雷敏華，曹啟章，陳 良，孔祥發(fā)

（1.廣州奧的斯電梯有限公司，廣州 510425；2.杭州萬(wàn)向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310023；3.華南理工大學(xué)，廣州 510641）

0 引言

自動(dòng)扶梯是一種帶有循環(huán)運(yùn)動(dòng)梯級(jí)，用于向上或向下傾斜運(yùn)輸乘客的固定電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備[1]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、地鐵站、高鐵站、機(jī)場(chǎng)等人流密集的場(chǎng)合。1892 年，美國(guó)人喬治·H·惠勒（George H Wheeler）發(fā)明了可與梯級(jí)同步移動(dòng)的扶手帶[2]，此后乘客在乘梯的時(shí)候握住扶手帶，使得手和身體能夠同步運(yùn)行，保持住身體的平衡，安全地乘梯。

本文將對(duì)比各種扶手帶驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，以便能夠在設(shè)計(jì)中選擇合適的形式來(lái)滿足客戶的需求和提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力；另外，自動(dòng)扶梯空載時(shí)也會(huì)消耗功率，本文將分析扶手帶系統(tǒng)空載時(shí)消耗功率占比，并在此基礎(chǔ)上給出減少扶手帶系統(tǒng)功率消耗的設(shè)計(jì)方向。

1 扶手帶系統(tǒng)組成部件

扶手帶系統(tǒng)組成部件主要包括：扶手帶、扶手帶導(dǎo)向支撐、扶手帶驅(qū)動(dòng)。

圖1 扶手帶結(jié)構(gòu)

扶手帶分為C 形扶手帶和V 形扶手帶，截面如圖1 所示，V 形扶手帶與C 形扶手帶的區(qū)別是多了V 條。面膠的材質(zhì)分為丁苯橡膠（SBR）、氯磺化聚乙烯橡膠（CSM）、聚氨酯（TPU）3種，TPU具有多種優(yōu)越性能，使得其在自動(dòng)扶梯領(lǐng)域得到了迅速應(yīng)用，目前能成熟掌握該技術(shù)的廠家僅有兩三家[3]；骨架由簾布組成；滑動(dòng)層的材質(zhì)有棉、聚酯纖維、尼龍纖維3種；中間是鋼絲，既增加扶手膠帶的強(qiáng)度，又可控制扶手膠帶的伸長(zhǎng)[4]。

扶手帶導(dǎo)向支撐起到支撐扶手帶和限制扶手帶運(yùn)動(dòng)方向的作用。在乘客側(cè)回轉(zhuǎn)位置，商用梯均采用回轉(zhuǎn)鏈，公共交通型自動(dòng)扶梯多采用惰輪，低提升高度會(huì)采用回轉(zhuǎn)鏈；乘客側(cè)上下弧段和直線段采用扶手導(dǎo)軌，公共交通型扶梯也有在上弧段和直段扶手導(dǎo)軌里面增加滾輪的設(shè)計(jì)；返回側(cè)直線段采用的形式有連續(xù)的扶手導(dǎo)軌、間斷布置的導(dǎo)靴、間斷布置的滾輪和拖輪幾種形式，上下弧段位置均采用滾輪。

扶手帶驅(qū)動(dòng)主要包括摩擦輪、傳動(dòng)裝置，就是通過(guò)扶手帶的滑動(dòng)層和摩擦輪之間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)的。

與C 形扶手帶搭配的時(shí)候，摩擦輪的包膠材料有丁晴橡膠（NBR）和聚氨酯（PU），丁晴橡膠與扶手帶間的摩擦因數(shù)比聚氨酯更高，尤其在進(jìn)行室外扶梯的扶手驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用丁晴橡膠[5]，但是聚氨酯的使用壽命會(huì)比丁晴橡膠長(zhǎng)。

