封高歌，張延斌，甘斌，梁驍，施鴻均，張立強(qiáng)

(1. 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200026；2. 上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600)

0 引言

自動扶梯扶手的主要作用是人們在乘坐自動扶梯時手扶的一種裝置，在自動扶梯突然急停等情況下可以讓乘客抓住扶手避免摔倒。自動扶梯扶手帶高度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為0.9 ～ 1.1 m(美標(biāo)ASMS的高度為 0.9 ～ 1.0 m)。這一高度并不能完全有效防止人員的墜落，特別是在抱小孩乘坐扶梯時該風(fēng)險非常大。近年來，國內(nèi)外類似的自動扶梯高處墜落事故時有發(fā)生。當(dāng)乘客乘坐自動扶梯時如沒有遵守自動扶梯乘坐要求，一些突發(fā)、不規(guī)范的行為可能導(dǎo)致人員墜落事故的發(fā)生[1]。從風(fēng)險評價的角度分析這些典型事故，有必要對自動扶梯增加一些安全防護(hù)措施來提高自動扶梯的使用安全。除了設(shè)計、生產(chǎn)者有義務(wù)客觀地告知設(shè)備需方這一風(fēng)險，使用管理人根據(jù)使用場合應(yīng)做好宣傳標(biāo)識、相應(yīng)的防護(hù)措施之外，設(shè)備的經(jīng)營者給自動扶梯裝設(shè)永久型防墜落保護(hù)裝置很有必要[2]。這可以一勞永逸地解決自動扶梯墜落問題。

1 自動扶梯防墜落的基本結(jié)構(gòu)

防墜落措施有多種方式，常用、有效的防墜落措施設(shè)置有以下三種幾種形式：防止人員高處墜落的防護(hù)擋板、防護(hù)欄桿和攔截網(wǎng)、攔截架[1]。其中防護(hù)欄桿雖然有質(zhì)量輕對原扶梯和建筑結(jié)構(gòu)影響小及材料成本低等特點，但當(dāng)人的肢體擺動時有插入、卡進(jìn)的風(fēng)險，所以沒有達(dá)到徹底解決墜落的目的要求。攔截網(wǎng)、攔截架是對墜落發(fā)生之后進(jìn)行的有效減少傷害的裝置，其不能起到防患于未然的效果。防護(hù)擋板可以完全有效對墜落進(jìn)行防護(hù)，可以確保乘坐人員質(zhì)心傾斜時不墜落。設(shè)計防護(hù)擋板式扶梯防墜落裝置，著重從擋板的高度范圍和有效安裝兩方面進(jìn)行研究。

1.1 人因工程學(xué)角度分析防護(hù)擋板設(shè)計范圍

先分析研究防墜落裝置擋板安裝在扶梯扶手帶平面上方的何等位置上合適。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，自動扶梯墜落事件中，當(dāng)成年人抱著一名幼童乘坐扶梯時，質(zhì)心位置偏高是最容易發(fā)生扶梯墜落風(fēng)險的[3]。故擋板的高度應(yīng)該以幼童抱起質(zhì)心位置高度為參照進(jìn)行設(shè)計。計算幼童抱起質(zhì)心高度時，有幾個關(guān)于人體數(shù)據(jù)需要進(jìn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究，即：人的質(zhì)心位置、人的平均身高以及抱起幼童時的整體質(zhì)心位置計算(圖1)。

A—成年人身高；B—幼童身高；C—成年人質(zhì)心位置；D—幼童抱起質(zhì)心位置；E—上質(zhì)心高度；F—幼童質(zhì)心高度；O1—成年人質(zhì)心；O2—幼童抱起質(zhì)心。

