摘要：文中針對(duì)自動(dòng)扶梯梯級(jí)撞擊失效的問(wèn)題進(jìn)行深入分析，結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析，找出失效的主要原因，并探討改善措施。研究發(fā)現(xiàn)，扶梯梯級(jí)的強(qiáng)度和幾何結(jié)構(gòu)是影響其使用的重要因素。因此，文中提出一些有效的改進(jìn)措施，包括優(yōu)化扶梯梯級(jí)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用重載荷梯級(jí)板等。同時(shí)，文中還建議梯級(jí)板與梳齒板之間的間隙應(yīng)保持在可控范圍，以防止間隙過(guò)小導(dǎo)致梯級(jí)板與梳齒板撞擊。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；梳齒板；梯級(jí)撞擊；失效分析

Failure Analysis of Escalator Step Impact

ZHENG Yun， XI Peng， LIU Jun

（Taizhou Branch of Jiangsu Special Inspection Institute， Taizhou "215300， Jiangsu， China）

Abstract： This article conducts thorough analysis on the issue of impact failure of escalator steps， combining detection data and theoretical analysis to identify the main causes of failure and explore improvement measures. Research has found that the strength and geometric structure of escalator steps are important factors affecting their performance and durability. In response to these issues， some effective improvement measures have been proposed， including optimizing the structural design of escalator step plates and selecting heavy-duty step plates. At the same time， the article also proposes that the gap between the step plate and the comb plate should be kept within a controllable range to prevent the collision between the step plates and the comb plates caused by excessively small gaps.

Keywords： Automatic escalator; Combs; Step impact; Failure analysis

0 引言

自動(dòng)扶梯[1]是人們?nèi)粘Ｉ詈凸矆?chǎng)所中不可或缺的機(jī)電類(lèi)特種設(shè)備，是一種能快速連續(xù)輸送乘客的運(yùn)載工具，被廣泛運(yùn)用于超市、地鐵、機(jī)場(chǎng)等交通及人流密集型公共場(chǎng)所，其帶有循環(huán)運(yùn)動(dòng)梯路向上或向下傾斜（30°～35°）實(shí)現(xiàn)不同高度位置乘客的運(yùn)輸，為出行帶來(lái)極大的便利[2]。近年來(lái)，中國(guó)已經(jīng)成為使用和制造自動(dòng)扶梯最多的國(guó)家，但隨著扶梯數(shù)量的不斷增加，扶梯事故也是層出不窮，給人們的出行安全和正常使用帶來(lái)了潛在的威脅。

文中通過(guò)對(duì)一起典型的醫(yī)院自動(dòng)扶梯梯級(jí)撞擊導(dǎo)致梯級(jí)鏈條斷裂的扶梯事故進(jìn)行深入細(xì)致的分析。在這起事故中，自動(dòng)扶梯出現(xiàn)嚴(yán)重的失效現(xiàn)象，給乘客和醫(yī)院帶來(lái)了極大的安全隱患。為改善這種失效現(xiàn)象，需要對(duì)該類(lèi)自動(dòng)扶梯的相關(guān)隱患進(jìn)行全面總結(jié)，并提出切實(shí)可行的整改建議。期望為人流密集型場(chǎng)所扶梯的選型和維護(hù)，提供有效的理論支持和實(shí)際操作建議，以改善該類(lèi)自動(dòng)扶梯的失效現(xiàn)象，確保乘客的安全。

1自動(dòng)扶梯失效案例概述

2022年4月，泰州市某醫(yī)院西側(cè)扶梯發(fā)生梯級(jí)斷裂，通過(guò)視頻觀察以及現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)該自動(dòng)扶梯梯級(jí)鏈條斷裂存在不同尋常的原因，如：因梳齒板異物卡滯，且梳齒板保護(hù)失效，導(dǎo)致梯級(jí)撞擊斷裂；或者由于梯級(jí)鏈條張緊保護(hù)裝置失效，導(dǎo)致梯級(jí)鏈條伸長(zhǎng)，造成梯級(jí)堆積碰撞斷裂；又或者是乘客的腳踏上乘降板后因?yàn)槌私蛋迨芰ο孪輰?dǎo)致梳齒板同步下沉，同時(shí)梯級(jí)板存在受力反彈后使梯級(jí)板和梳齒板之間的垂直間隙變小，梯級(jí)正常運(yùn)行無(wú)法從梳齒板正常通過(guò)，發(fā)生梯級(jí)碰撞。

經(jīng)過(guò)視頻慢放分析，可以明顯地觀察到梯級(jí)在向上運(yùn)動(dòng)的瞬間整個(gè)撞擊到梳齒板，在慣性下，梳齒板保護(hù)未發(fā)生反應(yīng)，未制停扶梯，在短時(shí)間內(nèi)造成梯級(jí)堆積，導(dǎo)致梯級(jí)銷(xiāo)軸斷裂，最后整個(gè)梯級(jí)發(fā)生變形斷裂。通過(guò)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)在事故發(fā)生時(shí)，扶梯上未有人員經(jīng)過(guò)，也不存在扶梯承載貨物情況。在事故現(xiàn)場(chǎng)，檢查了梳齒板及梯級(jí)鏈條張緊裝置，這兩處的電氣保護(hù)開(kāi)關(guān)均未動(dòng)作，系統(tǒng)也未有這兩處電氣保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作報(bào)警信息?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)生梯級(jí)堆積撞擊的梯級(jí)板變形嚴(yán)重，兩側(cè)安裝銷(xiāo)軸位置變形嚴(yán)重，梯級(jí)板表面有明顯的卡滯凹痕（見(jiàn)圖1），兩根梯級(jí)銷(xiāo)軸發(fā)生斷裂（見(jiàn)圖2）。

