自动扶梯制动性能安全分析.doc

自动扶梯制动性能安全分析在自动扶梯设计、制造、安装、运行、安全性能检验中，制动系统的重要性是不容忽视的；自动扶梯制动性能在保障自动扶梯安全运行中起着重要的作用。近年来国内发生的多起自动扶梯在接近满载状态下，因下滑故障造成的人身伤亡事故；也对自动扶梯制动性能的安全问题敲响了警钟。本文将通过自动扶梯制动系统设计的结构原理分析，结合GB16899-1997自动扶梯和自动人行道制造与安装安全规范（以下简称GB16899）关于自动扶梯制动性能的有关安全要求；针对国内市场上自动扶梯制动系统设计的常见结构和发展趋势，分析其与GB16899中有关自动扶梯制动性能的设计安全要求的矛盾；并就其影响提出一些看法，与业内同行探讨。一、自动扶梯制动系统设计的安全要求有关自动扶梯工作制动器系统性能设计的安全要求，在GB16899中于12.4.4.1、12.4.4.2条分别规定了自动扶梯制动载荷和自动扶梯的制停距离。其原文表述为;12.4.4.1自动扶梯制动载荷每个梯级的制动载荷按其名义宽度z1来确定：z10.6m时为60kg；0.6mz10.8m时为90kg；0.8mz11.1m时为120kg。受载的梯级数量“由提升高度除以最大可见梯级踢板高度”（见图3中x1）求得。在试验时允许将总制动载荷分布在所求得的的梯级上。12.4.4.2自动扶梯的制停距离空载和有载向下运行自动扶梯（见12.4.4.1）的制停距离应在下列范围之间：额定速度制停距离范围0.50m/s0.20m1.00m0.65m/s0.30m1.30m0.75m/s0.35m1.50m若速度在上述数值之间，制停距离用插入法计算。制停距离应从电气制动装置动作时开始测量。在GB16899中12.6.5条还规定：“如果电源发生故障或安全电路失电，允许附加制动器和工作制动器同时动作，但应使制停距离符合12.4.4.2和12.4.4.4的要求。否则，两只制动器只允许在12.6.4规定的情况下同步动作。”12.6.4规定的情况是超速和非操纵逆转；由此可知，无论自动扶梯制动系统的配置设计如何，正常情况下的制动减速度安全限制是明确的。由上述要求可知，自动扶梯工作制动器的制动能力应能满足空载和有载向下运行两种工况。为此就要求自动扶梯的制动能力同时与运动系统空载、满载时的制动总质量相匹配。现行的自动扶梯制动器结构设计能否达到规定的安全要求，可通过计算分析来确定。二、自动扶梯的制动能力分析GB16899中12.4.4.2条对应的制动距离最小、最大值，分别对应着自动扶梯的空载、满载制动工况。由自动扶梯的空载制停距离的安全标准要求可知，为满足最小制动距离要求；有运动学公式：（1）式中：制动减速度值，m/s2；V额定速度，m/s；S制动距离，m。按照式（1）的参数关系，以及GB16899中12.4.4.2条要求可得下表1：表1最小制停距离要求对应的最大平均减速度1额定速度V（m/s）最小制动距离S1（m）最大平均减速度1(m/s2)0.500.200.630.650.300.700.750.350.80在了解了自动扶梯的最小制停距离要求对应的最大平均减速度1后，就能依据物理公式求得自动扶梯所需的设计制动力：（2）式中：Fmax自动扶梯的设计制动力，N；m自动扶梯运动件计算总质量，kg；1最大平均减速度，m/s2。从式（2）可知在安全标准的减速度限制条件下，自动扶梯的设计制动力主要取决于自动扶梯运动件设计总质量。由自动扶梯的传动结构可知，自动扶梯运动部件计算总质量主要是由梯级、梯级轮轴、梯级链、扶手带质量和梯级驱动轮转动惯量组成；依据不同的驱动方式还可包括驱动链、减速装置、电动机的转动惯量。目前国内市场上的自动扶梯机械制动系统，制动时制动力一般不能调节控制。对于同一台自动扶梯，在同向运行制动时其制动器的额定制动力是基本恒定的；在满足最小制动距离要求的设计制动力确定以后，其能否同时满足额定载荷条件下的最大制动距离要求呢？我们可以先分析一下最大制动距离要求时的最小平均减速度；同时依据由式（2）确定的制动力，确定能否满足安全标准要求。同样由式（1）的参数关系，以及GB16899中12.4.4.2条要求可得下表2：表2最大制停距离要求对应的最小平均减速度2额定速度V（m/s）最大制动距离S2（m）最小平均减速度2(m/s2)0.501.000.130.651.300.160.751.500.19由表2可知满足最大制动距离要求时的最小平均减速度2。