鄢宇中, 張九洲, 史 熙, 胡松濤, 徐 洲

(上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240,E-mail:1226441221@sjtu.edu.cn)

隨著經(jīng)濟的增長以及科技的進步,公共領域的機電類特種設備之一的自動扶梯越來越普及。自動扶梯是由一臺特種結構形式的鏈式輸送機和兩臺特殊結構形式的帶式輸送機所組合而成,帶有循環(huán)運動梯路,用以在建筑物的不同層高間向上或向下傾斜輸送人員的固定電力驅(qū)動設備。自動扶梯主要構件有:桁架、驅(qū)動裝置、牽引鏈、張緊裝置、梯級踏板、梯級導軌、梳齒板、扶梯樓層板以及扶手[1]。

應用場合的普遍性、設備結構的特殊性,賦予評判安全性能的實驗技術以重要意義。人在特定的行走路面滑摔的隱患,已經(jīng)成為自動扶梯眾多安全隱患中不可忽視的一個問題[2]。人足部直接接觸到的平面部件是梯級踏板與扶梯樓層板,滑摔事故發(fā)生時多為行人邁入梯級踏板的瞬間加速過程、蹬離梯級踏板的瞬間減速過程以及在扶梯樓層板上的行進過程。因此,對自動扶梯梯級踏板與樓層板的防滑性能的技術研究具有重要的安全指導意義[3]。

防滑性能測試方法按照測量方式劃分,可分為現(xiàn)場測量和實驗室測量。按照測量特性劃分,可分為靜態(tài)裝置、穩(wěn)定動態(tài)裝置、臨界摩擦裝置以及鐘擺擺動裝置。按照測量原理劃分,可分為拖拽法[4-5]、鉸接撐桿法[6]、擺錘法[7]、斜坡法[8]。目前國內(nèi)外普遍認可基于標準DIN51130的斜坡法以測試自動扶梯相關部件的防滑性能[9]。斜坡法主要用于實驗室內(nèi)對新部件的防滑性能評價,如果需要對在用部件的防滑性能進行評價,則需要維保人員將尚在服役中的自動扶梯相關部件拆下送至實驗室,這加大了評估的時間與人力成本。與此同時,隨著使用時間的增長,樓層板等部件的防滑性能隨著表面材料的磨損必然發(fā)生退化,因此開發(fā)現(xiàn)場防滑性能評價方法和裝置的需求就顯得非常迫切。

本文提出了一種服役現(xiàn)場防滑性能的有效評價方法并研制了相應的測試裝置,研究內(nèi)容主要包括:

(1) 防滑性能的現(xiàn)場評價方法研究及裝置研制;

(2) DIN51130斜坡法測試角度結果與該評價方法的相關性研究;

(3) 確定不同防滑等級對應該方法測得的摩擦參數(shù)值范圍。

文中所提方法在保證現(xiàn)場測量參數(shù)與實驗室斜坡法測得結果高相關性的前提下,大大提高了評判防滑性能的效率。

1 自動扶梯相關部件的防滑性能測試及等級劃分

1.1 試驗裝置及測量方法

DIN51130標準采用斜坡法評估自動扶梯相關部件的防滑性能。試驗裝置由能夠相對于水平方向雙向旋轉(zhuǎn)的平臺主體以及為試驗人員提供安全保護的防墜落支架組成。在試驗過程中,該平臺主體能以不超過1°/s的速度穩(wěn)定地在0°到40°之間任意旋轉(zhuǎn),且以±0.2°的誤差實時顯示平臺的傾斜角度。試驗時,經(jīng)特殊訓練的測試人員穿著具有特定胎面鞋底的試驗鞋,以直立的姿態(tài)在測試樣品上來回行走,測試地面的角度逐漸增大,直到測試人員滑倒,記錄下此時的臨界角。經(jīng)過多次測量得到的臨界角的平均值,與該測試人員事先在三塊標準板上的試驗后得到的修正角度相加,得到的角度即作為防滑性能的評估依據(jù)。

1.2 基于平均可接受角度的等級劃分

根據(jù)最終修正得到的角度可以將待測樣板的防滑等級分類,修正后的平均傾斜角度在6°到10°內(nèi)時,該樣板對應防滑等級為R9。角度在10°到19°時,對應防滑等級為R10[10]。受條件所限,本文所選用的試驗樣板防滑等級集中在這兩個等級。

2 防滑性能的現(xiàn)場評價方法

2.1 評價方法

2.1.1 常見的現(xiàn)場測量儀器設計思路

目前能再現(xiàn)正常直線行走滑動時的足底接觸時間、法向力、足部角度、鞋上的接觸力施加點和滑動速度等參數(shù)的滑度計僅適用于實驗室。適用于現(xiàn)場測量的滑度計因為其便攜性的需求,往往只能再現(xiàn)個別重要參數(shù)。

