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自动扶梯附加制动器及其制动性能的分析

发表时间：2021/4/26 来源：《基层建设》2020年第33期作者：杨星杰

[导读] 摘要：近年来，随着我国城市地铁交通轨道系统的迅猛发展，公共交通型自动扶梯数量剧烈增长。

        贵阳市城市轨道交通集团有限公司运营分公司贵州贵阳 550000
        摘要：近年来，随着我国城市地铁交通轨道系统的迅猛发展，公共交通型自动扶梯数量剧烈增长。自动扶梯给出行带来便利的同时，也发生了多起设备事故，导致机毁人亡，其安全问题已引起了全社会的共同关注。本文对自动扶梯附加制动器及其制动性能进行分析。
        关键词：自动扶梯；附加制动器；制动性能
        1标准要求
        GB16899-2011中对附加制动器的结构、触发及制停要求的主要条款如下：
        5.4.2.2.1附加制动器与梯级、踏板或胶带驱动装置之间应用轴、齿轮、多排链条或多根单排链条连接。不允许采用摩擦传动元件（例如：离合器）构成的连接。
        5.4.2.2.2附加制动器应能使具有制动载荷向下运行的自动扶梯和自动人行道有效地减速停止，并使其保持静止状态。减速度不应超过1m/s2。附加制动器动作时，不必保证对工作制动器所要求的制停距离。该条款给出了附加制动器的制停能力要求，对于减速度的要求仅针对制动载荷下的制停，即不超过1m/s2。对于空载或其它工况显然要满足减速制停要求，但是减速度标准并没有给出要求。
        5.4.2.2.3附加制动器应为机械式的（利用摩擦原理）。
        结合5.4.1.3条款，可知上述条款描述了附加制动器与工作制动器结构差异，作为自动扶梯紧急工况下的制停保障，附加制动器不允许采用摩擦传动元件构成连接。另外，工作制动器的制停需要考虑正常停止和紧急停止下的工况，而附加制动器一般仅在紧急工况下的制停，使用频率远低于工作制动器。因此，标准未对附加制动器的连接驱动元件静力计算的安全系数给出要求，而标准5.4.1.3.2则要求工作制动器的所有驱动元件静力计算的安全系数不应小于5。
        5.4.2.2.4附加制动器在下列任何一种情况下都应起作用：
        a）在速度超过名义速度1.4倍之前；
        b）在梯级、踏板或胶带改变其规定运行方向时。附加制动器在动作开始时应强制地切断控制电路。
        上述条款给出了附加制动器的触发条件，不同于工作制动器，作为紧急工况下的制动器，附加制动器制停过程带有一定的刚性冲击，可能对设备和乘客带来一定伤害。因此，标准要求仅在发生逆转和超速1.4倍极端工况下触发附加制动器动作。
        5.4.2.2.5条款给出了电源发生故障或安全回路失电的情况下，附加制动器的动作要求。只有制停距离符合要求的情况下允许与工作制动器同步动作。相对于工作制动器，附加制动器的制停减速度较大，制停过程伴有一定的刚性冲击，可能导致自动扶梯上的乘客从梯级跌落的风险。供电电源的故障和安全回路的失电直接触发工作制动器动作并制停自动扶梯，制停过程并不需要附加制动器介入。但是供电电源故障会导致附加制动器保持电源失电而下闸，如果制停条件不符合要求，按照标准要求必须延时触发附加制动器。
        2附加制动器的工作原理
        自动扶梯附加制动器制停系统通常采用可编程电子安全相关系统实现，整个系统由检测单元、控制单元、制停单元组成，如图1所示。

图1 附加制动器制停系统
其中检测单元必须包含运行速度检测装置和运行方向的判定装置。依据用户需求可增加其它非正常停止工况的触发，如安全回路的失电、工作制动器的松闸故障等；控制单元主要完成检测单元的数据处理，并发出指令是否立即或者延时触发附加制动器。当系统判断发生超速或者非操纵逆转立即触发附加制动器，当系统判断发生其它故障时，通常延时触发附加制动器；制停单元用来制停自动扶梯的执行部件，常用的结构主要为棘轮（制动盘）棘爪式。当触发动作时，保持棘爪复位的电磁铁吸合力消失，通过压缩弹簧的弹力，将棘爪推到制动盘位置，与其上的撞块发生碰撞，通过碟形弹簧和主轴上的摩擦片抵消冲击能量，扶梯停止运行。常见的制动盘结构有8个挡块均布在盘上，如图2所示。附加制动器动作时，棘爪随机落入制动盘圆周上的某点。假设自动扶梯下行时制动盘逆时针旋转，当棘爪落在A点时，制停距离最短；当棘爪落在B点时，则将在下一个挡块C点冲击制停，此时制停距离最大。显然，从上述分析可以看出制动盘（棘轮）结构附加制动器其制停距离存在随机性，当在A点触发时很难满足制停要求，只能通过调整制动盘上的碟形弹簧满足制停条件，但是摩擦力调整过小将会导致具有制动载荷的扶梯无法制停，不符合GB16899-2011第5.4.2.2.2条款。

