自动扶梯工作原理

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一、梯级

梯级是特殊结构形式的四轮小车（图1－2），有两只主轮，两只辅轮。梯级的主轮的轮轴与牵引链条铰接在一起，而辅轮轴则不与牵引链条连接。这样，全部梯级通过按一定的规律布置的导轨运行，可以做到在自动扶梯上分支的梯级保持水平，而在下分支的梯级可以倒挂。

在一台自动扶梯中，梯级是数量最多的部件。一台小提升高度自动扶梯的梯级约需50～100只；大提升高度自动扶梯的梯级多达600～700只梯级。由于梯级数量众多，又是经常运动的部件，因此一台自动扶梯的质量在很大程度上取决于梯级的结构和质量。对梯级的要求是：自重轻；工艺性能好；装拆维修方便。采用铝合金整体压铸而成的梯级为整体式梯级（图1－2（a））；采用铝合金分零件压铸拼装而成的梯级为分体式梯级（图1－2（b））。

梯级的几何尺寸包括：（1）梯级宽度B；（2）梯级深度也就是踏板深度；（3）主轮与辅轮基距,一般为310～350mm；（4）轨距也就是两主轮间距离；（5）两梯级间节距,一般为400～405mm。

对梯级结构形式影响较大的几何尺寸是主轮辅轮间的基距l。一般分为短基距、长基距及中基距（图1－3）三种。短基距梯级制造方便，能减小牵引链轮直径，使自动扶梯结构紧凑。但是基距缩短之后，梯级不够稳定，乘客在梯级边缘上的上微小跳动，很容易引起梯级围绕辅轮轮轴转动。采用长基距梯级可以避免这一缺点，它在载荷作用下比较稳定，运转平稳。但是，长基距梯级尺寸较大，自重增大，加大了牵引链轮直径，从而使整个自动扶梯结构加大。中基距梯级兼有上述两种梯级的优点，我国生产的自动扶梯采用中基距梯级。

分体式梯级由踏板、踢板、支架等部份拼装组合而成，而整体式梯级集三者于一体整只压铸而成。整体梯级加工速度快、精度高、自重轻。梯级装有主轮与辅轮。以下对梯级踏板、踢板、梯级支架及车轮等进行讨论。

1.梯级踏板

踏板表面应具有凹槽，它的作用是使梯级通过扶梯上下出入口时，能嵌在梳板齿中，以保证乘客安全上下。另外，可防止乘客在梯级上滑动。糟的节距应有较高精度。槽的尺寸：槽深为l0mm，槽宽为5～7mm；槽齿顶宽为2．5～5mm。一只梯级的踏板由2～5块踏板拼成，并固接于梯级骨架的纵向构件之上。

2.踢板

踢板面为圆弧面。小提升高度自动扶梯梯级的踢板面做成有齿的，而在梯级踏板的后端也做成齿形，这样可以使后一个梯级踏板后端的齿嵌入前一个梯级踢板的齿槽内，使各梯级间相互进行导向。大提升高度自动扶梯踢板可做成光面。

3.梯级骨架

梯级骨架是梯级的主要支承结构，由两侧支架和以板材或角钢构成的横向连系件所组成。支架一般采用压铸件，骨架上面固接踏板，下面有装主轮、辅轮心轴的轴套。整体梯级的骨架、支架、踏板与踢板等均整体压铸而成。

4.车轮

一只梯级有四只车轮，两只铰接于牵引链条上的为主轮，两只直接装在梯级支架短轴上的称辅轮。

自动扶梯梯级车轮的特点是：工作转数不高，一般在80～140r／min分范围内，但工作载荷大（至8000N或更大），外形尺寸受到限制（直径70～180mm）。

决定车轮使用寿命主要因素是车轮轮圈材料和轴承。轮圈材料可采用橡胶、塑料和压制织物。橡胶轮缘可使梯级运转平稳，减少噪声。一般可以把梯级的运行阻力视作梯级车轮的运行阻力，因此，改进车轮轮圈材料可以降低运行阻力。可以采用复原性好的氨基甲酸乙醋橡胶代替过去常用的丁晴橡胶。

