自動(dòng)扶梯樓層板振動(dòng)分析

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,自動(dòng)扶梯已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域,在高樓、車站、機(jī)場、商場等場合為人員快速運(yùn)輸提供了便利。以往,人們對于自動(dòng)扶梯的關(guān)注主要在其安全性上。但是,隨著社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展和人們對于美好生活的更多向往,自動(dòng)扶梯作為直接向公眾提供接觸式移動(dòng)服務(wù)的特種設(shè)備,其舒適性也越來越受到民眾的關(guān)注。遺憾的是,目前我國對于自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量方面的研究還較少。

自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)主機(jī)、主驅(qū)動(dòng)鏈、金屬析架上的導(dǎo)軌、梯級鏈條、梯級主輪、輔輪、轉(zhuǎn)向裝置等安裝質(zhì)量密切相關(guān),且各個(gè)部件之間耦合度大,這就導(dǎo)致即使是同型號(hào)的自動(dòng)扶梯,其乘運(yùn)質(zhì)量也可能由于安裝方式、使用時(shí)間、負(fù)載強(qiáng)度等因素產(chǎn)生巨大差異。本文選擇了振動(dòng)這一角度,對自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量進(jìn)行研究。

從乘客的角度來說,乘坐自動(dòng)扶梯時(shí)首先會(huì)經(jīng)過自動(dòng)扶梯入口,與樓層板接觸,再乘上梯級,與梯級、扶手帶接觸,最后由自動(dòng)扶梯出口離開。在整個(gè)過程中,自動(dòng)扶梯的最大加(減)速度、垂直振動(dòng)、水平振動(dòng)等都會(huì)對乘客乘坐時(shí)的實(shí)際感受造成影響。

本文筆者將首先選取乘客進(jìn)入自動(dòng)扶梯與離開自動(dòng)扶梯這兩個(gè)過程,通過振動(dòng)實(shí)驗(yàn)對自動(dòng)扶梯上下端站樓層板給乘客帶來的舒適性進(jìn)行研究,也是為以后研究梯級與扶手帶做前期的技術(shù)積累與鋪墊。

1自動(dòng)扶梯樓層板振動(dòng)介紹

自動(dòng)扶梯屬于特種設(shè)備,是一種帶有循環(huán)運(yùn)動(dòng)梯路,用以在建筑物的不同層高間向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

自動(dòng)扶梯的大部分驅(qū)動(dòng)裝置都集中在上端站,如圖1所示,包括驅(qū)動(dòng)主機(jī)、驅(qū)動(dòng)主軸、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制柜、轉(zhuǎn)向鏈輪、扶手帶驅(qū)動(dòng)裝置等。樓層板作為隔絕乘客和自動(dòng)扶梯內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝置,覆蓋在檢修空間之上。在自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí),處于檢修空間內(nèi)的眾多裝置的運(yùn)行振動(dòng)會(huì)形成振動(dòng)源,很大程度上對樓層板產(chǎn)生影響。

相對來說,自動(dòng)扶梯的下端站所安裝的裝置就比較少,如圖2所示。比較重要的裝置比如張緊裝置,由于其自身構(gòu)造,其內(nèi)部組件有壓縮彈簧,可能會(huì)一定程度減輕導(dǎo)軌梯級等振動(dòng)源所帶來的影響。

2樓層板振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

本文針對自動(dòng)扶梯上下端站樓層板振動(dòng)情況設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)對象為上海某火車站天橋出入口的公共交通型自動(dòng)扶梯,如圖3所示。該自動(dòng)扶梯2024年制造,2025年投入使用至今,名義速度為0.50m/s,提升高度為4.7m。該自動(dòng)扶梯為三菱K型自動(dòng)扶梯,該型號(hào)自動(dòng)扶梯在國內(nèi)應(yīng)用廣泛,屬于主要廠商典型自動(dòng)扶梯,因此本次實(shí)驗(yàn)對自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量的研究具有比較重要的意義。

本次自動(dòng)扶梯上下端站樓層板振動(dòng)實(shí)驗(yàn)采用的儀器為電梯乘運(yùn)質(zhì)量檢測儀ATL-370,該儀器采用高性能三軸加速度傳感器獲取自動(dòng)扶梯運(yùn)行數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中一律采用檢測人員面向自動(dòng)扶梯為基準(zhǔn),指向扶梯梯級方向?yàn)閄軸正方向,右側(cè)為Y軸正方向,垂直向上為Z軸正方向,如圖4所示。

