自动扶梯提升梯级运行安全的方案分析

摘" 要：自动扶梯作为垂直方向上乘客的运输工具，是安全度要求很高的特种设备，梯级作为乘客站立和移动的主要部位，其运行稳定性和安全性直接关系到乘客的安全。梯级故障发生的原因具备多样性，结合规范要求及研究分析自动扶梯运行过程中的梯级损坏故障及梯级安全事件，针对不同场景下的故障机理，从梯级自身技术参数指标、梯级配套部件等方面研究相应的技术方案提升自动扶梯梯级运行安全。

关键词：自动扶梯；梯级；运行安全；故障机理；结构强度

中图分类号：TH236" " " 文献标志码：A" " " " " "文章编号：2095-2945（2024）35-0１６７-0４

Abstract： As a vertical transportation tool for passengers， escalators are special equipment with high safety requirements. The steps are the main parts for passengers to stand and move， and their operational stability and safety are directly related to the safety of passengers. The causes of step faults are diverse. Based on regulatory requirements and research analysis， the causes of step damage faults and step safety events during the operation of escalators are studied. In response to the fault mechanisms in different scenarios， corresponding technical solutions are researched from the aspects of step technical parameters， step supporting components， etc. to improve the safety of escalator step operation.

Keywords： escalator; step; operational safety; fault mechanism; structural strength

自动扶梯作为垂直方向上乘客的主要运输工具，被广泛应用于地铁站、商场等场所，能够给人们的出行带来便利[1]。梯级作为乘客站立和移动的主要部位，其运行稳定性和安全性直接关系乘客的安全，梯级在运行过程中发生断裂失效，可能引发乘客摔倒、恐慌，甚至引发踩踏事件等事故，严重危害到乘客的人身安全[2]。自动扶梯根据能力和适用场所可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[3]。重载型自动扶梯的客流承载能力大，工作寿命长，适用于复杂的使用环境，主要用于地铁车站中[4-6]，因此重载型自动扶梯有着更细致、严格的技术要求。通过对梯级运行过程中的故障损坏原因分析，结合重载型自动扶梯在梯级运行安全上有更严格的要求和设计，提出自动扶梯提升梯级运行安全的方案。

1 自动扶梯梯级故障机理分析

1.1 梯级结构简介

梯级从结构上主要包含踏面、踢板面、三角支撑架、加强筋和连接部位等，如图1所示。踏面是承担运输的平面，使用中主要受到垂直向下的力；踢板面为一个弧面，近似垂直支撑于踏面；三角支撑架位于梯级的两个侧边，使梯级成为一个三角体提高梯级的抗扭曲性能；梯级加强筋是将梯级的踏面、踢板面、三角支撑架连接成一个整体，在梯级的反面支撑来自于梯级的各种载荷；连接部位主要用于梯级与梯级链进行连接，依靠梯级链的牵引拖动梯级移动。梯级依靠梯级链滚轮及梯级滚轮4个轮子支撑在扶梯导轨中运行。

1.2 梯级损坏故障及机理分析

国家标准GB 16899—2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》[7]的重大危险清单中明确指出：因为不可预见的误用导致大于规定的载荷作用在梯级上，梯级运行期间断裂或破裂的危险，也是属于重大危险、危险状态和事件，需要采取措施消除或减小。自动扶梯梯级处于一个动态运行状态，梯级在踏面或者踢板面受到异常载荷导致梯级变形或者断裂损坏的原因是多样的，自动扶梯设备梯级运行安全与维修保养质量有密切关系，但维保人员技术水平具有不确定性，因此本文主要通过分析自动扶梯梯级日常故障案例及原因，为自动扶梯结构方案的优化设计提供依据。

1.2.1" 梯级结构强度过低受冲击损坏

乘客在扶梯踏面进行跳跃给自动扶梯梯级造成了冲击载荷导致扶梯的梯级滚轮连接处发生断裂，如图2所示。目前现有的各类标准对于梯级的关注度基本集中于梯级踏面和踢板面正向受载时候的强度要求及测试。例如GB 16899—2011对于梯级踏面中部集中加载3 000 N的静载试验及以500～3 000 N脉动载荷于踏面的动载试验，相对于乘客跳跃的冲击更严格，因此分析该事故主要是梯级制造缺陷导致梯级结构强度不足导致。

