检测装置对自动扶梯的梳齿板动作有限元分析*

封高歌，张延斌，甘 斌，梁 骁，施鸿均，张立强

（1.上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200026；2.上海工程技术大学，上海 201600）

0 引言

自动扶梯和自动人行道梳齿板安全保护装置是特种设备安全系统中重要的组成部分，自动扶梯∕自动人行道在使用中发现，当有异物卡在梯级踏面与梳齿板之间时,若梳齿板不能灵活动作,就无法触发梳齿板安全停车开关，将有可能损坏设备甚至伤人[1]。近年故国内外接连发生多起因异物夹入自动扶梯梳齿板与梯级之间而导致的设备本体损坏事件和人员伤亡事故[2]。GB 16899-20115.7.3.2.6规定如果有卡入异物后，梳齿板与梯级或踏板发生碰撞时，自动扶梯和自动人行道应自动停止运行。但由于GB 16899-2011[3]和TSGT7005-2012[4]并未对此提出技术规定和试验要求，一定程度上给制造厂家空余较大可操作空间，有的仅设置前后或上下移动方向的单个方向电气开关，有的同时设置垂直-水平两个方向的电气开关，且触发力大小的设置也各自不同。设备的经营者给自动扶梯增加一些安全防护措施以及检测单位的提前预防性检查来提高自动扶梯的安全使用很有必要[5]。所以研究设计一种可以测量梳齿板水平以及垂直触发力的大小的、可靠的自动扶梯和自动人行道梳齿板动作开关安全检测装置至关重要。

1 自动扶梯梳齿板保护检测装置的基本结构

自梳齿板保护装置的检验在检规中提到了两点：一是工具；二是动作方向，但未对动作点（力的大小、位移的大小）做出明确的说明[6]。研究设计一种可靠的自动扶梯和自动人行道梳齿板开关的安全检测装置，而且可以测量梳齿板水平以及垂直触发力的大小至关重要。

1.1 新装置技术经济优势

现行测试方式不仅需要很多人力和物力，耗费的时间也较长，会造成在平时的维护保养过程中只测试梳齿板保护装置电气开关的有效性，不测试该装置机械动作有效性的结果。在使用过程中，如果机械部分发生卡阻，电气开关将无法被动作，一旦发生紧急情况（如梯级碰撞、小孩手被夹等）[7-10]，自动扶梯或人行道将不会及时停止运行，从而造成更加严重的后果与现有的梳齿板安全开关检测装置相比，新研究设计的优越功效目标是：（1）结构设计通用性强，易于安装制造，设备接口预留可与手持机显示器或电脑相连；（2）可实现检测梳齿板安全开关动作的功能，提高电梯检测的工作效率和机器的智能性；（3）解决目前梳齿板开关动作力的大小未知的问题，具有梳齿板检测可控性的优点；（4）满足需求目前市面的自动扶梯和自动人行道的功能检测，使用简单方便，具有显著性实用价值。

1.2 梳齿板保护检测装置的机构设计

根据自动扶梯梳齿板保护检测装置的整体设计思想和方案，描述系统的总体结构以及校正控制系统的流程，重点研究了各部件的动作顺序以及反馈信息形成整个闭合回路的系统机制。自动扶梯梳齿板保护检测装置关键部位的机械设计主要包括主体框架、机械螺杆水平推拉机构、垂直旋转机构、末端支撑板测力传感器系统，以及水平和垂直力传感器力反馈系统。

梯梳齿板保护检测装置是对自动扶梯和自动人行道梳齿板安全保护开关触发力检测的一种工具，其主要动作顺序是：自身定位——水平检测——垂直检测。在调研的基础上，结合现有的梳齿板保护检测装置的特点和梳齿板检测装置的市场需求、主要技术参数、确定的功能和应用范围，基于SolidWords软件平台，利用虚拟样机技术，对梯梳齿板保护检测装置进行三维参数化建模和完成虚拟样机的装配，并对模型的正确性和合理性进行基本检验，三维装配图如图1所示。

图1 检测装置结构模块三维装配图

根据梳齿板动作开关安全检测装置的动作要求和力的测试大小和方向，研究设计如图2所示的装置机构示意图，其中包括主体框架、机械螺杆推拉机构、末端测力传感器支撑板，以及水平和垂直力传感器。主体框架的外部设有两台测力显示器手持机，测力显示器通过信号线分别与设在推拉机构的末端水平测力传感器和垂直测力传感器相连。主体框架内设有机械推拉机构，推拉机构末端装有测力器支撑板，支撑板上分别装有水平和垂直两种压力测力器，推拉机构可以进行水平测力器位置的机械式水平前后移动，与梳齿板前端面接触并触发保护开关，完成整体框架的垂直移动且同时带动垂直测力器接触梳齿板下端面触发开关。

图2 总体机构设计方案

1.3 梳齿板保护检测装置动作流程

此装置的开发可以了解不同场合、不同品牌自动扶梯和人行道梳齿板触发力的数据信息，为今后技术标准的完善提供数据支撑，还可以完善现场检验手段，模拟实际触发工况，提高检验效率和准确度，使自动扶梯和人行道梳齿板保护装置检验检测更加方便、运行更加安全可靠。图3所示为梳齿板保护检测装置与梳齿板接触示意图，图4所示为动作接触部分垂直和前后局部放大前视图。