根據(jù)中國國新辦2020年12月發(fā)布的《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告(2020年)》，18～44歲男性的平均身高為169.7cm，女性為158cm，較2015年分別增加1.2cm和0.8cm，還有不斷增高趨勢[4]。故將現(xiàn)在和未來研究數(shù)值暫定男性平均身高170cm、女性身高160cm為本文成年男女身高研究數(shù)據(jù)。站立時，人體質(zhì)心一般在身體正中面上第三骶椎上緣前方7cm處。由于性別、年齡、體型不同，人體質(zhì)心位置略有不同，一般男子質(zhì)心位置的相對高度比女子高，自然站立時，男子質(zhì)心高度大約是身高的56%。因為女子的骨盆帶較大，女子質(zhì)心大約是身高的55%。幼童的頭和軀干的質(zhì)量相對大一些，則身體質(zhì)心相對高度比成人高些。相對成人值選擇質(zhì)心0.6作為幼童身高質(zhì)心分界公式數(shù)據(jù)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計正常嬰兒出生身長為50 cm左右，6個月的身高70cm左右。傳統(tǒng)習(xí)慣和醫(yī)學(xué)建議表明嬰兒在6個月時才允許抱立。對人群調(diào)查研究表明懷抱幼童姿勢以6個月身高70cm為嬰兒的起抱身高來研究較為合理。

根據(jù)以上男女身體結(jié)構(gòu)理論數(shù)據(jù)分析，得出相應(yīng)平均值，即A[男、女]=[170、160] cm；BMin=70 cm；幼童質(zhì)心身高FMin=BMin×0.6=42 cm；推出上質(zhì)心高度EMin=BMin-FMin=28 cm，幼童抱起質(zhì)心位置D=A[男、女]-EMin=[142、132]。出于安全考慮，自動扶梯擋板需要覆蓋最高范圍質(zhì)心安全，所以得出幼童抱起質(zhì)心位置高度D的理論數(shù)值=AMax-EMin=142 cm，即取值D[142、132]最大值DMax=142 cm，從而得出防墜落裝置擋板安裝在扶梯扶手帶平面上方的142 cm以上，即擋板上表面到梯級踏面的高度最小為142 cm?？紤]安全系數(shù)問題，根據(jù)《GB 16899—2011標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，扶手帶頂面距離梯級踏面之間的垂直距離不應(yīng)<0.9 m也不應(yīng)>1.1 m，即扶梯扶手帶相對梯級踏面高度是0.9 m ～ 1.1 m。所以結(jié)合考慮到幼童抱起質(zhì)心高度將自動扶梯的安全防護(hù)高度相比原來增加52 cm。

1.2 防護(hù)擋板機(jī)構(gòu)設(shè)計

自動扶梯防墜落擋板可以有效地阻擋人員乘坐質(zhì)心不穩(wěn)導(dǎo)致的跌落危險。一方面根據(jù)人因工程學(xué)角度分析防護(hù)擋板設(shè)計高度范圍，考慮多種安全因素，選擇防墜落裝置擋板安裝在扶梯扶手帶平面上方；另一方面，檔板起始端限定在安全區(qū)域出入口處，即使人員發(fā)生危險沒有反應(yīng)過來，發(fā)生墜落也是在安全區(qū)內(nèi)[5]。

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于SolidWords軟件三維設(shè)計平臺，對自動扶梯防墜落裝置擋板進(jìn)行三維參數(shù)化建模和虛擬自動扶梯的裝配(圖2)，并對模型的正確性和合理性進(jìn)行基本檢驗。

圖2 自動扶梯防墜落裝置建模3D視圖

2 防墜落擋板的有限元分析與驗證

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對電梯轎架強(qiáng)度校核的方法、安全系數(shù)和許用應(yīng)力沒有給出明確規(guī)定，現(xiàn)有研究論文中對電梯轎架選用的安全系數(shù)等各不相同。進(jìn)行強(qiáng)度計算和校核仍多采用傳統(tǒng)方法，將材料許用應(yīng)力值與實際強(qiáng)度計算值進(jìn)行對比，以計算和校核電梯轎架的安全性[6]。同時電梯轎架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細(xì)小零部件繁多，局部連接處可能存在應(yīng)力集中。本文設(shè)計防墜落擋板安裝在扶梯桁架結(jié)構(gòu)上，通過支架和螺栓固定方式進(jìn)行連接。桁架是自動扶梯承載系統(tǒng)的重要組成部分，其承載能力是扶梯結(jié)構(gòu)安全的決定性因素之一。通過針對桁架的連接結(jié)構(gòu)及其材料研究，對防墜落裝置及桁架的力學(xué)有限元分析，得到桁架的應(yīng)力和位移的變化規(guī)律，運用自動扶梯參數(shù)化有限元分析平臺[7]驗證自動扶梯防墜落裝置的實用安全可靠性。

