檢測(cè)裝置對(duì)自動(dòng)扶梯的梳齒板動(dòng)作有限元分析*

封高歌，張延斌，甘 斌，梁 驍，施鴻均，張立強(qiáng)

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200026；2.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600）

0 引言

自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道梳齒板安全保護(hù)裝置是特種設(shè)備安全系統(tǒng)中重要的組成部分，自動(dòng)扶梯∕自動(dòng)人行道在使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有異物卡在梯級(jí)踏面與梳齒板之間時(shí),若梳齒板不能靈活動(dòng)作,就無(wú)法觸發(fā)梳齒板安全停車(chē)開(kāi)關(guān)，將有可能損壞設(shè)備甚至傷人[1]。近年故國(guó)內(nèi)外接連發(fā)生多起因異物夾入自動(dòng)扶梯梳齒板與梯級(jí)之間而導(dǎo)致的設(shè)備本體損壞事件和人員傷亡事故[2]。GB 16899-20115.7.3.2.6規(guī)定如果有卡入異物后，梳齒板與梯級(jí)或踏板發(fā)生碰撞時(shí)，自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道應(yīng)自動(dòng)停止運(yùn)行。但由于GB 16899-2011[3]和TSGT7005-2012[4]并未對(duì)此提出技術(shù)規(guī)定和試驗(yàn)要求，一定程度上給制造廠家空余較大可操作空間，有的僅設(shè)置前后或上下移動(dòng)方向的單個(gè)方向電氣開(kāi)關(guān)，有的同時(shí)設(shè)置垂直-水平兩個(gè)方向的電氣開(kāi)關(guān)，且觸發(fā)力大小的設(shè)置也各自不同。設(shè)備的經(jīng)營(yíng)者給自動(dòng)扶梯增加一些安全防護(hù)措施以及檢測(cè)單位的提前預(yù)防性檢查來(lái)提高自動(dòng)扶梯的安全使用很有必要[5]。所以研究設(shè)計(jì)一種可以測(cè)量梳齒板水平以及垂直觸發(fā)力的大小的、可靠的自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道梳齒板動(dòng)作開(kāi)關(guān)安全檢測(cè)裝置至關(guān)重要。

1 自動(dòng)扶梯梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置的基本結(jié)構(gòu)

自梳齒板保護(hù)裝置的檢驗(yàn)在檢規(guī)中提到了兩點(diǎn)：一是工具；二是動(dòng)作方向，但未對(duì)動(dòng)作點(diǎn)（力的大小、位移的大小）做出明確的說(shuō)明[6]。研究設(shè)計(jì)一種可靠的自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道梳齒板開(kāi)關(guān)的安全檢測(cè)裝置，而且可以測(cè)量梳齒板水平以及垂直觸發(fā)力的大小至關(guān)重要。

1.1 新裝置技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)行測(cè)試方式不僅需要很多人力和物力，耗費(fèi)的時(shí)間也較長(zhǎng)，會(huì)造成在平時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中只測(cè)試梳齒板保護(hù)裝置電氣開(kāi)關(guān)的有效性，不測(cè)試該裝置機(jī)械動(dòng)作有效性的結(jié)果。在使用過(guò)程中，如果機(jī)械部分發(fā)生卡阻，電氣開(kāi)關(guān)將無(wú)法被動(dòng)作，一旦發(fā)生緊急情況（如梯級(jí)碰撞、小孩手被夾等）[7-10]，自動(dòng)扶梯或人行道將不會(huì)及時(shí)停止運(yùn)行，從而造成更加嚴(yán)重的后果與現(xiàn)有的梳齒板安全開(kāi)關(guān)檢測(cè)裝置相比，新研究設(shè)計(jì)的優(yōu)越功效目標(biāo)是：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，易于安裝制造，設(shè)備接口預(yù)留可與手持機(jī)顯示器或電腦相連；（2）可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)梳齒板安全開(kāi)關(guān)動(dòng)作的功能，提高電梯檢測(cè)的工作效率和機(jī)器的智能性；（3）解決目前梳齒板開(kāi)關(guān)動(dòng)作力的大小未知的問(wèn)題，具有梳齒板檢測(cè)可控性的優(yōu)點(diǎn)；（4）滿(mǎn)足需求目前市面的自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的功能檢測(cè)，使用簡(jiǎn)單方便，具有顯著性實(shí)用價(jià)值。

1.2 梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)扶梯梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置的整體設(shè)計(jì)思想和方案，描述系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及校正控制系統(tǒng)的流程，重點(diǎn)研究了各部件的動(dòng)作順序以及反饋信息形成整個(gè)閉合回路的系統(tǒng)機(jī)制。自動(dòng)扶梯梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置關(guān)鍵部位的機(jī)械設(shè)計(jì)主要包括主體框架、機(jī)械螺桿水平推拉機(jī)構(gòu)、垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、末端支撐板測(cè)力傳感器系統(tǒng)，以及水平和垂直力傳感器力反饋系統(tǒng)。

