自動(dòng)扶梯樓層板振動(dòng)分析

沈文浩 馮雙昌

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，自動(dòng)扶梯已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，在高樓、車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)等場(chǎng)合為人員快速運(yùn)輸提供了便利。以往，人們對(duì)于自動(dòng)扶梯的關(guān)注主要在其安全性上。但是，隨著社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展和人們對(duì)于美好生活的更多向往，自動(dòng)扶梯作為直接向公眾提供接觸式移動(dòng)服務(wù)的特種設(shè)備，其舒適性也越來(lái)越受到民眾的關(guān)注。遺憾的是，目前我國(guó)對(duì)于自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量方面的研究還較少。

自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)主機(jī)、主驅(qū)動(dòng)鏈、金屬桁架上的導(dǎo)軌、梯級(jí)鏈條、梯級(jí)主輪、輔輪、轉(zhuǎn)向裝置等安裝質(zhì)量密切相關(guān)，且各個(gè)部件之間耦合度大，這就導(dǎo)致即使是同型號(hào)的自動(dòng)扶梯，其乘運(yùn)質(zhì)量也可能由于安裝方式、使用時(shí)間、負(fù)載強(qiáng)度等因素產(chǎn)生巨大差異。本文選擇了振動(dòng)這一角度，對(duì)自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量進(jìn)行研究。

從乘客的角度來(lái)說(shuō)，乘坐自動(dòng)扶梯時(shí)首先會(huì)經(jīng)過(guò)自動(dòng)扶梯入口，與樓層板接觸，再乘上梯級(jí)，與梯級(jí)、扶手帶接觸，最后由自動(dòng)扶梯出口離開(kāi)。在整個(gè)過(guò)程中，自動(dòng)扶梯的最大加（減）速度、垂直振動(dòng)、水平振動(dòng)等都會(huì)對(duì)乘客乘坐時(shí)的實(shí)際感受造成影響。

本文筆者將首先選取乘客進(jìn)入自動(dòng)扶梯與離開(kāi)自動(dòng)扶梯這兩個(gè)過(guò)程，通過(guò)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)自動(dòng)扶梯上下端站樓層板給乘客帶來(lái)的舒適性進(jìn)行研究，也是為以后研究梯級(jí)與扶手帶做前期的技術(shù)積累與鋪墊。

1 自動(dòng)扶梯樓層板振動(dòng)介紹

自動(dòng)扶梯屬于特種設(shè)備，是一種帶有循環(huán)運(yùn)動(dòng)梯路，用以在建筑物的不同層高間向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

自動(dòng)扶梯的大部分驅(qū)動(dòng)裝置都集中在上端站，如圖1所示，包括驅(qū)動(dòng)主機(jī)、驅(qū)動(dòng)主軸、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制柜、轉(zhuǎn)向鏈輪、扶手帶驅(qū)動(dòng)裝置等。樓層板作為隔絕乘客和自動(dòng)扶梯內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝置，覆蓋在檢修空間之上。在自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)，處于檢修空間內(nèi)的眾多裝置的運(yùn)行振動(dòng)會(huì)形成振動(dòng)源，很大程度上對(duì)樓層板產(chǎn)生影響[1]。

圖1 自動(dòng)扶梯上端站

相對(duì)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)扶梯的下端站所安裝的裝置就比較少，如圖2所示。比較重要的裝置比如張緊裝置，由于其自身構(gòu)造，其內(nèi)部組件有壓縮彈簧，可能會(huì)一定程度減輕導(dǎo)軌梯級(jí)等振動(dòng)源所帶來(lái)的影響。

圖2 自動(dòng)扶梯下端站

2 樓層板振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

本文針對(duì)自動(dòng)扶梯上下端站樓層板振動(dòng)情況設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為上海某火車(chē)站天橋出入口的公共交通型自動(dòng)扶梯，如圖3所示。該自動(dòng)扶梯2014年制造，2015年投入使用至今，名義速度為0.50m/s，提升高度為4.7m。該自動(dòng)扶梯為三菱K型自動(dòng)扶梯，該型號(hào)自動(dòng)扶梯在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛，屬于主要廠(chǎng)商典型自動(dòng)扶梯，因此本次實(shí)驗(yàn)對(duì)自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量的研究具有比較重要的意義。

圖3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象自動(dòng)扶梯

本次自動(dòng)扶梯上下端站樓層板振動(dòng)實(shí)驗(yàn)采用的儀器為電梯乘運(yùn)質(zhì)量檢測(cè)儀ATL-370，該儀器采用高性能三軸加速度傳感器獲取自動(dòng)扶梯運(yùn)行數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中一律采用檢測(cè)人員面向自動(dòng)扶梯為基準(zhǔn)，指向扶梯梯級(jí)方向?yàn)閄軸正方向，右側(cè)為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，如圖4所示[2]。

