地鐵重載型自動扶梯防止慣性滑行失控的優化設計

田倫

摘 要：鑒于地鐵自動扶梯慣性滑行失控危害較大，本文對目前市場上自動扶梯頻繁發生慣性滑行失控故障的原因進行分析，從附加制動器選型、防超速及防逆轉保護裝置安裝位置等多方面進行優化設計，提供幾種防止自動扶梯慣性滑行失控的方案，為解決地鐵自動扶梯慣性滑行失控提供參考。

關鍵詞：地鐵；自動扶梯；慣性滑行失控

中圖分類號：C913.32 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0062-03

慣性滑行失控即指自動扶梯自運行過程中因設備故障或其他原因導致的超速運行或逆轉運行，其危害性很大，動輒引起人員傷亡事故。近年來，自動扶梯的慣性滑行失控事故頻發，引發了社會輿論對自動扶梯運行安全性的高度關注。下面是一些典型的因自動扶梯慣性滑行失控事故：

事故1：2011年7月5日，北京地鐵4號線動物園站A口上行自動扶梯突然逆轉，造成1人死亡，2人重傷，26人輕傷；

事故2：2014年4月2日，上海靜安寺站7號線和2號線換乘通道中的自動扶梯，上行過程中突然發生逆轉，造成13名乘客受傷，其中一名頸椎錯位，傷情嚴重；

事故3：2016年2月28日，寧波某地下通道一臺上行的自動扶梯突然逆轉，造成5人受傷。

類似上述扶梯因慣性滑行失控導致的事故還有很多，自動扶梯一旦發生慣性滑行失控，容易造成下跌、滾落、擠壓、踩踏事件，乘客往往輕則受傷、重則死亡，是自動扶梯事故中危害最大的一種。

下面將對自動扶梯慣性滑行失控原因進行分析，并提出幾種有效的解決措施。

1 自動扶梯慣性滑行失控原因分析

自動扶梯是以鏈條為牽引件，通過上部驅動裝置帶動鏈條傳動，從而帶動鏈條上的梯級運動，實現運輸乘客的目的。當鏈條（梯級鏈）上的牽引力丟失或改變方向時，自動扶梯即會發生慣性滑行失控。

造成扶梯梯級鏈牽引力丟失或改變方向的原因有如下幾種：

1.1 電氣原因

（1）電網錯相、斷相、失壓造成主機反轉或驅動力不足，從而發生上行扶梯逆轉；

（2）低壓元件發生短路、斷路或安全電路、控制回路發生故障，導致扶梯安全功能失效，發生慣性滑行失控時不能及時制停。

1.2 機械原因

（1）聯軸器、減速箱傳動部件損壞、驅動鏈斷裂或脫落；

（2）梯級鏈斷裂；

（3）自動扶梯嚴重超載；

（4）自動扶梯運行過程中發生故障，工作制動器不能提供足夠驅動力矩。

2 防止自動扶梯慣性滑行失控的優化設計

《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》（GB16899-2011）對防止自動扶梯慣性滑行失控有一系列基本措施要求，如：

（1）設置供電系統斷相、錯相保護裝置；

（2）電機設置保護措施，當過載或短路而產生過電流時，使扶梯停止；

（3）采用機-電式制動器；

（4）設置制動器閘瓦報警措施；

（5）設置附加制動器；

（6）設置驅動鏈破斷保護裝置；

（7）設置超速保護裝置及逆轉保護裝置等。

上述措施是規范對自動扶梯的基本要求，但具體如何實現，規范并沒有深入要求，不同的實現方式結差別很大。因此下面針對其中的附加制動器選型、超速保護裝置安裝位置、逆轉保護裝置安裝位置的進行具體的優化設計。

2.1 附加制動器的優化選型

當自動扶梯驅動主機與驅動主軸之間傳動鏈條斷裂、電機與減速器之間聯軸器破斷時，自動扶梯工作制動器就與驅動主軸之間失去聯系，即無法停止扶梯。

應對這種情況的辦法是，在驅動主軸上安裝一個機械式摩擦制動器，直接對主驅動軸實行制動，這個制動器即為附加制動器。

《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》（GB16899-2011）規定，自動扶梯在下列任何一種情況下都應設置附加制動器：（1）工作制動器與梯級、踏板或膠帶驅動裝置之間不是用軸、齒輪、多排鏈條或者多根單排鏈條連接的；（2）工作制動器不是符合標準中規定的機-電式制動器；（3）提升高度大于6m。

從上面可以看出，規范要求扶梯提升高度大于6m設置附加制動器；但因地鐵扶梯是重載荷公共交通型扶梯，其安全性應高于一般扶梯，因此對于地鐵來說，全部自動扶梯均應設置附加制動器。

