淺談自動(dòng)扶梯制動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法及其研究進(jìn)展

江海濱 余仁輝 陳志浩 陳建勛

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 佛山 528251；2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院順德檢測(cè)院，廣東 佛山 528399；3.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院，廣東 珠海 519002）

0 引言

自動(dòng)扶梯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“扶梯”）廣泛應(yīng)用于大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、地鐵站、火車(chē)站等公共場(chǎng)合，是人們生產(chǎn)生活的重要交通工具。作為一類(lèi)機(jī)電類(lèi)特種設(shè)備，除了乘梯便捷性外，其安全性能也得到了廣泛的社會(huì)關(guān)注。扶梯制動(dòng)器屬于機(jī)電一體化部件，是扶梯在設(shè)備故障、意外事故發(fā)生時(shí)確保梯級(jí)有效制停的重要安全保護(hù)裝置，可看作扶梯的“剎車(chē)系統(tǒng)”，其重要性不言而喻[1]。扶梯正常運(yùn)行時(shí)制動(dòng)器制動(dòng)閘瓦處于松閘打開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)由于部件故障觸發(fā)安全開(kāi)關(guān)動(dòng)作或急停開(kāi)關(guān)被人為按下時(shí)，制動(dòng)器電磁線(xiàn)圈都將被停止供電，觸發(fā)鐵芯受迫運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)制動(dòng)閘瓦實(shí)現(xiàn)制動(dòng)輪摩擦減速，最終實(shí)現(xiàn)梯級(jí)減速制停，保護(hù)乘客安全。制停過(guò)程不可過(guò)于平緩，否則發(fā)生事故時(shí)不能及時(shí)停梯以消除安全隱患，或?qū)⒔o乘客造成持續(xù)性傷害；同時(shí)也不可過(guò)于急促，否則慣性太大易導(dǎo)致乘客心理恐慌，容易誘發(fā)摔倒、踩踏等二次傷害。制停距離、制停減速度、制停時(shí)間是評(píng)估扶梯制動(dòng)性能的主要參數(shù)，是扶梯安裝、調(diào)試、檢驗(yàn)、維保、安全抽查、事故調(diào)查過(guò)程中的重要測(cè)試項(xiàng)目。

1 檢測(cè)要求

特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——自動(dòng)扶梯與自動(dòng)人行道》（TSG T7005—2012）附件A第10.3“制停距離”項(xiàng)規(guī)定，不同名義速度空載和有載向下運(yùn)行的扶梯制停距離應(yīng)符合表1范圍，名義速度不在表1范圍內(nèi)時(shí)可采用插值方法計(jì)算制停距離范圍。根據(jù)該項(xiàng)檢驗(yàn)要求，制停距離應(yīng)從電氣控制裝置動(dòng)作時(shí)開(kāi)始測(cè)量，可采用儀器測(cè)量或標(biāo)記測(cè)量方法，扶梯監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)進(jìn)行有載制動(dòng)試驗(yàn)，定期檢驗(yàn)時(shí)只做空載試驗(yàn)[2]。

表1 扶梯制停距離要求

根據(jù)《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB 16899—2011）第5.4.2.1.3條，扶梯進(jìn)行有載下行制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)梯級(jí)的名義寬度確定每個(gè)梯級(jí)上的制動(dòng)載荷，如表2所示，試驗(yàn)時(shí)將全部額定載荷集中放置于扶梯上部2/3的梯級(jí)上[3]。

表2 扶梯制動(dòng)載荷要求

針對(duì)制停減速度，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，扶梯向下運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程中沿運(yùn)行方向上的減速度不應(yīng)大于1 m/s2，原始減速信號(hào)應(yīng)經(jīng)過(guò)4.0 Hz兩階巴特沃斯濾波器濾波。

2 測(cè)量方法

2.1 梯級(jí)標(biāo)記法

梯級(jí)標(biāo)記法是現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)最常用的人工測(cè)試方法。其測(cè)試過(guò)程為：扶梯靜止時(shí)用記號(hào)筆在一個(gè)梯級(jí)上沿左右方向劃一條標(biāo)記線(xiàn)，隨后驅(qū)動(dòng)扶梯下行，當(dāng)被標(biāo)記的梯級(jí)即將運(yùn)行完一個(gè)周期時(shí)，觀察到標(biāo)記線(xiàn)從上出入口梳齒板與梯級(jí)相交線(xiàn)處出現(xiàn)的瞬間快速按下急停開(kāi)關(guān)。以自動(dòng)人行道空載制停試驗(yàn)為例，如圖1所示，設(shè)備停止后用卷尺測(cè)量梳齒板和踏板相交線(xiàn)與標(biāo)記線(xiàn)的距離，作為制停距離。

