e 技术己成为机械产品开发中的一项重要工具，通过对梯级进行有限元分析， 可以保证强度要求，减少实验次数，并取信于消费者。 a n s y s 是当前世界上应用最广的有限元分析软件之一，具有强大的有限元分 析功能，广泛应用于结构分析。而且，它具有良好的开放性，具有参数化程序设 计语言a p d l 、用户界面设计语言u i d l 和用户程序特性u p f s 等二次开发功能。 本论文以苏州江南嘉捷电梯有限公司生产的梯级为研究对象，从以下几个方 面对梯级进行了探讨： 首先，介绍了梯级的分类，结构及尺寸，对梯级在运行过程中的各个区段的 受载情况进行了分析，建立了梯级在工作区段的力学模型，并介绍了梯级的振动 来源及对舒适性的影响。 其次，初步开发了梯级的参数化有限元分析系统。运用参数化程序设计语言 a p d l ，引入参数化变量，和判断、循环等流程控制命令，详细说明了梯级参数化 模块的开发过程。先建立模板分析过程，然后整理对应的l o g 文件，实现扶梯梯级 分析系统的参数化模块。 然后，运用a n s y s 的用户界面设计语言u i d l ，可以开发简单的用户界面。 而本课题的特点正是需要输入的参数简单明了。本文以梯级为例，说明通过a n s y s 对u i d l 控制文件的调用，以及对菜单控制文件和对话框控制文件的编辑，实现梯 级分析系统的界面模块设计。在模型参数改变后用户只需要通过用户界面输入更 改参数就可以产生自动进行有限元分析的a n s y s 输入文件。 最后，运行此梯级专有分析系统，得到了梯级静态实验和动态实验的有限元 分析结果，显示了该系统能够避免大量的重复操作，提高分析效率。而且输入界 面简单明了，非专业人员也可以运用该系统进行梯级分析。 本文开发的梯级参数化有限元分析系统，其分析结果对梯级的设计制造具有 一定的指导意义。 摘要自动扶梯梯级参数化有限元分析系统设计 关键词：自动扶梯梯级；有限元；参数化：a n s y s ；a p d l ；u i d l i i 作者：柳胜 指导老师：芮延年 里箜! 墨璺旦翌里巳! 望翌! ! ! 生里也i ! ! 旦! 巴! 望! 垒! ! ! ! 垤i ! 苎z ! ! ! 婴鱼! 星! ! ! ! ! 1 2 1 ! ! 匹 垒里墨! 垦垒竺! d e s i g no np p a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta a n a l y s i ss y s t e m f o re s c a l a t o rs t e p s a b s t r a c t i nae s c a l a t o lt h es t e pi st h el a r g e s tn u m b e ro fc o m p o n e n t s d u et ot h el a r g e n u m b e ro fs t e p s ，b u ta l s or e g u l a re x e r c i s ec o m p o n e n t s ，s ot h eq u a l i t yo fo n ee s c a l a t o r s t e pd e p e n d sl a r g e l yo nt h es t r u c t u r ea n dq u a l i t y c a et e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tt o o l h a sb e c o m eam e c h a n i c a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ，t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， s t r e n g t hr e q u i r e m e n t sc a nb eg u a r a n t e e da n dt or e d u c et h en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，a n d t og a i nt h et r u s to fc o n s u m e r s a n s y si so n eo ft h em o s tc o m m o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei nt h ew o r l d i th a sp o w e r f u lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf u n c t i o n sa n di sa p