目前扶梯行業內附加制動器形式通常有3種：棘輪式附加制動器、楔形式附加制動器、擋塊式附加制動器。

2.1.1 棘輪式附加制動器

圖1是一種常見的棘輪式附加制動器，安裝在主驅動軸上，用壓縮彈簧與梯級鏈輪連成一體。棘輪式制動盤活套在制動盤上，與壓盤之間襯有摩擦片。正常情況下，棘輪與梯級鏈輪同步旋轉。當附加制動器動作時，電磁線圈通電，使棘爪向上轉動楔入棘輪中，棘輪被攔停并在摩擦片作用下對梯級鏈輪施加制動力矩，迫使扶梯自動運行。

由于棘輪式附加制動器具有很多齒，只要棘爪一動作附加制動器就能產生制動力，響應時間快、制動迅速，用于逆轉保護時，能迅速制動，不會產生明顯的逆轉。是三種附加制動器中最好的一種。

2.1.2 楔形式附加制動器

圖2是一種楔形式附加制動器示意圖，主要由楔形制動靴、制動盤、電磁鐵、制轉桿和彈簧組成。當扶梯滑行失控時，安全控制系統檢測到信號，切斷電磁鐵供電，在彈簧1的作用下，制傳桿發生轉動，棘爪脫離止動溝，楔形制動靴在彈簧2的作用下，向上快速滑行，制動靴楔入制動盤，兩金屬表面產生摩擦，制動盤被卡住并將驅動主軸制停。

這種制動器沒有摩擦片，結構比較簡單，制動響應快。但需要保證制動靴與制動盤之間的位置準確，在制動過程中需要接觸良好；同時還需要注意制動盤表面的清潔，防止油污。

鑒于北京自動扶梯出現逆轉導致人員傷亡的事情，據官方公布的事故的直接原因是由于固定零件損壞，驅動主機發生偏移，驅動鏈條脫落，附加制動器未啟動，造成扶梯下滑。該扶梯采用的附加制動器為楔形式附加制動器。

2.1.3 擋塊式附加制動器

圖3是一種擋塊式附加制動器示意圖，其工作原理與棘輪式附加制動器相同，都具有摩擦片，不同之處是采用擋塊式制動盤代替棘輪式制動盤。

擋塊焊接在制動盤上，當安全控制系統檢測到相應型號，切斷電磁鐵供電，制動叉叉入制動盤表明，與擋塊相碰阻止制動盤轉動，在摩擦片的作用下對梯級施加制動力矩，實現停梯。

擋塊式附加制動器結構比棘輪式簡單，但是擋塊之間存在空擋，當制動叉已動作還沒有碰上擋塊時，制動器其實尚未動作，因此往往與系統檢測信號之間存在一個時間差，當用于逆轉保護時，在制動時往往出現一段明顯的逆轉。

市場上一般扶梯采用擋塊式附加制動器時，擋塊數量僅有4塊。假設擋塊為4塊時，對自動扶梯逆轉距離計算如下：

驅動鏈輪半徑R=0.45m；擋塊為4塊時，極限最不利情況下（剛好經過一個擋塊時速度為0，而此時制動叉未碰到擋塊），驅動鏈輪轉過90°才能停止自動扶梯，則梯級鏈輪轉過的角度α也為90°，此時梯級鏈輪外緣轉過的距離應為S1=2×（3.14/4）×0.45m=0.7m，即梯級會逆轉快速下滑0.7m，下滑速度已達到1.5m/s，再加上相應時間以及附加制動器動作后制停又需要一定的時間，總計扶梯已經滑行約2m（相當于滑行5個梯級）才能停止，此時對乘客已經造成嚴重傷害。

另外，《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》（GB16899-2011）中規定，附加制動器要求在梯級改變其運動方向時能夠使扶梯停止。

地鐵扶梯一般運行速度為0.65m/s，對自動扶梯運行速度由0.65m/s減速至0的過程計算分析如下：

V為扶梯運行速度，取初始速度V0=0.65m/s，扶梯停止時速度為V1=0。

則V0-V1=at（t為減速時間，a為扶梯加速度）

即0.65m/s=9.8m/m2×0.5×t

計算出t=0.13，即扶梯經過0.13s時間減速至停止。

對于附加制動器，要求其0.13s內停止扶梯，分析如下：

梯級鏈輪半徑R根據廠家統計，約為400mm～500mm，取中間值450mm，即R=0.45m。

假設其在扶梯速度從0.65m/s減速為0的過程中，轉過角度為α，則：

α*R=1/2*a*t2=0.5*9.8m/s2*0.5*（0.13s）2；

計算出α=0.092，即5.3°。

根據上述計算，如果考慮如下極限情形：當只靠附加制動器制動扶梯，且剛好附加制動器轉過第一個擋塊時，如需滿足規范停止扶梯要求，需要的擋塊數量為n=360/5.3=68塊。

