自動扶梯梳齒板檢測裝置設計及有限元分析

張延斌，封高歌，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

自動扶梯梳齒板保護裝置是自動扶梯安全保護裝置中的重要組成部分。根據國家檢規《TSG T7005—2012電梯監督檢驗和定期檢驗規則——自動扶梯和自動人行道》6.2項要求[1]，當有異物卡入梳齒板，并且梳齒與梯級或者踏板不能正常嚙合，導致梳齒板與梯級或者踏板發生碰撞時，自動扶梯或自動人行道應當自動停止運行。據統計，發生在梯級與梳齒板間的夾人或物事故約占自動扶梯事故的 41% 以上，可見梳齒板防異物保護裝置失效是造成梯級夾人或物事故最主要原因之一[2]。從風險評價的角度分析這些典型事故，有必要對梳齒板區域風險水平預判和檢測有足夠的重視。除了設計生產者應將這一風險有義務客觀地告知設備的需方，并且要求使用管理人根據使用場合提醒做好宣傳標識、相應的防護措施之外，設備的經營者給自動扶梯增加一些安全防護措施以及檢測單位的提前預防性檢查來提高自動扶梯的安全使用很有必要。

1 自動扶梯梳齒板保護檢測裝置的基本結構

《GB 16899—2011自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》[3]對梳齒板安全保護裝置的安裝、維護和檢測均有明確要求。

自動扶梯梳齒板保護裝置一般有兩種動作形式，一種是水平方向動作，一種是垂直方向動作。在檢驗過程中發現，垂直方向動作大部分通過扳手或者螺絲刀向上翹動的方式驗證[4]，但這種方式往往需要很大的力才能實現，有的扳手和螺絲刀無法承受容易彎曲。水平方向動作一般把螺絲刀卡在兩個梯級相交的縫隙，然后手動盤車把螺絲刀頂到梳齒板上，通過觀察繼電器吸合和安全回路信號燈驗證，這種驗證方式也需要提供很大的助推力，有可能會損壞梯級或者梳齒板，有的繼電器吸合聲音較小,安全回路信號燈亮度不夠或者損壞，誤判的可能性較大。故研究設計一種可靠的自動扶梯和自動人行道梳齒板動作開關安全檢測裝置，而且可以測量梳齒板水平以及垂直觸發力的大小至關重要。

1.1 設計使用力的范圍

現行測試方式不僅需要很多人力和物力，耗費的時間也較長，會造成在平時的維護保養過程中只測試梳齒板保護裝置電氣開關的有效性，不測試該裝置機械動作有效性的結果。在使用過程中，如果機械部分發生卡阻，電氣開關將無法被動作，一旦發生緊急情況(如梯級碰撞、小孩手被夾等)，自動扶梯或人行道將不會及時停止運行，從而造成更加嚴重的后果[5-6]。

我國自動扶梯制造標準對梳齒板保護裝置的動作力未做要求，但美國ASME A17.1—2016自動扶梯制造標準對梳齒板垂直和水平方向動作力有不同的要求，水平方向在梳齒板任一側施加不大于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，垂直方向在梳齒板前部的中心施加不大于670 N的垂直力。故在末端力傳感器的選型上，確定水平力上限是3 560 N可測、垂直力上限是670 N可測為標準。

1.2 梳齒板保護檢測裝置機構設計

本單元主要介紹了自動扶梯梳齒板保護檢測裝置的整體設計思想和方案，描述了系統的總體結構以及校正控制系統的流程，重點研究了各部件的動作順序以及反饋信息形成整個閉合回路的系統機制。

根據對梳齒板動作開關的安全檢測裝置動作要求，包括力的測試大小和方向，設計如圖1所示的裝置機構示意圖。其中包括主體框架、機械螺桿推拉機構、末端測力傳感器支撐板及水平和垂直力傳感器。主體框架的外部設有兩臺測力顯示器手持機。測力顯示器通過信號線分別與設在推拉機構的末端水平測力傳感器和垂直測力傳感器相連。主體框架內設有機械推拉機構，推拉機構末端裝有測力器支撐板，支撐板上分別裝有水平和垂直兩種壓力測力器，推拉機構可以進行水平測力器位置的機械式水平前后移動，與梳齒板前端面接觸并觸發保護開關，完成整體框架的垂直移動同時帶動垂直測力器接觸梳齒板下端面進行觸發開關。

1—裝置框架；2—水平轉動桿；3—水平螺桿頭；4—傳感器推拉支架；5—垂直力傳感器；6—水平力傳感器；7—水平力傳感器支架；8—垂直螺桿頭；9—水平螺桿；10—力傳感器顯示器；11—垂直壓板；12—頂動連桿；13—垂直轉動桿；14—垂直螺桿；15—固定方鋼。

利用虛擬樣機技術，基于SolidWords軟件三維設計平臺，對梳齒板保護檢測裝置進行三維參數化建模和虛擬自動扶梯的裝配，見圖2，并對模型的正確性和合理性進行檢驗。與現有的梳齒板保護檢測裝置相比，結構簡單，易于制造與安裝，提高了電梯檢測的工作效率和設備工作的可靠性。

圖2 結構模塊三維裝配圖

1.3 梳齒板保護檢測裝置動作流程

首先使電梯處于檢修狀態，拆開梳齒板的前端梳齒，將固定方鋼15插入梯級踏面的縫隙中。圖3為檢測裝置與梳齒板接觸時的示意圖。

圖3 梳齒板保護檢測裝置與梳齒板

以下文中表述的機構零部件及數字標識均可以在圖1(a)-圖1(c)中找到。通過檢測裝置一系列的機構運動推動末端的水平力傳感器6和頂拉垂直力傳感器5分別接觸梳齒板的頂部端面和底部面，致使安全開關動作時顯示器記錄力傳感器的數值。