p l i e di ns t r u c t u r ea n a l y s i s w i d e l y m o r e o v e r , i th a sg o o do p e n n e s sa n ds e c o n dd e v e l o p m e n tf u n c t i o n ss u c ha s a p d l ，u i d l a n du p f s t h i sp a p e ri sb a s e do ns e ts u z h o uj i a n g n a nj i aj i ee l e v a t o rc o ，l t d f o rt h es t u d y t a r g e t ，f r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t so f t h es t e p ： f i r s to fa l l ，i n t r o d u c e dt h es t e p so ft h ec l a s s i f i c a t i o n ，s t r u c t u r ea n ds i z e ，a n a l y z e d t h ev a r i o u ss e c t i o n so ft h el o a dc a s e so nt h es t e p sd u r i n go p e r a t i o n ，e s t a b l i s h e dt h e s t e p s m e c h a n i c a lm o d e li nt h ew o r ks e c t i o n ，a n dd e s c r i b e dt h ev i b r a t i o ns o u r c ea n d c o m f o r tt h es t e pi m p a c to n s e c o n d l y , i td e v e l o p st h ei n i t i a lp a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e mo fas t e p u s i n gt h ep a r a m e t r i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea p d l ，i n t r o d u c i n gp a r a m e t r i cv a r i a b l e s ， t h ej u d g ea n dc i r c u l a t i o nf l o wc o n t r o lc o m m a n d ，d e t a i l i n gd e s c r i p t i o no fs t e p s p a r a m e t e rm o d u l ed e v e l o p m e n tp r o c e s s f i r s te s t a b l i s hat e m p l a t eo ft h ep r o c e s s ，a n d t h e no r d e rt h ec o r r e s p o n d i n gl o gf i l e s ，t oa c h i e v et h ee s c a l a t o rs t e p so ft h es y s t e m p a r a m e t e r so ft h em o d u l e t h e n ，u s i n ga n s y s u s e ri n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g eu i d l ，c a nd e v e l o pas i m p l e u s e ri n t e r f a c e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i st a s ka r es i m p l et oe n t e rt h ep a r a m e t e r s t h i s a r t i c l es e ts t e p sa sa ne x a m p l e ，i l l u s t r a t i n gu i d lc o n t r o lf i l eb ya n s y s ，a n de d i t i n gt h e i i i a b s t r a c t d e s i g no np p a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta a n