自動扶梯防墜落裝置設計及有限元分析

封高歌，張延斌，甘斌，梁驍，施鴻均，張立強

(1. 上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200026；2. 上海工程技術大學，上海 201600)

0 引言

自動扶梯扶手的主要作用是人們在乘坐自動扶梯時手扶的一種裝置，在自動扶梯突然急停等情況下可以讓乘客抓住扶手避免摔倒。自動扶梯扶手帶高度標準規定為0.9 ～ 1.1 m(美標ASMS的高度為 0.9 ～ 1.0 m)。這一高度并不能完全有效防止人員的墜落，特別是在抱小孩乘坐扶梯時該風險非常大。近年來，國內外類似的自動扶梯高處墜落事故時有發生。當乘客乘坐自動扶梯時如沒有遵守自動扶梯乘坐要求，一些突發、不規范的行為可能導致人員墜落事故的發生[1]。從風險評價的角度分析這些典型事故，有必要對自動扶梯增加一些安全防護措施來提高自動扶梯的使用安全。除了設計、生產者有義務客觀地告知設備需方這一風險，使用管理人根據使用場合應做好宣傳標識、相應的防護措施之外，設備的經營者給自動扶梯裝設永久型防墜落保護裝置很有必要[2]。這可以一勞永逸地解決自動扶梯墜落問題。

1 自動扶梯防墜落的基本結構

防墜落措施有多種方式，常用、有效的防墜落措施設置有以下三種幾種形式：防止人員高處墜落的防護擋板、防護欄桿和攔截網、攔截架[1]。其中防護欄桿雖然有質量輕對原扶梯和建筑結構影響小及材料成本低等特點，但當人的肢體擺動時有插入、卡進的風險，所以沒有達到徹底解決墜落的目的要求。攔截網、攔截架是對墜落發生之后進行的有效減少傷害的裝置，其不能起到防患于未然的效果。防護擋板可以完全有效對墜落進行防護，可以確保乘坐人員質心傾斜時不墜落。設計防護擋板式扶梯防墜落裝置，著重從擋板的高度范圍和有效安裝兩方面進行研究。

1.1 人因工程學角度分析防護擋板設計范圍

先分析研究防墜落裝置擋板安裝在扶梯扶手帶平面上方的何等位置上合適。據相關統計數據表明，自動扶梯墜落事件中，當成年人抱著一名幼童乘坐扶梯時，質心位置偏高是最容易發生扶梯墜落風險的[3]。故擋板的高度應該以幼童抱起質心位置高度為參照進行設計。計算幼童抱起質心高度時，有幾個關于人體數據需要進行統計數據研究，即：人的質心位置、人的平均身高以及抱起幼童時的整體質心位置計算(圖1)。

A—成年人身高；B—幼童身高；C—成年人質心位置；D—幼童抱起質心位置；E—上質心高度；F—幼童質心高度；O1—成年人質心；O2—幼童抱起質心。

根據中國國新辦2020年12月發布的《中國居民營養與慢性病狀況報告(2020年)》，18～44歲男性的平均身高為169.7cm，女性為158cm，較2015年分別增加1.2cm和0.8cm，還有不斷增高趨勢[4]。故將現在和未來研究數值暫定男性平均身高170cm、女性身高160cm為本文成年男女身高研究數據。站立時，人體質心一般在身體正中面上第三骶椎上緣前方7cm處。由于性別、年齡、體型不同，人體質心位置略有不同，一般男子質心位置的相對高度比女子高，自然站立時，男子質心高度大約是身高的56%。因為女子的骨盆帶較大，女子質心大約是身高的55%。幼童的頭和軀干的質量相對大一些，則身體質心相對高度比成人高些。相對成人值選擇質心0.6作為幼童身高質心分界公式數據。據相關數據統計正常嬰兒出生身長為50 cm左右，6個月的身高70cm左右。傳統習慣和醫學建議表明嬰兒在6個月時才允許抱立。對人群調查研究表明懷抱幼童姿勢以6個月身高70cm為嬰兒的起抱身高來研究較為合理。

根據以上男女身體結構理論數據分析，得出相應平均值，即A[男、女]=[170、160] cm；BMin=70 cm；幼童質心身高FMin=BMin×0.6=42 cm；推出上質心高度EMin=BMin-FMin=28 cm，幼童抱起質心位置D=A[男、女]-EMin=[142、132]。出于安全考慮，自動扶梯擋板需要覆蓋最高范圍質心安全，所以得出幼童抱起質心位置高度D的理論數值=AMax-EMin=142 cm，即取值D[142、132]最大值DMax=142 cm，從而得出防墜落裝置擋板安裝在扶梯扶手帶平面上方的142 cm以上，即擋板上表面到梯級踏面的高度最小為142 cm。考慮安全系數問題，根據《GB 16899—2011標準》規定，扶手帶頂面距離梯級踏面之間的垂直距離不應<0.9 m也不應>1.1 m，即扶梯扶手帶相對梯級踏面高度是0.9 m ～ 1.1 m。所以結合考慮到幼童抱起質心高度將自動扶梯的安全防護高度相比原來增加52 cm。

