自動扶梯樓層板振動分析

沈文浩 馮雙昌

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，自動扶梯已經被廣泛應用于人們生產生活的各個領域，在高樓、車站、機場、商場等場合為人員快速運輸提供了便利。以往，人們對于自動扶梯的關注主要在其安全性上。但是，隨著社會的進一步發展和人們對于美好生活的更多向往，自動扶梯作為直接向公眾提供接觸式移動服務的特種設備，其舒適性也越來越受到民眾的關注。遺憾的是，目前我國對于自動扶梯乘運質量方面的研究還較少。

自動扶梯乘運質量與驅動主機、主驅動鏈、金屬桁架上的導軌、梯級鏈條、梯級主輪、輔輪、轉向裝置等安裝質量密切相關，且各個部件之間耦合度大，這就導致即使是同型號的自動扶梯，其乘運質量也可能由于安裝方式、使用時間、負載強度等因素產生巨大差異。本文選擇了振動這一角度，對自動扶梯乘運質量進行研究。

從乘客的角度來說，乘坐自動扶梯時首先會經過自動扶梯入口，與樓層板接觸，再乘上梯級，與梯級、扶手帶接觸，最后由自動扶梯出口離開。在整個過程中，自動扶梯的最大加（減）速度、垂直振動、水平振動等都會對乘客乘坐時的實際感受造成影響。

本文筆者將首先選取乘客進入自動扶梯與離開自動扶梯這兩個過程，通過振動實驗對自動扶梯上下端站樓層板給乘客帶來的舒適性進行研究，也是為以后研究梯級與扶手帶做前期的技術積累與鋪墊。

1 自動扶梯樓層板振動介紹

自動扶梯屬于特種設備，是一種帶有循環運動梯路，用以在建筑物的不同層高間向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅動設備。

自動扶梯的大部分驅動裝置都集中在上端站，如圖1所示，包括驅動主機、驅動主軸、傳動系統、控制柜、轉向鏈輪、扶手帶驅動裝置等。樓層板作為隔絕乘客和自動扶梯內部機械結構的裝置，覆蓋在檢修空間之上。在自動扶梯運行時，處于檢修空間內的眾多裝置的運行振動會形成振動源，很大程度上對樓層板產生影響[1]。

圖1 自動扶梯上端站

相對來說，自動扶梯的下端站所安裝的裝置就比較少，如圖2所示。比較重要的裝置比如張緊裝置，由于其自身構造，其內部組件有壓縮彈簧，可能會一定程度減輕導軌梯級等振動源所帶來的影響。

圖2 自動扶梯下端站

2 樓層板振動實驗

本文針對自動扶梯上下端站樓層板振動情況設計了一系列實驗，實驗對象為上海某火車站天橋出入口的公共交通型自動扶梯，如圖3所示。該自動扶梯2014年制造，2015年投入使用至今，名義速度為0.50m/s，提升高度為4.7m。該自動扶梯為三菱K型自動扶梯，該型號自動扶梯在國內應用廣泛，屬于主要廠商典型自動扶梯，因此本次實驗對自動扶梯乘運質量的研究具有比較重要的意義。

圖3 實驗對象自動扶梯

本次自動扶梯上下端站樓層板振動實驗采用的儀器為電梯乘運質量檢測儀ATL-370，該儀器采用高性能三軸加速度傳感器獲取自動扶梯運行數據。實驗中一律采用檢測人員面向自動扶梯為基準，指向扶梯梯級方向為X軸正方向，右側為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，如圖4所示[2]。

圖4 對樓層板靠近梳齒板位置進行測量

本次實驗首先對自動扶梯上端站樓層板在自動扶梯靜止時以及運行時的振動情況進行了測試，得到以下曲線圖，圖5為自動扶梯靜止時在上端站樓層板中心位置測得的振動曲線，圖6為自動扶梯運行時在上端站樓層板中心位置測得的振動曲線。每次測量都會分別記錄X軸、Y軸與Z軸的曲線，并計算總加加速度。本次實驗還對下端站樓層板的中心位置進行了測量，得到了相應的曲線圖，由于自動扶梯上端站樓層板振動情況具有代表性，僅以上端站為例進行分析。

圖5 扶梯靜止時上端站樓層板的振動情況

圖6 扶梯運行時上端站樓層板的振動情況

3 上端站樓層板振動分析

對實驗數據進行分析前需要確定合適的分析方法。筆者翻閱了有關標準，選取了《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1部分：一般要求》（GB/T 13441.1—2007）來對振動進行分析[3]。

GB/T13441.1—2007中6.1“用計權均方根加速度的基本評價方法”中規定：振動評價應總是包括如本條中所定義的計權均方根（r.m.s）加速度的測量。對平移振動，計權均方根加速度用m/s2表示，而對旋轉振動則用rad/s2表示。計權均方根加速度應按下式或其頻域的等價式計算：

