自動扶梯附加制動器動作觸發原理及案例分析*

何祖恩

（福建省特種設備檢驗研究院，福州 350008）

0 引言

目前在用的絕大多數公共交通型自動扶梯工作制動器與梯級驅動主軸之間通過雙排鏈連接，當驅動鏈條斷鏈且未能有效觸發附加制動器動作，必然會造成逆轉或超速等事故。如香港九龍旺角朗坊的“通天扶梯”主驅動鏈因疲勞斷鏈之后，斷鏈保護裝置因其固定金屬外殼與可移動部件的滑動面之間的黏性油脂未觸發，導致自動扶梯發生的逆轉［1－2］。北京地鐵4號線動物園站A口自動扶梯驅動主機移位后，未觸發附加制動器動作導致逆轉事故。

觸發附加制動器動作的非操縱逆轉保護、超速保護等多采用可編程電子安全相關系統（以下簡稱PESSRAE）實現，如未能理解附加制動器的觸發和動作原理則難以保證其功能的有效性，甚至可能導致該功能的失效［3］。當然不排除用戶定制的其他工況下要求附加制動器動作，常見要求立即觸發動作的有驅動鏈斷裂、超速1.3倍等。延時觸發動作的有欠速保護、制動器松閘故障、超速1.15倍、安全回路失電、啟動鑰匙開關和緊急停止開關動作等。

需要指出的是，部分制造單位設置用欠速保護功能來代替非操縱逆轉保護，如設置不當可能會存在事故隱患。如欠速設置為欠速80%，且欠速延時設為5 s。名義速度0.5 m／s的自動扶梯，當速度降低到0.1 m／s時，延時5 s后才會觸發附加制動動作?？梢韵胂螽旘寗渔湐嗔眩蛏线\行的自動扶梯速度將急劇下降并在極短時間內逆轉，而附加制動器要在延時后才能觸發動作。

1 標準要求

GB 16899－2011中對附加制動器觸發動作要求的主要條款如下［4］。

（1）5.4.2.2.4附加制動器在下列任何一種情況下都應起作用：a）在速度超過名義速度1.4倍之前；b）在梯級、踏板或膠帶改變其規定運行方向時。附加制動器在動作開始時應強制地切斷控制電路。

該條款給出了附加制動器的觸發動作條件，超速1.4倍和非操縱逆轉的極端工況下必須立即觸發附加制動器動作。附加制動器的制停減速度大，蔣晨迪等［5］提出了一種利用虛擬樣機技術的方法，對實際工況下附加制動器的制動試驗進行模擬測試。常見的制停試驗是在現場自動扶梯梯級放置載荷試驗［6］，輕載工況下的制停減速度往往大于1 m／s2，且制停過程伴隨著一定的剛性沖擊，可能對梯級上不做防備的乘客造成一定傷害［7］。因此，類似于電梯安全鉗，作為保護自動扶梯的最后一道裝置，標準要求附加制動器僅在非正常極端工況下作用。

（2）5.4.2.2.5如果電源發生故障或安全回路失電，允許附加制動器和工作制動器同時動作，此時制停條件應符合5.4.2.1.3.2條款和5.4.2.1.3.4條款的規定。否則，附加制動器和工作制動器只允許在5.4.2.2.4條款規定的情況下同步動作。

該條款給出了附加制動器與工作制動器動作同步動作的條件，即當制停條件符合5.4.2.1.3.2條款和5.4.2.1.3.4條款的規定情況下允許附加制動器與工作制動器同步動作。由5.4.2.2.4條款的分析可知，附加制動器的制停減速度大，制停距離短，特別是棘輪（或制動盤）棘爪式附加制動器難以符合制停條件要求。需要指出的是，電源故障的情況下會導致附加制動器的保持裝置失電而動作，當制停條件不符合要求，必須配置電源故障情況下的延時觸發裝置。

