自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器棘爪斷裂失效案例分析*

李俊林，劉金源，文茂堂

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東深圳 518029）

0 引言

自動(dòng)扶梯作為商場(chǎng)、地鐵、車站等公共場(chǎng)所的重要交通運(yùn)輸工具，具有連續(xù)工作、持續(xù)運(yùn)動(dòng)的特性。自動(dòng)扶梯的制動(dòng)器分為工作制動(dòng)器和附加制動(dòng)器，而附加制動(dòng)器根據(jù)制動(dòng)塊類型可分為棘爪式、擋塊式，其中棘爪式采用最為廣泛。在梳齒板開關(guān)、下陷開關(guān)動(dòng)作等普通工況下可以僅依靠工作制動(dòng)器制停扶梯，在驅(qū)動(dòng)鏈斷裂、逆轉(zhuǎn)以及嚴(yán)重超速（1.4倍前）等特殊工況下附加制動(dòng)器必須動(dòng)作，附加制動(dòng)器往往充當(dāng)最后的安全底線，而棘輪、棘爪動(dòng)作的可靠性直接關(guān)系到附加制動(dòng)器的制動(dòng)效果。

GB16899-2011 對(duì)附加制動(dòng)器的配置提出明確要求[1]。棘爪式附加制動(dòng)器一般由速度檢測(cè)裝置（光電傳感器或者電氣開關(guān)）、觸發(fā)裝置（電磁鐵）、棘爪、棘輪、制動(dòng)壓盤、摩擦片、制動(dòng)盤組成。制動(dòng)盤位于棘輪和制動(dòng)壓盤之間，且通過螺栓裝置和驅(qū)動(dòng)鏈輪固定連接。正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)制動(dòng)盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而制動(dòng)盤通過摩擦片之間的靜摩擦力帶通制動(dòng)壓盤和棘輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)附加制動(dòng)器被觸發(fā)時(shí)，電磁鐵帶動(dòng)棘爪迅速制停棘輪和制動(dòng)壓盤，依靠制動(dòng)盤和棘輪、制動(dòng)壓盤之間的滑動(dòng)摩擦力制停驅(qū)動(dòng)鏈輪，從而實(shí)現(xiàn)制停扶梯。

附加制動(dòng)器每次動(dòng)作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生巨大沖擊力，不僅僅會(huì)對(duì)梯路精準(zhǔn)度造成影響，同時(shí)也對(duì)棘輪、棘爪強(qiáng)度產(chǎn)生較大的破壞[2]。居于此考慮，部分廠家設(shè)置了兩級(jí)速度監(jiān)控裝置，一級(jí)監(jiān)控裝置動(dòng)作時(shí)僅僅是工作制動(dòng)器動(dòng)作，當(dāng)速度繼續(xù)增大達(dá)到二級(jí)監(jiān)控裝置設(shè)定值時(shí)才觸發(fā)附加制動(dòng)器。而部分廠家為了制?？煽?，普通工況也要求附加制動(dòng)器動(dòng)作，通過增設(shè)延遲電路來實(shí)現(xiàn)附加制動(dòng)器零速制動(dòng)，有效減少制停時(shí)對(duì)棘輪、棘爪的破壞力。但不合理的延時(shí)動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)速度超出可控范圍，造成制動(dòng)部件等設(shè)備損壞，甚至人員傷亡。因此延遲設(shè)定值需經(jīng)過精準(zhǔn)計(jì)算并通過實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 設(shè)備及故障情況

某品牌自動(dòng)扶梯在進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)，滿載工況下，附加制動(dòng)器棘爪在試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂，導(dǎo)致制動(dòng)失效。斷裂位置位于棘爪與銷軸鉸接處，如圖1 和圖2 所示。圖3 和圖4 所示為斷裂的棘爪及棘爪示意圖。圖4中棘爪上方小孔為潤(rùn)滑工藝孔。自動(dòng)扶梯的基本參數(shù)如下：額定速度v=0.5 m/s，提升高度H=6.05 m，傾斜角α=30°，梯級(jí)名義寬度為996 mm，梯級(jí)踢板高度0.21 m。

圖1 試驗(yàn)前棘爪與擋塊位置圖

圖2 試驗(yàn)后棘爪斷裂

圖3 斷裂的棘爪

圖4 棘爪示意圖

2 制動(dòng)力及強(qiáng)度計(jì)算

2.1 合力計(jì)算

根據(jù)提升高度、梯級(jí)踢板高度、梯級(jí)寬度計(jì)算制動(dòng)載荷的重量G=34 570 N。以梯級(jí)和載荷作為研究對(duì)象，分析其受力狀況。按照以下最危險(xiǎn)工況試驗(yàn)，即當(dāng)扶梯載有額定載荷向下運(yùn)行，速度達(dá)到0.7 m/s 時(shí)，使工作制動(dòng)器處于松開狀態(tài)，關(guān)閉扶梯主電源，觀察僅依靠附加制動(dòng)器能否有效制停扶梯。

