自動人行道機艙蓋板開啟與支撐裝置的設計與開發

姚鑫

摘 要：本文討論了自動人行道機艙蓋板在使用環節上的裝置設計與開發，重點考慮了使用壽命和維護保養的簡易性，選取了結構合理、成本優化、使用壽命長的蓋板氣動開啟與支撐方案，通過PROE三維軟件建模計算和二維CAD圖紙的設計，輔以關鍵零部件氣彈簧的推理計算，最終產品符合相關標準規范，結構和裝備簡易明了，實現了機艙蓋板保養時間縮短至原有時間的3/4，其安全性和耐用性都達到了良好的性能效果。

關鍵詞：自動人行道;機艙蓋板;開啟裝置;氣動支撐

1 自動人行道簡介

根據GB/T 7024-2008，GB 16899-2011對自動人行道的術語定義、制造與安裝安全規范的要求，自動人行道通常指基于帶式循環走道，用于水平或傾斜角度≤12°的電力驅動人員輸送設備，常用于商場、機場、車站等人流密集處。在設計時需要在自動人行道出入口位置安裝與踏板（梯級）吻合的梳齒支撐板;梳齒支撐板后端區域屬于踏板在上、下端部的回轉運動區域，需要在對應的區域上方增加相應的整體蓋板，即自動人行道機艙蓋板[1]。

隨著近年來偶發機艙蓋板安全事故案例的增加，人們對機艙蓋板的安全性愈發重視，相關標準和規范對于蓋板檢修和設計功能要求都有著明確的規定，如蓋板的縱深寬度需要≥0.85m，只能通過專用的檢修鑰匙開啟，附加緊急開關等監測裝置。出于對安全性能的考慮，對機艙蓋板做好日常的維護和保養是提高其安全性能和耐久性能的保障手段[2]。

由于白天自動人行道服務人流量大，自動人行道的檢修維護和保養工作只能在夜晚進行，受限于現場建筑物結構、空間余量和使用環境等因素，保養過程中通常無法滿足零部件操作、搬運和放置，且整梯大部分的零部件保養更換都需要從這個機艙蓋板位置進入，對于操作安全也帶來了較大的隱患。因此，開發一種具有能實現自動人行道上、下部機艙蓋板自動打開和支撐的整體裝置顯得尤為必要。

從使用功能和安裝便利性上而言，該裝置需要滿足自動開啟和開啟后的長久支撐兩項功能。因此，在設計過程中對兩種功能的實現是采用兩個不同的結構裝置還是利用同一套機構系統，對后期安裝、維護和保養的操作便利性以及機械耐久性都具有明顯的影響。

現重點討論自動人行道機艙蓋板自動開啟、自動支撐的結構設計方案和關鍵零部件的選取、計算設計和實現安裝。

2 產品結構設計分析

從整體機艙蓋板的產品結構設計來說，需要考慮的重要技術點包括整體的結構規劃和剩余空間計算，自動開啟功能傳動方案的選取，自動支撐的方案實現等。

2.1 蓋板結構與剩余空間

如圖1所示的機艙蓋板結構樣式，機艙蓋板整體為矩形結構，尺寸為1480mm×600mm×35mm，前后端厚度均勻一致，蓋板部分包括了花紋面板、結構底板、加強筋等主體結構、及配套的螺栓緊固件等。機艙蓋板的下部剩余空間較小，借助PROE三維設計軟件內進行3D模型設計裝配及運動仿真模擬的結果，采用轉動開啟的方案較為合理，對于轉動軸點的位置安排決定了剩余空間的利用率。經過機艙蓋板的結構和剩余空間分析，輔以相關標準資料的查閱，制定了兩套可行的機艙蓋板自動開啟和支撐方案。

