自动扶梯覆层设计

以安全为中心的自动扶梯围护结构设计的检验和案例研究

自动扶梯或自动人行道的所有机械运动部件应完全封闭在无孔板或墙壁内。

用户可用的无障碍台阶、无障碍托盘、无障碍皮带和扶手部分除外。 许多自动扶梯制造商使用不锈钢板作为外壳设备，因此不锈钢厚度和设计在生产成本中起着重要作用。 在本文中，将根据 Kirchhoff-Love 板弯曲理论和有限元法 (FEM) 分析，在 ABAQUS/CAE 2018 中考虑不同厚度的各种设计。

BS EN 115-1:2017 定义了允许值和设计测量值。 假定板边界条件等于由 Ritz 方法（也称为“能量方法”）导出的完全夹紧和控制方程。

介绍

覆层是自动扶梯的主要部分，用于三个目的：

1. 防止接触自动扶梯内的运动部件[1]
2. 保护自动扶梯内的设备免受风、雨、灰尘和其他不利环境条件的影响
3. 改善外观，使扶梯整体设计更具吸引力^[2]

覆层用于公共交通自动扶梯。 它主要由不锈钢制成，分为两部分，作为侧围和拱腹（桁架下的围护）的侧包层。 材料和厚度在公共项目的成本中起着重要作用。 这就是为什么一个非常合适的设计可以降低许多单位的成本。

1850 年，古斯塔夫·基尔霍夫 (Gustav Kirchhoff) 发表了一篇关于薄板理论的重要论文。 在这篇论文中，基尔霍夫提出了两个独立的基本假设，这些假设现在在板弯曲理论中被广泛接受，被称为基尔霍夫假设。 [3] 在经典或薄壳理论中，横向应力和应变分量被忽略。 Reissner 引入了一种严格的板理论，该理论考虑了由横向剪切力引起的变形。 1956 年，MJ Turner、RW Clough、HC Martin 和 LJ Topp 引入了 FEM，它允许以经济的方式对复杂的板壳问题进行数值求解。 [4] 2013 年，JL Mantari 和他的同事介绍了高级复合板的广义高阶剪切变形理论的有限元公式。^[5]

考虑一个由不锈钢制成的方形板，将 Ritz 方法应用于板弯曲。 [4] 应变能， U，与板弯曲相关的是：

其中 D 是抗弯刚度。

在目前的工作中，我们假设弹性模量 E 和板厚 t 由方程 2 描述。 (XNUMX)，而泊松比 v 在整个厚度范围内被认为是恒定的。 侧表面载荷所做的功 p(x, y) 表示为：

其中 A 是板表面的面积。 因此，潜力
能量 π = U - W 为：

通过考虑承载载荷的内置边缘（完全夹紧）方板的弯曲来说明该方法的应用 p. 边界条件为：

按方程中最后一项的部分积分。 (1) 根据上述边界条件方程，变为：

因此，弯曲应变能减少为：

假设以下形式的偏转表达式：

满足边界条件方程。 负载， P，然后应用在一个位置

 其中板的最大挠度。 从最小化条件

它遵循：

通过获取值

在其中

发现发生在板中心的最大挠度为：

分析和 FEM 解决方案

此处针对具有表 1 中详述的条件的方板比较了解析解和 FEM 解。

通过将表 1 的数据引入等式，假设板中心的集中载荷。 (10) 和 ABAQUS/CAE 2018 的有限元分析，结果见表 2。

壳单元已分配给板，挠度显示在集中载荷 P = 250 N 下，如 EN 115 [1] 中所述。 7% 的错误是由于只取序列的七个项所获得的结果。 计算中的项越多，结果就越准确。

负载类型，在 EN 115 中被描述为对包层施加负载，是应作用于指定区域的贴片负载。 [250] 外板应在 250 平方毫米的圆形或方形区域上的任何直角点承受 2 N 的力而不会断裂。 [1] 在这里，屈服应力点被建议作为设计标准中的一个关键点。 这就是为什么会发生超出弹性极限的永久变形。 弹性极限是可以测量永久变形的最低应力点。 这种调查在设计上会导致更安全的情况，真正的安全系数会更大。 在表 3 中，针对面板中心的集中负载证明了补丁负载结果。 每个面板中心的挠度值相对相同，但贴片负载中的张力显着降低。

案例研究结果

这里考虑了自动扶梯中部和上部的两个面板。 这些特殊的面板安装在伊朗设拉子的地铁站。 厚度是定义安全系数的重要维度。 中部和上部的面板高度分别为 1,817 毫米和 2,933 毫米。 中板宽度为941mm，比上板大。 亚洲公共项目技术文件中推荐的最小板厚为 1.5 毫米 304 不锈钢等级。 [7-9] 尽管这种材料类型和厚度适用于覆层设计，但北美标准规定厚度应为超过 2 毫米的 316 不锈钢，非常耐腐蚀。 [10] 在商用自动扶梯中，面板设计有厚度为 1-1.5 毫米的纵梁。

挠度、张力和安全系数将被考虑在图 3 中。该折线图描述了当厚度增加时，面板中心的挠度显着减小。 虽然上面的面板比中间的面板高，但它的挠度较低。 图表中的下降值类似于指数函数的下降值。 最大偏转位置显示在上面板和中间面板中。 最大张力出现在面板中心，其中在方形区域上施加补丁负载。

图 5 表示一个上升指数函数，表明在这种情况下（根据板尺寸和材料），1.5 毫米的厚度对于包层设计是可以接受的。 由于安全系数值，1.2 毫米的板厚对于覆层制造是不可接受的。

结语

根据 EN 115 设计标准，使用高尺寸面板的公共项目的最小可接受厚度为 1.5 毫米。 面板宽度是减少挠度值的重要尺寸。 补片载荷张力小于点载荷张力，但挠度是相同的。 为了创造更好的设计，建议配备纵梁的面板由于厚度更薄而获得更高的安全系数和更低的制造成本。 边界条件类型必须在所有边缘上完全夹紧，以满足张力和最大 4 毫米挠度等要求，以避免产生间隙。 [1] 所有边缘都可以弯曲以提供带有固定支撑的夹紧边界条件。

案例
[1] 英国标准协会 (BSI)。BS EN 115-1:2017：自动扶梯和自动人行道的安全 - 第 1 部分：构造和安装，BSI：2017。
[2] IRSA MEHR。 自动扶梯覆层目录，第一版。 伊朗：2017 年。
[3] Eduard Ventsel 和 Theodor Krauthammer。 薄板壳理论、分析与应用。 Marcel Dekker, Inc.：2001 年。
[4] Ancel C. Ugural。 板和壳中的应力。 第二版。 麦格劳-希尔公司：1999 年。
[5] JL Mantari 和 C. Guedes Soares。 “高级复合板的广义高阶剪切变形理论的有限元公式，”复合结构，卷。 96 (2013), p. 545-553。
[6] 阿特拉斯钢铁公司。 “不锈钢牌号数据表”（atlassteels.com.au）。
[7] 设拉子地铁 1 号线。“自动扶梯技术规范”：2016 年。
[8] 印度地铁。 《自动扶梯技术规范》：2014。
[9] 苏州地铁． 《自动扶梯技术规范》：2015。
[10] 美国公共交通协会。 APTA RT-EE-RP-001-02：重型运输系统自动扶梯设计指南：2011。