圖1 " "梯級(jí)板現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

圖2 " "斷裂銷(xiāo)軸與未斷裂銷(xiāo)軸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物

2失效原因分析

2.1銷(xiāo)軸表面硬度檢測(cè)

根據(jù)GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn)》[3]對(duì)扶梯斷裂的銷(xiāo)軸以及未斷裂的銷(xiāo)軸進(jìn)行表面和軸心部位的硬度進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，驗(yàn)證銷(xiāo)軸材料的力學(xué)性能。銷(xiāo)軸表面硬度檢測(cè)在銷(xiāo)軸的圓柱面表面進(jìn)行，銷(xiāo)軸心部硬度檢測(cè)在距銷(xiāo)軸頭部15mm處，加工斷面后進(jìn)行檢測(cè)，洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果如表1所示。從硬度檢測(cè)結(jié)果表明斷軸與未斷軸表面和心部硬度差別不大且符合銷(xiāo)軸的硬度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 " 銷(xiāo)軸洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果

2.2 銷(xiāo)軸斷口分析

對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)梯級(jí)鏈上斷裂銷(xiāo)軸進(jìn)行清洗后，其外觀形貌如圖2所示，根據(jù)斷口測(cè)量分析，銷(xiāo)軸斷裂部位位于梯級(jí)鏈條與梯級(jí)板連接近梯級(jí)板處，有明顯的剪切斷裂痕跡。根據(jù)自動(dòng)扶梯的梯級(jí)板安裝要求，銷(xiāo)軸正常是通過(guò)過(guò)盈配合與梯級(jí)鏈條連接，查驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)銷(xiāo)軸與梯級(jí)鏈條過(guò)盈配合部分已經(jīng)從梯級(jí)鏈條上脫落，銷(xiāo)軸表面存在磨損，因此可推斷扶梯運(yùn)行時(shí)銷(xiāo)軸在斷裂過(guò)程中發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。銷(xiāo)軸在梯級(jí)板撞擊時(shí)受剪切力影響，發(fā)生剪切斷裂。

用掃描電鏡（SEM）對(duì)銷(xiāo)軸斷口形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)銷(xiāo)軸斷口微觀形貌為“沿晶斷裂+部分韌窩斷口”（見(jiàn)圖3），疲勞裂紋沿解理平面擴(kuò)展，尖端沒(méi)有或很少有塑性變形，斷口面與軸受力方向平行保持一致，可以判斷銷(xiāo)軸為緩慢加載，同時(shí)在沖擊下發(fā)生脆性疲勞斷裂，銷(xiāo)軸斷口以脆性斷裂為主。

圖3 " "銷(xiāo)軸斷口形貌

2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[4]

根據(jù)GB 16899-2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中第5.3.3.1條款的要求，梯級(jí)應(yīng)能夠承受正常運(yùn)行時(shí)由導(dǎo)軌、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)施加的可能的載荷和扭曲作用，并應(yīng)能承受6000 N/m2的均布載荷。第5.3.3.2條款的靜載試驗(yàn)中，要求梯級(jí)在靜載試驗(yàn)工況下，加載3000 N測(cè)得的擾度值不大于4 mm，且無(wú)永久變形（可給定允差值）。

目前，市場(chǎng)上許多廠家在設(shè)計(jì)時(shí)以靜載試驗(yàn)中的擾度值作為梯級(jí)強(qiáng)度的依據(jù)，為最大限度地節(jié)約材料成本，并未考慮普通扶梯的梯級(jí)板在高強(qiáng)度下使用的耐疲勞性能。而對(duì)于梳齒板與梯級(jí)之間的間隙，自動(dòng)扶梯的生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn) GB 16899—2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》中有明確的定量要求，即梯級(jí)和梳齒板齒根部的間隙差h 6小于等于4 mm，梳齒板的齒與梯級(jí)板齒的嚙合深度h 8要大于等于4 mm，梯級(jí)板的齒槽深度h 7大于等于10 mm，如圖4所示。要求梯級(jí)和梳齒板齒根部的間隙差h 6小于等于4 mm，目的是為防止自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)，乘客腳或者異物進(jìn)入梳齒板導(dǎo)致梳齒板卡滯，但是該h 6值并未設(shè)置最小門(mén)檻值。而梯級(jí)鏈條在運(yùn)行時(shí)受兩種因素的影響：一是嚙合沖擊主要指鏈輪輪齒和鏈條在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的接觸沖擊；二是梯級(jí)鏈條在傳動(dòng)過(guò)程中存在各種形式的動(dòng)態(tài)負(fù)載，如扶梯在正常使用時(shí)乘客進(jìn)入扶梯的過(guò)程就是個(gè)不均勻的動(dòng)態(tài)載荷過(guò)程，該載荷的變化和振動(dòng)又造成鏈條張力的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。這兩種沖擊和波動(dòng)都容易導(dǎo)致梯級(jí)鏈條因銷(xiāo)軸或者鏈板產(chǎn)生磨損，從而導(dǎo)致梯級(jí)板產(chǎn)生跳動(dòng)。因此，一旦梯級(jí)板因?yàn)槠趯?dǎo)致下陷，同時(shí)梯級(jí)鏈磨損后導(dǎo)致梯級(jí)板跳動(dòng)，雙重因素相加非常容易導(dǎo)致梯級(jí)與梳齒板相撞。

