自动扶梯楼层板振动分析

引言

随着社会经济的快速发展,自动扶梯已经被广泛应用于人们生产生活的各个领域,在高楼、车站、机场、商场等场合为人员快速运输提供了便利。以往,人们对于自动扶梯的关注主要在其安全性上。但是,随着社会的进一步发展和人们对于美好生活的更多向往,自动扶梯作为直接向公众提供接触式移动服务的特种设备,其舒适性也越来越受到民众的关注。遗憾的是,目前我国对于自动扶梯乘运质量方面的研究还较少。

自动扶梯乘运质量与驱动主机、主驱动链、金属析架上的导轨、梯级链条、梯级主轮、辅轮、转向装置等安装质量密切相关,且各个部件之间耦合度大,这就导致即使是同型号的自动扶梯,其乘运质量也可能由于安装方式、使用时间、负载强度等因素产生巨大差异。本文选择了振动这一角度,对自动扶梯乘运质量进行研究。

从乘客的角度来说,乘坐自动扶梯时首先会经过自动扶梯入口,与楼层板接触,再乘上梯级,与梯级、扶手带接触,最后由自动扶梯出口离开。在整个过程中,自动扶梯的最大加(减)速度、垂直振动、水平振动等都会对乘客乘坐时的实际感受造成影响。

本文笔者将首先选取乘客进入自动扶梯与离开自动扶梯这两个过程,通过振动实验对自动扶梯上下端站楼层板给乘客带来的舒适性进行研究,也是为以后研究梯级与扶手带做前期的技术积累与铺垫。

1自动扶梯楼层板振动介绍

自动扶梯属于特种设备,是一种带有循环运动梯路,用以在建筑物的不同层高间向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。

自动扶梯的大部分驱动装置都集中在上端站,如图1所示,包括驱动主机、驱动主轴、传动系统、控制柜、转向链轮、扶手带驱动装置等。楼层板作为隔绝乘客和自动扶梯内部机械结构的装置,覆盖在检修空间之上。在自动扶梯运行时,处于检修空间内的众多装置的运行振动会形成振动源,很大程度上对楼层板产生影响。

相对来说,自动扶梯的下端站所安装的装置就比较少,如图2所示。比较重要的装置比如张紧装置,由于其自身构造,其内部组件有压缩弹簧,可能会一定程度减轻导轨梯级等振动源所带来的影响。

2楼层板振动实验

本文针对自动扶梯上下端站楼层板振动情况设计了一系列实验,实验对象为上海某火车站天桥出入口的公共交通型自动扶梯,如图3所示。该自动扶梯2024年制造,2025年投入使用至今,名义速度为0.50m/s,提升高度为4.7m。该自动扶梯为三菱K型自动扶梯,该型号自动扶梯在国内应用广泛,属于主要厂商典型自动扶梯,因此本次实验对自动扶梯乘运质量的研究具有比较重要的意义。

本次自动扶梯上下端站楼层板振动实验采用的仪器为电梯乘运质量检测仪ATL-370,该仪器采用高性能三轴加速度传感器获取自动扶梯运行数据。实验中一律采用检测人员面向自动扶梯为基准,指向扶梯梯级方向为X轴正方向,右侧为Y轴正方向,垂直向上为Z轴正方向,如图4所示。

本次实验首先对自动扶梯上端站楼层板在自动扶梯静止时以及运行时的振动情况进行了测试,得到以下曲线图,图5为自动扶梯静止时在上端站楼层板中心位置测得的振动曲线,图6为自动扶梯运行时在上端站楼层板中心位置测得的振动曲线。每次测量都会分别记录X轴、Y轴与Z轴的曲线,并计算总加加速度。本次实验还对下端站楼层板的中心位置进行了测量,得到了相应的曲线图,由于自动扶梯上端站楼层板振动情况具有代表性,仅以上端站为例进行分析。

3上端站楼层板振动分析

对实验数据进行分析前需要确定合适的分析方法。笔者翻阅了有关标准,选取了《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分:一般要求》(GB/T13441.1一2007)来对振动进行分析。

GB/T13441.1一2007中6.1"用计权均方根加速度的基本评价方法"中规定:振动评价应总是包括如本条中所定义的计权均方根(r.m.s)加速度的测量。对平移振动,计权均方根加速度用m/s2表示,而对旋转振动则用rad/s2表示。计权均方根加速度应按下式或其频域的等价式计算:

式中:aw(1)为时间函数(时间历程)的计权加速度(平移的,单位为m/s2:或旋转的,单位为rad/s2):T为测量时间长度(s)。

自动扶梯楼层板的振动属于平移振动,因此对原始振动曲线(图5和图6)进行计权均方根处理,得到表1数据。

根据上述数据,对扶梯静止时的楼层板振动数据进行分析,X轴方向上的r.m.s值明显低于Y轴与Z轴,约为Y轴r.m.s值的42%,Z轴r.m.s值的28%。

对扶梯运行时的振动数据进行分析,同样也有部分上述情况。x轴方向上的r.m.s值为Z轴r.m.s值的31%。但同时也发现将自动扶梯静止与运行时的数据进行对比,楼层板Y轴方向上的振动情况影响相对于其他两轴的变化不大。Y轴运行时比静止时大约增幅280%,而X轴和Z轴运行时比静止时大约增幅700%。扶梯静止时,Y轴r.m.s值比X轴r.m.s大,约为X轴的219%:而扶梯运行时,Y轴r.m.s值增幅就小,与X轴持平。但无论是扶梯静止时还是运行时,X轴与Y轴的r.m.s值都远小于Z轴的r.m.s值。

根据GB/T13441.1一2007中的要求,用于振动对舒适影响预测的频率计权与方向因数k一起使用。GB/T13441.1一2007的8.2.2.2中对立姿人体的频率计权和方向因数有如下规定:X轴(地板振动):wd,k=1:Y轴(地板振动):wd,k=1:Z轴(地板振动):wk,k=1。由此可见,对于立姿人体来说,X、Y两轴对人体舒适性的影响是相同的。当振动频率大于3Hz时,Z轴振动频率计权wk值大于wd值。自动扶梯楼层板振动远大于3Hz,因此对于自动扶梯来说,Z轴振动对人体舒适性的影响比X轴和Y轴更大。

回到表1的数据,在对自动扶梯楼层板的振动测量中发现,无论是扶梯静止还是运行时,X轴与Y轴的振动都远小于Z轴。因此可以认为,在自动扶梯楼层板对乘客的舒适性影响中,Z轴振动起主导地位。

再根据GB/T13441.1一2007附录C.2.3中对振动环境的舒适反应的规定:

当振动小于0.315m/s2时,乘客感觉不到不舒适,而X轴与Y轴上的r.m.s值即使在扶梯运行时,离0.315m/s2的界限也还是有些差距的。可以认为,X轴和Y轴的振动不会引起乘客的不舒适,对自动扶梯乘运质量影响较小。

当振动处于0.315~0.63m/s2时,乘客会感觉到有点不舒服。该自动扶梯上端站楼层板运行时Z轴的平均振动r.m.s值为0.496m/s2,处于这个区间,但同时GB/T13441.1一2007附录C.2.3也表明不同振动量值的反应取决于乘客对旅行持续时间的期望和乘客所期望完成的活动类型以及诸多原因。乘客在出入自动扶梯时,在楼层板上停留的时间较短,大概在2~4步,和乘客身高也有关系。因此,结合时间考虑,乘客的感受会与标准中数据有所差异。

4上下端站楼层板之间的振动对比

本次实验还对下端站楼层板的中心位置进行了测量,并与上端站楼层板运行时的振动情况进行了对比,得到表2中的数据。

由表2中的数据可知,下端站楼层板的三轴振动全面小于上端站的三轴振动。这也印证了上文中的猜想,自动扶梯的下端站主要安装张紧装置,并且张紧装置内部组件有压缩弹簧,一定程度上减轻了振动源所带来的影响。

再结合上述Z轴振动起主导地位的结论,笔者认为,若需要对自动扶梯楼层板进行大批量或标准化乘运质量测量,可以将检验方法简化,着重测量上端站楼层板Z轴方向上的振动。

5结语

本文希望对自动扶梯乘运质量进行研究,以自动扶梯楼层板的振动情况为对象进行初探。笔者首先选取乘客进入自动扶梯与离开自动扶梯这两个过程,通过振动实验对自动扶梯上下端站楼层板给乘客带来的舒适性进行研究。在对自动扶梯楼层板的振动测量中发现,无论是扶梯静止还是运行时,x轴与Y轴的振动都远小于Z轴,因此认为在自动扶梯楼层板对乘客的舒适性影响中,Z轴振动起主导地位。同时将上下端站楼层板的振动情况相对比,验证了存在下端站楼层板的三轴振动全面小于上端站楼层板三轴振动的现象。在对自动扶梯楼层板进行大批量或标准化乘运质量测量时,可以将检验方法简化,着重测量上端站楼层板Z轴方向上的振动。

自动扶梯作为直接向公众提供接触式移动服务的特种设备,其舒适性越来越受到民众的关注。遗憾的是,目前我国对于自动扶梯乘运质量方面的研究还较少。本论文的研究也是为以后研究梯级与扶手带对自动扶梯乘运质量的影响做前期的技术积累与铺垫。