自动扶梯制动系统的两种故障模式

本文首次以虚拟形式在 12 年 2021 月的第 XNUMX 届电梯和自动扶梯技术研讨会上发表，并在研讨会网站上打印： 电梯研讨会

关键词：自动扶梯制动系统、失控状态、自动扶梯运动学、乘客跌倒、智能制动系统减速、加加速度

抽象 

自动扶梯中的制动系统是最关键的安全部件。 自动扶梯制动系统的故障可能导致乘客受伤甚至死亡。 自动扶梯制动系统有两种失效模式：在第一种失效模式中，当未正确调整或完全失准时，制动系统未能阻止下降的负载并使其减速。 这导致了失控的情况。 

第二种故障模式是当自动扶梯制动系统调整得太紧，导致自动扶梯严重停止并导致乘客跌倒。 乘客跌倒在自动扶梯上是造成事故的主要原因之一，包括割伤、擦伤、夹伤手指，在某些情况下，还会挤压导致窒息。 本文概述了这两种类型的故障、它们的原因和可能的解决方案。 预览的技术解决方案之一是使用智能自动扶梯制动系统来控制正在停止的自动扶梯的减速。 存在两种用于控制自动扶梯制动系统的技术：电动和液压。

1. 引言

自动扶梯中的制动系统是最关键的部件。 自动扶梯上的制动系统发生故障可能导致乘客受伤或死亡。

本文试图回顾导致乘客受伤的制动系统故障。 自动扶梯制动系统有两种故障模式。 制动系统的第一种故障模式是它不能减速和停止负载的自动扶梯。 这会导致在自动扶梯下层平台形成“人堆”，从而导致危险的速度增加和相应的乘客受伤。 自动扶梯制动系统的第二种故障模式是在轻载时制动系统应用过猛，导致乘客失去平衡和跌倒，从而造成割伤、瘀伤甚至手指夹伤等伤害。

可以说，这两种类型的故障不是经典意义上的工作故障（例如，经典故障是组件损坏或传感器无法发送信号时）。 虽然这是真的，但这两种故障基本上是导致制动系统无法发挥其功能的失调形式。 因此，它们在本文中被归类为失败。

值得注意的是，如果及时发现，第一种故障模式很容易逆转。 还值得注意的是，自动扶梯中还有其他不可逆的故障模式。 通过了解世界主要自动扶梯的安全法规状况，可以更好地理解本文的内容。

本文回顾了迄今为止在上述所有领域开展的研究和实际工作。 本文从乘客事故因果模型（第 2 节）、自动扶梯停靠点的解剖结构（第 3 节）、关于自动扶梯制动系统性能的标准要求（第 4 节）和公共服务自动扶梯的重量测试（第 5 节）。 第 6 节回顾了自动扶梯失控事故的问题，包括建议的新方法，用于在不使用重量的情况下测试自动扶梯制动系统以避免这种故障模式。 第 7 节检查了在寻找停止自动扶梯的运动学和力学与乘客跌倒风险之间的关系方面所做的实验工作。 在该区域所做的工作为自动扶梯停止期间不应超过的最大减速度提供了建议值。 第 8 节回顾了用于防止停止的自动扶梯的减速度超过这些推荐值的两种类型的智能制动系统：液压制动系统和电气制动系统。 结论在第 9 节中得出。

2. 自动扶梯乘客事故因果模型

在这个阶段讨论自动扶梯中的乘客因果模型很有用。 先前的研究已经确定了导致自动扶梯乘客事故的三类：[1]

设计：在扶梯制动系统的设计阶段，可以降低或消除制动失效的风险。

检查和维护：检查对于及早发现制动系统问题并通过维护解决问题至关重要。

乘客行为：乘客意识对于避免事故很重要。 良好的意识可以避免乘客跌倒的风险（例如，抓住扶手并面向行进方向）。

该模型为预防乘客事故提供了指导框架（图 1）。 通过分析上述三个类别（或其组合），可以确定事故的根本原因并加以预防。 有关自动扶梯乘客事故的更多信息，请参见参考文献 [2] 和 [3]。

3. 制动系统影响下的自动扶梯停止解剖

另一个有助于理解制动操作和制动故障的有用工具是停止期间自动扶梯阶梯带的速度-时间曲线。 速度-时间曲线是自动扶梯阶梯带的速度与时间的关系曲线。

图 2 显示了公共服务自动扶梯的速度-时间曲线。 制动系统包括两部分：操作制动器和辅助制动器（使用 EN 115-1:2008 术语）。 两个制动器都是液压提升和弹簧应用的（出于明显的安全原因）。