梯級(jí)自重線載荷qt計(jì)算如下：

式中：Q級(jí)為單個(gè)梯級(jí)自重，N；t級(jí)為梯級(jí)節(jié)距，m；ql為梯級(jí)主輪的線載荷，N/m。

查閱隨機(jī)文件，單個(gè)梯級(jí)（包含2個(gè)副輪）質(zhì)量為20 kg，梯級(jí)節(jié)距0.4 m，單個(gè)主輪質(zhì)量2 kg，牽引鏈條節(jié)距133.33 mm（1 m范圍內(nèi)約有8個(gè)滾輪）。

由式（1）得出：qt=814 N/m。

分別計(jì)算制動(dòng)載荷沿梯路方向載荷F1、沿梯路方向摩擦阻力F2、傾斜區(qū)段的梯級(jí)摩擦阻力F3、水平區(qū)段梯級(jí)的摩擦阻力F4、曲線區(qū)段梯級(jí)的摩擦阻力F5、回轉(zhuǎn)區(qū)段梯級(jí)的摩擦阻力F6，及此時(shí)梯級(jí)和砝碼系統(tǒng)沿梯級(jí)方向的合力為F，受力情況如圖5所示。

圖5 受力分析簡(jiǎn)圖

其 中 ，F(xiàn)1=Gsinα；F2=uGcosα；F3=2uqtLmcosα；。

則合力F計(jì)算如下：

式中：u為梯級(jí)車輪的摩擦因數(shù)，u=0.03；Lm為傾斜區(qū)段梯路長(zhǎng)度，Lm=2H=12.1 m ；L1為進(jìn)出端水平端長(zhǎng)度，L1=0.8 m ；L2為梯路曲線區(qū)段水平投影長(zhǎng)度，L2=0.6 m ；L3為梯路轉(zhuǎn)向時(shí)梯級(jí)所經(jīng)路徑的曲線長(zhǎng)度，L3=πd=3.29 m。

由式（2）可得：F=15 654 N 。

2.2 制動(dòng)力及強(qiáng)度計(jì)算

（1）梯級(jí)和載荷系統(tǒng)沿梯路方向所受的制動(dòng)力

附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，人為使工作制動(dòng)器處于松閘狀態(tài)。附加制動(dòng)器要求制停加速度不超過1 m/s2，以1 m/s2驗(yàn)算附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)梯級(jí)和載荷系統(tǒng)沿梯路方向的所受制動(dòng)力Fz1，則有：

式中：M為梯級(jí)和砝碼的質(zhì)量總和。

由式（3）可得：Fz1=21 358 N 。

（2）靜載荷工況下棘爪強(qiáng)度校核

以驅(qū)動(dòng)鏈輪系統(tǒng)為分析對(duì)象。查閱圖紙可知梯級(jí)和砝碼系統(tǒng)作用在驅(qū)動(dòng)鏈輪系統(tǒng)作用力臂Rz1=1.0 m，棘爪作用力臂Rz=0.85 m。

假設(shè)附加制動(dòng)器完全制動(dòng)梯級(jí)，按照靜力平衡原理，附加制動(dòng)器棘爪提供的制動(dòng)力為Fz，則有：

對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行受剪強(qiáng)度校核（為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將棘爪斷裂處受到的沖擊力等同于棘爪和擋塊接觸處受到的沖擊力），經(jīng)測(cè)量斷裂面處截面積A=7.5 cm2；棘爪鋼材為Q235-A； [σs]=235 MPa[3]； 取 許 用 剪 切 應(yīng) 力 [τ]=0.6[σs]=141 MPa。則有：

由式（5）可得：剪切強(qiáng)度滿足要求。因此，靜載制動(dòng)工況下，棘爪強(qiáng)度滿足要求。

（3）動(dòng)載荷工況下棘爪強(qiáng)度校核

附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，棘輪在棘爪作用下急促制停，扶梯依靠棘輪上的制動(dòng)閘瓦摩擦驅(qū)動(dòng)鏈輪的制動(dòng)盤而制停。監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)，當(dāng)扶梯向下運(yùn)行至速度0.7 m/s 觸發(fā)附加制動(dòng)器。附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，設(shè)系統(tǒng)響應(yīng)及觸發(fā)時(shí)間為t，棘爪制停棘輪時(shí)間為Δt。

暫不考慮系統(tǒng)響應(yīng)、觸發(fā)時(shí)間以及棘輪材料問題，以初始動(dòng)作速度0.7 m/s 時(shí)棘爪直接制停棘輪分析棘爪的所受沖擊載荷。以附加制動(dòng)器棘輪系統(tǒng)組成的系統(tǒng)為分析對(duì)象，根據(jù)角動(dòng)量定理得：

式中：為棘爪對(duì)棘輪擋塊的作用力；Rz為棘爪作用力臂，Rz=0.85 m ；J為棘輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由制動(dòng)閘瓦以及棘輪質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑估算得出J=100 kg·m2；為系統(tǒng)角速度，為制動(dòng)時(shí)初始速度，v0=0.7 m/s；Rz1為驅(qū)動(dòng)鏈輪系統(tǒng)作用力臂，Rz1=1.0 m；Δt參考同型號(hào)設(shè)備， Δt=0.001 s。

