一種自動扶梯梳齒板安全檢測裝置*

霍紀(jì)德，陳銀輝，史子璐，張帥帥，楊椏菲，王玉琳

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

自動扶梯和自動人行道已逐漸成為人們生活中不可替代的交通運(yùn)輸工具，國內(nèi)市場對自動扶梯需求呈上升趨勢[1]。而現(xiàn)實(shí)生活中，由于自動扶梯梳齒板保護(hù)裝置失效引發(fā)的安全事故越來越多[2]，現(xiàn)有的梳齒板檢測技術(shù)操作方法相對復(fù)雜，對操作者技術(shù)要求較高且容易損壞自動扶梯的機(jī)械部件[3，4]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于自動扶梯安全檢測專用儀器的研究相對較少且不成熟。廣州奧的斯電梯有限公司的曹啟章等在研究時(shí)忽視了保證檢測過程穩(wěn)定性等問題，有一定的局限性[5]。蔣儒浩等研發(fā)的檢測裝置[6，7]對于檢測時(shí)水平觸發(fā)模塊推板的強(qiáng)度要求較高，并且傳感器布置不方便，制造技術(shù)難度較大。廣東特檢院梁敏健團(tuán)隊(duì)與何山團(tuán)隊(duì)研制的自動扶梯梳齒板安全保護(hù)功能檢測系統(tǒng)和方法[8，9]不能實(shí)現(xiàn)位移的檢測，且沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)共享功能，數(shù)據(jù)的可管理性較差。為此，本文研發(fā)了一種以模擬異物落入為設(shè)計(jì)原理的自動扶梯梳齒板安全保護(hù)檢測裝置，并進(jìn)行了三組樣機(jī)的工作測試，試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。本裝置可檢測梳齒板受力及位移距離，并可通過互聯(lián)網(wǎng)無線傳輸至移動終端，使電梯檢測維修更加便捷化、數(shù)字化和智能化。

1 自動扶梯梳齒板安全檢測裝置總體設(shè)計(jì)方案

圖1為梳齒板與梯級配合示意圖。

圖1 梳齒板與梯級配合示意圖

圖2為梳齒板安全檢測裝置總體方案，由觸發(fā)模塊、位移檢測模塊、嵌入式微控制模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及終端軟件管理模塊五個部分組成。

圖2 梳齒板安全檢測裝置總體方案

觸發(fā)模塊可模擬受害人或衣物等卷入梳齒板的場景，形成整體裝置測試記錄的基本力學(xué)條件，同時(shí)進(jìn)行垂直與水平兩個方向上作用力的數(shù)據(jù)采集。位移檢測主要通過激光測距傳感器與觸發(fā)板相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)梳齒板垂直和水平位移的測量。嵌入式微控制模塊依托于ARM系列高速微控制器，主要用于界面顯示管理、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)運(yùn)算輸出等。數(shù)據(jù)管理模塊主要用于檢測裝置和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換及處理分析測試記錄中的數(shù)據(jù)。終端軟件管理模塊主要用于將檢測數(shù)據(jù)傳送給檢測人員的終端移動設(shè)備，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)裝置檢測數(shù)據(jù)的智能化管理[10]。

2 檢測裝置的模塊設(shè)計(jì)

2.1 觸發(fā)模塊

觸發(fā)模塊包括豎直與水平兩觸發(fā)板，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩觸發(fā)板與梯級的配合如圖4所示。

圖3 觸發(fā)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 兩觸發(fā)板與梯級的配合示意圖

安裝時(shí)，只需將觸發(fā)板的齒狀底部與扶梯的齒狀踏面相嚙合即可，同時(shí)，將前端的擋板抵靠在梯級前側(cè)面上，即可完成觸發(fā)板的安裝。

2.1.1 垂直方向施力與垂直力檢測

將豎直觸發(fā)板按照圖4(a)方式安裝好后，手動開啟扶梯，隨著扶梯向梳齒板運(yùn)動，豎直觸發(fā)板的楔形塊推動梳齒板向上移動，直至觸發(fā)安全保護(hù)裝置，使扶梯緊急停車，如圖5所示。

圖5 豎直觸發(fā)板觸發(fā)垂直移動的梳齒板

垂直力可以通過裝在楔形塊內(nèi)的壓力傳感器進(jìn)行測量，并傳輸給ARM控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。楔形塊的坡度越小，其所受到的垂直分力就越大，越有利于垂直力的檢測,但坡度過小會增大楔形塊的尺寸，因此，應(yīng)選擇合適的坡度。

2.1.2 水平方向施力與水平力檢測

當(dāng)梳齒板水平受力時(shí)會產(chǎn)生水平方向的移動，如圖6所示，隨著扶梯運(yùn)動的進(jìn)行，若存在異物，將會推動水平觸發(fā)板逐漸向梳齒板靠近，并與梳齒板接觸，從而使其由于受力產(chǎn)生水平方向的位移，觸發(fā)停車動作開關(guān)使扶梯停止運(yùn)行，避免意外發(fā)生。

