田倫

摘 要：鑒于地鐵自動(dòng)扶梯慣性滑行失控危害較大，本文對(duì)目前市場(chǎng)上自動(dòng)扶梯頻繁發(fā)生慣性滑行失控故障的原因進(jìn)行分析，從附加制動(dòng)器選型、防超速及防逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置安裝位置等多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供幾種防止自動(dòng)扶梯慣性滑行失控的方案，為解決地鐵自動(dòng)扶梯慣性滑行失控提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；自動(dòng)扶梯；慣性滑行失控

中圖分類號(hào)：C913.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）06-0062-03

慣性滑行失控即指自動(dòng)扶梯自運(yùn)行過程中因設(shè)備故障或其他原因?qū)е碌某龠\(yùn)行或逆轉(zhuǎn)運(yùn)行，其危害性很大，動(dòng)輒引起人員傷亡事故。近年來(lái)，自動(dòng)扶梯的慣性滑行失控事故頻發(fā)，引發(fā)了社會(huì)輿論對(duì)自動(dòng)扶梯運(yùn)行安全性的高度關(guān)注。下面是一些典型的因自動(dòng)扶梯慣性滑行失控事故：

事故1：2011年7月5日，北京地鐵4號(hào)線動(dòng)物園站A口上行自動(dòng)扶梯突然逆轉(zhuǎn)，造成1人死亡，2人重傷，26人輕傷；

事故2：2014年4月2日，上海靜安寺站7號(hào)線和2號(hào)線換乘通道中的自動(dòng)扶梯，上行過程中突然發(fā)生逆轉(zhuǎn)，造成13名乘客受傷，其中一名頸椎錯(cuò)位，傷情嚴(yán)重；

事故3：2016年2月28日，寧波某地下通道一臺(tái)上行的自動(dòng)扶梯突然逆轉(zhuǎn)，造成5人受傷。

類似上述扶梯因慣性滑行失控導(dǎo)致的事故還有很多，自動(dòng)扶梯一旦發(fā)生慣性滑行失控，容易造成下跌、滾落、擠壓、踩踏事件，乘客往往輕則受傷、重則死亡，是自動(dòng)扶梯事故中危害最大的一種。

下面將對(duì)自動(dòng)扶梯慣性滑行失控原因進(jìn)行分析，并提出幾種有效的解決措施。

1 自動(dòng)扶梯慣性滑行失控原因分析

自動(dòng)扶梯是以鏈條為牽引件，通過上部驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)鏈條傳動(dòng)，從而帶動(dòng)鏈條上的梯級(jí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸乘客的目的。當(dāng)鏈條（梯級(jí)鏈）上的牽引力丟失或改變方向時(shí)，自動(dòng)扶梯即會(huì)發(fā)生慣性滑行失控。

造成扶梯梯級(jí)鏈牽引力丟失或改變方向的原因有如下幾種：

1.1 電氣原因

（1）電網(wǎng)錯(cuò)相、斷相、失壓造成主機(jī)反轉(zhuǎn)或驅(qū)動(dòng)力不足，從而發(fā)生上行扶梯逆轉(zhuǎn)；

（2）低壓元件發(fā)生短路、斷路或安全電路、控制回路發(fā)生故障，導(dǎo)致扶梯安全功能失效，發(fā)生慣性滑行失控時(shí)不能及時(shí)制停。

1.2 機(jī)械原因

（1）聯(lián)軸器、減速箱傳動(dòng)部件損壞、驅(qū)動(dòng)鏈斷裂或脫落；

（2）梯級(jí)鏈斷裂；

（3）自動(dòng)扶梯嚴(yán)重超載；

（4）自動(dòng)扶梯運(yùn)行過程中發(fā)生故障，工作制動(dòng)器不能提供足夠驅(qū)動(dòng)力矩。

2 防止自動(dòng)扶梯慣性滑行失控的優(yōu)化設(shè)計(jì)

《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB16899-2011）對(duì)防止自動(dòng)扶梯慣性滑行失控有一系列基本措施要求，如：

（1）設(shè)置供電系統(tǒng)斷相、錯(cuò)相保護(hù)裝置；

（2）電機(jī)設(shè)置保護(hù)措施，當(dāng)過載或短路而產(chǎn)生過電流時(shí)，使扶梯停止；

（3）采用機(jī)-電式制動(dòng)器；

（4）設(shè)置制動(dòng)器閘瓦報(bào)警措施；

（5）設(shè)置附加制動(dòng)器；

（6）設(shè)置驅(qū)動(dòng)鏈破斷保護(hù)裝置；

（7）設(shè)置超速保護(hù)裝置及逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置等。

上述措施是規(guī)范對(duì)自動(dòng)扶梯的基本要求，但具體如何實(shí)現(xiàn)，規(guī)范并沒有深入要求，不同的實(shí)現(xiàn)方式結(jié)差別很大。因此下面針對(duì)其中的附加制動(dòng)器選型、超速保護(hù)裝置安裝位置、逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置安裝位置的進(jìn)行具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 附加制動(dòng)器的優(yōu)化選型

