淺談自動扶梯制動參數(shù)測量方法及其研究進(jìn)展

摘

要：制停距離、制動減速度等參數(shù)是評估自動扶梯制動性能的重要依據(jù)，現(xiàn)總結(jié)了電梯檢驗(yàn)規(guī)程和國家標(biāo)準(zhǔn)對制動參數(shù)的檢驗(yàn)要求，分析了通過梯級標(biāo)記法、扶手帶標(biāo)記法、旋轉(zhuǎn)編碼測量法、加速度積分法、數(shù)字圖像檢測法等測量制動參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，從測量原理、準(zhǔn)確度、便捷性、成本等方面綜合比較了各測量方法技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)一步對扶梯有載制動參數(shù)的輕載或無載測量方法進(jìn)行了綜述，為制動參數(shù)測量方法選擇和研究提供了參考。關(guān)鍵詞：自動扶梯；制停距離；制動減速度；檢測0引言自動扶梯（以下簡稱“扶梯”）廣泛應(yīng)用于大型商場、機(jī)場、地鐵站、火車站等公共場合，是人們生產(chǎn)生活的重要交通工具。作為一類機(jī)電類特種設(shè)備，除了乘梯便捷性外，其安全性能也得到了廣泛的社會關(guān)注。扶梯制動器屬于機(jī)電一體化部件，是扶梯在設(shè)備故障、意外事故發(fā)生時(shí)確保梯級有效制停的重要安全保護(hù)裝置，可看作扶梯的“剎車系統(tǒng)”，其重要性不言而喻。扶梯正常運(yùn)行時(shí)制動器制動閘瓦處于松閘打開狀態(tài)，當(dāng)由于部件故障觸發(fā)安全開關(guān)動作或急停開關(guān)被人為按下時(shí)，制動器電磁線圈都將被停止供電，觸發(fā)鐵芯受迫運(yùn)動，帶動制動閘瓦實(shí)現(xiàn)制動輪摩擦減速，最終實(shí)現(xiàn)梯級減速制停，保護(hù)乘客安全。制停過程不可過于平緩，否則發(fā)生事故時(shí)不能及時(shí)停梯以消除安全隱患，或?qū)⒔o乘客造成持續(xù)性傷害；同時(shí)也不可過于急促，否則慣性太大易導(dǎo)致乘客心理恐慌，容易誘發(fā)摔倒、踩踏等二次傷害。制停距離、制停減速度、制停時(shí)間是評估扶梯制動性能的主要參數(shù)，是扶梯安裝、調(diào)試、檢驗(yàn)、維保、安全抽查、事故調(diào)查過程中的重要測試項(xiàng)目。1檢測要求特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——自動扶梯與自動人行道》（TSGT7005—2012）附件A第10.3“制停距離”項(xiàng)規(guī)定，不同名義速度空載和有載向下運(yùn)行的扶梯制停距離應(yīng)符合表1范圍，名義速度不在表1范圍內(nèi)時(shí)可采用插值方法計(jì)算制停距離范圍。根據(jù)該項(xiàng)檢驗(yàn)要求，制停距離應(yīng)從電氣控制裝置動作時(shí)開始測量，可采用儀器測量或標(biāo)記測量方法，扶梯監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)進(jìn)行有載制動試驗(yàn)，定期檢驗(yàn)時(shí)只做空載試驗(yàn)。根據(jù)《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB16899—2011）第5.4.2.1.3條，扶梯進(jìn)行有載下行制動試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)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(yàn)時(shí)將全部額定載荷集中放置于扶梯上部2/3的梯級上。針對制停減速度，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，扶梯向下運(yùn)行時(shí)，制動器制動過程中沿運(yùn)行方向上的減速度不應(yīng)大于1m/s2，原始減速信號應(yīng)經(jīng)過4.0Hz兩階巴特沃斯濾波器濾波。2測量方法2.1

