浅谈自动扶梯制动参数测量方法及其研究进展

江海滨 余仁辉 陈志浩 陈建勋

（1.广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528251；2.广东省特种设备检测研究院顺德检测院，广东 佛山 528399；3.广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东 珠海 519002）

0 引言

自动扶梯（以下简称“扶梯”）广泛应用于大型商场、机场、地铁站、火车站等公共场合，是人们生产生活的重要交通工具。作为一类机电类特种设备，除了乘梯便捷性外，其安全性能也得到了广泛的社会关注。扶梯制动器属于机电一体化部件，是扶梯在设备故障、意外事故发生时确保梯级有效制停的重要安全保护装置，可看作扶梯的“刹车系统”，其重要性不言而喻[1]。扶梯正常运行时制动器制动闸瓦处于松闸打开状态，当由于部件故障触发安全开关动作或急停开关被人为按下时，制动器电磁线圈都将被停止供电，触发铁芯受迫运动，带动制动闸瓦实现制动轮摩擦减速，最终实现梯级减速制停，保护乘客安全。制停过程不可过于平缓，否则发生事故时不能及时停梯以消除安全隐患，或将给乘客造成持续性伤害；同时也不可过于急促，否则惯性太大易导致乘客心理恐慌，容易诱发摔倒、踩踏等二次伤害。制停距离、制停减速度、制停时间是评估扶梯制动性能的主要参数，是扶梯安装、调试、检验、维保、安全抽查、事故调查过程中的重要测试项目。

1 检测要求

特种设备安全技术规范《电梯监督检验和定期检验规则——自动扶梯与自动人行道》（TSG T7005—2012）附件A第10.3“制停距离”项规定，不同名义速度空载和有载向下运行的扶梯制停距离应符合表1范围，名义速度不在表1范围内时可采用插值方法计算制停距离范围。根据该项检验要求，制停距离应从电气控制装置动作时开始测量，可采用仪器测量或标记测量方法，扶梯监督检验时进行有载制动试验，定期检验时只做空载试验[2]。

表1 扶梯制停距离要求

根据《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》（GB 16899—2011）第5.4.2.1.3条，扶梯进行有载下行制动试验时，应根据梯级的名义宽度确定每个梯级上的制动载荷，如表2所示，试验时将全部额定载荷集中放置于扶梯上部2/3的梯级上[3]。

表2 扶梯制动载荷要求

针对制停减速度，该标准还规定，扶梯向下运行时，制动器制动过程中沿运行方向上的减速度不应大于1 m/s2，原始减速信号应经过4.0 Hz两阶巴特沃斯滤波器滤波。

2 测量方法

2.1 梯级标记法

梯级标记法是现场检验时最常用的人工测试方法。其测试过程为：扶梯静止时用记号笔在一个梯级上沿左右方向划一条标记线，随后驱动扶梯下行，当被标记的梯级即将运行完一个周期时，观察到标记线从上出入口梳齿板与梯级相交线处出现的瞬间快速按下急停开关。以自动人行道空载制停试验为例，如图1所示，设备停止后用卷尺测量梳齿板和踏板相交线与标记线的距离，作为制停距离。

图1 标记法测量制停距离

该方法仅需卷尺和记号笔即可快速完成测试，操作简便，但不同测试人员按下急停开关时刻存在主观差异，甚至同一操作人员重复测试时制停瞬间也有先后差异，导致测试结果可重复性差。若所测制停距离刚好位于标准要求的范围临界值附近，则较难判断是否符合要求。此外，若扶梯制停后标记线所在梯级位于扶梯行架过渡段或倾斜段，制停距离也并非梳齿板和梯级相交线与标记线的水平距离，则其值不易直接测量。