圖4 " 梯級(jí)和梳齒板配合時(shí)尺寸要求

2.4 幾何結(jié)構(gòu)分析

從圖1梯級(jí)板現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物可以看出，為提升梯級(jí)板的強(qiáng)度，該扶梯梯級(jí)板的根部齒底面的過(guò)渡段采用的是直角過(guò)渡設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)能提高梯級(jí)板的整體強(qiáng)度，但是該直角過(guò)渡設(shè)計(jì)一旦因梯級(jí)板本身疲勞，產(chǎn)生梯級(jí)板下陷，或者梯級(jí)板因銷(xiāo)軸磨損導(dǎo)致沖擊、震動(dòng)，梯級(jí)板與梳齒板就沒(méi)有了間隙，同時(shí)因?yàn)橹苯沁^(guò)渡沒(méi)有導(dǎo)向，非常容易與梳齒板發(fā)生直接碰撞。如能在設(shè)計(jì)上采用端部斜角過(guò)渡，即使梯級(jí)板與梳齒板存在撞擊，也能通過(guò)斜邊導(dǎo)向，避免發(fā)生直接撞擊。

3失效風(fēng)險(xiǎn)

通過(guò)上文分析，梯級(jí)鏈條及梯級(jí)板的選型除了地鐵等場(chǎng)所要求采用重載型自動(dòng)扶梯，其余自動(dòng)扶梯采用普通的梯級(jí)鏈條和梯級(jí)板，在正常情況下能滿(mǎn)足使用要求。但在長(zhǎng)期使用中，一旦梯級(jí)鏈條、銷(xiāo)軸存在磨損，梯級(jí)板存在疲勞下陷的情況，易造成梯級(jí)撞擊或者梯級(jí)鏈條斷裂，也將進(jìn)一步加劇事故發(fā)生的可能性。

除此之外，針對(duì)梯級(jí)板和梳齒板的間隙控制問(wèn)題，醫(yī)院類(lèi)人流密集型場(chǎng)所在進(jìn)行自動(dòng)扶梯安裝、維修或者檢查時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制好梯級(jí)板與梳齒板的間隙。在保證間隙滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)也不宜過(guò)小，以免造成梯級(jí)板與梳齒板的碰撞，從而造成事故隱患。

4結(jié)論與建議

文中通過(guò)對(duì)醫(yī)院一起梯級(jí)板撞擊產(chǎn)生的自動(dòng)扶梯事故進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，并對(duì)其斷裂的銷(xiāo)軸進(jìn)行硬度分析、斷口微觀形貌分析，以及對(duì)損壞變形的梯級(jí)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及幾何結(jié)構(gòu)分析。研究得出，對(duì)于醫(yī)院類(lèi)人流密集型場(chǎng)所，由于其梯級(jí)板正常承受不均勻的動(dòng)態(tài)載荷，容易導(dǎo)致其產(chǎn)生疲勞下陷；同時(shí)，梯級(jí)鏈條在不均勻的動(dòng)態(tài)載荷和沖擊載荷的雙重作用下，容易發(fā)生磨損從而導(dǎo)致梯級(jí)板跳動(dòng)，最終導(dǎo)致梯級(jí)撞擊。為此，建議人流密集型場(chǎng)所在選購(gòu)及使用自動(dòng)扶梯時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1）扶梯在選用梯級(jí)板時(shí)，應(yīng)選用重載型梯級(jí)板；

2）在扶梯安裝及檢維修時(shí)，梯級(jí)板與梳齒板的間隙要控制在合理范圍內(nèi)，在保證間隙滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)也不宜過(guò)小；

3）對(duì)于梯級(jí)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要優(yōu)先選用帶有斜邊過(guò)渡的梯級(jí)板。這種梯級(jí)板能夠通過(guò)斜邊過(guò)渡的方式，最大限度地避免梯級(jí)板與梳齒板的撞擊，提高自動(dòng)扶梯的穩(wěn)定性和耐用性；

4）梯級(jí)鏈條應(yīng)根據(jù)使用周期定期進(jìn)行檢查，防止銷(xiāo)軸出現(xiàn)磨損及疲勞損傷，一旦出現(xiàn)銷(xiāo)軸松動(dòng)、磨損的情況應(yīng)及時(shí)更換。

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