在自动扶梯负载向上运行时，牵引链条张力将急剧地增大。在接近牵引链轮时达最大值。在梯级主轮运行至上曲线段时，主轮所受轮压为两张力之和（图1－4），达最大值。主轮轮压即按该值计算。

车轮最大许用轮压：

车轮转速n<100r／min时：[p]＝50n／cm2

车轮转速n>100r／min时：[p]＝45n／cm2

交通运输型自动扶梯的主轮宽度一般较大，例如50mm，以增加车轮的耐久性；而普通型自动扶梯的主轮轮缘宽度约为30mm。

我国自动扶梯国家标准规定，工厂所生产的梯级应由指定的测试单位进行试验，取得合格证后方能投入使用。试验分为静态试验及动态试验。有关试验情况将于本书相应的章节中讨论。

自动扶梯梯级在出入口处应有导向，使其从梳齿板出来的梯级前缘和进入梳齿板后缘至少应有一段0.8m长的水平移动距离，该距离从梳齿板的齿根部量起。在水平运动段内，两个相邻梯级之间的最大高度误差为4mm，若额定速度大于0.5m／s或提升高度大于6m，该水平距离应至少为1.2m(始测点与上述相同)。

倾斜角大于6°的自动人行道，其上部出入口的踏板或胶带在进入梳齿之前或离开梳齿之后应至少有一段长为0.4m，最大倾斜角为6°的运行距离。对踏板式自动人行道，离开梳齿的踏板前缘和进入梳齿的踏板后缘，至少应有0.4m以上的一段不改变角度的距离。

二、牵引构件

自动扶梯所用牵引构件有牵引链条与牵引齿条两种。牵引构件是传递牵引力的构件。一台自动扶梯一般有两根构成闭合环路的牵引链条（或称梯级链）或牵引齿条。使用牵引链条的驱动装置装在上分支上水平直线区段的末端，即所谓端部驱动式的。使用牵引齿条的驱动装置装在倾斜直线区段上，下分支的当中，即所谓中间驱动式的。

二、下面分别讨论牵引链条及牵引齿条。

1.牵引链条

端部驱动装置所用的牵引链条一般为套筒滚子链，它由链片、小轴和套筒等组成。按联接方法牵引链条分为可拆式和不可拆式两种。可拆式的就是在任何环节都可分拆而无损于链条及其零件的完整性。不可拆的是仅在一定数目的环节处，也就是在一定的分段长度处可以拆装。这种可拆装的部分是专门供安装或检修用的。在我国自动扶梯制造业中，一般都采用第二种，因为这种结构具有较高的可靠性且安装方便。目前所采用的牵引链条分段长度一般为1.6m。为了减少左右两根牵引链条在运转中发生偏差而引起梯级的偏斜，对梯级两侧同一区段的两根牵引链条的长度公差应该进行选配，以使同一区段两根牵引链条的长度累积误差尽量接近。牵引链条出厂时应标明选配的长度公差。

牵引链条是自动扶梯主要的传递动力构件，其质量直接影响自动扶梯的运行平稳和噪声高低。图1－5所示的是常用牵引链条的结构。梯级主轮可置于牵引链条的内侧如图1－5（a）或外侧；也可置于牵引链条的两个链片之间如图l－5（b）。梯级主轮置于牵引链轮内、外侧的牵引链条的结构，可用较大的主轮，例如直径为100mm或更大，能承受较大的轮压。可以使用大尺寸的链片。链片要进行调质处理。适用于公共交通型的自动扶梯。置于牵引链条两个链片之间的主轮既是梯级的承载件，又是与牵引链轮相啮合的啮合件，因而主轮直径受到限制。图1－5b所示的结构直径为70mm。主轮外圈由耐磨塑料浇铸而成，内装高质量的滚珠轴承。这种特殊塑料的轮外圈既可满足轮压的要求，又可降低噪声。适用于提升高度较低的普通型自动扶梯。

节距是牵引链条的主要参数。节距愈小，工作愈平稳，但是关节愈多，自重愈大，价格愈高，而且关节处的摩擦愈大。反之，节距愈大，自重愈轻，价格愈便宜。但为了使工作平稳，链轮直径也要增大，这就加大了驱动装置和张紧装置的外形尺寸。一般自动扶梯两梯级间的节距采用400～406.4mm。牵引链条节距有：67.7、100、101.6、135、200mm。大提升高度自动扶梯采用大节距牵引链条，例如提升高度60m的自动扶梯采用200mm节距的牵引链条；小提升高度自动扶梯采用小节距牵引链条，例如4m自动扶梯则可采用67.7mm节距。