2.1 擋板安裝對扶梯桁架的力學(xué)有限元分析

自動扶梯的金屬骨架是個桁架結(jié)構(gòu)，桁架是支撐扶梯整體結(jié)構(gòu)的核心裝置，同時也是承載自動扶梯整機(jī)質(zhì)量及外加荷載的主要承力結(jié)構(gòu)[8],其性能也直接影響自動扶梯安裝及運行的安全性及穩(wěn)定性。自動扶梯及桁架以Q235鋼為基體；其彈性模量為2.1×1011N/m2；泊松比0.3；抗拉強(qiáng)度5×108N/m2；屈服強(qiáng)度2.35×108N/m2。擋板材料選用鋼化玻璃，一方面鋼化玻璃可以滿足剛度和強(qiáng)度要求，另一方面通明玻璃在密閉空間內(nèi)給人以空間舒適感。自動扶梯金屬結(jié)構(gòu)的兩端支承在建筑中不同樓層樓板的承重結(jié)構(gòu)上。

在SolidWorksRSimulation中對桁架結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行一系列的性能分析，內(nèi)容包括：應(yīng)力強(qiáng)度、位移、應(yīng)變，以此用于驗證擋板安裝在其結(jié)構(gòu)性能上的可靠性。

根據(jù)單側(cè)玻璃的體積和密度計算出單側(cè)擋板總質(zhì)量是530 kg，載荷設(shè)計量為5 194 N。按照國標(biāo)GB 16899的規(guī)定乘客載荷是自動扶梯的自身重力加上5 kN。單邊檔板通過14個螺栓接頭固定。螺母和螺栓孔的圓形邊線選擇42 mm。定義螺栓材料為合金鋼，力預(yù)載為728 N，摩擦系數(shù)是0.2，激活緊密配合方式，在裝配體中擋板和桁架之間所有接觸相面選擇無穿透的接觸條件。在桁架兩端分別添加兩個固定幾何體的夾具，分別選擇固定夾具一個加載在底端面上，另一個加載在側(cè)端面上。每個螺栓接觸曲面上應(yīng)用728 N的力，力的方向為法向向下。在圓角區(qū)域應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)控制單元大小為0.929 mm，比率為1.5。生成高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)且進(jìn)行運行計算，得出有限元分析應(yīng)力和位移形變結(jié)果如圖3-圖4、表1所示。

圖3 桁架模型圖以及加載外部條件和劃分網(wǎng)格

圖4 桁架有限元特性分析結(jié)果

表1 有限元分析表

2.2 強(qiáng)度與撓度分析

根據(jù)《扶梯安全規(guī)范》的第5.2.5條款規(guī)定[9]，按5 000 N/m2的荷載設(shè)計或?qū)嶋H檢測的最大形變量應(yīng)小于等于承力點之間長度L的1/750。對于重載型自動扶梯設(shè)計，5 000 N/m2的荷載設(shè)計或?qū)嶋H檢測的最大形變量要小于等于承力點之間長度L/1 000[10]。經(jīng)過有限元分析計算得出如下結(jié)果。

2)本文桁架結(jié)構(gòu)中間段的長度為 6.9 m，如為商用型普通型扶梯，其最大位移為0.009 2 m；如為公共交通型重載扶梯，其最大位移為0.006 9 m。查閱表1內(nèi)相關(guān)最大數(shù)值都未達(dá)到最大位移值撓度限制，所以撓度也滿足安全設(shè)計要求。

本文對自動扶梯防墜落擋板模型有限元應(yīng)力特性分析結(jié)果表明：根據(jù)《扶梯安全規(guī)范》，此扶梯桁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度都能達(dá)到市面上同類型自動扶梯的制造條件。

3 結(jié)語

分析自動扶梯安全現(xiàn)狀問題，提出研究一種防墜落裝置的必要性,基于人因工程學(xué)和虛擬樣機(jī)技術(shù)對自動扶梯防墜落的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立其整體機(jī)構(gòu)三維模型。通過有限元法對自動扶梯防墜落擋板裝置的分析，得出桁架的有限元分析應(yīng)力和撓度位移形變結(jié)果，按照桁架的安全設(shè)計規(guī)范及其材料特性進(jìn)行比較和驗證，確定了方案的安全合理和有效性。