傳動(dòng)裝置的作用是將外部的動(dòng)力（主驅(qū)動(dòng)或梯級(jí)鏈或齒條等）傳遞到扶手帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要形式有鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)，目前用得最多的還是鏈傳動(dòng)，動(dòng)力來(lái)自于主驅(qū)動(dòng)。

2 扶手帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形式

扶手帶驅(qū)動(dòng)形式目前主要分為大摩擦輪驅(qū)動(dòng)和直線驅(qū)動(dòng)，目前大部分公司采用前一種扶手帶驅(qū)動(dòng)方式，包括大多數(shù)歐美公司或合資公司和國(guó)內(nèi)內(nèi)資公司；采用直線驅(qū)動(dòng)的公司比較少，主要是一些與日本合資的公司[6]，總的來(lái)說(shuō)，目前的主要趨勢(shì)還是采用大摩擦輪驅(qū)動(dòng)。

大摩擦輪驅(qū)動(dòng)分為龍頭驅(qū)動(dòng)和中間驅(qū)動(dòng)兩種形式，大摩擦輪龍頭驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，大摩擦輪中間驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 扶手帶大摩擦輪龍頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 扶手帶大摩擦輪中間驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

直線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 扶手帶直線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

各種扶手帶驅(qū)動(dòng)形式的對(duì)比如表1所示。

表1 扶手帶驅(qū)動(dòng)形式對(duì)比

目前商用型自動(dòng)扶梯主要采用大摩擦輪中間驅(qū)動(dòng)和直線驅(qū)動(dòng)，公交型自動(dòng)扶梯主要采用大摩擦輪龍頭驅(qū)動(dòng)和中間驅(qū)動(dòng)。

3 空載時(shí)扶手帶系統(tǒng)消耗功率占比計(jì)算

空載的時(shí)候，整梯消耗功率主要是用于克服梯級(jí)系統(tǒng)摩擦阻力和扶手帶系統(tǒng)摩擦阻力。對(duì)于梯路系統(tǒng)而言，上行下行的系統(tǒng)摩擦阻力都是一樣的，對(duì)于扶手系統(tǒng)摩擦阻力而言，也是類似的情況。梯路系統(tǒng)和扶手帶系統(tǒng)摩擦阻力都可以采用逐點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算，上行時(shí)的點(diǎn)分布圖如圖5所示。

圖5 逐點(diǎn)法簡(jiǎn)圖

3.1 梯路系統(tǒng)總阻力以及功率計(jì)算

在以下假設(shè)下：梯級(jí)鏈為內(nèi)置滾輪梯級(jí)鏈；張緊架采用固定回環(huán)形式。梯路系統(tǒng)總摩擦阻力計(jì)算公式如下：

式中：P0s為梯路系統(tǒng)的初始張緊力；Ptc為張緊架的彈簧張緊力，取3 000 N； N 為每個(gè)梯級(jí)包含的梯級(jí)鏈節(jié)數(shù)，取3節(jié)；P 為梯級(jí)鏈的節(jié)距，取133.33 mm；Fs為梯級(jí)的重量，取130 N；Fsc為一個(gè)梯級(jí)距所包含的梯級(jí)鏈的重量，取100 N；μr為梯級(jí)鏈輪滾輪和導(dǎo)軌之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.03；Nf為水平段的梯級(jí)數(shù)量，取4。

梯路系統(tǒng)消耗功率計(jì)算如下：

式中：V 為自動(dòng)扶梯的名義速度；ηsc為梯級(jí)鏈的傳動(dòng)效率，鏈傳動(dòng)的效率，對(duì)于一般傳動(dòng)，其值約為0.94～0.96[7]，取0.94；ηmc為主驅(qū)動(dòng)鏈的傳動(dòng)效率，取0.96；ηm為主機(jī)的效率，目前大部分扶梯主機(jī)的效率都是隨負(fù)載減小而降低，且在扶梯空載時(shí)低效率尤其明顯[8]，取0.4。