梯級標(biāo)記法梯級標(biāo)記法是現(xiàn)場檢驗(yàn)時(shí)最常用的人工測試方法。其測試過程為：扶梯靜止時(shí)用記號筆在一個梯級上沿左右方向劃一條標(biāo)記線，隨后驅(qū)動扶梯下行，當(dāng)被標(biāo)記的梯級即將運(yùn)行完一個周期時(shí)，觀察到標(biāo)記線從上出入口梳齒板與梯級相交線處出現(xiàn)的瞬間快速按下急停開關(guān)。以自動人行道空載制停試驗(yàn)為例，如圖1所示，設(shè)備停止后用卷尺測量梳齒板和踏板相交線與標(biāo)記線的距離，作為制停距離。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(guān)時(shí)刻存在主觀差異，甚至同一操作人員重復(fù)測試時(shí)制停瞬間也有先后差異，導(dǎo)致測試結(jié)果可重復(fù)性差。若所測制停距離剛好位于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)記線的水平距離，則其值不易直接測量。2.2

扶手帶標(biāo)記法針對梯級標(biāo)記法存在制停后標(biāo)記線位于非水平梯級上時(shí)制停距離不便測量的問題，胡戰(zhàn)生等人提出了測量制停距離的扶手帶標(biāo)記法，在確定扶手帶與梯級同步運(yùn)行的前提下，用制停過程中傾斜段扶手帶運(yùn)動距離代替梯級運(yùn)動距離。測量方法如圖2所示，在扶梯傾斜段護(hù)壁板上沿上下方向劃標(biāo)記線1，啟動扶梯下行，當(dāng)速度穩(wěn)定后迅速在上端站扶手帶內(nèi)緣粘貼細(xì)長標(biāo)記線2，觀察到兩標(biāo)記線處于同一位置時(shí)快速按下急停開關(guān)，制停后測量兩標(biāo)記線沿傾斜段方向的距離，即為制停距離。該方法通過傾斜段距離測量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的出入口處水平距離測量，測試時(shí)可以直觀地觀察標(biāo)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(tǒng)梯級標(biāo)記法，該方法提高了制停距離測量通用性，降低了制動執(zhí)行瞬間的主觀隨意性。由于測量前需調(diào)整扶手帶與梯級同步運(yùn)行，測量后需恢復(fù)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(fù)雜。2.3

旋轉(zhuǎn)編碼測量法旋轉(zhuǎn)編碼測量法基于光電脈沖測量原理，配合脈沖計(jì)數(shù)硬件系統(tǒng)，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動一周內(nèi)輸出脈沖總數(shù)，可將輸出的脈沖序列轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)編碼器滾輪角速度數(shù)據(jù)序列，再根據(jù)測速滾輪直徑進(jìn)一步換算出待測物體運(yùn)行速度、位移和加減速度數(shù)據(jù)。如圖3所示，測試時(shí)在扶梯出入口利用吸盤夾具將旋轉(zhuǎn)編碼測速組件吸附于自動扶梯護(hù)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(shè)備下行，梯級運(yùn)行時(shí)測速滾輪同步轉(zhuǎn)動，達(dá)到正常運(yùn)行速度時(shí)利用觸發(fā)裝置按下急停開關(guān)，觸發(fā)扶梯緊急制停的同時(shí)儀器記錄開始制停時(shí)刻，制停結(jié)束后制停距離、制停時(shí)間等信息直接顯示于儀器人機(jī)交互界面。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(shí)現(xiàn)扶梯多個運(yùn)動參數(shù)的快速精確測量，結(jié)果直觀，通用性強(qiáng)。2.4

加速度積分法加速度傳感器是測量物體直線運(yùn)行加速度、速度、位移的有效手段，亦可用于扶梯運(yùn)行參數(shù)測量。如圖4所示，扶梯靜止時(shí)將三軸加速度測量模塊放置于上端梯級上，操作設(shè)備下行，待速度穩(wěn)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(shù)據(jù)并上傳至計(jì)算機(jī)終端。為使數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，測試時(shí)加速度模塊應(yīng)與梯級保持相對靜止，參考扶梯乘運(yùn)質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn)，加速度模塊與梯級表面的接觸壓力建議不低于60kPa。去除加速度數(shù)據(jù)中與重力加速度相關(guān)的直流分量后，以梯級靜止?fàn)顟B(tài)某時(shí)刻作為計(jì)算起點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)序數(shù)值積分可得到梯級速度序列，進(jìn)一步數(shù)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(jié)束時(shí)間，從而得到制停距離。該方法操作簡單，計(jì)算加速度矢量和即可直接測得扶梯傾斜段運(yùn)行方向上的制停減速度，更能體現(xiàn)乘客在扶梯緊急制停過程中的沖擊感受。2.5

