摘" 要：自動(dòng)扶梯作為垂直方向上乘客的運(yùn)輸工具，是安全度要求很高的特種設(shè)備，梯級(jí)作為乘客站立和移動(dòng)的主要部位，其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到乘客的安全。梯級(jí)故障發(fā)生的原因具備多樣性，結(jié)合規(guī)范要求及研究分析自動(dòng)扶梯運(yùn)行過(guò)程中的梯級(jí)損壞故障及梯級(jí)安全事件，針對(duì)不同場(chǎng)景下的故障機(jī)理，從梯級(jí)自身技術(shù)參數(shù)指標(biāo)、梯級(jí)配套部件等方面研究相應(yīng)的技術(shù)方案提升自動(dòng)扶梯梯級(jí)運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；梯級(jí)；運(yùn)行安全；故障機(jī)理；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TH236" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）35-0１６７-0４

Abstract： As a vertical transportation tool for passengers， escalators are special equipment with high safety requirements. The steps are the main parts for passengers to stand and move， and their operational stability and safety are directly related to the safety of passengers. The causes of step faults are diverse. Based on regulatory requirements and research analysis， the causes of step damage faults and step safety events during the operation of escalators are studied. In response to the fault mechanisms in different scenarios， corresponding technical solutions are researched from the aspects of step technical parameters， step supporting components， etc. to improve the safety of escalator step operation.

Keywords： escalator; step; operational safety; fault mechanism; structural strength

自動(dòng)扶梯作為垂直方向上乘客的主要運(yùn)輸工具，被廣泛應(yīng)用于地鐵站、商場(chǎng)等場(chǎng)所，能夠給人們的出行帶來(lái)便利[1]。梯級(jí)作為乘客站立和移動(dòng)的主要部位，其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系乘客的安全，梯級(jí)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂失效，可能引發(fā)乘客摔倒、恐慌，甚至引發(fā)踩踏事件等事故，嚴(yán)重危害到乘客的人身安全[2]。自動(dòng)扶梯根據(jù)能力和適用場(chǎng)所可分為普通型自動(dòng)扶梯、公共交通型自動(dòng)扶梯、重載型自動(dòng)扶梯[3]。重載型自動(dòng)扶梯的客流承載能力大，工作壽命長(zhǎng)，適用于復(fù)雜的使用環(huán)境，主要用于地鐵車站中[4-6]，因此重載型自動(dòng)扶梯有著更細(xì)致、嚴(yán)格的技術(shù)要求。通過(guò)對(duì)梯級(jí)運(yùn)行過(guò)程中的故障損壞原因分析，結(jié)合重載型自動(dòng)扶梯在梯級(jí)運(yùn)行安全上有更嚴(yán)格的要求和設(shè)計(jì)，提出自動(dòng)扶梯提升梯級(jí)運(yùn)行安全的方案。

1 自動(dòng)扶梯梯級(jí)故障機(jī)理分析

1.1 梯級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

梯級(jí)從結(jié)構(gòu)上主要包含踏面、踢板面、三角支撐架、加強(qiáng)筋和連接部位等，如圖1所示。踏面是承擔(dān)運(yùn)輸?shù)钠矫?，使用中主要受到垂直向下的力；踢板面為一個(gè)弧面，近似垂直支撐于踏面；三角支撐架位于梯級(jí)的兩個(gè)側(cè)邊，使梯級(jí)成為一個(gè)三角體提高梯級(jí)的抗扭曲性能；梯級(jí)加強(qiáng)筋是將梯級(jí)的踏面、踢板面、三角支撐架連接成一個(gè)整體，在梯級(jí)的反面支撐來(lái)自于梯級(jí)的各種載荷；連接部位主要用于梯級(jí)與梯級(jí)鏈進(jìn)行連接，依靠梯級(jí)鏈的牽引拖動(dòng)梯級(jí)移動(dòng)。梯級(jí)依靠梯級(jí)鏈滾輪及梯級(jí)滾輪4個(gè)輪子支撐在扶梯導(dǎo)軌中運(yùn)行。

1.2 梯級(jí)損壞故障及機(jī)理分析

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 16899—2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》[7]的重大危險(xiǎn)清單中明確指出：因?yàn)椴豢深A(yù)見的誤用導(dǎo)致大于規(guī)定的載荷作用在梯級(jí)上，梯級(jí)運(yùn)行期間斷裂或破裂的危險(xiǎn)，也是屬于重大危險(xiǎn)、危險(xiǎn)狀態(tài)和事件，需要采取措施消除或減小。自動(dòng)扶梯梯級(jí)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，梯級(jí)在踏面或者踢板面受到異常載荷導(dǎo)致梯級(jí)變形或者斷裂損壞的原因是多樣的，自動(dòng)扶梯設(shè)備梯級(jí)運(yùn)行安全與維修保養(yǎng)質(zhì)量有密切關(guān)系，但維保人員技術(shù)水平具有不確定性，因此本文主要通過(guò)分析自動(dòng)扶梯梯級(jí)日常故障案例及原因，為自動(dòng)扶梯結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.2.1" 梯級(jí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過(guò)低受沖擊損壞