式中：aw（t）為時間函數（時間歷程）的計權加速度（平移的，單位為m/s2；或旋轉的，單位為rad/s2）；T為測量時間長度（s）。

自動扶梯樓層板的振動屬于平移振動，因此對原始振動曲線（圖5和圖6）進行計權均方根處理，得到表1數據。

表1 扶梯運行與靜止時上端站樓層板振動情況對比表

根據上述數據，對扶梯靜止時的樓層板振動數據進行分析，X軸方向上的r.m.s值明顯低于Y軸與Z軸，約為Y軸r.m.s值的42%，Z軸r.m.s值的28%。

對扶梯運行時的振動數據進行分析，同樣也有部分上述情況。X軸方向上的r.m.s值為Z軸r.m.s值的31%。但同時也發現將自動扶梯靜止與運行時的數據進行對比，樓層板Y軸方向上的振動情況影響相對于其他兩軸的變化不大。Y軸運行時比靜止時大約增幅280%，而X軸和Z軸運行時比靜止時大約增幅700%。扶梯靜止時，Y軸r.m.s值比X軸r.m.s大，約為X軸的219%；而扶梯運行時，Y軸r.m.s值增幅就小，與X軸持平。但無論是扶梯靜止時還是運行時，X軸與Y軸的r.m.s值都遠小于Z軸的r.m.s值。

根據GB/T13441.1—2007中的要求，用于振動對舒適影響預測的頻率計權與方向因數k一起使用。GB/T 13441.1—2007的8.2.2.2中對立姿人體的頻率計權和方向因數有如下規定：X軸（地板振動）：wd，k=1；Y軸（地板振動）：wd，k=1；Z軸（地板振動）：wk，k=1。由此可見，對于立姿人體來說，X、Y兩軸對人體舒適性的影響是相同的。當振動頻率大于3Hz時，Z軸振動頻率計權wk值大于wd值。自動扶梯樓層板振動遠大于3Hz，因此對于自動扶梯來說，Z軸振動對人體舒適性的影響比X軸和Y軸更大。

回到表1的數據，在對自動扶梯樓層板的振動測量中發現，無論是扶梯靜止還是運行時，X軸與Y軸的振動都遠小于Z軸。因此可以認為，在自動扶梯樓層板對乘客的舒適性影響中，Z軸振動起主導地位。

再根據GB/T13441.1—2007附錄C.2.3中對振動環境的舒適反應的規定：

當振動小于0.315m/s2時，乘客感覺不到不舒適，而X軸與Y軸上的r.m.s值即使在扶梯運行時，離0.315m/s2的界限也還是有些差距的。可以認為，X軸和Y軸的振動不會引起乘客的不舒適，對自動扶梯乘運質量影響較小。

當振動處于0.315～0.63m/s2時，乘客會感覺到有點不舒服。該自動扶梯上端站樓層板運行時Z軸的平均振動r.m.s值為0.496m/s2，處于這個區間，但同時GB/T 13441.1—2007附錄C.2.3也表明不同振動量值的反應取決于乘客對旅行持續時間的期望和乘客所期望完成的活動類型以及諸多原因。乘客在出入自動扶梯時，在樓層板上停留的時間較短，大概在2～4步，和乘客身高也有關系。因此，結合時間考慮，乘客的感受會與標準中數據有所差異。

4 上下端站樓層板之間的振動對比

本次實驗還對下端站樓層板的中心位置進行了測量，并與上端站樓層板運行時的振動情況進行了對比，得到表2中的數據。

由表2中的數據可知，下端站樓層板的三軸振動全面小于上端站的三軸振動。這也印證了上文中的猜想，自動扶梯的下端站主要安裝張緊裝置，并且張緊裝置內部組件有壓縮彈簧，一定程度上減輕了振動源所帶來的影響。

表2 扶梯運行時上下端站樓層板振動情況對比表

再結合上述Z軸振動起主導地位的結論，筆者認為，若需要對自動扶梯樓層板進行大批量或標準化乘運質量測量，可以將檢驗方法簡化，著重測量上端站樓層板Z軸方向上的振動。

5 結語

本文希望對自動扶梯乘運質量進行研究，以自動扶梯樓層板的振動情況為對象進行初探。筆者首先選取乘客進入自動扶梯與離開自動扶梯這兩個過程，通過振動實驗對自動扶梯上下端站樓層板給乘客帶來的舒適性進行研究。在對自動扶梯樓層板的振動測量中發現，無論是扶梯靜止還是運行時，X軸與Y軸的振動都遠小于Z軸，因此認為在自動扶梯樓層板對乘客的舒適性影響中，Z軸振動起主導地位。同時將上下端站樓層板的振動情況相對比，驗證了存在下端站樓層板的三軸振動全面小于上端站樓層板三軸振動的現象。在對自動扶梯樓層板進行大批量或標準化乘運質量測量時，可以將檢驗方法簡化，著重測量上端站樓層板Z軸方向上的振動。

自動扶梯作為直接向公眾提供接觸式移動服務的特種設備，其舒適性越來越受到民眾的關注。遺憾的是，目前我國對于自動扶梯乘運質量方面的研究還較少。本論文的研究也是為以后研究梯級與扶手帶對自動扶梯乘運質量的影響做前期的技術積累與鋪墊。