計(jì)算可得:Fˉ=82 352 N

進(jìn)行動(dòng)載荷強(qiáng)度校核：

因此，如果不存在延遲，動(dòng)載荷制動(dòng)工況下棘爪滿足強(qiáng)度要求。

檢驗(yàn)結(jié)束之后制造廠家技術(shù)人員確定棘爪材質(zhì)沒有問題，因此沒有進(jìn)一步對(duì)斷裂的棘爪進(jìn)行金相分析。經(jīng)檢查，棘爪連桿機(jī)構(gòu)等機(jī)械裝置也不存在軸承潤(rùn)滑不足，動(dòng)作不靈敏等問題。更換同規(guī)格同尺寸的棘爪，由專業(yè)技術(shù)人員重新調(diào)整了延遲時(shí)間后，重新進(jìn)行了試驗(yàn)，附加制動(dòng)器能夠有效制停。

在附加制動(dòng)器實(shí)際動(dòng)作時(shí)，當(dāng)限速開關(guān)動(dòng)作后，除了系統(tǒng)設(shè)置的延遲時(shí)間外，仍然有一段不可忽略的加速過程。包括以下過程：光電傳感器傳輸數(shù)據(jù)到主板，主板判定并下達(dá)指令給附加制動(dòng)器，制動(dòng)器抱閘動(dòng)作過程，由加速度轉(zhuǎn)變?yōu)闇p速度過程[5]。棘爪斷裂有可能是由于系統(tǒng)響應(yīng)、觸發(fā)延遲致使瞬間沖擊力超出棘爪強(qiáng)度范圍。

特別說明，目前國(guó)內(nèi)大部分廠家棘爪居于成本考慮，都是采用普通Q-235A作為原材料，經(jīng)鍛打和后序機(jī)加工后，采用表面滲碳處理，淬火加低溫回火熱處理工藝。熱處理后能保證有足夠的淬硬層，能提高強(qiáng)度、表面硬度和耐磨性，又保留棘爪的較好韌性來滿足附加制動(dòng)器制停瞬間的沖擊力。但工業(yè)化批量生產(chǎn)，也存在棘爪毛坯件在鍛打工程中出現(xiàn)溫度過高導(dǎo)致較大組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，出現(xiàn)裂紋夾邊等缺陷。在后序的熱處理過程中也可能出現(xiàn)加熱速率過大，保溫時(shí)間不長(zhǎng)，冷卻速率過快等原因?qū)е鹿ぜ?nèi)外溫度不均勻，最終影響力學(xué)性能情況。本案中初步判斷制動(dòng)失效的主因是延遲動(dòng)作，在調(diào)整電路延遲設(shè)定值后，更換同規(guī)格的棘爪后再進(jìn)行有載試驗(yàn)?zāi)軡M足要求，因此沒有進(jìn)行后續(xù)的材料破裂金相分析。

3 結(jié)束語

附加制動(dòng)器的制動(dòng)性能對(duì)扶梯的安全運(yùn)行至關(guān)重要。根據(jù)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)棘輪型附加制動(dòng)的設(shè)計(jì)、制造提出以下參考建議。

（1）合理設(shè)置附加制動(dòng)器延遲時(shí)間。延遲時(shí)間過大可能會(huì)導(dǎo)致棘爪實(shí)際動(dòng)作扶梯速度已超過1.4倍額定速度，棘爪無法承受沖擊力而斷裂，造成設(shè)備損壞或者人員受傷，無法發(fā)揮附加制動(dòng)器的安全底線作用。

（2）采用兩級(jí)限速開關(guān)監(jiān)控的制動(dòng)系統(tǒng)，在保證制動(dòng)器不誤動(dòng)作前提下，應(yīng)充分考慮正常工況下扶梯允許速度偏差±5%[6]，充分考慮系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致的速度增加，相應(yīng)減小1級(jí)和2級(jí)限速動(dòng)作整定值。

（3）優(yōu)化棘爪截面積設(shè)計(jì)，案例棘爪斷裂處設(shè)計(jì)有一工藝孔，減少了受剪面積，降低了強(qiáng)度。在對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行受剪強(qiáng)度校核時(shí)除了按平均剪力公式，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際截面特征進(jìn)行彎曲切應(yīng)力的計(jì)算[7]。計(jì)算出接觸面的最大切應(yīng)力。

（4）優(yōu)化棘爪的加工工藝和熱處理工藝，避免裂紋、夾雜等缺陷。建議棘爪原材料采用合金材料代替普通Q235-A。

（5）定期檢查、維護(hù)，按照檢規(guī)要求每隔5 年進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)運(yùn)行環(huán)境惡劣，人員密集場(chǎng)所建議3年進(jìn)行1次有載制動(dòng)試驗(yàn)[8]。