一種自動(dòng)扶梯安全裝置的研究

馮雙昌，陳杰，牛曠野

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

0 引言

自動(dòng)扶梯由于具有運(yùn)輸效率高、可持續(xù)運(yùn)行等特點(diǎn)，已經(jīng)在商場(chǎng)、車站、地鐵等公共場(chǎng)所得到了廣泛應(yīng)用。制動(dòng)器是自動(dòng)扶梯重要的安全保護(hù)裝置，當(dāng)自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)器處于打開狀態(tài)；當(dāng)自動(dòng)扶梯停止時(shí)，制動(dòng)器處于閉合狀態(tài)[1]。

自動(dòng)扶梯大多采用端部驅(qū)動(dòng)的方式，把驅(qū)動(dòng)主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩傳遞至梯級(jí)鏈輪的鏈條。一般驅(qū)動(dòng)主機(jī)的輸出軸上安裝有小鏈輪；在梯級(jí)驅(qū)動(dòng)鏈輪軸上安裝有大鏈輪，經(jīng)驅(qū)動(dòng)鏈把兩者連接起來。目前，按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)制造的自動(dòng)扶梯一般采用雙排鏈作為驅(qū)動(dòng)鏈，以提高其安全系數(shù)[2]。但是，1997年之前從日本進(jìn)口的自動(dòng)扶梯許多采用單排鏈作為驅(qū)動(dòng)鏈, 該類自動(dòng)扶梯在上部桁架內(nèi)設(shè)置了驅(qū)動(dòng)鏈安全裝置，當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈斷裂時(shí)，靴桿在自重的作用下向下擺動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使棘桿頭部的電氣開關(guān)動(dòng)作切斷控制回路，制動(dòng)器動(dòng)作,同時(shí)棘桿卡入棘輪，使自動(dòng)扶梯制停并防止下滑。

李俊林等[3]基于附加制動(dòng)器棘爪斷裂開展分析，對(duì)棘爪承受靜載荷和動(dòng)載荷兩種工況進(jìn)行強(qiáng)度校核，得出棘爪斷裂的具體原因；何祖恩[4]在詳細(xì)分析了空載、制動(dòng)載荷兩種額定速度和超速工況下的附加制動(dòng)器的制動(dòng)性能，確保電梯安全運(yùn)行；陳洪國(guó)[5]分析了速度監(jiān)測(cè)與非操作逆轉(zhuǎn)之間的聯(lián)系，以速度監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)介紹了附加制動(dòng)器的工作原理。本文主要通過分析附加制動(dòng)器保護(hù)裝置的功能特性，針對(duì)單排鏈作為驅(qū)動(dòng)鏈的自動(dòng)扶梯，提出一種性價(jià)比高、實(shí)用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用于輔助制動(dòng)的安全裝置，有效地提高自動(dòng)扶梯安全性，防范重大安全風(fēng)險(xiǎn)，并在解決自動(dòng)扶梯單排鏈的問題中開展實(shí)際的應(yīng)用。

1 附加制動(dòng)器的功能要求

1.1 附加制動(dòng)器的檢驗(yàn)要求

根據(jù)TSG T7005-2012《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——自動(dòng)扶梯與自動(dòng)人行道》附件A中6.13附加制動(dòng)器規(guī)定：自動(dòng)扶梯的工作制動(dòng)器和梯級(jí)驅(qū)動(dòng)裝置之間不是用軸、齒輪、多排鏈條、多根單排鏈條連接的，應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個(gè)或者多個(gè)機(jī)械式（利用摩擦原理）附加制動(dòng)器[6]。GB 16899-2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》中5.4.2.2附加制動(dòng)器規(guī)定，附加制動(dòng)器在下列任何一種情況下都應(yīng)起作用：1）在速度超過名義速度1.4倍之前；2）在梯級(jí)改變其規(guī)定運(yùn)行方向時(shí)[7]。

可見，附加制動(dòng)器能起到上述兩種作用，但前述提到的采用單排鏈作為驅(qū)動(dòng)鏈的自動(dòng)扶梯，驅(qū)動(dòng)鏈安全裝置只能在斷鏈情況下起到保護(hù)作用，超速情況下不起作用[8]。針對(duì)采用單排鏈作為驅(qū)動(dòng)鏈的自動(dòng)扶梯，由于空間尺寸和結(jié)構(gòu)的限制，無法加裝附加制動(dòng)器，因此非常有必要研究一種提高自動(dòng)扶梯安全性的裝置。