圖1 標(biāo)記法測(cè)量制停距離

該方法僅需卷尺和記號(hào)筆即可快速完成測(cè)試，操作簡(jiǎn)便，但不同測(cè)試人員按下急停開(kāi)關(guān)時(shí)刻存在主觀差異，甚至同一操作人員重復(fù)測(cè)試時(shí)制停瞬間也有先后差異，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果可重復(fù)性差。若所測(cè)制停距離剛好位于標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍臨界值附近，則較難判斷是否符合要求。此外，若扶梯制停后標(biāo)記線(xiàn)所在梯級(jí)位于扶梯行架過(guò)渡段或傾斜段，制停距離也并非梳齒板和梯級(jí)相交線(xiàn)與標(biāo)記線(xiàn)的水平距離，則其值不易直接測(cè)量。

2.2 扶手帶標(biāo)記法

針對(duì)梯級(jí)標(biāo)記法存在制停后標(biāo)記線(xiàn)位于非水平梯級(jí)上時(shí)制停距離不便測(cè)量的問(wèn)題，胡戰(zhàn)生等人[4]提出了測(cè)量制停距離的扶手帶標(biāo)記法，在確定扶手帶與梯級(jí)同步運(yùn)行的前提下，用制停過(guò)程中傾斜段扶手帶運(yùn)動(dòng)距離代替梯級(jí)運(yùn)動(dòng)距離。測(cè)量方法如圖2所示，在扶梯傾斜段護(hù)壁板上沿上下方向劃標(biāo)記線(xiàn)1，啟動(dòng)扶梯下行，當(dāng)速度穩(wěn)定后迅速在上端站扶手帶內(nèi)緣粘貼細(xì)長(zhǎng)標(biāo)記線(xiàn)2，觀察到兩標(biāo)記線(xiàn)處于同一位置時(shí)快速按下急停開(kāi)關(guān)，制停后測(cè)量?jī)蓸?biāo)記線(xiàn)沿傾斜段方向的距離，即為制停距離。

圖2 扶手帶標(biāo)記法測(cè)量扶梯制停距離示意圖

該方法通過(guò)傾斜段距離測(cè)量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的出入口處水平距離測(cè)量，測(cè)試時(shí)可以直觀地觀察標(biāo)記線(xiàn)，由于扶梯傾斜段距離足夠長(zhǎng)，也適用于較大制停距離的測(cè)量。相對(duì)于傳統(tǒng)梯級(jí)標(biāo)記法，該方法提高了制停距離測(cè)量通用性，降低了制動(dòng)執(zhí)行瞬間的主觀隨意性。由于測(cè)量前需調(diào)整扶手帶與梯級(jí)同步運(yùn)行，測(cè)量后需恢復(fù)扶手帶速度到合理先行范圍，因此該方法測(cè)試過(guò)程操作較復(fù)雜。

2.3 旋轉(zhuǎn)編碼測(cè)量法

旋轉(zhuǎn)編碼測(cè)量法基于光電脈沖測(cè)量原理，配合脈沖計(jì)數(shù)硬件系統(tǒng)，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一周內(nèi)輸出脈沖總數(shù)，可將輸出的脈沖序列轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)編碼器滾輪角速度數(shù)據(jù)序列，再根據(jù)測(cè)速滾輪直徑進(jìn)一步換算出待測(cè)物體運(yùn)行速度、位移和加減速度數(shù)據(jù)。如圖3所示，測(cè)試時(shí)在扶梯出入口利用吸盤(pán)夾具將旋轉(zhuǎn)編碼測(cè)速組件吸附于自動(dòng)扶梯護(hù)壁板上，并使與編碼器同軸的測(cè)速滾輪與梯級(jí)表面接觸，隨后啟動(dòng)設(shè)備下行，梯級(jí)運(yùn)行時(shí)測(cè)速滾輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到正常運(yùn)行速度時(shí)利用觸發(fā)裝置按下急停開(kāi)關(guān)，觸發(fā)扶梯緊急制停的同時(shí)儀器記錄開(kāi)始制停時(shí)刻，制停結(jié)束后制停距離、制停時(shí)間等信息直接顯示于儀器人機(jī)交互界面。