由于在保证空载制动自动扶梯的最大平均减速度时，设计制动力已经基本确定；此时在额定载荷条件下制动时，机械制动力必须在克服载荷重力下滑分力的情况下，对运动机构和额定载荷的总和质量产生减速度；这时最小平均减速度2由下式确定：（3）式中：2最小平均减速度，m/s2；Q自动扶梯的额定总载荷，kg；gn重力加速度，9.8m/s2；自动扶梯的倾角，Deg；由式（2）、式（3）变换后可得：（4）式（4）变换后可得：（5）式（5）表达了在最大、最小平均减速度确定后，在设定的倾角和忽略摩擦阻力条件下，额定总载荷与自动扶梯运动机构计算总质量的比值就已确定。设自动扶梯的倾角为30，取表1中空载最大平均减速度，表2中满载最小平均减速度，按式（5）可得满足GB16899中12.4.4.2条安全要求的制停距离范围时，额定载荷与自动扶梯运动件计算总质量之比为0.133。也就意味着在GB16899规范12.4.4.2条要求的安全制停距离范围内，倾角30自动扶梯制动的额定总载荷值只能是自动扶梯运动件计算总质量的七分之一多。目前国内市场上常见的名义宽度1m的铝合金铸造梯级单件质量一般为15kg；梯级轮轴单件质量2.55kg；不锈钢板组合拼装梯级单件质量为1721kg。常用梯级链（含滚轮）单位质量为612kg/m；扶手带单位质量一般为1.5kg/m左右。以名义梯级宽度1m，倾角为30，水平段3个梯级，提升高度为5m的自动扶梯为例。设梯级深度为0.4m；倾斜段梯级数为25个，梯级总数为75个；扶手带长度与梯级链相等；则整个梯级链上运行总质量（包含梯级链质量）为：式中：m1梯级链上运行总质量，kg；n梯级总数，设定为75；mt单个梯级质量，设定为16kg；ml对应单个梯级的梯级链质量，设定为6.8kg；mz单个梯级轮轴质量，设定为4kg；md对应单个梯级的扶手带质量，设定为1.2kg。考虑到制动器动作上闸的滞后；以及制动时制动器实际制动力的增加过程；以及制动器的调节裕度；由安全标准规定制动距离确定的最大、最小平均减速度尚不能完全代表制动器的实际最大制动能力。制动器的实际最大制动能力应该大于由制动距离确定的平均制动力；即实际最大设计制动减速度大于最大平均减速度。因此假设空载满足梯级链上运行总质量制动减速度为1m/s2，此时对应的制动力为：（6）式中：Fmax1满足梯级链上运行总质量设计制动减速度的制动力，N；按照GB16899中12.4.4.1条规定，名义梯级宽度1m的自动扶梯在额定载荷条件下，其设计制动载荷为每个梯级120kg；此时按上例25个倾斜段梯级上的制动总载荷为3000kg。忽略驱动链质量，梯级链轮、减速装置、电动机的转动惯量的情况下，额定载荷与自动扶梯运动件计算总质量之比为1.43，远大于按式（5）确定，满足12.4.4.2条安全制停距离范围要求的值。此时制动总载荷的重力下滑分量为：（7）式中：Fq制动总载荷的重力下滑分量，N；满足满载制动安全距离的制动力为：（8）式中：Fmax2满足满载制动安全距离的制动力，N；比较式（6）与式（7）的值，可见满足梯级链上运行总质量最大设计制动减速度的制动力，还远远不足以保持制动总载荷不下滑。即使考虑到静摩擦系数与动摩擦系数的差异，以及制动器的最大制动力大于平均制动力12倍；加上驱动链质量，梯级链轮、减速装置、电动机的转动惯量足够大，再考虑足够的系统摩擦阻力，上例中自动扶梯的工作制动器也无法同时满足空、满载制停距离的安全要求。反之可见即使是式（7）的所需制动力单独作用于空载运行状态的自动扶梯，按上例空载梯级链上运行总质量的数据，加上驱动链质量，梯级链轮、减速装置、电动机的当量质量300kg，也将产生大于6m/s2的减速度。鉴于上述计算实例中单个部件质量的选取并非国内市场上运行自动扶梯的最小部件质量，因此该示例还不是极端设计的实例。资料显示，对于制动性能的控制，有些设计采用在电机轴增加飞轮质量的办法，增加高速轴制动惯性矩；由此获得较大的基础当量制动质量。但是在国内自动扶梯的设计中，要达到安全规范规定的空、满载制停距离要求，所需飞轮质量太大。通过上述分析，足以使我们认识到，按照GB16899中的制动减速度安全距离标准，自动扶梯的工作制动器要同时满足空、满载制停距离的安全要求，需要多么大的运动机构自身质量！现在市场上运行的自动扶梯，如具有满足满载制停距离安全要求的制动力，将在空载制动时产生远大于安全要求的减速度。