自動扶梯提升梯級運行安全的方案分析

摘" 要：自動扶梯作為垂直方向上乘客的運輸工具，是安全度要求很高的特種設(shè)備，梯級作為乘客站立和移動的主要部位，其運行穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到乘客的安全。梯級故障發(fā)生的原因具備多樣性，結(jié)合規(guī)范要求及研究分析自動扶梯運行過程中的梯級損壞故障及梯級安全事件，針對不同場景下的故障機(jī)理，從梯級自身技術(shù)參數(shù)指標(biāo)、梯級配套部件等方面研究相應(yīng)的技術(shù)方案提升自動扶梯梯級運行安全。

關(guān)鍵詞：自動扶梯；梯級；運行安全；故障機(jī)理；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

中圖分類號：TH236" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0１６７-0４

Abstract： As a vertical transportation tool for passengers， escalators are special equipment with high safety requirements. The steps are the main parts for passengers to stand and move， and their operational stability and safety are directly related to the safety of passengers. The causes of step faults are diverse. Based on regulatory requirements and research analysis， the causes of step damage faults and step safety events during the operation of escalators are studied. In response to the fault mechanisms in different scenarios， corresponding technical solutions are researched from the aspects of step technical parameters， step supporting components， etc. to improve the safety of escalator step operation.

Keywords： escalator; step; operational safety; fault mechanism; structural strength

自動扶梯作為垂直方向上乘客的主要運輸工具，被廣泛應(yīng)用于地鐵站、商場等場所，能夠給人們的出行帶來便利[1]。梯級作為乘客站立和移動的主要部位，其運行穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系乘客的安全，梯級在運行過程中發(fā)生斷裂失效，可能引發(fā)乘客摔倒、恐慌，甚至引發(fā)踩踏事件等事故，嚴(yán)重危害到乘客的人身安全[2]。自動扶梯根據(jù)能力和適用場所可分為普通型自動扶梯、公共交通型自動扶梯、重載型自動扶梯[3]。重載型自動扶梯的客流承載能力大，工作壽命長，適用于復(fù)雜的使用環(huán)境，主要用于地鐵車站中[4-6]，因此重載型自動扶梯有著更細(xì)致、嚴(yán)格的技術(shù)要求。通過對梯級運行過程中的故障損壞原因分析，結(jié)合重載型自動扶梯在梯級運行安全上有更嚴(yán)格的要求和設(shè)計，提出自動扶梯提升梯級運行安全的方案。

1 自動扶梯梯級故障機(jī)理分析

1.1 梯級結(jié)構(gòu)簡介

梯級從結(jié)構(gòu)上主要包含踏面、踢板面、三角支撐架、加強(qiáng)筋和連接部位等，如圖1所示。踏面是承擔(dān)運輸?shù)钠矫妫褂弥兄饕艿酱怪毕蛳碌牧Γ惶甙迕鏋橐粋€弧面，近似垂直支撐于踏面；三角支撐架位于梯級的兩個側(cè)邊，使梯級成為一個三角體提高梯級的抗扭曲性能；梯級加強(qiáng)筋是將梯級的踏面、踢板面、三角支撐架連接成一個整體，在梯級的反面支撐來自于梯級的各種載荷；連接部位主要用于梯級與梯級鏈進(jìn)行連接，依靠梯級鏈的牽引拖動梯級移動。梯級依靠梯級鏈滾輪及梯級滾輪4個輪子支撐在扶梯導(dǎo)軌中運行。

1.2 梯級損壞故障及機(jī)理分析

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》[7]的重大危險清單中明確指出：因為不可預(yù)見的誤用導(dǎo)致大于規(guī)定的載荷作用在梯級上，梯級運行期間斷裂或破裂的危險，也是屬于重大危險、危險狀態(tài)和事件，需要采取措施消除或減小。自動扶梯梯級處于一個動態(tài)運行狀態(tài)，梯級在踏面或者踢板面受到異常載荷導(dǎo)致梯級變形或者斷裂損壞的原因是多樣的，自動扶梯設(shè)備梯級運行安全與維修保養(yǎng)質(zhì)量有密切關(guān)系，但維保人員技術(shù)水平具有不確定性，因此本文主要通過分析自動扶梯梯級日常故障案例及原因，為自動扶梯結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1.2.1" 梯級結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過低受沖擊損壞

乘客在扶梯踏面進(jìn)行跳躍給自動扶梯梯級造成了沖擊載荷導(dǎo)致扶梯的梯級滾輪連接處發(fā)生斷裂，如圖2所示。目前現(xiàn)有的各類標(biāo)準(zhǔn)對于梯級的關(guān)注度基本集中于梯級踏面和踢板面正向受載時候的強(qiáng)度要求及測試。例如GB 16899—2011對于梯級踏面中部集中加載3 000 N的靜載試驗及以500～3 000 N脈動載荷于踏面的動載試驗，相對于乘客跳躍的沖擊更嚴(yán)格，因此分析該事故主要是梯級制造缺陷導(dǎo)致梯級結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足導(dǎo)致。