a l y s i ss y s t e mf o re s c a l a t o rs t e p s m e n uc o n t r o lf i l ea n dd i a l o gc o n t r o lf i l e ，i m p l e m e n t a t i o nt h es y s t e m si n t e r f a c em o d u l e d e s i g n t h eu s e rj u s tn e e dt oi n p u tt h r o u g ht h eu s e ri n t e r f a c ec a nb eg e n e r a t e d a u t o m a t i c a l l yc h a n g et h ep a r a m e t e r so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ea n s y si n p u t f i l ew h e nc h a n g e st h ep a r a m e t e r si nt h em o d e l f i n a l l y , r u nt h i sa n a l y s i ss y s t e mc a ng e tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fe x p e r i m e n t a l r e s u l t si n s t a t i ca n dd y n a m i c t h es y s t e mc a np r e v e n tal a r g en u m b e ro fr e p e a t e d o p e r a t i o n s ，i m p r o v e t h e a n a l y s i se f f i c i e n c y a n d t h ei n p u ti n t e r f a c ei s s i m p l e ； n o n - p r o f e s s i o n a l sc a na l s ou s et h es y s t e mt od ot h es t e pa n a l y s i s t h i sp a p e rh o l du pd e v e l o p m e n tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e mo fs t e pp a r a m e t r i c ， t h ea n a l y s i sr e s u l t sh a ss o m e s i g n i f i c a n c eo nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h es t e p s k e yw o r d s ：e s c a l a t o rs t e p ；f i n i t ee l e m e n t ；p a r a m e t r i c ；a n s y s ；a p d l ；u i d l i v w r i t t e n b y l i us h e n g s u p e r v i s e db y r u iy a nn i a n 目录 第一章绪论一1 1 1 课题的研究背景1 1 1 1 自动扶梯梯级的特点和检验概况“1 1 1 2 国内外研究现状3 1 2 课题来源与意义以及主要研究内容4 1 2 1 课题的来源与意义”4 1 2 2 课题的主要研究内容5 第二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统6 2 1 梯级分类及组成部分6 2 2 整体式梯级的主要尺寸7 2 3 梯级及踏板受力分析8 2 4 梯级振动1 6 2 5 有限元理论及a n s y s 分析系统1 8 2 5 1 有限元理论18 2 5 2a n s y s 分析系统简介2 0 2 5 3a n s y s 的二次开发功能2 1 2 6 本章小结2 2 第三章系统总体设计及梯级有限元模型的建立2 3 3 1 自动扶梯梯级的基本结构- 2 3 3 2 系统总体设计2 3 3 3 参数化设计语言( a p d l ) “2 4 3 3 1a p d l 的特点2 8 3 3 2 如何生成a p d l 文件3 0 3 3 3a p d l 语言程序控制3 0 3 4 参数化分析模块的实现3 4 3 4 1 静力分析参数化模块建立3 4 3 4 2 模态分析参数化模块的建立3 6 3 4 3 梯级疲劳分析模块的建立3 7 3 5 模型l o g 文件的编辑3 