一種自動扶梯逆轉保護裝置的設計*

蘇玉江

北京市東城區特種設備檢驗檢測所 北京 100062

0 引言

自動扶梯作為一種重要的交通運輸工具，主要應用于商場、醫院、交通樞紐等人員密集場所。自動扶梯為市民的出行帶來了諸多便利，但同時也會發生安全事故。近些年來，由于自動扶梯在運行時發生逆轉造成的事故時有發生。2010 年，深圳某扶梯主驅動鏈脫落，造成扶梯下滑，致使25 名乘客受傷[1]；2011 年，上海某自動扶梯主驅動鏈斷裂，造成扶梯逆轉；2011 年，北京某自動扶梯驅動主機發生位移，主驅動鏈脫落，扶梯逆轉下滑，造成1 人死亡，30 人受傷；2017 年，香港某自動扶梯主驅動鏈斷裂、保護裝置失效，扶梯發生逆轉倒溜，造成18 人受傷[2，3]。近期，北京某醫院一部自動扶梯主驅動鏈斷鏈發生斷裂，造成梯級倒溜，所幸事故發生時乘梯人數較少，乘客及時退出，未造成人員傷害。由前述事故案例可見，未安裝附加制動器和機械式斷鏈保護裝置的自動扶梯（以下簡稱未安裝斷鏈保護裝置的扶梯）確實存在安全風險。

據統計，北京市東城區在用扶梯約1 600 臺，未安裝斷鏈保護裝置的約330 臺，占比約20%。北京市在用扶梯約20 000 臺，依照上述比例計算，未安裝斷鏈保護裝置的約為4 000 臺，即北京市自動扶梯存在4 000個安全風險點，值得高度重視。因此，對未安裝斷鏈保護裝置的在用自動扶梯，加裝保護裝置以減少和避免逆轉事故的發生是一個迫切需要解決的課題。

1 自動扶梯發生逆轉的原因和危害

自動扶梯的逆轉分為向下逆轉和向上逆轉，向下逆轉是指扶梯在上行過程中由于故障原因，造成扶梯轉而向下運行；反之為向上逆轉。扶梯向上逆轉的情況較少發生，大多數都是危害較大的向下逆轉。從以往的事故看，向下逆轉主要是由于其主驅動鏈斷鏈或失效造成的，故本文僅討論由于主驅動鏈斷鏈造成的向下逆轉。

自動扶梯存在3 個循環運行的機構，包括驅動主機循環運行、梯級循環運行和扶手帶循環運行（見圖1）。驅動主機將動力通過主驅動鏈持續傳遞給牽引鏈輪，再依次通過梯級鏈傳遞給梯級和扶手裝置，使梯級和扶手帶同步循環運行。驅動主機和牽引鏈輪之間通過主驅動鏈連接（見圖2）。通常情況下，電動機制停即可使梯級和扶手帶制停，但在主驅動鏈斷裂或脫落的情況下，驅動主機與梯級的連接斷開，驅動主機的制動力無法作用于梯級，就會造成梯級在載荷作用下逆轉倒溜。

圖1 自動扶梯結構

圖2 主機驅動原理

自動扶梯的逆轉保護裝置一般有附加制動器和機械式斷鏈保護裝置2 種。對于提升高度大于6 m 的自動扶梯和公共交通型自動扶梯，依據GB 16899—2011《自動扶梯的自動人行道的制造和安裝規范》（以下簡稱規范）要求應配置附加制動器［4］。圖3 是一種較為常用的盤式附加制動器，在需要制動時，電磁鐵帶動連桿使摩擦組件（制動盤和摩擦片）壓緊制動輪實現制動。安裝了附加制動器的自動扶梯，通常情況下可以有效防止在主驅動鏈斷鏈時發生扶梯逆轉倒溜。

圖3 盤式附加制動器

對于提升高度不大于6 m 的自動扶梯和非公共交通型自動扶梯，廠家配置了附加制動器作為逆轉保護裝置或機械式斷鏈保護裝置，一般采用打桿式斷鏈保護裝置，如圖4 所示。當驅動鏈（主驅動連鏈）斷鏈時，重錘由于重力作用下落帶動連桿轉動，使棘爪卡入制動輪的棘輪內，從而制動梯級鏈輪和梯級。

