一种自动扶梯逆转保护装置的设计*

2023-09-02苏玉江

起重运输机械 2023年15期

苏玉江

北京市东城区特种设备检验检测所北京 100062

0 引言

自动扶梯作为一种重要的交通运输工具，主要应用于商场、医院、交通枢纽等人员密集场所。自动扶梯为市民的出行带来了诸多便利，但同时也会发生安全事故。近些年来，由于自动扶梯在运行时发生逆转造成的事故时有发生。2010 年，深圳某扶梯主驱动链脱落，造成扶梯下滑，致使25 名乘客受伤[1]；2011 年，上海某自动扶梯主驱动链断裂，造成扶梯逆转；2011 年，北京某自动扶梯驱动主机发生位移，主驱动链脱落，扶梯逆转下滑，造成1 人死亡，30 人受伤；2017 年，香港某自动扶梯主驱动链断裂、保护装置失效，扶梯发生逆转倒溜，造成18 人受伤[2，3]。近期，北京某医院一部自动扶梯主驱动链断链发生断裂，造成梯级倒溜，所幸事故发生时乘梯人数较少，乘客及时退出，未造成人员伤害。由前述事故案例可见，未安装附加制动器和机械式断链保护装置的自动扶梯（以下简称未安装断链保护装置的扶梯）确实存在安全风险。

据统计，北京市东城区在用扶梯约1 600 台，未安装断链保护装置的约330 台，占比约20%。北京市在用扶梯约20 000 台，依照上述比例计算，未安装断链保护装置的约为4 000 台，即北京市自动扶梯存在4 000个安全风险点，值得高度重视。因此，对未安装断链保护装置的在用自动扶梯，加装保护装置以减少和避免逆转事故的发生是一个迫切需要解决的课题。

1 自动扶梯发生逆转的原因和危害

自动扶梯的逆转分为向下逆转和向上逆转，向下逆转是指扶梯在上行过程中由于故障原因，造成扶梯转而向下运行；反之为向上逆转。扶梯向上逆转的情况较少发生，大多数都是危害较大的向下逆转。从以往的事故看，向下逆转主要是由于其主驱动链断链或失效造成的，故本文仅讨论由于主驱动链断链造成的向下逆转。

自动扶梯存在3 个循环运行的机构，包括驱动主机循环运行、梯级循环运行和扶手带循环运行（见图1）。驱动主机将动力通过主驱动链持续传递给牵引链轮，再依次通过梯级链传递给梯级和扶手装置，使梯级和扶手带同步循环运行。驱动主机和牵引链轮之间通过主驱动链连接（见图2）。通常情况下，电动机制停即可使梯级和扶手带制停，但在主驱动链断裂或脱落的情况下，驱动主机与梯级的连接断开，驱动主机的制动力无法作用于梯级，就会造成梯级在载荷作用下逆转倒溜。

图1 自动扶梯结构

图2 主机驱动原理

自动扶梯的逆转保护装置一般有附加制动器和机械式断链保护装置2 种。对于提升高度大于6 m 的自动扶梯和公共交通型自动扶梯，依据GB 16899—2011《自动扶梯的自动人行道的制造和安装规范》（以下简称规范）要求应配置附加制动器［4］。图3 是一种较为常用的盘式附加制动器，在需要制动时，电磁铁带动连杆使摩擦组件（制动盘和摩擦片）压紧制动轮实现制动。安装了附加制动器的自动扶梯，通常情况下可以有效防止在主驱动链断链时发生扶梯逆转倒溜。

图3 盘式附加制动器

对于提升高度不大于6 m 的自动扶梯和非公共交通型自动扶梯，厂家配置了附加制动器作为逆转保护装置或机械式断链保护装置，一般采用打杆式断链保护装置，如图4 所示。当驱动链（主驱动连链）断链时，重锤由于重力作用下落带动连杆转动，使棘爪卡入制动轮的棘轮内，从而制动梯级链轮和梯级。

图4 打杆式断链保护装置

但由于扶梯制造厂家对国标理解的差异，对于提升高度不大于6 m 的自动扶梯和非公共交通型自动扶梯并未安装附加制动器，也未安装机械式断链保护装置。其原因有2 个：1）国标GB 16899—2011《自动扶梯的自动人行道的制造和安装规范》对主驱动链断链保护未做明确要求。2）规范5.4.2.3.2 要求：自动扶梯应设置1个装置，使其在梯级、踏板或胶带改变规定运行方向时自动停止运行。但此处的自动停止运行未明确是梯级停止运行还是主机停止运行。因此，有些制造厂家只设置了在主驱动链断链时使主机制停的电气保护装置，而未设置使梯级一并制停的机械保护装置。导致在主驱动链断链时，梯级会脱离主机的控制，在载荷和自重的作用下发生逆转倒溜。

逆转保护功能一般需要安装附加制动器和机械式断链保护装置来实现，但是对于已经安装完成并投入使用的自动扶梯，由于其内部空间非常紧凑，后期加装保护装置存在较大困难。若加装附加制动器，通常需要安装于上机房，但无论是盘式附加制动器、鼓式附加制动器还是棘轮、棘爪式附加制动器，其结构都很复杂，上机房空间狭小，安装如此复杂的装置几乎是不可能的。如果加装机械式断链保护装置就需要在驱动主轴上加装带有棘轮的制动盘，还需要加装重锤、连杆和棘爪等部件，难度也非常大[5-7]。