可以看出，停止时间（从按下停止开关到自动扶梯完全停止的时间）约为 2 秒。 该停止时间包括电气延迟（约 350 毫秒）、机械延迟（约 360 毫秒）、制动扭矩建立（约 890 毫秒）和全制动扭矩下的最终停止时间（约 400 毫秒）。

该图还显示了与摩擦停止的比较（自动扶梯仅在摩擦作用下停止，没有任何制动扭矩）。 这对于指示阶跃带的机械状态很有用。

相信在自动扶梯停止期间减速度的最大值与乘客跌倒的风险成反比。

4、刹车性能要求

欧洲标准 EN 115 中规定的制动性能要求仅规定了最大和最小制动距离。 最大停止距离与向下运行的满载自动扶梯有关。 最小停车距离与空停扶梯有关（见表1）。

这样做的理由是自动扶梯在空载时不应过于突然停止，以免乘客在其上行驶时导致乘客跌倒。 满载时，应能在合理距离内停车，以保护乘客免受失控的情况。

额定速度	停车距离
0.50米/秒	分钟。 0.20米； 最大限度。 1.00米
0.65米/秒	分钟。 0.30米； 最大限度。 1.30米
0.75米/秒	分钟。 0.35米； 最大限度。 1.50米

美国标准（ASME A17.1-2010/CSA B44-10）规定自动扶梯的最大减速度为0.91 m/s2。

制动距离本身是制动性能的不良指标。 基于多项研究，有强有力的证据表明，减速度的最大值是乘客停车舒适度和乘客跌倒风险的最佳指标。 [4] 相信在自动扶梯停止期间减速度的最大值与乘客跌倒的风险成反比。 EN 115 已重新起草，以指定额外的最大减速要求 1 m/s2，除了停止距离。

五、公共服务扶梯重量检测要求

在讨论制动系统未能使负载的自动扶梯减速并使其停止的故障模式之前，有必要查看在公共服务自动扶梯上进行的重量测试以降低此类故障的风险.

自动扶梯上的功能或制动系统是确保满载的自动扶梯在安全装置跳闸或乘客紧急停止开关激活后需要时安全停止。 最近的发展介绍了使用电气制动系统来补充机械制动系统。 [5]

通常要求对新的、翻新的和部分翻新的自动扶梯进行满载重量测试，以证明制动系统能够（并已设置）阻止满载的自动扶梯向下运行额定速度并使其在 EN 115-1:2008 规定的距离内停止。

重量测试是一个非常漫长且成本高昂的过程。 它在自动扶梯被更换或翻新或制动系统被改变时进行。 这对公共服务自动扶梯尤为重要。 公共服务自动扶梯的客流量很高，这使得刹车的安全性更加关键。

为了计算公共服务自动扶梯的电机或逆变器尺寸，通常假定每步 150 kg 的值。 150 公斤相当于每步 75 名乘客，每步重 115 公斤，超过了 EN 1-2008: XNUMX 的要求。

已经对自动扶梯消耗的能量进行了大量研究[6]，这些研究表明，自动扶梯消耗的功率（以千瓦为单位）可以计算如下（并且是本节后面讨论的失重测试方法的核心：通过找到自动扶梯的空载功率，就有可能找到自动扶梯中的摩擦扭矩）：

P_NL = 0.47 × r + 1.74

地点：

P_NL 是自动扶梯在额定速度和空载时所消耗的功率，单位为千瓦

r 是自动扶梯上升 m

之前的一篇论文[7] 提出了一种基于测量的模型，该模型允许在负载条件下预测自动扶梯的停止距离，从而无需进行满载重量测试。 这样的模型将提高自动扶梯的安全水平，并允许对重量测试和制动器校对的主题采取更科学的方法。

如果在监管标准下明确了稳态速度、减速度和停车距离之间的关系，就可以获得导致事故对策状态的物理信息。

6. 自动扶梯失控情况

失控情况是导致自动扶梯乘客严重受伤的主要原因之一。当载重的自动扶梯向下加速，超过其额定速度并导致乘客挤在下层平台时，就会发生失控情况。失控情况的一个例子是 1988 年发生在多伦多加拿大国家电视塔的事故。以下是新闻报道的摘录（《电梯世界》，1988 年 XNUMX 月）：