如前所述，自动扶梯向上运动时，在牵引链条的闭合环路上，牵引链轮绕入分支处受力最大。因此，在该处牵引链条断裂的可能性最大，特别在满载时。如果牵引链条在该处断裂，则该断裂处以下的梯级与牵引链条将一起急剧地向下移动而弯折，从而使该处产生一空洞，不能确保乘客安全。这一情况必须防止。图1—6所示的是防止牵引链条断链弯折的一种结构。在与梯级主轮铰接的链片上各伸出一段相互对着的锁挡，其间隙为1mm。同时，在梯级主轮上方装有反轨，在牵引链条上装有压链反板。当断链时，由于压链反板压着牵引链条，使它不能向上弯折，又由于两链片的锁挡相互顶着，使链条不能向下弯折，于是在断链的瞬间，牵引链条类似一个刚性的支撑物支撑在倾斜的梯路中，从而使一系列梯极基本上保持在原来位置，确保乘客安全。

2.牵引齿条

中间驱动装置所使用的牵引构件是牵引齿条，它的一侧有齿。两梯级间用一节牵引齿条连接，因此，牵引齿条的节距应为400mm。中间驱动装置机组上的传动链条的销轴即与牵引齿条的牙齿相啮合以传递动力。图1－7所示的是中间驱动装置所用的牵引齿条。

牵引齿条的另一种结构形式是：齿条两侧都制成齿形，一侧为大齿，另一侧为小齿。牵引齿条的大齿用途如前所述；小齿是用以驱动扶手胶带的。

牵引构件的安全系数n可取为：

对于大提升高度自动扶梯n＝10

对于小提升高度自动扶梯 n＝7

我国自动扶梯国家标准规定不小于5。

三、导向轨道系统

1.概述

如前所述，自动扶梯的梯级沿着金属结构内按一定要求设置的多根导轨运行，以形成阶梯。因此，从广义上讲导轨系统也是自动扶梯梯路系统的组成部份。

自动扶梯梯路导轨系统包括主轮和辅轮的全部导轨、反轨、反板、导轨支架及转向壁等。导轨系统的作用在于支承由梯级主轮和辅轮传递来的梯路载荷，保证梯级按一定的规律运动以及防止梯级跑偏等。因此，要求导轨既要满足梯路设计要求，还应具有光滑、平整、耐磨的工作表面，并具有一定的尺寸精度。

在导轨系统中，导轨及反轨等在梯路各区段中应按结构要求进行配置。表1－1列出了自动扶梯导轨及反轨等配置情况。

倾斜直线区段是自动扶梯的主要工作区段，也是梯路中最长的部分。图1－8是我国生产的自动扶梯倾斜直线区段的导轨系统剖面结构图的一种。由图可知：这种结构上分支主轮导轨及辅轮在同一平面内，给安装调试带来了方便。

在曲线区段内，各导轨、反轨之间的几何关系较复杂。为了准确地控制各导轨间的尺寸，通常在各区段金属结构内的上、下端两侧各装附加板，将同一侧有关导轨、反轨固定在该板上，形成一个组件。该组件在专用胎具上组装竣事后，再整体装入自动扶梯金属结构的固定部位处。

支撑各种导轨的导轨支架及异形钢材导轨如图1－9所示。导轨的材料可用冷拉或冷轧。角钢（图1－8）或异形钢材（图1－9）。反轨可用热轧型钢（图1－9）。

在工作分支的上、下水平区段处，导轨侧面与梯级主轮侧面的间隙要求小于0.5mm，以保证梯级能顺利通过梳齿板。其他区段的间隙要求小于1mm。

2.转向壁

当牵引链条通过驱动端牵引链轮和张紧端张紧链轮转向时，梯级主轮已不需导轨及反轨了，该处将是导轨及反轨的终端。该导轨的终端不允许超过链轮的中心线，同时，应制成喇叭口。但是辅轮经过驱动端与张紧端时仍然需要转向导轨。这种辅轮终端转向导轨做成整体式的，即为转向壁（图1－10）。转向壁将与上分支辅轮导轨和下分支辅轮导轨相连接。

