重載型自動(dòng)扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈動(dòng)載強(qiáng)度的驗(yàn)算

曹啟章，雷敏華，孔祥發(fā)

（1.廣州奧的斯電梯有限公司，廣州 510425；2.華南理工大學(xué)，廣州 510641）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施得到逐步完善，越來越多的公共場所安裝并使用了自動(dòng)扶梯，例如車站、地鐵、商場等，成為不可缺少的運(yùn)輸工具[1-2]。自動(dòng)扶梯按照載荷能力以及適用場合，可以分為：普通型自動(dòng)扶梯、公共交通型自動(dòng)扶梯、重載型自動(dòng)扶梯。其中，重載型自動(dòng)扶梯就是一種主要用于大客流公共交通系統(tǒng)的自動(dòng)扶梯，每天的運(yùn)行時(shí)間長達(dá)20 h，每周運(yùn)行7天。近年來，隨著我國公共交通建設(shè)，特別是以地鐵為代表的城市軌道交通的大規(guī)模開展，重載型自動(dòng)扶梯得到大批量的生產(chǎn)和使用[3]。

1 存在問題及原因分析

一般來說，自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)裝置分為端部驅(qū)動(dòng)裝置和中間驅(qū)動(dòng)裝置兩種形式，端部驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)房一般可以分為機(jī)房內(nèi)置式、機(jī)房外置式。目前，國內(nèi)地鐵最常見的重載型自動(dòng)扶梯是機(jī)房內(nèi)置式自動(dòng)扶梯，機(jī)房設(shè)置在自動(dòng)扶梯桁架上平層端部水平段內(nèi)，并且主機(jī)與主驅(qū)動(dòng)之間采用滾子鏈傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖所示，主驅(qū)動(dòng)鏈作為自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)元件，其主要的功能是將主機(jī)上的動(dòng)力傳輸?shù)街黩?qū)動(dòng)上，從而讓主驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)梯級(jí)鏈和梯級(jí)以及扶手帶運(yùn)動(dòng)，主驅(qū)動(dòng)鏈的失效形式主要表現(xiàn)為鏈板斷裂和銷軸斷裂，這兩種失效形式的原因如下。

（1）鏈板斷裂的主要原因：長期工作在載荷超過了鏈板疲勞極限的情況下，造成鏈板的孔附近開始出現(xiàn)疲勞裂紋，最后造成鏈板突然斷裂，之所以會(huì)產(chǎn)生疲勞，是由于鏈條在運(yùn)行過程中，在張緊邊會(huì)由于帶動(dòng)扶梯運(yùn)動(dòng)而受到很大的力，隨著逐漸向松邊運(yùn)行，力慢慢變化至趨近于0，這樣就在鏈板上面產(chǎn)生了疲勞。

（2）銷軸斷裂的主要原因：由于工作在潤滑不良的情況下，使得銷軸磨損嚴(yán)重，鏈條身長超出允許值而未更換，最后造成銷軸斷裂。

圖1 機(jī)房內(nèi)置式布置圖

當(dāng)主驅(qū)動(dòng)鏈條斷裂時(shí)，主機(jī)電機(jī)上的動(dòng)力將無法傳遞到驅(qū)動(dòng)裝置，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能提供負(fù)載所需的驅(qū)動(dòng)力，由此引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患[4]，例如2014年上海地鐵靜安寺站7號(hào)線換2號(hào)線的換乘通道內(nèi)的自動(dòng)扶梯早高峰期間發(fā)生逆行導(dǎo)致，乘客摔倒受傷，以及2017年香港旺角朗豪坊商場“通天梯”逆行釀成18人受傷的事故。

主驅(qū)動(dòng)鏈條屬于驅(qū)動(dòng)元件，在自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范GB 16899：2011[5]和EN115-1：2017[6]里，要求所有驅(qū)動(dòng)元件的靜載強(qiáng)度安全系數(shù)不應(yīng)小于5倍。這樣規(guī)定的目的是為了有效防止靜力拉斷失效的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，然而，主驅(qū)動(dòng)鏈條的失效形式主要為動(dòng)載過程中的疲勞斷裂，因此對(duì)主驅(qū)動(dòng)鏈條動(dòng)載疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算就顯得尤為重要。

2 降低主驅(qū)動(dòng)鏈斷裂幾率和造成的傷害的措施

主驅(qū)動(dòng)鏈一旦發(fā)生失效，扶梯會(huì)出現(xiàn)慣性滑行失控[3]。針對(duì)主驅(qū)動(dòng)鏈條斷裂，目前國內(nèi)地鐵通常采取以下3種措施。

（1）提高主驅(qū)動(dòng)鏈的安全系數(shù)，將GB16899：2011要求的靜力計(jì)算5倍破斷安全系數(shù)提高到8倍，靜力指的是自動(dòng)扶梯承受5 000 N/m2的規(guī)定載荷，同時(shí)還要考慮張緊裝置所產(chǎn)的張力。

（2）依據(jù)檢規(guī)TSG T7005-2012[7]上明確要求安裝對(duì)主驅(qū)動(dòng)鏈的工作狀態(tài)實(shí)行監(jiān)控的裝置。常用的裝置如圖2所示，當(dāng)主驅(qū)動(dòng)鏈發(fā)生斷鏈的時(shí)候，保護(hù)裝置能立即觸發(fā)安全開關(guān)，使附加制動(dòng)器動(dòng)作，從而使得扶梯停止。

（3）提出更嚴(yán)格的鏈條更換標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈磨損伸長達(dá)1.5%就更換鏈條，而一般機(jī)械手冊(cè)要求是3%進(jìn)行更換，一般自動(dòng)扶梯生產(chǎn)公司的維保手冊(cè)要求是2%進(jìn)行更換。

