重载型自动扶梯主驱动链动载强度的验算

曹启章，雷敏华，孔祥发

（1.广州奥的斯电梯有限公司，广州 510425；2.华南理工大学，广州 510641）

0 引言

随着经济的持续发展，城市基础设施得到逐步完善，越来越多的公共场所安装并使用了自动扶梯，例如车站、地铁、商场等，成为不可缺少的运输工具[1-2]。自动扶梯按照载荷能力以及适用场合，可以分为：普通型自动扶梯、公共交通型自动扶梯、重载型自动扶梯。其中，重载型自动扶梯就是一种主要用于大客流公共交通系统的自动扶梯，每天的运行时间长达20 h，每周运行7天。近年来，随着我国公共交通建设，特别是以地铁为代表的城市轨道交通的大规模开展，重载型自动扶梯得到大批量的生产和使用[3]。

1 存在问题及原因分析

一般来说，自动扶梯的驱动装置分为端部驱动装置和中间驱动装置两种形式，端部驱动装置的机房一般可以分为机房内置式、机房外置式。目前，国内地铁最常见的重载型自动扶梯是机房内置式自动扶梯，机房设置在自动扶梯桁架上平层端部水平段内，并且主机与主驱动之间采用滚子链传动，结构如图1所示。如图所示，主驱动链作为自动扶梯的驱动元件，其主要的功能是将主机上的动力传输到主驱动上，从而让主驱动带动梯级链和梯级以及扶手带运动，主驱动链的失效形式主要表现为链板断裂和销轴断裂，这两种失效形式的原因如下。

（1）链板断裂的主要原因：长期工作在载荷超过了链板疲劳极限的情况下，造成链板的孔附近开始出现疲劳裂纹，最后造成链板突然断裂，之所以会产生疲劳，是由于链条在运行过程中，在张紧边会由于带动扶梯运动而受到很大的力，随着逐渐向松边运行，力慢慢变化至趋近于0，这样就在链板上面产生了疲劳。

（2）销轴断裂的主要原因：由于工作在润滑不良的情况下，使得销轴磨损严重，链条身长超出允许值而未更换，最后造成销轴断裂。

图1 机房内置式布置图

当主驱动链条断裂时，主机电机上的动力将无法传递到驱动装置，因此驱动系统不能提供负载所需的驱动力，由此引发严重的安全隐患[4]，例如2014年上海地铁静安寺站7号线换2号线的换乘通道内的自动扶梯早高峰期间发生逆行导致，乘客摔倒受伤，以及2017年香港旺角朗豪坊商场“通天梯”逆行酿成18人受伤的事故。

主驱动链条属于驱动元件，在自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范GB 16899：2011[5]和EN115-1：2017[6]里，要求所有驱动元件的静载强度安全系数不应小于5倍。这样规定的目的是为了有效防止静力拉断失效的风险发生，然而，主驱动链条的失效形式主要为动载过程中的疲劳断裂，因此对主驱动链条动载疲劳强度的验算就显得尤为重要。

2 降低主驱动链断裂几率和造成的伤害的措施

主驱动链一旦发生失效，扶梯会出现惯性滑行失控[3]。针对主驱动链条断裂，目前国内地铁通常采取以下3种措施。

（1）提高主驱动链的安全系数，将GB16899：2011要求的静力计算5倍破断安全系数提高到8倍，静力指的是自动扶梯承受5 000 N/m2的规定载荷，同时还要考虑张紧装置所产的张力。

（2）依据检规TSG T7005-2012[7]上明确要求安装对主驱动链的工作状态实行监控的装置。常用的装置如图2所示，当主驱动链发生断链的时候，保护装置能立即触发安全开关，使附加制动器动作，从而使得扶梯停止。

（3）提出更严格的链条更换标准，当驱动链磨损伸长达1.5%就更换链条，而一般机械手册要求是3%进行更换，一般自动扶梯生产公司的维保手册要求是2%进行更换。

图2 驱动链监控装置

这几个措施能够有效降低主驱动链发生断链的几率和主驱动断裂发生后造成的伤害，然而，增加链条的安全系数是通过提高许用破断强度，间接选取高几个级别型号的滚子链，这样会使得整梯的宽度增加，从而使整梯的成本和土建的成本增加，而作为直接解决链板疲劳的根本方法应该是直接校核链条的疲劳强度。

另外，在最新的扶梯标准EN115-1：2017的第5.4.1.3.2条要求驱动元件的设计应具有无限疲劳寿命[6]；滚子链标准ISO 606-2015在附录F中给出了多排链条的动载强度计算方法[8]。

3 链条的疲劳强度校核

以扶手带中间驱动和1 000 mm梯级宽的扶梯为例，介绍链条的疲劳强度校核步骤。

3.1 计算滚子链的最大动载工作力

由于重载型[9]自动扶梯的载荷条件是很苛刻的，以广州地铁的载荷条件为例：每天工作20 h，每年365天连续工作，在任何3 h的间隔内，持续重载时间不少于1 h，其载荷应达到100%的制动载荷，其余2 h的负载率为60%的制动载荷，在计算的时候，使用制动载荷120 kg/梯级模拟乘客载荷。驱动链的受力分析，如图3所示[10]。

图3 主驱动链受力分析图

式中：F1为主驱动链的最大动载工作力，N；F2为梯级自重、梯级链自重、乘客载荷（制动载荷）以及张紧架张紧弹簧所产生的张紧力这几个力的合力，N；F3为扶手带驱动链条牵引力，N；F4为返回侧梯级自重、梯级链自重、张紧架弹簧所产生的张紧力，N；dstk为梯级链轮节圆直径，m；dhd为扶手带驱动链轮节圆直径，m；dk为主驱动链轮节圆直径，m。

3.2 计算链条的理论最小动载强度

对于链条的理论最小动载强度，目前主流的有两种计算多排链的计算方法[6]，分别起源于德国和美国，均没有针对型号指定方法。在实际应用过程中，对于B系列滚子链多使用德国方法，而A系列滚子链多使用美国方法。

德国方法：两排链的最小动载强度=1.5×单排链的最小动载强度；三排链的最小动载强度=1.92×单排链的最小动载强度。

美国方法：两排链的最小动载强度=1.34×单排链的最小动载强度；三排链的最小动载强度=2.01×单排链的最小动载强度。

根据实际使用的滚子链型号计算链条的最小动载强度，如20A-3链条。经查表[8]可知单排的20A-1的最小动载强度：

式中：Fd是链条在3×106循环次数时的最小动载强度。

三排链的强度：

3.3 主驱动链的动载强度安全系数校核

链条企业提供的专业数据分析如图4所示，当该安全系数S大于1的时候，滚子链所受的交变载荷在其最小动载强度之下，理论上链条不会发生因为链板疲劳而断裂。

国内地铁项目标书中，一般规定所用的自动扶梯的运行速度是0.65 m/s，主驱动链的使用寿命是室内8年和室外5年，如果按照前面的计算的话，完全可以满足标书的要求。

图4 滚子链疲劳性能图

4 结束语

主驱动链作为自动扶梯在工作制动器与梯级驱动装置之间的连接传动元件，主要失效形式之一为疲劳失效，针对疲劳失效，通过理论计算，可以对主驱动链的动载疲劳强度进行校核，使得滚子链在实际运行的状态下载荷始终保持不超过最小动载荷，确保主驱动滚子链具有无限疲劳寿命，从而从理论上避免自动扶梯逆转事故的发生。