重载型自动扶梯全齿轮驱动结构的优势及电机防护等级探讨

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：重载型自动扶梯一般都采用端部驱动型的主机。近年为了避免驱动链条的断裂造成重大事故，在重载型自动扶梯上使用全齿轮驱动结构得到重视，并已有产品推出市场。减速箱采用的是二级斜齿轮传动，传动效率可达到96%。这是一种介于全齿轮减速和二级蜗杆副减速之间的结构，据介绍具有90%的传动效率。IP55等级的电动机能防止灰尘进入，并防止任何方向的喷水。电动机应能在制动载荷下作连续的运行，在55℃环境温度下，温升不超过允许值。

重载型自动扶梯一般都采用端部驱动型的主机。主机安装在自动扶梯的上端部机房中，通过驱动链条或齿轮组向主驱动轴传递动力。其中驱动链条是自动扶梯传统型结构；齿轮组传动由于不存在断链的可能性，则更安全。以往只用于大高度自动扶梯。近年为了避免驱动链条的断裂造成重大事故，在重载型自动扶梯上使用全齿轮驱动结构得到重视，并已有产品推出市场。

图11-3-7 桁架的分段

a）下桁架 b）上桁架

1.常用的主机结构

重载型自动扶梯要求主机传动效率高、制动可靠、工作寿命长。因此重载型自动扶梯的主机大多采用齿轮减速箱结构，电动机与减速箱之间采用联轴器。常用的结构有：全齿轮立式主机、全齿轮卧式主机、一级蜗轮一级齿轮立式主机等几种。

（1）全齿轮立式主机图11-3-8是一种常用的全齿轮立式主机的结构示意。采用立式电动机、减速机采用二级齿轮传动，高速级是弧齿锥齿轮，低速级是斜齿轮。这种结构传动效率可达95%，且具有结构紧凑的优点，在国内外公共交通型自动扶梯得到较广泛的使用。但由于这种主机目前只有国外个别企业生产，因此价格较高，而逐渐在我国被减少采用。

图11-3-8 采用二级齿轮传动的立式主机

（2）全齿轮卧式主机图11-3-9是一种常用的全齿轮传动卧式主机。减速箱采用的是二级斜齿轮传动，传动效率可达到96%。这种结构的主机传动平稳、噪声低、维修方便，在国内地铁的重载型自动扶梯上使用情况良好。但这种主机体积较大，造价也较高。

图11-3-9 二级齿轮传动卧式主机

（3）一级蜗轮蜗杆一级齿轮传动的立式主机图11-3-10所示的主机外形与二级齿轮传动立式主机相同，减速机的高速级采用蜗杆副，第二级采用斜齿轮传动。高速级采用蜗轮蜗杆传动的原因是比较容易制造、造价低。这是一种介于全齿轮减速和二级蜗杆副减速之间的结构，据介绍具有90%的传动效率。这种主机结构由于在国内已有生产，近年来在重载型自动扶梯上较多采用。

图11-3-10 一级蜗轮蜗杆一级齿轮传动的立式主机

2.电动机

（1）电动机的类型与技术指标重载型自动扶梯都采用连续工作制的封闭式笼型感应电动机，一般有如下的技术要求：

1）转差率。要求电动机的转差率不大于4%，电动机具有较硬的机械特性。重载型自动扶梯由于存在客流高峰时段，一天中的载荷变化比较大，采用较小转差率的电动机，在载荷变化的情况下，扶梯的运行速度不会发生明显的变化。

2）功率因素与传动效率。要求电动机的功率因素不小于0.8，传动效率不小于90%（采用不低于IE2能效等级的电动机）。

3）绝缘等级。采用F级绝缘等级。此时电动机具有良好的绝缘保护，最高允许温度是155℃，能适应复杂的运行环境。

4）外壳保护等级。一般要求室内梯外壳保护等级不小于IP54，室外梯不小于IP55（电动机的端子保护等级不应小于IP65）。

IP54等级的电动机能防止灰尘进入，并防止任何方向的溅水。对室内梯的电动机采用IP54，是考虑到车站内水洗地板或消防喷淋起动时水对电动机的直淋，以及乘客带入机房的尘土。

IP55等级的电动机能防止灰尘进入，并防止任何方向的喷水。由于室外梯是按露天工作设计，电动机的防水需要考虑大雨和暴雨。虽然并不是全部室外梯都是在露天工作，但一方面出入口的棚盖不能在大雨或暴雨时完全挡住雨水；另一方面在地铁建设中，具体某一个出入口是否有棚盖具有不确定性。

5）工作寿命。应按不小于140000h的工作寿命进行设计。按每天运行20h计算，即至少有20年的工作寿命。

（2）电动机功率

1）电动机的计算载荷。电动机的计算载荷就是自动扶梯的额定载荷。前面已经介绍，重载型自动扶梯的额定载荷即为制动载荷。对梯级名义宽度1m的扶梯，制动载荷是120kg/级。电动机应能在制动载荷下作连续的运行，在55℃环境温度下，温升不超过允许值。

由于自动扶梯的实际最大载荷一般要小于制动载荷。按照GB 16899—2011附录H中的自动扶梯最大输送能力表（详见表1-5-3），高峰时段梯级上的平均实际人数约1.25～1.4人/级，即约100kg/级。相当于制动载荷的83%。因此在确定重载型自动扶梯的电动机计算载荷时，存在按100%制动载荷还是按83%（或80%）的制动载荷进行设计的争议。显然按前者电动机存在约15%～20%的功率裕度，后者在高峰客流时，电动机可能会出现超载运行，对电动机的寿命不利。鉴于公共运输必须十分重视安全的原则，以及出于一次性投资，长期低成本使用的考虑，让电动机具有一定的功率裕度，从技术上和投资取向两个方面都具有合理性。

