自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器動(dòng)作觸發(fā)原理及案例分析*

何祖恩

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福州 350008）

0 引言

目前在用的絕大多數(shù)公共交通型自動(dòng)扶梯工作制動(dòng)器與梯級(jí)驅(qū)動(dòng)主軸之間通過(guò)雙排鏈連接，當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈條斷鏈且未能有效觸發(fā)附加制動(dòng)器動(dòng)作，必然會(huì)造成逆轉(zhuǎn)或超速等事故。如香港九龍旺角朗坊的“通天扶梯”主驅(qū)動(dòng)鏈因疲勞斷鏈之后，斷鏈保護(hù)裝置因其固定金屬外殼與可移動(dòng)部件的滑動(dòng)面之間的黏性油脂未觸發(fā)，導(dǎo)致自動(dòng)扶梯發(fā)生的逆轉(zhuǎn)［1－2］。北京地鐵4號(hào)線動(dòng)物園站A口自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)移位后，未觸發(fā)附加制動(dòng)器動(dòng)作導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)事故。

觸發(fā)附加制動(dòng)器動(dòng)作的非操縱逆轉(zhuǎn)保護(hù)、超速保護(hù)等多采用可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱PESSRAE）實(shí)現(xiàn)，如未能理解附加制動(dòng)器的觸發(fā)和動(dòng)作原理則難以保證其功能的有效性，甚至可能導(dǎo)致該功能的失效［3］。當(dāng)然不排除用戶定制的其他工況下要求附加制動(dòng)器動(dòng)作，常見(jiàn)要求立即觸發(fā)動(dòng)作的有驅(qū)動(dòng)鏈斷裂、超速1.3倍等。延時(shí)觸發(fā)動(dòng)作的有欠速保護(hù)、制動(dòng)器松閘故障、超速1.15倍、安全回路失電、啟動(dòng)鑰匙開(kāi)關(guān)和緊急停止開(kāi)關(guān)動(dòng)作等。

需要指出的是，部分制造單位設(shè)置用欠速保護(hù)功能來(lái)代替非操縱逆轉(zhuǎn)保護(hù)，如設(shè)置不當(dāng)可能會(huì)存在事故隱患。如欠速設(shè)置為欠速80%，且欠速延時(shí)設(shè)為5 s。名義速度0.5 m／s的自動(dòng)扶梯，當(dāng)速度降低到0.1 m／s時(shí)，延時(shí)5 s后才會(huì)觸發(fā)附加制動(dòng)動(dòng)作?？梢韵胂螽?dāng)驅(qū)動(dòng)鏈斷裂，向上運(yùn)行的自動(dòng)扶梯速度將急劇下降并在極短時(shí)間內(nèi)逆轉(zhuǎn)，而附加制動(dòng)器要在延時(shí)后才能觸發(fā)動(dòng)作。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求

GB 16899－2011中對(duì)附加制動(dòng)器觸發(fā)動(dòng)作要求的主要條款如下［4］。

（1）5.4.2.2.4附加制動(dòng)器在下列任何一種情況下都應(yīng)起作用：a）在速度超過(guò)名義速度1.4倍之前；b）在梯級(jí)、踏板或膠帶改變其規(guī)定運(yùn)行方向時(shí)。附加制動(dòng)器在動(dòng)作開(kāi)始時(shí)應(yīng)強(qiáng)制地切斷控制電路。

該條款給出了附加制動(dòng)器的觸發(fā)動(dòng)作條件，超速1.4倍和非操縱逆轉(zhuǎn)的極端工況下必須立即觸發(fā)附加制動(dòng)器動(dòng)作。附加制動(dòng)器的制停減速度大，蔣晨迪等［5］提出了一種利用虛擬樣機(jī)技術(shù)的方法，對(duì)實(shí)際工況下附加制動(dòng)器的制動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行模擬測(cè)試。常見(jiàn)的制停試驗(yàn)是在現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)扶梯梯級(jí)放置載荷試驗(yàn)［6］，輕載工況下的制停減速度往往大于1 m／s2，且制停過(guò)程伴隨著一定的剛性沖擊，可能對(duì)梯級(jí)上不做防備的乘客造成一定傷害［7］。因此，類似于電梯安全鉗，作為保護(hù)自動(dòng)扶梯的最后一道裝置，標(biāo)準(zhǔn)要求附加制動(dòng)器僅在非正常極端工況下作用。