數(shù)字圖像檢測法近年來，隨著計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理技術(shù)在測量控制領(lǐng)域的快速發(fā)展，圖像檢測法在電梯檢驗(yàn)檢測過程中也得到了越來越多的應(yīng)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(shí)刻，同時(shí)利用隨梯級同步運(yùn)行的圖像檢測模塊連續(xù)采集裙板表面圖像信息并依據(jù)相鄰幀微圖像像素位置變化值計(jì)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(shù)進(jìn)行計(jì)算。該方法可實(shí)現(xiàn)扶梯制動參數(shù)的非接觸測量，測試過程簡便，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)。3各方法綜合比較以下從測量原理、準(zhǔn)確度、便捷性、測試成本等方面對上述五種測量方法進(jìn)行比較，如表3所示。由表3可知，標(biāo)記測量法的主要優(yōu)勢是測試便捷快速、成本低，專用儀器測量法的主要優(yōu)勢是自動化程度和準(zhǔn)確性高。要實(shí)現(xiàn)扶梯制動參數(shù)的準(zhǔn)確測量，除需對制停過程梯級運(yùn)行距離進(jìn)行準(zhǔn)確測量外，還需要準(zhǔn)確識別制動執(zhí)行電氣開關(guān)動作瞬間。除標(biāo)記法的目視識別外，還可通過以下方法記錄觸發(fā)時(shí)刻：第一種方法是識別機(jī)械觸發(fā)信號，即用觸發(fā)棒按壓急停開關(guān)觸發(fā)扶梯電氣開關(guān)動作，同時(shí)觸發(fā)棒前端與急停開關(guān)接觸的按鈕開關(guān)被按下，輸出開關(guān)信號給檢測儀器；第二種方法是識別電流觸發(fā)信號，即通過電流互感原理監(jiān)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(yīng)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償；第三種方法是分析連續(xù)采集到的觸發(fā)電信號曲線特征，根據(jù)斜率變化規(guī)律，利用算法進(jìn)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(jiān)督檢驗(yàn)過程中有載下行制動試驗(yàn)時(shí)需使用大量砝碼，砝碼裝卸過程耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本，操作不慎也可能對扶梯結(jié)構(gòu)造成損傷。此外，測試時(shí)通常在扶梯下出入口進(jìn)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(yùn)工作帶來了不便。因此，設(shè)備使用單位、維保單位通常對砝碼試驗(yàn)有抵觸心理。如何根據(jù)合理的計(jì)算模型，并通過輕載或空載制停試驗(yàn)所得制停距離、制停減速度等數(shù)據(jù)對滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定載荷的有載制動參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，已成為該檢測項(xiàng)目的研究熱點(diǎn)。根據(jù)能量守恒原則，推算出扶梯在任意小于額定載荷時(shí)的制停距離計(jì)算公式：式中：S任為任意載荷m任時(shí)的制停距離（m）；S0為空載時(shí)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(shí)的制停距離（m）；g為重力加速度，取值9.8m/s2；α為傾斜角（°）。根據(jù)該計(jì)算公式，通過一組空載制停試驗(yàn)和一組輕載制停試驗(yàn)分別得到空載制停距離和輕載制停距離，即可計(jì)算出載荷下的制停距離，當(dāng)m任為滿足GB16899—2011中的額定載荷時(shí)，任即為有載制停距離。根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動定律，推導(dǎo)出有載制停距離與空載制停減速度的關(guān)系：式中：S為載荷m下的制停距離（m）；P為扶梯空載運(yùn)行時(shí)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(yùn)動部件與固定部件間摩擦系數(shù)。根據(jù)該關(guān)系，在已知扶梯摩擦系數(shù)前提下，測得空載功率和兩組空載制停減速度即可計(jì)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(jù)運(yùn)動學(xué)公式可計(jì)算出平均制停減速度。該方法可實(shí)現(xiàn)制動參數(shù)的無載荷測試，難點(diǎn)在于如何獲取扶梯的摩擦系數(shù)。一種摩擦系數(shù)確定方法是：可測得一組輕載制停試驗(yàn)下的制停距離，反向求解出摩擦系數(shù)，該摩擦系數(shù)應(yīng)用于此后同一型號扶梯有載制停距離計(jì)算。5結(jié)語一般檢驗(yàn)過程中采用標(biāo)記法可實(shí)現(xiàn)扶梯制