“九名儿童在多伦多加拿大国家电视塔底部的自动扶梯上被人撞后被送往医院，但很快就被释放了。 Metro Police 的警长 Doug Ecklund 说，目击者报告说，在按下紧急停止按钮后，自动扶梯似乎在加速之前停止了。 他说，一名成年人在担心自动扶梯底部的拥堵后按下了按钮。”

当自动扶梯的制动系统没有正确调整并且不能使负载的自动扶梯停止时，就会发生失控情况。 当自动扶梯空载或轻载停止时，自动扶梯内的摩擦力足以使其停止。 然而，当自动扶梯载有大量乘客时（例如在高峰时间或重大事件之后，例如足球比赛或音乐会），当按下停止按钮时，制动系统无法停止负载的自动扶梯。 据报道，乘客称：“我按了几次停止开关，但自动扶梯没有停下！” 事故发生后进行的测试没有发现问题，因为自动扶梯在没有负载的情况下停止，摩擦力足以使其停止。

这里概述了在失控情况下会发生什么。 向下移动的重载自动扶梯发出停止命令（通过按下停止开关或虚假安全装置跳闸）。 然后将电机从 the source 通过主接触器的跳闸供电。 通过从电机中取出动力，自动扶梯可以在重力作用下自由移动。 由于制动系统失效，自动扶梯及其负载开始向下加速。 乘客试图通过按下停止开关来停止它是徒劳的，因为自动扶梯已经“电动”停止，实际上是机械地在重力作用下停止。 自动扶梯加速到危险的高速（据报道速度高达 2 m/s）。 乘客到达较低的着陆点，相互摔倒，形成“人堆”。 一旦大量乘客被“扔”下自动扶梯，自动扶梯就会开始减速，直到在摩擦下停止。

在重载自动扶梯向上移动的情况下，自动扶梯减速至停止，然后反转方向并向下加速，其事件顺序与上述向下移动自动扶梯的情况相同。

在某些情况下，失控的原因不是制动系统故障，而是自动扶梯顶轴的机械剪切。 然而，事件的顺序是相似的。

如果操作人员没有发现问题，有时会发生事故后自动扶梯仍在使用中（处于静止状态）。 到达的新乘客发现自动扶梯静止不动，并认为它是作为固定楼梯使用的。 一旦足够多的乘客登上了静止的、有缺陷的自动扶梯，它就会在重力作用下开始向下移动，重复上述事件的顺序。

以下是失控事件的示例：

• 多伦多加拿大国家电视塔，1988 年 XNUMX 月（下）
• MARTA（大都会亚特兰大捷运局），美国佐治亚州亚特兰大，自动扶梯被锁定以防止在拥挤条件下自由行驶 
• 伦敦地铁，伦敦，英国，牛津马戏团站，4 号自动扶梯，1999 年 XNUMX 月（剪切顶轴）
• 18 年 2000 月 XNUMX 日，美国纳什维尔国际机场
• 纽卡斯尔，英国，英国，地铁自动扶梯，1 年 2001 月 XNUMX 日（上）
• 纽卡斯尔，地铁自动扶梯，9 年 2002 月 XNUMX 日（下）。
• 伦敦地铁，英国伦敦，滑铁卢站，2002 年。
• 加利福尼亚州阿纳海姆，棒球迷，7 年 2002 月 15 日，XNUMX 名受轻伤的乘客（下）
• 2003 年 20 月，美国科罗拉多州丹佛市库尔斯球场，XNUMX 人受伤。
• 新加坡莱佛士城购物中心，2003 年 1 月，（上），XNUMX 人住院
• 中国上海莘庄站扶梯逆行，地铁一号线，38人受伤（上）

David Cooper 最近的一篇论文更全面地涵盖了这种类型的失败。 [8] 通过描述 EN 115-1:2008 修订后安全措施的扩散率，可以掌握自动扶梯风险控制的现状。

7. 停止运动学对乘客坠落影响的研究

另一种故障模式是自动扶梯在轻载时突然停止并导致乘客跌倒。 乘客跌倒在自动扶梯上可能是由自动扶梯停止造成的。 研究表明，2.5% 的自动扶梯计划外停靠会导致乘客跌倒。 乘客跌倒在自动扶梯上会导致一系列伤害，从撞击梯级时的割伤和瘀伤开始，到梯级和裙板之间的手指夹伤，以及由于其他乘客相互摔倒而造成的严重挤压[9]