梯梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置是對(duì)自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道梳齒板安全保護(hù)開(kāi)關(guān)觸發(fā)力檢測(cè)的一種工具，其主要?jiǎng)幼黜樞蚴牵鹤陨矶ㄎ弧綑z測(cè)——垂直檢測(cè)。在調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置的特點(diǎn)和梳齒板檢測(cè)裝置的市場(chǎng)需求、主要技術(shù)參數(shù)、確定的功能和應(yīng)用范圍，基于SolidWords軟件平臺(tái)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)梯梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置進(jìn)行三維參數(shù)化建模和完成虛擬樣機(jī)的裝配，并對(duì)模型的正確性和合理性進(jìn)行基本檢驗(yàn)，三維裝配圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)模塊三維裝配圖

根據(jù)梳齒板動(dòng)作開(kāi)關(guān)安全檢測(cè)裝置的動(dòng)作要求和力的測(cè)試大小和方向，研究設(shè)計(jì)如圖2所示的裝置機(jī)構(gòu)示意圖，其中包括主體框架、機(jī)械螺桿推拉機(jī)構(gòu)、末端測(cè)力傳感器支撐板，以及水平和垂直力傳感器。主體框架的外部設(shè)有兩臺(tái)測(cè)力顯示器手持機(jī)，測(cè)力顯示器通過(guò)信號(hào)線分別與設(shè)在推拉機(jī)構(gòu)的末端水平測(cè)力傳感器和垂直測(cè)力傳感器相連。主體框架內(nèi)設(shè)有機(jī)械推拉機(jī)構(gòu)，推拉機(jī)構(gòu)末端裝有測(cè)力器支撐板，支撐板上分別裝有水平和垂直兩種壓力測(cè)力器，推拉機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行水平測(cè)力器位置的機(jī)械式水平前后移動(dòng)，與梳齒板前端面接觸并觸發(fā)保護(hù)開(kāi)關(guān)，完成整體框架的垂直移動(dòng)且同時(shí)帶動(dòng)垂直測(cè)力器接觸梳齒板下端面觸發(fā)開(kāi)關(guān)。

圖2 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.3 梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置動(dòng)作流程

此裝置的開(kāi)發(fā)可以了解不同場(chǎng)合、不同品牌自動(dòng)扶梯和人行道梳齒板觸發(fā)力的數(shù)據(jù)信息，為今后技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的完善提供數(shù)據(jù)支撐，還可以完善現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)手段，模擬實(shí)際觸發(fā)工況，提高檢驗(yàn)效率和準(zhǔn)確度，使自動(dòng)扶梯和人行道梳齒板保護(hù)裝置檢驗(yàn)檢測(cè)更加方便、運(yùn)行更加安全可靠。圖3所示為梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置與梳齒板接觸示意圖，圖4所示為動(dòng)作接觸部分垂直和前后局部放大前視圖。

圖3 梳齒板保護(hù)檢測(cè)裝置與梳齒板動(dòng)作俯視圖

圖4 局部放大前視圖

圖5所示為檢測(cè)動(dòng)作系統(tǒng)流程，主體框架內(nèi)設(shè)有機(jī)械推拉機(jī)構(gòu)，推拉機(jī)構(gòu)末端裝有測(cè)力器支撐板，支撐板上分別裝有水平和垂直兩種壓力測(cè)力器，推拉機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行水平測(cè)力器位置的機(jī)械式水平前后移動(dòng)，與梳齒板前端面接觸并觸發(fā)保護(hù)開(kāi)關(guān)，完成整體框架的垂直移動(dòng)且同時(shí)帶動(dòng)垂直測(cè)力器接觸梳齒板下端面進(jìn)行觸發(fā)開(kāi)關(guān)。水平前后推拉機(jī)構(gòu)和垂直上下推拉機(jī)構(gòu)設(shè)在裝置框架內(nèi)與測(cè)力傳感器系統(tǒng)連接，測(cè)力傳感器系統(tǒng)包括水平力傳感器和垂直力傳感器，水平前后推拉機(jī)構(gòu)前后推拉帶動(dòng)水平力傳感器運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)梳齒板的水平安全開(kāi)關(guān)和力的測(cè)試，垂直上下推拉機(jī)構(gòu)上下推拉帶動(dòng)垂直力傳感器運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)梳齒板垂直安全開(kāi)關(guān)和力的測(cè)試，裝置框架底部設(shè)有用于將檢測(cè)裝置固定在梳齒板上的固定件。

圖5 檢測(cè)動(dòng)作系統(tǒng)流程

2 有限元分析與驗(yàn)證

為了保證乘客上、下自動(dòng)扶梯的安全，必須在自動(dòng)扶梯出口普處設(shè)置梳齒前沿板，它包括前沿板、梳齒板、梳齒3個(gè)部分，其性能直接影響自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的安裝及運(yùn)行使用的安全性及穩(wěn)定性。根據(jù)國(guó)家檢規(guī)TSG T7005-2012《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則-自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道》6.2項(xiàng)要求，梳齒板保護(hù)檢驗(yàn)方法：拆下中間部位的梳齒板，用工具使梳齒板向后或者向上移動(dòng)(或者前后、上下)，檢查安全裝置是否動(dòng)作，自動(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道能否啟動(dòng)。

