重載型自動扶梯主驅動鏈動載強度的驗算

曹啟章，雷敏華，孔祥發

（1.廣州奧的斯電梯有限公司，廣州 510425；2.華南理工大學，廣州 510641）

0 引言

隨著經濟的持續發展，城市基礎設施得到逐步完善，越來越多的公共場所安裝并使用了自動扶梯，例如車站、地鐵、商場等，成為不可缺少的運輸工具[1-2]。自動扶梯按照載荷能力以及適用場合，可以分為：普通型自動扶梯、公共交通型自動扶梯、重載型自動扶梯。其中，重載型自動扶梯就是一種主要用于大客流公共交通系統的自動扶梯，每天的運行時間長達20 h，每周運行7天。近年來，隨著我國公共交通建設，特別是以地鐵為代表的城市軌道交通的大規模開展，重載型自動扶梯得到大批量的生產和使用[3]。

1 存在問題及原因分析

一般來說，自動扶梯的驅動裝置分為端部驅動裝置和中間驅動裝置兩種形式，端部驅動裝置的機房一般可以分為機房內置式、機房外置式。目前，國內地鐵最常見的重載型自動扶梯是機房內置式自動扶梯，機房設置在自動扶梯桁架上平層端部水平段內，并且主機與主驅動之間采用滾子鏈傳動，結構如圖1所示。如圖所示，主驅動鏈作為自動扶梯的驅動元件，其主要的功能是將主機上的動力傳輸到主驅動上，從而讓主驅動帶動梯級鏈和梯級以及扶手帶運動，主驅動鏈的失效形式主要表現為鏈板斷裂和銷軸斷裂，這兩種失效形式的原因如下。

（1）鏈板斷裂的主要原因：長期工作在載荷超過了鏈板疲勞極限的情況下，造成鏈板的孔附近開始出現疲勞裂紋，最后造成鏈板突然斷裂，之所以會產生疲勞，是由于鏈條在運行過程中，在張緊邊會由于帶動扶梯運動而受到很大的力，隨著逐漸向松邊運行，力慢慢變化至趨近于0，這樣就在鏈板上面產生了疲勞。

（2）銷軸斷裂的主要原因：由于工作在潤滑不良的情況下，使得銷軸磨損嚴重，鏈條身長超出允許值而未更換，最后造成銷軸斷裂。

圖1 機房內置式布置圖

當主驅動鏈條斷裂時，主機電機上的動力將無法傳遞到驅動裝置，因此驅動系統不能提供負載所需的驅動力，由此引發嚴重的安全隱患[4]，例如2014年上海地鐵靜安寺站7號線換2號線的換乘通道內的自動扶梯早高峰期間發生逆行導致，乘客摔倒受傷，以及2017年香港旺角朗豪坊商場“通天梯”逆行釀成18人受傷的事故。

主驅動鏈條屬于驅動元件，在自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范GB 16899：2011[5]和EN115-1：2017[6]里，要求所有驅動元件的靜載強度安全系數不應小于5倍。這樣規定的目的是為了有效防止靜力拉斷失效的風險發生，然而，主驅動鏈條的失效形式主要為動載過程中的疲勞斷裂，因此對主驅動鏈條動載疲勞強度的驗算就顯得尤為重要。

2 降低主驅動鏈斷裂幾率和造成的傷害的措施

主驅動鏈一旦發生失效，扶梯會出現慣性滑行失控[3]。針對主驅動鏈條斷裂，目前國內地鐵通常采取以下3種措施。

（1）提高主驅動鏈的安全系數，將GB16899：2011要求的靜力計算5倍破斷安全系數提高到8倍，靜力指的是自動扶梯承受5 000 N/m2的規定載荷，同時還要考慮張緊裝置所產的張力。

（2）依據檢規TSG T7005-2012[7]上明確要求安裝對主驅動鏈的工作狀態實行監控的裝置。常用的裝置如圖2所示，當主驅動鏈發生斷鏈的時候，保護裝置能立即觸發安全開關，使附加制動器動作，從而使得扶梯停止。

