一種自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)*

蘇玉江

北京市東城區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)所 北京 100062

0 引言

自動(dòng)扶梯作為一種重要的交通運(yùn)輸工具，主要應(yīng)用于商場(chǎng)、醫(yī)院、交通樞紐等人員密集場(chǎng)所。自動(dòng)扶梯為市民的出行帶來了諸多便利，但同時(shí)也會(huì)發(fā)生安全事故。近些年來，由于自動(dòng)扶梯在運(yùn)行時(shí)發(fā)生逆轉(zhuǎn)造成的事故時(shí)有發(fā)生。2010 年，深圳某扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈脫落，造成扶梯下滑，致使25 名乘客受傷[1]；2011 年，上海某自動(dòng)扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈斷裂，造成扶梯逆轉(zhuǎn)；2011 年，北京某自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)發(fā)生位移，主驅(qū)動(dòng)鏈脫落，扶梯逆轉(zhuǎn)下滑，造成1 人死亡，30 人受傷；2017 年，香港某自動(dòng)扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈斷裂、保護(hù)裝置失效，扶梯發(fā)生逆轉(zhuǎn)倒溜，造成18 人受傷[2，3]。近期，北京某醫(yī)院一部自動(dòng)扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈發(fā)生斷裂，造成梯級(jí)倒溜，所幸事故發(fā)生時(shí)乘梯人數(shù)較少，乘客及時(shí)退出，未造成人員傷害。由前述事故案例可見，未安裝附加制動(dòng)器和機(jī)械式斷鏈保護(hù)裝置的自動(dòng)扶梯（以下簡(jiǎn)稱未安裝斷鏈保護(hù)裝置的扶梯）確實(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京市東城區(qū)在用扶梯約1 600 臺(tái)，未安裝斷鏈保護(hù)裝置的約330 臺(tái)，占比約20%。北京市在用扶梯約20 000 臺(tái)，依照上述比例計(jì)算，未安裝斷鏈保護(hù)裝置的約為4 000 臺(tái)，即北京市自動(dòng)扶梯存在4 000個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，值得高度重視。因此，對(duì)未安裝斷鏈保護(hù)裝置的在用自動(dòng)扶梯，加裝保護(hù)裝置以減少和避免逆轉(zhuǎn)事故的發(fā)生是一個(gè)迫切需要解決的課題。

1 自動(dòng)扶梯發(fā)生逆轉(zhuǎn)的原因和危害

自動(dòng)扶梯的逆轉(zhuǎn)分為向下逆轉(zhuǎn)和向上逆轉(zhuǎn)，向下逆轉(zhuǎn)是指扶梯在上行過程中由于故障原因，造成扶梯轉(zhuǎn)而向下運(yùn)行；反之為向上逆轉(zhuǎn)。扶梯向上逆轉(zhuǎn)的情況較少發(fā)生，大多數(shù)都是危害較大的向下逆轉(zhuǎn)。從以往的事故看，向下逆轉(zhuǎn)主要是由于其主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈或失效造成的，故本文僅討論由于主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈造成的向下逆轉(zhuǎn)。

自動(dòng)扶梯存在3 個(gè)循環(huán)運(yùn)行的機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)主機(jī)循環(huán)運(yùn)行、梯級(jí)循環(huán)運(yùn)行和扶手帶循環(huán)運(yùn)行（見圖1）。驅(qū)動(dòng)主機(jī)將動(dòng)力通過主驅(qū)動(dòng)鏈持續(xù)傳遞給牽引鏈輪，再依次通過梯級(jí)鏈傳遞給梯級(jí)和扶手裝置，使梯級(jí)和扶手帶同步循環(huán)運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)主機(jī)和牽引鏈輪之間通過主驅(qū)動(dòng)鏈連接（見圖2）。通常情況下，電動(dòng)機(jī)制停即可使梯級(jí)和扶手帶制停，但在主驅(qū)動(dòng)鏈斷裂或脫落的情況下，驅(qū)動(dòng)主機(jī)與梯級(jí)的連接斷開，驅(qū)動(dòng)主機(jī)的制動(dòng)力無法作用于梯級(jí)，就會(huì)造成梯級(jí)在載荷作用下逆轉(zhuǎn)倒溜。

圖1 自動(dòng)扶梯結(jié)構(gòu)

