鲁达 刘小畅 任发才 虞 峰 欧阳惠卿
上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062
摘 要：以某地铁车站自动扶梯主驱动链为研究对象，结合现场采集到的自动扶梯驱动装置参数，建立了链传动
运动仿真模型；利用有限元分析软件进行了主驱动链受力载荷分析，得到主驱动链最大和最小受力以及链节中最大应力的位置；提取其中任意一节链节，结合主驱动链受力和波动载荷，在有限元分析软件中进行了主驱动链疲劳寿命分析，获得链节疲劳寿命值。
关键词：自动扶梯；主驱动链；疲劳寿命；仿真
中图分类号：TH236 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）01-0056-04
地铁车站人流量较大，以上海市为例，据统计其地铁车站日均客流量高达1 000 万。地铁车站的自动扶梯日均运行时间长，载荷工况恶劣，进一步加剧了主驱动链断裂的风险，而主驱动链作为自动扶梯在动力传输过程中最为关键的零部件，一旦发生断裂，将会造成驱动装置的制动器与梯级之间失去连接，梯级将处于失控状态，自动扶梯将在负载的作用下发生向下溜车事故[1]。据研究多起自动扶梯倒溜事故[2，3] 表明，事故的直接原因为自动扶梯主驱动链疲劳断裂。本文以上海市某地铁车站自动扶梯主驱动链为研究对象，建立了链传动运动仿真模型和链条疲劳寿命仿真模型。
1 现场数据采集
1）使用信息 该自动扶梯处于某地铁站站台层，列车停靠时间间隔为3 ～ 4 min ，自动扶梯每天运行时间17 h，其中运载（满载）高峰时间4 h。
2）设备信息 制造日期为2005 年9 月，型号为MPE，运行速度0.5 m/s，提升高度4.7 m，梯级宽度为1 000 mm。
3）驱动装置参数 驱动轮齿数Z 1=21，从动轮（主驱动轮）齿数Z 2=87，中心距a=970 mm，偏心距b=334 mm，自动扶梯满载情况下，施加在从动轮上扭矩为2 162.5 N·m。
4）驱动链参数 型号为20A—2 双排链，节距P 为31.75 mm，链节数为120，链板材料为45 Mn，套筒材料为20 Mn，销轴材料为20 CrMnMo，2014 年6 月更换；主驱动链润滑方式为自动润滑 ，且每10 h 喷油300 s。
2 仿真建模思路
如图1 所示，整体仿真建模共分三个步骤。在RecurDyn 环境下建立链传动运动学仿真模型，采用Ansys Mechanical 进行主驱动链受力载荷分析，最后提取其中任意一节链节，结合主驱动链应力和波动载荷，在nCodeDesignLife 中进行链条疲劳寿命分析，获得主驱动链在满载情况下的疲劳寿命值。
图 1 建模思路示意图
2.1 仿真建模存在的难点
1）运动学仿真建模时，链条与链轮初始装配位置需要反复调试，选择适合的约束条件，防止模型运行过程中链条与链轮发生因模型间空间重叠的现象，造成链轮无法转动；
2）运动学仿真分析过程中，链条中链节与链节之间具有很多运动副，约束关系复杂，各零件直接的接触关系较难定义，模型运算量巨大；
3）链轮与链条在仿真模型运动过程中接触关系不断发生变化，在不同的位置，链轮与链条接触区域均不同，均需逐一确认；
4）链节强度分析中套筒与链板的过盈配合量以及各零部件之间的接触关系的设置，会影响运算结果的收敛性。
2.2 模型运算过程中的关键点
1）链轮与链条装模型准确的装配关系；
2）链轮与链条运动过程中相关运动副及接触的定义与计算；
3）链节模型中过盈配合及接触的计算。疲劳寿命的估算可以使用疲劳累积损伤定律，线性Miner 疲劳法则[4]，该法则认为部分疲劳损伤可以线性相加，当损伤达到1 时，主驱动链则发生断裂。链条疲劳寿命仿真模型以线性Miner 疲劳法则作为理论基础，结合本项目已经完成的疲劳寿命试验，当主驱动链伸长量达到3 % 时，拟合计算获得其疲劳损伤为0.21，文中疲劳仿真以0.21 作为主驱动链疲劳寿命的极值。
3 仿真建模
3.1 主驱动链运动学分析
1）主驱动链几何模型建模
在RecurDyn 软件中利用链条（chain）模块，根据现场采集的数据，分别建立驱动轮、从动轮和链条的几何模型，并装配好，链轮链条模型如图2 所示。
图 2 链轮链条装配模型