除去對生物力學的考量與便攜性,現(xiàn)場測量裝置還需考慮到實驗結果的可重復性、適當?shù)撵`敏度以及在不同污染物下能否穩(wěn)定工作的能力。

常見的現(xiàn)場測量儀器有水平拉動測滑計HPS(Horizontal Pull Slipmeter),便攜式鉸接式支柱摩擦計PAST(Portable Articulated Strut Tribometer) ,便攜式摩擦試驗機(Portable Friction Tester),低速滑移計(Low Velocity Skidmeter)[11],托特斯儀(Tortus)[12],擺錘裝置(Portable Skid Tester)等。

2.1.2 滑度評價指標

上述儀器通過不同的評價指標來對滑度進行測量。其中摩擦力和能量損失法被廣泛用于衡量滑度的大小。傳統(tǒng)的靜摩擦測量方法僅適用于清潔的表面,污染表面則需要采用動態(tài)摩擦和過渡摩擦的方法來正確評估[13]。

Tortus測試儀通過測量運動中的小車底部一端橡膠與地面之間的阻力以測量動摩擦系數(shù),因為有打滑的傾向,故該裝置不適合在濕態(tài)表面上測試。

擺錘法通過測量一個與定點鉸接的擺錘落下后滑過一段長度固定的路徑的能量損失,以評估接觸面的防滑性能。該方法靈敏度不夠高,且不適合測量具有鋸齒形花紋的樓層板。

本文提出一套基于動態(tài)摩擦測量的、適用于干濕表面且適合測量樓層板的便攜式實驗方案,該裝置的評價指標為克服旋轉(zhuǎn)過程中的動摩擦力所需的扭矩。

2.2 評價用裝置研制

2.2.1 硬件構成

本文采用測量固定大小面積區(qū)域的旋轉(zhuǎn)接觸扭矩作為現(xiàn)場防滑性能的評價指標。裝置由豎直放置的電機、扭矩傳感器、配重件以及鋁型材支架組成。扭矩傳感器通過折彎的鈑金件被固定在支架上,并通過鍵槽結構與配重件連接,通過剛性聯(lián)軸器與電機連接。配重件底部粘有耐磨性能較好的聚氨酯。鋁型材支架底部粘有橡膠止滑墊以抵消配重件旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的扭矩。

▲圖1 裝置示意圖

伺服電機額定功率為10 W,扭矩傳感器量程為5 N.m,精度為千分之一,采樣率為500 Hz;設定配重件的旋轉(zhuǎn)周期為10 s。

裝置主體設計示意圖[14]如圖1所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

本文選用大洋傳感器公司開發(fā)的扭矩測量軟件,RS-485通信輸出口輸出當前傳感器數(shù)據(jù)值,采用Modbus-RTU協(xié)議與主動發(fā)送協(xié)議的方式發(fā)送給扭矩儀表,再以500 Hz的采樣頻率被采樣至上位機。扭矩以及轉(zhuǎn)速能夠?qū)崟r顯示在軟件主界面,也能夠在數(shù)據(jù)采集完成后,導出至Excel文件,再導入到matlab進行數(shù)據(jù)處理。

2.3 操作流程

(1) 預處理流程

將待測扶梯蓋板樣品平放至水平地面,將WD-40快速油污去除劑泡沫均勻噴灑在待測區(qū)域,5分鐘后用干凈的竹刷以及海綿擦將其表面刷干擦凈。

將酒精均勻噴灑在配重件底部的聚氨酯上,用干凈的棉布擦凈后放置2分鐘。

(2) 實驗流程

將測量裝置水平地放置在待測扶梯蓋板樣品上,接通電機控制器電源,兩分鐘后開始記錄數(shù)據(jù),記錄過程持續(xù)四分鐘。

選取同一塊樣品板的不同待測點,重復記錄多次扭矩;

換取不同的待測樣板并從預處理步驟重復。

2.4 測量結果的理論分析

考慮裝置的便攜性需求以及實驗中需要不斷地拆卸以清洗接觸表面,將傳感器的輸出軸與配重件的鍵槽連接處以可拆卸的方式連接,從而此處的鍵槽不能過盈連接,甚至需要留出部分余量以方便拆卸?，F(xiàn)基于以下合理假設建立數(shù)學物理模型:

(1) 傳感器的輸出軸與配重件的孔存在一定的偏差角α;