圖2 主機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

自動(dòng)扶梯的逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置一般有附加制動(dòng)器和機(jī)械式斷鏈保護(hù)裝置2 種。對(duì)于提升高度大于6 m 的自動(dòng)扶梯和公共交通型自動(dòng)扶梯，依據(jù)GB 16899—2011《自動(dòng)扶梯的自動(dòng)人行道的制造和安裝規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）要求應(yīng)配置附加制動(dòng)器［4］。圖3 是一種較為常用的盤式附加制動(dòng)器，在需要制動(dòng)時(shí)，電磁鐵帶動(dòng)連桿使摩擦組件（制動(dòng)盤和摩擦片）壓緊制動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。安裝了附加制動(dòng)器的自動(dòng)扶梯，通常情況下可以有效防止在主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈時(shí)發(fā)生扶梯逆轉(zhuǎn)倒溜。

圖3 盤式附加制動(dòng)器

對(duì)于提升高度不大于6 m 的自動(dòng)扶梯和非公共交通型自動(dòng)扶梯，廠家配置了附加制動(dòng)器作為逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置或機(jī)械式斷鏈保護(hù)裝置，一般采用打桿式斷鏈保護(hù)裝置，如圖4 所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈（主驅(qū)動(dòng)連鏈）斷鏈時(shí)，重錘由于重力作用下落帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使棘爪卡入制動(dòng)輪的棘輪內(nèi)，從而制動(dòng)梯級(jí)鏈輪和梯級(jí)。

圖4 打桿式斷鏈保護(hù)裝置

但由于扶梯制造廠家對(duì)國(guó)標(biāo)理解的差異，對(duì)于提升高度不大于6 m 的自動(dòng)扶梯和非公共交通型自動(dòng)扶梯并未安裝附加制動(dòng)器，也未安裝機(jī)械式斷鏈保護(hù)裝置。其原因有2 個(gè)：1）國(guó)標(biāo)GB 16899—2011《自動(dòng)扶梯的自動(dòng)人行道的制造和安裝規(guī)范》對(duì)主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈保護(hù)未做明確要求。2）規(guī)范5.4.2.3.2 要求：自動(dòng)扶梯應(yīng)設(shè)置1個(gè)裝置，使其在梯級(jí)、踏板或膠帶改變規(guī)定運(yùn)行方向時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行。但此處的自動(dòng)停止運(yùn)行未明確是梯級(jí)停止運(yùn)行還是主機(jī)停止運(yùn)行。因此，有些制造廠家只設(shè)置了在主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈時(shí)使主機(jī)制停的電氣保護(hù)裝置，而未設(shè)置使梯級(jí)一并制停的機(jī)械保護(hù)裝置。導(dǎo)致在主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈時(shí)，梯級(jí)會(huì)脫離主機(jī)的控制，在載荷和自重的作用下發(fā)生逆轉(zhuǎn)倒溜。

逆轉(zhuǎn)保護(hù)功能一般需要安裝附加制動(dòng)器和機(jī)械式斷鏈保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于已經(jīng)安裝完成并投入使用的自動(dòng)扶梯，由于其內(nèi)部空間非常緊湊，后期加裝保護(hù)裝置存在較大困難。若加裝附加制動(dòng)器，通常需要安裝于上機(jī)房，但無論是盤式附加制動(dòng)器、鼓式附加制動(dòng)器還是棘輪、棘爪式附加制動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，上機(jī)房空間狹小，安裝如此復(fù)雜的裝置幾乎是不可能的。如果加裝機(jī)械式斷鏈保護(hù)裝置就需要在驅(qū)動(dòng)主軸上加裝帶有棘輪的制動(dòng)盤，還需要加裝重錘、連桿和棘爪等部件，難度也非常大[5-7]。

2 一種基于制停梯級(jí)的逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置研制

2.1 設(shè)計(jì)思路

在加裝附加制動(dòng)器或機(jī)械式斷鏈保護(hù)裝置難度較大的情況下，考慮是否可以采用其他方式防止扶梯在主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈時(shí)發(fā)生逆轉(zhuǎn)倒溜。逆轉(zhuǎn)保護(hù)最終是要實(shí)現(xiàn)制停梯級(jí)，只要梯級(jí)被制停，扶梯就不會(huì)倒溜。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)勘查和思考，本文提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝的逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置。本保護(hù)裝置安裝于扶梯的下機(jī)房，可以作用在梯級(jí)的踏面上，在扶梯發(fā)生逆轉(zhuǎn)倒溜時(shí)，可以對(duì)梯級(jí)進(jìn)行制動(dòng)。

2.2 基本結(jié)構(gòu)