另外，緊急停止開關等動作都會造成安全回路的失電，其發生的頻率遠高于5.4.2.2.4條款所述的特殊工況，多次觸發附加制動器可能對設備和乘客造成一定的傷害。工作制動器有效時，安全回路失電和電源故障的工況下工作制動器即可安全制停自動扶梯。

2 附加制動器觸發原理

2.1 附加制動器結構型式

自動扶梯附加制動器的型式通常有棘輪棘爪式、制動盤棘爪式、制動盤制動靴式、鼓式制動等。上述結構型式的附加制動器的制動性能很大程度上取決于摩擦片調整的預緊力，造成輕載與重載工況下的制停減速度差異大。梁敏健等［8］給出了一種自適應可變制動性能的盤式附加制動器，通過自適應調整摩擦組件與制動盤之間制動力，完成對制動距離的閉環控制，一定程度上減少不同載荷工況下的制停減速度的差異性。目前，市面上常見的附加制動器多用棘輪棘爪式和制動盤棘爪式。

典型的棘輪棘爪式和制動盤棘爪式結構如圖1所示。當附加制動器觸發動作時，棘爪保持裝置將失電彈出，隨機落入棘輪或制動盤上的某點。當棘爪隨機彈到A點，棘爪不會直接卡住棘輪或制動盤，隨著自動扶梯繼續下行，棘輪或制動盤繼續順時針旋轉，直到棘爪落入棘輪齒槽或制動盤止擋塊的C點，此時棘輪或制動盤與摩擦片作用制動并最終制停住自動扶梯，制動距離最大。當棘爪動作隨機彈入到B點時，棘爪瞬間與棘輪齒槽或制動盤接觸，附加制動器碟形彈簧和主軸上的摩擦片短時間內抵消沖擊能量，自動扶梯制停距離最短。

圖1 棘輪和制動盤式

上述分析可知，給定棘輪或制動盤上的蝶形彈簧預緊力后，制停距離取決自動扶梯上載荷和棘爪彈入棘輪或制動盤上的位置。棘輪的齒數越多、制動盤上的止擋塊間距越小，制停距離的差異性越?。?－10］。

2.2 附加制動器制停系統

附加制動器制停系統由檢測、控制和制停3個單元組成，如圖2所示。通常采用PESSRAE實現，其安全完整性等級至少為SIL1。

圖2 附加制動器制停系統

控制單元是制停系統的核心，負責采集檢測單元的運行速度、方向等數據并進行數據融合處理，依據數據分析結果發出指令是否觸發附加制動器動作。常見的棘輪或制動盤式附加制動器的觸發原理如圖3所示，發生超速1.4倍或非操縱逆轉時控制單元無延時立即觸發棘爪動作。主電源失電則工作制動器失電下閘，棘爪保持裝置需要通過附加的延時電路延時觸發，否則難以滿足制停條件要求。安全回路失電、工作制動器松閘故障等用戶定制的其他可選情況，工作制動器必然下閘動作，控制單元可以通過控制系統延時響應觸發棘爪動作。

圖3 棘輪和制動盤式觸發原理

圖4 所示為常見的附加制動器觸發原理，X0、X1為檢測單元輸入到PESSRAE系統的測速信號，同時讀取X0、X1信號即可判斷自動扶梯的運行方向。ABK、BK軟觸點分別為PESSRAE判斷附加制動器、安全保護裝置（如梯級缺失保護、扶手帶速度偏離保護等）動作輸出。正常工作時，ABK閉合、BK閉合、控制系統輸出端CTL1輸出低電平，Y0端的電源信號輸入到Y1和Y2端，棘爪保持裝置的控制接觸器線圈KZY和安全回路得電。當發生超速1.4倍或非操縱逆轉時PESSRAE輸出ABK觸點斷開，Y1和安全回路失電，附加制動器和工作制動器同時動作。當X2、X3檢測到工作制動器松閘故障，按照用戶定制的可選功能需要觸發附加制動器，此時ABK觸點閉合狀態，控制系統延時輸出高阻抗信號到CTL1，完成系統控制的延時響應觸發附加制動器的功能。當發生主電源故障時，則需要延時電源電路來延時觸發附加制動器動作。