1.2 附加制動(dòng)器的測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)，不僅需要考慮其動(dòng)作可靠，同時(shí)要滿足功能可靠。使用環(huán)境因素對(duì)附加制動(dòng)器的制動(dòng)性能影響巨大，付春平[9]針對(duì)正常工況和非正常工況下的制動(dòng)力進(jìn)行測(cè)試，為提高維保質(zhì)量提供了理論基礎(chǔ)；邵衛(wèi)鋒[10]使用等效轉(zhuǎn)矩測(cè)試方法代替載荷測(cè)試方法，大大降低檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)人力、物力，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯無載荷的測(cè)試方法。自動(dòng)扶梯帶載試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試本身會(huì)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，砝碼擺放在梯路的上半部分，扶梯以額定速度下行，制停距離過小則易造成砝碼下滑，制停距離過大則不易使電梯停止，所以帶載測(cè)試常常逐漸增加砝碼數(shù)量，同時(shí)可以按照產(chǎn)品說明書適當(dāng)調(diào)整附加制動(dòng)器，但不能更換零部件。

自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器測(cè)試時(shí)，如果電源發(fā)生故障或安全回路失電，允許附加制動(dòng)器和工作制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作，其制停距離應(yīng)符合檢規(guī)中制停距離的要求，同時(shí)附加制動(dòng)器在開始時(shí)應(yīng)強(qiáng)制地切斷控制電源。當(dāng)附加制動(dòng)器單獨(dú)動(dòng)作時(shí)，應(yīng)能使下行方向的自動(dòng)扶梯有效地停止，其減速度不能大于1 m/s2,并使其保持靜止?fàn)顟B(tài)。

1.3 附加制動(dòng)器的工作特點(diǎn)

附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的剛性沖擊力，當(dāng)采用棘輪、棘爪作為制動(dòng)部件時(shí)，常常會(huì)對(duì)其造成較大的沖擊。因此，制造企業(yè)在設(shè)置附加制動(dòng)器時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求僅在超速1.4倍額定速度和梯級(jí)發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)作，通過可靠的延時(shí)繼電器計(jì)算好設(shè)定值，并符合型式試驗(yàn)要求，使附加制動(dòng)器的動(dòng)作常常在工作制動(dòng)器動(dòng)作之后響應(yīng)，即工作制動(dòng)器動(dòng)作后，扶梯可靠制停，通過延遲繼電器實(shí)現(xiàn)附加制動(dòng)器的零速制動(dòng)，大大降低附加制動(dòng)器動(dòng)作對(duì)棘輪、棘爪的破壞。

2 安全裝置的設(shè)計(jì)

如圖1所示，一種提高自動(dòng)扶梯安全性的裝置，適用于本文的安全裝置以及類似帶有棘輪和棘桿結(jié)構(gòu)的自動(dòng)扶梯，主要安裝在自動(dòng)扶梯桁架上的驅(qū)動(dòng)鏈安全裝置，通過增加測(cè)速裝置、電磁閥和連桿等部件，在驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈、自動(dòng)扶梯超速或者非操縱逆轉(zhuǎn)情況下，通過連接線傳輸?shù)娇刂乒?，使電磁閥失電，彈簧彈出，連桿向前伸出，從而棘桿卡入棘輪，達(dá)到有效制停自動(dòng)扶梯的功能。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

端部驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)扶梯，驅(qū)動(dòng)端一側(cè)為驅(qū)動(dòng)輪，另一側(cè)為棘輪，驅(qū)動(dòng)輪通過驅(qū)動(dòng)鏈與驅(qū)動(dòng)主機(jī)相連，靴襯緊貼驅(qū)動(dòng)鏈，與靴桿通過螺栓連接在一起，靴桿與棘桿通過轉(zhuǎn)軸連接在一起，同時(shí)在棘桿側(cè)上端與轉(zhuǎn)軸連接處安裝電氣開關(guān)，電磁閥安裝在支架上，連桿帶有螺紋穿過復(fù)位彈簧。

如圖2所示，在自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)輪安全裝置的基礎(chǔ)上，拆除棘桿和轉(zhuǎn)軸的彈性銷，使棘桿可圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在棘桿側(cè)上端的轉(zhuǎn)軸處安裝電氣開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電氣開關(guān)動(dòng)作。自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)，電磁閥得電，使棘桿向右動(dòng)作，并保持動(dòng)作狀態(tài)。靴桿上的靴襯緊貼驅(qū)動(dòng)鏈，當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈時(shí)，靴桿在重力作用下下沉，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸動(dòng)作，使電氣開關(guān)動(dòng)作，控制柜接到電氣開關(guān)斷開的信號(hào)后發(fā)出使電磁閥失電的指令，使棘桿卡住棘輪。位于驅(qū)動(dòng)主機(jī)梯級(jí)鏈處安裝的測(cè)速裝置檢測(cè)到超速或非操縱逆轉(zhuǎn)時(shí)，通過控制柜也會(huì)發(fā)出指令，使電磁閥失電，復(fù)位彈簧彈出，進(jìn)而推動(dòng)連桿使棘桿轉(zhuǎn)動(dòng)卡入棘輪。

