王宜藩， 唐智浩， 曹海鄰， 葉子俊， 王敏成， 王玉琳

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009）

0 引言

目前，隨著我國公共交通的快速發(fā)展，自動(dòng)扶梯的使用量越來越大，隨之而來，安全事故也出現(xiàn)了快速上升的勢(shì)頭[1]。自動(dòng)扶梯的梯級(jí)踏面和自動(dòng)人行道的踏板表面上，均具有沿運(yùn)行方向與梳齒板梳齒相嚙合的齒槽[2-3]。GB16899-2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》[4]以及TSGT7005-2012《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道》[5]，對(duì)梳齒板梳齒與踏板面齒槽的嚙合深度以及間隙均有明確要求[6]。當(dāng)有異物夾入時(shí)，梳齒板便會(huì)受到一定的擠壓力，從而產(chǎn)生退讓動(dòng)作，梳齒板向上或向后運(yùn)動(dòng)，觸動(dòng)安全電氣開關(guān)，發(fā)出信號(hào)迅速停梯，從而防止進(jìn)一步的擠夾造成人身事故[7]。這就是自動(dòng)扶梯中的梳齒板安全保護(hù)裝置。

自動(dòng)扶梯在運(yùn)行過程中，當(dāng)有異物卡在梯級(jí)與梳齒板之間，若梳齒板不能靈活動(dòng)作，就無法觸發(fā)安全電氣開關(guān)，將會(huì)引起人體更嚴(yán)重的傷害，或?qū)υO(shè)備造成損壞[8]。因此，梳齒板安全保護(hù)的可靠性是自動(dòng)扶梯出廠檢測(cè)、安裝檢查和監(jiān)督檢驗(yàn)及定期檢驗(yàn)的重要項(xiàng)目[9]。目前，國內(nèi)鮮有文獻(xiàn)介紹自動(dòng)扶梯的梳齒板安全保護(hù)檢測(cè)技術(shù)[10]。GB16899-2011要求在檢驗(yàn)過程中采用工具使梳齒板向上或向后移動(dòng)，以檢查安全開關(guān)是否動(dòng)作，但對(duì)檢測(cè)工具的具體形式并未作出規(guī)定。目前，安裝或維保人員主要向梳齒板通過撬杠施力、人為腳踹等方式來判斷梳齒板動(dòng)作是否靈活。這些方法不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)，主觀成分大，準(zhǔn)確性不足，同時(shí)容易損壞設(shè)備[10]。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，作者研發(fā)了一種自動(dòng)扶梯的梳齒板安全保護(hù)檢測(cè)裝置。

1 梳齒板安全保護(hù)簡(jiǎn)介

圖1為自動(dòng)扶梯的梳齒板與梯級(jí)照片。由于梳齒板與梯級(jí)踏面之間存在間隙，所以就有夾物的可能。當(dāng)梳齒板因夾物被頂起時(shí)，梳齒會(huì)高出梯級(jí)踏面，這種情況可能對(duì)到達(dá)此處的乘客造成人身傷害，因此當(dāng)梳齒板向上頂起時(shí)，要求能夠觸發(fā)梳齒板安全開關(guān)動(dòng)作，迫使扶梯自動(dòng)停車。另外，對(duì)于有些扶梯當(dāng)梳齒板被向后頂時(shí)也應(yīng)觸發(fā)安全開關(guān)，迫使扶梯自動(dòng)停車。

自動(dòng)停車的作用就是防止可能的傷害，或者防止梳齒板與踏板面之間已夾入如腳或手等身體部位時(shí)因踏板面移動(dòng)而造成持續(xù)性的傷害，梳齒板安全保護(hù)的設(shè)置是扶梯使用過程中對(duì)乘客的一種保護(hù)。因此，檢測(cè)梳齒板安全保護(hù)的可靠性是避免梳齒板傷人的必要環(huán)節(jié)。