圖4 對(duì)樓層板靠近梳齒板位置進(jìn)行測(cè)量

本次實(shí)驗(yàn)首先對(duì)自動(dòng)扶梯上端站樓層板在自動(dòng)扶梯靜止時(shí)以及運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況進(jìn)行了測(cè)試，得到以下曲線(xiàn)圖，圖5為自動(dòng)扶梯靜止時(shí)在上端站樓層板中心位置測(cè)得的振動(dòng)曲線(xiàn)，圖6為自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)在上端站樓層板中心位置測(cè)得的振動(dòng)曲線(xiàn)。每次測(cè)量都會(huì)分別記錄X軸、Y軸與Z軸的曲線(xiàn)，并計(jì)算總加加速度。本次實(shí)驗(yàn)還對(duì)下端站樓層板的中心位置進(jìn)行了測(cè)量，得到了相應(yīng)的曲線(xiàn)圖，由于自動(dòng)扶梯上端站樓層板振動(dòng)情況具有代表性，僅以上端站為例進(jìn)行分析。

圖5 扶梯靜止時(shí)上端站樓層板的振動(dòng)情況

圖6 扶梯運(yùn)行時(shí)上端站樓層板的振動(dòng)情況

3 上端站樓層板振動(dòng)分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前需要確定合適的分析方法。筆者翻閱了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取了《機(jī)械振動(dòng)與沖擊人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)第1部分：一般要求》（GB/T 13441.1—2007）來(lái)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行分析[3]。

GB/T13441.1—2007中6.1“用計(jì)權(quán)均方根加速度的基本評(píng)價(jià)方法”中規(guī)定：振動(dòng)評(píng)價(jià)應(yīng)總是包括如本條中所定義的計(jì)權(quán)均方根（r.m.s）加速度的測(cè)量。對(duì)平移振動(dòng)，計(jì)權(quán)均方根加速度用m/s2表示，而對(duì)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)則用rad/s2表示。計(jì)權(quán)均方根加速度應(yīng)按下式或其頻域的等價(jià)式計(jì)算：

式中：aw（t）為時(shí)間函數(shù)（時(shí)間歷程）的計(jì)權(quán)加速度（平移的，單位為m/s2；或旋轉(zhuǎn)的，單位為rad/s2）；T為測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度（s）。

自動(dòng)扶梯樓層板的振動(dòng)屬于平移振動(dòng)，因此對(duì)原始振動(dòng)曲線(xiàn)（圖5和圖6）進(jìn)行計(jì)權(quán)均方根處理，得到表1數(shù)據(jù)。

表1 扶梯運(yùn)行與靜止時(shí)上端站樓層板振動(dòng)情況對(duì)比表

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，對(duì)扶梯靜止時(shí)的樓層板振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，X軸方向上的r.m.s值明顯低于Y軸與Z軸，約為Y軸r.m.s值的42%，Z軸r.m.s值的28%。

對(duì)扶梯運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同樣也有部分上述情況。X軸方向上的r.m.s值為Z軸r.m.s值的31%。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)將自動(dòng)扶梯靜止與運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，樓層板Y軸方向上的振動(dòng)情況影響相對(duì)于其他兩軸的變化不大。Y軸運(yùn)行時(shí)比靜止時(shí)大約增幅280%，而X軸和Z軸運(yùn)行時(shí)比靜止時(shí)大約增幅700%。扶梯靜止時(shí)，Y軸r.m.s值比X軸r.m.s大，約為X軸的219%；而扶梯運(yùn)行時(shí)，Y軸r.m.s值增幅就小，與X軸持平。但無(wú)論是扶梯靜止時(shí)還是運(yùn)行時(shí)，X軸與Y軸的r.m.s值都遠(yuǎn)小于Z軸的r.m.s值。

根據(jù)GB/T13441.1—2007中的要求，用于振動(dòng)對(duì)舒適影響預(yù)測(cè)的頻率計(jì)權(quán)與方向因數(shù)k一起使用。GB/T 13441.1—2007的8.2.2.2中對(duì)立姿人體的頻率計(jì)權(quán)和方向因數(shù)有如下規(guī)定：X軸（地板振動(dòng)）：wd，k=1；Y軸（地板振動(dòng)）：wd，k=1；Z軸（地板振動(dòng)）：wk，k=1。由此可見(jiàn)，對(duì)于立姿人體來(lái)說(shuō)，X、Y兩軸對(duì)人體舒適性的影響是相同的。當(dāng)振動(dòng)頻率大于3Hz時(shí)，Z軸振動(dòng)頻率計(jì)權(quán)wk值大于wd值。自動(dòng)扶梯樓層板振動(dòng)遠(yuǎn)大于3Hz，因此對(duì)于自動(dòng)扶梯來(lái)說(shuō)，Z軸振動(dòng)對(duì)人體舒適性的影響比X軸和Y軸更大。