8 3 6 本章小结4 4 第四章用户界面的设计4 5 4 1u i d l 结构体系4 5 4 1 1 菜单块结构4 9 4 1 2 对话框块结构5l 4 1 3 参数提取5 2 4 2 梯级模块界面设计5 3 4 2 1u i d l 控制文件调用5 4 4 2 2 菜单控制文件的编辑5 4 4 2 3 对话框控制文件编辑5 5 4 - 3 本章小结5 7 第五章仿真应用实例5 8 5 1 界面使用说明5 8 5 2 结果观察与分析5 9 5 3 本章小结6 4 第六章结论与展望6 5 6 1 本文总结6 5 6 2 全文展望6 5 参考文献6 7 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文7 0 致谢7 1 自动扶梯梯级参数化有限冗分析系统i 5 计 第一常绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 自从2 0 世纪6 0 年代c l o u g h 第一次提出“有限单元法”这个概念以来，随着现 代力学、计算数学以及计算机技术在软、硬件方面的提高，有限元分析无论是在 理论，还是在计算机技术方面都已取得巨大的进步。在工程结构分析中，有限元 方法已成为应用最广泛、最有效的数值方法之一。一些通用的或专用的有限元软 件相继投入使用。a n s y s 作为其中之一，是一个广泛应用于机械、土木、生物、 医学等众多工业领域，集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型c a e 软件， 在国内外具有良好的声誉，并已获得了工业界的认可。 有限元在自动扶梯行业的应用，使扶梯的结构分析取得了长足的进步【。在现 代社会和经济活动中，自动扶梯作为运送旅客的交通工具，不仅成功缩小了目标 间的距离，而且使超短途( 如楼层、月台间等) 的大流量人员运输成为可能。自 动扶梯的应用已经改变了我们的生活，并已经成为现代物资文明的一个重要标志。 现代化的扶梯要求扶梯无论在结构还是在特性、功能上都要满足人们对扶梯提出 的越来越高的要求，其中结构上的安全是最基本的，即结构设计要满足强度要求， 保证乘客的人身安全【2 】。 1 1 1 自动扶梯梯级的特点和检验概况 自动扶梯是由一台特种结构型式的链式输送机和两台特殊结构型式的胶带输 送机所组合而形成的，用以在建筑物的不同层高间运载人员上下的一种连续输送 机械。 一系列的梯级与两根牵引链条连接在一起，在按一定线路布置的导轨上运行 即形成自动扶梯的梯路。牵引链条绕过上牵引链轮、下张紧装置并通过上、下分 支的若干直线、曲线区段构成闭合环路。这一环路的上分支中的各个梯级( 也就 是梯路) 应严格保持水平，以供乘客站立。上牵引链轮( 也就是主轴) 通过减速 器等与电动机相连以获得动力。扶梯两旁装有与梯路同步运行的扶手装置，以供 乘客扶手之用。扶手装置同样由上述电动机驱动。为了保证自动扶梯乘客绝对安 全，要求装设多种安全装置【3 1 。 第一章绪论白动扶梯梯级参数化仃限兀分析系统i ：2 汁 图1 1自动扶梯示意图 梯级是特殊结构形式的四轮小车，有两只主轮两只辅轮。梯级的主轮的轮轴 与牵引链条铰接在一起，而辅轮则不与牵引链条连接。这样，全部梯级通过按一 定的规律布置的导轨运行，可以做到在自动扶梯上分支的梯级保持水平，而在下 分支的梯级可以倒挂。 自动扶梯梯级是自动扶梯最主要的零件之一。1 8 9 9 年第1 台奥的斯硒伯格自动 扶梯踏板是用硬木制成，在以后的一百年时间里，人们尝试过各种各样的材料来 制造自动扶梯梯级，比如金属的及非金属的，如钢、铝合金、不锈钢、塑料、玻 璃钢等等，颜色也有各种各样，如有蓝色、绿色、红色、灰色和黑色等，彩色梯 级为建筑师提供了丰富的设计想象空间。在一台自动扶梯中，梯级是数量最多的 部件。一台小提升高度自动扶梯的梯级约需5 0 。1 0 0 只；大提升高度自动扶梯的梯 级多达6 0 0 。7 0 0 只梯级。由于梯级数量众多，又是经常运动的部件，因此一台自动 扶梯的质量在很大程度上取决于梯级的结构和质量。对梯级的要求是：自重轻； 工艺性能好；装拆维修方便【3 】。直到近代压铸技术的出现，整体式铝合金压铸梯级 逐渐占据了市场的主导地位，它相比其他种类的梯级有很多优点：重量轻，由于 采用了铝合金材料，铝的比重相比钢及不锈钢材料要小的多，因此在重量上有明 自动扶梯梯级参数化有限冗分析系统设计第一章绪论 综上所述，铝合盒梯级有很大的优点，但它也存在着缺点【4 】： ( 1 ) 质脆：通常延伸率较低，允许变形的能力较差。所以品质不佳的铝合金梯 级容易发生断裂的危险。 ( 2 ) 品质一致性较差：因为制造过程复杂( 包括材质成分、铸造技术、模具设计、 热处理过程、切削及涂装过程等) ，容易引起质量问题。 ( 3 ) 制造成本高。 