2 一种基于制停梯级的逆转保护装置研制

2.1 设计思路

在加装附加制动器或机械式断链保护装置难度较大的情况下，考虑是否可以采用其他方式防止扶梯在主驱动链断链时发生逆转倒溜。逆转保护最终是要实现制停梯级，只要梯级被制停，扶梯就不会倒溜。经过长时间的现场勘查和思考，本文提出一种结构简单、易于安装的逆转保护装置。本保护装置安装于扶梯的下机房，可以作用在梯级的踏面上，在扶梯发生逆转倒溜时，可以对梯级进行制动。

2.2 基本结构

图5 是保护装置的结构图。装置全长约200 mm，体积小巧。偏心滚轮初期设计直径为50 mm，偏心距为4 mm，设计厚度50 mm（设计尺寸可根据不同扶梯的现场情况适当调整）。选用偏心滚轮是因为其在具有滚动性的同时也具有加紧性。当保护装置安装后，偏心滚轮会和梯级踏面接触，在扶梯上行时利用其滚动性可以避免阻碍扶梯运行；但在扶梯逆转下行时，利用其加紧性可制停梯级。由于偏心滚轮在扶梯逆转时会与梯级踏面产生摩擦，所以采用偏心滚轮包裹摩擦橡胶后，可增加对梯级的摩擦力，并可尽量减小偏心滚轮与梯级碰撞时造成的磨损。定位弹簧上部与偏心滚轮连接，下部与底座连接，可避免偏心滚轮被上行的梯级撞击发生向左反转而离开工作位置。定位弹簧与底座间采用勾挂方式连接便于安装和拆除。在扶梯日常维修或使用单位需要定期转换扶梯运行方向时，可以将弹簧挂钩拆除，将偏心滚轮移出工作区域而不影响扶梯换向。保护装置底座用来和扶梯行架固定。固定螺栓与底座之间的固定孔采用长孔设计，可适当调节保护装置与梯级踏面的距离。2 根可调节螺杆和内螺纹套筒组成金属连杆。金属连杆的长度可通过螺杆进行调整，以调节偏心滚轮与梯级的距离。金属支撑件设置在金属连杆下部，支撑件有2 个作用：1）使金属连杆保持向上约45°的倾角，使偏心滚轮在梯级上行时可以随梯级运行向上摆动，不对梯级踏面造成挤压；2）在梯级逆转倒溜时对金属连杆给予足够的支撑力，保证偏心滚轮与梯级踏面压实，从而产生足够的摩擦力并自锁。金属固定铰链用来连接金属连杆和底座，在梯级上行碰撞偏心滚轮时，可使连杆有一定程度向上的摆动，不对梯级造成挤压。

图5 保护装置结构图

2.3 安装位置

图6 是扶梯下机房的侧视图，图中序号1 和序号2 是2 个连续的梯级，序号3 和序号4 分别为安装在梯级上的梯级轮，梯级依靠梯级轮沿梯级轨道运行。图中6 指示位置为梯级踏面，梯级踏面上下2 个端点位置如图中序号7 和序号8 所示。2 个端点在下机房运行轨迹分别为弧线序号9 和序号10 所示。保护装置安装位置在下机房梯级回转区域下部图示位置。选择在下机房安装是因为和上机房相比，下机房没有驱动主机、控制柜等设备，空间较大、便于操作，且可以尽量减少扶梯需要维修时对维修人员的影响。保护装置安装时可根据现场情况，采用适当的方式与扶梯行架固定，固定后偏心滚轮应基本垂直于梯级踏面。偏心滚轮的位置可以通过金属连杆的可调节螺栓进行调整，使其尽量靠近梯级踏面，调整其位置应该在弧形序号9 的内测，但不能超过弧形序号10。如果偏心滚轮至梯级踏面距离过远触碰不到梯级踏面，在扶梯逆转时就不会对梯级产生摩擦，安全装置将不起作用；如果过近，滚轮超过了弧形序号10，梯级在逆转时，梯级踏面的端点序号8 会与滚轮碰撞，对梯级造成损伤。考虑到各厂家扶梯型号的设计差异，保护装置的底座固定采用长孔设计，可以对安装位置进行初步调整，再由金属连杆的可调节螺杆对滚轮至梯级踏面的距离进行细致调整，最大程度满足不同工况的需要。

图6 自动扶梯下机房侧视图

2.4 工作原理

如图6 中方向箭头所示，当扶梯上行时梯级沿顺时针方向旋转，当扶梯下行时梯级沿逆时针方向旋转。图6 中弧线序号9 和弧形序号10 是梯级踏面2 个端点的运行轨迹，偏心滚轮安装于弧线序号9 和弧形序号10之间。

当扶梯上行时，梯级踏面会依次触碰偏心滚轮，由于偏心滚轮和金属连杆有向上的倾角，且金属连杆采用铰链和底座固定，所以偏心滚轮在触碰梯级会向上抬起，滚轮也会随着和梯级的摩擦而转动，不会对梯级运行造成阻碍。同时定位弹簧对滚轮保持一个向下的拉力，使偏心滚轮不会向左反转而离开工作区域。

如果扶梯主驱动链断链发生逆转倒溜，梯级会逆时针向下翻转压住偏心滚轮。由于金属支撑件的作用，金属连杆和偏心滚轮始终保持约45°上扬角度不下垂。随着梯级向下转动，梯级踏面对偏心滚轮产生压力，且压力会逐渐增加，随着压力增加滚轮表面和梯级踏面之间的摩擦力也会逐渐增加，摩擦力对梯级有制停作用。由于偏心滚轮具有自锁性，所以在滚轮转动时，对梯级的摩擦力会随着滚轮的旋转逐渐加大产生自锁，从而使梯级最终制停。