檢測裝置對自動扶梯的梳齒板動作有限元分析*

封高歌，張延斌，甘 斌，梁 驍，施鴻均，張立強

（1.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院，上海 200026；2.上海工程技術大學，上海 201600）

0 引言

自動扶梯和自動人行道梳齒板安全保護裝置是特種設備安全系統(tǒng)中重要的組成部分，自動扶梯∕自動人行道在使用中發(fā)現(xiàn)，當有異物卡在梯級踏面與梳齒板之間時,若梳齒板不能靈活動作,就無法觸發(fā)梳齒板安全停車開關，將有可能損壞設備甚至傷人[1]。近年故國內(nèi)外接連發(fā)生多起因異物夾入自動扶梯梳齒板與梯級之間而導致的設備本體損壞事件和人員傷亡事故[2]。GB 16899-20115.7.3.2.6規(guī)定如果有卡入異物后，梳齒板與梯級或踏板發(fā)生碰撞時，自動扶梯和自動人行道應自動停止運行。但由于GB 16899-2011[3]和TSGT7005-2012[4]并未對此提出技術規(guī)定和試驗要求，一定程度上給制造廠家空余較大可操作空間，有的僅設置前后或上下移動方向的單個方向電氣開關，有的同時設置垂直-水平兩個方向的電氣開關，且觸發(fā)力大小的設置也各自不同。設備的經(jīng)營者給自動扶梯增加一些安全防護措施以及檢測單位的提前預防性檢查來提高自動扶梯的安全使用很有必要[5]。所以研究設計一種可以測量梳齒板水平以及垂直觸發(fā)力的大小的、可靠的自動扶梯和自動人行道梳齒板動作開關安全檢測裝置至關重要。

1 自動扶梯梳齒板保護檢測裝置的基本結構

自梳齒板保護裝置的檢驗在檢規(guī)中提到了兩點：一是工具；二是動作方向，但未對動作點（力的大小、位移的大小）做出明確的說明[6]。研究設計一種可靠的自動扶梯和自動人行道梳齒板開關的安全檢測裝置，而且可以測量梳齒板水平以及垂直觸發(fā)力的大小至關重要。

1.1 新裝置技術經(jīng)濟優(yōu)勢

現(xiàn)行測試方式不僅需要很多人力和物力，耗費的時間也較長，會造成在平時的維護保養(yǎng)過程中只測試梳齒板保護裝置電氣開關的有效性，不測試該裝置機械動作有效性的結果。在使用過程中，如果機械部分發(fā)生卡阻，電氣開關將無法被動作，一旦發(fā)生緊急情況（如梯級碰撞、小孩手被夾等）[7-10]，自動扶梯或人行道將不會及時停止運行，從而造成更加嚴重的后果與現(xiàn)有的梳齒板安全開關檢測裝置相比，新研究設計的優(yōu)越功效目標是：（1）結構設計通用性強，易于安裝制造，設備接口預留可與手持機顯示器或電腦相連；（2）可實現(xiàn)檢測梳齒板安全開關動作的功能，提高電梯檢測的工作效率和機器的智能性；（3）解決目前梳齒板開關動作力的大小未知的問題，具有梳齒板檢測可控性的優(yōu)點；（4）滿足需求目前市面的自動扶梯和自動人行道的功能檢測，使用簡單方便，具有顯著性實用價值。

1.2 梳齒板保護檢測裝置的機構設計

根據(jù)自動扶梯梳齒板保護檢測裝置的整體設計思想和方案，描述系統(tǒng)的總體結構以及校正控制系統(tǒng)的流程，重點研究了各部件的動作順序以及反饋信息形成整個閉合回路的系統(tǒng)機制。自動扶梯梳齒板保護檢測裝置關鍵部位的機械設計主要包括主體框架、機械螺桿水平推拉機構、垂直旋轉(zhuǎn)機構、末端支撐板測力傳感器系統(tǒng)，以及水平和垂直力傳感器力反饋系統(tǒng)。