圖4 打桿式斷鏈保護裝置

但由于扶梯制造廠家對國標理解的差異，對于提升高度不大于6 m 的自動扶梯和非公共交通型自動扶梯并未安裝附加制動器，也未安裝機械式斷鏈保護裝置。其原因有2 個：1）國標GB 16899—2011《自動扶梯的自動人行道的制造和安裝規范》對主驅動鏈斷鏈保護未做明確要求。2）規范5.4.2.3.2 要求：自動扶梯應設置1個裝置，使其在梯級、踏板或膠帶改變規定運行方向時自動停止運行。但此處的自動停止運行未明確是梯級停止運行還是主機停止運行。因此，有些制造廠家只設置了在主驅動鏈斷鏈時使主機制停的電氣保護裝置，而未設置使梯級一并制停的機械保護裝置。導致在主驅動鏈斷鏈時，梯級會脫離主機的控制，在載荷和自重的作用下發生逆轉倒溜。

逆轉保護功能一般需要安裝附加制動器和機械式斷鏈保護裝置來實現，但是對于已經安裝完成并投入使用的自動扶梯，由于其內部空間非常緊湊，后期加裝保護裝置存在較大困難。若加裝附加制動器，通常需要安裝于上機房，但無論是盤式附加制動器、鼓式附加制動器還是棘輪、棘爪式附加制動器，其結構都很復雜，上機房空間狹小，安裝如此復雜的裝置幾乎是不可能的。如果加裝機械式斷鏈保護裝置就需要在驅動主軸上加裝帶有棘輪的制動盤，還需要加裝重錘、連桿和棘爪等部件，難度也非常大[5-7]。

2 一種基于制停梯級的逆轉保護裝置研制

2.1 設計思路

在加裝附加制動器或機械式斷鏈保護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動鏈斷鏈時發生逆轉倒溜。逆轉保護最終是要實現制停梯級，只要梯級被制停，扶梯就不會倒溜。經過長時間的現場勘查和思考，本文提出一種結構簡單、易于安裝的逆轉保護裝置。本保護裝置安裝于扶梯的下機房，可以作用在梯級的踏面上，在扶梯發生逆轉倒溜時，可以對梯級進行制動。

2.2 基本結構

圖5 是保護裝置的結構圖。裝置全長約200 mm，體積小巧。偏心滾輪初期設計直徑為50 mm，偏心距為4 mm，設計厚度50 mm（設計尺寸可根據不同扶梯的現場情況適當調整）。選用偏心滾輪是因為其在具有滾動性的同時也具有加緊性。當保護裝置安裝后，偏心滾輪會和梯級踏面接觸，在扶梯上行時利用其滾動性可以避免阻礙扶梯運行；但在扶梯逆轉下行時，利用其加緊性可制停梯級。由于偏心滾輪在扶梯逆轉時會與梯級踏面產生摩擦，所以采用偏心滾輪包裹摩擦橡膠后，可增加對梯級的摩擦力，并可盡量減小偏心滾輪與梯級碰撞時造成的磨損。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撞擊發生向左反轉而離開工作位置。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換扶梯運行方向時，可以將彈簧掛鉤拆除，將偏心滾輪移出工作區域而不影響扶梯換向。保護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孔設計，可適當調節保護裝置與梯級踏面的距離。2 根可調節螺桿和內螺紋套筒組成金屬連桿。金屬連桿的長度可通過螺桿進行調整，以調節偏心滾輪與梯級的距離。金屬支撐件設置在金屬連桿下部，支撐件有2 個作用：1）使金屬連桿保持向上約45°的傾角，使偏心滾輪在梯級上行時可以隨梯級運行向上擺動，不對梯級踏面造成擠壓；2）在梯級逆轉倒溜時對金屬連桿給予足夠的支撐力，保證偏心滾輪與梯級踏面壓實，從而產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，在梯級上行碰撞偏心滾輪時，可使連桿有一定程度向上的擺動，不對梯級造成擠壓。

