自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器工作原理和制停距離分析

摘 要：附加制動(dòng)器是自動(dòng)扶梯中重要的安全保護(hù)裝置，設(shè)置目的是即使主制動(dòng)器失效，附加制動(dòng)器也能讓自動(dòng)扶梯安全制停。在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)附加制動(dòng)器制停的距離沒有規(guī)定，但附加制動(dòng)器的制動(dòng)距離對(duì)自動(dòng)扶梯的安全至關(guān)重要。本文根據(jù)附加制動(dòng)器設(shè)置條件、附加制動(dòng)器的工作原理分析了自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器動(dòng)作規(guī)格，提出附加制動(dòng)器制動(dòng)距離的計(jì)算方法，解決日常檢驗(yàn)對(duì)附加制動(dòng)器的制動(dòng)距離判定具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；附加制動(dòng)器；制動(dòng)距離

中圖分類號(hào)：TU 857" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，隨著我國各大城市基建項(xiàng)目的發(fā)展，公共交通中自動(dòng)扶梯的數(shù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。自動(dòng)扶梯安裝能夠最大程度地方便人們出行，但設(shè)備故障事件頻發(fā)，因此社會(huì)各界深切關(guān)注其安全性能。多年來自動(dòng)扶梯事故的共同特征是上行自動(dòng)扶梯出現(xiàn)非操縱逆轉(zhuǎn)，而本應(yīng)起到保護(hù)作用的附加制動(dòng)器卻未能及時(shí)響應(yīng)或有效制停，導(dǎo)致乘客失去平衡并滾落，造成安全事故。因此，對(duì)從事自動(dòng)扶梯相關(guān)工作的專業(yè)人員來說，應(yīng)深入研究自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器的工作原理，并仔細(xì)研究其制動(dòng)效能。

1 附加制動(dòng)器的設(shè)置條件

工作制動(dòng)器與梯級(jí)、踏板或膠帶驅(qū)動(dòng)裝置之間不是用軸、齒輪、多排鏈條或多根單排鏈條連接的；工作制動(dòng)器不是規(guī)定的機(jī)-電式制動(dòng)器；提升高度大于6m；公共交通型自動(dòng)扶梯。

2 附加制動(dòng)器的工作原理

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器制停系統(tǒng)，一般會(huì)使用可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)，如圖1所示。

在這個(gè)配置中，為保障自動(dòng)扶梯的運(yùn)行安全，專門設(shè)置了檢測(cè)單元。此外，根據(jù)不同需求，還可為其設(shè)置多種非正常停機(jī)觸發(fā)機(jī)制，例如供電系統(tǒng)失電、安全電路失電、工作制動(dòng)器松閘故障等情形。在系統(tǒng)中，控制單元發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到超速或逆轉(zhuǎn)情況，控制單元系統(tǒng)就會(huì)迅速啟動(dòng)附加制動(dòng)器，保障乘客和設(shè)備的安全。對(duì)其他的故障來說，系統(tǒng)則傾向于選擇延遲觸發(fā)，避免不必要的緊急制動(dòng)影響乘客的乘坐體驗(yàn)。制停單元是保障自動(dòng)扶梯安全運(yùn)行的最后一道防線，它通常采用棘輪與棘爪相結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)觸發(fā)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，原本保持棘爪復(fù)位的電磁鐵會(huì)失去作用，此時(shí)壓縮彈簧的彈力會(huì)將棘爪推向制動(dòng)盤，與制動(dòng)盤上的撞塊發(fā)生碰撞。

制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)特色是8個(gè)均勻設(shè)置的擋塊（圖2）。當(dāng)附加制動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)，棘爪會(huì)隨機(jī)與制動(dòng)盤圓周上的任意點(diǎn)發(fā)生接觸?？紤]到自動(dòng)扶梯下行時(shí)，制動(dòng)盤會(huì)以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，若棘爪恰好處于A點(diǎn)，則其制停距離最短。如果棘爪與B點(diǎn)接觸，那么它將在下一個(gè)擋塊，即C點(diǎn)處，經(jīng)歷一次沖擊式制停，此時(shí)制停距離最長(zhǎng)[1]。從上述分析中發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)盤（棘輪）結(jié)構(gòu)中的附加制動(dòng)器在制停距離上表現(xiàn)出了顯著的隨機(jī)性。特別是當(dāng)A點(diǎn)觸發(fā)時(shí)，滿足制停的要求非常困難。為了解決這個(gè)問題，嘗試通過調(diào)整制動(dòng)盤上的碟形彈簧滿足制停的條件。