本次實(shí)驗(yàn)首先對自動(dòng)扶梯上端站樓層板在自動(dòng)扶梯靜止時(shí)以及運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況進(jìn)行了測試,得到以下曲線圖,圖5為自動(dòng)扶梯靜止時(shí)在上端站樓層板中心位置測得的振動(dòng)曲線,圖6為自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)在上端站樓層板中心位置測得的振動(dòng)曲線。每次測量都會(huì)分別記錄X軸、Y軸與Z軸的曲線,并計(jì)算總加加速度。本次實(shí)驗(yàn)還對下端站樓層板的中心位置進(jìn)行了測量,得到了相應(yīng)的曲線圖,由于自動(dòng)扶梯上端站樓層板振動(dòng)情況具有代表性,僅以上端站為例進(jìn)行分析。

3上端站樓層板振動(dòng)分析

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前需要確定合適的分析方法。筆者翻閱了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),選取了《機(jī)械振動(dòng)與沖擊人體暴露于全身振動(dòng)的評價(jià)第1部分:一般要求》(GB/T13441.1一2007)來對振動(dòng)進(jìn)行分析。

GB/T13441.1一2007中6.1"用計(jì)權(quán)均方根加速度的基本評價(jià)方法"中規(guī)定:振動(dòng)評價(jià)應(yīng)總是包括如本條中所定義的計(jì)權(quán)均方根(r.m.s)加速度的測量。對平移振動(dòng),計(jì)權(quán)均方根加速度用m/s2表示,而對旋轉(zhuǎn)振動(dòng)則用rad/s2表示。計(jì)權(quán)均方根加速度應(yīng)按下式或其頻域的等價(jià)式計(jì)算:

式中:aw(1)為時(shí)間函數(shù)(時(shí)間歷程)的計(jì)權(quán)加速度(平移的,單位為m/s2:或旋轉(zhuǎn)的,單位為rad/s2):T為測量時(shí)間長度(s)。

自動(dòng)扶梯樓層板的振動(dòng)屬于平移振動(dòng),因此對原始振動(dòng)曲線(圖5和圖6)進(jìn)行計(jì)權(quán)均方根處理,得到表1數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù),對扶梯靜止時(shí)的樓層板振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,X軸方向上的r.m.s值明顯低于Y軸與Z軸,約為Y軸r.m.s值的42%,Z軸r.m.s值的28%。

對扶梯運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,同樣也有部分上述情況。x軸方向上的r.m.s值為Z軸r.m.s值的31%。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)將自動(dòng)扶梯靜止與運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,樓層板Y軸方向上的振動(dòng)情況影響相對于其他兩軸的變化不大。Y軸運(yùn)行時(shí)比靜止時(shí)大約增幅280%,而X軸和Z軸運(yùn)行時(shí)比靜止時(shí)大約增幅700%。扶梯靜止時(shí),Y軸r.m.s值比X軸r.m.s大,約為X軸的219%:而扶梯運(yùn)行時(shí),Y軸r.m.s值增幅就小,與X軸持平。但無論是扶梯靜止時(shí)還是運(yùn)行時(shí),X軸與Y軸的r.m.s值都遠(yuǎn)小于Z軸的r.m.s值。

根據(jù)GB/T13441.1一2007中的要求,用于振動(dòng)對舒適影響預(yù)測的頻率計(jì)權(quán)與方向因數(shù)k一起使用。GB/T13441.1一2007的8.2.2.2中對立姿人體的頻率計(jì)權(quán)和方向因數(shù)有如下規(guī)定:X軸(地板振動(dòng)):wd,k=1:Y軸(地板振動(dòng)):wd,k=1:Z軸(地板振動(dòng)):wk,k=1。由此可見,對于立姿人體來說,X、Y兩軸對人體舒適性的影響是相同的。當(dāng)振動(dòng)頻率大于3Hz時(shí),Z軸振動(dòng)頻率計(jì)權(quán)wk值大于wd值。自動(dòng)扶梯樓層板振動(dòng)遠(yuǎn)大于3Hz,因此對于自動(dòng)扶梯來說,Z軸振動(dòng)對人體舒適性的影響比X軸和Y軸更大。