美国的APTA标准对电动机的计算载荷的规定是：145kg/级（梯级宽度1m时）。由此可知APTA标准是按照自动扶梯的理论运输能力计算电动机功率，显然具有更大的功率裕度。

2）功率计算方法。式（11-3-1）是某地铁在建设中，以电动机具有一定的功率裕度加以计算的一个经验公式。使用条件是：梯级名义宽度1m，倾斜角30°，名义速度0.65m/s，上下水平梯级各4块。

式中 P——电动机功率，单位为kW；

F₁——每个梯级的额定负载，单位为N，取1200N；

F₂——每个梯级自重（含梯级链），单位为N；

H——自动扶梯的提升高度，单位为m；

L——梯级深度单位为m，取0.4m；

v——扶梯的名义速度取0.65，单位为m/s；

η——主机的总效率（包括驱动链），取0.85。

3）电动机功率配置以式（11-3-1）进行计算，结合电动机的实际功率分挡，电动机功率配置参考如表11-3-2所示。

表11-3-2 电动机功率配置参考（梯级名义宽度1m，倾斜角30°，名义速度0.65m/s，上下水平梯级各4块）

3.减速箱

（1）传动种类普通自动扶梯减速箱多采用蜗杆副传动，结构简单、造价较低，但传动效率低，一般都在80%左右，不适合功率配置相对较高的重载型自动扶梯使用；采用全齿轮传动则效率可在95%左右，传动效率提高10%以上，具有可观的节能意义。因此首选的应是全齿轮传动结构。

高速级采用蜗轮蜗杆，低速级采用斜齿轮传动的结构，具有介于蜗杆副传动和全齿轮传动之间传动效率，由于有造价优势，近来在重载型扶梯上也有较多的使用。

（2）扭矩减速箱的扭矩设计应同时遵循以下两个要求：

1）减速机的规格应与电动机功率相匹配，允许的输入与输出扭矩不应小于对电动机功率的传递。不应出现大电动机配小减速箱的情况。

2）GB 16899—2011规定，所有驱动元件以静力5000N/m²计算的安全系数不应小于5。减速箱属于驱动元件，即需要计算5倍安全系数下的输出转矩，以保证传动机构具有足够的强度。

近年，减速箱输出轴断裂的情况时有发生，因此对转矩的校核需要引起重视。

（3）机件的安全系数减速箱中的传动副、轴、轴承，紧固件等都需满足静载5000N/m²条件下5倍安全系数的要求。

（4）寿命设计应按不小于140000h的工作寿命进行设计。按每天运行20h计算，即至少有20年的工作寿命。包括传动副、轴、轴承、箱体和紧固件，都需要按重载型自动扶梯的载荷条件进行疲劳强度校核。

4.制动器

（1）种类最常用的是块式制动器，这种制动器又称为闸瓦式制动器，制动力矩来自制动弹簧对闸瓦的压紧力，调整方便，是重载型自动扶梯最常用的种类，其结构如图3-2-7所示。除此之外，带式制动器和蝶式制动器也有所使用。

（2）制动载荷制动载荷的确定如表1-5-1所示，但这只是动态制动载荷。在紧急情况时，如果自动扶梯需要作为固定楼梯使用，则还应考虑静态制动载荷。在我国对重载型自动扶梯的设计与使用中，还没有对静态制动载荷有所要求。

美国《重载运输系统自动扶梯设计指导书》对静态制动载荷规定为：306kg/级（对1m宽度的梯级，在倾斜段呈现的梯级），相当于动态制动载荷的2倍多（动态制动载荷为145kg/1m梯级）。

（3）松闸监测装置重载型自动扶梯必须配有松闸监测开关，闸瓦没有完全打开，扶梯不能起动。

有些重载型自动扶梯还配有制动闸瓦磨损监察装置，当闸瓦磨损将导致制动力不足时发出故障警示，提示及时调整或更换制动内衬，防止自动扶梯不能有效制动。

5.联轴器

重载型自动扶梯一般都采用弹性联轴器。这种联轴器又称为弹性自位式联轴器，允许电动机轴与减速机输入轴之间有少量综合位移，装配和维修方便，并能在传动中吸收振动和冲击，因此得到广泛使用。重载型自动扶梯常采用的有：

（1）弹性圆柱销式这种联轴器的结构如图11-3-11所示。主动轴套与电动机输出轴相连，从动轴套与减速机输入轴连在一起，弹性圆柱销紧固在主动轴套上，圆柱销上的弹性圈与从动轴套上孔相配合，通过弹性圆柱销传递动力。弹性圆柱销上的弹性圈一般用橡胶制造。

在公共交通型自动扶梯上曾发生因弹性圈老化，导致弹性圆柱销全部断裂，自动扶梯失去动力而发生逆转的严重事故，因此应防止弹性圈老化。弹性圈应采用高质量的耐油合成橡胶制造，在不低于55℃的温度下具有不小于8年的工作寿命。同时应对弹性圈的状态作定期检查，当发现弹性圈有老化情况，应即更换。

（2）弹性块式其结构如图11-3-12所示，与弹性圆柱销式联轴器不同的是，以弹性块替代了弹性圆柱销，弹性块同样是用橡胶制造，因此同样应注意弹性块的老化。

图11-3-11 弹性圆柱销式联轴器

图11-3-12 弹性块式联轴器

重载型自动扶梯全齿轮驱动结构的优势及电机防护等级探讨

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