2.2 蓋板開啟及支撐

2.2.1 機艙蓋板的開啟方案

機艙蓋板開啟方案的重點在于采用何種傳動結構，對比提出了兩類方案：齒輪齒條傳動結構和氣彈簧傳動結構。

（1）基于齒輪齒條傳動結構

齒輪齒條結構是具有高精度、傳遞動力大、使用壽命長、重負載不易變形、能保證恒定的傳動比、能傳遞任意夾角兩軸運動以及設計結構較為簡便等優勢特點，相對的缺陷在于對制造、安裝的精度要求較高、不適宜做長距離傳動。

綜合考慮齒輪齒條傳動結構的優缺點，本項目中由于不對傳動距離有高要求，相對的安裝和制造精度要求可以接受，因此得以應用。依靠齒輪齒條傳動結構，可以使整體機艙蓋板的開啟和關閉形成一條半圓弧漸開線，該結構的實現依賴兩個固定點的協同作用。一個固定點起到支撐固定蓋板的作用，另一個固定點起到提供旋轉支點，并以機艙蓋板的寬度尺寸作為旋轉面的作用。從運行的角度范圍來看，齒輪傳動半圓弧漸開線結構的實際開啟角度在80°范圍的圓弧內，該技術在數學和機械工程領域的應用較為成熟，因此可行性較高。

考慮到安全性能，機艙蓋板的自動開啟速度較為緩慢，對于速率的恒定性有著一定的要求，因此采用齒輪齒條結構可以實現開啟速率的恒定，且由于采用低速運行不會造成額外的成本開銷。同時在空間利用上，齒輪齒條結構占用空間不大，對于維護空間的擠兌較小，是理想的實施方案。

蝸輪蝸桿和坦克鏈結構也能實現上述的功能要求，前者常被應用于兩軸交錯、傳動比大、傳動功率不大或間歇工作的工況，后者能適應較高的壓力和抗拉負荷，適用于往復運動，但從結構的復雜度、成本的開銷和剩余空間的利用率等因素考慮，綜合性能表現不如齒輪齒條傳動結構。

（2）氣彈簧傳動結構

氣彈簧具備支撐、緩沖、制動、高度調節及角度調節等多功能用途，其原理是在密閉的壓力缸內充入惰性氣體或者油氣混合物，起到前提增壓的目的，增壓可以達到大氣壓的數十倍，利用活塞桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產生的壓力差對所作用在支撐桿兩端的物體進行移動。因此，氣彈簧適用于傳動速率緩慢、彈性曲線為線性、動態力變化不大、對控制要求不高的場景;其缺點在于零部件一旦受損，整個氣彈簧構件需要整根替換。

從氣彈簧的動力原理和特性可以發現，其功能完全契合機艙蓋板的需求。實施方案上，氣彈簧具有一個固定點連接底部或特定位置，另一個移動支撐點連接機艙蓋板，利用氣壓原理緩慢推動移動端開啟機艙蓋板。

在開啟速度和空間利用率這兩個參數方面，氣彈簧具有結構十分簡單、組件整體性好、設計和安裝便利、占用空間較小等特點，氣壓原理的傳動特性滿足機艙蓋板緩慢抬升和降下的需求，具有高度的可行性。

綜合方案（1）和方案（2）的設計難度、功能實現、空間占用、成本開銷和零部件替換等因素，氣彈簧實現機艙蓋板自動開啟、關閉更有優勢，但還需要兼容機艙蓋板的支撐方案來考慮。

2.2.2 機艙蓋板的支撐方案

（1）基于齒輪齒條的卡塊支撐方案

齒輪齒條的傳動停止容易實現，采用額外物體對齒輪齒條的接觸面造成干涉，即可使得傳動停止。因此本方案設計了小卡塊鐵件固定在所需位置，實現對齒輪齒條的傳動卡死。

優缺點：該方案的優勢在于卡塊卡死原理簡單，通過機械結構的方式即可實現，安全系數較高;缺點則是卡塊屬于額外引入的零部件，還需要針對它單獨設計結構固定方式，增加了空間占用和成本開銷。