由于中间驱动装置是在自动扶梯的中部，因而在驱动端和张紧端都没有链轮。梯级主轮行至上、下两个端部时，也需要经过如辅轮转向壁一样的转向导轨。这两个转向轨道通常各由两段约为四分之一弧段长的导轨组成，其中下部一段需要略可游动，以补偿由于长400mm、的牵引齿条，从一分支转入另一分支时在圆周上所产生的误差（见图1－11）。

四、驱动装置

1.概述

由于自动扶梯是运载人员的，往往用于人流集中之处；特别是服务于公共交通型的自动扶梯更是如此，而且每天运转时间很长。因此，对驱动装置提出较高的设计要求。主要要求为：

（1）所有零、部件应进行详细计算，都需有较高的强度和刚度，以保证在短期过载的情况下，机器具有充分的可靠性。

（2）零件具有较高的耐磨性，以保证机器在若干年内，每天进行长期工作。

（3）由于驱动装置设置地点位置的限制，要求机构尽量紧凑，并需装拆维修方便。

驱动装置的作用是将动力传递给予梯路系统及扶手系统。一般由电动机、减速器、制动器、传动链条及驱动主轴等组成。由于电动机轴与梯级踏板间有一定的高度差，所以驱动装置的传动比在这一范围内：1∶46～1∶48。按驱动装置所在自动扶梯的位置可分为端部驱动装置和中间驱动装置两种。端部驱动装置以牵引链条为牵引件，又称链条式自动扶梯。这种驱动装置装在自动扶梯的端部。我们称安装驱动装置的地方为机房。小提升高度自动扶梯使用内机房，在提升高度相当大时或特殊要求时，端部驱动自动扶梯需要采用外机房，也就是驱动装置装在自动扶梯金属结构外建筑物的基础上。中间驱动装置装在自动扶梯的中部，以牵引齿条为牵引件，又称为齿条式自动扶梯。中间驱动自动扶梯小需要内、外机房，而将驱动装置装在自动扶梯梯路中部的上、下分支之间，而该处是自动扶梯未被利用的空间。

端部驱动结构形式生产时间已久，工艺成熟，维修方便。我国绝大多数企业均生产这种形式结构。中间驱动形式结构紧凑，能耗低，特别是大提升高度时，可以进行多级驱动。由于驱动装置装在有载梯级的下面，因而应注意驱动装置所产生的振动与噪声。

为节省能源消耗，自动扶梯要降低梯路系统、扶手系统及照明系统的用电。由于自动扶梯连续运载乘客，因而不论乘客多少，常需持续运转，特别是设有若干台自动扶梯的企业，更加感到降低能耗的必要。自动扶梯的能源消耗在上述的三个方面，其中照明部份所费不多，例如提升高度为4m的自动扶梯约消耗600W电量。因此，关键在于驱动梯路系统及扶手系统的电力消耗。

下面分别讨论端部驱动装置、中间驱动装置和制动器等。

2.端部驱动装置

端部驱动装置是常用的一种驱动装置。图1－12是端部驱动自动扶梯上部结构的一种形式。由图可知：驱动机组通过传动链条带动驱动主轴（见图1－13），主轴上装有两个牵引链轮、两个扶手驱动轮、传动链轮以及紧急制动器等。牵引链条上装有一系列梯级，由主轴上的牵引链轮带动。主轴上的扶手驱动轮通过扶手传动链条使扶手驱动轮驱动扶手胶带。另有扶手胶带压紧装置，以增加扶手胶带与扶手驱动轮间的摩擦力，防止打滑。

端部驱动装置常使用蜗轮蜗杆减速器，如图1－14所示的驱动机组是采用立式蜗轮减速器和双块式制动器的结构。出轴小链轮亦于图中示出。图1－15所示的亦为立式蜗轮减速器驱动机组，但是应用带式制动器。图中示出带式制动器所用制动电磁铁及制动带，图的中部为牵引电机，下方为蜗轮减速器、减速器出轴及其上的传动链轮。