2.2 扶手带标记法

针对梯级标记法存在制停后标记线位于非水平梯级上时制停距离不便测量的问题，胡战生等人[4]提出了测量制停距离的扶手带标记法，在确定扶手带与梯级同步运行的前提下，用制停过程中倾斜段扶手带运动距离代替梯级运动距离。测量方法如图2所示，在扶梯倾斜段护壁板上沿上下方向划标记线1，启动扶梯下行，当速度稳定后迅速在上端站扶手带内缘粘贴细长标记线2，观察到两标记线处于同一位置时快速按下急停开关，制停后测量两标记线沿倾斜段方向的距离，即为制停距离。

图2 扶手带标记法测量扶梯制停距离示意图

该方法通过倾斜段距离测量代替传统的出入口处水平距离测量，测试时可以直观地观察标记线，由于扶梯倾斜段距离足够长，也适用于较大制停距离的测量。相对于传统梯级标记法，该方法提高了制停距离测量通用性，降低了制动执行瞬间的主观随意性。由于测量前需调整扶手带与梯级同步运行，测量后需恢复扶手带速度到合理先行范围，因此该方法测试过程操作较复杂。

2.3 旋转编码测量法

旋转编码测量法基于光电脉冲测量原理，配合脉冲计数硬件系统，并根据旋转编码器转动一周内输出脉冲总数，可将输出的脉冲序列转化为旋转编码器滚轮角速度数据序列，再根据测速滚轮直径进一步换算出待测物体运行速度、位移和加减速度数据。如图3所示，测试时在扶梯出入口利用吸盘夹具将旋转编码测速组件吸附于自动扶梯护壁板上，并使与编码器同轴的测速滚轮与梯级表面接触，随后启动设备下行，梯级运行时测速滚轮同步转动，达到正常运行速度时利用触发装置按下急停开关，触发扶梯紧急制停的同时仪器记录开始制停时刻，制停结束后制停距离、制停时间等信息直接显示于仪器人机交互界面。

图3 旋转编码器测量扶梯制动参数

该方法是最常用的利用仪器测量扶梯制停距离的方法，可实现扶梯多个运动参数的快速精确测量，结果直观，通用性强[5-6]。

2.4 加速度积分法

加速度传感器是测量物体直线运行加速度、速度、位移的有效手段，亦可用于扶梯运行参数测量[7-8]。如图4所示，扶梯静止时将三轴加速度测量模块放置于上端梯级上，操作设备下行，待速度稳定后操作紧急制停，加速度测量模块记录制停过程中三轴加速度数据并上传至计算机终端。为使数据真实可靠，测试时加速度模块应与梯级保持相对静止，参考扶梯乘运质量测量标准，加速度模块与梯级表面的接触压力建议不低于60 kPa[9]。去除加速度数据中与重力加速度相关的直流分量后，以梯级静止状态某时刻作为计算起点进行逆时序数值积分可得到梯级速度序列，进一步数值积分可得到位移序列，最后综合分析速度曲线、位移曲线可确定制停开始和结束时间，从而得到制停距离。

图4 三轴加速度传感器测量扶梯制动参数

该方法操作简单，计算加速度矢量和即可直接测得扶梯倾斜段运行方向上的制停减速度，更能体现乘客在扶梯紧急制停过程中的冲击感受。

2.5 数字图像检测法

近年来，随着计算机视觉、数字图像处理技术在测量控制领域的快速发展，图像检测法在电梯检验检测过程中也得到了越来越多的应用[10-11]。任馨等人[12]通过电流传感器采集制动器供电电流以识别制动起始时刻，同时利用随梯级同步运行的图像检测模块连续采集裙板表面图像信息并依据相邻帧微图像像素位置变化值计算出梯级位移信息，借助平板电脑处理算法可对扶梯制停距离、制停减速度、梯级速度等参数进行计算。

该方法可实现扶梯制动参数的非接触测量，测试过程简便，数据稳定，实用性强。

3 各方法综合比较

以下从测量原理、准确度、便捷性、测试成本等方面对上述五种测量方法进行比较，如表3所示。由表3可知，标记测量法的主要优势是测试便捷快速、成本低，专用仪器测量法的主要优势是自动化程度和准确性高。