3 附加制動(dòng)器動(dòng)作動(dòng)作規(guī)格設(shè)置

在日常檢驗(yàn)中需要注意兩種特殊情況：在自動(dòng)扶梯的運(yùn)作速度達(dá)到其額定速度的1.4倍臨界值前；如果梯級(jí)、踏板或是膠帶出現(xiàn)與原先設(shè)定的運(yùn)行方向不一致的變動(dòng)時(shí)需要及時(shí)作出反應(yīng)。

附加制動(dòng)器的動(dòng)作應(yīng)與速度監(jiān)控、斷鏈監(jiān)控、扶手帶運(yùn)行監(jiān)控、驅(qū)動(dòng)鏈運(yùn)行監(jiān)控等共同進(jìn)行判斷和控制。從自動(dòng)扶梯安全運(yùn)行的角度考慮，附加制動(dòng)器的動(dòng)作規(guī)格應(yīng)按以下3種情況進(jìn)行設(shè)置。

3.1 附加制動(dòng)器不動(dòng)作，主制動(dòng)器動(dòng)作的條件

自動(dòng)扶梯在超過額定速度的1.2倍前應(yīng)自動(dòng)停車，因此當(dāng)超速至1.15倍額定速度時(shí)設(shè)置主制動(dòng)器動(dòng)作，當(dāng)安全回路發(fā)生故障時(shí)，用鑰匙開關(guān)、急停開關(guān)、控制室的停止按鈕停止，主制動(dòng)器線圈斷線。

3.2 附加制動(dòng)器和主制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作的條件

自動(dòng)扶梯在超過額定速度的1.4倍前附加制動(dòng)器必須動(dòng)作，因此當(dāng)超速至1.3倍額定速度時(shí)設(shè)置附加制動(dòng)器動(dòng)作。但是當(dāng)自動(dòng)扶梯超速至1.15倍額定速度時(shí)，主制動(dòng)器已經(jīng)動(dòng)作，因此除非主制動(dòng)器破損，否則不會(huì)達(dá)到額定速度的1.3倍。

3.3 附加制動(dòng)器單獨(dú)動(dòng)作，主制動(dòng)器不動(dòng)作的條件

當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈斷裂或主制動(dòng)器失效時(shí)，主制動(dòng)器不能對(duì)自動(dòng)扶梯產(chǎn)生有效的制動(dòng)力矩，這時(shí)只能采用附加制動(dòng)器對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行制停。

4 附加制動(dòng)器制動(dòng)距離

最新的現(xiàn)有檢驗(yàn)規(guī)程僅僅提出了工作制動(dòng)器的制停距離的具體要求，而沒有提出附加制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)制停距離的要求，為了確定檢驗(yàn)中附加制動(dòng)器制停距離的具體計(jì)算方式。分析上述附加制動(dòng)器動(dòng)作規(guī)格的3種情況設(shè)置可知，附加制動(dòng)器不動(dòng)作和主制動(dòng)器動(dòng)作的狀態(tài)是通過制停驅(qū)動(dòng)主機(jī)來完成自動(dòng)扶梯最終的制停的，制動(dòng)距離按主制動(dòng)器制動(dòng)進(jìn)行計(jì)算即可。對(duì)梯級(jí)意外逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)來說，梯級(jí)在逆轉(zhuǎn)前速度肯定會(huì)降為零，而附加制動(dòng)器在梯級(jí)速度降為零前已開始提供制動(dòng)力矩。由于梯級(jí)速度為零，可以忽略乘客載荷及梯級(jí)自重等的沖擊，再加上主制動(dòng)器會(huì)同時(shí)動(dòng)作，因此從逆行的瞬間起計(jì)算的制動(dòng)距離大致為零，在這種狀態(tài)下，可以對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行有效制停[2]。根據(jù)以上分析，在檢驗(yàn)過程中附加制動(dòng)器制動(dòng)距離的計(jì)算主要考慮主、附制動(dòng)器同時(shí)制動(dòng)以及附加制動(dòng)器單獨(dú)制動(dòng)的情況即可。