（2）5.4.2.2.5如果電源發(fā)生故障或安全回路失電，允許附加制動(dòng)器和工作制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作，此時(shí)制停條件應(yīng)符合5.4.2.1.3.2條款和5.4.2.1.3.4條款的規(guī)定。否則，附加制動(dòng)器和工作制動(dòng)器只允許在5.4.2.2.4條款規(guī)定的情況下同步動(dòng)作。

該條款給出了附加制動(dòng)器與工作制動(dòng)器動(dòng)作同步動(dòng)作的條件，即當(dāng)制停條件符合5.4.2.1.3.2條款和5.4.2.1.3.4條款的規(guī)定情況下允許附加制動(dòng)器與工作制動(dòng)器同步動(dòng)作。由5.4.2.2.4條款的分析可知，附加制動(dòng)器的制停減速度大，制停距離短，特別是棘輪（或制動(dòng)盤）棘爪式附加制動(dòng)器難以符合制停條件要求。需要指出的是，電源故障的情況下會(huì)導(dǎo)致附加制動(dòng)器的保持裝置失電而動(dòng)作，當(dāng)制停條件不符合要求，必須配置電源故障情況下的延時(shí)觸發(fā)裝置。

另外，緊急停止開(kāi)關(guān)等動(dòng)作都會(huì)造成安全回路的失電，其發(fā)生的頻率遠(yuǎn)高于5.4.2.2.4條款所述的特殊工況，多次觸發(fā)附加制動(dòng)器可能對(duì)設(shè)備和乘客造成一定的傷害。工作制動(dòng)器有效時(shí)，安全回路失電和電源故障的工況下工作制動(dòng)器即可安全制停自動(dòng)扶梯。

2 附加制動(dòng)器觸發(fā)原理

2.1 附加制動(dòng)器結(jié)構(gòu)型式

自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器的型式通常有棘輪棘爪式、制動(dòng)盤棘爪式、制動(dòng)盤制動(dòng)靴式、鼓式制動(dòng)等。上述結(jié)構(gòu)型式的附加制動(dòng)器的制動(dòng)性能很大程度上取決于摩擦片調(diào)整的預(yù)緊力，造成輕載與重載工況下的制停減速度差異大。梁敏健等［8］給出了一種自適應(yīng)可變制動(dòng)性能的盤式附加制動(dòng)器，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整摩擦組件與制動(dòng)盤之間制動(dòng)力，完成對(duì)制動(dòng)距離的閉環(huán)控制，一定程度上減少不同載荷工況下的制停減速度的差異性。目前，市面上常見(jiàn)的附加制動(dòng)器多用棘輪棘爪式和制動(dòng)盤棘爪式。

典型的棘輪棘爪式和制動(dòng)盤棘爪式結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)附加制動(dòng)器觸發(fā)動(dòng)作時(shí)，棘爪保持裝置將失電彈出，隨機(jī)落入棘輪或制動(dòng)盤上的某點(diǎn)。當(dāng)棘爪隨機(jī)彈到A點(diǎn)，棘爪不會(huì)直接卡住棘輪或制動(dòng)盤，隨著自動(dòng)扶梯繼續(xù)下行，棘輪或制動(dòng)盤繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到棘爪落入棘輪齒槽或制動(dòng)盤止擋塊的C點(diǎn)，此時(shí)棘輪或制動(dòng)盤與摩擦片作用制動(dòng)并最終制停住自動(dòng)扶梯，制動(dòng)距離最大。當(dāng)棘爪動(dòng)作隨機(jī)彈入到B點(diǎn)時(shí)，棘爪瞬間與棘輪齒槽或制動(dòng)盤接觸，附加制動(dòng)器碟形彈簧和主軸上的摩擦片短時(shí)間內(nèi)抵消沖擊能量，自動(dòng)扶梯制停距離最短。

圖1 棘輪和制動(dòng)盤式

上述分析可知，給定棘輪或制動(dòng)盤上的蝶形彈簧預(yù)緊力后，制停距離取決自動(dòng)扶梯上載荷和棘爪彈入棘輪或制動(dòng)盤上的位置。棘輪的齒數(shù)越多、制動(dòng)盤上的止擋塊間距越小，制停距離的差異性越?。?－10］。