乘客在扶梯踏面進(jìn)行跳躍給自動(dòng)扶梯梯級(jí)造成了沖擊載荷導(dǎo)致扶梯的梯級(jí)滾輪連接處發(fā)生斷裂，如圖2所示。目前現(xiàn)有的各類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于梯級(jí)的關(guān)注度基本集中于梯級(jí)踏面和踢板面正向受載時(shí)候的強(qiáng)度要求及測(cè)試。例如GB 16899—2011對(duì)于梯級(jí)踏面中部集中加載3 000 N的靜載試驗(yàn)及以500～3 000 N脈動(dòng)載荷于踏面的動(dòng)載試驗(yàn)，相對(duì)于乘客跳躍的沖擊更嚴(yán)格，因此分析該事故主要是梯級(jí)制造缺陷導(dǎo)致梯級(jí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足導(dǎo)致。

1.2.2" 梯級(jí)與梳齒嚙合處發(fā)生干涉損壞

自動(dòng)扶梯梯級(jí)在運(yùn)動(dòng)中踏面和踢板面以齒型相嚙合，在梯級(jí)進(jìn)入上下水平段時(shí)，以齒槽與梳齒板的梳齒相嚙合，這樣確保梯級(jí)在運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中都不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)縫隙。圖3為梯級(jí)運(yùn)行過(guò)程中與梳齒板的安裝位置關(guān)系，梳齒板連接支撐板保證高度，運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)樵搰Ш咸幇l(fā)生碰撞導(dǎo)致梯級(jí)損壞的事件。

自動(dòng)扶梯梯級(jí)的尺寸及梯級(jí)梳齒板的位置關(guān)系是自動(dòng)扶梯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵約定的尺寸，是保證雙方正確嚙合的重要保障，如圖4所示。為了避免扶梯梯級(jí)正面撞梳齒或發(fā)生擦齒，扶梯運(yùn)行時(shí)梯級(jí)梳齒的水平方向間隙一般為不大于2.2 mm。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，梳齒槽根部與梯級(jí)踏面齒頂面的豎直方向間隙距離不大于4 mm。因此可以看出，當(dāng)梯級(jí)與梳齒在嚙合處水平方向或者垂直方向上發(fā)生過(guò)度偏移時(shí)，梯級(jí)與梳齒板將發(fā)生干涉碰撞。

對(duì)于梯級(jí)與梳齒板水平方向干涉的問(wèn)題，部分扶梯采用裙板限位梯級(jí)，在實(shí)際使用過(guò)程中裙板限位裝置存在磨損裙板，間隙加大，梯路跑偏，水平定位未起到限位作用，梯級(jí)實(shí)際運(yùn)行中受到水平方向載荷作用時(shí)，梯級(jí)發(fā)生偏移與梳齒發(fā)生碰撞或者摩擦，導(dǎo)致撞梯級(jí)或者梯級(jí)斷齒的情況較多，因此需要更可靠的梯級(jí)水平限位裝置。

對(duì)于梯級(jí)與梳齒板豎直方向干涉的問(wèn)題，某案例為扶梯乘客在離開扶梯時(shí)，踩在梳齒板處，隨后扶梯梯級(jí)與梳齒發(fā)生碰撞。經(jīng)分析后是梳齒支撐板強(qiáng)度偏弱，當(dāng)受載時(shí)導(dǎo)致梳齒板向下變形量大于嚙合間隙，同時(shí)后續(xù)梯級(jí)與梳齒即將嚙合導(dǎo)致碰撞發(fā)生。而目前國(guó)內(nèi)的扶梯標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于梳齒支撐板的強(qiáng)度尚未提出相關(guān)要求。

1.2.3" 因異物卡入導(dǎo)致扶梯梯級(jí)損壞

當(dāng)扶梯正常運(yùn)行時(shí)，如果因異物卡入梯級(jí)受到附加載荷反作用于乘客可能會(huì)引起乘客受傷，如果因較硬的異物（如硬幣）卡入，扶梯梯級(jí)很容易發(fā)生斷裂失效，卡異物引起的阻力是梯級(jí)發(fā)生斷裂的直接原因，而梯級(jí)自身的機(jī)械強(qiáng)度不足和梳齒開關(guān)動(dòng)作失效是梯級(jí)發(fā)生連續(xù)斷裂的根本原因。