圖2 驅(qū)動(dòng)鏈監(jiān)控裝置

這幾個(gè)措施能夠有效降低主驅(qū)動(dòng)鏈發(fā)生斷鏈的幾率和主驅(qū)動(dòng)斷裂發(fā)生后造成的傷害，然而，增加鏈條的安全系數(shù)是通過提高許用破斷強(qiáng)度，間接選取高幾個(gè)級(jí)別型號(hào)的滾子鏈，這樣會(huì)使得整梯的寬度增加，從而使整梯的成本和土建的成本增加，而作為直接解決鏈板疲勞的根本方法應(yīng)該是直接校核鏈條的疲勞強(qiáng)度。

另外，在最新的扶梯標(biāo)準(zhǔn)EN115-1：2017的第5.4.1.3.2條要求驅(qū)動(dòng)元件的設(shè)計(jì)應(yīng)具有無限疲勞壽命[6]；滾子鏈標(biāo)準(zhǔn)ISO 606-2015在附錄F中給出了多排鏈條的動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算方法[8]。

3 鏈條的疲勞強(qiáng)度校核

以扶手帶中間驅(qū)動(dòng)和1 000 mm梯級(jí)寬的扶梯為例，介紹鏈條的疲勞強(qiáng)度校核步驟。

3.1 計(jì)算滾子鏈的最大動(dòng)載工作力

由于重載型[9]自動(dòng)扶梯的載荷條件是很苛刻的，以廣州地鐵的載荷條件為例：每天工作20 h，每年365天連續(xù)工作，在任何3 h的間隔內(nèi)，持續(xù)重載時(shí)間不少于1 h，其載荷應(yīng)達(dá)到100%的制動(dòng)載荷，其余2 h的負(fù)載率為60%的制動(dòng)載荷，在計(jì)算的時(shí)候，使用制動(dòng)載荷120 kg/梯級(jí)模擬乘客載荷。驅(qū)動(dòng)鏈的受力分析，如圖3所示[10]。

圖3 主驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)芰Ψ治鰣D

式中：F1為主驅(qū)動(dòng)鏈的最大動(dòng)載工作力，N；F2為梯級(jí)自重、梯級(jí)鏈自重、乘客載荷（制動(dòng)載荷）以及張緊架張緊彈簧所產(chǎn)生的張緊力這幾個(gè)力的合力，N；F3為扶手帶驅(qū)動(dòng)鏈條牽引力，N；F4為返回側(cè)梯級(jí)自重、梯級(jí)鏈自重、張緊架彈簧所產(chǎn)生的張緊力，N；dstk為梯級(jí)鏈輪節(jié)圓直徑，m；dhd為扶手帶驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓直徑，m；dk為主驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓直徑，m。

3.2 計(jì)算鏈條的理論最小動(dòng)載強(qiáng)度

對(duì)于鏈條的理論最小動(dòng)載強(qiáng)度，目前主流的有兩種計(jì)算多排鏈的計(jì)算方法[6]，分別起源于德國和美國，均沒有針對(duì)型號(hào)指定方法。在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)于B系列滾子鏈多使用德國方法，而A系列滾子鏈多使用美國方法。

德國方法：兩排鏈的最小動(dòng)載強(qiáng)度=1.5×單排鏈的最小動(dòng)載強(qiáng)度；三排鏈的最小動(dòng)載強(qiáng)度=1.92×單排鏈的最小動(dòng)載強(qiáng)度。

美國方法：兩排鏈的最小動(dòng)載強(qiáng)度=1.34×單排鏈的最小動(dòng)載強(qiáng)度；三排鏈的最小動(dòng)載強(qiáng)度=2.01×單排鏈的最小動(dòng)載強(qiáng)度。

根據(jù)實(shí)際使用的滾子鏈型號(hào)計(jì)算鏈條的最小動(dòng)載強(qiáng)度，如20A-3鏈條。經(jīng)查表[8]可知單排的20A-1的最小動(dòng)載強(qiáng)度：

式中：Fd是鏈條在3×106循環(huán)次數(shù)時(shí)的最小動(dòng)載強(qiáng)度。

三排鏈的強(qiáng)度：

3.3 主驅(qū)動(dòng)鏈的動(dòng)載強(qiáng)度安全系數(shù)校核

鏈條企業(yè)提供的專業(yè)數(shù)據(jù)分析如圖4所示，當(dāng)該安全系數(shù)S大于1的時(shí)候，滾子鏈所受的交變載荷在其最小動(dòng)載強(qiáng)度之下，理論上鏈條不會(huì)發(fā)生因?yàn)殒湴迤诙鴶嗔选?/p>

國內(nèi)地鐵項(xiàng)目標(biāo)書中，一般規(guī)定所用的自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度是0.65 m/s，主驅(qū)動(dòng)鏈的使用壽命是室內(nèi)8年和室外5年，如果按照前面的計(jì)算的話，完全可以滿足標(biāo)書的要求。

圖4 滾子鏈疲勞性能圖

4 結(jié)束語

主驅(qū)動(dòng)鏈作為自動(dòng)扶梯在工作制動(dòng)器與梯級(jí)驅(qū)動(dòng)裝置之間的連接傳動(dòng)元件，主要失效形式之一為疲勞失效，針對(duì)疲勞失效，通過理論計(jì)算，可以對(duì)主驅(qū)動(dòng)鏈的動(dòng)載疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，使得滾子鏈在實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)下載荷始終保持不超過最小動(dòng)載荷，確保主驅(qū)動(dòng)滾子鏈具有無限疲勞壽命，從而從理論上避免自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)事故的發(fā)生。