2.2 附加制動(dòng)器制停系統(tǒng)

附加制動(dòng)器制停系統(tǒng)由檢測(cè)、控制和制停3個(gè)單元組成，如圖2所示。通常采用PESSRAE實(shí)現(xiàn)，其安全完整性等級(jí)至少為SIL1。

圖2 附加制動(dòng)器制停系統(tǒng)

控制單元是制停系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)采集檢測(cè)單元的運(yùn)行速度、方向等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)出指令是否觸發(fā)附加制動(dòng)器動(dòng)作。常見(jiàn)的棘輪或制動(dòng)盤式附加制動(dòng)器的觸發(fā)原理如圖3所示，發(fā)生超速1.4倍或非操縱逆轉(zhuǎn)時(shí)控制單元無(wú)延時(shí)立即觸發(fā)棘爪動(dòng)作。主電源失電則工作制動(dòng)器失電下閘，棘爪保持裝置需要通過(guò)附加的延時(shí)電路延時(shí)觸發(fā)，否則難以滿足制停條件要求。安全回路失電、工作制動(dòng)器松閘故障等用戶定制的其他可選情況，工作制動(dòng)器必然下閘動(dòng)作，控制單元可以通過(guò)控制系統(tǒng)延時(shí)響應(yīng)觸發(fā)棘爪動(dòng)作。

圖3 棘輪和制動(dòng)盤式觸發(fā)原理

圖4 所示為常見(jiàn)的附加制動(dòng)器觸發(fā)原理，X0、X1為檢測(cè)單元輸入到PESSRAE系統(tǒng)的測(cè)速信號(hào)，同時(shí)讀取X0、X1信號(hào)即可判斷自動(dòng)扶梯的運(yùn)行方向。ABK、BK軟觸點(diǎn)分別為PESSRAE判斷附加制動(dòng)器、安全保護(hù)裝置（如梯級(jí)缺失保護(hù)、扶手帶速度偏離保護(hù)等）動(dòng)作輸出。正常工作時(shí)，ABK閉合、BK閉合、控制系統(tǒng)輸出端CTL1輸出低電平，Y0端的電源信號(hào)輸入到Y(jié)1和Y2端，棘爪保持裝置的控制接觸器線圈KZY和安全回路得電。當(dāng)發(fā)生超速1.4倍或非操縱逆轉(zhuǎn)時(shí)PESSRAE輸出ABK觸點(diǎn)斷開(kāi)，Y1和安全回路失電，附加制動(dòng)器和工作制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作。當(dāng)X2、X3檢測(cè)到工作制動(dòng)器松閘故障，按照用戶定制的可選功能需要觸發(fā)附加制動(dòng)器，此時(shí)ABK觸點(diǎn)閉合狀態(tài)，控制系統(tǒng)延時(shí)輸出高阻抗信號(hào)到CTL1，完成系統(tǒng)控制的延時(shí)響應(yīng)觸發(fā)附加制動(dòng)器的功能。當(dāng)發(fā)生主電源故障時(shí)，則需要延時(shí)電源電路來(lái)延時(shí)觸發(fā)附加制動(dòng)器動(dòng)作。

圖4 觸發(fā)電氣原理

3 觸發(fā)案例分析

某一公共交通型自動(dòng)扶梯，主要參數(shù)為提升高度11.5 m，梯級(jí)寬度1 000 mm，傾斜角30°，名義速度0.65 m／s，采用雙驅(qū)動(dòng)主機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)主機(jī)各配置一套棘爪制動(dòng)盤式附加制動(dòng)器，附加制動(dòng)器棘爪保持裝置由電磁鐵控制。由于制停條件不符合要求，供電電源故障的情況下，增加延時(shí)電路延時(shí)觸發(fā)棘爪裝置動(dòng)作，如圖5所示。電磁鐵線圈電源YZD1、YZD2由接觸器KZY1、KZY2、及繼電器POW1、POW2控制，設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)POW1、POW2、KZY1、KZY2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，當(dāng)系統(tǒng)判斷需要附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)KZY1、KZY2斷開(kāi)。供電電源故障的情況下，POW1、POW2、KZY1、KZY2常閉觸點(diǎn)回路接通，電磁鐵線圈電源YZD1、YZD2繼續(xù)得電直到延時(shí)電源斷開(kāi)。