圖4 觸發電氣原理

3 觸發案例分析

某一公共交通型自動扶梯，主要參數為提升高度11.5 m，梯級寬度1 000 mm，傾斜角30°，名義速度0.65 m／s，采用雙驅動主機驅動。驅動主機各配置一套棘爪制動盤式附加制動器，附加制動器棘爪保持裝置由電磁鐵控制。由于制停條件不符合要求，供電電源故障的情況下，增加延時電路延時觸發棘爪裝置動作，如圖5所示。電磁鐵線圈電源YZD1、YZD2由接觸器KZY1、KZY2、及繼電器POW1、POW2控制，設備正常運行時POW1、POW2、KZY1、KZY2常開觸點閉合，當系統判斷需要附加制動器動作時KZY1、KZY2斷開。供電電源故障的情況下，POW1、POW2、KZY1、KZY2常閉觸點回路接通，電磁鐵線圈電源YZD1、YZD2繼續得電直到延時電源斷開。

圖5 延時電源控制電路

對該設備進行監督檢驗時，斷開主開關模擬供電電源故障，棘爪保持裝置延時后斷電觸發，符合要求。模擬非操縱逆轉故障，發現棘爪裝置未動作，不符合要求。經過查看之后，發現繼電器POW1、POW2線圈電源接在主開關進線端，KZY1、KZY2接觸器的常開觸點被短接，如圖6所示。無論主開關是否斷開，POW1、POW2依然得電常開觸點閉合，由于KZY1、KZY2常開觸點被短接，KZY1、KZY2、POW1、POW2常開觸點回路閉合直到延時電源斷電觸發棘爪動作。當自動扶梯發生非操縱逆轉、超速1.4倍等故障將無法觸發附加制動器動作，存在嚴重的安全隱患。

圖6 KZY1、KZY2的接觸器觸點被短接

去除短接線，斷開主開關上一層的外部電源開關，發現棘爪保持裝置立即失電斷開，延時電路失效。進一步核查有關資料后，KZY1、KZY2線圈兩端并聯RC電路，斷開線圈電源時，線圈中的電流經RC放電，使電流衰減緩慢，接觸器銜鐵的釋放時間延長。因此，繼電器POW1、POW2和接觸器KZY1、KZY2分斷吸合時間不一致。當外部電源斷開，繼電器POW1、POW2失電常閉觸點立即接通，接觸器KZY1、KZY2常閉觸點延時接通，常閉觸點回路POW1、POW2、KZY1、KZY2在完全接通之前電磁鐵線圈電源YZD1、YZD2失電下閘，且延時電源電壓只能維持電磁鐵保持吸合而無法再次開啟，延時電路失效。

對延時電路重新設計，如圖7所示。當外部電源斷開時，POW1、POW2常閉觸點立即接通，電磁鐵線圈電源YZD1、YZD2保持接通直至延時電源斷開。當電源正常時，POW1、POW2常閉觸點斷開，KZY1、KZY2常開觸點閉合，系統依據圖3所示的觸發原理控制附加制動器無延時或軟件延時斷開KZY1、KZY2線圈電源。

圖7 更改后的延時電源電路

4 結束語

本文對GB16899－2011標準中自動扶梯附加制動器觸發動作的相關條款進行了詳細解讀。通過對棘爪棘輪或制動盤式附加制動器制停過程分析，可知制停條件難以滿足GB16899－2011要求，得出棘爪棘輪或制動盤式附加制動器的動作觸發原理框圖。最后，對某一附加制動器的動作觸發案例進行詳細分析，設計的缺陷導致延時觸發電路失效，給出整改意見后，制造單位對延時電路重新設計并驗證其符合要求。附加制動器是獨立于工作制動器的自動扶梯制停裝置，當工作制動器無法制停扶梯，發生非操縱逆轉等極端工況時，只能通過附加制動器制停自動扶梯。檢驗檢測人員應當確保其有效性，保障設備安全運行。