自動(dòng)扶梯樓層板防滑性能現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)方法研究及裝置研制

鄢宇中, 張九洲, 史 熙, 胡松濤, 徐 洲

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240,E-mail:1226441221@sjtu.edu.cn)

隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)以及科技的進(jìn)步,公共領(lǐng)域的機(jī)電類特種設(shè)備之一的自動(dòng)扶梯越來(lái)越普及。自動(dòng)扶梯是由一臺(tái)特種結(jié)構(gòu)形式的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)和兩臺(tái)特殊結(jié)構(gòu)形式的帶式輸送機(jī)所組合而成,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人員的固定電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備。自動(dòng)扶梯主要構(gòu)件有:桁架、驅(qū)動(dòng)裝置、牽引鏈、張緊裝置、梯級(jí)踏板、梯級(jí)導(dǎo)軌、梳齒板、扶梯樓層板以及扶手[1]。

應(yīng)用場(chǎng)合的普遍性、設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性,賦予評(píng)判安全性能的實(shí)驗(yàn)技術(shù)以重要意義。人在特定的行走路面滑摔的隱患,已經(jīng)成為自動(dòng)扶梯眾多安全隱患中不可忽視的一個(gè)問(wèn)題[2]。人足部直接接觸到的平面部件是梯級(jí)踏板與扶梯樓層板,滑摔事故發(fā)生時(shí)多為行人邁入梯級(jí)踏板的瞬間加速過(guò)程、蹬離梯級(jí)踏板的瞬間減速過(guò)程以及在扶梯樓層板上的行進(jìn)過(guò)程。因此,對(duì)自動(dòng)扶梯梯級(jí)踏板與樓層板的防滑性能的技術(shù)研究具有重要的安全指導(dǎo)意義[3]。

防滑性能測(cè)試方法按照測(cè)量方式劃分,可分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。按照測(cè)量特性劃分,可分為靜態(tài)裝置、穩(wěn)定動(dòng)態(tài)裝置、臨界摩擦裝置以及鐘擺擺動(dòng)裝置。按照測(cè)量原理劃分,可分為拖拽法[4-5]、鉸接撐桿法[6]、擺錘法[7]、斜坡法[8]。目前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)可基于標(biāo)準(zhǔn)DIN51130的斜坡法以測(cè)試自動(dòng)扶梯相關(guān)部件的防滑性能[9]。斜坡法主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)新部件的防滑性能評(píng)價(jià),如果需要對(duì)在用部件的防滑性能進(jìn)行評(píng)價(jià),則需要維保人員將尚在服役中的自動(dòng)扶梯相關(guān)部件拆下送至實(shí)驗(yàn)室,這加大了評(píng)估的時(shí)間與人力成本。與此同時(shí),隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng),樓層板等部件的防滑性能隨著表面材料的磨損必然發(fā)生退化,因此開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)防滑性能評(píng)價(jià)方法和裝置的需求就顯得非常迫切。

本文提出了一種服役現(xiàn)場(chǎng)防滑性能的有效評(píng)價(jià)方法并研制了相應(yīng)的測(cè)試裝置,研究?jī)?nèi)容主要包括:

(1) 防滑性能的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)方法研究及裝置研制;

(2) DIN51130斜坡法測(cè)試角度結(jié)果與該評(píng)價(jià)方法的相關(guān)性研究;

(3) 確定不同防滑等級(jí)對(duì)應(yīng)該方法測(cè)得的摩擦參數(shù)值范圍。

文中所提方法在保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)與實(shí)驗(yàn)室斜坡法測(cè)得結(jié)果高相關(guān)性的前提下,大大提高了評(píng)判防滑性能的效率。

