自动扶梯梯级主轮轴座断裂失效分析及改进措施
广东省特种设备检测研究院顺德检测院 莫仕沛 余仁辉
自动扶梯或自动人行道是一种带有循环运行梯级，用于上下或者水平输送乘客的固定电力驱动设备，具有连续工作、运输量大的特点，广泛用于人流量大的地铁、车站、商场等公共场所。梯级是组成自动扶梯关键零部件之一。对于梯级的要求是安全、自重轻巧、刚性强、弹性变形小、噪音低、耐腐蚀性强、拆装方便、制造成本及能耗低、经济实惠。随着经济发展及人们对经济利益的追求，梯级在材料及设计方面都有了很大的改变，在节省材料、降低成本的同时，也为梯级的使用留下一定的安全隐患。因此扶梯梯级的安全问题必须得到生产厂家的的足够重视。有限元分析技术的发展及其在机械结构设计中的广泛应用，为梯级主轮轴座结构的设计提供了较为完善的设计及验证方法，保证了结构设计的可靠性。本文基于Ansys有限元分析，针对某自动扶梯的梯级主轮轴座断裂失效问题进行了静力学仿真，既验证了断裂的失效原因，又为梯级主轮轴座结构提供了优化改进。
一、梯级失效问题及材料检测
1、问题描述
在对某商场自动扶梯实施的监督检验过程中，发现某品牌自动扶梯在经过一段时间的运行试验后，发生梯级主轮轴座的固定槽口批量断裂损坏的情况，如图1所示。仔细观察失效件端口形貌，可见断口处有许多大小不等的凹坑，这是由于在铸造过程中金属热处理不当所造成的材料缺陷。该缺陷可导致铸造件内部出现裂纹以及降低固定槽口的强度，进而出现因应力集中产生脆性断裂。对该商场同品牌的14台自动扶梯供956梯级进行详细检查，共发现主轮轴座的固定槽口断裂的梯级20个，占比2.09%，另外还有相当一部分主轮轴座的固定槽口存在深浅不一的划痕及磨损情况。
图1 主轮轴座断裂
2、材料检测
梯级的设计材料为YL102铝合金，为验证该失效件材料是否符合梯级设计材料要求，对失效件进行金属元素分析，结果如表1所示。对比失效梯级的元素与YL102铝合金元素成分，结果标明所失效件的材料符合梯级设计材料的使用要求。由此可见，梯级失效不是由其所使用的材料引起的。
表1 失效部件及梯级设计材料元素
二、有限元建模
1、几何模型简化
由于实际使用中梯级在开口销控和销轴配合作用下实现转动，且断裂出现在固定槽口处，因此需要计算该开口孔的强度来验证此处是否满足材料应力。为了更高效准确的计算此处应力，同时减少有限元分析计算时间及所占计算机资源以及减少此处的非线性计算量，将梯级的三维有限元模型简化为图2所示。
图2 自动扶梯梯级主轮轴座结构：
（a）连接组建结构模型；（b）开口连接件结构模型
2、材料性能参数
自动扶梯梯级材料及其性能参数如表2所示。
表2 梯级材料及其性能
三、结果与分析
1、计算结果
经过Ansys workbench模拟仿真分析，计算结果如图3所示。在图3中，梯级销轴部位有明显的应力集中，其应力最大值高达222.75Mpa，这个最大值大于材料的屈服强度220Mpa。而在实际的裂纹扩展过程中，如果模拟梯级材料的应力值大于它的屈服极限，而基体材料应力值小于屈服极限，则模拟梯级将发生断裂现象。这说明：由于梯级结构的设计不合理，使得梯级在使用中会发生应力集中，最终导致材料断裂、设备失效的后果。
图3 结构应力分布
2、断裂原因分析
结合Ansys计算结果和失效现场图片，导致梯级固定槽口断裂的直接原因是主轮轴座槽口应力集中。可知主轮轴座与三脚架之间的连接弧度过小，形成一个点接触，导致应力比较集中且所受的力较大，主轮轴座前半圆与支撑部件的连接是线连接，应力比较集中且所受的力较大，这两点的应力使固定槽口受到一个剪切力，当剪切力大于固定槽口的抗剪强度时，固定槽口便发生断裂。
四、结构优化改进
1、结构优化设计
针对该设计的结构缺陷，主要通过以下三方面改进，以此来减弱结构应力集中现象、进而达到增强结构强度的目的。首先通过增加主轮轴座前半圆结构支撑部分厚度，加强其结构强度；主轮轴座外径由φ43mm变更为φ47mm，且主轮轴座厚度由4.75mm变更为6.75mm；三角架与主轮轴座连接的连接圆角由R5mm变更为R30mm，减少应力集中，如图4所示。
图4梯级结构改进前后对比
改进的设计结构起到以下三个作用：
①更换后的梯级在固定槽口断裂处进行了加固处理即对支撑部分进行了加厚，使受力从线接触改变为面接触，增大了受力的面积，使前半圆结构加强，增强了固定槽口连接处的受力。
经过Ansys workbench模拟仿真分析，计算结构如图7所示。在图7中，梯级销轴部位没有明显的应力集中，其应力最大值为136.47Mpa，远小于材料的屈服强度220Mpa。最大应力发生在结构中间圆孔根部，最大应力相比原结构降低38.7%。同时，原结构的开孔断裂位置处，应力降低为97.42Mpa，相比原结构应力降低了56.25，这远远小于材料的屈服强度。由此可见，经过改进的梯级结构有更高的结构强度，且其最大应力完全符合材料性能。
以固定槽口断裂失效梯级为原型，通过Ansys模拟计算，结果显示在固定槽口部位出现高应力集中现象，其值大于材料的屈服强度，且主轮座与三脚架之间的连接弧度过小，形成一个点接触，造成梯级固定槽口的应力集中，进而导致断裂现象发生。通过增加主轮座的支撑厚度、主轮座外径以及三脚架与主轮座直径的连接圆角的外径，增强了梯级的机构强度，并利用有限元进行验证。其结果标明，经改进后的梯级结构，消除了原结构的应力集中及受剪切应力集中现象，增强结构强度。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.