1.2.4" 梯級(jí)滾輪損壞導(dǎo)致梯級(jí)非正常運(yùn)行而損壞

自動(dòng)扶梯每個(gè)梯級(jí)中有2只梯級(jí)鏈滾輪通過(guò)軸鉸接于牽引的梯級(jí)鏈條，2只梯級(jí)滾輪直接裝在梯級(jí)撐架短軸上。梯級(jí)依靠滾輪支撐在扶梯梯路上運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾輪的質(zhì)量也是保證梯級(jí)正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件。如圖5所示，為梯級(jí)繞自動(dòng)扶梯轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)滾輪的運(yùn)行軌跡。

滾輪在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中是受到動(dòng)態(tài)變化載荷的，面向乘客可見區(qū)域梯級(jí)鏈滾輪表面主要受到梯級(jí)踏面上的乘客或物體及梯級(jí)與梯級(jí)鏈自重施加的載荷，在可見區(qū)域的轉(zhuǎn)彎處梯級(jí)滾輪還要承受梯級(jí)鏈張緊力附加的載荷，此時(shí)對(duì)滾輪的載荷最為嚴(yán)苛。在扶梯回轉(zhuǎn)區(qū)域主要為梯級(jí)與梯級(jí)鏈自重施加的載荷。在梯級(jí)鏈輪回轉(zhuǎn)區(qū)域，存在為滾輪懸空，表面不受壓力。因此滾輪在運(yùn)行中存在周期性的載荷和部分梯級(jí)在運(yùn)行過(guò)程中所受乘客或者物體載荷也是動(dòng)態(tài)變化的。同時(shí)雖然不提倡乘客在扶梯上走動(dòng)或“左行右立”等行為，但不可避免在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在以上情況。

如梯級(jí)滾輪磨損或者發(fā)生脫膠塌陷等原因同步造成的梯級(jí)塌陷，此時(shí)梯級(jí)在與梳齒板嚙合時(shí)會(huì)出現(xiàn)干涉碰撞，導(dǎo)致梯級(jí)故障事故。

2 自動(dòng)扶梯梯級(jí)提升運(yùn)行安全方案分析

2.1" 梯級(jí)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

結(jié)合前述故障分析可知，梯級(jí)的損壞一般是因?yàn)槭艿疆惓］d荷引起的斷裂失效。因此提升梯級(jí)安全性首先應(yīng)保證梯級(jí)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)的可靠性。重載型自動(dòng)扶梯在國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求、技術(shù)指標(biāo)對(duì)梯級(jí)提出了比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更高的要求，為提升梯級(jí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供了參考。相關(guān)建議測(cè)試指標(biāo)見表1。

2.2" 提升梯級(jí)與梳齒板的嚙合準(zhǔn)確度

根據(jù)前述故障分析可知，梯級(jí)與梳齒嚙合發(fā)生撞擊是梯級(jí)發(fā)生的主要故障，為了降低梯級(jí)與梳齒支撐板方向撞擊可能，需要保證梯級(jí)和梳齒在豎直和水平方向上的嚙合的準(zhǔn)確度，從而提升自動(dòng)扶梯運(yùn)行安全性。

因?yàn)镚B 16899—2011對(duì)梳齒支撐板強(qiáng)度無(wú)具體要求，如果梳齒支撐板強(qiáng)度不夠，則重物壓到梳齒下凹變形量大于梳齒板和梯級(jí)的間隙時(shí)，則后續(xù)的梯級(jí)可能會(huì)撞擊梳齒板。參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)提出在梳齒支撐板中部200 mm×300 mm的面積上施加160 kg的重力，梳齒支撐板的變形不應(yīng)導(dǎo)致板體或梳齒與梯級(jí)踏面接觸，該方案優(yōu)化了梳齒豎直方向上的變形。同時(shí)考慮梯級(jí)運(yùn)行時(shí)可能在豎直方向發(fā)生跳動(dòng)，自動(dòng)扶梯梯級(jí)鏈滾輪工作導(dǎo)軌和返回導(dǎo)軌的全程應(yīng)設(shè)置壓軌；梯級(jí)滾輪工作導(dǎo)軌在上、下轉(zhuǎn)彎段至進(jìn)入梳齒前的部分也應(yīng)設(shè)置壓軌，如圖6所示，該方案優(yōu)化了梯級(jí)豎直方向上的變形，上述方案可提升梯級(jí)與梳齒板在豎直方向上嚙合的準(zhǔn)確度，降低碰撞可能性。

對(duì)于梯級(jí)與梳齒板水平方向的嚙合問(wèn)題，針對(duì)梯級(jí)裙板限位存在裙板被磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，可設(shè)計(jì)梯級(jí)采用導(dǎo)軌限位的方式。同時(shí)除了自身的導(dǎo)軌限位外，在梯級(jí)和梳齒嚙合處增加水平導(dǎo)向，圖6可在梯級(jí)進(jìn)梳齒前的1～2個(gè)梯級(jí)的位置處設(shè)計(jì)梯級(jí)水平導(dǎo)向裝置，提升水平梯級(jí)與梳齒板在水平方向嚙合準(zhǔn)確度，降低碰撞可能性。