1 自動(dòng)扶梯相關(guān)部件的防滑性能測(cè)試及等級(jí)劃分

1.1 試驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

DIN51130標(biāo)準(zhǔn)采用斜坡法評(píng)估自動(dòng)扶梯相關(guān)部件的防滑性能。試驗(yàn)裝置由能夠相對(duì)于水平方向雙向旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)主體以及為試驗(yàn)人員提供安全保護(hù)的防墜落支架組成。在試驗(yàn)過(guò)程中,該平臺(tái)主體能以不超過(guò)1°/s的速度穩(wěn)定地在0°到40°之間任意旋轉(zhuǎn),且以±0.2°的誤差實(shí)時(shí)顯示平臺(tái)的傾斜角度。試驗(yàn)時(shí),經(jīng)特殊訓(xùn)練的測(cè)試人員穿著具有特定胎面鞋底的試驗(yàn)鞋,以直立的姿態(tài)在測(cè)試樣品上來(lái)回行走,測(cè)試地面的角度逐漸增大,直到測(cè)試人員滑倒,記錄下此時(shí)的臨界角。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到的臨界角的平均值,與該測(cè)試人員事先在三塊標(biāo)準(zhǔn)板上的試驗(yàn)后得到的修正角度相加,得到的角度即作為防滑性能的評(píng)估依據(jù)。

1.2 基于平均可接受角度的等級(jí)劃分

根據(jù)最終修正得到的角度可以將待測(cè)樣板的防滑等級(jí)分類,修正后的平均傾斜角度在6°到10°內(nèi)時(shí),該樣板對(duì)應(yīng)防滑等級(jí)為R9。角度在10°到19°時(shí),對(duì)應(yīng)防滑等級(jí)為R10[10]。受條件所限,本文所選用的試驗(yàn)樣板防滑等級(jí)集中在這兩個(gè)等級(jí)。

2 防滑性能的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)方法

2.1.1 常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)思路

目前能再現(xiàn)正常直線行走滑動(dòng)時(shí)的足底接觸時(shí)間、法向力、足部角度、鞋上的接觸力施加點(diǎn)和滑動(dòng)速度等參數(shù)的滑度計(jì)僅適用于實(shí)驗(yàn)室。適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的滑度計(jì)因?yàn)槠浔銛y性的需求,往往只能再現(xiàn)個(gè)別重要參數(shù)。

除去對(duì)生物力學(xué)的考量與便攜性,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置還需考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性、適當(dāng)?shù)撵`敏度以及在不同污染物下能否穩(wěn)定工作的能力。

常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器有水平拉動(dòng)測(cè)滑計(jì)HPS(Horizontal Pull Slipmeter),便攜式鉸接式支柱摩擦計(jì)PAST(Portable Articulated Strut Tribometer) ,便攜式摩擦試驗(yàn)機(jī)(Portable Friction Tester),低速滑移計(jì)(Low Velocity Skidmeter)[11],托特斯儀(Tortus)[12],擺錘裝置(Portable Skid Tester)等。

2.1.2 滑度評(píng)價(jià)指標(biāo)

上述儀器通過(guò)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)滑度進(jìn)行測(cè)量。其中摩擦力和能量損失法被廣泛用于衡量滑度的大小。傳統(tǒng)的靜摩擦測(cè)量方法僅適用于清潔的表面,污染表面則需要采用動(dòng)態(tài)摩擦和過(guò)渡摩擦的方法來(lái)正確評(píng)估[13]。

Tortus測(cè)試儀通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)中的小車底部一端橡膠與地面之間的阻力以測(cè)量動(dòng)摩擦系數(shù),因?yàn)橛写蚧膬A向,故該裝置不適合在濕態(tài)表面上測(cè)試。

擺錘法通過(guò)測(cè)量一個(gè)與定點(diǎn)鉸接的擺錘落下后滑過(guò)一段長(zhǎng)度固定的路徑的能量損失,以評(píng)估接觸面的防滑性能。該方法靈敏度不夠高,且不適合測(cè)量具有鋸齒形花紋的樓層板。

本文提出一套基于動(dòng)態(tài)摩擦測(cè)量的、適用于干濕表面且適合測(cè)量樓層板的便攜式實(shí)驗(yàn)方案,該裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)為克服旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的動(dòng)摩擦力所需的扭矩。

2.2 評(píng)價(jià)用裝置研制

2.2.1 硬件構(gòu)成

本文采用測(cè)量固定大小面積區(qū)域的旋轉(zhuǎn)接觸扭矩作為現(xiàn)場(chǎng)防滑性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。裝置由豎直放置的電機(jī)、扭矩傳感器、配重件以及鋁型材支架組成。扭矩傳感器通過(guò)折彎的鈑金件被固定在支架上,并通過(guò)鍵槽結(jié)構(gòu)與配重件連接,通過(guò)剛性聯(lián)軸器與電機(jī)連接。配重件底部粘有耐磨性能較好的聚氨酯。鋁型材支架底部粘有橡膠止滑墊以抵消配重件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的扭矩。