當(dāng)自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)與驅(qū)動(dòng)主軸之間傳動(dòng)鏈條斷裂、電機(jī)與減速器之間聯(lián)軸器破斷時(shí)，自動(dòng)扶梯工作制動(dòng)器就與驅(qū)動(dòng)主軸之間失去聯(lián)系，即無(wú)法停止扶梯。

應(yīng)對(duì)這種情況的辦法是，在驅(qū)動(dòng)主軸上安裝一個(gè)機(jī)械式摩擦制動(dòng)器，直接對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸實(shí)行制動(dòng)，這個(gè)制動(dòng)器即為附加制動(dòng)器。

《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB16899-2011）規(guī)定，自動(dòng)扶梯在下列任何一種情況下都應(yīng)設(shè)置附加制動(dòng)器：（1）工作制動(dòng)器與梯級(jí)、踏板或膠帶驅(qū)動(dòng)裝置之間不是用軸、齒輪、多排鏈條或者多根單排鏈條連接的；（2）工作制動(dòng)器不是符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的機(jī)-電式制動(dòng)器；（3）提升高度大于6m。

從上面可以看出，規(guī)范要求扶梯提升高度大于6m設(shè)置附加制動(dòng)器；但因地鐵扶梯是重載荷公共交通型扶梯，其安全性應(yīng)高于一般扶梯，因此對(duì)于地鐵來(lái)說，全部自動(dòng)扶梯均應(yīng)設(shè)置附加制動(dòng)器。

目前扶梯行業(yè)內(nèi)附加制動(dòng)器形式通常有3種：棘輪式附加制動(dòng)器、楔形式附加制動(dòng)器、擋塊式附加制動(dòng)器。

2.1.1 棘輪式附加制動(dòng)器

圖1是一種常見的棘輪式附加制動(dòng)器，安裝在主驅(qū)動(dòng)軸上，用壓縮彈簧與梯級(jí)鏈輪連成一體。棘輪式制動(dòng)盤活套在制動(dòng)盤上，與壓盤之間襯有摩擦片。正常情況下，棘輪與梯級(jí)鏈輪同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，電磁線圈通電，使棘爪向上轉(zhuǎn)動(dòng)楔入棘輪中，棘輪被攔停并在摩擦片作用下對(duì)梯級(jí)鏈輪施加制動(dòng)力矩，迫使扶梯自動(dòng)運(yùn)行。

由于棘輪式附加制動(dòng)器具有很多齒，只要棘爪一動(dòng)作附加制動(dòng)器就能產(chǎn)生制動(dòng)力，響應(yīng)時(shí)間快、制動(dòng)迅速，用于逆轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)，能迅速制動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生明顯的逆轉(zhuǎn)。是三種附加制動(dòng)器中最好的一種。

2.1.2 楔形式附加制動(dòng)器

圖2是一種楔形式附加制動(dòng)器示意圖，主要由楔形制動(dòng)靴、制動(dòng)盤、電磁鐵、制轉(zhuǎn)桿和彈簧組成。當(dāng)扶梯滑行失控時(shí)，安全控制系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)，切斷電磁鐵供電，在彈簧1的作用下，制傳桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，棘爪脫離止動(dòng)溝，楔形制動(dòng)靴在彈簧2的作用下，向上快速滑行，制動(dòng)靴楔入制動(dòng)盤，兩金屬表面產(chǎn)生摩擦，制動(dòng)盤被卡住并將驅(qū)動(dòng)主軸制停。

這種制動(dòng)器沒有摩擦片，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制動(dòng)響應(yīng)快。但需要保證制動(dòng)靴與制動(dòng)盤之間的位置準(zhǔn)確，在制動(dòng)過程中需要接觸良好；同時(shí)還需要注意制動(dòng)盤表面的清潔，防止油污。

鑒于北京自動(dòng)扶梯出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)導(dǎo)致人員傷亡的事情，據(jù)官方公布的事故的直接原因是由于固定零件損壞，驅(qū)動(dòng)主機(jī)發(fā)生偏移，驅(qū)動(dòng)鏈條脫落，附加制動(dòng)器未啟動(dòng)，造成扶梯下滑。該扶梯采用的附加制動(dòng)器為楔形式附加制動(dòng)器。

2.1.3 擋塊式附加制動(dòng)器

圖3是一種擋塊式附加制動(dòng)器示意圖，其工作原理與棘輪式附加制動(dòng)器相同，都具有摩擦片，不同之處是采用擋塊式制動(dòng)盤代替棘輪式制動(dòng)盤。