1.2 防護擋板機構設計

自動扶梯防墜落擋板可以有效地阻擋人員乘坐質心不穩導致的跌落危險。一方面根據人因工程學角度分析防護擋板設計高度范圍，考慮多種安全因素，選擇防墜落裝置擋板安裝在扶梯扶手帶平面上方；另一方面，檔板起始端限定在安全區域出入口處，即使人員發生危險沒有反應過來，發生墜落也是在安全區內[5]。

利用虛擬樣機技術，基于SolidWords軟件三維設計平臺，對自動扶梯防墜落裝置擋板進行三維參數化建模和虛擬自動扶梯的裝配(圖2)，并對模型的正確性和合理性進行基本檢驗。

圖2 自動扶梯防墜落裝置建模3D視圖

2 防墜落擋板的有限元分析與驗證

我國現行標準規范中對電梯轎架強度校核的方法、安全系數和許用應力沒有給出明確規定，現有研究論文中對電梯轎架選用的安全系數等各不相同。進行強度計算和校核仍多采用傳統方法，將材料許用應力值與實際強度計算值進行對比，以計算和校核電梯轎架的安全性[6]。同時電梯轎架結構復雜，細小零部件繁多，局部連接處可能存在應力集中。本文設計防墜落擋板安裝在扶梯桁架結構上，通過支架和螺栓固定方式進行連接。桁架是自動扶梯承載系統的重要組成部分，其承載能力是扶梯結構安全的決定性因素之一。通過針對桁架的連接結構及其材料研究，對防墜落裝置及桁架的力學有限元分析，得到桁架的應力和位移的變化規律，運用自動扶梯參數化有限元分析平臺[7]驗證自動扶梯防墜落裝置的實用安全可靠性。

2.1 擋板安裝對扶梯桁架的力學有限元分析

自動扶梯的金屬骨架是個桁架結構，桁架是支撐扶梯整體結構的核心裝置，同時也是承載自動扶梯整機質量及外加荷載的主要承力結構[8],其性能也直接影響自動扶梯安裝及運行的安全性及穩定性。自動扶梯及桁架以Q235鋼為基體；其彈性模量為2.1×1011N/m2；泊松比0.3；抗拉強度5×108N/m2；屈服強度2.35×108N/m2。擋板材料選用鋼化玻璃，一方面鋼化玻璃可以滿足剛度和強度要求，另一方面通明玻璃在密閉空間內給人以空間舒適感。自動扶梯金屬結構的兩端支承在建筑中不同樓層樓板的承重結構上。

在SolidWorksRSimulation中對桁架結構受力進行一系列的性能分析，內容包括：應力強度、位移、應變，以此用于驗證擋板安裝在其結構性能上的可靠性。

根據單側玻璃的體積和密度計算出單側擋板總質量是530 kg，載荷設計量為5 194 N。按照國標GB 16899的規定乘客載荷是自動扶梯的自身重力加上5 kN。單邊檔板通過14個螺栓接頭固定。螺母和螺栓孔的圓形邊線選擇42 mm。定義螺栓材料為合金鋼，力預載為728 N，摩擦系數是0.2，激活緊密配合方式，在裝配體中擋板和桁架之間所有接觸相面選擇無穿透的接觸條件。在桁架兩端分別添加兩個固定幾何體的夾具，分別選擇固定夾具一個加載在底端面上，另一個加載在側端面上。每個螺栓接觸曲面上應用728 N的力，力的方向為法向向下。在圓角區域應用網絡控制單元大小為0.929 mm，比率為1.5。生成高品質網絡且進行運行計算，得出有限元分析應力和位移形變結果如圖3-圖4、表1所示。

圖3 桁架模型圖以及加載外部條件和劃分網格

圖4 桁架有限元特性分析結果

表1 有限元分析表

2.2 強度與撓度分析

根據《扶梯安全規范》的第5.2.5條款規定[9]，按5 000 N/m2的荷載設計或實際檢測的最大形變量應小于等于承力點之間長度L的1/750。對于重載型自動扶梯設計，5 000 N/m2的荷載設計或實際檢測的最大形變量要小于等于承力點之間長度L/1 000[10]。經過有限元分析計算得出如下結果。

2)本文桁架結構中間段的長度為 6.9 m，如為商用型普通型扶梯，其最大位移為0.009 2 m；如為公共交通型重載扶梯，其最大位移為0.006 9 m。查閱表1內相關最大數值都未達到最大位移值撓度限制，所以撓度也滿足安全設計要求。

本文對自動扶梯防墜落擋板模型有限元應力特性分析結果表明：根據《扶梯安全規范》，此扶梯桁架結構強度、剛度都能達到市面上同類型自動扶梯的制造條件。

3 結語

分析自動扶梯安全現狀問題，提出研究一種防墜落裝置的必要性,基于人因工程學和虛擬樣機技術對自動扶梯防墜落的整體結構設計，建立其整體機構三維模型。通過有限元法對自動扶梯防墜落擋板裝置的分析，得出桁架的有限元分析應力和撓度位移形變結果，按照桁架的安全設計規范及其材料特性進行比較和驗證，確定了方案的安全合理和有效性。