姚鑫

摘 要：本文討論了自動(dòng)人行道機(jī)艙蓋板在使用環(huán)節(jié)上的裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)，重點(diǎn)考慮了使用壽命和維護(hù)保養(yǎng)的簡(jiǎn)易性，選取了結(jié)構(gòu)合理、成本優(yōu)化、使用壽命長(zhǎng)的蓋板氣動(dòng)開啟與支撐方案，通過PROE三維軟件建模計(jì)算和二維CAD圖紙的設(shè)計(jì)，輔以關(guān)鍵零部件氣彈簧的推理計(jì)算，最終產(chǎn)品符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)構(gòu)和裝備簡(jiǎn)易明了，實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙蓋板保養(yǎng)時(shí)間縮短至原有時(shí)間的3/4，其安全性和耐用性都達(dá)到了良好的性能效果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)人行道;機(jī)艙蓋板;開啟裝置;氣動(dòng)支撐

1 自動(dòng)人行道簡(jiǎn)介

根據(jù)GB/T 7024-2008，GB 16899-2011對(duì)自動(dòng)人行道的術(shù)語(yǔ)定義、制造與安裝安全規(guī)范的要求，自動(dòng)人行道通常指基于帶式循環(huán)走道，用于水平或傾斜角度≤12°的電力驅(qū)動(dòng)人員輸送設(shè)備，常用于商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、車站等人流密集處。在設(shè)計(jì)時(shí)需要在自動(dòng)人行道出入口位置安裝與踏板（梯級(jí)）吻合的梳齒支撐板;梳齒支撐板后端區(qū)域?qū)儆谔ぐ逶谏?、下端部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域，需要在對(duì)應(yīng)的區(qū)域上方增加相應(yīng)的整體蓋板，即自動(dòng)人行道機(jī)艙蓋板[1]。

隨著近年來(lái)偶發(fā)機(jī)艙蓋板安全事故案例的增加，人們對(duì)機(jī)艙蓋板的安全性愈發(fā)重視，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)于蓋板檢修和設(shè)計(jì)功能要求都有著明確的規(guī)定，如蓋板的縱深寬度需要≥0.85m，只能通過專用的檢修鑰匙開啟，附加緊急開關(guān)等監(jiān)測(cè)裝置。出于對(duì)安全性能的考慮，對(duì)機(jī)艙蓋板做好日常的維護(hù)和保養(yǎng)是提高其安全性能和耐久性能的保障手段[2]。

由于白天自動(dòng)人行道服務(wù)人流量大，自動(dòng)人行道的檢修維護(hù)和保養(yǎng)工作只能在夜晚進(jìn)行，受限于現(xiàn)場(chǎng)建筑物結(jié)構(gòu)、空間余量和使用環(huán)境等因素，保養(yǎng)過程中通常無(wú)法滿足零部件操作、搬運(yùn)和放置，且整梯大部分的零部件保養(yǎng)更換都需要從這個(gè)機(jī)艙蓋板位置進(jìn)入，對(duì)于操作安全也帶來(lái)了較大的隱患。因此，開發(fā)一種具有能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)人行道上、下部機(jī)艙蓋板自動(dòng)打開和支撐的整體裝置顯得尤為必要。

從使用功能和安裝便利性上而言，該裝置需要滿足自動(dòng)開啟和開啟后的長(zhǎng)久支撐兩項(xiàng)功能。因此，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)兩種功能的實(shí)現(xiàn)是采用兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)裝置還是利用同一套機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，對(duì)后期安裝、維護(hù)和保養(yǎng)的操作便利性以及機(jī)械耐久性都具有明顯的影響。

現(xiàn)重點(diǎn)討論自動(dòng)人行道機(jī)艙蓋板自動(dòng)開啟、自動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵零部件的選取、計(jì)算設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)安裝。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

從整體機(jī)艙蓋板的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，需要考慮的重要技術(shù)點(diǎn)包括整體的結(jié)構(gòu)規(guī)劃和剩余空間計(jì)算，自動(dòng)開啟功能傳動(dòng)方案的選取，自動(dòng)支撐的方案實(shí)現(xiàn)等。

2.1 蓋板結(jié)構(gòu)與剩余空間

如圖1所示的機(jī)艙蓋板結(jié)構(gòu)樣式，機(jī)艙蓋板整體為矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為1480mm×600mm×35mm，前后端厚度均勻一致，蓋板部分包括了花紋面板、結(jié)構(gòu)底板、加強(qiáng)筋等主體結(jié)構(gòu)、及配套的螺栓緊固件等。機(jī)艙蓋板的下部剩余空間較小，借助PROE三維設(shè)計(jì)軟件內(nèi)進(jìn)行3D模型設(shè)計(jì)裝配及運(yùn)動(dòng)仿真模擬的結(jié)果，采用轉(zhuǎn)動(dòng)開啟的方案較為合理，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸點(diǎn)的位置安排決定了剩余空間的利用率。經(jīng)過機(jī)艙蓋板的結(jié)構(gòu)和剩余空間分析，輔以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)資料的查閱，制定了兩套可行的機(jī)艙蓋板自動(dòng)開啟和支撐方案。