(2) 鍵槽處的鍵會在槽內(nèi)產(chǎn)生部分軸向的滑移;

(3) 底部聚氨酯的形變保持在其彈性限度內(nèi)。

2.4.1 裝置傾角

鍵槽處鍵的滑移可考慮為兩種極端情形的組合,如圖2、圖3所示。

▲圖2 鍵槽處自由滑動

▲圖3 鍵槽處完全固結

鍵與槽之間完全沒有摩擦力時,鍵會在槽內(nèi)自由滑移,配重件僅沿豎直方向旋轉(zhuǎn),不出現(xiàn)側(cè)傾;

鍵與槽完全固結時,配重件在沿豎直方向旋轉(zhuǎn)的同時,會隨著鍵在豎直方向上的位移變化而出現(xiàn)側(cè)傾;根據(jù)物理約束,滿足以下方程:

(1)

式中:l為鍵槽連接處最低點到地面的距離;d為傳感器輸出軸直徑;α為兩軸偏心角;D為底部接觸面的直徑;β為配重件底面與地面之間的側(cè)傾角;ε為豎直方向上與鍵相連的槽內(nèi)一點的位移與鍵位移的比值,0≤ε≤1。

▲圖4 β在一個周期的變化

2.4.2 裝置底部應力分布

裝置底部受力狀況如圖5所示。

▲圖5 底部應力分布

沿著x軸的應力應變分布公式:

(2)

滿足方程:

σ(x)=E×ε(x)

(3)

(4)

式中:θ1為底面真實受力的接觸面在橢圓投影上的占據(jù)位角的一半,ρ1為投影的橢圓中心到底面真實受力的接觸面的最短距離:

可得θ1關于t的數(shù)值解,如圖6所示。

▲圖6 θ1關于t的數(shù)值解

由圖6可知,在一個完整的旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),在t=0(側(cè)傾角為0°)時,受力分布在整個橢圓區(qū)域,隨著時間推移,受力迅速變化至分布到半邊的橢圓區(qū)域,并在將要完成一個周期的旋轉(zhuǎn)時,重新分布至整個橢圓區(qū)域。

考慮θ1為90°時ρ1≤x≤x0處扭矩變化:

對每一個確定的β,σ(x)均為x的一階線性函數(shù),即:

σ(x)=k(β)x+b(β)

(5)

由

(6)

(7)

(8)

可得:

(9)

理論計算結果如圖7所示。

▲圖7 T/μ的理論計算結果

3 實驗數(shù)據(jù)及相關性研究

3.1 實驗數(shù)據(jù)與理論對比

一次典型的實驗數(shù)據(jù)如圖8所示。

▲圖8 典型數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)點在2分鐘前呈變化趨勢,2分鐘后趨于穩(wěn)定;波動幅度較為穩(wěn)定,波峰波谷的比值總體落在1.4～2.0區(qū)間。

理論與實際扭矩的單個波輸出對比如圖9所示。

▲圖9 理論與實際輸出對比

μ將波形放大至一個旋轉(zhuǎn)周期后,實際趨勢與理論趨勢大致吻合,其中誤差的來源可能包括且不局限于:

(1) 待測樣板表面的花紋不同;

(2) 待測樣板表面的磨損不均勻;

(3) 配重件底部的聚氨酯因為磨損導致其粗糙度分布不均;

(4) 裝置存在有豎直方向上的低頻振動,導致底部的接觸應力變化復雜于理論模型。

3.2 裝置防滑性能表征量和DIN51130標準防滑角度的相關性

3.2.1 防滑性能表征量

根據(jù)DIN51130標準的斜坡法,測量的是最容易產(chǎn)生產(chǎn)生滑移的方向上的防滑性能;而本文開發(fā)裝置測量參數(shù)實際為某一時刻不同角度導致的不同接觸工況下扭矩的和,從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中分別選取算數(shù)均值、幾何均值、最大值、最小值分別與修正后的防滑角度進行相關性分析,最終根據(jù)理論分析和相關度對比,確定將測量扭矩的算數(shù)均值作為防滑性能表征量。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.2.1 單個數(shù)據(jù)處理

根據(jù)推導公式(9)可得,傳感器輸出示數(shù)應該為周期為10 s的周期函數(shù)。設計一個截止頻率為0.04 Hz的低通濾波器,將理論信號分離為直流分量和低頻信號,如圖10所示。