1.2.2" 梯級與梳齒嚙合處發(fā)生干涉損壞

自動扶梯梯級在運動中踏面和踢板面以齒型相嚙合，在梯級進(jìn)入上下水平段時，以齒槽與梳齒板的梳齒相嚙合，這樣確保梯級在運動全過程中都不會出現(xiàn)連續(xù)縫隙。圖3為梯級運行過程中與梳齒板的安裝位置關(guān)系，梳齒板連接支撐板保證高度，運行過程中因為該嚙合處發(fā)生碰撞導(dǎo)致梯級損壞的事件。

自動扶梯梯級的尺寸及梯級梳齒板的位置關(guān)系是自動扶梯國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵約定的尺寸，是保證雙方正確嚙合的重要保障，如圖4所示。為了避免扶梯梯級正面撞梳齒或發(fā)生擦齒，扶梯運行時梯級梳齒的水平方向間隙一般為不大于2.2 mm。按照國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，梳齒槽根部與梯級踏面齒頂面的豎直方向間隙距離不大于4 mm。因此可以看出，當(dāng)梯級與梳齒在嚙合處水平方向或者垂直方向上發(fā)生過度偏移時，梯級與梳齒板將發(fā)生干涉碰撞。

對于梯級與梳齒板水平方向干涉的問題，部分扶梯采用裙板限位梯級，在實際使用過程中裙板限位裝置存在磨損裙板，間隙加大，梯路跑偏，水平定位未起到限位作用，梯級實際運行中受到水平方向載荷作用時，梯級發(fā)生偏移與梳齒發(fā)生碰撞或者摩擦，導(dǎo)致撞梯級或者梯級斷齒的情況較多，因此需要更可靠的梯級水平限位裝置。

對于梯級與梳齒板豎直方向干涉的問題，某案例為扶梯乘客在離開扶梯時，踩在梳齒板處，隨后扶梯梯級與梳齒發(fā)生碰撞。經(jīng)分析后是梳齒支撐板強(qiáng)度偏弱，當(dāng)受載時導(dǎo)致梳齒板向下變形量大于嚙合間隙，同時后續(xù)梯級與梳齒即將嚙合導(dǎo)致碰撞發(fā)生。而目前國內(nèi)的扶梯標(biāo)準(zhǔn)對于梳齒支撐板的強(qiáng)度尚未提出相關(guān)要求。

1.2.3" 因異物卡入導(dǎo)致扶梯梯級損壞

當(dāng)扶梯正常運行時，如果因異物卡入梯級受到附加載荷反作用于乘客可能會引起乘客受傷，如果因較硬的異物（如硬幣）卡入，扶梯梯級很容易發(fā)生斷裂失效，卡異物引起的阻力是梯級發(fā)生斷裂的直接原因，而梯級自身的機(jī)械強(qiáng)度不足和梳齒開關(guān)動作失效是梯級發(fā)生連續(xù)斷裂的根本原因。

1.2.4" 梯級滾輪損壞導(dǎo)致梯級非正常運行而損壞

自動扶梯每個梯級中有2只梯級鏈滾輪通過軸鉸接于牽引的梯級鏈條，2只梯級滾輪直接裝在梯級撐架短軸上。梯級依靠滾輪支撐在扶梯梯路上運動時，滾輪的質(zhì)量也是保證梯級正常運行的關(guān)鍵部件。如圖5所示，為梯級繞自動扶梯轉(zhuǎn)動一周時滾輪的運行軌跡。

滾輪在轉(zhuǎn)動一周的過程中是受到動態(tài)變化載荷的，面向乘客可見區(qū)域梯級鏈滾輪表面主要受到梯級踏面上的乘客或物體及梯級與梯級鏈自重施加的載荷，在可見區(qū)域的轉(zhuǎn)彎處梯級滾輪還要承受梯級鏈張緊力附加的載荷，此時對滾輪的載荷最為嚴(yán)苛。在扶梯回轉(zhuǎn)區(qū)域主要為梯級與梯級鏈自重施加的載荷。在梯級鏈輪回轉(zhuǎn)區(qū)域，存在為滾輪懸空，表面不受壓力。因此滾輪在運行中存在周期性的載荷和部分梯級在運行過程中所受乘客或者物體載荷也是動態(tài)變化的。同時雖然不提倡乘客在扶梯上走動或“左行右立”等行為，但不可避免在實際運行過程中存在以上情況。

如梯級滾輪磨損或者發(fā)生脫膠塌陷等原因同步造成的梯級塌陷，此時梯級在與梳齒板嚙合時會出現(xiàn)干涉碰撞，導(dǎo)致梯級故障事故。

2 自動扶梯梯級提升運行安全方案分析

2.1" 梯級自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

結(jié)合前述故障分析可知，梯級的損壞一般是因為受到異常載荷引起的斷裂失效。因此提升梯級安全性首先應(yīng)保證梯級自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)的可靠性。重載型自動扶梯在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的測試要求、技術(shù)指標(biāo)對梯級提出了比國家標(biāo)準(zhǔn)更高的要求，為提升梯級結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供了參考。相關(guān)建議測試指標(biāo)見表1。

