自動扶梯梳齒板檢測裝置設(shè)計(jì)及有限元分析

張延斌，封高歌，甘斌, 梁驍，施鴻均，張立強(qiáng)

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200026；2.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600)

0 引言

自動扶梯梳齒板保護(hù)裝置是自動扶梯安全保護(hù)裝置中的重要組成部分。根據(jù)國家檢規(guī)《TSG T7005—2012電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——自動扶梯和自動人行道》6.2項(xiàng)要求[1]，當(dāng)有異物卡入梳齒板，并且梳齒與梯級或者踏板不能正常嚙合，導(dǎo)致梳齒板與梯級或者踏板發(fā)生碰撞時，自動扶梯或自動人行道應(yīng)當(dāng)自動停止運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在梯級與梳齒板間的夾人或物事故約占自動扶梯事故的 41% 以上，可見梳齒板防異物保護(hù)裝置失效是造成梯級夾人或物事故最主要原因之一[2]。從風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的角度分析這些典型事故，有必要對梳齒板區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)水平預(yù)判和檢測有足夠的重視。除了設(shè)計(jì)生產(chǎn)者應(yīng)將這一風(fēng)險(xiǎn)有義務(wù)客觀地告知設(shè)備的需方，并且要求使用管理人根據(jù)使用場合提醒做好宣傳標(biāo)識、相應(yīng)的防護(hù)措施之外，設(shè)備的經(jīng)營者給自動扶梯增加一些安全防護(hù)措施以及檢測單位的提前預(yù)防性檢查來提高自動扶梯的安全使用很有必要。

1 自動扶梯梳齒板保護(hù)檢測裝置的基本結(jié)構(gòu)

《GB 16899—2011自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》[3]對梳齒板安全保護(hù)裝置的安裝、維護(hù)和檢測均有明確要求。

自動扶梯梳齒板保護(hù)裝置一般有兩種動作形式，一種是水平方向動作，一種是垂直方向動作。在檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，垂直方向動作大部分通過扳手或者螺絲刀向上翹動的方式驗(yàn)證[4]，但這種方式往往需要很大的力才能實(shí)現(xiàn)，有的扳手和螺絲刀無法承受容易彎曲。水平方向動作一般把螺絲刀卡在兩個梯級相交的縫隙，然后手動盤車把螺絲刀頂?shù)绞猃X板上，通過觀察繼電器吸合和安全回路信號燈驗(yàn)證，這種驗(yàn)證方式也需要提供很大的助推力，有可能會損壞梯級或者梳齒板，有的繼電器吸合聲音較小,安全回路信號燈亮度不夠或者損壞，誤判的可能性較大。故研究設(shè)計(jì)一種可靠的自動扶梯和自動人行道梳齒板動作開關(guān)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(guān)重要。

1.1 設(shè)計(jì)使用力的范圍

現(xiàn)行測試方式不僅需要很多人力和物力，耗費(fèi)的時間也較長，會造成在平時的維護(hù)保養(yǎng)過程中只測試梳齒板保護(hù)裝置電氣開關(guān)的有效性，不測試該裝置機(jī)械動作有效性的結(jié)果。在使用過程中，如果機(jī)械部分發(fā)生卡阻，電氣開關(guān)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)，自動扶梯或人行道將不會及時停止運(yùn)行，從而造成更加嚴(yán)重的后果[5-6]。

我國自動扶梯制造標(biāo)準(zhǔn)對梳齒板保護(hù)裝置的動作力未做要求，但美國ASME A17.1—2016自動扶梯制造標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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，垂直方向在梳齒板前部的中心施加不大于670 N的垂直力。故在末端力傳感器的選型上，確定水平力上限是3 560 N可測、垂直力上限是670 N可測為標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 梳齒板保護(hù)檢測裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本單元主要介紹了自動扶梯梳齒板保護(hù)檢測裝置的整體設(shè)計(jì)思想和方案，描述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及校正控制系統(tǒng)的流程，重點(diǎn)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(jī)制。

根據(jù)對梳齒板動作開關(guān)的安全檢測裝置動作要求，包括力的測試大小和方向，設(shè)計(jì)如圖1所示的裝置機(jī)構(gòu)示意圖。其中包括主體框架、機(jī)械螺桿推拉機(jī)構(gòu)、末端測力傳感器支撐板及水平和垂直力傳感器。主體框架的外部設(shè)有兩臺測力顯示器手持機(jī)。測力顯示器通過信號線分別與設(shè)在推拉機(jī)構(gòu)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(shè)有機(jī)械推拉機(jī)構(gòu)，推拉機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)可以進(jìn)行水平測力器位置的機(jī)械式水平前后移動，與梳齒板前端面接觸并觸發(fā)保護(hù)開關(guān)，完成整體框架的垂直移動同時帶動垂直測力器接觸梳齒板下端面進(jìn)行觸發(fā)開關(guān)。