根據上述計算結果，理論上扶梯附加制動器擋塊需設置68塊才能真正實現扶梯不逆轉。但根據現目前行業內廠家產品進行調研及分析，這是無法實現的，主要受制于產品結構。因此，在滿足廠家產品結構要求的前提下，扶梯附加制動器擋塊數量越多越好，建議不低于8～12塊。

2.1.4 結論

從以上比較可以看出，三種附加制動器中，楔形式附加制動器由于對安裝維保的要求高，且已經出過安全事故，目前各大廠家已不再使用該型式制動器。因此建議地鐵扶梯優先采用棘輪式附加制動器；當采用擋塊式附加制動器時，擋塊數量不得低于8～12塊。

2.2 超速保護裝置安裝位置的優化設計

根據《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》（GB16899-2011）規定，自動扶梯如果發生超速，應在其速度超過名義速度1.15倍之前使自動扶梯停止。超速只發生在下行扶梯。自動扶梯超速保護裝置常見的有電子式和機械式。

2.2.1 電子式超速保護裝置

電子式超速保護裝置通常是在自動扶梯制動輪同軸上裝設飛輪，飛輪內設磁塊，另有脈沖接收器安裝在底架下，與安全電路相連。當飛輪軸旋轉時，磁塊產生脈沖信號，當轉速或轉向變化時，可傳遞不同的脈沖信號，實現速度監控，從而引發制動器動作實現停梯。

2.2.2 機械式超速保護裝置

機械式超速保護裝置一般采用離心結構，一般安裝在電動機與減速箱的聯軸器位置，其可靠性要高于電子式，但沒有欠速保護功能。

2.2.3 速度監測裝置的安裝位置

無論電子式還是機械式超速保護裝置，一般都是安裝在電機主軸上，通過監控電動機速度和轉向是否發生非正常的變化，間接地監控自動扶梯運行速度狀況。

然而，從電機監控點到梯級，需要經過多個傳動環節，包括電機與減速箱之間聯軸器、減速箱內傳動副、驅動主機輸出鏈輪、主驅動鏈等。即便這些傳動元件安全系數都按照不小于8設計，但歷史上因為各種意外原因，這些傳動元件都有失效損壞的案例。

因此對速度監控裝置位置的設定，應設置在盡可能靠近乘客站立其上的運動梯路端，最好的方式是直接對梯級鏈驅動主軸、扶手帶驅動主軸的旋轉速度進行測量，或者直接對梯級運行速度進行測量的方式確定扶梯的實際運行速度。不能僅以驅動電機轉速或減速箱輸出軸轉速等進行換算確定扶梯運行速度。

2.3 逆轉保護裝置的安裝位置的優化設計

逆轉保護裝置和超速保護裝置一樣，有電子式和機械式兩種。不同的是自動扶梯逆轉只發生在上行，在逆轉前必然是先減速，在速度降到名義速度20%時，保護裝置觸發安全電路，使自動扶梯制動器動作，實現停梯。但如果是驅動主機的聯軸器發生故障，則通過電機飛輪慣性的防逆轉保護裝置則無法判斷聯軸器故障而導致的逆轉情況，因此逆轉保護裝置速度監控裝置的安裝位置和超速保護裝置一樣，即應設置在盡可能靠近乘客站立其上的運動梯路端，最好的方式是直接對梯級鏈驅動主軸、扶手帶驅動主軸（如有）的旋轉速度進行測量，或者直接對梯級運行速度進行測量的方式確定扶梯的實際運行速度。不能僅以驅動電機轉速或減速箱輸出軸轉速等進行換算確定扶梯運行速度。

3 結語

地鐵不同于一般公共場所，每天其客流量都很龐大，自動扶梯作為運輸乘客進出車站的主要設備，應具有很高的安全性和可靠性。

在地鐵重載型自動扶梯設計選型過程中，應重點考慮防止扶梯發生慣性滑行失控。附加制動器優先選擇棘輪式附加制動器，當采用擋塊式附加制動器時，擋塊數量不得低于8～12塊；超速及逆轉保護裝置安裝位置應設置在盡可能靠近乘客站立其上的運動梯路端最好的方式是直接對梯級鏈驅動主軸、扶手帶驅動主軸的旋轉速度進行測量，或者直接對梯級運行速度進行測量的方式確定扶梯的實際運行速度，不能僅以驅動電機轉速或減速箱輸出軸轉速等進行換算確定扶梯運行速度。

參考文獻

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