圖3 旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量扶梯制動(dòng)參數(shù)

該方法是最常用的利用儀器測(cè)量扶梯制停距離的方法，可實(shí)現(xiàn)扶梯多個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的快速精確測(cè)量，結(jié)果直觀，通用性強(qiáng)[5-6]。

2.4 加速度積分法

加速度傳感器是測(cè)量物體直線(xiàn)運(yùn)行加速度、速度、位移的有效手段，亦可用于扶梯運(yùn)行參數(shù)測(cè)量[7-8]。如圖4所示，扶梯靜止時(shí)將三軸加速度測(cè)量模塊放置于上端梯級(jí)上，操作設(shè)備下行，待速度穩(wěn)定后操作緊急制停，加速度測(cè)量模塊記錄制停過(guò)程中三軸加速度數(shù)據(jù)并上傳至計(jì)算機(jī)終端。為使數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，測(cè)試時(shí)加速度模塊應(yīng)與梯級(jí)保持相對(duì)靜止，參考扶梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，加速度模塊與梯級(jí)表面的接觸壓力建議不低于60 kPa[9]。去除加速度數(shù)據(jù)中與重力加速度相關(guān)的直流分量后，以梯級(jí)靜止?fàn)顟B(tài)某時(shí)刻作為計(jì)算起點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)序數(shù)值積分可得到梯級(jí)速度序列，進(jìn)一步數(shù)值積分可得到位移序列，最后綜合分析速度曲線(xiàn)、位移曲線(xiàn)可確定制停開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，從而得到制停距離。

圖4 三軸加速度傳感器測(cè)量扶梯制動(dòng)參數(shù)

該方法操作簡(jiǎn)單，計(jì)算加速度矢量和即可直接測(cè)得扶梯傾斜段運(yùn)行方向上的制停減速度，更能體現(xiàn)乘客在扶梯緊急制停過(guò)程中的沖擊感受。

2.5 數(shù)字圖像檢測(cè)法

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理技術(shù)在測(cè)量控制領(lǐng)域的快速發(fā)展，圖像檢測(cè)法在電梯檢驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[10-11]。任馨等人[12]通過(guò)電流傳感器采集制動(dòng)器供電電流以識(shí)別制動(dòng)起始時(shí)刻，同時(shí)利用隨梯級(jí)同步運(yùn)行的圖像檢測(cè)模塊連續(xù)采集裙板表面圖像信息并依據(jù)相鄰幀微圖像像素位置變化值計(jì)算出梯級(jí)位移信息，借助平板電腦處理算法可對(duì)扶梯制停距離、制停減速度、梯級(jí)速度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

該方法可實(shí)現(xiàn)扶梯制動(dòng)參數(shù)的非接觸測(cè)量，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)。

3 各方法綜合比較

以下從測(cè)量原理、準(zhǔn)確度、便捷性、測(cè)試成本等方面對(duì)上述五種測(cè)量方法進(jìn)行比較，如表3所示。由表3可知，標(biāo)記測(cè)量法的主要優(yōu)勢(shì)是測(cè)試便捷快速、成本低，專(zhuān)用儀器測(cè)量法的主要優(yōu)勢(shì)是自動(dòng)化程度和準(zhǔn)確性高。

表3 各測(cè)量方法比較結(jié)果

要實(shí)現(xiàn)扶梯制動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，除需對(duì)制停過(guò)程梯級(jí)運(yùn)行距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量外，還需要準(zhǔn)確識(shí)別制動(dòng)執(zhí)行電氣開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間。除標(biāo)記法的目視識(shí)別外，還可通過(guò)以下方法記錄觸發(fā)時(shí)刻：第一種方法是識(shí)別機(jī)械觸發(fā)信號(hào)，即用觸發(fā)棒按壓急停開(kāi)關(guān)觸發(fā)扶梯電氣開(kāi)關(guān)動(dòng)作，同時(shí)觸發(fā)棒前端與急停開(kāi)關(guān)接觸的按鈕開(kāi)關(guān)被按下，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)給檢測(cè)儀器；第二種方法是識(shí)別電流觸發(fā)信號(hào)，即通過(guò)電流互感原理監(jiān)測(cè)制動(dòng)器供電電流，電流信號(hào)突變瞬間為制動(dòng)器動(dòng)作瞬間，此方法需對(duì)電流互感傳感器響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償；第三種方法是分析連續(xù)采集到的觸發(fā)電信號(hào)曲線(xiàn)特征，根據(jù)斜率變化規(guī)律，利用算法進(jìn)行制動(dòng)瞬間識(shí)別。