1—裝置框架；2—水平轉(zhuǎn)動桿；3—水平螺桿頭；4—傳感器推拉支架；5—垂直力傳感器；6—水平力傳感器；7—水平力傳感器支架；8—垂直螺桿頭；9—水平螺桿；10—力傳感器顯示器；11—垂直壓板；12—頂動連桿；13—垂直轉(zhuǎn)動桿；14—垂直螺桿；15—固定方鋼。

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于SolidWords軟件三維設(shè)計(jì)平臺，對梳齒板保護(hù)檢測裝置進(jìn)行三維參數(shù)化建模和虛擬自動扶梯的裝配，見圖2，并對模型的正確性和合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。與現(xiàn)有的梳齒板保護(hù)檢測裝置相比，結(jié)構(gòu)簡單，易于制造與安裝，提高了電梯檢測的工作效率和設(shè)備工作的可靠性。

圖2 結(jié)構(gòu)模塊三維裝配圖

1.3 梳齒板保護(hù)檢測裝置動作流程

首先使電梯處于檢修狀態(tài)，拆開梳齒板的前端梳齒，將固定方鋼15插入梯級踏面的縫隙中。圖3為檢測裝置與梳齒板接觸時的示意圖。

圖3 梳齒板保護(hù)檢測裝置與梳齒板

以下文中表述的機(jī)構(gòu)零部件及數(shù)字標(biāo)識均可以在圖1(a)-圖1(c)中找到。通過檢測裝置一系列的機(jī)構(gòu)運(yùn)動推動末端的水平力傳感器6和頂拉垂直力傳感器5分別接觸梳齒板的頂部端面和底部面，致使安全開關(guān)動作時顯示器記錄力傳感器的數(shù)值。

水平和垂直的檢測分兩個時段。第一時段是檢測水平方向的觸發(fā)力，手動轉(zhuǎn)動水平轉(zhuǎn)動桿2，通過連接3帶動水平螺桿9轉(zhuǎn)動，水平螺桿頭將動力方向變?yōu)轫攧舆B桿12的水平前后的推力，推動傳感器推拉支架4上的水平力傳感器6頂住梳齒板的前端接觸面，至安全開關(guān)動作后觀察和記錄水平力傳感器對應(yīng)顯示器上的記錄數(shù)值，完成水平安全開關(guān)檢測和觸發(fā)力大小的測量。第二時段是垂直檢測觸發(fā)力，待第一階段完成后，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)水平轉(zhuǎn)動桿2收回頂動連桿12，使水平力傳感器和梳齒板前端面分離無接觸，收回檢測設(shè)備，重新恢復(fù)電梯運(yùn)行，然后停止至檢修狀態(tài)。拆開梳齒板的前端梳齒，將固定方鋼15插入梯級踏面的縫隙中，垂直轉(zhuǎn)動桿13轉(zhuǎn)動后帶動垂直螺桿14垂直向下方向走，直至垂直螺桿14下端面頂?shù)教菁壍奶っ?，此時繼續(xù)轉(zhuǎn)動垂直轉(zhuǎn)動桿13，由于螺桿結(jié)構(gòu)的反作用力通過垂直螺桿塊向反方向的垂直上方運(yùn)動，同時帶動連動傳感器推拉支架4使垂直力傳感器5接觸頂起梳齒板的底面，直至安全開關(guān)動作，記錄垂直力傳感器對應(yīng)顯示器10上的記錄數(shù)值，完成垂直安全開關(guān)檢測和觸發(fā)力大小的測量，從而實(shí)現(xiàn)梳齒板垂直安全開關(guān)和力的測試。

對于第二階段失效備用方案，增加末端垂直壓板11，當(dāng)?shù)诙A段較大力使得垂直轉(zhuǎn)動桿13轉(zhuǎn)動后，此時可采取以垂直螺桿14下端面為支點(diǎn)，用力向下推垂直壓板11。由于杠桿作用使得另一端傳感器推拉支架4的垂直力傳感器5接觸頂起梳齒板的底面，直至安全開關(guān)動作，記錄垂直力傳感器對應(yīng)顯示器10上的記錄數(shù)值，完成垂直安全開關(guān)檢測和觸發(fā)力大小的測量，從而實(shí)現(xiàn)梳齒板垂直安全開關(guān)和力的測試。