2.3" 提升承載梯級(jí)的滾輪安全性

梯級(jí)和梯級(jí)滾輪作為承載梯級(jí)的運(yùn)動(dòng)部件，在長(zhǎng)時(shí)間的非規(guī)則動(dòng)載荷作用下，需要有可靠的使用壽命?？煽紤]滾輪采用密封軸承，滾輪還應(yīng)帶有防塵蓋，防塵蓋與軸承之間應(yīng)注滿油脂，能有效防止沙塵侵入，室外自動(dòng)扶梯的滾輪還應(yīng)考慮防水。同時(shí)一般重載型自動(dòng)扶梯應(yīng)明確梯級(jí)鏈滾輪采用外置方式，以便滾輪大小不受梯級(jí)鏈限制，對(duì)滾輪的直徑、寬度等做出一定限制來(lái)確保滾輪的承載能力。同時(shí)為了在最嚴(yán)苛受力的轉(zhuǎn)彎部位降低梯級(jí)鏈滾輪承受的載荷，可在上部轉(zhuǎn)彎部設(shè)置梯級(jí)鏈的卸載導(dǎo)軌，降低滾輪在此處的受力，提升承載梯級(jí)的滾輪安全性。

2.4" 明確梳齒開關(guān)動(dòng)作力，確保梯級(jí)與梳齒碰撞時(shí)，開關(guān)響應(yīng)快速安全停梯

當(dāng)梯級(jí)和梳齒板不可避免發(fā)生撞擊損壞時(shí)，除了依靠梯級(jí)自身強(qiáng)度外，還應(yīng)有可靠的安全開關(guān)確保自動(dòng)扶梯停梯，避免大量梯級(jí)源源不斷撞擊梳齒處的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。例如在梯級(jí)不能正常通過(guò)梳齒支撐板時(shí)，梳齒支撐板在水平方向和垂直方向的移動(dòng)應(yīng)能使自動(dòng)扶梯停止運(yùn)動(dòng)，在梳齒支撐板后部的左右兩側(cè)，每側(cè)各有水平方向動(dòng)作開關(guān)和垂直方向動(dòng)作開關(guān)一個(gè)，每個(gè)開關(guān)應(yīng)有單獨(dú)的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 16899—2021對(duì)梳齒板開關(guān)動(dòng)作力沒(méi)有量化要求，部分產(chǎn)品需要非常大的動(dòng)作力才能觸發(fā)開關(guān)動(dòng)作，經(jīng)常撞8～10個(gè)梯級(jí)才停梯，但設(shè)置動(dòng)作力過(guò)小造成頻繁停梯固然也不合理，因此根據(jù)調(diào)研自動(dòng)扶梯運(yùn)營(yíng)方經(jīng)驗(yàn)值，梳齒支撐板安全開關(guān)水平力不大于1 500 N，垂直力不大于200～300 N，為較合適的指標(biāo)。

3" 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)扶梯梯級(jí)作為直接面向乘客的運(yùn)動(dòng)部件，提升其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性是有必要的。結(jié)合自動(dòng)扶梯梯級(jí)運(yùn)營(yíng)實(shí)際使用情況，從梯級(jí)自身及配套的梳齒板、滾輪等部件出發(fā)分析了自動(dòng)扶梯梯級(jí)損壞故障機(jī)理，結(jié)合故障發(fā)生原因，對(duì)自動(dòng)扶梯梯級(jí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、梳齒支撐板強(qiáng)度、梯級(jí)與梳齒板嚙合導(dǎo)向裝置、滾輪、梳齒板動(dòng)作開關(guān)等部件提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。以此提升自動(dòng)扶梯梯級(jí)運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 畢曉林.自動(dòng)扶梯常見故障的分類及其原因分析[J].中國(guó)電梯，2024，35（7）：78-80.

[2] 任發(fā)才，梁驍，吳興華.鋁合金自動(dòng)扶梯梯級(jí)斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2019，44（S1）：286-289.

[3] 史信芳，蔣慶東，李春雷，等.自動(dòng)扶梯[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4] 饒美婉.地鐵設(shè)計(jì)中的公共交通型重載自動(dòng)扶梯[J].都市快軌交通，2008（5）：74-78.

[5] 史信芳.重載型自動(dòng)扶梯的基本技術(shù)概念[J].中國(guó)電梯，2019，30（17）：6-9，28.

[6] 翁浩.公共交通重載型自動(dòng)扶梯在地鐵中的運(yùn)用分析[J].中國(guó)機(jī)械，2023（13）：83-87.

[7] 自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范：GB 16899—2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.