表3 各测量方法比较结果

要实现扶梯制动参数的准确测量，除需对制停过程梯级运行距离进行准确测量外，还需要准确识别制动执行电气开关动作瞬间。除标记法的目视识别外，还可通过以下方法记录触发时刻：第一种方法是识别机械触发信号，即用触发棒按压急停开关触发扶梯电气开关动作，同时触发棒前端与急停开关接触的按钮开关被按下，输出开关信号给检测仪器；第二种方法是识别电流触发信号，即通过电流互感原理监测制动器供电电流，电流信号突变瞬间为制动器动作瞬间，此方法需对电流互感传感器响应时间进行补偿；第三种方法是分析连续采集到的触发电信号曲线特征，根据斜率变化规律，利用算法进行制动瞬间识别。

4 通过轻载或空载测量有载制动性能

扶梯监督检验过程中有载下行制动试验时需使用大量砝码，砝码装卸过程耗费大量的时间和成本，操作不慎也可能对扶梯结构造成损伤。此外，测试时通常在扶梯下出入口进行砝码装载，部分扶梯由于提升动力不足，很难将满足表2要求的总制动载荷提升至扶梯上端，这也给砝码搬运工作带来了不便。因此，设备使用单位、维保单位通常对砝码试验有抵触心理。如何根据合理的计算模型，并通过轻载或空载制停试验所得制停距离、制停减速度等数据对满足标准规定载荷的有载制动参数进行计算，已成为该检测项目的研究热点。

高峰等人[13]根据能量守恒原则，推算出扶梯在任意小于额定载荷时的制停距离计算公式：

式中：S任为任意载荷m任时的制停距离（m）；S0为空载时制停距离（m）；m1为加载在梯级上的轻载荷（kg）；v为扶梯额定速度（m/s）；S1为在轻载m1时的制停距离（m）；g为重力加速度，取值9.8 m/s2；α为倾斜角（°）。

根据该计算公式，通过一组空载制停试验和一组轻载制停试验分别得到空载制停距离和轻载制停距离，即可计算出m任载荷下的制停距离，当m任为满足GB 16899—2011中的额定载荷时，S任即为有载制停距离。

余仁辉等人[14]根据刚体定轴转动定律，推导出有载制停距离与空载制停减速度的关系：

式中：S为载荷m下的制停距离（m）；P为扶梯空载运行时消耗的功率（W）；v为扶梯额定速度（m/s）；a0为打开制动器闸瓦且仅在扶梯自身摩擦力矩作用下空载下行制停减速度（m/s2）；a1为制动器作用下空载下行制停减速度（m/s2）；θ为倾斜角（°）；μ为扶梯梯级等运动部件与固定部件间摩擦系数。

根据该关系，在已知扶梯摩擦系数前提下，测得空载功率和两组空载制停减速度即可计算出特定载荷下的制停距离。将制停过程近似匀减速过程，根据运动学公式可计算出平均制停减速度。该方法可实现制动参数的无载荷测试，难点在于如何获取扶梯的摩擦系数。一种摩擦系数确定方法是：可测得一组轻载制停试验下的制停距离，反向求解出摩擦系数，该摩擦系数应用于此后同一型号扶梯有载制停距离计算。

5 结语

一般检验过程中采用标记法可实现扶梯制停距离的现场快速、低成本检测，当标记法所测制停距离在所要求区间边缘，不确定判断结果时，可采用专用检测仪器进一步测量。专用仪器检测法由于测量精确度高，更适合专项抽查、事故调查等场合，便于数据追溯。此外，通过空载或轻载试验对GB 16899—2011规定的有载制停距离进行计算可以极大地降低测试风险和人力成本，缩短试验时间。该方法基于特定的假设和计算模型，目前还处于试验验证完善阶段，将来有望大范围应用于扶梯有载制动参数检测。