回到表1的數(shù)據(jù)，在對(duì)自動(dòng)扶梯樓層板的振動(dòng)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是扶梯靜止還是運(yùn)行時(shí)，X軸與Y軸的振動(dòng)都遠(yuǎn)小于Z軸。因此可以認(rèn)為，在自動(dòng)扶梯樓層板對(duì)乘客的舒適性影響中，Z軸振動(dòng)起主導(dǎo)地位。

再根據(jù)GB/T13441.1—2007附錄C.2.3中對(duì)振動(dòng)環(huán)境的舒適反應(yīng)的規(guī)定：

當(dāng)振動(dòng)小于0.315m/s2時(shí)，乘客感覺(jué)不到不舒適，而X軸與Y軸上的r.m.s值即使在扶梯運(yùn)行時(shí)，離0.315m/s2的界限也還是有些差距的?？梢哉J(rèn)為，X軸和Y軸的振動(dòng)不會(huì)引起乘客的不舒適，對(duì)自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量影響較小。

當(dāng)振動(dòng)處于0.315～0.63m/s2時(shí)，乘客會(huì)感覺(jué)到有點(diǎn)不舒服。該自動(dòng)扶梯上端站樓層板運(yùn)行時(shí)Z軸的平均振動(dòng)r.m.s值為0.496m/s2，處于這個(gè)區(qū)間，但同時(shí)GB/T 13441.1—2007附錄C.2.3也表明不同振動(dòng)量值的反應(yīng)取決于乘客對(duì)旅行持續(xù)時(shí)間的期望和乘客所期望完成的活動(dòng)類(lèi)型以及諸多原因。乘客在出入自動(dòng)扶梯時(shí)，在樓層板上停留的時(shí)間較短，大概在2～4步，和乘客身高也有關(guān)系。因此，結(jié)合時(shí)間考慮，乘客的感受會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)有所差異。

4 上下端站樓層板之間的振動(dòng)對(duì)比

本次實(shí)驗(yàn)還對(duì)下端站樓層板的中心位置進(jìn)行了測(cè)量，并與上端站樓層板運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況進(jìn)行了對(duì)比，得到表2中的數(shù)據(jù)。

由表2中的數(shù)據(jù)可知，下端站樓層板的三軸振動(dòng)全面小于上端站的三軸振動(dòng)。這也印證了上文中的猜想，自動(dòng)扶梯的下端站主要安裝張緊裝置，并且張緊裝置內(nèi)部組件有壓縮彈簧，一定程度上減輕了振動(dòng)源所帶來(lái)的影響。

表2 扶梯運(yùn)行時(shí)上下端站樓層板振動(dòng)情況對(duì)比表

再結(jié)合上述Z軸振動(dòng)起主導(dǎo)地位的結(jié)論，筆者認(rèn)為，若需要對(duì)自動(dòng)扶梯樓層板進(jìn)行大批量或標(biāo)準(zhǔn)化乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量，可以將檢驗(yàn)方法簡(jiǎn)化，著重測(cè)量上端站樓層板Z軸方向上的振動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文希望對(duì)自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量進(jìn)行研究，以自動(dòng)扶梯樓層板的振動(dòng)情況為對(duì)象進(jìn)行初探。筆者首先選取乘客進(jìn)入自動(dòng)扶梯與離開(kāi)自動(dòng)扶梯這兩個(gè)過(guò)程，通過(guò)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)自動(dòng)扶梯上下端站樓層板給乘客帶來(lái)的舒適性進(jìn)行研究。在對(duì)自動(dòng)扶梯樓層板的振動(dòng)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是扶梯靜止還是運(yùn)行時(shí)，X軸與Y軸的振動(dòng)都遠(yuǎn)小于Z軸，因此認(rèn)為在自動(dòng)扶梯樓層板對(duì)乘客的舒適性影響中，Z軸振動(dòng)起主導(dǎo)地位。同時(shí)將上下端站樓層板的振動(dòng)情況相對(duì)比，驗(yàn)證了存在下端站樓層板的三軸振動(dòng)全面小于上端站樓層板三軸振動(dòng)的現(xiàn)象。在對(duì)自動(dòng)扶梯樓層板進(jìn)行大批量或標(biāo)準(zhǔn)化乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量時(shí)，可以將檢驗(yàn)方法簡(jiǎn)化，著重測(cè)量上端站樓層板Z軸方向上的振動(dòng)。

自動(dòng)扶梯作為直接向公眾提供接觸式移動(dòng)服務(wù)的特種設(shè)備，其舒適性越來(lái)越受到民眾的關(guān)注。遺憾的是，目前我國(guó)對(duì)于自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量方面的研究還較少。本論文的研究也是為以后研究梯級(jí)與扶手帶對(duì)自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量的影響做前期的技術(shù)積累與鋪墊。