自动扶梯楼层板防滑性能现场评价方法研究及装置研制

鄢宇中, 张九洲, 史 熙, 胡松涛, 徐 洲

(上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240,E-mail:1226441221@sjtu.edu.cn)

随着经济的增长以及科技的进步,公共领域的机电类特种设备之一的自动扶梯越来越普及。自动扶梯是由一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的带式输送机所组合而成,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人员的固定电力驱动设备。自动扶梯主要构件有:桁架、驱动装置、牵引链、张紧装置、梯级踏板、梯级导轨、梳齿板、扶梯楼层板以及扶手[1]。

应用场合的普遍性、设备结构的特殊性,赋予评判安全性能的实验技术以重要意义。人在特定的行走路面滑摔的隐患,已经成为自动扶梯众多安全隐患中不可忽视的一个问题[2]。人足部直接接触到的平面部件是梯级踏板与扶梯楼层板,滑摔事故发生时多为行人迈入梯级踏板的瞬间加速过程、蹬离梯级踏板的瞬间减速过程以及在扶梯楼层板上的行进过程。因此,对自动扶梯梯级踏板与楼层板的防滑性能的技术研究具有重要的安全指导意义[3]。

防滑性能测试方法按照测量方式划分,可分为现场测量和实验室测量。按照测量特性划分,可分为静态装置、稳定动态装置、临界摩擦装置以及钟摆摆动装置。按照测量原理划分,可分为拖拽法[4-5]、铰接撑杆法[6]、摆锤法[7]、斜坡法[8]。目前国内外普遍认可基于标准DIN51130的斜坡法以测试自动扶梯相关部件的防滑性能[9]。斜坡法主要用于实验室内对新部件的防滑性能评价,如果需要对在用部件的防滑性能进行评价,则需要维保人员将尚在服役中的自动扶梯相关部件拆下送至实验室,这加大了评估的时间与人力成本。与此同时,随着使用时间的增长,楼层板等部件的防滑性能随着表面材料的磨损必然发生退化,因此开发现场防滑性能评价方法和装置的需求就显得非常迫切。

本文提出了一种服役现场防滑性能的有效评价方法并研制了相应的测试装置,研究内容主要包括:

(1) 防滑性能的现场评价方法研究及装置研制;

(2) DIN51130斜坡法测试角度结果与该评价方法的相关性研究;

(3) 确定不同防滑等级对应该方法测得的摩擦参数值范围。

文中所提方法在保证现场测量参数与实验室斜坡法测得结果高相关性的前提下,大大提高了评判防滑性能的效率。

1 自动扶梯相关部件的防滑性能测试及等级划分

1.1 试验装置及测量方法

DIN51130标准采用斜坡法评估自动扶梯相关部件的防滑性能。试验装置由能够相对于水平方向双向旋转的平台主体以及为试验人员提供安全保护的防坠落支架组成。在试验过程中,该平台主体能以不超过1°/s的速度稳定地在0°到40°之间任意旋转,且以±0.2°的误差实时显示平台的倾斜角度。试验时,经特殊训练的测试人员穿着具有特定胎面鞋底的试验鞋,以直立的姿态在测试样品上来回行走,测试地面的角度逐渐增大,直到测试人员滑倒,记录下此时的临界角。经过多次测量得到的临界角的平均值,与该测试人员事先在三块标准板上的试验后得到的修正角度相加,得到的角度即作为防滑性能的评估依据。

1.2 基于平均可接受角度的等级划分

根据最终修正得到的角度可以将待测样板的防滑等级分类,修正后的平均倾斜角度在6°到10°内时,该样板对应防滑等级为R9。角度在10°到19°时,对应防滑等级为R10[10]。受条件所限,本文所选用的试验样板防滑等级集中在这两个等级。