4.1 主、附制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作時(shí)制動(dòng)距離

按照上述附加制動(dòng)器動(dòng)作規(guī)格的設(shè)置，主、附制動(dòng)器同時(shí)制動(dòng)有電力異常和超速至1.3倍額定速度兩種情況。當(dāng)電力異常（停電）時(shí)，自動(dòng)扶梯處于額定速度，這時(shí)的制動(dòng)距離肯定比超速至1.3倍額定速度的距離短，在這種情況下，當(dāng)超速至1.3倍額定速度時(shí)制動(dòng)距離最長(zhǎng)，因此主、附制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作的制動(dòng)距離按超速至1.3倍額定速度進(jìn)行計(jì)算即可。制停距離的計(jì)算過程如公式（1）所示。

4.2 附加制動(dòng)器單獨(dú)動(dòng)作時(shí)制動(dòng)距離

當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈斷裂或主制動(dòng)器失效時(shí)附加制動(dòng)器單獨(dú)制動(dòng)，自動(dòng)扶梯的停止時(shí)間與自動(dòng)扶梯的速度的關(guān)系如圖3所示。

制動(dòng)過程：當(dāng)自動(dòng)扶梯上行時(shí)，控制系統(tǒng)向附加制動(dòng)器發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，但制動(dòng)有一個(gè)延遲時(shí)間t0，在制動(dòng)延遲階段，自動(dòng)扶梯在摩擦力矩及乘客載荷等力矩的作用下進(jìn)行減速，直到附加制動(dòng)器開始制動(dòng)，最終用更大的減速度制停。

當(dāng)自動(dòng)扶梯下行時(shí)，控制系統(tǒng)向附加制動(dòng)器發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，制動(dòng)有一個(gè)延遲時(shí)間t0，在制動(dòng)延遲階段，自動(dòng)扶梯在乘客載荷等力矩作用下進(jìn)行加速，直到附加制動(dòng)器開始制動(dòng)，最后減速停止。

附加制動(dòng)器單獨(dú)動(dòng)作時(shí)制停距離的計(jì)算過程如公式（2）所示。

4.3 附加制動(dòng)器制動(dòng)距離分析

通過不同的乘載率在主、附制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作和附加制動(dòng)器單獨(dú)動(dòng)作，分別繪制圖4、圖5，可以直觀看出附加制動(dòng)器的制動(dòng)距離。制動(dòng)距離的大小直接影響自動(dòng)扶梯制動(dòng)時(shí)的制停減速度，如果制停減速度過大會(huì)對(duì)設(shè)備或者乘客造成傷害[2]。

從圖4、圖5制動(dòng)距離曲線可以看出，下行制動(dòng)距離隨乘載率增加而增加，上行制動(dòng)距離隨乘載率增加而縮短。當(dāng)附加制動(dòng)器為雙向制動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)（可上行、下行制動(dòng)），空載制動(dòng)距離幾乎相同。但是，當(dāng)附加制動(dòng)器為單向制動(dòng)的棘輪棘爪式結(jié)構(gòu)時(shí)，上行過程中附加制動(dòng)器雖然已動(dòng)作，但此時(shí)還不能提供制動(dòng)力矩，這時(shí)是主制動(dòng)器單獨(dú)對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行制動(dòng)，直到梯級(jí)速度為零。從制動(dòng)距離計(jì)算分析可知，自動(dòng)扶梯最長(zhǎng)的制動(dòng)距離發(fā)生在自動(dòng)扶梯滿載下行的過程中，最短的制動(dòng)距離發(fā)生在自動(dòng)扶梯滿載上行的過程中。

5 結(jié)語

附加制動(dòng)器對(duì)自動(dòng)扶梯非常重要，雖然現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)規(guī)程并無關(guān)于附加制動(dòng)器的制動(dòng)距離的規(guī)定，但為了保障乘客的乘梯安全，也要對(duì)附加制動(dòng)器的動(dòng)作規(guī)格進(jìn)行周密分析與設(shè)置，并對(duì)制動(dòng)距離進(jìn)行計(jì)算。而且，為使自動(dòng)扶梯滿載下行時(shí)能有效制停，需要提供足夠的制動(dòng)力矩。自動(dòng)扶梯提升高度越高，要求提供的制動(dòng)力矩就越大；而制動(dòng)力矩越大，空載時(shí)的制動(dòng)沖擊也越大。因此，在這種情況下，對(duì)制動(dòng)距離和制動(dòng)加速度進(jìn)行計(jì)算非常重要，如果制動(dòng)沖擊太大的話，那么可以考慮采用多段型的附加制動(dòng)器，按時(shí)間差調(diào)整制動(dòng)力矩以減少制動(dòng)沖擊并實(shí)現(xiàn)安全制停。

參考文獻(xiàn)

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