一种自动扶梯附加制动器的设计及其可靠性

一种自动扶梯附加制动器的设计及其可靠性

王钊

迅达（中国）电梯有限公司 上海 201815

摘要：自动扶梯是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。中国境内的自动扶梯都必须符合GB16899自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范。自动扶梯如果存在安全风险或发生故障，最终都会有相应的安全装置来使自动扶梯停止运行，保护乘客的安全。附加制动器是除了工作制动器以外的第二个安全刹车，也是最后一道安全装置。当满足以下条件是必须安装：1.工作制动器与梯级(踏板、胶带)驱动装置之间不是用轴、齿轮、多排链条或者多根单排链条连接的；2.工作制动器不是规定的机-电式制动器；3.提升高度大于6m；4.共交通型自动扶梯或者倾斜角不小于6°的公共交通型自动人行道。

关键词：自动扶梯 附加制动器 主轴刹车 蝶形弹簧 摩擦片

1 引言

国家推动现代化社会的快速发展，高铁、地铁及大型综合商场等不断涌现，自动扶梯作为传送效率非常高的运载工具而被大量应用。作为自动扶梯的设计者，保证设计的产品安全可靠是一个设计师的最基本要求。但机械设备随着投入使用时间越长，都可能发生不同的故障，人员受伤情况也时而被媒体所报道。当机械故障发生后，自动扶梯都有相应的安全保护装置来保护顾客的人身安全。自动扶梯的附加制动器就是所有安全保护装置中最为关键执行者，如何确保附加制动器的可靠性，成为一个很有意义的研究课题。

2附加制动器的结构形式

根据TSG7007-2016《电扶梯型式试验规则》，J6.5.8.2 制动原理及连接方式要求：

1. 1. 1. 1. 附加制动器要为机械式的利用摩擦原理；切断附加制动器电源后，附加制动器应当处于制动状态；

         2. 附加制动器与梯级(踏板、胶带)驱动装置之间应当用轴、齿轮、多排链条或者多根单排链条连接，不允许采用摩擦传动元件(如离合器)构成的连接；

         3. 附加制动器应当能防止因驱动系统的移位、倾覆或者断裂而造成的梯级(踏板)逆转。

本公司自动扶梯及自动人行步道附加制动器均安装在主轴上，采用棘轮棘爪机械摩擦结构形式，当速度超过名义速度1.4倍前或在梯级（踏板）改变其规定运行方向时起作用（逆时针为扶梯下行）或主机移位，系统会强制切断主控制电路。其结构及工作原理（下行工况）如下：

附加制动器直接装配在主轴的侧面（单侧或双侧），主要部件包括电磁铁、弹簧、棘爪，附加制动器（制动盘/压盘/制动片/螺栓、蝶簧、螺母）。螺栓贯穿驱动链轮，制动盘，制动片和压盘，依靠螺母压紧碟簧，碟簧被压紧后产生的正压力始终作用在压盘上。压盘处于最外侧，压盘与制动盘之间有一片刹车片，制动盘处于最中间，制动盘与驱动链轮之间有一片刹车片。当发生以上情况的任何一种，系统都会切断主控制电路，使被吸合的电磁铁失电，棘爪在弹簧力的作用下转动挡住制动盘上的挡块，制动盘立即停止转动，其他转动部件由于转动惯量继续转动，在刹车片之间行程相对转动，依靠着刹车片的相对摩擦产生的动摩擦力，是转动系统减速并最终停止。

自动扶梯在正常运行时，电磁铁通电会产生的电磁力，电磁力克服弹簧弹力，拉动棘爪转动，避开制动盘挡块，保证扶梯能正常运行。

3 附加制动器的扭矩计算

根据TSG7007-2016《电扶梯型式试验规则》中J6.16附加制动器制动要求，附加制动器应当能使具有制动载荷向下运行的自动扶梯和自动人行道有效地减速停止，并且使其保持静止状态；减速度应不超过1m/s2。

制动系统要克服整个移动系统的能量等于系统转矩与主轴转过的弧度的积

通过整个扶梯的满负荷计算，可以获得系统制动扭矩 ，

空载下行的最大制动扭矩：

满载下行的最小制动扭矩：

系统制动扭矩：

若主轴上附加制动器数量为k，单个附加制动器所承担的扭矩即为系统制动扭矩除以附加制动器数量：

= /k

蝶形弹簧规格50x25,4x2,25，基本参数如下：

碟簧的结构比较特殊，被压紧的行程很小，所以为了获得更大扭矩，采用串联和并联的原理，提高弹性系数，可以节约压缩行程，通过计算，采用三种组合方式，分别为I型，II型和III型，原理为并联结构，所使用的扭矩范围如下：