梯梳齒板保護檢測裝置是對自動扶梯和自動人行道梳齒板安全保護開關觸發(fā)力檢測的一種工具，其主要動作順序是：自身定位——水平檢測——垂直檢測。在調(diào)研的基礎上，結合現(xiàn)有的梳齒板保護檢測裝置的特點和梳齒板檢測裝置的市場需求、主要技術參數(shù)、確定的功能和應用范圍，基于SolidWords軟件平臺，利用虛擬樣機技術，對梯梳齒板保護檢測裝置進行三維參數(shù)化建模和完成虛擬樣機的裝配，并對模型的正確性和合理性進行基本檢驗，三維裝配圖如圖1所示。

圖1 檢測裝置結構模塊三維裝配圖

根據(jù)梳齒板動作開關安全檢測裝置的動作要求和力的測試大小和方向，研究設計如圖2所示的裝置機構示意圖，其中包括主體框架、機械螺桿推拉機構、末端測力傳感器支撐板，以及水平和垂直力傳感器。主體框架的外部設有兩臺測力顯示器手持機，測力顯示器通過信號線分別與設在推拉機構的末端水平測力傳感器和垂直測力傳感器相連。主體框架內(nèi)設有機械推拉機構，推拉機構末端裝有測力器支撐板，支撐板上分別裝有水平和垂直兩種壓力測力器，推拉機構可以進行水平測力器位置的機械式水平前后移動，與梳齒板前端面接觸并觸發(fā)保護開關，完成整體框架的垂直移動且同時帶動垂直測力器接觸梳齒板下端面觸發(fā)開關。

圖2 總體機構設計方案

1.3 梳齒板保護檢測裝置動作流程

此裝置的開發(fā)可以了解不同場合、不同品牌自動扶梯和人行道梳齒板觸發(fā)力的數(shù)據(jù)信息，為今后技術標準的完善提供數(shù)據(jù)支撐，還可以完善現(xiàn)場檢驗手段，模擬實際觸發(fā)工況，提高檢驗效率和準確度，使自動扶梯和人行道梳齒板保護裝置檢驗檢測更加方便、運行更加安全可靠。圖3所示為梳齒板保護檢測裝置與梳齒板接觸示意圖，圖4所示為動作接觸部分垂直和前后局部放大前視圖。

圖3 梳齒板保護檢測裝置與梳齒板動作俯視圖

圖4 局部放大前視圖

圖5所示為檢測動作系統(tǒng)流程，主體框架內(nèi)設有機械推拉機構，推拉機構末端裝有測力器支撐板，支撐板上分別裝有水平和垂直兩種壓力測力器，推拉機構可以進行水平測力器位置的機械式水平前后移動，與梳齒板前端面接觸并觸發(fā)保護開關，完成整體框架的垂直移動且同時帶動垂直測力器接觸梳齒板下端面進行觸發(fā)開關。水平前后推拉機構和垂直上下推拉機構設在裝置框架內(nèi)與測力傳感器系統(tǒng)連接，測力傳感器系統(tǒng)包括水平力傳感器和垂直力傳感器，水平前后推拉機構前后推拉帶動水平力傳感器運動實現(xiàn)對梳齒板的水平安全開關和力的測試，垂直上下推拉機構上下推拉帶動垂直力傳感器運動實現(xiàn)對梳齒板垂直安全開關和力的測試，裝置框架底部設有用于將檢測裝置固定在梳齒板上的固定件。

圖5 檢測動作系統(tǒng)流程

2 有限元分析與驗證

為了保證乘客上、下自動扶梯的安全，必須在自動扶梯出口普處設置梳齒前沿板，它包括前沿板、梳齒板、梳齒3個部分，其性能直接影響自動扶梯和自動人行道的安裝及運行使用的安全性及穩(wěn)定性。根據(jù)國家檢規(guī)TSG T7005-2012《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則-自動扶梯和自動人行道》6.2項要求，梳齒板保護檢驗方法：拆下中間部位的梳齒板，用工具使梳齒板向后或者向上移動(或者前后、上下)，檢查安全裝置是否動作，自動扶梯或自動人行道能否啟動。