▲圖1 裝置示意圖

伺服電機(jī)額定功率為10 W,扭矩傳感器量程為5 N.m,精度為千分之一,采樣率為500 Hz;設(shè)定配重件的旋轉(zhuǎn)周期為10 s。

裝置主體設(shè)計(jì)示意圖[14]如圖1所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

本文選用大洋傳感器公司開(kāi)發(fā)的扭矩測(cè)量軟件,RS-485通信輸出口輸出當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)值,采用Modbus-RTU協(xié)議與主動(dòng)發(fā)送協(xié)議的方式發(fā)送給扭矩儀表,再以500 Hz的采樣頻率被采樣至上位機(jī)。扭矩以及轉(zhuǎn)速能夠?qū)崟r(shí)顯示在軟件主界面,也能夠在數(shù)據(jù)采集完成后,導(dǎo)出至Excel文件,再導(dǎo)入到matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.3 操作流程

(1) 預(yù)處理流程

將待測(cè)扶梯蓋板樣品平放至水平地面,將WD-40快速油污去除劑泡沫均勻噴灑在待測(cè)區(qū)域,5分鐘后用干凈的竹刷以及海綿擦將其表面刷干擦凈。

將酒精均勻噴灑在配重件底部的聚氨酯上,用干凈的棉布擦凈后放置2分鐘。

(2) 實(shí)驗(yàn)流程

將測(cè)量裝置水平地放置在待測(cè)扶梯蓋板樣品上,接通電機(jī)控制器電源,兩分鐘后開(kāi)始記錄數(shù)據(jù),記錄過(guò)程持續(xù)四分鐘。

選取同一塊樣品板的不同待測(cè)點(diǎn),重復(fù)記錄多次扭矩;

換取不同的待測(cè)樣板并從預(yù)處理步驟重復(fù)。

2.4 測(cè)量結(jié)果的理論分析

考慮裝置的便攜性需求以及實(shí)驗(yàn)中需要不斷地拆卸以清洗接觸表面,將傳感器的輸出軸與配重件的鍵槽連接處以可拆卸的方式連接,從而此處的鍵槽不能過(guò)盈連接,甚至需要留出部分余量以方便拆卸?，F(xiàn)基于以下合理假設(shè)建立數(shù)學(xué)物理模型:

(1) 傳感器的輸出軸與配重件的孔存在一定的偏差角α;

(2) 鍵槽處的鍵會(huì)在槽內(nèi)產(chǎn)生部分軸向的滑移;

(3) 底部聚氨酯的形變保持在其彈性限度內(nèi)。

2.4.1 裝置傾角

鍵槽處鍵的滑移可考慮為兩種極端情形的組合,如圖2、圖3所示。

▲圖2 鍵槽處自由滑動(dòng)

▲圖3 鍵槽處完全固結(jié)

鍵與槽之間完全沒(méi)有摩擦力時(shí),鍵會(huì)在槽內(nèi)自由滑移,配重件僅沿豎直方向旋轉(zhuǎn),不出現(xiàn)側(cè)傾;

鍵與槽完全固結(jié)時(shí),配重件在沿豎直方向旋轉(zhuǎn)的同時(shí),會(huì)隨著鍵在豎直方向上的位移變化而出現(xiàn)側(cè)傾;根據(jù)物理約束,滿足以下方程:

(1)

式中:l為鍵槽連接處最低點(diǎn)到地面的距離;d為傳感器輸出軸直徑;α為兩軸偏心角;D為底部接觸面的直徑;β為配重件底面與地面之間的側(cè)傾角;ε為豎直方向上與鍵相連的槽內(nèi)一點(diǎn)的位移與鍵位移的比值,0≤ε≤1。

▲圖4 β在一個(gè)周期的變化

2.4.2 裝置底部應(yīng)力分布

裝置底部受力狀況如圖5所示。

▲圖5 底部應(yīng)力分布

沿著x軸的應(yīng)力應(yīng)變分布公式:

(2)

滿足方程:

σ(x)=E×ε(x)

(3)

(4)

式中:θ1為底面真實(shí)受力的接觸面在橢圓投影上的占據(jù)位角的一半,ρ1為投影的橢圓中心到底面真實(shí)受力的接觸面的最短距離:

可得θ1關(guān)于t的數(shù)值解,如圖6所示。

▲圖6 θ1關(guān)于t的數(shù)值解

由圖6可知,在一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),在t=0(側(cè)傾角為0°)時(shí),受力分布在整個(gè)橢圓區(qū)域,隨著時(shí)間推移,受力迅速變化至分布到半邊的橢圓區(qū)域,并在將要完成一個(gè)周期的旋轉(zhuǎn)時(shí),重新分布至整個(gè)橢圓區(qū)域。

考慮θ1為90°時(shí)ρ1≤x≤x0處扭矩變化:

對(duì)每一個(gè)確定的β,σ(x)均為x的一階線性函數(shù),即:

σ(x)=k(β)x+b(β)

(5)

由

(6)

(7)

(8)

可得:

(9)

理論計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

▲圖7 T/μ的理論計(jì)算結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)性研究

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論對(duì)比

一次典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

▲圖8 典型數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)點(diǎn)在2分鐘前呈變化趨勢(shì),2分鐘后趨于穩(wěn)定;波動(dòng)幅度較為穩(wěn)定,波峰波谷的比值總體落在1.4～2.0區(qū)間。

理論與實(shí)際扭矩的單個(gè)波輸出對(duì)比如圖9所示。

▲圖9 理論與實(shí)際輸出對(duì)比

μ將波形放大至一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期后,實(shí)際趨勢(shì)與理論趨勢(shì)大致吻合,其中誤差的來(lái)源可能包括且不局限于:

(1) 待測(cè)樣板表面的花紋不同;

(2) 待測(cè)樣板表面的磨損不均勻;

(3) 配重件底部的聚氨酯因?yàn)槟p導(dǎo)致其粗糙度分布不均;

(4) 裝置存在有豎直方向上的低頻振動(dòng),導(dǎo)致底部的接觸應(yīng)力變化復(fù)雜于理論模型。

3.2 裝置防滑性能表征量和DIN51130標(biāo)準(zhǔn)防滑角度的相關(guān)性

3.2.1 防滑性能表征量

根據(jù)DIN51130標(biāo)準(zhǔn)的斜坡法,測(cè)量的是最容易產(chǎn)生產(chǎn)生滑移的方向上的防滑性能;而本文開(kāi)發(fā)裝置測(cè)量參數(shù)實(shí)際為某一時(shí)刻不同角度導(dǎo)致的不同接觸工況下扭矩的和,從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中分別選取算數(shù)均值、幾何均值、最大值、最小值分別與修正后的防滑角度進(jìn)行相關(guān)性分析,最終根據(jù)理論分析和相關(guān)度對(duì)比,確定將測(cè)量扭矩的算數(shù)均值作為防滑性能表征量。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.2.1 單個(gè)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)推導(dǎo)公式(9)可得,傳感器輸出示數(shù)應(yīng)該為周期為10 s的周期函數(shù)。設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為0.04 Hz的低通濾波器,將理論信號(hào)分離為直流分量和低頻信號(hào),如圖10所示。

▲圖10 理論信號(hào)的分離

選取該穩(wěn)定的直流分量作為單個(gè)數(shù)據(jù)的修正值,典型數(shù)據(jù)的分離如圖11所示。

▲圖11 典型數(shù)據(jù)的分離

此外,因低頻信號(hào)在周期內(nèi)累加趨近于零,發(fā)現(xiàn)該直流分量與原始數(shù)據(jù)的算數(shù)均值偏差低于百分之一,故直接求取數(shù)據(jù)的算數(shù)均值作為防滑性能表征量。

3.2.2.2 組間數(shù)據(jù)處理

同一塊待測(cè)樣板之間不同的測(cè)點(diǎn)有著近似的表面接觸條件,測(cè)得的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)服從正態(tài)分布;采用格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)測(cè)試的組間數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選以剔除粗大誤差:

在一組以正態(tài)分布為前提的n個(gè)數(shù)據(jù)中,殘差v的絕對(duì)值最大值為可疑值xb,給定置信區(qū)間p=0.99,即顯著水平α=1-p=0.01時(shí),滿足ν/s≥G(α,n),即剔除xb,重復(fù)至v/s