（2）利用氣彈簧自身的支撐力

從氣彈簧的原理可以得知，只要存在內外氣壓差，氣彈簧就能夠有穩定的推力，氣彈簧在自身推力的作用下彈出，在沒有超額外力的干涉下不會自動收回。

優點：氣彈簧的應用不必安裝額外的部件和設計開銷，能順延開啟方案的原理實現支撐方案，提供額外的外力干預可以實現收回功能。

綜合考慮開啟和支撐方案的實際情況，采用氣彈簧能夠高效實現所需功能的同時降低成本，是自動人行道上、下部機艙蓋板使用自動打開和支撐裝置的最佳解決方案。

3 關鍵零部件設計實現

氣彈簧方案中的最關鍵零部件設計是氣彈簧的推力大小設定，該值需要滿足對機艙蓋板的支撐，并保有一定的冗余量以提升安全性能。同時冗余量不能太大，要能實現能夠在一定的外力介入下可以安全收回。

3.1 氣彈簧推力計算

根據《JB/T 104182004 氣彈簧設計計算》標準方案和標準機械設計手冊，氣彈簧運動過程中的受力參數有：機艙蓋板的重力、被支撐物體的中心距離、氣彈簧與鉸鏈平行距離、使用氣彈簧數量、氣彈簧支撐力、被支撐物體的安全距離、安全系數等[3]。

重力計算：已知自動人行道1000型機艙蓋板的質量為m≈45kg，根據重力公式G=mg，取g為9.8m·s-2可知機艙蓋板的重力為G≈441N。

綜合考慮氣彈簧運動過程的其他受力和安全系數，最終得出安全的推力值為：

F=485N≈490N

最終根據標準機械設計手冊和氣彈簧廠家樣冊上的產品參數性能的介紹，確認了符合各方面要求的氣彈簧產品。

3.2 零部件設計與裝配工藝

氣彈簧機艙蓋板自動開閉及支撐結構所需的零部件包括上下部機艙蓋板、氣彈簧、固定組件、支撐鉸鏈及固定角鋼、滑動桿、法蘭及固定角鋼、六角螺栓及螺母、彈簧墊圈、平墊圈和鍍鋅自噴漆等。

根據第2節確定的氣彈簧方案，在零部件的設計和裝配工藝上，采用了仿真軟件進行模擬的方案。首先在3D建模設計軟件PROE內進行零部件的仿真構造，實現最終產品的組合完善，并根據仿真的結構生成供車間生產用的所有零部件和現場裝配的二維CAD圖紙。安裝部根據二維CAD圖紙在工廠樣梯上進行高質量的焊接和裝配，通過試制裝配和測試，通過了各項檢驗標準，最終將合格產品裝配至客戶現場的自動人行道上。

4 產品性能評價

從性能角度來看，基于氣彈簧的機艙蓋板整體開啟與支撐裝置具有開閉速度緩慢平穩、設計結構簡單、空間占用較小、維護替換方便、安全性能高等特點。

從成本角度來看，氣彈簧屬于整體組件，可以直接進行選型和替換，不需要額外進行零部件的設計投入和購買投入，整體成本開銷較小。

從使用效果角度來看，該方案使得現場維保人員在維修保養自動人行道時的人員安全得到了進一步的保障，在維修保養時間上也比原來的方式縮短25%，提升了單梯維保效率。

5 結束語

從機艙蓋板開閉方案、支撐方案的設計入手，結合關鍵零部件的計算和仿真手段，高度利用氣彈簧的氣壓原理對開啟和支撐的功能兼容性，以高安全性能、低成本投入的效果順利進行了項目的交付，獲得了客戶的一致好評，給蓋板支撐類結構設計提供了可參考的技術經驗。

參考文獻：

[1]吳紅偉.Discussion on the Safety Monitoring to Maintenance Cover for Escalators and Moving Walks%論自動扶梯和自動人行道檢修蓋板的安全監控[J].中國電梯，2017，28（09）：17-18.

[2]霍楠楠.自動扶梯和自動人行道樓層板安全性分析[J].科技風， 2016（12）：94-94.

[3]方益奇，孫玲玲.氣彈簧的剛度計算與安裝位置研究[J].機床與液壓， 2010（08）：76-77，89.