2.1 檢測裝置對梳齒板的力學有限元分析

我國現(xiàn)行標準規(guī)范中對自動扶梯或自動人行道梳齒板的靜載試驗和動載試驗沒有給出明確規(guī)定，進行強度計算和校核仍多采用傳統(tǒng)方法，將材料許用應力值與實際強度計算值進行對比，對保護檢測裝置對自動扶梯的梳齒板動作的有限元應力以計算和校核檢測設備的安全性[11]，同時參照GB 16899-2011 5.3.3.2靜載試驗和5.3.3.3動載試驗梯級踏板的要求，踏板表面不應產(chǎn)生大于4 mm的永久變形，以此對其撓度變形進行可靠性分析。

梳齒板的一邊支撐在前沿板上，另一邊作為梳齒的固定面，梳齒板以Q235鋼為材料基體：彈性模量為2.1×1011N∕m2；泊松比為0.3；抗拉強度為5×108N∕m2；屈服強度為2.35×108N∕m2。用有限元分析軟件中對測力計支撐板結構受力進行一系列的性能分析，主要內(nèi)容包括應力強度和位移撓度的變化，以此用于驗證支撐板安裝在其結構性能上的可靠安全性。

我國自動扶梯制造標準對梳齒板保護裝置的動作力未做要求，但美國ASME A17.1-2016自動扶梯制造標準對梳齒板垂直和水平方向動作力有不同的要求，水平方向在梳齒板任一側施加不大于1 780 N的水平力或者在梳齒板的中心施加不大于3 560 N的水平力，垂直方向在梳齒板的前部的中心施加不大于670 N的垂直力[12]。所以在末端力傳感器的選擇上，確定以垂直力上限3 560 N可測、水平力上限670 N可測為標準對傳感器進行選型。在孔位處添加固定幾何體夾具，然后生成高品質(zhì)網(wǎng)絡劃分，且進行運行計算得出有限元分析應力和位移形變結果。梳齒板加載外部條件和劃分網(wǎng)格如圖6所示，有限元特性分析結果如圖7所示。

圖6 梳齒板加載外部條件和劃分網(wǎng)格

圖7 支架結構有限元特性分析結果

2.2 強度與撓度分析：

經(jīng)過有限元分析計算得出結果，如表1所示。

梳齒板最大靜應力為53.9 MPa，扶梯材料為Q235，屈服極限為235 MPa，從文獻[9]中查得靜載荷的安全系數(shù)許用值為1.4~1.8，得出許用應力：[σ]=σs/[n]s=130.6 MPa＞53.9 MPa。所以強度是滿足設計安全要求的。參照表1內(nèi)相關最大數(shù)值，最大位移為0.016 mm，滿足G16899-2011 5.3.3.3中制動試驗踏面表面不應產(chǎn)生4 mm的永久變形的要求，所以撓度也滿足安全設計要求。

表1 有限元分析結果

3 結束語

為了解決自動扶梯梳齒板保護開關是否有效，需要人工暴力性檢測且無法得到有效力學數(shù)據(jù)的問題，通過分析梳齒板保護開關檢測現(xiàn)狀需求，設計一種檢測裝置，解決目前梳齒板開關動作力的大小未知的問題，與現(xiàn)有的梳齒板安全開關檢測裝置相比，新研究設計有明顯的優(yōu)越功效。建立其整體機構三維模型，重點研究了各部件的動作順序以及反饋信息形成整個閉合回路的系統(tǒng)機制。對保護檢測裝置對自動扶梯的梳齒板動作的有限元應力以計算和校核檢測設備的安全性，可實現(xiàn)檢測梳齒板開關動作的功能，提高電梯檢測的工作效率和機器的智能性。