影响梯级安全性能的因素有：造型结构、材料强度、铸造技术及热处理过程 等，一般而言无法从梯级外观来判断其安全性能，所以对梯级进行安全性能测试 是非常重要的一项内容。一般常用的测试项目有两项： ( 1 ) 梯级静态实验：此实验是用来模拟乘客站在梯级上时，梯级在承受一定的 静载荷作用下，是否产生大变形的情况。 ( 2 ) 梯级动态实验：此实验是用来模拟梯级在承受一定的动态载荷作用下，是 否会产生大的变形或断裂现象的情况。 1 1 2 国内外研究现状 1 8 9 9 年查尔斯希伯格与奥的斯公司携手制造出第一台阶梯式自动扶梯。7 月 9 日。第1 台奥的斯硒伯格梯阶式( 梯级是水平的，踏板用硬木制成，有活动扶手 和梳齿板) 扶梯试制成功，这是世界第一台真正的自动扶梯。 1 9 2 2 年，奥的斯公司制造了世界上第一台现代化自动扶梯，水平楔槽式梯级 与梳齿板相结合，从此即为其它自动扶梯制造商所沿用。之后，自动扶梯技术在 很多方面得到了改进【l 】。 经过这么多年的发展，梯级的结构形式并没有发生太大的变化。做为特种设 备的一个零部件，梯级的检验一直由专门的检验机构进行检验，耗时耗力，成本 比较大。另外，也无法获得梯级各部位的受力情况，很难对其进行优化。同时， 对于购买梯级的用户而言，有时希望能够看到梯级的直观的检验分析结果，这就 要求梯级生产厂家拥有一个专门的梯级分析软件，来对用户进行演示，获得他们 的信任。利用有限元软件丌发专门分析系统进行仿真分析，势在必行。 对于梯级的仿真分析，国内外各高校和研究机构还没有做专门的研究，但对 于像梯级这种系列化的零部件进行有限元仿真分析，已经取得了很好的成果。如 国外a l e x e yi b o r o v k o v 5 】介绍了两个基于a n s y s 二次丌发的软件：用于转子体 刚度不对称补偿的c r s d 软件和可以计算有三十种燃料元素的散热器的稳态3 d 热 第一章绪论臼动扶梯梯级参数化f i - 限兀分析系统设计 分析的软件。在这两种软件中可以在初始界面中输入相关的参数，然后让计算机 自动生成模型、划分网格、加载、分析，还可以自动在m sw o r d 中生成分析报告。 软件大大提高了分析的效率，节省了工作时间。 国内这方面的工作刚刚丌展，也取得了一定的研究成果，这类研究和开发工 作大致分为两类：一是为解决专门的实际问题而开发的专用模块，这些模块已用 于土木工程基础问题、水利工程的波浪问题、机械结构的整体设计和机械设计优 化。这些模块开发充分利用了a n s y s 提供的二次开发技术，特别是参数化建模技 术，并且针对各自专门领域进行了很多优化设计。相比之下，另一类研究和开发 工作主要是开发商业化的模块，这些模块不仅能解决专门领域的实际问题，用户 操作界面做得比较完善，这些开发的模块己经推向市场，并取得了经济效益。如 用a n s y s 开发的应用柴油机铸造成型模型的专用模块、用第三方语言d e l p h i 开 发的a n s y s 二次开发工具p a r a 2 g u i 可以插入任何a n s y s 宏文件、压力容器自 动化分析软件c p v - a n s y s t 6 】等都是商业化模块。 许多的扶梯生产厂家正在引入扶梯结构的有限元分析【7 1 0 而a n s y s 等有限元 分析软件，都是专业性很强的软件，无论是在学习还是在应用过程中，都要花费 大量的时f 百j , n 精力。因而，有必要开发出针对某一行业，比如自动扶梯梯级的专 用分析系统，在系统的界面中，输入基本的设计参数和分析参数，然后把所有的 前处理过程、求解过程和后处理过程交给计算机处理，最后得到用户关心的结果。 1 2 课题来源与意义以及主要研究内容 1 2 1 课题的来源与意义 本课题来源于苏州江南嘉捷电梯股份有限公司。随着扶梯行业的蓬勃发展， 以及用户对扶梯产品的要求不断提高，对扶梯产品进行有限元结构分析，已势在 必行。同时扶梯零部件的强度也越来越受到电梯厂家的关注。对扶梯的零部件进 行有限元强度分析，可以使扶梯的结构更加合理和安全【4 】 但是有限元结构软件是专业性很强的软件，需要专业的结构分析人员使用， 而且有限元的前后处理，尤其是前处理过程，需要大量的工作，使得结构分析人 员在按常规方法分析时，要进行大量的重复性操作。 梯级的结构特点是系列化较强，即一系列内有几种不同型号的梯级，而这些 梯级随着型号的变化，拓扑结构不变或只有少量特征的增减，主要是尺寸发生变 化，且大多数的尺寸的变化有定的规律。对于这种系列化较强的零部件，按通 4 自动扶梯梯级参数化有限j 分析系统设汁 第一章绪论 常的方法进行有限元分析，每个零部件，建立模型、划分网格、到加载等建模工 作需要做大量的重复性操作。 针对上述情况，本论文丌发了基于a n s y s 的梯级参数化有限元分析系统， 该系统根据梯级零部件系列化的特点，利用a n s y s 的二次丌发功能，主要是其 a p d l 语言的参数化特性，对梯级进行参数化建模，进行有限元分析。