由于自动扶梯现场验收时考核的都是空载制动距离，满足满载制停距离的要求难以体现；且许多自动扶梯的倾角是35，额定载荷重力下滑分量更大。满足式（5）的额定载荷与自动扶梯运动件计算总质量之比更小。由此可确定现场调整的制动力仅能满足空载及小载荷运行的制动需要，近年来国内多起自动扶梯因工作制动器未能有效制动而发生的滑移、伤害事故有着内在的必然性。在谋求自动扶梯整体结构轻量化的商业浪潮中，寻求提高自动扶梯制动安全性能迫在眉睫。三、自动扶梯制动安全性能要求的改进鉴于GB16899-1997标准来源于EN115-1的事实，我们还可了解一下最新的EN115-1标准；EN115-1:2007标准讨论稿中对自动扶梯制动性能提出了新的安全标准。标准明确要求工作制动器动作时下行制停的减速度应不大于1m/s。同时要求如果每次停止时制停距离大于规定值的20，不能重新启动；这在防止工作制动器能力过量下降问题上具有重要意义。最新的EN115-1:2007标准在额定输送量上也做出了修改，意味着设计制动额定总载荷已减小。具体数据见下表3：表3EN115-1:2007附录G扶梯与人行道的规划与配置指南梯级宽度z1(m)额定速度V（m/s）0.500.650.750.603600per/h4400per/h4900per/h0.804800per/h5900per/h6600per/h1.006000per/h7300per/h8200per/h由于笔者未能全面了解EN115-1:2007新标准有关制动性能的要求，只了解到工作制动器动作时下行制停的减速度应不大于1m/s；额定输送量与原标准相比至少减小了三分之一。此时设最小平均减速度为0.1m/s；从式（5）可知满足EN115-1:2007标准制动力要求的倾角为30的自动扶梯，所需额定载荷与自动扶梯运动件计算总质量之比为0.18。同样以上例数据为基础，总制动载荷将减小为2000kg；但是依据式（5）可知满足EN115-1:2007制动安全标准的自动扶梯运动件计算总质量还将达到11111kg。这相当于在现行常规设计的基础上，将自动扶梯运动件总质量增加34倍多。下行制停的减速度应不大于1m/s的要求，即使是针对制动平均值而不是峰值，制动系统的设计也是很困难的。依据国内的市场情况，标准额定输送量的减小，还将使实际运行中超载控制变得更加困难。计算分析已明确显示，单纯从机械设计角度改进自动扶梯制动性能是耗费极大，难以实现安全规范要求。因此笔者建议完善自动扶梯制动性能，应从修改安全规范标准入手，合理确定自动扶梯制动能力安全标准。可规定“保证工作制动器动作时，空载下行制停的平均减速度应不大于1m/s”。对工作制动器动作时，满载下行制停只作制停定性要求。对超速和非操纵逆转均要求以附加制动器动作控制。为防止满载下行停止时非超速向下滑行距离过大造成事故，可在电控系统中加入工作制动器动作后监控梯级动态的功能；在梯级向下运动未在一定的距离或时间内停止时，要求由附加（辅助）制动器投入制动停止梯级运动。如能开发设计出能定量控制减速度的智能制动装置，对自动扶梯制动安全必将是一大福音。综合以上计算分析均表明，现行的自动扶梯制动系统设计要满足自动扶梯制动安全标准是非常困难的；在自动人行道的制动系统安全性上存在同类问题。笔者认为附加（辅助）制动器的配置设计，将成为保障自动扶梯和自动人行道制动安全的首选途径。在2008廊坊中国国际电梯展会上，可见到引进生产的重型梯级链，其每米重量超过35kg，重型梯级的单个重量也超过25kg。但是国内梯级生产厂家在展会上展出了质量为12kg轻型铝合金铸造梯级，广告词为节能环保；可见国内生产厂商还未关注到自动扶梯制动能力，存在严重安全问题的事实。按照现行安全规范和自动扶梯产品的实际情况，可以想见的是，自动扶梯制动能力的满载型式试验合格，必定是在对制动器进行特别调配后获得的；而如此的特别调配对于实际运行的自动扶梯制动器，结果必然是空载制动减速度过大。在现场的制动力调整中只能按空载的工况实施。至此笔者提请业内同行，高度关注自动扶梯和自动人行道制动安全标准。寻求有效的技术改进措施，尽快使自动扶梯和自动人行道制动安全性能达到合理的标准要求。同时探讨合理修改自动扶梯和自动人行道制动安全性能标准的途径。本文观点是笔者的一些工作体会，仅供各界同行参考；文中有错误和不妥之处，欢迎批评指正。第 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