圖2 裝置側(cè)視圖

如圖3所示，電磁閥通過第一螺栓和第二螺栓固定在支架上，連桿一端與電磁閥閥芯連接，另一端和棘桿通過螺母連接在棘桿上，連桿穿過支架，在連桿中部安裝一個(gè)復(fù)位彈簧和調(diào)節(jié)螺母，此行程距離內(nèi)連桿上應(yīng)有螺紋，使彈簧右側(cè)頂住支架并固定牢固，左側(cè)被調(diào)節(jié)螺母壓緊，調(diào)節(jié)螺母可以與此連桿上的螺紋配合，調(diào)節(jié)其壓縮量，且當(dāng)動(dòng)作時(shí)，復(fù)位彈簧處于壓縮狀態(tài)。電氣開關(guān)通過第一固定孔、第二固定孔固定在扶梯支架上，觸發(fā)塊與轉(zhuǎn)軸連接。當(dāng)自動(dòng)扶梯在驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈時(shí)，電氣開關(guān)通過連接線傳輸?shù)娇刂乒?，從而使電磁閥失電，通過復(fù)位彈簧使棘桿插入棘輪，從而使自動(dòng)扶梯停止運(yùn)行。

圖3 安全裝置安裝示意圖

3 安全裝置在實(shí)際中的應(yīng)用

二十世紀(jì)八九十年代，上海大部分重要商業(yè)場(chǎng)所使用的電梯主要進(jìn)口日系、德系、歐美系等品牌，國(guó)內(nèi)的代理商對(duì)這些進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行銷售、安裝、維保，在此背景下，上海到目前為止，還存在很多運(yùn)行狀態(tài)良好的進(jìn)口自動(dòng)扶梯，在這部分自動(dòng)扶梯里，日系自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)輪主要采用單排鏈的形式驅(qū)動(dòng)，單排鏈不能滿足TSG T7005-2012《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——自動(dòng)扶梯與自動(dòng)人行道》的要求，需要對(duì)其進(jìn)行必要的安全升級(jí)。

自動(dòng)扶梯的主要驅(qū)動(dòng)方式是通過驅(qū)動(dòng)主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩傳遞至梯級(jí)鏈輪的鏈條，一般在輸出軸上安裝有小鏈輪，在梯級(jí)驅(qū)動(dòng)鏈輪軸上安裝有大鏈輪，經(jīng)驅(qū)動(dòng)鏈把兩者連接起來。電磁鐵是利用電流的磁效應(yīng)，使鐵芯磁化而對(duì)鋼鐵等物質(zhì)具有吸力，這類裝置廣泛應(yīng)用在電鈴、電磁開關(guān)、電磁起重機(jī)等設(shè)備上。

如圖4所示，機(jī)械改裝：1）增加一個(gè)鐵架，用于安裝電磁鐵。2）增加一根連桿，連桿一端和電磁閥閥芯連接，另一端和棘桿通過螺母連接。連桿中部有一個(gè)彈簧和調(diào)節(jié)螺母。彈簧左側(cè)頂住鐵架，右側(cè)被調(diào)節(jié)螺母壓緊，彈簧處于壓縮狀態(tài)。3）拆除棘桿和轉(zhuǎn)軸的彈性銷，使得棘桿可圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。4）在棘桿上部位置安裝一限位開關(guān)，當(dāng)棘桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，限位開關(guān)動(dòng)作。電氣改裝:1）靴桿處限位開關(guān)動(dòng)作，制動(dòng)器失電制動(dòng)，同時(shí)，電磁閥失電動(dòng)作。2）位于驅(qū)動(dòng)主機(jī)高速端的測(cè)速裝置檢測(cè)到超速時(shí)，控制柜也會(huì)發(fā)出指令，使電磁閥失電，壓縮彈簧彈出，進(jìn)而推動(dòng)連桿使棘桿轉(zhuǎn)動(dòng)卡入棘輪。

圖4 實(shí)際應(yīng)用圖

4 結(jié)語

本文介紹了一種提高自動(dòng)扶梯安全性的裝置，針對(duì)帶有棘輪或類似結(jié)構(gòu)的自動(dòng)扶梯，有效利用有限的驅(qū)動(dòng)端站空間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣、通用性高，能夠有效防止自動(dòng)扶梯因工作制動(dòng)器老化等制動(dòng)力不足引起的扶梯溜梯事故，避免發(fā)生傷亡事故。調(diào)節(jié)螺母可調(diào)節(jié)復(fù)位彈簧的壓縮量，隨時(shí)調(diào)節(jié)動(dòng)作力矩，在電磁閥斷電后，調(diào)節(jié)連桿對(duì)棘桿的推力。電磁閥能夠快速響應(yīng)，無延遲時(shí)間，電磁閥得電，復(fù)位彈簧處于壓縮狀態(tài)，不會(huì)影響扶梯的正常運(yùn)行,當(dāng)電磁閥失電，壓縮著的復(fù)位彈簧使棘桿能夠快速、有效地卡入棘輪，制停自動(dòng)扶梯,從而提高自動(dòng)扶梯的整體安全性能。