淺談自動扶梯制動參數測量方法及其研究進展

江海濱 余仁輝 陳志浩 陳建勛

（1.廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251；2.廣東省特種設備檢測研究院順德檢測院，廣東 佛山 528399；3.廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519002）

0 引言

自動扶梯（以下簡稱“扶梯”）廣泛應用于大型商場、機場、地鐵站、火車站等公共場合，是人們生產生活的重要交通工具。作為一類機電類特種設備，除了乘梯便捷性外，其安全性能也得到了廣泛的社會關注。扶梯制動器屬于機電一體化部件，是扶梯在設備故障、意外事故發生時確保梯級有效制停的重要安全保護裝置，可看作扶梯的“剎車系統”，其重要性不言而喻[1]。扶梯正常運行時制動器制動閘瓦處于松閘打開狀態，當由于部件故障觸發安全開關動作或急停開關被人為按下時，制動器電磁線圈都將被停止供電，觸發鐵芯受迫運動，帶動制動閘瓦實現制動輪摩擦減速，最終實現梯級減速制停，保護乘客安全。制停過程不可過于平緩，否則發生事故時不能及時停梯以消除安全隱患，或將給乘客造成持續性傷害；同時也不可過于急促，否則慣性太大易導致乘客心理恐慌，容易誘發摔倒、踩踏等二次傷害。制停距離、制停減速度、制停時間是評估扶梯制動性能的主要參數，是扶梯安裝、調試、檢驗、維保、安全抽查、事故調查過程中的重要測試項目。

1 檢測要求

特種設備安全技術規范《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——自動扶梯與自動人行道》（TSG T7005—2012）附件A第10.3“制停距離”項規定，不同名義速度空載和有載向下運行的扶梯制停距離應符合表1范圍，名義速度不在表1范圍內時可采用插值方法計算制停距離范圍。根據該項檢驗要求，制停距離應從電氣控制裝置動作時開始測量，可采用儀器測量或標記測量方法，扶梯監督檢驗時進行有載制動試驗，定期檢驗時只做空載試驗[2]。

表1 扶梯制停距離要求

根據《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》（GB 16899—2011）第5.4.2.1.3條，扶梯進行有載下行制動試驗時，應根據梯級的名義寬度確定每個梯級上的制動載荷，如表2所示，試驗時將全部額定載荷集中放置于扶梯上部2/3的梯級上[3]。

表2 扶梯制動載荷要求

針對制停減速度，該標準還規定，扶梯向下運行時，制動器制動過程中沿運行方向上的減速度不應大于1 m/s2，原始減速信號應經過4.0 Hz兩階巴特沃斯濾波器濾波。

2 測量方法

2.1 梯級標記法

梯級標記法是現場檢驗時最常用的人工測試方法。其測試過程為：扶梯靜止時用記號筆在一個梯級上沿左右方向劃一條標記線，隨后驅動扶梯下行，當被標記的梯級即將運行完一個周期時，觀察到標記線從上出入口梳齒板與梯級相交線處出現的瞬間快速按下急停開關。以自動人行道空載制停試驗為例，如圖1所示，設備停止后用卷尺測量梳齒板和踏板相交線與標記線的距離，作為制停距離。

圖1 標記法測量制停距離

該方法僅需卷尺和記號筆即可快速完成測試，操作簡便，但不同測試人員按下急停開關時刻存在主觀差異，甚至同一操作人員重復測試時制停瞬間也有先后差異，導致測試結果可重復性差。若所測制停距離剛好位于標準要求的范圍臨界值附近，則較難判斷是否符合要求。此外，若扶梯制停后標記線所在梯級位于扶梯行架過渡段或傾斜段，制停距離也并非梳齒板和梯級相交線與標記線的水平距離，則其值不易直接測量。