回到表1的數(shù)據(jù),在對自動(dòng)扶梯樓層板的振動(dòng)測量中發(fā)現(xiàn),無論是扶梯靜止還是運(yùn)行時(shí),X軸與Y軸的振動(dòng)都遠(yuǎn)小于Z軸。因此可以認(rèn)為,在自動(dòng)扶梯樓層板對乘客的舒適性影響中,Z軸振動(dòng)起主導(dǎo)地位。

再根據(jù)GB/T13441.1一2007附錄C.2.3中對振動(dòng)環(huán)境的舒適反應(yīng)的規(guī)定:

當(dāng)振動(dòng)小于0.315m/s2時(shí),乘客感覺不到不舒適,而X軸與Y軸上的r.m.s值即使在扶梯運(yùn)行時(shí),離0.315m/s2的界限也還是有些差距的?？梢哉J(rèn)為,X軸和Y軸的振動(dòng)不會(huì)引起乘客的不舒適,對自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量影響較小。

當(dāng)振動(dòng)處于0.315~0.63m/s2時(shí),乘客會(huì)感覺到有點(diǎn)不舒服。該自動(dòng)扶梯上端站樓層板運(yùn)行時(shí)Z軸的平均振動(dòng)r.m.s值為0.496m/s2,處于這個(gè)區(qū)間,但同時(shí)GB/T13441.1一2007附錄C.2.3也表明不同振動(dòng)量值的反應(yīng)取決于乘客對旅行持續(xù)時(shí)間的期望和乘客所期望完成的活動(dòng)類型以及諸多原因。乘客在出入自動(dòng)扶梯時(shí),在樓層板上停留的時(shí)間較短,大概在2~4步,和乘客身高也有關(guān)系。因此,結(jié)合時(shí)間考慮,乘客的感受會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)有所差異。

4上下端站樓層板之間的振動(dòng)對比

本次實(shí)驗(yàn)還對下端站樓層板的中心位置進(jìn)行了測量,并與上端站樓層板運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況進(jìn)行了對比,得到表2中的數(shù)據(jù)。

由表2中的數(shù)據(jù)可知,下端站樓層板的三軸振動(dòng)全面小于上端站的三軸振動(dòng)。這也印證了上文中的猜想,自動(dòng)扶梯的下端站主要安裝張緊裝置,并且張緊裝置內(nèi)部組件有壓縮彈簧,一定程度上減輕了振動(dòng)源所帶來的影響。

再結(jié)合上述Z軸振動(dòng)起主導(dǎo)地位的結(jié)論,筆者認(rèn)為,若需要對自動(dòng)扶梯樓層板進(jìn)行大批量或標(biāo)準(zhǔn)化乘運(yùn)質(zhì)量測量,可以將檢驗(yàn)方法簡化,著重測量上端站樓層板Z軸方向上的振動(dòng)。

5結(jié)語

本文希望對自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量進(jìn)行研究,以自動(dòng)扶梯樓層板的振動(dòng)情況為對象進(jìn)行初探。筆者首先選取乘客進(jìn)入自動(dòng)扶梯與離開自動(dòng)扶梯這兩個(gè)過程,通過振動(dòng)實(shí)驗(yàn)對自動(dòng)扶梯上下端站樓層板給乘客帶來的舒適性進(jìn)行研究。在對自動(dòng)扶梯樓層板的振動(dòng)測量中發(fā)現(xiàn),無論是扶梯靜止還是運(yùn)行時(shí),x軸與Y軸的振動(dòng)都遠(yuǎn)小于Z軸,因此認(rèn)為在自動(dòng)扶梯樓層板對乘客的舒適性影響中,Z軸振動(dòng)起主導(dǎo)地位。同時(shí)將上下端站樓層板的振動(dòng)情況相對比,驗(yàn)證了存在下端站樓層板的三軸振動(dòng)全面小于上端站樓層板三軸振動(dòng)的現(xiàn)象。在對自動(dòng)扶梯樓層板進(jìn)行大批量或標(biāo)準(zhǔn)化乘運(yùn)質(zhì)量測量時(shí),可以將檢驗(yàn)方法簡化,著重測量上端站樓層板Z軸方向上的振動(dòng)。

自動(dòng)扶梯作為直接向公眾提供接觸式移動(dòng)服務(wù)的特種設(shè)備,其舒適性越來越受到民眾的關(guān)注。遺憾的是,目前我國對于自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量方面的研究還較少。本論文的研究也是為以后研究梯級與扶手帶對自動(dòng)扶梯乘運(yùn)質(zhì)量的影響做前期的技術(shù)積累與鋪墊。