將同一塊待測(cè)樣板組間多個(gè)測(cè)點(diǎn)的算數(shù)均值利用格拉布斯準(zhǔn)則篩選后求取總均值,并作為該待測(cè)樣板的防滑性能表征量。

3.2.3 相關(guān)性分析

干燥工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,測(cè)量值與防滑角度的一階線性相關(guān)度如圖12。

表1 干燥工況下修正角度和扭矩?cái)?shù)值

▲圖12 一階線性相關(guān)性

在干燥的工況下,去除掉其中一張偏離擬合曲線較遠(yuǎn)的待測(cè)樣板后,剩余的13張防滑等級(jí)為R9或R10的待測(cè)樣板的防滑角度與本文開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得數(shù)據(jù)具有較好的一階線性相關(guān)性。

3.3 不同因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

3.3.1 不同轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)結(jié)果的變化

若選取同一塊待測(cè)樣板同一塊區(qū)域,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至7.5 r/min以及9 r/min,即原始轉(zhuǎn)速的1.25倍和1.5倍,觀測(cè)其數(shù)據(jù)曲線的變化,如圖12所示。

▲圖13 不同轉(zhuǎn)速下的扭矩變化

當(dāng)轉(zhuǎn)速由原轉(zhuǎn)速的1.25倍增大至1.5倍時(shí),扭矩整體有約百分之二的增長(zhǎng),但是其變化趨勢(shì)保持不變。經(jīng)分析,扭矩增長(zhǎng)的原因可能是隨著轉(zhuǎn)速增加,接觸表面的凹凸碰撞速率增加,導(dǎo)致法向受力變化,最終對(duì)扭矩產(chǎn)生影響。

本文設(shè)定旋轉(zhuǎn)周期為10 s,以盡可能地保證兩種材料的接觸速度與生物力學(xué)相關(guān)的同時(shí)[15],也考慮到了不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速過(guò)高出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,以及轉(zhuǎn)速過(guò)低出現(xiàn)明顯的粘滯現(xiàn)象。

3.3.2 表面處于濕態(tài)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果的變化

選取同一塊待測(cè)樣板同一塊區(qū)域,將WD40快速油污去除劑噴灑在表面后,用竹刷洗凈,分別測(cè)量其加定量的潤(rùn)滑油和定量的自來(lái)水后的扭矩曲線。

潤(rùn)滑油實(shí)驗(yàn)組測(cè)試結(jié)果如圖14。

▲圖14 加潤(rùn)滑油的工況線性擬合

自來(lái)水實(shí)驗(yàn)組測(cè)試結(jié)果如圖15。

▲圖15 加自來(lái)水的工況線性擬合

對(duì)干燥工況、加水工況以及加潤(rùn)滑油工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論,若不考慮其中一塊干濕摩擦差異較大的三角花紋樓層板,其相關(guān)性按照從高到低排序:干燥>潤(rùn)滑油>水。若考慮將所有樣本均納入考量,則具有最佳相關(guān)性的工況是加潤(rùn)滑油。

實(shí)際使用過(guò)程中,三角花紋樓層板建議使用加潤(rùn)滑油的濕摩擦測(cè)量,在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)過(guò)的其他花紋樓層板建議使用干摩擦測(cè)量。

4 結(jié)論

本文提出一套基于動(dòng)態(tài)摩擦測(cè)量的、適用于干濕表面且適合測(cè)量樓層板的便攜式實(shí)驗(yàn)方案,主要結(jié)論如下:

(1) 根據(jù)目前的樣本,測(cè)量扭矩的算數(shù)均值與防滑角度的線性相關(guān)性最佳;認(rèn)定該現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法為與現(xiàn)行DIN51130規(guī)定的斜坡法具有良好相關(guān)性的替代測(cè)試方法。

(2) 對(duì)干燥工況、加水工況以及加潤(rùn)滑油工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論,不考慮其中一塊干濕摩擦差異較大的三角花紋樓層板,其相關(guān)性度按照從高到低排序:干燥>潤(rùn)滑油>水?？紤]將所有樣本均納入考量,則具有最佳相關(guān)性的工況是加潤(rùn)滑油。

(3) 斜坡法測(cè)得的角度和替代方法測(cè)得的數(shù)據(jù)之間存在有一定的映射規(guī)律,在8°至14°的防滑性能區(qū)間呈線性強(qiáng)相關(guān)。