由于链轮和链条之间的啮合关系无法直接通过参数化生成装配好的链轮链条模型，通过手动微调驱动轮和从动轮的位置，以匹配链轮和链条的装配关系，防止因模型之间发生重叠现象造成链轮无法转动，见图3。
图 3 链轮与链条的装配关系
导入驱动主机、主驱动轮等其他零部件，生成主驱动链几何模型如图4 所示。
图 4 主驱动链几何模型
在主驱动链几何模型中，施加驱动轮、从动轮、链条与主机等其他零部件的约束关系，完成如图5 所示的主驱动链几何模型。
图 5 建立各零部件约束关系
2） 主驱动链运动学仿真分析
在RecurDyn 软件中完成主驱动链几何模型后，根据前文所述的数据，计算得到驱动轮转速为4.69 rad/s，在自动扶梯满载情况下，施加在从动轮上扭矩为2 162.5N·m。在软件中设置上述参数，并在Y 轴负方向施加标准重力加速度 g=9.8 m/s2，整个链传动即可实现运转，在RecurDyn 中进行运动学分析，见图6。
图 6 主驱动链运动学分析
提取链条上的第150 号链节（黄色链节）作为监测对象，输出该链节的速度曲线和受力曲线，如图7和图8 所示。该链节在运动过程中，其受力随链节在紧边、松边、驱动轮、从动轮位置而循环变化。通过主驱动链运动学分析，可知链节在紧边受到的拉力最大，为5 800 N，松边拉力最小，为400 N。
图 7 150 号链节速度曲线
图 8 150 号链节受力曲线
3.2 主驱动链强度分析
主驱动链链板材料为45 Mn、套筒材料为20 Mn、销轴材料为20 CrMnMo。在Ansys Mechanical 中采用双线性弹塑性本构模型，对链节中的所有结构采用弹塑性分析。在链条一端进行固定约束，另一端加载的最大拉力为5 800 N，最小拉力为400 N，如图9 所示。
图 9 链节载荷和边界条件
在Ansys Mechanical 中进行链条的强度分析，得出链条受到最大和最小拉力工况下的应力结果。链节受到最大拉力时的整体应力云图如图10 所示，最大应力发生在内链板外侧，为450 MPa，如图11 所示。
图 10 最大拉力时链节应力云图
图 11 最大拉力时内链板应力云图
3.3 主驱动链疲劳寿命分析
文中所述仿真模型采用nCodeDesignLife 中的疲劳数据近似估算功能，根据材料类别、极限拉伸强度（UTS），以及弹性模量E 自动估算材料疲劳数据，采用CriticalPlane 疲劳分析算法，SmithWatsonTopper 平均应力修正法进行应力修正，使用Time Step 方式进行疲劳寿命分析。基于以上设置，在nCodeDesignLife 中进行链节疲劳寿命计算，计算结果如图12 所示，由此可知链节中寿命最短的零件为内链板。如图13 所示，内链板寿命为1.338×107 次循环，位于内链板外侧。
图 12 链节疲劳寿命分析
图 13 内链板疲劳寿命云图
由仿真计算可得出满载工况且主驱动链磨损伸长达到3 %（即疲劳损伤为0.21）情况下的疲劳寿命为1.338×107 次循环，即27 450 h。考虑使用载荷工况，自动扶梯每天运行17 h，其中满载工况4 h，计算可得在目前使用载荷工况下主驱动链的疲劳寿命为116 663h，可换算得到主驱动链疲劳寿命约为18.8 a。
4 结论
1）通过疲劳寿命仿真分析，获得目前使用载荷工况下该主驱动链疲劳寿命为18.8 a。
2）通过运动学仿真分析，可得到链节在紧边受到的拉力最大，拉力值为5 800 N，在松边拉力最小，拉力值为400 N。
3）通过链节强度仿真分析，自动扶梯主驱动链链节最大应力发生在内链板外侧，为450 MPa。
4）通过疲劳寿命仿真分析，链节中寿命最短的零件为内链板。
参考文献
[1] 刘小畅，陈明梓，梁骁，等. 自动扶梯主驱动链疲劳寿命试验研究[J]. 起重运输机械，2019（8）：90-93.
[2] 刘小畅, 梁骁. 一起自动扶梯倒溜事故引发的思考[J].中国特种设备安全, 2016(1):79-81.
[3] 李博，梁骁，黄文和，等. 在役自动扶梯驱动链损伤模式与失效风险研究[J]. 中国特种设备安全,2017(4):31-35.
[4] 闻邦春. 机械设计手册：疲劳强度与可靠性设计[M]. 北京：机械工业出版社，2014.