这样，对同 一系列不同型号的梯级进行有限元分析时，能够使用户避免大量的建模、划分网 格、加载等前处理及后处理工作。只要用户在初始系统界面中，输入基本的设计 参数和分析参数，然后就可以把整个分析过程交给计算机来处理。分析完毕后， 用户可在工作目录里找到结果文件“r e s u l t d a t ”直观地看到用户希望得到的信息。 工作目录中，还会生成用户需要观察的图片和模态分析得到的振型视频文件。 1 2 2 课题的主要研究内容 本课题以整体压铸式铝合金梯级为研究对象，针对铝合金梯级的静态实验和 动态实验，利用大型通用有限元分析软件a n s y s 的二次开发工具a p d l 和u i d l ， 编写出梯级参数化有限元分析程序。论文主要包括以下几个方面的内容： 第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景及国内外现状和扶梯梯级结构特点 及其实验，课题的来源和意义。 第二章介绍了梯级的结构及分类，叙述了梯级在运行过程中各个区段的受载 情况，建立了梯级在工作过程中的力学模型，研究了梯级的振动对舒适性的影响。 对a n s y s 的主要功能、模块，进行了讲解，并初步介绍了a n s y s 的二次开发工 具。第二章是后面进行电梯参数化有限元分析系统开发的基础。 第三章是本课题的重点梯级参数化分析模块的实现。首先讲述了a n s y s 的参数化设计语言a p d l ，a p d l 文件的生成，a p d l 程序的控制，及参数化变 量在a p d l 程序中的使用等。然后利用a p d l 语言，编写梯级参数化分析程序， 实现参数化模块的设计。 第四章是梯级参数化分析系统的界面模块的设计。本章讲述u i d l 的结构体 系，及a n s y s 怎样实现对u i d l 的调用，菜单和对话框的设计，界面输入参数的 提取。然后设计了扶梯梯级参数化有限元分析系统的菜单模块。 第五章是仿真应用实例，实际应用已丌发的梯级参数化有限元分析系统。 第六章是总结，阐述了该梯级参数化有限元分析系统的应用和发展方向。 第二二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统自动扶梯梯级参数化有限几分析系统设计 第二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统 自动扶梯是一种开放式的连续运输工具，每小时可输送8 0 0 - 1 0 0 0 人，广泛用 于机场、车站、码头、地铁、大型商场等人流密集的场所。梯级是组成自动扶梯 最主要的部件之一，与牵引链条、梯路导轨等共同组成自动扶梯的梯路。梯级在 自动扶梯的结构中是供乘客站立的部件，它有2 个主轮、2 个辅轮。梯级主轮的轮 轴与牵引链条铰接在一起，辅轮的轮轴则不与牵引链条连接，是同整体梯级一起 压铸出来的，这样可以做到梯级在上分支保持水平，在下分支进行翻转。一台提 升高度4 m 左右的自动扶梯需5 5 - - - 6 2 级梯级，而大提升高度的自动扶梯的梯级达 9 0 - 1 2 0 级以上。由于梯级数量众多，又是经常运动的部件，因此自动扶梯质量的 好坏很大程度上取决于梯级的结构是否合理及梯级性能、质量的好坏。自动扶梯 对梯级的基本要求是：自重轻、工艺结构好、质量稳定、尺寸精确、不易变形、 装拆维修方便、外观美丽【8 】。 2 1 梯级分类及组成部分 梯级从结构上分整体式和分体式。分体式梯级由踏板、踢板、支承架、副轮 轴、连接紧固件等部件拼装组合而成；整体式梯级则集踏板、踢板、支承架、副 轮轴等部件于一整体，一次性压铸而成。分体式梯级的踏板、踢板有整块与多 块装拼之分，材料则有铝合金或不锈钢( 铁) 。由于分体拼装梯级的联接件多、 紧固螺栓多、组装工艺复杂，难以保证尺寸精度；梯级刚性较差、容易出现扭 曲变形；噪声大；重量超过2 0 k g ；梯级在长期运转过程中，联接部件的螺栓容 易脱落；除踏板、踢板为铝合金或不锈钢( 铁) 材料外，支承架及连接板均用 a 3 冷板冲压成形而拼装。梯级如装在室外、远洋轮船、地铁等日晒雨淋或有酸 碱盐腐蚀气体多的地方，a 3 冷板冲压成形的支承架及连接板易锈蚀，造成梯级 易变形或损坏。整体式铝合金梯级由于具有生产加工速度快、尺寸精度高、噪 声小、自重轻、无连接紧固件、刚性强等优点，现已广泛被自动扶梯采纳。本 论文主要分析整体式梯级。 下面讲述一下梯级结构的各组成部分【3 】： ( 1 ) 梯级踏板 6 自动扶梯梯级参数化有限冗分析系统设计第二二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统 踏板表面应具有凹槽，他的作用是使梯级通过扶梯上下出入口时，能嵌在梳 板齿中，以保证乘客安全上下。