地铁重载型自动扶梯防止惯性滑行失控的优化设计

田伦

摘 要：鉴于地铁自动扶梯惯性滑行失控危害较大，本文对目前市场上自动扶梯频繁发生惯性滑行失控故障的原因进行分析，从附加制动器选型、防超速及防逆转保护装置安装位置等多方面进行优化设计，提供几种防止自动扶梯惯性滑行失控的方案，为解决地铁自动扶梯惯性滑行失控提供参考。

关键词：地铁；自动扶梯；惯性滑行失控

中图分类号：C913.32 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0062-03

惯性滑行失控即指自动扶梯自运行过程中因设备故障或其他原因导致的超速运行或逆转运行，其危害性很大，动辄引起人员伤亡事故。近年来，自动扶梯的惯性滑行失控事故频发，引发了社会舆论对自动扶梯运行安全性的高度关注。下面是一些典型的因自动扶梯惯性滑行失控事故：

事故1：2011年7月5日，北京地铁4号线动物园站A口上行自动扶梯突然逆转，造成1人死亡，2人重伤，26人轻伤；

事故2：2014年4月2日，上海静安寺站7号线和2号线换乘通道中的自动扶梯，上行过程中突然发生逆转，造成13名乘客受伤，其中一名颈椎错位，伤情严重；

事故3：2016年2月28日，宁波某地下通道一台上行的自动扶梯突然逆转，造成5人受伤。

类似上述扶梯因惯性滑行失控导致的事故还有很多，自动扶梯一旦发生惯性滑行失控，容易造成下跌、滚落、挤压、踩踏事件，乘客往往轻则受伤、重则死亡，是自动扶梯事故中危害最大的一种。

下面将对自动扶梯惯性滑行失控原因进行分析，并提出几种有效的解决措施。

1 自动扶梯惯性滑行失控原因分析

自动扶梯是以链条为牵引件，通過上部驱动装置带动链条传动，从而带动链条上的梯级运动，实现运输乘客的目的。当链条（梯级链）上的牵引力丢失或改变方向时，自动扶梯即会发生惯性滑行失控。

造成扶梯梯级链牵引力丢失或改变方向的原因有如下几种：

1.1 电气原因

（1）电网错相、断相、失压造成主机反转或驱动力不足，从而发生上行扶梯逆转；

（2）低压元件发生短路、断路或安全电路、控制回路发生故障，导致扶梯安全功能失效，发生惯性滑行失控时不能及时制停。

1.2 机械原因

（1）联轴器、减速箱传动部件损坏、驱动链断裂或脱落；

（2）梯级链断裂；

（3）自动扶梯严重超载；

（4）自动扶梯运行过程中发生故障，工作制动器不能提供足够驱动力矩。

2 防止自动扶梯惯性滑行失控的优化设计

《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》（GB16899-2011）对防止自动扶梯惯性滑行失控有一系列基本措施要求，如：

（1）设置供电系统断相、错相保护装置；

（2）电机设置保护措施，当过载或短路而产生过电流时，使扶梯停止；

（3）采用机-电式制动器；

（4）设置制动器闸瓦报警措施；

（5）设置附加制动器；

（6）设置驱动链破断保护装置；

（7）设置超速保护装置及逆转保护装置等。

上述措施是规范对自动扶梯的基本要求，但具体如何实现，规范并没有深入要求，不同的实现方式结差别很大。因此下面针对其中的附加制动器选型、超速保护装置安装位置、逆转保护装置安装位置的进行具体的优化设计。

2.1 附加制动器的优化选型

当自动扶梯驱动主机与驱动主轴之间传动链条断裂、电机与减速器之间联轴器破断时，自动扶梯工作制动器就与驱动主轴之间失去联系，即无法停止扶梯。

应对这种情况的办法是，在驱动主轴上安装一个机械式摩擦制动器，直接对主驱动轴实行制动，这个制动器即为附加制动器。

《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》（GB16899-2011）规定，自动扶梯在下列任何一种情况下都应设置附加制动器：（1）工作制动器与梯级、踏板或胶带驱动装置之间不是用轴、齿轮、多排链条或者多根单排链条连接的；（2）工作制动器不是符合标准中规定的机-电式制动器；（3）提升高度大于6m。

从上面可以看出，规范要求扶梯提升高度大于6m设置附加制动器；但因地铁扶梯是重载荷公共交通型扶梯，其安全性应高于一般扶梯，因此对于地铁来说，全部自动扶梯均应设置附加制动器。