3.2 扶手帶系統(tǒng)總阻力以及功率計(jì)算

在以下假設(shè)下：返回側(cè)弧段位置采用滾輪；返回側(cè)傾斜段采用連續(xù)扶手導(dǎo)軌導(dǎo)向支撐；上下平層回轉(zhuǎn)處采用滾動(dòng)軸承回轉(zhuǎn)鏈；乘客側(cè)上弧段位置扶手導(dǎo)軌中無(wú)滾輪。扶手帶系統(tǒng)摩擦阻力計(jì)算公式如下：

式中：P00h為扶手帶系統(tǒng)在最低點(diǎn)的張緊力，取150 N；P0h為扶手帶系統(tǒng)的初始張緊力；Fh為扶手帶的每米重量，取15 N/m；Lf為扶手帶在水平段的長(zhǎng)度，取3 m； μ1為返回側(cè)直線段扶手導(dǎo)軌與扶手帶之間的摩擦因數(shù)，取0.3； μ2為返回側(cè)弧段滾輪與扶手帶之間的摩擦因數(shù)，取0.04； μp1為乘客側(cè)直線段以及下弧段扶手導(dǎo)軌與扶手帶之間的摩擦因數(shù)，取0.3； μp2為乘客側(cè)上弧段扶手導(dǎo)軌與扶手帶之間的摩擦因數(shù)，取0.3； μn為回轉(zhuǎn)段滾輪與扶手帶之間的摩擦因數(shù)，取0.09。

扶手帶系統(tǒng)消耗功率計(jì)算如下：

式中：ηh為扶手帶傳動(dòng)效率，取0.9；ηhc為扶手驅(qū)動(dòng)鏈的傳動(dòng)效率，取0.96。

按照以上兩個(gè)功率計(jì)算公式，在不同提升高度下，空載時(shí)扶手帶系統(tǒng)消耗功率占比結(jié)果如表2 所示。從表中可以看出，空載的時(shí)候，扶手系統(tǒng)消耗功率占到了總消耗功率的63%，超過(guò)了梯路系統(tǒng)消耗功率。

表2 空載時(shí)扶手帶系統(tǒng)消耗功率占比

為了更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，下面分析將扶手帶運(yùn)行軌跡在不同位置摩擦因數(shù)分別降低50%的情況下，哪個(gè)摩擦因數(shù)對(duì)于扶手帶系統(tǒng)消耗功率所占百分比影響大。用敏感度系數(shù)這個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3所示。從表中可以看出， μn的影響最大，其次是 μp1，再次是 μp2，最后是 μ1。

表3 不同位置摩擦因數(shù)敏感度系數(shù)表

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)各種扶手帶驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行比較，并充分了解各自的特點(diǎn)之后，得到以下結(jié)論：在設(shè)計(jì)商用型自動(dòng)扶梯時(shí)，宜采用大摩擦輪中間驅(qū)動(dòng)配C 型扶手帶；在設(shè)計(jì)公交型自動(dòng)扶梯且提升高度不大時(shí)，宜采用大摩擦輪中間驅(qū)動(dòng)配C 型扶手帶，提升高度大時(shí)，宜采用大摩擦輪龍頭驅(qū)動(dòng)配V 型扶手帶，或者是大摩擦輪中間驅(qū)動(dòng)配V型扶手帶。

空載時(shí)候，扶手帶系統(tǒng)消耗的功率約占到總消耗功率的63%；為了減少空載時(shí)扶手帶系統(tǒng)消耗功率，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該首先盡量減小回轉(zhuǎn)段滾輪與扶手帶之間的摩擦因數(shù)，然后是減小乘客側(cè)直線段摩擦因數(shù)，接著是乘客側(cè)上弧段位置摩擦因數(shù)和返回側(cè)直線段摩擦因數(shù)，但是考慮到成本的話，優(yōu)先減小回轉(zhuǎn)段滾輪與扶手帶之間的摩擦因數(shù)和乘客側(cè)上弧段位置摩擦因數(shù)。