2 梳齒板安全檢測(cè)裝置總體方案

自動(dòng)扶梯梳齒板安全檢測(cè)裝置的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主體部分主要包括4個(gè)模塊：觸發(fā)模塊、位移檢測(cè)模塊、嵌入式微控制系統(tǒng)模塊，以及計(jì)算機(jī)管理模塊。

其中觸發(fā)模塊包括垂直方向施力模塊、水平方向施力模塊、垂直力檢測(cè)模塊和水平力檢測(cè)模塊；位移檢測(cè)模塊包括垂直位移檢測(cè)模塊和水平位移檢測(cè)模塊。

3 梳齒板安全檢測(cè)裝置模塊設(shè)計(jì)

3.1 觸發(fā)模塊

觸發(fā)模塊的外觀結(jié)構(gòu)如圖3所示，中間部分為一楔塊總成，下部具有沿前后方向延伸的用于與扶梯踏板面齒條相配合的多個(gè)安裝槽，安裝槽內(nèi)嵌有硅膠皮，安裝槽之間為插齒，用于插入梳齒板與扶梯踏板面齒槽之間的間隙中。圖3中，楔塊總成的左右兩側(cè)各有一塊水平布置的翼板，在兩塊翼板上相對(duì)于楔塊總成對(duì)稱布置兩塊直立的推板，該推板根據(jù)需要可以垂直立起也可水平放倒，在兩側(cè)翼板前檐位置的底部各有一塊擋板。

圖1 自動(dòng)扶梯的梳齒板與梯級(jí)

圖2 梳齒板安全保護(hù)檢測(cè)裝置的組成結(jié)構(gòu)

圖3 觸發(fā)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1）垂直方向施力模塊（推板放倒）。針對(duì)垂直方向移動(dòng)的梳齒板，將圖3中觸發(fā)模塊兩側(cè)翼板上的推板放倒，然后將觸發(fā)模塊安放到圖1右側(cè)所示空間（見圖5），使得觸發(fā)模塊的齒狀底部嵌入到梯級(jí)踏面的齒槽中，并使檢測(cè)裝置的擋板抵靠在梯級(jí)側(cè)面。手動(dòng)開啟扶梯，使梯級(jí)踏面帶動(dòng)觸發(fā)模塊迎著梳齒板低速運(yùn)動(dòng)，由于梳齒板和踏板面的嚙合存在間隙，隨著踏板面的運(yùn)行，楔塊將插入間隙中，并會(huì)引起梳齒板向上移動(dòng)。當(dāng)梳齒板向上移動(dòng)達(dá)一定距離后，安全保護(hù)開關(guān)被觸發(fā)，扶梯便會(huì)自動(dòng)停車。

2）垂直力檢測(cè)模塊。圖3和圖5中組合式的楔塊總成內(nèi)含測(cè)力傳感器，傳感器的數(shù)量根據(jù)需要進(jìn)行配置[11]。當(dāng)梳齒板或其安裝板抵靠到楔塊總成時(shí)，安裝于楔塊總成內(nèi)部的壓力傳感器即可測(cè)出力的大小，并傳輸給ARM控制器[12]。

3）水平方向施力模塊（推板立起）。針對(duì)水平方向移動(dòng)的梳齒板，將圖3中觸發(fā)模塊兩側(cè)翼板上的推板豎直立起（如圖4）。手動(dòng)低速啟動(dòng)扶梯，觸發(fā)模塊迎著梳齒板運(yùn)動(dòng)，直立的推板逐漸向梳齒板或其安裝板靠近。隨著運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)，推板將推動(dòng)梳齒板或其安裝板產(chǎn)生水平位移，直至安全開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出停車指令。

4）水平力檢測(cè)模塊。在圖4中，長方體的推板內(nèi)部嵌有壓力傳感器，數(shù)量根據(jù)需要進(jìn)行配置。當(dāng)梳齒板或其安裝板抵靠到推板時(shí)，推板內(nèi)部的壓力傳感器即可測(cè)出梳齒板或其安裝板所受水平力的大小，并傳送給ARM微處理器。

