自动扶梯扶手带驱动形式及扶手带系统空载时消耗功率占比分析

雷敏华，曹启章，陈 良，孔祥发

（1.广州奥的斯电梯有限公司，广州 510425；2.杭州万向职业技术学院，杭州 310023；3.华南理工大学，广州 510641）

0 引言

自动扶梯是一种带有循环运动梯级，用于向上或向下倾斜运输乘客的固定电力驱动设备[1]，已经广泛应用于商场、地铁站、高铁站、机场等人流密集的场合。1892 年，美国人乔治·H·惠勒（George H Wheeler）发明了可与梯级同步移动的扶手带[2]，此后乘客在乘梯的时候握住扶手带，使得手和身体能够同步运行，保持住身体的平衡，安全地乘梯。

本文将对比各种扶手带驱动形式的优缺点，以便能够在设计中选择合适的形式来满足客户的需求和提高产品竞争力；另外，自动扶梯空载时也会消耗功率，本文将分析扶手带系统空载时消耗功率占比，并在此基础上给出减少扶手带系统功率消耗的设计方向。

1 扶手带系统组成部件

扶手带系统组成部件主要包括：扶手带、扶手带导向支撑、扶手带驱动。

图1 扶手带结构

扶手带分为C 形扶手带和V 形扶手带，截面如图1 所示，V 形扶手带与C 形扶手带的区别是多了V 条。面胶的材质分为丁苯橡胶（SBR）、氯磺化聚乙烯橡胶（CSM）、聚氨酯（TPU）3种，TPU具有多种优越性能，使得其在自动扶梯领域得到了迅速应用，目前能成熟掌握该技术的厂家仅有两三家[3]；骨架由帘布组成；滑动层的材质有棉、聚酯纤维、尼龙纤维3种；中间是钢丝，既增加扶手胶带的强度，又可控制扶手胶带的伸长[4]。

扶手带导向支撑起到支撑扶手带和限制扶手带运动方向的作用。在乘客侧回转位置，商用梯均采用回转链，公共交通型自动扶梯多采用惰轮，低提升高度会采用回转链；乘客侧上下弧段和直线段采用扶手导轨，公共交通型扶梯也有在上弧段和直段扶手导轨里面增加滚轮的设计；返回侧直线段采用的形式有连续的扶手导轨、间断布置的导靴、间断布置的滚轮和拖轮几种形式，上下弧段位置均采用滚轮。

扶手带驱动主要包括摩擦轮、传动装置，就是通过扶手带的滑动层和摩擦轮之间产生的摩擦力来驱动的。

与C 形扶手带搭配的时候，摩擦轮的包胶材料有丁晴橡胶（NBR）和聚氨酯（PU），丁晴橡胶与扶手带间的摩擦因数比聚氨酯更高，尤其在进行室外扶梯的扶手驱动设计时应优先选用丁晴橡胶[5]，但是聚氨酯的使用寿命会比丁晴橡胶长。

传动装置的作用是将外部的动力（主驱动或梯级链或齿条等）传递到扶手带驱动系统，主要形式有链传动、齿轮传动、带传动，目前用得最多的还是链传动，动力来自于主驱动。

2 扶手带驱动系统形式

扶手带驱动形式目前主要分为大摩擦轮驱动和直线驱动，目前大部分公司采用前一种扶手带驱动方式，包括大多数欧美公司或合资公司和国内内资公司；采用直线驱动的公司比较少，主要是一些与日本合资的公司[6]，总的来说，目前的主要趋势还是采用大摩擦轮驱动。

大摩擦轮驱动分为龙头驱动和中间驱动两种形式，大摩擦轮龙头驱动的结构如图2所示，大摩擦轮中间驱动的结构如图3所示。

图2 扶手带大摩擦轮龙头驱动结构简图

图3 扶手带大摩擦轮中间驱动结构简图

直线驱动结构如图4所示。

图4 扶手带直线驱动结构简图

各种扶手带驱动形式的对比如表1所示。

表1 扶手带驱动形式对比

目前商用型自动扶梯主要采用大摩擦轮中间驱动和直线驱动，公交型自动扶梯主要采用大摩擦轮龙头驱动和中间驱动。

3 空载时扶手带系统消耗功率占比计算

空载的时候，整梯消耗功率主要是用于克服梯级系统摩擦阻力和扶手带系统摩擦阻力。对于梯路系统而言，上行下行的系统摩擦阻力都是一样的，对于扶手系统摩擦阻力而言，也是类似的情况。梯路系统和扶手带系统摩擦阻力都可以采用逐点法进行计算，上行时的点分布图如图5所示。