图3 梳齿板保护检测装置与梳齿板动作俯视图

图4 局部放大前视图

图5所示为检测动作系统流程，主体框架内设有机械推拉机构，推拉机构末端装有测力器支撑板，支撑板上分别装有水平和垂直两种压力测力器，推拉机构可以进行水平测力器位置的机械式水平前后移动，与梳齿板前端面接触并触发保护开关，完成整体框架的垂直移动且同时带动垂直测力器接触梳齿板下端面进行触发开关。水平前后推拉机构和垂直上下推拉机构设在装置框架内与测力传感器系统连接，测力传感器系统包括水平力传感器和垂直力传感器，水平前后推拉机构前后推拉带动水平力传感器运动实现对梳齿板的水平安全开关和力的测试，垂直上下推拉机构上下推拉带动垂直力传感器运动实现对梳齿板垂直安全开关和力的测试，装置框架底部设有用于将检测装置固定在梳齿板上的固定件。

图5 检测动作系统流程

2 有限元分析与验证

为了保证乘客上、下自动扶梯的安全，必须在自动扶梯出口普处设置梳齿前沿板，它包括前沿板、梳齿板、梳齿3个部分，其性能直接影响自动扶梯和自动人行道的安装及运行使用的安全性及稳定性。根据国家检规TSG T7005-2012《电梯监督检验和定期检验规则-自动扶梯和自动人行道》6.2项要求，梳齿板保护检验方法：拆下中间部位的梳齿板，用工具使梳齿板向后或者向上移动(或者前后、上下)，检查安全装置是否动作，自动扶梯或自动人行道能否启动。

2.1 检测装置对梳齿板的力学有限元分析

我国现行标准规范中对自动扶梯或自动人行道梳齿板的静载试验和动载试验没有给出明确规定，进行强度计算和校核仍多采用传统方法，将材料许用应力值与实际强度计算值进行对比，对保护检测装置对自动扶梯的梳齿板动作的有限元应力以计算和校核检测设备的安全性[11]，同时参照GB 16899-2011 5.3.3.2静载试验和5.3.3.3动载试验梯级踏板的要求，踏板表面不应产生大于4 mm的永久变形，以此对其挠度变形进行可靠性分析。

梳齿板的一边支撑在前沿板上，另一边作为梳齿的固定面，梳齿板以Q235钢为材料基体：弹性模量为2.1×1011N∕m2；泊松比为0.3；抗拉强度为5×108N∕m2；屈服强度为2.35×108N∕m2。用有限元分析软件中对测力计支撑板结构受力进行一系列的性能分析，主要内容包括应力强度和位移挠度的变化，以此用于验证支撑板安装在其结构性能上的可靠安全性。

我国自动扶梯制造标准对梳齿板保护装置的动作力未做要求，但美国ASME A17.1-2016自动扶梯制造标准对梳齿板垂直和水平方向动作力有不同的要求，水平方向在梳齿板任一侧施加不大于1 780 N的水平力或者在梳齿板的中心施加不大于3 560 N的水平力，垂直方向在梳齿板的前部的中心施加不大于670 N的垂直力[12]。所以在末端力传感器的选择上，确定以垂直力上限3 560 N可测、水平力上限670 N可测为标准对传感器进行选型。在孔位处添加固定几何体夹具，然后生成高品质网络划分，且进行运行计算得出有限元分析应力和位移形变结果。梳齿板加载外部条件和划分网格如图6所示，有限元特性分析结果如图7所示。

图6 梳齿板加载外部条件和划分网格

图7 支架结构有限元特性分析结果

2.2 强度与挠度分析：

经过有限元分析计算得出结果，如表1所示。

梳齿板最大静应力为53.9 MPa，扶梯材料为Q235，屈服极限为235 MPa，从文献[9]中查得静载荷的安全系数许用值为1.4~1.8，得出许用应力：[σ]=σs/[n]s=130.6 MPa＞53.9 MPa。所以强度是满足设计安全要求的。参照表1内相关最大数值，最大位移为0.016 mm，满足G16899-2011 5.3.3.3中制动试验踏面表面不应产生4 mm的永久变形的要求，所以挠度也满足安全设计要求。

表1 有限元分析结果

3 结束语

为了解决自动扶梯梳齿板保护开关是否有效，需要人工暴力性检测且无法得到有效力学数据的问题，通过分析梳齿板保护开关检测现状需求，设计一种检测装置，解决目前梳齿板开关动作力的大小未知的问题，与现有的梳齿板安全开关检测装置相比，新研究设计有明显的优越功效。建立其整体机构三维模型，重点研究了各部件的动作顺序以及反馈信息形成整个闭合回路的系统机制。对保护检测装置对自动扶梯的梳齿板动作的有限元应力以计算和校核检测设备的安全性，可实现检测梳齿板开关动作的功能，提高电梯检测的工作效率和机器的智能性。