圖4 直立推板使得梳齒板產(chǎn)生向右的運(yùn)動(dòng)

3.2 位移檢測(cè)模塊

采用上述的梳齒板安全保護(hù)檢測(cè)裝置配上位移傳感器可測(cè)量梳齒板的垂直位移和水平位移。如圖5所示，在梳齒板的安裝板上，根據(jù)需要安放可以發(fā)射水平光束或垂直光束的激光測(cè)距傳感器；在梳齒板的后端固定不動(dòng)的地面上，放置一個(gè)“L”形的反光屏。在檢測(cè)梳齒板安全保護(hù)裝置可靠性的過程中，觸發(fā)模塊的楔形塊或兩側(cè)推板使得梳齒板或其安裝板產(chǎn)生向上或向右的運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)方向的位移即可通過激光測(cè)距傳感器進(jìn)行捕捉，并傳送至ARM微控制器進(jìn)行處理。

3.3 嵌入式微控制系統(tǒng)模塊

圖5 梳齒板安全檢測(cè)裝置模擬圖

嵌入式微控制系統(tǒng)模塊基于ARM系列高速微處理器[12]，主要包括人-機(jī)界面管理、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算，以及數(shù)據(jù)輸出等[13]。采用高靈敏度觸摸屏管理人-機(jī)界面，微型熱敏打印機(jī)現(xiàn)場(chǎng)輸出檢測(cè)結(jié)果。

3.4 計(jì)算機(jī)管理模塊

采用USB傳輸接口實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換，開發(fā)上位機(jī)專用數(shù)據(jù)庫管理軟件，實(shí)現(xiàn)測(cè)試記錄的數(shù)據(jù)管理以及檢測(cè)結(jié)果的分析對(duì)比。

4 創(chuàng)新點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

與已有技術(shù)相比，該檢測(cè)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：1）適應(yīng)范圍寬，既可檢測(cè)自動(dòng)扶梯上、下運(yùn)動(dòng)的梳齒板，也可檢測(cè)水平移動(dòng)的梳齒板；2）不僅可以模擬異物夾入梳齒板與梯級(jí)踏面之間，以檢測(cè)梳齒板安全保護(hù)的可靠性，還可以測(cè)試梳齒板的受力大小和產(chǎn)生的位移，從而定量評(píng)價(jià)梳齒板安全保護(hù)裝置的靈活性；3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，安全可靠，安裝使用不會(huì)損壞自動(dòng)扶梯；4）操作便捷，可由一人獨(dú)立完成梳齒板安全保護(hù)檢測(cè)任務(wù)。

4.2 技術(shù)指標(biāo)

1）測(cè)梳齒板受力范圍0~5000 N，測(cè)力分辨力0.1 N，測(cè)量誤差不大于±5%；2）測(cè)梳齒板位移范圍0~100 mm，位移測(cè)量分辨力0.01 mm，測(cè)量誤差不大于±1%；3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量：64 kB；4）電源：6600 mA·h可充電鋰電池供電。

5 結(jié)語

研發(fā)了一種自動(dòng)扶梯梳齒板安全檢測(cè)裝置，該裝置可以模擬異物夾入梳齒板與踏板面之間，以檢測(cè)梳齒板安全保護(hù)的可靠性，并可測(cè)試梳齒板的受力大小和產(chǎn)生的位移。該裝置可為自動(dòng)扶梯的運(yùn)行安全提供評(píng)估依據(jù)，將給電梯的使用單位、維保單位和特種設(shè)備檢驗(yàn)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供一種必備的檢驗(yàn)、檢測(cè)儀器；可對(duì)自動(dòng)扶梯的梳齒板安全保護(hù)功能進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速的檢測(cè)和評(píng)估，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，提出整改措施，消除安全隱患。該檢測(cè)裝置的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，應(yīng)用前景廣闊。