碟簧布置的结构形式简图：

4 附加制动器关键零件的材料和技术要求

附加制动器结构中，在根据理论计算加载碟簧扭矩后，与制动盘之间产生滑动摩擦力的金属有三个部件：驱动链轮，制动片和压盘。

根据国家标准GB/T 34422-2017《汽车制动盘》和行业标准 JB/T 7019-2013《工业制动器》，制动盘的表面粗糙度不大于Ra3.2；T/CEA 301-2019《地铁用自动扶梯技术规范》同样推荐制动盘的粗糙度不大于Ra3.2，所以设计要求的摩擦面粗糙度不小于Ra3.2。由于制动片接触两个面，为了防止制动片产生相对无规则转动，制动盘的表面粗糙度设计为Ra6.3，这样在刹车过程中，产生相对滑动摩擦的面为压盘与制动片之间和驱动链轮与制动片之间，制动片和制动盘之间的接触面不发生相对滑动。

材料及接触表面粗糙度要求：

摩擦片在制动过程中是核心部件，当前供应商的制动片应符合标准《GB5763-2008 汽车用制动器衬片》，在经过XD-MSM型定速式摩擦试验机测试（对磨金属GJL-200）可得不同温度下的摩擦系数在0.35-0.44之间，试验台测试实在表面抛光95%以上情况下得出的测试数据。但是在实际产品中，如果制动系统计算的摩擦系数采用测试值，则实际工况需要尽量接近实验测试条件，对供应商所提供的摩擦片表面粗糙度参考标准《VDI 3396 金属加工件所用砂带磨削》提出技术要求，对摩擦片增加了P100目的磨削工序要求，可达到较好的表面粗糙度；在装配后，为了能形成稳定可靠的摩擦膜，需要完成附加制动器的预磨工序，即固定主轴，反向驱动制动盘转动，使制动盘与驱动链轮和压盘之间产生滑动摩擦，可以达到磨合制动片的效果。附加制动器的磨合条件设定与实际工况一致，并可以直接测量得到附加制动器的真实扭矩

，当摩擦片被磨合稳定后，测试扭矩等于理论计算扭矩，保证产品在整个自动扶梯制动过程中能有效减速并且减速度不大于1m/s2。

5附加制动器空载工况制停距离检验

手动推上棘爪，点动运行扶梯，使棘爪与制动盘缓慢接触，并在棘爪上划线（图3）；在制动盘上做好标记，点动手动开关，扶梯在额定速度下行运两圈以上，手动推上棘爪，在棘爪作用下使扶梯停止运行，在棘爪作用下，制动盘发生相对移动，箭头发生错位（图5）；缓慢运行扶梯，使其中一个标记箭头与桁架对齐，并在扶手带的涨紧轮下方以梯级链轮轴为中心，在导轨上划线标记（图6）；缓慢运行扶梯，使另一个标记箭头与桁架对齐，并在扶手带的涨紧轮下方以梯级链轮轴为中心，在导轨上划线标记（图7）；测量导轨上两次划线之间的间距，即为制动距离（图8）。

如果安全制动器距离不符合配置表要求，可做如下调整：

1）安全制动距离大于配置表要求：使用扳手以每4N为一个单位拧紧制动盘螺栓，逐级调高扭矩，使其符合技术配置表要求；

2）安全制动距离小于配置表要求：将制动盘六颗螺栓完全松开，参照配置表初始力矩，调整蝶形弹簧力矩与其一致。

结束语

尽管自动扶梯的生产厂家很多，结构形式不同，计算方法各异，但都需要满足TSG7007-2016《电扶梯型式试验规则》中J6.5.8.2 制动原理及连接方式要求，都滑动摩擦原理的机械结构形式，任何结构都应符合摩擦计算的胡克定律，是满足附加制动器设计的基本前提。压紧摩擦片的正压力加载过程中值观并可读取，摩擦片的使用工况摩擦系数必须符合计算选取的摩擦系数，才能在满载测试或者发生意外故障时，制动调剂符合TSG7007-2016《电扶梯型式试验规则》中J6.16附加制动器制动要求，即有效减速并且减速度不大于1m/s2。任何的产品都是为人来服务的，产品的存在前提就是安全可靠，不允许在出现故障时无法对顾客进行有效保护。作为产品的开发者，计算是基础，设计是语言，风险评估是消除隐患，测试是可靠保证，工艺是监督管理。任何项目的立项和实施，都有特殊的需求，安全可靠永远是设计者心中的指明灯，我会在每一个产品的开发中加入安全可靠的语言，让自己的产品成为我的骄傲！

参考文献

1. 史信芳,蒋庆东,李春雷,饶美婉,陈燕英.自动扶梯. 北京：机械工业出版社,2014.4

2. 中国建筑标准设计研究院.电梯自动扶梯自动人行道. 中国计划出版,2013.7