已经对乘客在停止的自动扶梯上摔倒的风险与停止的运动学之间的关系进行了三项研究。 该方法基于要求志愿者以文字 [4]、[10] 或从 1 到 10 的数字量表来评估停止的质量。 [11]

参考文献 [4] 和 [11] 中的工作得出结论，将自动扶梯停止期间的加速度值设为 1 m·s-2 似乎是对停止期间的加速度最大值施加的合理限制。

该方法基于使用在停止期间乘坐自动扶梯的人类受试者，并提供对停止质量的主观评估以及他们对跌倒风险的评估。 这种经验方法的一个例子可以在参考文献[10]中找到，其中对受试者进行的实验测试被用来找到他们与年龄和其他因素相关的运动感知阈值。

该领域的研究可归纳如下：

• 乘客跌倒风险的一般研究[12],[13],[14]
• 乘客跌倒与停止运动学之间的定性关系[11],[4],[10]
• 乘客跌倒与停车运动学之间的定量关系使用分析模型[15]
• 所有这些研究（定量和定性）的结果表明：
• 在自动扶梯停止过程中导致乘客跌倒的最重要因素是减速度的最大值。
• 将停止的自动扶梯的减速度上限设置为 1 m/s2 将确保消除自动扶梯停止引起的大多数乘客跌倒。

该值将是推荐的目标设计和测试值，将用作自动扶梯制动系统的可接受性或其他性能的测试标准。 这样的标准将消除由于自动扶梯意外停止而导致乘客跌倒的风险。 下一节将讨论如何使用智能制动系统来实现这一要求。

8.智能制动系统

如前所述，必须对停止的自动扶梯的加速度的最大值进行限制，以确保在轻载自动扶梯停止时避免乘客跌倒（特别是在安全装置跳闸或手动停止时）转变）。

停止自动扶梯的最大允许减速度可以作为智能制动系统中的控制变量。 智能制动系统是控制自动扶梯的停止速度曲线以达到所需的停止距离或速度的系统。 通用智能制动系统的框图如下图 3 所示。

现在可以使用现代自动扶梯制动系统（电动或液压智能制动系统）实时连续监测自动扶梯的速度和加速度值，并调整电动制动力以避免减速度超过目标价值。 这在参考文献 [5] 和 [16] 中有详细概述。

液压系统： 基于液压的系统要求传统制动器之一被液压提升。 液压系统控制液压，将刹车片从制动盘上抬起。 这可以通过使用线性比例阀或通过改变占空比（即，开/关比）使用开/关调制来完成。 参考文献 [16] 中更详细地讨论了基于液压的智能制动系统。

基于电气的系统： 现代自动扶梯控制系统配备了变速驱动器，用于启动自动扶梯并在白天以不同的速度运行。 该驱动器还可用于实现智能制动功能。 基于电气的系统采用变速驱动器（通常是 VF 驱动器）使自动扶梯停止，然后应用机械制动器作为保持装置。 在这种情况下，用于传统制动的机械制动器只是在自动扶梯停止后应用的驻车制动器。 该系统中使用的逆变器不采用闭环反馈，它依赖于电机将遵循由驱动器发送的频率设定的速度这一事实。

图 4 显示了基于电动的智能制动系统的性能示例。从图中可以清楚地看出，无论自动扶梯上的负载如何，制动系统如何实现相同的减速度。 [5]

一般来说，与基于液压的系统相比，基于电动的智能制动系统现在正变得越来越广泛使用。 对比如下图：

• 通常发现，电制动系统对自动扶梯速度变化的响应速度更快，因此可以更紧密地控制速度曲线。

• 一般来说，电气制动系统的成本低于液压制动系统，因为许多现代自动扶梯已经包含变速驱动器。 为了实现基于液压的智能制动系统，需要特殊的控制器以及脉宽调制 (PWM) 功能，以控制操作制动阀。

• 电气制动系统的实施违反了旧版本的 EN 115，但现在最新版本的 EN 115-1:2008 已经解决了这一问题。

9。 结论

自动扶梯制动系统有两种故障模式。 第一种故障模式是当自动扶梯制动系统调整不当或磨损时，它无法减速和停止满载的自动扶梯。 这可能导致严重的乘客受伤（例如，窒息），其中自动扶梯的下降速度明显超过自动扶梯的额定速度。 这种故障风险主要通过定期检查和维护来预防。 为了避免对公共服务自动扶梯进行重量测试，现代建模技术可用于根据空载自动扶梯的减速测量来预测满载自动扶梯的性能。