圖5 是保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)圖。裝置全長(zhǎng)約200 mm，體積小巧。偏心滾輪初期設(shè)計(jì)直徑為50 mm，偏心距為4 mm，設(shè)計(jì)厚度50 mm（設(shè)計(jì)尺寸可根據(jù)不同扶梯的現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整）。選用偏心滾輪是因?yàn)槠湓诰哂袧L動(dòng)性的同時(shí)也具有加緊性。當(dāng)保護(hù)裝置安裝后，偏心滾輪會(huì)和梯級(jí)踏面接觸，在扶梯上行時(shí)利用其滾動(dòng)性可以避免阻礙扶梯運(yùn)行；但在扶梯逆轉(zhuǎn)下行時(shí)，利用其加緊性可制停梯級(jí)。由于偏心滾輪在扶梯逆轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)與梯級(jí)踏面產(chǎn)生摩擦，所以采用偏心滾輪包裹摩擦橡膠后，可增加對(duì)梯級(jí)的摩擦力，并可盡量減小偏心滾輪與梯級(jí)碰撞時(shí)造成的磨損。定位彈簧上部與偏心滾輪連接，下部與底座連接，可避免偏心滾輪被上行的梯級(jí)撞擊發(fā)生向左反轉(zhuǎn)而離開工作位置。定位彈簧與底座間采用勾掛方式連接便于安裝和拆除。在扶梯日常維修或使用單位需要定期轉(zhuǎn)換扶梯運(yùn)行方向時(shí)，可以將彈簧掛鉤拆除，將偏心滾輪移出工作區(qū)域而不影響扶梯換向。保護(hù)裝置底座用來和扶梯行架固定。固定螺栓與底座之間的固定孔采用長(zhǎng)孔設(shè)計(jì)，可適當(dāng)調(diào)節(jié)保護(hù)裝置與梯級(jí)踏面的距離。2 根可調(diào)節(jié)螺桿和內(nèi)螺紋套筒組成金屬連桿。金屬連桿的長(zhǎng)度可通過螺桿進(jìn)行調(diào)整，以調(diào)節(jié)偏心滾輪與梯級(jí)的距離。金屬支撐件設(shè)置在金屬連桿下部，支撐件有2 個(gè)作用：1）使金屬連桿保持向上約45°的傾角，使偏心滾輪在梯級(jí)上行時(shí)可以隨梯級(jí)運(yùn)行向上擺動(dòng)，不對(duì)梯級(jí)踏面造成擠壓；2）在梯級(jí)逆轉(zhuǎn)倒溜時(shí)對(duì)金屬連桿給予足夠的支撐力，保證偏心滾輪與梯級(jí)踏面壓實(shí)，從而產(chǎn)生足夠的摩擦力并自鎖。金屬固定鉸鏈用來連接金屬連桿和底座，在梯級(jí)上行碰撞偏心滾輪時(shí)，可使連桿有一定程度向上的擺動(dòng)，不對(duì)梯級(jí)造成擠壓。

圖5 保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 安裝位置

圖6 是扶梯下機(jī)房的側(cè)視圖，圖中序號(hào)1 和序號(hào)2 是2 個(gè)連續(xù)的梯級(jí)，序號(hào)3 和序號(hào)4 分別為安裝在梯級(jí)上的梯級(jí)輪，梯級(jí)依靠梯級(jí)輪沿梯級(jí)軌道運(yùn)行。圖中6 指示位置為梯級(jí)踏面，梯級(jí)踏面上下2 個(gè)端點(diǎn)位置如圖中序號(hào)7 和序號(hào)8 所示。2 個(gè)端點(diǎn)在下機(jī)房運(yùn)行軌跡分別為弧線序號(hào)9 和序號(hào)10 所示。保護(hù)裝置安裝位置在下機(jī)房梯級(jí)回轉(zhuǎn)區(qū)域下部圖示位置。選擇在下機(jī)房安裝是因?yàn)楹蜕蠙C(jī)房相比，下機(jī)房沒有驅(qū)動(dòng)主機(jī)、控制柜等設(shè)備，空間較大、便于操作，且可以盡量減少扶梯需要維修時(shí)對(duì)維修人員的影響。保護(hù)裝置安裝時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用適當(dāng)?shù)姆绞脚c扶梯行架固定，固定后偏心滾輪應(yīng)基本垂直于梯級(jí)踏面。偏心滾輪的位置可以通過金屬連桿的可調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)整，使其盡量靠近梯級(jí)踏面，調(diào)整其位置應(yīng)該在弧形序號(hào)9 的內(nèi)測(cè)，但不能超過弧形序號(hào)10。如果偏心滾輪至梯級(jí)踏面距離過遠(yuǎn)觸碰不到梯級(jí)踏面，在扶梯逆轉(zhuǎn)時(shí)就不會(huì)對(duì)梯級(jí)產(chǎn)生摩擦，安全裝置將不起作用；如果過近，滾輪超過了弧形序號(hào)10，梯級(jí)在逆轉(zhuǎn)時(shí)，梯級(jí)踏面的端點(diǎn)序號(hào)8 會(huì)與滾輪碰撞，對(duì)梯級(jí)造成損傷?？紤]到各廠家扶梯型號(hào)的設(shè)計(jì)差異，保護(hù)裝置的底座固定采用長(zhǎng)孔設(shè)計(jì)，可以對(duì)安裝位置進(jìn)行初步調(diào)整，再由金屬連桿的可調(diào)節(jié)螺桿對(duì)滾輪至梯級(jí)踏面的距離進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，最大程度滿足不同工況的需要。