2 有限元分析與驗(yàn)證

在我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，對梳齒板安全開關(guān)的保護(hù)檢測裝置校核的方法、安全系數(shù)和許用應(yīng)力沒有給出明確規(guī)定，故校核壓力值采用美國ASME A17.1—2016標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)度計(jì)算和校核仍采用傳統(tǒng)方法[7-8]，將材料許用應(yīng)力值與實(shí)際強(qiáng)度計(jì)算值進(jìn)行對比，以計(jì)算和校核檢測設(shè)備的安全性[6]。同時因梳齒板保護(hù)檢測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細(xì)小零部件繁多，局部連接處可能存在應(yīng)力集中。本文設(shè)計(jì)的微型測力器安裝在傳感器推拉支架結(jié)構(gòu)上，通過支架和螺栓固定方式進(jìn)行連接，支架是力傳感系統(tǒng)承載的重要組成部分，其承載能力是此檢測裝置安全性的決定性因素之一。

2.1 檢測裝置傳感器推拉支架的有限元分析

檢測裝置的傳感器推拉支架是個L型支架結(jié)構(gòu)，是固定水平傳感器和垂直傳感器的連接裝置，同時承載水平和垂直力傳感器對外加荷載的主要承力結(jié)構(gòu),其性能也直接影響監(jiān)測裝置的安裝及運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性。傳感器推拉支架也稱測力計(jì)支撐板，以高強(qiáng)度的合金鋼為材料，彈性模量為2.1×1011N/m2；泊松比0.3；抗拉強(qiáng)度為7.9×1010N/m2；屈服強(qiáng)度620×106N/m2。運(yùn)用有限元分析軟件對測力計(jì)支撐板結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行一系列的性能分析，主要內(nèi)容包括應(yīng)力強(qiáng)度和位移撓度的變化，以此用于驗(yàn)證支撐板安裝在其結(jié)構(gòu)性能上的可靠性[9]。

按美國ASME標(biāo)準(zhǔn)對梳齒板垂直方向靠梳齒板的前部中心施加不大于670 N的垂直力。選擇在微型測力計(jì)的固定位置施加最大670 N的垂直向下的力，在支架末端添加固定幾何體夾具，然后生成高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)劃分，且進(jìn)行運(yùn)行計(jì)算，得出有限元分析應(yīng)力和位移形變結(jié)果。對有限元分析模型進(jìn)行支架模型圖以及加載外部條件和劃分網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 支架模型圖以及加載外部條件和劃分網(wǎng)格

2.2 強(qiáng)度與撓度分析

圖5為支架結(jié)構(gòu)有限元分析靜應(yīng)力和位移形變結(jié)果，通過圖5得到有限元分析數(shù)值(表1)。

圖5 支架結(jié)構(gòu)有限元特性分析結(jié)果

表1 有限元分析數(shù)值

由分析結(jié)果可知：

1)推拉支架最大靜應(yīng)力是460 MPa，高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)力屈服極限是620 MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)安全要求的[7]；

2)參照表1內(nèi)相關(guān)最大數(shù)值，最大位移撓度為2.87 mm，根據(jù)《G16899—2011 5.3.3.3》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制動試驗(yàn)踏面表面不應(yīng)產(chǎn)生大于4 mm的永久變形，所以撓度也滿足安全設(shè)計(jì)要求；

自動扶梯梳齒板保護(hù)檢測裝置的傳感器推拉支架模型有限元應(yīng)力特性分析結(jié)果表明，根據(jù)《扶梯安全規(guī)范》[10]，此L型支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度都能達(dá)到安全設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 結(jié)語

分析自動扶梯梳齒板保護(hù)檢測現(xiàn)狀問題，提出研究設(shè)計(jì)一種檢測梳齒板安全開關(guān)動作以及作用力大小檢測裝置的必要性,基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對檢測裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立其整體機(jī)構(gòu)三維模型。通過有限元法對檢測裝置的傳感器推拉支架進(jìn)行分析，得出應(yīng)力屈服極限和撓度位移形變結(jié)果，并針對傳感器推拉支架的安全設(shè)計(jì)規(guī)范及其材料特性進(jìn)行比較和驗(yàn)證，確定方案的安全合理和有效性。