自动扶梯附加制动器动作触发原理及案例分析*

何祖恩

（福建省特种设备检验研究院，福州 350008）

0 引言

目前在用的绝大多数公共交通型自动扶梯工作制动器与梯级驱动主轴之间通过双排链连接，当驱动链条断链且未能有效触发附加制动器动作，必然会造成逆转或超速等事故。如香港九龙旺角朗坊的“通天扶梯”主驱动链因疲劳断链之后，断链保护装置因其固定金属外壳与可移动部件的滑动面之间的黏性油脂未触发，导致自动扶梯发生的逆转［1－2］。北京地铁4号线动物园站A口自动扶梯驱动主机移位后，未触发附加制动器动作导致逆转事故。

触发附加制动器动作的非操纵逆转保护、超速保护等多采用可编程电子安全相关系统（以下简称PESSRAE）实现，如未能理解附加制动器的触发和动作原理则难以保证其功能的有效性，甚至可能导致该功能的失效［3］。当然不排除用户定制的其他工况下要求附加制动器动作，常见要求立即触发动作的有驱动链断裂、超速1.3倍等。延时触发动作的有欠速保护、制动器松闸故障、超速1.15倍、安全回路失电、启动钥匙开关和紧急停止开关动作等。

需要指出的是，部分制造单位设置用欠速保护功能来代替非操纵逆转保护，如设置不当可能会存在事故隐患。如欠速设置为欠速80%，且欠速延时设为5 s。名义速度0.5 m／s的自动扶梯，当速度降低到0.1 m／s时，延时5 s后才会触发附加制动动作。可以想象当驱动链断裂，向上运行的自动扶梯速度将急剧下降并在极短时间内逆转，而附加制动器要在延时后才能触发动作。

1 标准要求

GB 16899－2011中对附加制动器触发动作要求的主要条款如下［4］。

（1）5.4.2.2.4附加制动器在下列任何一种情况下都应起作用：a）在速度超过名义速度1.4倍之前；b）在梯级、踏板或胶带改变其规定运行方向时。附加制动器在动作开始时应强制地切断控制电路。

该条款给出了附加制动器的触发动作条件，超速1.4倍和非操纵逆转的极端工况下必须立即触发附加制动器动作。附加制动器的制停减速度大，蒋晨迪等［5］提出了一种利用虚拟样机技术的方法，对实际工况下附加制动器的制动试验进行模拟测试。常见的制停试验是在现场自动扶梯梯级放置载荷试验［6］，轻载工况下的制停减速度往往大于1 m／s2，且制停过程伴随着一定的刚性冲击，可能对梯级上不做防备的乘客造成一定伤害［7］。因此，类似于电梯安全钳，作为保护自动扶梯的最后一道装置，标准要求附加制动器仅在非正常极端工况下作用。

（2）5.4.2.2.5如果电源发生故障或安全回路失电，允许附加制动器和工作制动器同时动作，此时制停条件应符合5.4.2.1.3.2条款和5.4.2.1.3.4条款的规定。否则，附加制动器和工作制动器只允许在5.4.2.2.4条款规定的情况下同步动作。

该条款给出了附加制动器与工作制动器动作同步动作的条件，即当制停条件符合5.4.2.1.3.2条款和5.4.2.1.3.4条款的规定情况下允许附加制动器与工作制动器同步动作。由5.4.2.2.4条款的分析可知，附加制动器的制停减速度大，制停距离短，特别是棘轮（或制动盘）棘爪式附加制动器难以符合制停条件要求。需要指出的是，电源故障的情况下会导致附加制动器的保持装置失电而动作，当制停条件不符合要求，必须配置电源故障情况下的延时触发装置。

另外，紧急停止开关等动作都会造成安全回路的失电，其发生的频率远高于5.4.2.2.4条款所述的特殊工况，多次触发附加制动器可能对设备和乘客造成一定的伤害。工作制动器有效时，安全回路失电和电源故障的工况下工作制动器即可安全制停自动扶梯。

2 附加制动器触发原理

2.1 附加制动器结构型式

自动扶梯附加制动器的型式通常有棘轮棘爪式、制动盘棘爪式、制动盘制动靴式、鼓式制动等。上述结构型式的附加制动器的制动性能很大程度上取决于摩擦片调整的预紧力，造成轻载与重载工况下的制停减速度差异大。梁敏健等［8］给出了一种自适应可变制动性能的盘式附加制动器，通过自适应调整摩擦组件与制动盘之间制动力，完成对制动距离的闭环控制，一定程度上减少不同载荷工况下的制停减速度的差异性。目前，市面上常见的附加制动器多用棘轮棘爪式和制动盘棘爪式。

典型的棘轮棘爪式和制动盘棘爪式结构如图1所示。当附加制动器触发动作时，棘爪保持装置将失电弹出，随机落入棘轮或制动盘上的某点。当棘爪随机弹到A点，棘爪不会直接卡住棘轮或制动盘，随着自动扶梯继续下行，棘轮或制动盘继续顺时针旋转，直到棘爪落入棘轮齿槽或制动盘止挡块的C点，此时棘轮或制动盘与摩擦片作用制动并最终制停住自动扶梯，制动距离最大。当棘爪动作随机弹入到B点时，棘爪瞬间与棘轮齿槽或制动盘接触，附加制动器碟形弹簧和主轴上的摩擦片短时间内抵消冲击能量，自动扶梯制停距离最短。

图1 棘轮和制动盘式

上述分析可知，给定棘轮或制动盘上的蝶形弹簧预紧力后，制停距离取决自动扶梯上载荷和棘爪弹入棘轮或制动盘上的位置。棘轮的齿数越多、制动盘上的止挡块间距越小，制停距离的差异性越小［9－10］。