1.2.2" 梯级与梳齿啮合处发生干涉损坏

自动扶梯梯级在运动中踏面和踢板面以齿型相啮合，在梯级进入上下水平段时，以齿槽与梳齿板的梳齿相啮合，这样确保梯级在运动全过程中都不会出现连续缝隙。图3为梯级运行过程中与梳齿板的安装位置关系，梳齿板连接支撑板保证高度，运行过程中因为该啮合处发生碰撞导致梯级损坏的事件。

自动扶梯梯级的尺寸及梯级梳齿板的位置关系是自动扶梯国家标准关键约定的尺寸，是保证双方正确啮合的重要保障，如图4所示。为了避免扶梯梯级正面撞梳齿或发生擦齿，扶梯运行时梯级梳齿的水平方向间隙一般为不大于2.2 mm。按照国家标准的要求，梳齿槽根部与梯级踏面齿顶面的竖直方向间隙距离不大于4 mm。因此可以看出，当梯级与梳齿在啮合处水平方向或者垂直方向上发生过度偏移时，梯级与梳齿板将发生干涉碰撞。

对于梯级与梳齿板水平方向干涉的问题，部分扶梯采用裙板限位梯级，在实际使用过程中裙板限位装置存在磨损裙板，间隙加大，梯路跑偏，水平定位未起到限位作用，梯级实际运行中受到水平方向载荷作用时，梯级发生偏移与梳齿发生碰撞或者摩擦，导致撞梯级或者梯级断齿的情况较多，因此需要更可靠的梯级水平限位装置。

对于梯级与梳齿板竖直方向干涉的问题，某案例为扶梯乘客在离开扶梯时，踩在梳齿板处，随后扶梯梯级与梳齿发生碰撞。经分析后是梳齿支撑板强度偏弱，当受载时导致梳齿板向下变形量大于啮合间隙，同时后续梯级与梳齿即将啮合导致碰撞发生。而目前国内的扶梯标准对于梳齿支撑板的强度尚未提出相关要求。

1.2.3" 因异物卡入导致扶梯梯级损坏

当扶梯正常运行时，如果因异物卡入梯级受到附加载荷反作用于乘客可能会引起乘客受伤，如果因较硬的异物（如硬币）卡入，扶梯梯级很容易发生断裂失效，卡异物引起的阻力是梯级发生断裂的直接原因，而梯级自身的机械强度不足和梳齿开关动作失效是梯级发生连续断裂的根本原因。

1.2.4" 梯级滚轮损坏导致梯级非正常运行而损坏

自动扶梯每个梯级中有2只梯级链滚轮通过轴铰接于牵引的梯级链条，2只梯级滚轮直接装在梯级撑架短轴上。梯级依靠滚轮支撑在扶梯梯路上运动时，滚轮的质量也是保证梯级正常运行的关键部件。如图5所示，为梯级绕自动扶梯转动一周时滚轮的运行轨迹。

滚轮在转动一周的过程中是受到动态变化载荷的，面向乘客可见区域梯级链滚轮表面主要受到梯级踏面上的乘客或物体及梯级与梯级链自重施加的载荷，在可见区域的转弯处梯级滚轮还要承受梯级链张紧力附加的载荷，此时对滚轮的载荷最为严苛。在扶梯回转区域主要为梯级与梯级链自重施加的载荷。在梯级链轮回转区域，存在为滚轮悬空，表面不受压力。因此滚轮在运行中存在周期性的载荷和部分梯级在运行过程中所受乘客或者物体载荷也是动态变化的。同时虽然不提倡乘客在扶梯上走动或“左行右立”等行为，但不可避免在实际运行过程中存在以上情况。

如梯级滚轮磨损或者发生脱胶塌陷等原因同步造成的梯级塌陷，此时梯级在与梳齿板啮合时会出现干涉碰撞，导致梯级故障事故。

2 自动扶梯梯级提升运行安全方案分析

2.1" 梯级自身结构强度

结合前述故障分析可知，梯级的损坏一般是因为受到异常载荷引起的断裂失效。因此提升梯级安全性首先应保证梯级自身结构强度指标的可靠性。重载型自动扶梯在国内外标准的测试要求、技术指标对梯级提出了比国家标准更高的要求，为提升梯级结构强度提供了参考。相关建议测试指标见表1。

2.2" 提升梯级与梳齿板的啮合准确度

根据前述故障分析可知，梯级与梳齿啮合发生撞击是梯级发生的主要故障，为了降低梯级与梳齿支撑板方向撞击可能，需要保证梯级和梳齿在竖直和水平方向上的啮合的准确度，从而提升自动扶梯运行安全性。