2 防滑性能的现场评价方法

2.1 评价方法

2.1.1 常见的现场测量仪器设计思路

目前能再现正常直线行走滑动时的足底接触时间、法向力、足部角度、鞋上的接触力施加点和滑动速度等参数的滑度计仅适用于实验室。适用于现场测量的滑度计因为其便携性的需求,往往只能再现个别重要参数。

除去对生物力学的考量与便携性,现场测量装置还需考虑到实验结果的可重复性、适当的灵敏度以及在不同污染物下能否稳定工作的能力。

常见的现场测量仪器有水平拉动测滑计HPS(Horizontal Pull Slipmeter),便携式铰接式支柱摩擦计PAST(Portable Articulated Strut Tribometer) ,便携式摩擦试验机(Portable Friction Tester),低速滑移计(Low Velocity Skidmeter)[11],托特斯仪(Tortus)[12],摆锤装置(Portable Skid Tester)等。

2.1.2 滑度评价指标

上述仪器通过不同的评价指标来对滑度进行测量。其中摩擦力和能量损失法被广泛用于衡量滑度的大小。传统的静摩擦测量方法仅适用于清洁的表面,污染表面则需要采用动态摩擦和过渡摩擦的方法来正确评估[13]。

Tortus测试仪通过测量运动中的小车底部一端橡胶与地面之间的阻力以测量动摩擦系数,因为有打滑的倾向,故该装置不适合在湿态表面上测试。

摆锤法通过测量一个与定点铰接的摆锤落下后滑过一段长度固定的路径的能量损失,以评估接触面的防滑性能。该方法灵敏度不够高,且不适合测量具有锯齿形花纹的楼层板。

本文提出一套基于动态摩擦测量的、适用于干湿表面且适合测量楼层板的便携式实验方案,该装置的评价指标为克服旋转过程中的动摩擦力所需的扭矩。

2.2 评价用装置研制

2.2.1 硬件构成

本文采用测量固定大小面积区域的旋转接触扭矩作为现场防滑性能的评价指标。装置由竖直放置的电机、扭矩传感器、配重件以及铝型材支架组成。扭矩传感器通过折弯的钣金件被固定在支架上,并通过键槽结构与配重件连接,通过刚性联轴器与电机连接。配重件底部粘有耐磨性能较好的聚氨酯。铝型材支架底部粘有橡胶止滑垫以抵消配重件旋转过程中产生的扭矩。

▲图1 装置示意图

伺服电机额定功率为10 W,扭矩传感器量程为5 N.m,精度为千分之一,采样率为500 Hz;设定配重件的旋转周期为10 s。

装置主体设计示意图[14]如图1所示。

2.2.2 数据传输

本文选用大洋传感器公司开发的扭矩测量软件,RS-485通信输出口输出当前传感器数据值,采用Modbus-RTU协议与主动发送协议的方式发送给扭矩仪表,再以500 Hz的采样频率被采样至上位机。扭矩以及转速能够实时显示在软件主界面,也能够在数据采集完成后,导出至Excel文件,再导入到matlab进行数据处理。

2.3 操作流程

(1) 预处理流程

将待测扶梯盖板样品平放至水平地面,将WD-40快速油污去除剂泡沫均匀喷洒在待测区域,5分钟后用干净的竹刷以及海绵擦将其表面刷干擦净。

将酒精均匀喷洒在配重件底部的聚氨酯上,用干净的棉布擦净后放置2分钟。

(2) 实验流程

将测量装置水平地放置在待测扶梯盖板样品上,接通电机控制器电源,两分钟后开始记录数据,记录过程持续四分钟。

选取同一块样品板的不同待测点,重复记录多次扭矩;

换取不同的待测样板并从预处理步骤重复。

2.4 测量结果的理论分析

考虑装置的便携性需求以及实验中需要不断地拆卸以清洗接触表面,将传感器的输出轴与配重件的键槽连接处以可拆卸的方式连接,从而此处的键槽不能过盈连接,甚至需要留出部分余量以方便拆卸。现基于以下合理假设建立数学物理模型:

(1) 传感器的输出轴与配重件的孔存在一定的偏差角α;

(2) 键槽处的键会在槽内产生部分轴向的滑移;

(3) 底部聚氨酯的形变保持在其弹性限度内。

2.4.1 装置倾角

键槽处键的滑移可考虑为两种极端情形的组合,如图2、图3所示。

▲图2 键槽处自由滑动

▲图3 键槽处完全固结

键与槽之间完全没有摩擦力时,键会在槽内自由滑移,配重件仅沿竖直方向旋转,不出现侧倾;

键与槽完全固结时,配重件在沿竖直方向旋转的同时,会随着键在竖直方向上的位移变化而出现侧倾;根据物理约束,满足以下方程:

(1)

式中:l为键槽连接处最低点到地面的距离;d为传感器输出轴直径;α为两轴偏心角;D为底部接触面的直径;β为配重件底面与地面之间的侧倾角;ε为竖直方向上与键相连的槽内一点的位移与键位移的比值,0≤ε≤1。

▲图4 β在一个周期的变化

2.4.2 装置底部应力分布

装置底部受力状况如图5所示。

▲图5 底部应力分布

沿着x轴的应力应变分布公式:

(2)

满足方程:

σ(x)=E×ε(x)

(3)

(4)

式中:θ1为底面真实受力的接触面在椭圆投影上的占据位角的一半,ρ1为投影的椭圆中心到底面真实受力的接触面的最短距离:

可得θ1关于t的数值解,如图6所示。

▲图6 θ1关于t的数值解

由图6可知,在一个完整的旋转周期内,在t=0(侧倾角为0°)时,受力分布在整个椭圆区域,随着时间推移,受力迅速变化至分布到半边的椭圆区域,并在将要完成一个周期的旋转时,重新分布至整个椭圆区域。

考虑θ1为90°时ρ1≤x≤x0处扭矩变化:

对每一个确定的β,σ(x)均为x的一阶线性函数,即:

σ(x)=k(β)x+b(β)

(5)

由

(6)

(7)

(8)

可得:

(9)

理论计算结果如图7所示。

▲图7 T/μ的理论计算结果

3 实验数据及相关性研究

3.1 实验数据与理论对比

一次典型的实验数据如图8所示。

▲图8 典型数据采集

数据点在2分钟前呈变化趋势,2分钟后趋于稳定;波动幅度较为稳定,波峰波谷的比值总体落在1.4～2.0区间。

理论与实际扭矩的单个波输出对比如图9所示。

▲图9 理论与实际输出对比

μ将波形放大至一个旋转周期后,实际趋势与理论趋势大致吻合,其中误差的来源可能包括且不局限于:

(1) 待测样板表面的花纹不同;

(2) 待测样板表面的磨损不均匀;

(3) 配重件底部的聚氨酯因为磨损导致其粗糙度分布不均;

(4) 装置存在有竖直方向上的低频振动,导致底部的接触应力变化复杂于理论模型。

3.2 装置防滑性能表征量和DIN51130标准防滑角度的相关性

3.2.1 防滑性能表征量

根据DIN51130标准的斜坡法,测量的是最容易产生产生滑移的方向上的防滑性能;而本文开发装置测量参数实际为某一时刻不同角度导致的不同接触工况下扭矩的和,从现有的数据中分别选取算数均值、几何均值、最大值、最小值分别与修正后的防滑角度进行相关性分析,最终根据理论分析和相关度对比,确定将测量扭矩的算数均值作为防滑性能表征量。

3.2.2 数据处理

3.2.2.1 单个数据处理

根据推导公式(9)可得,传感器输出示数应该为周期为10 s的周期函数。设计一个截止频率为0.04 Hz的低通滤波器,将理论信号分离为直流分量和低频信号,如图10所示。