4 通過(guò)輕載或空載測(cè)量有載制動(dòng)性能

扶梯監(jiān)督檢驗(yàn)過(guò)程中有載下行制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)需使用大量砝碼，砝碼裝卸過(guò)程耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本，操作不慎也可能對(duì)扶梯結(jié)構(gòu)造成損傷。此外，測(cè)試時(shí)通常在扶梯下出入口進(jìn)行砝碼裝載，部分扶梯由于提升動(dòng)力不足，很難將滿(mǎn)足表2要求的總制動(dòng)載荷提升至扶梯上端，這也給砝碼搬運(yùn)工作帶來(lái)了不便。因此，設(shè)備使用單位、維保單位通常對(duì)砝碼試驗(yàn)有抵觸心理。如何根據(jù)合理的計(jì)算模型，并通過(guò)輕載或空載制停試驗(yàn)所得制停距離、制停減速度等數(shù)據(jù)對(duì)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定載荷的有載制動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，已成為該檢測(cè)項(xiàng)目的研究熱點(diǎn)。

高峰等人[13]根據(jù)能量守恒原則，推算出扶梯在任意小于額定載荷時(shí)的制停距離計(jì)算公式：

式中：S任為任意載荷m任時(shí)的制停距離（m）；S0為空載時(shí)制停距離（m）；m1為加載在梯級(jí)上的輕載荷（kg）；v為扶梯額定速度（m/s）；S1為在輕載m1時(shí)的制停距離（m）；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；α為傾斜角（°）。

根據(jù)該計(jì)算公式，通過(guò)一組空載制停試驗(yàn)和一組輕載制停試驗(yàn)分別得到空載制停距離和輕載制停距離，即可計(jì)算出m任載荷下的制停距離，當(dāng)m任為滿(mǎn)足GB 16899—2011中的額定載荷時(shí)，S任即為有載制停距離。

余仁輝等人[14]根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律，推導(dǎo)出有載制停距離與空載制停減速度的關(guān)系：

式中：S為載荷m下的制停距離（m）；P為扶梯空載運(yùn)行時(shí)消耗的功率（W）；v為扶梯額定速度（m/s）；a0為打開(kāi)制動(dòng)器閘瓦且僅在扶梯自身摩擦力矩作用下空載下行制停減速度（m/s2）；a1為制動(dòng)器作用下空載下行制停減速度（m/s2）；θ為傾斜角（°）；μ為扶梯梯級(jí)等運(yùn)動(dòng)部件與固定部件間摩擦系數(shù)。

根據(jù)該關(guān)系，在已知扶梯摩擦系數(shù)前提下，測(cè)得空載功率和兩組空載制停減速度即可計(jì)算出特定載荷下的制停距離。將制停過(guò)程近似勻減速過(guò)程，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可計(jì)算出平均制停減速度。該方法可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)參數(shù)的無(wú)載荷測(cè)試，難點(diǎn)在于如何獲取扶梯的摩擦系數(shù)。一種摩擦系數(shù)確定方法是：可測(cè)得一組輕載制停試驗(yàn)下的制停距離，反向求解出摩擦系數(shù)，該摩擦系數(shù)應(yīng)用于此后同一型號(hào)扶梯有載制停距離計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

一般檢驗(yàn)過(guò)程中采用標(biāo)記法可實(shí)現(xiàn)扶梯制停距離的現(xiàn)場(chǎng)快速、低成本檢測(cè)，當(dāng)標(biāo)記法所測(cè)制停距離在所要求區(qū)間邊緣，不確定判斷結(jié)果時(shí)，可采用專(zhuān)用檢測(cè)儀器進(jìn)一步測(cè)量。專(zhuān)用儀器檢測(cè)法由于測(cè)量精確度高，更適合專(zhuān)項(xiàng)抽查、事故調(diào)查等場(chǎng)合，便于數(shù)據(jù)追溯。此外，通過(guò)空載或輕載試驗(yàn)對(duì)GB 16899—2011規(guī)定的有載制停距離進(jìn)行計(jì)算可以極大地降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)和人力成本，縮短試驗(yàn)時(shí)間。該方法基于特定的假設(shè)和計(jì)算模型，目前還處于試驗(yàn)驗(yàn)證完善階段，將來(lái)有望大范圍應(yīng)用于扶梯有載制動(dòng)參數(shù)檢測(cè)。