因为GB 16899—2011对梳齿支撑板强度无具体要求，如果梳齿支撑板强度不够，则重物压到梳齿下凹变形量大于梳齿板和梯级的间隙时，则后续的梯级可能会撞击梳齿板。参考美国标准提出在梳齿支撑板中部200 mm×300 mm的面积上施加160 kg的重力，梳齿支撑板的变形不应导致板体或梳齿与梯级踏面接触，该方案优化了梳齿竖直方向上的变形。同时考虑梯级运行时可能在竖直方向发生跳动，自动扶梯梯级链滚轮工作导轨和返回导轨的全程应设置压轨；梯级滚轮工作导轨在上、下转弯段至进入梳齿前的部分也应设置压轨，如图6所示，该方案优化了梯级竖直方向上的变形，上述方案可提升梯级与梳齿板在竖直方向上啮合的准确度，降低碰撞可能性。

对于梯级与梳齿板水平方向的啮合问题，针对梯级裙板限位存在裙板被磨损严重的问题，可设计梯级采用导轨限位的方式。同时除了自身的导轨限位外，在梯级和梳齿啮合处增加水平导向，图6可在梯级进梳齿前的1～2个梯级的位置处设计梯级水平导向装置，提升水平梯级与梳齿板在水平方向啮合准确度，降低碰撞可能性。

2.3" 提升承载梯级的滚轮安全性

梯级和梯级滚轮作为承载梯级的运动部件，在长时间的非规则动载荷作用下，需要有可靠的使用寿命。可考虑滚轮采用密封轴承，滚轮还应带有防尘盖，防尘盖与轴承之间应注满油脂，能有效防止沙尘侵入，室外自动扶梯的滚轮还应考虑防水。同时一般重载型自动扶梯应明确梯级链滚轮采用外置方式，以便滚轮大小不受梯级链限制，对滚轮的直径、宽度等做出一定限制来确保滚轮的承载能力。同时为了在最严苛受力的转弯部位降低梯级链滚轮承受的载荷，可在上部转弯部设置梯级链的卸载导轨，降低滚轮在此处的受力，提升承载梯级的滚轮安全性。

2.4" 明确梳齿开关动作力，确保梯级与梳齿碰撞时，开关响应快速安全停梯

当梯级和梳齿板不可避免发生撞击损坏时，除了依靠梯级自身强度外，还应有可靠的安全开关确保自动扶梯停梯，避免大量梯级源源不断撞击梳齿处的结构导致严重的安全事故。例如在梯级不能正常通过梳齿支撑板时，梳齿支撑板在水平方向和垂直方向的移动应能使自动扶梯停止运动，在梳齿支撑板后部的左右两侧，每侧各有水平方向动作开关和垂直方向动作开关一个，每个开关应有单独的触发机构，国家标准GB 16899—2021对梳齿板开关动作力没有量化要求，部分产品需要非常大的动作力才能触发开关动作，经常撞8～10个梯级才停梯，但设置动作力过小造成频繁停梯固然也不合理，因此根据调研自动扶梯运营方经验值，梳齿支撑板安全开关水平力不大于1 500 N，垂直力不大于200～300 N，为较合适的指标。

3" 结束语

自动扶梯梯级作为直接面向乘客的运动部件，提升其运行稳定性和安全性是有必要的。结合自动扶梯梯级运营实际使用情况，从梯级自身及配套的梳齿板、滚轮等部件出发分析了自动扶梯梯级损坏故障机理，结合故障发生原因，对自动扶梯梯级结构强度、梳齿支撑板强度、梯级与梳齿板啮合导向装置、滚轮、梳齿板动作开关等部件提出了优化设计方案。以此提升自动扶梯梯级运行安全。

参考文献：

[1] 毕晓林.自动扶梯常见故障的分类及其原因分析[J].中国电梯，2024，35（7）：78-80.

[2] 任发才，梁骁，吴兴华.铝合金自动扶梯梯级断裂失效分析[J].金属热处理，2019，44（S1）：286-289.

[3] 史信芳，蒋庆东，李春雷，等.自动扶梯[M].北京：机械工业出版社，2014.

[4] 饶美婉.地铁设计中的公共交通型重载自动扶梯[J].都市快轨交通，2008（5）：74-78.

[5] 史信芳.重载型自动扶梯的基本技术概念[J].中国电梯，2019，30（17）：6-9，28.

[6] 翁浩.公共交通重载型自动扶梯在地铁中的运用分析[J].中国机械，2023（13）：83-87.

[7] 自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范：GB 16899—2011[S].北京：中国标准出版社，2011.