图5 逐点法简图

3.1 梯路系统总阻力以及功率计算

在以下假设下：梯级链为内置滚轮梯级链；张紧架采用固定回环形式。梯路系统总摩擦阻力计算公式如下：

式中：P0s为梯路系统的初始张紧力；Ptc为张紧架的弹簧张紧力，取3 000 N； N 为每个梯级包含的梯级链节数，取3节；P 为梯级链的节距，取133.33 mm；Fs为梯级的重量，取130 N；Fsc为一个梯级距所包含的梯级链的重量，取100 N；μr为梯级链轮滚轮和导轨之间的滚动摩擦因数，取0.03；Nf为水平段的梯级数量，取4。

梯路系统消耗功率计算如下：

式中：V 为自动扶梯的名义速度；ηsc为梯级链的传动效率，链传动的效率，对于一般传动，其值约为0.94～0.96[7]，取0.94；ηmc为主驱动链的传动效率，取0.96；ηm为主机的效率，目前大部分扶梯主机的效率都是随负载减小而降低，且在扶梯空载时低效率尤其明显[8]，取0.4。

3.2 扶手带系统总阻力以及功率计算

在以下假设下：返回侧弧段位置采用滚轮；返回侧倾斜段采用连续扶手导轨导向支撑；上下平层回转处采用滚动轴承回转链；乘客侧上弧段位置扶手导轨中无滚轮。扶手带系统摩擦阻力计算公式如下：

式中：P00h为扶手带系统在最低点的张紧力，取150 N；P0h为扶手带系统的初始张紧力；Fh为扶手带的每米重量，取15 N/m；Lf为扶手带在水平段的长度，取3 m； μ1为返回侧直线段扶手导轨与扶手带之间的摩擦因数，取0.3； μ2为返回侧弧段滚轮与扶手带之间的摩擦因数，取0.04； μp1为乘客侧直线段以及下弧段扶手导轨与扶手带之间的摩擦因数，取0.3； μp2为乘客侧上弧段扶手导轨与扶手带之间的摩擦因数，取0.3； μn为回转段滚轮与扶手带之间的摩擦因数，取0.09。

扶手带系统消耗功率计算如下：

式中：ηh为扶手带传动效率，取0.9；ηhc为扶手驱动链的传动效率，取0.96。

按照以上两个功率计算公式，在不同提升高度下，空载时扶手带系统消耗功率占比结果如表2 所示。从表中可以看出，空载的时候，扶手系统消耗功率占到了总消耗功率的63%，超过了梯路系统消耗功率。

表2 空载时扶手带系统消耗功率占比

为了更好地指导设计，下面分析将扶手带运行轨迹在不同位置摩擦因数分别降低50%的情况下，哪个摩擦因数对于扶手带系统消耗功率所占百分比影响大。用敏感度系数这个指标来进行评价，结果如表3所示。从表中可以看出， μn的影响最大，其次是 μp1，再次是 μp2，最后是 μ1。

表3 不同位置摩擦因数敏感度系数表

4 结束语

在对各种扶手带驱动形式进行比较，并充分了解各自的特点之后，得到以下结论：在设计商用型自动扶梯时，宜采用大摩擦轮中间驱动配C 型扶手带；在设计公交型自动扶梯且提升高度不大时，宜采用大摩擦轮中间驱动配C 型扶手带，提升高度大时，宜采用大摩擦轮龙头驱动配V 型扶手带，或者是大摩擦轮中间驱动配V型扶手带。

空载时候，扶手带系统消耗的功率约占到总消耗功率的63%；为了减少空载时扶手带系统消耗功率，在设计的时候，应该首先尽量减小回转段滚轮与扶手带之间的摩擦因数，然后是减小乘客侧直线段摩擦因数，接着是乘客侧上弧段位置摩擦因数和返回侧直线段摩擦因数，但是考虑到成本的话，优先减小回转段滚轮与扶手带之间的摩擦因数和乘客侧上弧段位置摩擦因数。