自动扶梯梯级翻转处异响的分析及改进措施

付春平

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

自动扶梯的生产制造标准GB16899—2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》及自动扶梯相关推荐标准都要求自动扶梯运行时的最大噪声不应超过70分贝[1]。实际上，当噪声达到60分贝时，人体就会感觉到不舒服。

从自动扶梯的结构来看，噪声主要来自自动扶梯的两大系统—扶手系统和梯路系统，其中梯路系统是最主要的噪声来源[2]。引起梯路系统产生噪声的主要原因除与导轨的平滑性、导轨和梯级轮的间隙有关，还与梯路跑偏、相邻两梯级梳齿和踢板相擦、梯级运行至上圆弧段出现拱动现象有关。梯路系统的降噪可以通过分析噪声产生的原因，从声源上消除噪声或者利用降噪元件、吸声材料等阻止噪声在梯级间隙处传播[3]。

1 梯级翻转处异响的分析

1.1 梯级翻转处异响的主要来源

自动扶梯梯级翻转处异响主要指梯级在回转端翻转时副轮撞击回转壁产生的声音。自动扶梯的梯级主轮是传输力的主动轮，随同曳引链条一起运动；而自动扶梯的梯级副轮在回转壁内运动，属于从动轮。每个梯级上的两个梯级主轮和两个梯级副轮使得梯级成为一个四轮小车。为保证梯级在翻转过程中梯级间有足够的安全间隙，自动扶梯的回转壁中心会高于梯级主轮的回转中心，即采用偏心距保证梯级间有足够的安全间隙。梯级通过回转端时，曳引链条处于被张紧状态，梯级主轮运行速度恒定，而梯级副轮不但运行速度会变化，其工作面也会发生变化，即有一个变换轨道的过程。

1.2 翻转处梯级运行轨迹分析

1.2.1 翻转处梯级运行关键位置点

根据自动扶梯转向机构的结构特点，回转端自动扶梯的梯级主轮有四个关键位置点： A点为梯级主轮进入回转壁的临界点，在此点之前，梯级主轮和梯级副轮做平移运动，当梯级主轮经过A点时，它开始做圆弧运动；B点为梯级副轮进入回转壁的临界点，此时的梯级主轮继续做圆弧运动，梯级副轮将开始做圆弧运动；C点为梯级主轮结束圆弧运动时的临界点；D点为梯级副轮结束圆弧运动时的临界点。翻转处梯级运行关键位置点及副轮在回转壁内运行情况如图1所示。

图1 翻转处梯级运行关键位置点及副轮在回转壁内运行情况

由图1可知：在A点与B点之间，梯级主轮做曲线运动，梯级副轮做直线运动，梯级类似曲柄滑块机构；在B点与C点之间，梯级主轮和梯级副轮都

做曲线运动，梯级类似双曲柄机构；在C点与D点之间，梯级主轮做直线运动，梯级副轮做曲线运动，梯级同样类似曲柄滑块机构[4]。梯级副轮在进入回转壁后，先在回转壁外圈导轨面上滚动，在即将离开回转壁时，又在回转壁内圈导轨面上滚动，即梯级副轮在回转壁中运动时发生轨道变换。

1.2.2 梯级副轮变轨位置探讨

根据梯级自身的设计特点，其重心位置G可以通过三维软件模拟出来，再结合上文所述A点与B点、B点与C点、C点与D点三个阶段梯级副轮的运行轨迹，不难得出梯级副轮的变轨过程发生在B点与C点之间。为了有效验证这一点，并找到相对精准的变轨位置，现将梯级在B点与C点之间的双曲柄机构简化，如图2所示。

在图2中，R为梯级主轮的运行轨迹半径，r为梯级副轮运行轨迹半径，δ为偏心距，L为梯级主轮与梯级副轮之间的距离，φ1、φ3分别为梯级主轮和梯级副轮的位置角，ω1、ω3分别为梯级主轮和梯级副轮的转动角速度，φ2为梯级主、副轮连线的位置角。

图2 梯级在B点与C点之间的双曲柄机构简化图

根据矢量运算关系可得

以复数形式表示为

根据欧拉公式转换得

式（3）左右两侧实部和虚部分别相等得

由式（4）求导得出

由式（5）得出

由式（6）得出梯级副轮的线速度为

式（7）中，v1、v3分别为梯级主轮和梯级副轮的线速度。

梯级副轮法向加速度及重心位置见图3。根据图3得出梯级副轮的法向加速度为

当梯级法向力矩与梯级重力产生的力矩相等时，梯级副轮将发生变轨，此时有

式（9）中：m为梯级质量；g为重力加速度；d为梯级重心与梯级主轮中心的水平距离；L为梯级主轮和副轮之间的距离。

由式（9）可得出

由图3可知，当梯级重心G在梯级主轮右侧时，梯级有顺时针方向旋转的力矩，假设此时的d为正值，则当梯级重心在梯级主轮左侧时，梯级有逆时针方向旋转的力矩，此时的d为负值。为了精准定位梯级副轮变轨时的位置，按照φ3间隔适当角度的步长，模拟φ1和φ2对应的角度值，并结合式（7)—式(10)，逐步完成计算。由于d值有正负之分，显然g×d+an×L的数值接近0时,对应的φ3角度即是本研究要找的变轨位置。φ3不同位置各参数计算值如表1所示。

图3 梯级副轮法向加速度及重心位置

表1 φ3不同位置各参数计算值

根据梯级设计的不同，相关参数也不同，如梯级主轮和副轮之间的距离L不同，回转处的偏心距也可能不同，梯级主轮回转半径R及梯级副轮回转半径r也可能不同。表1仅展示梯级主轮v1为0.5 m/s时的计算结果，当各参数发生变化时，对应的梯级副轮变轨时的φ3角度也会变化。

2 梯级副轮变轨处异响的消除

受车间其他噪声的影响，如果直接用分贝仪测量异响，其测量效果不佳。橡胶有较好的阻尼作用，在上文计算得到的梯级副轮变轨位置的回转壁背面贴上橡胶条[5]，并借助振动测试仪对回转壁处的振动进行测试，间接测量贴橡胶条后的效果。

为了验证贴橡胶条后的效果，本研究在自动扶梯生产车间，测量自动扶梯梯级副轮变轨处回转壁上未粘贴橡胶条时的振动值，记录多组振动数据，每个记录值间隔0.5 s。按此方式，在自动扶梯梯级副轮变轨处的回转壁背面贴上橡胶条，再次测量并记录振动数据。贴橡胶条前后振动数据对比如图4所示。

图4 贴橡胶条前后振动数据对比

由图4可知，粘贴橡胶条后，自动扶梯梯级副轮变轨处的回转壁振动平均值明显下降，说明橡胶条起到了很好的降噪效果。

3 结论

本研究通过数学模型分析得出梯级副轮发生变轨的精确位置，采用适当的方法对该位置的异响进行消除，通过实际实验验证了理论研究的准确性。该研究方法为解决自动扶梯运行时的异响提供了理论支持，为提高自动扶梯的运行质量提供了技术保障。