▲圖10 理論信號的分離

選取該穩(wěn)定的直流分量作為單個數(shù)據(jù)的修正值,典型數(shù)據(jù)的分離如圖11所示。

▲圖11 典型數(shù)據(jù)的分離

此外,因低頻信號在周期內(nèi)累加趨近于零,發(fā)現(xiàn)該直流分量與原始數(shù)據(jù)的算數(shù)均值偏差低于百分之一,故直接求取數(shù)據(jù)的算數(shù)均值作為防滑性能表征量。

3.2.2.2 組間數(shù)據(jù)處理

同一塊待測樣板之間不同的測點有著近似的表面接觸條件,測得的數(shù)據(jù)應當服從正態(tài)分布;采用格拉布斯準則對測試的組間數(shù)據(jù)進行篩選以剔除粗大誤差:

在一組以正態(tài)分布為前提的n個數(shù)據(jù)中,殘差v的絕對值最大值為可疑值xb,給定置信區(qū)間p=0.99,即顯著水平α=1-p=0.01時,滿足ν/s≥G(α,n),即剔除xb,重復至v/s

將同一塊待測樣板組間多個測點的算數(shù)均值利用格拉布斯準則篩選后求取總均值,并作為該待測樣板的防滑性能表征量。

3.2.3 相關性分析

干燥工況下的實驗數(shù)據(jù)見表1,測量值與防滑角度的一階線性相關度如圖12。

表1 干燥工況下修正角度和扭矩數(shù)值

▲圖12 一階線性相關性

在干燥的工況下,去除掉其中一張偏離擬合曲線較遠的待測樣板后,剩余的13張防滑等級為R9或R10的待測樣板的防滑角度與本文開發(fā)的實驗裝置測得數(shù)據(jù)具有較好的一階線性相關性。

3.3 不同因素對測試結果的影響

3.3.1 不同轉(zhuǎn)速下試驗結果的變化

若選取同一塊待測樣板同一塊區(qū)域,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至7.5 r/min以及9 r/min,即原始轉(zhuǎn)速的1.25倍和1.5倍,觀測其數(shù)據(jù)曲線的變化,如圖12所示。

▲圖13 不同轉(zhuǎn)速下的扭矩變化

當轉(zhuǎn)速由原轉(zhuǎn)速的1.25倍增大至1.5倍時,扭矩整體有約百分之二的增長,但是其變化趨勢保持不變。經(jīng)分析,扭矩增長的原因可能是隨著轉(zhuǎn)速增加,接觸表面的凹凸碰撞速率增加,導致法向受力變化,最終對扭矩產(chǎn)生影響。

本文設定旋轉(zhuǎn)周期為10 s,以盡可能地保證兩種材料的接觸速度與生物力學相關的同時[15],也考慮到了不會因為轉(zhuǎn)速過高出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,以及轉(zhuǎn)速過低出現(xiàn)明顯的粘滯現(xiàn)象。

3.3.2 表面處于濕態(tài)時試驗結果的變化

選取同一塊待測樣板同一塊區(qū)域,將WD40快速油污去除劑噴灑在表面后,用竹刷洗凈,分別測量其加定量的潤滑油和定量的自來水后的扭矩曲線。

潤滑油實驗組測試結果如圖14。

▲圖14 加潤滑油的工況線性擬合

自來水實驗組測試結果如圖15。

▲圖15 加自來水的工況線性擬合

對干燥工況、加水工況以及加潤滑油工況實驗數(shù)據(jù)進行討論,若不考慮其中一塊干濕摩擦差異較大的三角花紋樓層板,其相關性按照從高到低排序:干燥>潤滑油>水。若考慮將所有樣本均納入考量,則具有最佳相關性的工況是加潤滑油。

實際使用過程中,三角花紋樓層板建議使用加潤滑油的濕摩擦測量,在實驗中出現(xiàn)過的其他花紋樓層板建議使用干摩擦測量。

4 結論

本文提出一套基于動態(tài)摩擦測量的、適用于干濕表面且適合測量樓層板的便攜式實驗方案,主要結論如下:

(1) 根據(jù)目前的樣本,測量扭矩的算數(shù)均值與防滑角度的線性相關性最佳;認定該現(xiàn)場測量方法為與現(xiàn)行DIN51130規(guī)定的斜坡法具有良好相關性的替代測試方法。

(2) 對干燥工況、加水工況以及加潤滑油工況實驗數(shù)據(jù)進行討論,不考慮其中一塊干濕摩擦差異較大的三角花紋樓層板,其相關性度按照從高到低排序:干燥>潤滑油>水?？紤]將所有樣本均納入考量,則具有最佳相關性的工況是加潤滑油。

(3) 斜坡法測得的角度和替代方法測得的數(shù)據(jù)之間存在有一定的映射規(guī)律,在8°至14°的防滑性能區(qū)間呈線性強相關。