上述两种蜗轮减速器具有运转平稳、噪声小及体积小等优点。然而，蜗轮减速器的效率较低，增加能量消耗。图1－16所示的是采用平行轴线的圆柱斜齿轮减速器，效率可以提高。在设计中，选用这种圆柱斜齿轮的参数与精度时，要考虑降低噪声问题。此外，驱动装置采用防振装置，机架部件采用吸振材料等可以使振动噪声降到与蜗轮减速器相同的水平。图1－16所示的是电动机装在减速器的上方，通过几根三角皮带传给减速器入轴。采用盘式制动器的驱动机组，其优点是结构紧凑。

上述三种驱动机组，两种用蜗轮减速器（见图1－14，图1－15），一种用圆柱斜齿轮减速器，（见图1－16）都具有运转平稳、振动小及噪声低的特点。但图1－16中的驱动结构多了一级三角皮带传动。三种结构有一个共同点，就是与牵引链轮的连接采用了链条传动

三、链条传动依靠链轮带动链条进行动力传递。驱动力作用在链轮和链条上。由于链条在链轮旋转过程中不断地与链轮啮合和脱开，于是其间产生摩擦，其结果出现能量损耗，链条磨损，致使链轮的齿距增加△t，链条也将伸长。于是出现链条不在理想的节圆直径上，而在比节圆直径大的直径上进行运动。这样就会出现链条在链轮上“爬高”的现象。在极端情况下，传动链条在链轮的顶圆直径上运动，链条会在轮齿上跳跃。

皮带传动存在一个打滑问题。皮带传动效果与作用在皮带轮上的摩擦力、皮带的张力、皮带的强度及摩擦系数等有关。温度、湿度会影响皮带的张力。灰尘、油污、潮湿也会影响摩擦系数。在承受载荷的情况下，原有皮带张力将随之增加，可能导致皮带在皮带轮上的滑动，并因而造成皮带的损坏。

根据以上分析，凡是驱动机组与牵引链轮之间的传动不是由轴、齿轮等来完成，也就是不是使用啮合传动来完成时，从安全角度考虑，自动扶梯在紧急状态下的制动作用在驱动主轴上是必要的，也就是紧急制动器应该装在驱动主轴上。

不用链条传动而用齿轮传动的端部驱动装置如阁1－17所示，这一结构有两个电机1分别与蜗杆相连，两蜗轮3各通过一组圆柱斜齿轮8直接与两个牵引链轮10及两个扶手驱动轮6、7连接。采用盘式制动器4，其优点是结构紧凑，在大提升高度时，这种驱动装置可以不使用外机房，使金属结构支反力少一个分量（见图1－18）。该驱动装置集中在自动扶梯金属结构较高处，可在工厂内装配进行试车后运往工地，因而可使现“沧肮ぷ髁拷抵磷畹停氤S猛饣拷峁沟那爸孟啾龋庵纸峁褂虢鹗艚峁沽梢惶澹挥心诹ψ饔迷谇爸蒙希鹗艚峁购突〔糠荻济挥惺艿接闪创鸬淖饔昧Γ苊饬嗽肷龃蟆

3.中间驱动装置

如前所述，将驱动机组置于上、下两分支之间时即为中间驱动装置。这种结构可节省端部驱动装置所占用内机房的空间，而且简化自动扶梯两个端部的结构。中间驱动装置必须用牵引齿条来代替牵引链条，图1－19为中间驱动装置的结构图。电动机通过减速器将动力传递给两侧的两根构成闭合环路的传动链条，每侧的两根传动链条之间铰接一系列滚子，滚子与牵引齿条的牙齿啮合，驱使自动扶梯运行。制动器装在减速器的高速轴上。

中间驱动装置的一大特点是有可能进行自动扶梯的多级驱动。当自动扶梯提升高度相当大时，端部驱动的牵引链条的张力在有载分支上升时急剧地增大，牵引链条尺寸及电动机功率也相应加大。此时，如果将上述的中间驱动机组多设几组，则形成多级驱动自动扶梯，可以大大降低牵引齿条的张力。另一特点是牵引齿条在驱动机组出端受推力，以后经过一个转点之后变成承受拉力。