另外，可防止乘客在梯级上滑动。槽的节距应有 较高精度。并固接于梯级骨架的纵向构件之上。 ( 2 ) 踢板 踢板面为圆弧面。小提升高度自动扶梯梯级的踢板面做成有齿的。而在梯级 踏板的后端也做成齿形。这样可以使后一个梯级踏板后端的齿嵌入前一个梯级踢 板的齿槽内，使各梯级间相互进行导向。大提升高度自动扶梯踢板可以做成光面。 ( 3 ) 梯级骨架 梯级骨架是梯级的主要支撑结构，由两侧撑架和以板材或角钢构成的横向连 系件所组成。撑架一般采用压铸件。骨架上面固接踏板，下面有装主轮、辅轮心 轴的轴套。整体式梯级的骨架、撑架、踏板、踢板等均整体压铸而成。 1 一踢板2 一辅轮安装位置3 一梯级骨架4 一踏板 5 一主轮安装位置 图2 1 梯级结构图 2 2 整体式梯级的主要尺寸 梯级的主要尺寸包括：梯级宽度( b ) ，有l0 0 0 m m 、8 0 0 m m 、6 0 0 m m ，3 种规格；梯级深度( 也就是踏板的深度) 有3 9 7 m m 、4 0 4 m m 、4 0 6 m m 、4 0 9 m m ； 主轮与辅轮基距( l ) ，3l0 - - - 3 5 0 m m 。在梯级中对梯级结构影响较大的尺寸是 主轮和辅轮之间的基距，一般分为短基距、长基距及中基距3 种。短基距梯级具 有制造方便，牵引链轮直径小，自动扶梯结构紧凑等优点，但同时也有梯级运行 不稳定，存在轻微跳动，容易引起梯级围绕副轮轮轴转动等缺点。长基距梯级虽 然可以避免以上缺点，但长基距梯级尺寸大、自重大、加重了曳引机的负荷，且 长基距梯级必须加大牵引链轮的直径，从而使整个自动扶梯结构增大。只有中基 7 第二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统自动扶梯梯级参数化有限死分析系统设计 距兼有上述2 种梯级的优点，所以除非特殊要求，一般的自动扶梯生产厂商都采 用中基距梯级，有l0 0 0 r a m 、8 0 0 m m 、6 0 0 r a m3 种规格。 ( a ) 长基距 2 3 梯级及踏板受力分析 ( b ) 中基距( c ) 短基距 图2 2 梯级基距图 一只梯级有四只车轮，两只铰接于牵引链条上的为主轮，两只直接装在梯级 撑架短轴上的为辅轮。辅轮的受力情况比较简单，在载客分支承受乘客载荷和梯 级等的重量，在返回分支承受梯级等的重量。相对而言，主轮的受力情况就要复 杂一些了，不仅和梯级牵引部件张力有关，还和驱动装置所在位置以及主轮布置 方式等有关。 目前自动扶梯驱动装置所在位置一般有2 种，一种驱动装置在扶梯的上端部， 称为端部驱动，其梯级牵引部件为链条，又称链条式自动扶梯。另一种驱动装置 在载客分支和返网分支之间，称为中间驱动，其梯级牵引部件为齿条，又称齿条 式自动扶梯。 链条式自动扶梯主轮的布置方式大致2 种，如图2 3 和图2 4 所示。在图2 3 中， 主轮置于梯级链的内链板之间，一个梯级节距一般有3 个主轮，暂且称之为内置式 主轮；在图2 4 中，主轮置于梯级链外侧，一个梯级一般有2 个主轮，暂且称之为外 置式主轮。齿条式自动扶梯主轮的布置方式与外置式主轮类似9 1 。 厂、厂、一一、 厅d u ， 、吖 u k p 、矿、一一- 一，p 、一， # 一 图2 3 内置式主轮 自动扶梯梯级参数化有限冗分析系统设计 第二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统 挫 l 一 上上上上妄 n1 1 l lj li liiii ill liil l1 1 1 tl j tttttt lj t 图2 4 外置式主轮 下面详细分析一下梯级在运行的各个区段的承载情况。 如下图所示，将梯级主轮运动轨迹大致分为5 个部分，分别是区段1 为载客 分支下曲部和倾斜部，区段2 为载客分支上曲部，区段3 为上反转部，区段4 为 返回分支上曲部，区段5 为其余部分。下面就分别分析梯级主轮在这5 个区段内 的受力情况。【9 儿1 0 】 2 3 图2 5 梯级运动示意图 ( 1 ) 符号说明： 职一梯级重量；形，一梯级轴等质量；w o 一制动载荷，按g b l 6 8 9 9 1 9 9 7 中 的规定；瞅一梯级链等质量；j 一倾斜部梯级数量；日一提升高度；只一梯级节 距；只一梯级链节距；r 一载客分支上曲部曲率半径；尺下一返回分支上曲部曲 率半径；疋一载客分支梯级链张力；只一返回分支梯级链张力；f o 一梯级链初张 力；口一倾斜角；嵋一主轮在区段1 所受的载荷；一主轮在区段2 所受的载荷； 职一主轮在区段3 所受的载荷；职一主轮在区段4 所受的载荷；职一主轮在区 段5 所受的载荷；肜。一主轮在整个梯路的平均载荷。 笫二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统 自动扶梯梯级参数化有限冗分析系统设计 ( 2 ) 内置式主轮在各个区段的载衙： 主轮在区段1 的载荷： 在区段1 主轮受制动载荷和梯级等重量的作用，其载荷为： = 【三( + 比) + 三( k + ) 】g 。