圖5 保護裝置結構圖

2.3 安裝位置

圖6 是扶梯下機房的側視圖，圖中序號1 和序號2 是2 個連續的梯級，序號3 和序號4 分別為安裝在梯級上的梯級輪，梯級依靠梯級輪沿梯級軌道運行。圖中6 指示位置為梯級踏面，梯級踏面上下2 個端點位置如圖中序號7 和序號8 所示。2 個端點在下機房運行軌跡分別為弧線序號9 和序號10 所示。保護裝置安裝位置在下機房梯級回轉區域下部圖示位置。選擇在下機房安裝是因為和上機房相比，下機房沒有驅動主機、控制柜等設備，空間較大、便于操作，且可以盡量減少扶梯需要維修時對維修人員的影響。保護裝置安裝時可根據現場情況，采用適當的方式與扶梯行架固定，固定后偏心滾輪應基本垂直于梯級踏面。偏心滾輪的位置可以通過金屬連桿的可調節螺栓進行調整，使其盡量靠近梯級踏面，調整其位置應該在弧形序號9 的內測，但不能超過弧形序號10。如果偏心滾輪至梯級踏面距離過遠觸碰不到梯級踏面，在扶梯逆轉時就不會對梯級產生摩擦，安全裝置將不起作用；如果過近，滾輪超過了弧形序號10，梯級在逆轉時，梯級踏面的端點序號8 會與滾輪碰撞，對梯級造成損傷。考慮到各廠家扶梯型號的設計差異，保護裝置的底座固定采用長孔設計，可以對安裝位置進行初步調整，再由金屬連桿的可調節螺桿對滾輪至梯級踏面的距離進行細致調整，最大程度滿足不同工況的需要。

圖6 自動扶梯下機房側視圖

2.4 工作原理

如圖6 中方向箭頭所示，當扶梯上行時梯級沿順時針方向旋轉，當扶梯下行時梯級沿逆時針方向旋轉。圖6 中弧線序號9 和弧形序號10 是梯級踏面2 個端點的運行軌跡，偏心滾輪安裝于弧線序號9 和弧形序號10之間。

當扶梯上行時，梯級踏面會依次觸碰偏心滾輪，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會向上抬起，滾輪也會隨著和梯級的摩擦而轉動，不會對梯級運行造成阻礙。同時定位彈簧對滾輪保持一個向下的拉力，使偏心滾輪不會向左反轉而離開工作區域。

如果扶梯主驅動鏈斷鏈發生逆轉倒溜，梯級會逆時針向下翻轉壓住偏心滾輪。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°上揚角度不下垂。隨著梯級向下轉動，梯級踏面對偏心滾輪產生壓力，且壓力會逐漸增加，隨著壓力增加滾輪表面和梯級踏面之間的摩擦力也會逐漸增加，摩擦力對梯級有制停作用。由于偏心滾輪具有自鎖性，所以在滾輪轉動時，對梯級的摩擦力會隨著滾輪的旋轉逐漸加大產生自鎖，從而使梯級最終制停。

2.5 技術特點

1）從以往自動扶梯發生的逆轉事故看，向上逆轉的情況極為少見，絕大多數都是向下逆轉，它發生的概率最大、危害也最大，此保護裝置恰好是針對此種情況。它不會影響扶梯向上的正常運行，只是在扶梯向下逆轉倒溜時對梯級進行制動。

2）當主驅動鏈斷鏈或失效后，扶梯的梯級是先停止再倒溜。在載荷和自重的作用下勢能逐漸轉換為動能，越溜越快。此保護裝置可以在梯級剛開始倒溜、動能幾乎最小的情況下以較小的摩擦力對梯級進行制動。

3）此保護裝置體積小、結構簡單、便于安裝，可適用于大多數廠家和型號的自動扶梯，且可以設置在空間相對較大的下機房，最大程度減小對日常維修的影響。

4）此裝置是單純的機械裝置，不需要電氣接線，不會對扶梯的控制系統造成干擾和影響，不會增加控制系統的故障率。

3 結論

傳統的自動扶梯逆轉保護裝置都是對梯級驅動盤或驅動主軸進行制動，此保護裝置是對梯級直接制動，從而達到制停的效果，為在用扶梯逆轉保護裝置的設計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計算和現場試驗，如不同提升高度、不同傾斜角度的扶梯梯級踏面的受力計算以及不同載荷下的驗證試驗。