2.2 蓋板開啟及支撐

2.2.1 機(jī)艙蓋板的開啟方案

機(jī)艙蓋板開啟方案的重點(diǎn)在于采用何種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)比提出了兩類方案：齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和氣彈簧傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

（1）基于齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

齒輪齒條結(jié)構(gòu)是具有高精度、傳遞動(dòng)力大、使用壽命長(zhǎng)、重負(fù)載不易變形、能保證恒定的傳動(dòng)比、能傳遞任意夾角兩軸運(yùn)動(dòng)以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，相對(duì)的缺陷在于對(duì)制造、安裝的精度要求較高、不適宜做長(zhǎng)距離傳動(dòng)。

綜合考慮齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本項(xiàng)目中由于不對(duì)傳動(dòng)距離有高要求，相對(duì)的安裝和制造精度要求可以接受，因此得以應(yīng)用。依靠齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以使整體機(jī)艙蓋板的開啟和關(guān)閉形成一條半圓弧漸開線，該結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)依賴兩個(gè)固定點(diǎn)的協(xié)同作用。一個(gè)固定點(diǎn)起到支撐固定蓋板的作用，另一個(gè)固定點(diǎn)起到提供旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，并以機(jī)艙蓋板的寬度尺寸作為旋轉(zhuǎn)面的作用。從運(yùn)行的角度范圍來(lái)看，齒輪傳動(dòng)半圓弧漸開線結(jié)構(gòu)的實(shí)際開啟角度在80°范圍的圓弧內(nèi)，該技術(shù)在數(shù)學(xué)和機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，因此可行性較高。

考慮到安全性能，機(jī)艙蓋板的自動(dòng)開啟速度較為緩慢，對(duì)于速率的恒定性有著一定的要求，因此采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)開啟速率的恒定，且由于采用低速運(yùn)行不會(huì)造成額外的成本開銷。同時(shí)在空間利用上，齒輪齒條結(jié)構(gòu)占用空間不大，對(duì)于維護(hù)空間的擠兌較小，是理想的實(shí)施方案。

蝸輪蝸桿和坦克鏈結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)上述的功能要求，前者常被應(yīng)用于兩軸交錯(cuò)、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)功率不大或間歇工作的工況，后者能適應(yīng)較高的壓力和抗拉負(fù)荷，適用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但從結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度、成本的開銷和剩余空間的利用率等因素考慮，綜合性能表現(xiàn)不如齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

（2）氣彈簧傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

氣彈簧具備支撐、緩沖、制動(dòng)、高度調(diào)節(jié)及角度調(diào)節(jié)等多功能用途，其原理是在密閉的壓力缸內(nèi)充入惰性氣體或者油氣混合物，起到前提增壓的目的，增壓可以達(dá)到大氣壓的數(shù)十倍，利用活塞桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產(chǎn)生的壓力差對(duì)所作用在支撐桿兩端的物體進(jìn)行移動(dòng)。因此，氣彈簧適用于傳動(dòng)速率緩慢、彈性曲線為線性、動(dòng)態(tài)力變化不大、對(duì)控制要求不高的場(chǎng)景;其缺點(diǎn)在于零部件一旦受損，整個(gè)氣彈簧構(gòu)件需要整根替換。

從氣彈簧的動(dòng)力原理和特性可以發(fā)現(xiàn)，其功能完全契合機(jī)艙蓋板的需求。實(shí)施方案上，氣彈簧具有一個(gè)固定點(diǎn)連接底部或特定位置，另一個(gè)移動(dòng)支撐點(diǎn)連接機(jī)艙蓋板，利用氣壓原理緩慢推動(dòng)移動(dòng)端開啟機(jī)艙蓋板。

在開啟速度和空間利用率這兩個(gè)參數(shù)方面，氣彈簧具有結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單、組件整體性好、設(shè)計(jì)和安裝便利、占用空間較小等特點(diǎn)，氣壓原理的傳動(dòng)特性滿足機(jī)艙蓋板緩慢抬升和降下的需求，具有高度的可行性。

綜合方案（1）和方案（2）的設(shè)計(jì)難度、功能實(shí)現(xiàn)、空間占用、成本開銷和零部件替換等因素，氣彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)艙蓋板自動(dòng)開啟、關(guān)閉更有優(yōu)勢(shì)，但還需要兼容機(jī)艙蓋板的支撐方案來(lái)考慮。

2.2.2 機(jī)艙蓋板的支撐方案

（1）基于齒輪齒條的卡塊支撐方案

齒輪齒條的傳動(dòng)停止容易實(shí)現(xiàn)，采用額外物體對(duì)齒輪齒條的接觸面造成干涉，即可使得傳動(dòng)停止。因此本方案設(shè)計(jì)了小卡塊鐵件固定在所需位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪齒條的傳動(dòng)卡死。