2.2 扶手帶標記法

針對梯級標記法存在制停后標記線位于非水平梯級上時制停距離不便測量的問題，胡戰生等人[4]提出了測量制停距離的扶手帶標記法，在確定扶手帶與梯級同步運行的前提下，用制停過程中傾斜段扶手帶運動距離代替梯級運動距離。測量方法如圖2所示，在扶梯傾斜段護壁板上沿上下方向劃標記線1，啟動扶梯下行，當速度穩定后迅速在上端站扶手帶內緣粘貼細長標記線2，觀察到兩標記線處于同一位置時快速按下急停開關，制停后測量兩標記線沿傾斜段方向的距離，即為制停距離。

圖2 扶手帶標記法測量扶梯制停距離示意圖

該方法通過傾斜段距離測量代替傳統的出入口處水平距離測量，測試時可以直觀地觀察標記線，由于扶梯傾斜段距離足夠長，也適用于較大制停距離的測量。相對于傳統梯級標記法，該方法提高了制停距離測量通用性，降低了制動執行瞬間的主觀隨意性。由于測量前需調整扶手帶與梯級同步運行，測量后需恢復扶手帶速度到合理先行范圍，因此該方法測試過程操作較復雜。

2.3 旋轉編碼測量法

旋轉編碼測量法基于光電脈沖測量原理，配合脈沖計數硬件系統，并根據旋轉編碼器轉動一周內輸出脈沖總數，可將輸出的脈沖序列轉化為旋轉編碼器滾輪角速度數據序列，再根據測速滾輪直徑進一步換算出待測物體運行速度、位移和加減速度數據。如圖3所示，測試時在扶梯出入口利用吸盤夾具將旋轉編碼測速組件吸附于自動扶梯護壁板上，并使與編碼器同軸的測速滾輪與梯級表面接觸，隨后啟動設備下行，梯級運行時測速滾輪同步轉動，達到正常運行速度時利用觸發裝置按下急停開關，觸發扶梯緊急制停的同時儀器記錄開始制停時刻，制停結束后制停距離、制停時間等信息直接顯示于儀器人機交互界面。

圖3 旋轉編碼器測量扶梯制動參數

該方法是最常用的利用儀器測量扶梯制停距離的方法，可實現扶梯多個運動參數的快速精確測量，結果直觀，通用性強[5-6]。

2.4 加速度積分法

加速度傳感器是測量物體直線運行加速度、速度、位移的有效手段，亦可用于扶梯運行參數測量[7-8]。如圖4所示，扶梯靜止時將三軸加速度測量模塊放置于上端梯級上，操作設備下行，待速度穩定后操作緊急制停，加速度測量模塊記錄制停過程中三軸加速度數據并上傳至計算機終端。為使數據真實可靠，測試時加速度模塊應與梯級保持相對靜止，參考扶梯乘運質量測量標準，加速度模塊與梯級表面的接觸壓力建議不低于60 kPa[9]。去除加速度數據中與重力加速度相關的直流分量后，以梯級靜止狀態某時刻作為計算起點進行逆時序數值積分可得到梯級速度序列，進一步數值積分可得到位移序列，最后綜合分析速度曲線、位移曲線可確定制停開始和結束時間，從而得到制停距離。

圖4 三軸加速度傳感器測量扶梯制動參數

該方法操作簡單，計算加速度矢量和即可直接測得扶梯傾斜段運行方向上的制停減速度，更能體現乘客在扶梯緊急制停過程中的沖擊感受。

2.5 數字圖像檢測法

近年來，隨著計算機視覺、數字圖像處理技術在測量控制領域的快速發展，圖像檢測法在電梯檢驗檢測過程中也得到了越來越多的應用[10-11]。任馨等人[12]通過電流傳感器采集制動器供電電流以識別制動起始時刻，同時利用隨梯級同步運行的圖像檢測模塊連續采集裙板表面圖像信息并依據相鄰幀微圖像像素位置變化值計算出梯級位移信息，借助平板電腦處理算法可對扶梯制停距離、制停減速度、梯級速度等參數進行計算。

該方法可實現扶梯制動參數的非接觸測量，測試過程簡便，數據穩定，實用性強。

3 各方法綜合比較

以下從測量原理、準確度、便捷性、測試成本等方面對上述五種測量方法進行比較，如表3所示。由表3可知，標記測量法的主要優勢是測試便捷快速、成本低，專用儀器測量法的主要優勢是自動化程度和準確性高。