圖5 延時(shí)電源控制電路

對(duì)該設(shè)備進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)，斷開(kāi)主開(kāi)關(guān)模擬供電電源故障，棘爪保持裝置延時(shí)后斷電觸發(fā)，符合要求。模擬非操縱逆轉(zhuǎn)故障，發(fā)現(xiàn)棘爪裝置未動(dòng)作，不符合要求。經(jīng)過(guò)查看之后，發(fā)現(xiàn)繼電器POW1、POW2線圈電源接在主開(kāi)關(guān)進(jìn)線端，KZY1、KZY2接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)被短接，如圖6所示。無(wú)論主開(kāi)關(guān)是否斷開(kāi)，POW1、POW2依然得電常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，由于KZY1、KZY2常開(kāi)觸點(diǎn)被短接，KZY1、KZY2、POW1、POW2常開(kāi)觸點(diǎn)回路閉合直到延時(shí)電源斷電觸發(fā)棘爪動(dòng)作。當(dāng)自動(dòng)扶梯發(fā)生非操縱逆轉(zhuǎn)、超速1.4倍等故障將無(wú)法觸發(fā)附加制動(dòng)器動(dòng)作，存在嚴(yán)重的安全隱患。

圖6 KZY1、KZY2的接觸器觸點(diǎn)被短接

去除短接線，斷開(kāi)主開(kāi)關(guān)上一層的外部電源開(kāi)關(guān)，發(fā)現(xiàn)棘爪保持裝置立即失電斷開(kāi)，延時(shí)電路失效。進(jìn)一步核查有關(guān)資料后，KZY1、KZY2線圈兩端并聯(lián)RC電路，斷開(kāi)線圈電源時(shí)，線圈中的電流經(jīng)RC放電，使電流衰減緩慢，接觸器銜鐵的釋放時(shí)間延長(zhǎng)。因此，繼電器POW1、POW2和接觸器KZY1、KZY2分?jǐn)辔蠒r(shí)間不一致。當(dāng)外部電源斷開(kāi)，繼電器POW1、POW2失電常閉觸點(diǎn)立即接通，接觸器KZY1、KZY2常閉觸點(diǎn)延時(shí)接通，常閉觸點(diǎn)回路POW1、POW2、KZY1、KZY2在完全接通之前電磁鐵線圈電源YZD1、YZD2失電下閘，且延時(shí)電源電壓只能維持電磁鐵保持吸合而無(wú)法再次開(kāi)啟，延時(shí)電路失效。

對(duì)延時(shí)電路重新設(shè)計(jì)，如圖7所示。當(dāng)外部電源斷開(kāi)時(shí)，POW1、POW2常閉觸點(diǎn)立即接通，電磁鐵線圈電源YZD1、YZD2保持接通直至延時(shí)電源斷開(kāi)。當(dāng)電源正常時(shí)，POW1、POW2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，KZY1、KZY2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，系統(tǒng)依據(jù)圖3所示的觸發(fā)原理控制附加制動(dòng)器無(wú)延時(shí)或軟件延時(shí)斷開(kāi)KZY1、KZY2線圈電源。

圖7 更改后的延時(shí)電源電路

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)GB16899－2011標(biāo)準(zhǔn)中自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器觸發(fā)動(dòng)作的相關(guān)條款進(jìn)行了詳細(xì)解讀。通過(guò)對(duì)棘爪棘輪或制動(dòng)盤式附加制動(dòng)器制停過(guò)程分析，可知制停條件難以滿足GB16899－2011要求，得出棘爪棘輪或制動(dòng)盤式附加制動(dòng)器的動(dòng)作觸發(fā)原理框圖。最后，對(duì)某一附加制動(dòng)器的動(dòng)作觸發(fā)案例進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致延時(shí)觸發(fā)電路失效，給出整改意見(jiàn)后，制造單位對(duì)延時(shí)電路重新設(shè)計(jì)并驗(yàn)證其符合要求。附加制動(dòng)器是獨(dú)立于工作制動(dòng)器的自動(dòng)扶梯制停裝置，當(dāng)工作制動(dòng)器無(wú)法制停扶梯，發(fā)生非操縱逆轉(zhuǎn)等極端工況時(shí)，只能通過(guò)附加制動(dòng)器制停自動(dòng)扶梯。檢驗(yàn)檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)確保其有效性，保障設(shè)備安全運(yùn)行。