圖6 水平觸發(fā)板觸發(fā)水平移動的梳齒板

在推板的條狀空間內(nèi)部設(shè)置有壓力傳感器，當(dāng)梳齒板抵靠到推板受力時(shí)，壓力傳感器可測出壓力的大小，并傳送給ARM微控制器，為后續(xù)處理收集數(shù)據(jù)。

2.2 位移檢測模塊

在梳齒板安裝板上安裝有激光測距儀，相應(yīng)地在端蓋站板處安裝反光幕，使發(fā)出的激光能夠通過反光幕反射回傳感器。如圖7所示，進(jìn)行位移檢測時(shí)，通過豎直觸發(fā)板或水平觸發(fā)板產(chǎn)生位移，激光測距儀捕捉水平和垂直兩方向位移，并送入ARM微控制器進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

圖7 位移檢測示意圖

2.3 嵌入式微控制模塊

本模塊主要包括嵌入式微控制系統(tǒng)、人—機(jī)界面管理、傳感器數(shù)據(jù)采集等[11]。嵌入式微控制模塊采用基于ARM CortexTM-M4為內(nèi)核的STM32F4 MCU系列高性能微控制器，其在MCU實(shí)時(shí)控制功能與數(shù)字信號處理器(DSP)功能方面具有很好的優(yōu)勢，在本設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理。

本安全檢測裝置通過工業(yè)觸摸屏界面實(shí)現(xiàn)人-機(jī)交互。激光測距傳感器選用邦納公司的LE250型高精度激光傳感器；壓力傳感器選用國內(nèi)生產(chǎn)的JHBN-M1微型稱重傳感器。

2.4 數(shù)據(jù)管理模塊

本安全檢測裝置與計(jì)算機(jī)之間采用USB傳輸接口以實(shí)現(xiàn)檢測過程中的數(shù)據(jù)交換，并通過計(jì)算機(jī)生成相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)報(bào)告，包括異物卡嵌及觸發(fā)停車過程中特定的數(shù)據(jù)表格、曲線圖像和報(bào)告分析等項(xiàng)目。

2.5 終端軟件管理模塊

通過數(shù)據(jù)管理模塊對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，反饋給扶梯檢測技術(shù)人員，使管理更為方便快捷。測試信息可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，并實(shí)現(xiàn)手機(jī)、PC端軟件與云存儲對信息的同步存儲。還可通過對歷史數(shù)據(jù)的分析得到保護(hù)裝置的近期運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)設(shè)備，保證扶梯的安全性與可靠性。

3 創(chuàng)新點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

與已有的相關(guān)研究相比，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的安全檢測裝置的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下四個方面：

(1)適用范圍寬，可用于檢測自動扶梯/自動人行道梳齒板垂直與水平方向上移動。

(2)可將檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互精確管理。

(3)裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，安全環(huán)保，安裝測試中不會對自動扶梯造成損壞。

(4)能為使用者帶來“保姆式”的工作體驗(yàn)，操作快捷簡便，降低了檢測維修的技術(shù)門檻，實(shí)現(xiàn)了測試操作便捷化、數(shù)字化與智能化。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

本安全檢測裝置技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)梳齒板受力測量范圍為0～2 000 N，測力分辨率為0.1 N，測量誤差≤±2 N。

(2)梳齒板位移測量范圍為0～100 mm，位移測量分辨率為0.05 mm，測量誤差≤±0.15 mm。

(3)數(shù)據(jù)存儲容量為2 GB。

(4)可充電鋰電池容量為6 600 mAh。

4 檢測裝置測試結(jié)果

分別針對豎直觸發(fā)板和水平觸發(fā)板采用壓力機(jī)進(jìn)行施力測試，結(jié)果表明樣機(jī)的測力精度可以控制在±1.5 N之內(nèi)。采用美國邦納公司生產(chǎn)的高精度激光測距傳感器進(jìn)行測位移精度的校準(zhǔn)，得到誤差結(jié)果未超出±0.15 mm?？梢姡瑯訖C(jī)的測力與測位移精度均滿足設(shè)計(jì)要求。隨后在一臺性能完好的扶梯上進(jìn)行了30次梳齒板安全保護(hù)觸發(fā)試驗(yàn)，結(jié)果均為有效觸發(fā)，且數(shù)據(jù)波動范圍不大，表明本裝置的精度較高。

5 結(jié)束語

梳齒板安全保護(hù)裝置的可靠性是自動扶梯出廠質(zhì)量檢測、安全監(jiān)督檢驗(yàn)、設(shè)備定期核查的一個重要項(xiàng)目[12]。本文研發(fā)了一種基于ARM系列高速微控制器的自動扶梯梳齒板安全檢測裝置。其通過模擬異物落入梳齒板的場景，收集梳齒板在測試記錄中受力和位移的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對梳齒板安全保護(hù)動作開關(guān)靈活度的定量評價(jià)。本裝置可為自動扶梯的運(yùn)行安全管理提供更加有效的檢測評估，減少安全事故的發(fā)生，并將為自動扶梯/自動人行道的制造行業(yè)、維保機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)和特種設(shè)備檢測機(jī)構(gòu)等提供一種可靠的檢測設(shè)備，應(yīng)用前景廣闊。