目前扶梯行业内附加制动器形式通常有3种：棘轮式附加制动器、楔形式附加制动器、挡块式附加制动器。

2.1.1 棘轮式附加制动器

图1是一种常见的棘轮式附加制动器，安装在主驱动轴上，用压缩弹簧与梯级链轮连成一体。棘轮式制动盘活套在制动盘上，与压盘之间衬有摩擦片。正常情况下，棘轮与梯级链轮同步旋转。当附加制动器动作时，电磁线圈通电，使棘爪向上转动楔入棘轮中，棘轮被拦停并在摩擦片作用下对梯级链轮施加制动力矩，迫使扶梯自动运行。

由于棘轮式附加制动器具有很多齿，只要棘爪一动作附加制动器就能产生制动力，响应时间快、制动迅速，用于逆转保护时，能迅速制动，不会产生明显的逆转。是三种附加制动器中最好的一种。

2.1.2 楔形式附加制动器

图2是一种楔形式附加制动器示意图，主要由楔形制动靴、制动盘、电磁铁、制转杆和弹簧组成。当扶梯滑行失控时，安全控制系统检测到信号，切断电磁铁供电，在弹簧1的作用下，制传杆发生转动，棘爪脱离止动沟，楔形制动靴在弹簧2的作用下，向上快速滑行，制动靴楔入制动盘，两金属表面产生摩擦，制动盘被卡住并将驱动主轴制停。

这种制动器没有摩擦片，结构比较简单，制动响应快。但需要保证制动靴与制动盘之间的位置准确，在制动过程中需要接触良好；同时还需要注意制动盘表面的清洁，防止油污。

鉴于北京自动扶梯出现逆转导致人员伤亡的事情，据官方公布的事故的直接原因是由于固定零件损坏，驱动主机发生偏移，驱动链条脱落，附加制动器未启动，造成扶梯下滑。该扶梯采用的附加制动器为楔形式附加制动器。

2.1.3 挡块式附加制动器

图3是一种挡块式附加制动器示意图，其工作原理与棘轮式附加制动器相同，都具有摩擦片，不同之处是采用挡块式制动盘代替棘轮式制动盘。

挡块焊接在制动盘上，当安全控制系统检测到相应型号，切断电磁铁供电，制动叉叉入制动盘表明，与挡块相碰阻止制动盘转动，在摩擦片的作用下对梯级施加制动力矩，实现停梯。

挡块式附加制动器结构比棘轮式简单，但是挡块之间存在空挡，当制动叉已动作还没有碰上挡块时，制动器其实尚未动作，因此往往与系统检测信号之间存在一个时间差，当用于逆转保护时，在制动时往往出现一段明显的逆转。

市场上一般扶梯采用挡块式附加制动器时，挡块数量仅有4块。假设挡块为4块时，对自动扶梯逆转距离计算如下：

驱动链轮半径R=0.45m；挡块为4块时，极限最不利情况下（刚好经过一个挡块时速度为0，而此时制动叉未碰到挡块），驱动链轮转过90°才能停止自动扶梯，则梯级链轮转过的角度α也为90°，此时梯级链轮外缘转过的距离应为S1=2×（3.14/4）×0.45m=0.7m，即梯级会逆转快速下滑0.7m，下滑速度已达到1.5m/s，再加上相应时间以及附加制动器动作后制停又需要一定的时间，总计扶梯已经滑行约2m（相当于滑行5个梯级）才能停止，此时对乘客已经造成严重伤害。

另外，《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》（GB16899-2011）中规定，附加制动器要求在梯级改变其运动方向时能够使扶梯停止。

地铁扶梯一般运行速度为0.65m/s，对自动扶梯运行速度由0.65m/s减速至0的过程计算分析如下：

V为扶梯运行速度，取初始速度V0=0.65m/s，扶梯停止时速度为V1=0。

则V0-V1=at（t为减速时间，a为扶梯加速度）

即0.65m/s=9.8m/m2×0.5×t

计算出t=0.13，即扶梯经过0.13s时间减速至停止。

对于附加制动器，要求其0.13s内停止扶梯，分析如下：

梯级链轮半径R根据厂家统计，约为400mm～500mm，取中间值450mm，即R=0.45m。

假设其在扶梯速度从0.65m/s减速为0的过程中，转过角度为α，则：

α*R=1/2*a*t2=0.5*9.8m/s2*0.5*（0.13s）2；

计算出α=0.092，即5.3°。

根据上述计算，如果考虑如下极限情形：当只靠附加制动器制动扶梯，且刚好附加制动器转过第一个挡块时，如需满足规范停止扶梯要求，需要的挡块数量为n=360/5.3=68块。