第二种故障模式是当制动系统导致轻载自动扶梯急停，从而导致乘客跌倒。 乘客跌倒会导致许多伤害，例如割伤、擦伤，甚至是台阶侧和踢脚线之间的手指夹伤。

值得注意的是，如果及时发现，第一种故障模式很容易逆转。 还值得注意的是，自动扶梯中还有其他不可逆的故障模式。

失控情况是自动扶梯上乘客严重受伤的主要来源之一。

已经对乘客跌倒风险与停车运动学之间的关系进行了研究。 已经发现，停止自动扶梯的减速与乘客跌倒的风险之间存在很强的相关性。 运动学建模还发现，必须对停止的自动扶梯的减速度值施加 1 m/s2 的限制，以防止乘客跌倒在停止的自动扶梯上。 该减速度值可用于智能制动系统。

自动扶梯上可以使用智能制动系统来控制自动扶梯的停止距离和速度，而不受自动扶梯上负载的波动和行进方向的影响。 可以使用两种类型的这种系统：基于电力的和基于液压的。 基于电气的系统使用变速驱动器，该驱动器是自动扶梯电气控制系统的一部分。 基于液压的系统采用具有脉宽调制阀的操作制动液压系统。 基于电气的系统已获得良好的使用效果，并且无论负载如何都能准确控制停止速度曲线。

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案例

[1] Al-Sharif L. 自动扶梯停止、制动和乘客跌倒。 电梯报告，1996 年。1996 年 XNUMX 月/XNUMX 月。

[2] Ferrario M 和 Hubbard A. 自动扶梯乘客事故原因调查：管理报告。 Human Reliability Associates，参考 R93/06，1993 年 XNUMX 月。

[3] Ferrario M 和 Hubbard A. 自动扶梯乘客事故原因调查：技术报告 3：行为分析。 Human Reliability Associates，参考 R93/06，1993 年 XNUMX 月。

[4] 斯坦 W 等人。 自动扶梯和自动人行道的制动器。 2003年电梯报告； 29（1）。

[5] Al-Sharif L、Seaborne K、Austin D. 基于电气的智能自动扶梯制动系统。 2010 年 Elevcon 会议记录，第 18 届国际垂直运输技术大会，瑞士卢塞恩，2 年 4 月 2010 日至 XNUMX 日。

[6] Al-Sharif L. 自动扶梯机械设计和乘客负载对其能耗影响的实验研究。 世界工程大会，2008 年英国伦敦； 2：1542-1547。

[7] Al-Sharif L. 不使用砝码的自动扶梯制动测试。 电梯报告，2017； 43（4）：38-44。

[8] Cooper D A. Escalator Runaways。

[9] Al-Sharif L. 自动扶梯人为因素：乘客行为、事故和设计。 电梯报告，2006 年； 32（6）：1-10。

[10] Ise Y, Sakaue M, Fukuda T. 对人类和环境友好的自动扶梯。 2010 年 Elevcon 会议记录，第 18 届国际垂直运输技术大会，瑞士卢塞恩，2 年 4 月 2010 日至 XNUMX 日。

[11] Al-Sharif L. 停止自动扶梯乘客舒适度与停止运动学之间关系的实验研究。 第六届约旦国际机械工程会议 (JIMEC'6) 论文集，6 年 22 月 24 日至 2007 日，约旦安曼。

[12] Pittard V. 轨道交通设施自动扶梯上的人类行为研究：人为因素调查。 IR/L/EWP/95/8，健康和安全实验室，1995 年。

[13] 斯威夫特和布伦南。 轨道交通设施自动扶梯上的人类行为研究：加速度测量。 IR/L/ME/95/3，健康和安全实验室，1995 年。

[14] Dorn M R. 自动扶梯安全动态建模：最终报告，FNC5094/9630R。 弗雷泽-纳什咨询有限公司，1995 年。

[15] Al-Sharif L、Dado MH、Habash N、El Rawashdeh Z 和 Al-Shubbak A. 自动扶梯上乘客运动学的建模和验证。 模拟：国际建模与模拟协会汇刊，2012； 88（8）：988-998。 doi:10.1177/0037549712436433。

[16] Al-Sharif L. 用于公共服务自动扶梯的智能制动系统。 第一届国际会议建筑电气技术专业网络 (BETNET) 会议论文集，BETNET 1，2004 年 2004 月，中国香港。

注意：参考的是较旧的 EN 115 标准 2008，而不是最新的标准 2017。