擋塊焊接在制動(dòng)盤上，當(dāng)安全控制系統(tǒng)檢測(cè)到相應(yīng)型號(hào)，切斷電磁鐵供電，制動(dòng)叉叉入制動(dòng)盤表明，與擋塊相碰阻止制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，在摩擦片的作用下對(duì)梯級(jí)施加制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)停梯。

擋塊式附加制動(dòng)器結(jié)構(gòu)比棘輪式簡(jiǎn)單，但是擋塊之間存在空擋，當(dāng)制動(dòng)叉已動(dòng)作還沒有碰上擋塊時(shí)，制動(dòng)器其實(shí)尚未動(dòng)作，因此往往與系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)之間存在一個(gè)時(shí)間差，當(dāng)用于逆轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)，在制動(dòng)時(shí)往往出現(xiàn)一段明顯的逆轉(zhuǎn)。

市場(chǎng)上一般扶梯采用擋塊式附加制動(dòng)器時(shí)，擋塊數(shù)量?jī)H有4塊。假設(shè)擋塊為4塊時(shí)，對(duì)自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)距離計(jì)算如下：

驅(qū)動(dòng)鏈輪半徑R=0.45m；擋塊為4塊時(shí)，極限最不利情況下（剛好經(jīng)過一個(gè)擋塊時(shí)速度為0，而此時(shí)制動(dòng)叉未碰到擋塊），驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)過90°才能停止自動(dòng)扶梯，則梯級(jí)鏈輪轉(zhuǎn)過的角度α也為90°，此時(shí)梯級(jí)鏈輪外緣轉(zhuǎn)過的距離應(yīng)為S1=2×（3.14/4）×0.45m=0.7m，即梯級(jí)會(huì)逆轉(zhuǎn)快速下滑0.7m，下滑速度已達(dá)到1.5m/s，再加上相應(yīng)時(shí)間以及附加制動(dòng)器動(dòng)作后制停又需要一定的時(shí)間，總計(jì)扶梯已經(jīng)滑行約2m（相當(dāng)于滑行5個(gè)梯級(jí)）才能停止，此時(shí)對(duì)乘客已經(jīng)造成嚴(yán)重傷害。

另外，《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB16899-2011）中規(guī)定，附加制動(dòng)器要求在梯級(jí)改變其運(yùn)動(dòng)方向時(shí)能夠使扶梯停止。

地鐵扶梯一般運(yùn)行速度為0.65m/s，對(duì)自動(dòng)扶梯運(yùn)行速度由0.65m/s減速至0的過程計(jì)算分析如下：

V為扶梯運(yùn)行速度，取初始速度V0=0.65m/s，扶梯停止時(shí)速度為V1=0。

則V0-V1=at（t為減速時(shí)間，a為扶梯加速度）

即0.65m/s=9.8m/m2×0.5×t

計(jì)算出t=0.13，即扶梯經(jīng)過0.13s時(shí)間減速至停止。

對(duì)于附加制動(dòng)器，要求其0.13s內(nèi)停止扶梯，分析如下：

梯級(jí)鏈輪半徑R根據(jù)廠家統(tǒng)計(jì)，約為400mm～500mm，取中間值450mm，即R=0.45m。

假設(shè)其在扶梯速度從0.65m/s減速為0的過程中，轉(zhuǎn)過角度為α，則：

α*R=1/2*a*t2=0.5*9.8m/s2*0.5*（0.13s）2；

計(jì)算出α=0.092，即5.3°。

根據(jù)上述計(jì)算，如果考慮如下極限情形：當(dāng)只靠附加制動(dòng)器制動(dòng)扶梯，且剛好附加制動(dòng)器轉(zhuǎn)過第一個(gè)擋塊時(shí)，如需滿足規(guī)范停止扶梯要求，需要的擋塊數(shù)量為n=360/5.3=68塊。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，理論上扶梯附加制動(dòng)器擋塊需設(shè)置68塊才能真正實(shí)現(xiàn)扶梯不逆轉(zhuǎn)。但根據(jù)現(xiàn)目前行業(yè)內(nèi)廠家產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研及分析，這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，主要受制于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。因此，在滿足廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求的前提下，扶梯附加制動(dòng)器擋塊數(shù)量越多越好，建議不低于8～12塊。

2.1.4 結(jié)論

從以上比較可以看出，三種附加制動(dòng)器中，楔形式附加制動(dòng)器由于對(duì)安裝維保的要求高，且已經(jīng)出過安全事故，目前各大廠家已不再使用該型式制動(dòng)器。因此建議地鐵扶梯優(yōu)先采用棘輪式附加制動(dòng)器；當(dāng)采用擋塊式附加制動(dòng)器時(shí)，擋塊數(shù)量不得低于8～12塊。