水平和垂直的檢測分兩個時段。第一時段是檢測水平方向的觸發力，手動轉動水平轉動桿2，通過連接3帶動水平螺桿9轉動，水平螺桿頭將動力方向變為頂動連桿12的水平前后的推力，推動傳感器推拉支架4上的水平力傳感器6頂住梳齒板的前端接觸面，至安全開關動作后觀察和記錄水平力傳感器對應顯示器上的記錄數值，完成水平安全開關檢測和觸發力大小的測量。第二時段是垂直檢測觸發力，待第一階段完成后，轉動調節水平轉動桿2收回頂動連桿12，使水平力傳感器和梳齒板前端面分離無接觸，收回檢測設備，重新恢復電梯運行，然后停止至檢修狀態。拆開梳齒板的前端梳齒，將固定方鋼15插入梯級踏面的縫隙中，垂直轉動桿13轉動后帶動垂直螺桿14垂直向下方向走，直至垂直螺桿14下端面頂到梯級的踏面，此時繼續轉動垂直轉動桿13，由于螺桿結構的反作用力通過垂直螺桿塊向反方向的垂直上方運動，同時帶動連動傳感器推拉支架4使垂直力傳感器5接觸頂起梳齒板的底面，直至安全開關動作，記錄垂直力傳感器對應顯示器10上的記錄數值，完成垂直安全開關檢測和觸發力大小的測量，從而實現梳齒板垂直安全開關和力的測試。

對于第二階段失效備用方案，增加末端垂直壓板11，當第二階段較大力使得垂直轉動桿13轉動后，此時可采取以垂直螺桿14下端面為支點，用力向下推垂直壓板11。由于杠桿作用使得另一端傳感器推拉支架4的垂直力傳感器5接觸頂起梳齒板的底面，直至安全開關動作，記錄垂直力傳感器對應顯示器10上的記錄數值，完成垂直安全開關檢測和觸發力大小的測量，從而實現梳齒板垂直安全開關和力的測試。

2 有限元分析與驗證

在我國現行標準規范中，對梳齒板安全開關的保護檢測裝置校核的方法、安全系數和許用應力沒有給出明確規定，故校核壓力值采用美國ASME A17.1—2016標準。強度計算和校核仍采用傳統方法[7-8]，將材料許用應力值與實際強度計算值進行對比，以計算和校核檢測設備的安全性[6]。同時因梳齒板保護檢測裝置結構復雜，細小零部件繁多，局部連接處可能存在應力集中。本文設計的微型測力器安裝在傳感器推拉支架結構上，通過支架和螺栓固定方式進行連接，支架是力傳感系統承載的重要組成部分，其承載能力是此檢測裝置安全性的決定性因素之一。

2.1 檢測裝置傳感器推拉支架的有限元分析

檢測裝置的傳感器推拉支架是個L型支架結構，是固定水平傳感器和垂直傳感器的連接裝置，同時承載水平和垂直力傳感器對外加荷載的主要承力結構,其性能也直接影響監測裝置的安裝及運行的可靠性及穩定性。傳感器推拉支架也稱測力計支撐板，以高強度的合金鋼為材料，彈性模量為2.1×1011N/m2；泊松比0.3；抗拉強度為7.9×1010N/m2；屈服強度620×106N/m2。運用有限元分析軟件對測力計支撐板結構受力進行一系列的性能分析，主要內容包括應力強度和位移撓度的變化，以此用于驗證支撐板安裝在其結構性能上的可靠性[9]。

按美國ASME標準對梳齒板垂直方向靠梳齒板的前部中心施加不大于670 N的垂直力。選擇在微型測力計的固定位置施加最大670 N的垂直向下的力，在支架末端添加固定幾何體夾具，然后生成高品質網絡劃分，且進行運行計算，得出有限元分析應力和位移形變結果。對有限元分析模型進行支架模型圖以及加載外部條件和劃分網格如圖4所示。

圖4 支架模型圖以及加載外部條件和劃分網格

2.2 強度與撓度分析

圖5為支架結構有限元分析靜應力和位移形變結果，通過圖5得到有限元分析數值(表1)。

圖5 支架結構有限元特性分析結果

表1 有限元分析數值

由分析結果可知：

1)推拉支架最大靜應力是460 MPa，高強度合金鋼的應力屈服極限是620 MPa，強度滿足設計安全要求的[7]；

2)參照表1內相關最大數值，最大位移撓度為2.87 mm，根據《G16899—2011 5.3.3.3》標準規定，制動試驗踏面表面不應產生大于4 mm的永久變形，所以撓度也滿足安全設計要求；

自動扶梯梳齒板保護檢測裝置的傳感器推拉支架模型有限元應力特性分析結果表明，根據《扶梯安全規范》[10]，此L型支架結構強度、剛度都能達到安全設計規范要求。

3 結語

分析自動扶梯梳齒板保護檢測現狀問題，提出研究設計一種檢測梳齒板安全開關動作以及作用力大小檢測裝置的必要性,基于虛擬樣機技術對檢測裝置的整體結構設計，建立其整體機構三維模型。通過有限元法對檢測裝置的傳感器推拉支架進行分析，得出應力屈服極限和撓度位移形變結果，并針對傳感器推拉支架的安全設計規范及其材料特性進行比較和驗證，確定方案的安全合理和有效性。