c 。s 口 ( 2 - 1 ) 主轮在区段2 的载荷： 在区段2 主轮除受制动载荷和梯级重量的作用外，还受梯级链张力的影响。 载荷分支梯级链张力： 最= 三吼彬+ 嘭堋, s i n g + 主f o ( 2 _ 2 ) 式中，n 2 s i n 口 主轮载荷： = 吒去+ 【丢( 睨+ 睚) + 丢( 岷+ 睚) 】g 。 ( 2 - 3 ) 主轮在区段3 的载荷： 在区段3 主轮仅有梯级等重量的作用，其载荷为： = 【三瞰+ 丢( + 耽) 】g 。( 2 - 4 ) 主轮在区段4 的载荷： 返回分支梯级链张力： 只= 丢( m + + w 。) u g 。s i n 口+ 互1f 。(2-5) 主轮载荷： = 疋去+ 丢比+ 圭( + 昵) 】g ，。 ( 2 乇) 主轮在区段5 的载荷： 岷= 丢形+ 丢( + 肌) k ， ( 2 7 ) ( 3 ) 外置式主轮在各个区段的载荷： 对于链条式自动扶梯，外置式主轮与内置式主轮仅在区段2 和区段4 的载荷 不同，其余区段相同。 主轮在区段2 的载荷： 1 0 自动扶梯梯级参数化有限j 己分析系统设计第二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统 = 疋去+ 【丢( 眠删+ 丢( 州】g ， 主轮在区段4 的载荷： = f 2 丢+ 【丢瞰+ 三( 例】g ，。 对于齿条式自动扶梯，梯级齿条在上曲部张力几乎为零， 况比较好。它在区段2 和区段4 的载荷如下，其余区段相同。 主轮在区段2 的载荷： w 2 = 丢( 吧+ 形) + 丢( + 哌) 】g ， 主轮在区段4 的载荷： = 【言瞰+ 主( + 彬) 】g 。 ( 2 8 ) ( 2 母) 因而滚轮的受力情 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 主轮的平均载荷： 通过上述各区段主轮的载荷情况，可以计算出主轮的平均载荷。主轮的平均 载荷计算可以利用球轴承的平均当量动载荷的计算方法来求得。 既= ( 2 - 1 2 ) 式中，彬一主轮在各个区段的载荷；f f 一各个区段的长度。 由此可见，梯级在运行过程中所受载荷比较复杂，而且还是不断变化的。在 自动扶梯的所有部件中，梯级的运动幅度最大。只要自动扶梯一开，梯级就不停 的运行，周而复始地从梳齿板里出来进去。如果自动扶梯以0 5 m s 的速度每天运 行1 2 h ，梯级要行驶2 1 6 k m ，高速梯则要运行3 8 8 8 k m ，甚至更多。扶梯运行速度 为0 5 m s 时，如果每天行驶1 2 h ，它的理论输进人数为1 0 8 万人，6 4 8 万k g 。由 此可见梯级的工作条件较差，故障隐患较大【l 。从区段上看，在区段2 即自动扶 梯的载客分支上曲部受力最大，在区段4 次之，其他区段相对较小；这主要是因 为链条式自动扶梯在这两个区段受到链条张力的作用，而且随着提升高度的增加， 在这儿受力也随之增大。 因此在安装一台自动扶梯前，必须对梯级进行强度、刚度和疲劳方面的校核。 中华人民共和国国家标准自动扶梯和自动人行道制造与安装安全规范 第二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统自动扶梯梯级参数化有限j e 分析系统设计 ( g b l 6 8 9 9 1 9 9 7 ) 规定，生产出梯级必须有专门的机构对其静态和动态检验。 梯级在各个区段的受力是不同的，承载乘客的区段为区段1 和区段2 ，下面 着重分析梯级在这两个区段的受力情况。下图为梯级在这两个区段受力图： z o 图2 6 梯级受力分析图 本文主要考虑梯级踏板在工作过程中的变形情况，可以把其简化成板，板的 弯曲性质与板的厚度有很大关系，通常将板区分为三类【1 2 】： 1 极薄的板。板的厚度h 与地面最小尺寸b 的比值约为： 鱼 f 上土1 b、8 01 0 0 7 这类板的抵弯能力可以忽略不计，在通常横向载荷作用下，其挠度远较板厚h 为大，认为板中只产生拉力，可按薄膜方法进行分析。 2 厚板。这类板的计算，是当作弹性理论的空间问题来处理的，由于应力和变 形很复杂，计算很困难。 3 具有小挠度的薄板。板厚h 和底面最小尺寸b 的比值约为： c 嘉。志，軎c 昙。争 自动扶梯 j ：f 5 级参数化有限冗分析系统设计第二章梯级受力分析及a n s y s 分析系统 基本假设是： 1 薄板中面上各点，只有垂直位移w ，而不考虑水平位移u 和v 。 2 弯曲前板内垂直于中面的直线段，弯曲后仍保持为直线，且垂直于弹性曲面。 同时这直线段长度不变。 3 挤压应力矿，引起的变形可以不计。 下面推导梯级踏板