根据上述计算结果，理论上扶梯附加制动器挡块需设置68块才能真正实现扶梯不逆转。但根据现目前行业内厂家产品进行调研及分析，这是无法实现的，主要受制于产品结构。因此，在满足厂家产品结构要求的前提下，扶梯附加制动器挡块数量越多越好，建议不低于8～12块。

2.1.4 结论

从以上比较可以看出，三种附加制动器中，楔形式附加制动器由于对安装维保的要求高，且已经出过安全事故，目前各大厂家已不再使用该型式制动器。因此建议地铁扶梯优先采用棘轮式附加制动器；当采用挡块式附加制动器时，挡块数量不得低于8～12块。

2.2 超速保护装置安装位置的优化设计

根据《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》（GB16899-2011）规定，自动扶梯如果发生超速，应在其速度超过名义速度1.15倍之前使自动扶梯停止。超速只发生在下行扶梯。自动扶梯超速保护装置常见的有电子式和机械式。

2.2.1 电子式超速保护装置

电子式超速保护装置通常是在自动扶梯制动轮同轴上装设飞轮，飞轮内设磁块，另有脉冲接收器安装在底架下，与安全电路相连。当飞轮轴旋转时，磁块产生脉冲信号，当转速或转向变化时，可传递不同的脉冲信号，实现速度监控，从而引发制动器动作实现停梯。

2.2.2 机械式超速保护装置

机械式超速保护装置一般采用离心结构，一般安装在电动机与减速箱的联轴器位置，其可靠性要高于电子式，但没有欠速保护功能。

2.2.3 速度监测装置的安装位置

无论电子式还是机械式超速保护装置，一般都是安装在电机主轴上，通过监控电动机速度和转向是否发生非正常的变化，间接地监控自动扶梯运行速度状况。

然而，从电机监控点到梯级，需要经过多个传动环节，包括电机与减速箱之间联轴器、减速箱内传动副、驱动主机输出链轮、主驱动链等。即便这些传动元件安全系数都按照不小于8设计，但历史上因为各种意外原因，这些传动元件都有失效损坏的案例。

因此对速度监控装置位置的设定，应设置在尽可能靠近乘客站立其上的运动梯路端，最好的方式是直接对梯级链驱动主轴、扶手带驱动主轴的旋转速度进行测量，或者直接对梯级运行速度进行测量的方式确定扶梯的实际运行速度。不能仅以驱动电机转速或减速箱输出轴转速等进行换算确定扶梯运行速度。

2.3 逆转保护装置的安装位置的优化设计

逆转保护装置和超速保护装置一样，有电子式和机械式两种。不同的是自动扶梯逆转只发生在上行，在逆转前必然是先减速，在速度降到名义速度20%时，保护装置触发安全电路，使自动扶梯制动器动作，实现停梯。但如果是驱动主机的联轴器发生故障，则通过电机飞轮惯性的防逆转保护装置则无法判断联轴器故障而导致的逆转情况，因此逆转保护装置速度监控装置的安装位置和超速保护装置一样，即应设置在尽可能靠近乘客站立其上的运动梯路端，最好的方式是直接对梯级链驱动主轴、扶手带驱动主轴（如有）的旋转速度进行测量，或者直接对梯级运行速度进行测量的方式确定扶梯的实际运行速度。不能仅以驱动电机转速或减速箱输出轴转速等进行换算确定扶梯运行速度。

3 结语

地铁不同于一般公共场所，每天其客流量都很庞大，自动扶梯作为运输乘客进出车站的主要设备，应具有很高的安全性和可靠性。

在地铁重载型自动扶梯设计选型过程中，应重点考虑防止扶梯发生惯性滑行失控。附加制动器优先选择棘轮式附加制动器，当采用挡块式附加制动器时，挡块数量不得低于8～12块；超速及逆转保护装置安装位置应设置在尽可能靠近乘客站立其上的運动梯路端最好的方式是直接对梯级链驱动主轴、扶手带驱动主轴的旋转速度进行测量，或者直接对梯级运行速度进行测量的方式确定扶梯的实际运行速度，不能仅以驱动电机转速或减速箱输出轴转速等进行换算确定扶梯运行速度。

参考文献

[1]施仲衡，周干峙，等.地铁设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：231.

[2]阮为民，竺荣，等.自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范[M].北京：中国标准出版社，2011：15-17.