圖6 自動(dòng)扶梯下機(jī)房側(cè)視圖

2.4 工作原理

如圖6 中方向箭頭所示，當(dāng)扶梯上行時(shí)梯級(jí)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)扶梯下行時(shí)梯級(jí)沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。圖6 中弧線序號(hào)9 和弧形序號(hào)10 是梯級(jí)踏面2 個(gè)端點(diǎn)的運(yùn)行軌跡，偏心滾輪安裝于弧線序號(hào)9 和弧形序號(hào)10之間。

當(dāng)扶梯上行時(shí)，梯級(jí)踏面會(huì)依次觸碰偏心滾輪，由于偏心滾輪和金屬連桿有向上的傾角，且金屬連桿采用鉸鏈和底座固定，所以偏心滾輪在觸碰梯級(jí)會(huì)向上抬起，滾輪也會(huì)隨著和梯級(jí)的摩擦而轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)對(duì)梯級(jí)運(yùn)行造成阻礙。同時(shí)定位彈簧對(duì)滾輪保持一個(gè)向下的拉力，使偏心滾輪不會(huì)向左反轉(zhuǎn)而離開工作區(qū)域。

如果扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈發(fā)生逆轉(zhuǎn)倒溜，梯級(jí)會(huì)逆時(shí)針向下翻轉(zhuǎn)壓住偏心滾輪。由于金屬支撐件的作用，金屬連桿和偏心滾輪始終保持約45°上揚(yáng)角度不下垂。隨著梯級(jí)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，梯級(jí)踏面對(duì)偏心滾輪產(chǎn)生壓力，且壓力會(huì)逐漸增加，隨著壓力增加滾輪表面和梯級(jí)踏面之間的摩擦力也會(huì)逐漸增加，摩擦力對(duì)梯級(jí)有制停作用。由于偏心滾輪具有自鎖性，所以在滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)梯級(jí)的摩擦力會(huì)隨著滾輪的旋轉(zhuǎn)逐漸加大產(chǎn)生自鎖，從而使梯級(jí)最終制停。

2.5 技術(shù)特點(diǎn)

1）從以往自動(dòng)扶梯發(fā)生的逆轉(zhuǎn)事故看，向上逆轉(zhuǎn)的情況極為少見，絕大多數(shù)都是向下逆轉(zhuǎn)，它發(fā)生的概率最大、危害也最大，此保護(hù)裝置恰好是針對(duì)此種情況。它不會(huì)影響扶梯向上的正常運(yùn)行，只是在扶梯向下逆轉(zhuǎn)倒溜時(shí)對(duì)梯級(jí)進(jìn)行制動(dòng)。

2）當(dāng)主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈或失效后，扶梯的梯級(jí)是先停止再倒溜。在載荷和自重的作用下勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，越溜越快。此保護(hù)裝置可以在梯級(jí)剛開始倒溜、動(dòng)能幾乎最小的情況下以較小的摩擦力對(duì)梯級(jí)進(jìn)行制動(dòng)。

3）此保護(hù)裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝，可適用于大多數(shù)廠家和型號(hào)的自動(dòng)扶梯，且可以設(shè)置在空間相對(duì)較大的下機(jī)房，最大程度減小對(duì)日常維修的影響。

4）此裝置是單純的機(jī)械裝置，不需要電氣接線，不會(huì)對(duì)扶梯的控制系統(tǒng)造成干擾和影響，不會(huì)增加控制系統(tǒng)的故障率。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置都是對(duì)梯級(jí)驅(qū)動(dòng)盤或驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行制動(dòng)，此保護(hù)裝置是對(duì)梯級(jí)直接制動(dòng)，從而達(dá)到制停的效果，為在用扶梯逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。但此裝置還在研制階段，后期還需要大量的科學(xué)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如不同提升高度、不同傾斜角度的扶梯梯級(jí)踏面的受力計(jì)算以及不同載荷下的驗(yàn)證試驗(yàn)。