        图2 制动盘结构
        3制动性能分析
        为了验证附加制动器的制动性能，模拟了自动扶梯几种极端工况下的附加制动器制动并进行详细分析。如，空载额定速度工况下制停附加制动器，制动载荷额定速度和超速工况下制停附加制动器。试验自动扶梯的主要参数如下：额定速度0.65m/s，提升高度7.2m，梯级宽度1000mm，依据GB16899-2011第5.4.2.1.3.1条款计算制动载荷为4320kg。
        3.1空载制停
        空载额定速度工况下制停附加制动器，模拟验证电源故障且工作制动器卡阻无法下闸，附加制动器的触发机构因失电而触发棘爪动作。试验步骤如下：
        1）启动自动扶梯（空载）下行至额定速度；
        2）启动后人为保持工作制动器打开状态；
        3）断开主电源，此时由于工作制动器处于开闸状态无法下闸，附加制动器棘爪触发机构因失电动作（或延时动作），自动扶梯制停。其制停过程曲线如图3所示。很明显，空载状态下的制停，即使在0.65m/s的运行速度延时减速至0.256m/s时，其触发制停的附加制动器制停减速度仍然超过1m/s2，如图3（c）所示减速度值为1.422m/s2，附加制动器碟形
        弹簧和主轴上的摩擦片短时间内抵消冲击能量。多次试验后，空载或轻载状态下附加制动器的制停距离小、制停减速度较大（超过1m/s2），制停过程伴有轻微的刚性冲击。

        图3 空载工况下的制停
        3.2制动载荷制停
        制动载荷额定速度工况下制停附加制动器，模拟验证电源故障且工作制动器卡阻无法下闸；制动载荷超速工况下制停附加制动器，模拟验证主机移位、主驱动链断链或下行电源故障且工作制动器卡阻等重载扶梯超速下行制停，其制停过程曲线如图4所示。
        1）额定速度制停时屏蔽主电源失电延时触发电路。超速制停时保证延时电路有效；
        2）额定速度制停时启动（制停载荷）下行至额定速度后断开主电源。超速制停时启动下行瞬间断开主电源，防止延时加速下行速度过大；
        3）启动瞬间人为保持工作制动器处于打开状态；
        4）制停过程发现附加制动器无法可靠制停，应立即使工作制动器动作制停。
        如图4（a）所示，屏蔽延时电路断开主电源时，额定速度下附加制动器动作制停减速度为0.917m/s2，符合GB16899-2011的要求。超速制停试验应保持延时电路有效的前提下断开主电源，制停载荷在惯性的作用下延时加速到1.408m/s（约2.1倍额定速度）时，棘爪触发机构失电，附加制动器动作，如图4（c）所示制停减速度为1.342m/s2。由于冲击动能大，碟形弹簧和主轴上的摩擦片要在较长时间内抵消冲击能量，且制停过程带有较强的刚性冲击。需要指出的是，进行制动载荷附加制动器制停试验，不仅装载和搬运载荷劳动强度大，而且试验对设备冲击大。因此制造单位和施工单位有必要制定试验计划，如按50%、75%、100％制动载荷依次进行试验，且应在静态试验合格后才能进行动态试验，保证人员和设备的安全。

        图4 制动载荷工况下的制停
        结束语
        附加制动器是自动扶梯中非常重要的安全保护装置，类似曳引电梯中的安全钳，是制停因部件失效而失控下行的自动扶梯唯一保障。文中介绍了附加制动器的工作原理，对常见的8挡块结构制动盘制停距离的随机性进行探讨，并对可能出现失控工况的自动扶梯附加制动器的制动性能给出了详细分析。相关从业人员应当确保其有效性，避免设备“带病”运行。
        参考文献：
        [1]自动扶梯和自动人行道制造与安装安全规范：GB16899—2011[S].
        [2]何祖恩.一起自动扶梯附加制动器的动作触发案例分析[J].中国电梯，2019（21）：70-72.
        [3]郁建民.自动扶梯附加制动器制动试验浅析[J].中国电梯，2019（1）：28-32.