2.2" 提升梯級與梳齒板的嚙合準(zhǔn)確度

根據(jù)前述故障分析可知，梯級與梳齒嚙合發(fā)生撞擊是梯級發(fā)生的主要故障，為了降低梯級與梳齒支撐板方向撞擊可能，需要保證梯級和梳齒在豎直和水平方向上的嚙合的準(zhǔn)確度，從而提升自動扶梯運行安全性。

因為GB 16899—2011對梳齒支撐板強(qiáng)度無具體要求，如果梳齒支撐板強(qiáng)度不夠，則重物壓到梳齒下凹變形量大于梳齒板和梯級的間隙時，則后續(xù)的梯級可能會撞擊梳齒板。參考美國標(biāo)準(zhǔn)提出在梳齒支撐板中部200 mm×300 mm的面積上施加160 kg的重力，梳齒支撐板的變形不應(yīng)導(dǎo)致板體或梳齒與梯級踏面接觸，該方案優(yōu)化了梳齒豎直方向上的變形。同時考慮梯級運行時可能在豎直方向發(fā)生跳動，自動扶梯梯級鏈滾輪工作導(dǎo)軌和返回導(dǎo)軌的全程應(yīng)設(shè)置壓軌；梯級滾輪工作導(dǎo)軌在上、下轉(zhuǎn)彎段至進(jìn)入梳齒前的部分也應(yīng)設(shè)置壓軌，如圖6所示，該方案優(yōu)化了梯級豎直方向上的變形，上述方案可提升梯級與梳齒板在豎直方向上嚙合的準(zhǔn)確度，降低碰撞可能性。

對于梯級與梳齒板水平方向的嚙合問題，針對梯級裙板限位存在裙板被磨損嚴(yán)重的問題，可設(shè)計梯級采用導(dǎo)軌限位的方式。同時除了自身的導(dǎo)軌限位外，在梯級和梳齒嚙合處增加水平導(dǎo)向，圖6可在梯級進(jìn)梳齒前的1～2個梯級的位置處設(shè)計梯級水平導(dǎo)向裝置，提升水平梯級與梳齒板在水平方向嚙合準(zhǔn)確度，降低碰撞可能性。

2.3" 提升承載梯級的滾輪安全性

梯級和梯級滾輪作為承載梯級的運動部件，在長時間的非規(guī)則動載荷作用下，需要有可靠的使用壽命。可考慮滾輪采用密封軸承，滾輪還應(yīng)帶有防塵蓋，防塵蓋與軸承之間應(yīng)注滿油脂，能有效防止沙塵侵入，室外自動扶梯的滾輪還應(yīng)考慮防水。同時一般重載型自動扶梯應(yīng)明確梯級鏈滾輪采用外置方式，以便滾輪大小不受梯級鏈限制，對滾輪的直徑、寬度等做出一定限制來確保滾輪的承載能力。同時為了在最嚴(yán)苛受力的轉(zhuǎn)彎部位降低梯級鏈滾輪承受的載荷，可在上部轉(zhuǎn)彎部設(shè)置梯級鏈的卸載導(dǎo)軌，降低滾輪在此處的受力，提升承載梯級的滾輪安全性。

2.4" 明確梳齒開關(guān)動作力，確保梯級與梳齒碰撞時，開關(guān)響應(yīng)快速安全停梯

當(dāng)梯級和梳齒板不可避免發(fā)生撞擊損壞時，除了依靠梯級自身強(qiáng)度外，還應(yīng)有可靠的安全開關(guān)確保自動扶梯停梯，避免大量梯級源源不斷撞擊梳齒處的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。例如在梯級不能正常通過梳齒支撐板時，梳齒支撐板在水平方向和垂直方向的移動應(yīng)能使自動扶梯停止運動，在梳齒支撐板后部的左右兩側(cè)，每側(cè)各有水平方向動作開關(guān)和垂直方向動作開關(guān)一個，每個開關(guān)應(yīng)有單獨的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16899—2021對梳齒板開關(guān)動作力沒有量化要求，部分產(chǎn)品需要非常大的動作力才能觸發(fā)開關(guān)動作，經(jīng)常撞8～10個梯級才停梯，但設(shè)置動作力過小造成頻繁停梯固然也不合理，因此根據(jù)調(diào)研自動扶梯運營方經(jīng)驗值，梳齒支撐板安全開關(guān)水平力不大于1 500 N，垂直力不大于200～300 N，為較合適的指標(biāo)。

3" 結(jié)束語

自動扶梯梯級作為直接面向乘客的運動部件，提升其運行穩(wěn)定性和安全性是有必要的。結(jié)合自動扶梯梯級運營實際使用情況，從梯級自身及配套的梳齒板、滾輪等部件出發(fā)分析了自動扶梯梯級損壞故障機(jī)理，結(jié)合故障發(fā)生原因，對自動扶梯梯級結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、梳齒支撐板強(qiáng)度、梯級與梳齒板嚙合導(dǎo)向裝置、滾輪、梳齒板動作開關(guān)等部件提出了優(yōu)化設(shè)計方案。以此提升自動扶梯梯級運行安全。

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