2.2 超速保護(hù)裝置安裝位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB16899-2011）規(guī)定，自動(dòng)扶梯如果發(fā)生超速，應(yīng)在其速度超過名義速度1.15倍之前使自動(dòng)扶梯停止。超速只發(fā)生在下行扶梯。自動(dòng)扶梯超速保護(hù)裝置常見的有電子式和機(jī)械式。

2.2.1 電子式超速保護(hù)裝置

電子式超速保護(hù)裝置通常是在自動(dòng)扶梯制動(dòng)輪同軸上裝設(shè)飛輪，飛輪內(nèi)設(shè)磁塊，另有脈沖接收器安裝在底架下，與安全電路相連。當(dāng)飛輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向變化時(shí)，可傳遞不同的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)速度監(jiān)控，從而引發(fā)制動(dòng)器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)停梯。

2.2.2 機(jī)械式超速保護(hù)裝置

機(jī)械式超速保護(hù)裝置一般采用離心結(jié)構(gòu)，一般安裝在電動(dòng)機(jī)與減速箱的聯(lián)軸器位置，其可靠性要高于電子式，但沒有欠速保護(hù)功能。

2.2.3 速度監(jiān)測(cè)裝置的安裝位置

無(wú)論電子式還是機(jī)械式超速保護(hù)裝置，一般都是安裝在電機(jī)主軸上，通過監(jiān)控電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)向是否發(fā)生非正常的變化，間接地監(jiān)控自動(dòng)扶梯運(yùn)行速度狀況。

然而，從電機(jī)監(jiān)控點(diǎn)到梯級(jí)，需要經(jīng)過多個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié)，包括電機(jī)與減速箱之間聯(lián)軸器、減速箱內(nèi)傳動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)主機(jī)輸出鏈輪、主驅(qū)動(dòng)鏈等。即便這些傳動(dòng)元件安全系數(shù)都按照不小于8設(shè)計(jì)，但歷史上因?yàn)楦鞣N意外原因，這些傳動(dòng)元件都有失效損壞的案例。

因此對(duì)速度監(jiān)控裝置位置的設(shè)定，應(yīng)設(shè)置在盡可能靠近乘客站立其上的運(yùn)動(dòng)梯路端，最好的方式是直接對(duì)梯級(jí)鏈驅(qū)動(dòng)主軸、扶手帶驅(qū)動(dòng)主軸的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行測(cè)量，或者直接對(duì)梯級(jí)運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量的方式確定扶梯的實(shí)際運(yùn)行速度。不能僅以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速或減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速等進(jìn)行換算確定扶梯運(yùn)行速度。

2.3 逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的安裝位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置和超速保護(hù)裝置一樣，有電子式和機(jī)械式兩種。不同的是自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)只發(fā)生在上行，在逆轉(zhuǎn)前必然是先減速，在速度降到名義速度20%時(shí)，保護(hù)裝置觸發(fā)安全電路，使自動(dòng)扶梯制動(dòng)器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)停梯。但如果是驅(qū)動(dòng)主機(jī)的聯(lián)軸器發(fā)生故障，則通過電機(jī)飛輪慣性的防逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置則無(wú)法判斷聯(lián)軸器故障而導(dǎo)致的逆轉(zhuǎn)情況，因此逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置速度監(jiān)控裝置的安裝位置和超速保護(hù)裝置一樣，即應(yīng)設(shè)置在盡可能靠近乘客站立其上的運(yùn)動(dòng)梯路端，最好的方式是直接對(duì)梯級(jí)鏈驅(qū)動(dòng)主軸、扶手帶驅(qū)動(dòng)主軸（如有）的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行測(cè)量，或者直接對(duì)梯級(jí)運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量的方式確定扶梯的實(shí)際運(yùn)行速度。不能僅以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速或減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速等進(jìn)行換算確定扶梯運(yùn)行速度。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵不同于一般公共場(chǎng)所，每天其客流量都很龐大，自動(dòng)扶梯作為運(yùn)輸乘客進(jìn)出車站的主要設(shè)備，應(yīng)具有很高的安全性和可靠性。

在地鐵重載型自動(dòng)扶梯設(shè)計(jì)選型過程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮防止扶梯發(fā)生慣性滑行失控。附加制動(dòng)器優(yōu)先選擇棘輪式附加制動(dòng)器，當(dāng)采用擋塊式附加制動(dòng)器時(shí)，擋塊數(shù)量不得低于8～12塊；超速及逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置安裝位置應(yīng)設(shè)置在盡可能靠近乘客站立其上的運(yùn)動(dòng)梯路端最好的方式是直接對(duì)梯級(jí)鏈驅(qū)動(dòng)主軸、扶手帶驅(qū)動(dòng)主軸的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行測(cè)量，或者直接對(duì)梯級(jí)運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量的方式確定扶梯的實(shí)際運(yùn)行速度，不能僅以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速或減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速等進(jìn)行換算確定扶梯運(yùn)行速度。

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