優(yōu)缺點(diǎn)：該方案的優(yōu)勢(shì)在于卡塊卡死原理簡(jiǎn)單，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式即可實(shí)現(xiàn)，安全系數(shù)較高;缺點(diǎn)則是卡塊屬于額外引入的零部件，還需要針對(duì)它單獨(dú)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)固定方式，增加了空間占用和成本開銷。

（2）利用氣彈簧自身的支撐力

從氣彈簧的原理可以得知，只要存在內(nèi)外氣壓差，氣彈簧就能夠有穩(wěn)定的推力，氣彈簧在自身推力的作用下彈出，在沒有超額外力的干涉下不會(huì)自動(dòng)收回。

優(yōu)點(diǎn)：氣彈簧的應(yīng)用不必安裝額外的部件和設(shè)計(jì)開銷，能順延開啟方案的原理實(shí)現(xiàn)支撐方案，提供額外的外力干預(yù)可以實(shí)現(xiàn)收回功能。

綜合考慮開啟和支撐方案的實(shí)際情況，采用氣彈簧能夠高效實(shí)現(xiàn)所需功能的同時(shí)降低成本，是自動(dòng)人行道上、下部機(jī)艙蓋板使用自動(dòng)打開和支撐裝置的最佳解決方案。

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

氣彈簧方案中的最關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)是氣彈簧的推力大小設(shè)定，該值需要滿足對(duì)機(jī)艙蓋板的支撐，并保有一定的冗余量以提升安全性能。同時(shí)冗余量不能太大，要能實(shí)現(xiàn)能夠在一定的外力介入下可以安全收回。

3.1 氣彈簧推力計(jì)算

根據(jù)《JB/T 104182004 氣彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)方案和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，氣彈簧運(yùn)動(dòng)過程中的受力參數(shù)有：機(jī)艙蓋板的重力、被支撐物體的中心距離、氣彈簧與鉸鏈平行距離、使用氣彈簧數(shù)量、氣彈簧支撐力、被支撐物體的安全距離、安全系數(shù)等[3]。

重力計(jì)算：已知自動(dòng)人行道1000型機(jī)艙蓋板的質(zhì)量為m≈45kg，根據(jù)重力公式G=mg，取g為9.8m·s-2可知機(jī)艙蓋板的重力為G≈441N。

綜合考慮氣彈簧運(yùn)動(dòng)過程的其他受力和安全系數(shù)，最終得出安全的推力值為：

F=485N≈490N

最終根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和氣彈簧廠家樣冊(cè)上的產(chǎn)品參數(shù)性能的介紹，確認(rèn)了符合各方面要求的氣彈簧產(chǎn)品。

3.2 零部件設(shè)計(jì)與裝配工藝

氣彈簧機(jī)艙蓋板自動(dòng)開閉及支撐結(jié)構(gòu)所需的零部件包括上下部機(jī)艙蓋板、氣彈簧、固定組件、支撐鉸鏈及固定角鋼、滑動(dòng)桿、法蘭及固定角鋼、六角螺栓及螺母、彈簧墊圈、平墊圈和鍍鋅自噴漆等。

根據(jù)第2節(jié)確定的氣彈簧方案，在零部件的設(shè)計(jì)和裝配工藝上，采用了仿真軟件進(jìn)行模擬的方案。首先在3D建模設(shè)計(jì)軟件PROE內(nèi)進(jìn)行零部件的仿真構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的組合完善，并根據(jù)仿真的結(jié)構(gòu)生成供車間生產(chǎn)用的所有零部件和現(xiàn)場(chǎng)裝配的二維CAD圖紙。安裝部根據(jù)二維CAD圖紙?jiān)诠S樣梯上進(jìn)行高質(zhì)量的焊接和裝配，通過試制裝配和測(cè)試，通過了各項(xiàng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，最終將合格產(chǎn)品裝配至客戶現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)人行道上。

4 產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

從性能角度來(lái)看，基于氣彈簧的機(jī)艙蓋板整體開啟與支撐裝置具有開閉速度緩慢平穩(wěn)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間占用較小、維護(hù)替換方便、安全性能高等特點(diǎn)。

從成本角度來(lái)看，氣彈簧屬于整體組件，可以直接進(jìn)行選型和替換，不需要額外進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)投入和購(gòu)買投入，整體成本開銷較小。

從使用效果角度來(lái)看，該方案使得現(xiàn)場(chǎng)維保人員在維修保養(yǎng)自動(dòng)人行道時(shí)的人員安全得到了進(jìn)一步的保障，在維修保養(yǎng)時(shí)間上也比原來(lái)的方式縮短25%，提升了單梯維保效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

從機(jī)艙蓋板開閉方案、支撐方案的設(shè)計(jì)入手，結(jié)合關(guān)鍵零部件的計(jì)算和仿真手段，高度利用氣彈簧的氣壓原理對(duì)開啟和支撐的功能兼容性，以高安全性能、低成本投入的效果順利進(jìn)行了項(xiàng)目的交付，獲得了客戶的一致好評(píng)，給蓋板支撐類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可參考的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

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