2.2 附加制动器制停系统

附加制动器制停系统由检测、控制和制停3个单元组成，如图2所示。通常采用PESSRAE实现，其安全完整性等级至少为SIL1。

图2 附加制动器制停系统

控制单元是制停系统的核心，负责采集检测单元的运行速度、方向等数据并进行数据融合处理，依据数据分析结果发出指令是否触发附加制动器动作。常见的棘轮或制动盘式附加制动器的触发原理如图3所示，发生超速1.4倍或非操纵逆转时控制单元无延时立即触发棘爪动作。主电源失电则工作制动器失电下闸，棘爪保持装置需要通过附加的延时电路延时触发，否则难以满足制停条件要求。安全回路失电、工作制动器松闸故障等用户定制的其他可选情况，工作制动器必然下闸动作，控制单元可以通过控制系统延时响应触发棘爪动作。

图3 棘轮和制动盘式触发原理

图4 所示为常见的附加制动器触发原理，X0、X1为检测单元输入到PESSRAE系统的测速信号，同时读取X0、X1信号即可判断自动扶梯的运行方向。ABK、BK软触点分别为PESSRAE判断附加制动器、安全保护装置（如梯级缺失保护、扶手带速度偏离保护等）动作输出。正常工作时，ABK闭合、BK闭合、控制系统输出端CTL1输出低电平，Y0端的电源信号输入到Y1和Y2端，棘爪保持装置的控制接触器线圈KZY和安全回路得电。当发生超速1.4倍或非操纵逆转时PESSRAE输出ABK触点断开，Y1和安全回路失电，附加制动器和工作制动器同时动作。当X2、X3检测到工作制动器松闸故障，按照用户定制的可选功能需要触发附加制动器，此时ABK触点闭合状态，控制系统延时输出高阻抗信号到CTL1，完成系统控制的延时响应触发附加制动器的功能。当发生主电源故障时，则需要延时电源电路来延时触发附加制动器动作。

图4 触发电气原理

3 触发案例分析

某一公共交通型自动扶梯，主要参数为提升高度11.5 m，梯级宽度1 000 mm，倾斜角30°，名义速度0.65 m／s，采用双驱动主机驱动。驱动主机各配置一套棘爪制动盘式附加制动器，附加制动器棘爪保持装置由电磁铁控制。由于制停条件不符合要求，供电电源故障的情况下，增加延时电路延时触发棘爪装置动作，如图5所示。电磁铁线圈电源YZD1、YZD2由接触器KZY1、KZY2、及继电器POW1、POW2控制，设备正常运行时POW1、POW2、KZY1、KZY2常开触点闭合，当系统判断需要附加制动器动作时KZY1、KZY2断开。供电电源故障的情况下，POW1、POW2、KZY1、KZY2常闭触点回路接通，电磁铁线圈电源YZD1、YZD2继续得电直到延时电源断开。

图5 延时电源控制电路

对该设备进行监督检验时，断开主开关模拟供电电源故障，棘爪保持装置延时后断电触发，符合要求。模拟非操纵逆转故障，发现棘爪装置未动作，不符合要求。经过查看之后，发现继电器POW1、POW2线圈电源接在主开关进线端，KZY1、KZY2接触器的常开触点被短接，如图6所示。无论主开关是否断开，POW1、POW2依然得电常开触点闭合，由于KZY1、KZY2常开触点被短接，KZY1、KZY2、POW1、POW2常开触点回路闭合直到延时电源断电触发棘爪动作。当自动扶梯发生非操纵逆转、超速1.4倍等故障将无法触发附加制动器动作，存在严重的安全隐患。

图6 KZY1、KZY2的接触器触点被短接

去除短接线，断开主开关上一层的外部电源开关，发现棘爪保持装置立即失电断开，延时电路失效。进一步核查有关资料后，KZY1、KZY2线圈两端并联RC电路，断开线圈电源时，线圈中的电流经RC放电，使电流衰减缓慢，接触器衔铁的释放时间延长。因此，继电器POW1、POW2和接触器KZY1、KZY2分断吸合时间不一致。当外部电源断开，继电器POW1、POW2失电常闭触点立即接通，接触器KZY1、KZY2常闭触点延时接通，常闭触点回路POW1、POW2、KZY1、KZY2在完全接通之前电磁铁线圈电源YZD1、YZD2失电下闸，且延时电源电压只能维持电磁铁保持吸合而无法再次开启，延时电路失效。

对延时电路重新设计，如图7所示。当外部电源断开时，POW1、POW2常闭触点立即接通，电磁铁线圈电源YZD1、YZD2保持接通直至延时电源断开。当电源正常时，POW1、POW2常闭触点断开，KZY1、KZY2常开触点闭合，系统依据图3所示的触发原理控制附加制动器无延时或软件延时断开KZY1、KZY2线圈电源。

图7 更改后的延时电源电路

4 结束语

本文对GB16899－2011标准中自动扶梯附加制动器触发动作的相关条款进行了详细解读。通过对棘爪棘轮或制动盘式附加制动器制停过程分析，可知制停条件难以满足GB16899－2011要求，得出棘爪棘轮或制动盘式附加制动器的动作触发原理框图。最后，对某一附加制动器的动作触发案例进行详细分析，设计的缺陷导致延时触发电路失效，给出整改意见后，制造单位对延时电路重新设计并验证其符合要求。附加制动器是独立于工作制动器的自动扶梯制停装置，当工作制动器无法制停扶梯，发生非操纵逆转等极端工况时，只能通过附加制动器制停自动扶梯。检验检测人员应当确保其有效性，保障设备安全运行。