表3 各測量方法比較結果

要實現扶梯制動參數的準確測量，除需對制停過程梯級運行距離進行準確測量外，還需要準確識別制動執行電氣開關動作瞬間。除標記法的目視識別外，還可通過以下方法記錄觸發時刻：第一種方法是識別機械觸發信號，即用觸發棒按壓急停開關觸發扶梯電氣開關動作，同時觸發棒前端與急停開關接觸的按鈕開關被按下，輸出開關信號給檢測儀器；第二種方法是識別電流觸發信號，即通過電流互感原理監測制動器供電電流，電流信號突變瞬間為制動器動作瞬間，此方法需對電流互感傳感器響應時間進行補償；第三種方法是分析連續采集到的觸發電信號曲線特征，根據斜率變化規律，利用算法進行制動瞬間識別。

4 通過輕載或空載測量有載制動性能

扶梯監督檢驗過程中有載下行制動試驗時需使用大量砝碼，砝碼裝卸過程耗費大量的時間和成本，操作不慎也可能對扶梯結構造成損傷。此外，測試時通常在扶梯下出入口進行砝碼裝載，部分扶梯由于提升動力不足，很難將滿足表2要求的總制動載荷提升至扶梯上端，這也給砝碼搬運工作帶來了不便。因此，設備使用單位、維保單位通常對砝碼試驗有抵觸心理。如何根據合理的計算模型，并通過輕載或空載制停試驗所得制停距離、制停減速度等數據對滿足標準規定載荷的有載制動參數進行計算，已成為該檢測項目的研究熱點。

高峰等人[13]根據能量守恒原則，推算出扶梯在任意小于額定載荷時的制停距離計算公式：

式中：S任為任意載荷m任時的制停距離（m）；S0為空載時制停距離（m）；m1為加載在梯級上的輕載荷（kg）；v為扶梯額定速度（m/s）；S1為在輕載m1時的制停距離（m）；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；α為傾斜角（°）。

根據該計算公式，通過一組空載制停試驗和一組輕載制停試驗分別得到空載制停距離和輕載制停距離，即可計算出m任載荷下的制停距離，當m任為滿足GB 16899—2011中的額定載荷時，S任即為有載制停距離。

余仁輝等人[14]根據剛體定軸轉動定律，推導出有載制停距離與空載制停減速度的關系：

式中：S為載荷m下的制停距離（m）；P為扶梯空載運行時消耗的功率（W）；v為扶梯額定速度（m/s）；a0為打開制動器閘瓦且僅在扶梯自身摩擦力矩作用下空載下行制停減速度（m/s2）；a1為制動器作用下空載下行制停減速度（m/s2）；θ為傾斜角（°）；μ為扶梯梯級等運動部件與固定部件間摩擦系數。

根據該關系，在已知扶梯摩擦系數前提下，測得空載功率和兩組空載制停減速度即可計算出特定載荷下的制停距離。將制停過程近似勻減速過程，根據運動學公式可計算出平均制停減速度。該方法可實現制動參數的無載荷測試，難點在于如何獲取扶梯的摩擦系數。一種摩擦系數確定方法是：可測得一組輕載制停試驗下的制停距離，反向求解出摩擦系數，該摩擦系數應用于此后同一型號扶梯有載制停距離計算。

5 結語

一般檢驗過程中采用標記法可實現扶梯制停距離的現場快速、低成本檢測，當標記法所測制停距離在所要求區間邊緣，不確定判斷結果時，可采用專用檢測儀器進一步測量。專用儀器檢測法由于測量精確度高，更適合專項抽查、事故調查等場合，便于數據追溯。此外，通過空載或輕載試驗對GB 16899—2011規定的有載制停距離進行計算可以極大地降低測試風險和人力成本，縮短試驗時間。該方法基于特定的假設和計算模型，目前還處于試驗驗證完善階段，將來有望大范圍應用于扶梯有載制動參數檢測。