2.1 檢測(cè)裝置對(duì)梳齒板的力學(xué)有限元分析

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)自動(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道梳齒板的靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)沒(méi)有給出明確規(guī)定，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核仍多采用傳統(tǒng)方法，將材料許用應(yīng)力值與實(shí)際強(qiáng)度計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)保護(hù)檢測(cè)裝置對(duì)自動(dòng)扶梯的梳齒板動(dòng)作的有限元應(yīng)力以計(jì)算和校核檢測(cè)設(shè)備的安全性[11]，同時(shí)參照GB 16899-2011 5.3.3.2靜載試驗(yàn)和5.3.3.3動(dòng)載試驗(yàn)梯級(jí)踏板的要求，踏板表面不應(yīng)產(chǎn)生大于4 mm的永久變形，以此對(duì)其撓度變形進(jìn)行可靠性分析。

梳齒板的一邊支撐在前沿板上，另一邊作為梳齒的固定面，梳齒板以Q235鋼為材料基體：彈性模量為2.1×1011N∕m2；泊松比為0.3；抗拉強(qiáng)度為5×108N∕m2；屈服強(qiáng)度為2.35×108N∕m2。用有限元分析軟件中對(duì)測(cè)力計(jì)支撐板結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行一系列的性能分析，主要內(nèi)容包括應(yīng)力強(qiáng)度和位移撓度的變化，以此用于驗(yàn)證支撐板安裝在其結(jié)構(gòu)性能上的可靠安全性。

我國(guó)自動(dòng)扶梯制造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)梳齒板保護(hù)裝置的動(dòng)作力未做要求，但美國(guó)ASME A17.1-2016自動(dòng)扶梯制造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)梳齒板垂直和水平方向動(dòng)作力有不同的要求，水平方向在梳齒板任一側(cè)施加不大于1 780 N的水平力或者在梳齒板的中心施加不大于3 560 N的水平力，垂直方向在梳齒板的前部的中心施加不大于670 N的垂直力[12]。所以在末端力傳感器的選擇上，確定以垂直力上限3 560 N可測(cè)、水平力上限670 N可測(cè)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳感器進(jìn)行選型。在孔位處添加固定幾何體夾具，然后生成高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)劃分，且進(jìn)行運(yùn)行計(jì)算得出有限元分析應(yīng)力和位移形變結(jié)果。梳齒板加載外部條件和劃分網(wǎng)格如圖6所示，有限元特性分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 梳齒板加載外部條件和劃分網(wǎng)格

圖7 支架結(jié)構(gòu)有限元特性分析結(jié)果

2.2 強(qiáng)度與撓度分析：

經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算得出結(jié)果，如表1所示。

梳齒板最大靜應(yīng)力為53.9 MPa，扶梯材料為Q235，屈服極限為235 MPa，從文獻(xiàn)[9]中查得靜載荷的安全系數(shù)許用值為1.4~1.8，得出許用應(yīng)力：[σ]=σs/[n]s=130.6 MPa＞53.9 MPa。所以強(qiáng)度是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)安全要求的。參照表1內(nèi)相關(guān)最大數(shù)值，最大位移為0.016 mm，滿(mǎn)足G16899-2011 5.3.3.3中制動(dòng)試驗(yàn)踏面表面不應(yīng)產(chǎn)生4 mm的永久變形的要求，所以撓度也滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求。

表1 有限元分析結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

為了解決自動(dòng)扶梯梳齒板保護(hù)開(kāi)關(guān)是否有效，需要人工暴力性檢測(cè)且無(wú)法得到有效力學(xué)數(shù)據(jù)的問(wèn)題，通過(guò)分析梳齒板保護(hù)開(kāi)關(guān)檢測(cè)現(xiàn)狀需求，設(shè)計(jì)一種檢測(cè)裝置，解決目前梳齒板開(kāi)關(guān)動(dòng)作力的大小未知的問(wèn)題，與現(xiàn)有的梳齒板安全開(kāi)關(guān)檢測(cè)裝置相比，新研究設(shè)計(jì)有明顯的優(yōu)越功效。建立其整體機(jī)構(gòu)三維模型，重點(diǎn)研究了各部件的動(dòng)作順序以及反饋信息形成整個(gè)閉合回路的系統(tǒng)機(jī)制。對(duì)保護(hù)檢測(cè)裝置對(duì)自動(dòng)扶梯的梳齒板動(dòng)作的有限元應(yīng)力以計(jì)算和校核檢測(cè)設(shè)備的安全性，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)梳齒板開(kāi)關(guān)動(dòng)作的功能，提高電梯檢測(cè)的工作效率和機(jī)器的智能性。