（3）提出更嚴格的鏈條更換標準，當驅動鏈磨損伸長達1.5%就更換鏈條，而一般機械手冊要求是3%進行更換，一般自動扶梯生產公司的維保手冊要求是2%進行更換。

圖2 驅動鏈監控裝置

這幾個措施能夠有效降低主驅動鏈發生斷鏈的幾率和主驅動斷裂發生后造成的傷害，然而，增加鏈條的安全系數是通過提高許用破斷強度，間接選取高幾個級別型號的滾子鏈，這樣會使得整梯的寬度增加，從而使整梯的成本和土建的成本增加，而作為直接解決鏈板疲勞的根本方法應該是直接校核鏈條的疲勞強度。

另外，在最新的扶梯標準EN115-1：2017的第5.4.1.3.2條要求驅動元件的設計應具有無限疲勞壽命[6]；滾子鏈標準ISO 606-2015在附錄F中給出了多排鏈條的動載強度計算方法[8]。

3 鏈條的疲勞強度校核

以扶手帶中間驅動和1 000 mm梯級寬的扶梯為例，介紹鏈條的疲勞強度校核步驟。

3.1 計算滾子鏈的最大動載工作力

由于重載型[9]自動扶梯的載荷條件是很苛刻的，以廣州地鐵的載荷條件為例：每天工作20 h，每年365天連續工作，在任何3 h的間隔內，持續重載時間不少于1 h，其載荷應達到100%的制動載荷，其余2 h的負載率為60%的制動載荷，在計算的時候，使用制動載荷120 kg/梯級模擬乘客載荷。驅動鏈的受力分析，如圖3所示[10]。

圖3 主驅動鏈受力分析圖

式中：F1為主驅動鏈的最大動載工作力，N；F2為梯級自重、梯級鏈自重、乘客載荷（制動載荷）以及張緊架張緊彈簧所產生的張緊力這幾個力的合力，N；F3為扶手帶驅動鏈條牽引力，N；F4為返回側梯級自重、梯級鏈自重、張緊架彈簧所產生的張緊力，N；dstk為梯級鏈輪節圓直徑，m；dhd為扶手帶驅動鏈輪節圓直徑，m；dk為主驅動鏈輪節圓直徑，m。

3.2 計算鏈條的理論最小動載強度

對于鏈條的理論最小動載強度，目前主流的有兩種計算多排鏈的計算方法[6]，分別起源于德國和美國，均沒有針對型號指定方法。在實際應用過程中，對于B系列滾子鏈多使用德國方法，而A系列滾子鏈多使用美國方法。

德國方法：兩排鏈的最小動載強度=1.5×單排鏈的最小動載強度；三排鏈的最小動載強度=1.92×單排鏈的最小動載強度。

美國方法：兩排鏈的最小動載強度=1.34×單排鏈的最小動載強度；三排鏈的最小動載強度=2.01×單排鏈的最小動載強度。

根據實際使用的滾子鏈型號計算鏈條的最小動載強度，如20A-3鏈條。經查表[8]可知單排的20A-1的最小動載強度：

式中：Fd是鏈條在3×106循環次數時的最小動載強度。

三排鏈的強度：

3.3 主驅動鏈的動載強度安全系數校核

鏈條企業提供的專業數據分析如圖4所示，當該安全系數S大于1的時候，滾子鏈所受的交變載荷在其最小動載強度之下，理論上鏈條不會發生因為鏈板疲勞而斷裂。

國內地鐵項目標書中，一般規定所用的自動扶梯的運行速度是0.65 m/s，主驅動鏈的使用壽命是室內8年和室外5年，如果按照前面的計算的話，完全可以滿足標書的要求。

圖4 滾子鏈疲勞性能圖

4 結束語

主驅動鏈作為自動扶梯在工作制動器與梯級驅動裝置之間的連接傳動元件，主要失效形式之一為疲勞失效，針對疲勞失效，通過理論計算，可以對主驅動鏈的動載疲勞強度進行校核，使得滾子鏈在實際運行的狀態下載荷始終保持不超過最小動載荷，確保主驅動滾子鏈具有無限疲勞壽命，從而從理論上避免自動扶梯逆轉事故的發生。