▲图10 理论信号的分离

选取该稳定的直流分量作为单个数据的修正值,典型数据的分离如图11所示。

▲图11 典型数据的分离

此外,因低频信号在周期内累加趋近于零,发现该直流分量与原始数据的算数均值偏差低于百分之一,故直接求取数据的算数均值作为防滑性能表征量。

3.2.2.2 组间数据处理

同一块待测样板之间不同的测点有着近似的表面接触条件,测得的数据应当服从正态分布;采用格拉布斯准则对测试的组间数据进行筛选以剔除粗大误差:

在一组以正态分布为前提的n个数据中,残差v的绝对值最大值为可疑值xb,给定置信区间p=0.99,即显著水平α=1-p=0.01时,满足ν/s≥G(α,n),即剔除xb,重复至v/s

将同一块待测样板组间多个测点的算数均值利用格拉布斯准则筛选后求取总均值,并作为该待测样板的防滑性能表征量。

3.2.3 相关性分析

干燥工况下的实验数据见表1,测量值与防滑角度的一阶线性相关度如图12。

表1 干燥工况下修正角度和扭矩数值

▲图12 一阶线性相关性

在干燥的工况下,去除掉其中一张偏离拟合曲线较远的待测样板后,剩余的13张防滑等级为R9或R10的待测样板的防滑角度与本文开发的实验装置测得数据具有较好的一阶线性相关性。

3.3 不同因素对测试结果的影响

3.3.1 不同转速下试验结果的变化

若选取同一块待测样板同一块区域,调节转速至7.5 r/min以及9 r/min,即原始转速的1.25倍和1.5倍,观测其数据曲线的变化,如图12所示。

▲图13 不同转速下的扭矩变化

当转速由原转速的1.25倍增大至1.5倍时,扭矩整体有约百分之二的增长,但是其变化趋势保持不变。经分析,扭矩增长的原因可能是随着转速增加,接触表面的凹凸碰撞速率增加,导致法向受力变化,最终对扭矩产生影响。

本文设定旋转周期为10 s,以尽可能地保证两种材料的接触速度与生物力学相关的同时[15],也考虑到了不会因为转速过高出现失稳现象,以及转速过低出现明显的粘滞现象。

3.3.2 表面处于湿态时试验结果的变化

选取同一块待测样板同一块区域,将WD40快速油污去除剂喷洒在表面后,用竹刷洗净,分别测量其加定量的润滑油和定量的自来水后的扭矩曲线。

润滑油实验组测试结果如图14。

▲图14 加润滑油的工况线性拟合

自来水实验组测试结果如图15。

▲图15 加自来水的工况线性拟合

对干燥工况、加水工况以及加润滑油工况实验数据进行讨论,若不考虑其中一块干湿摩擦差异较大的三角花纹楼层板,其相关性按照从高到低排序:干燥>润滑油>水。若考虑将所有样本均纳入考量,则具有最佳相关性的工况是加润滑油。

实际使用过程中,三角花纹楼层板建议使用加润滑油的湿摩擦测量,在实验中出现过的其他花纹楼层板建议使用干摩擦测量。

4 结论

本文提出一套基于动态摩擦测量的、适用于干湿表面且适合测量楼层板的便携式实验方案,主要结论如下:

(1) 根据目前的样本,测量扭矩的算数均值与防滑角度的线性相关性最佳;认定该现场测量方法为与现行DIN51130规定的斜坡法具有良好相关性的替代测试方法。

(2) 对干燥工况、加水工况以及加润滑油工况实验数据进行讨论,不考虑其中一块干湿摩擦差异较大的三角花纹楼层板,其相关性度按照从高到低排序:干燥>润滑油>水。考虑将所有样本均纳入考量,则具有最佳相关性的工况是加润滑油。

(3) 斜坡法测得的角度和替代方法测得的数据之间存在有一定的映射规律,在8°至14°的防滑性能区间呈线性强相关。