伦敦地铁公司公共交通型扶梯技术要求
伦敦地铁公司公共交通型扶梯技术要求
摘要：通过对伦敦地铁公司的《地铁用自动扶梯规范》和GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》的比较，并着重就载荷条件、梯级及其试验、梯级链及部分有特点的安全装置等内容进行了探讨。伦敦地铁公司的技术要求值得我国在制定公共交通型扶梯的要求时借鉴。
关键词：地铁；公共交通型扶梯；载荷条件；安全装置
公共交通型扶梯广泛应用于地铁站、火车站和机场内，它们作为交通运输系统的重要组成部分，每天输送着成千上万的乘客，这些扶梯已经成为现代人们出行不可缺少的运输工具。近年来,我国基础建设大量投入，公共交通型扶梯随之猛增，然而事故和故障屡屡发生，如2010年12月深圳地铁一号线自动扶梯事故造成24人受伤；2011年7月深圳地铁四号线自动扶梯事故导致4人受伤；2011年北京地铁四号线的“7.5事故”更是发生了1死30伤的惨剧。这些事故的发生使得对公共交通型扶梯的安全问题提到了前所未有的高度，其安全性成为人们关注的重点和热点。
公共交通型扶梯的技术要求是其安全运行的一个重要方面。对于公共交通型扶梯的要求，
GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》[1]（以下简称GB16899）的附录H中给出了指导性的意见：制造商和业主应根据实际交通流量确定载荷条件和附加安全功能。但是，标准中并没有具体说明应该如何确定载荷条件和附加安全功能。如果制造商和业主不针对项目的载荷条件和其他各种特殊情况提出相应的高于GB16899-2011的技术要求，显然不能应对长时间大客流的运行要求。对此，伦敦地铁公司（London Underground Limited）制定的类似企业标准的公共交通型扶梯的技术规范值得我们参考借鉴。
伦敦地铁是世界上第一条地下铁路，自1856年起修建，目前总长400km，每天的客流量约200万人次；高峰时段，牛津街地铁站出入口的客流量是2.25万人次/h。伦敦地铁凭借着几十年来对公共交通型扶梯的使用经验，提出了明确的载荷条件、技术要求和安全功能。
本文通过比较2010年版的伦敦地铁公司的《地铁用自动扶梯规范》[2]（Specification for Heavy Duty Metro Escalators）（以下简称伦敦地铁扶梯规范）与GB 16899来阐述公共交通型扶梯的技术要求；着重对载荷条件、梯级、梯级链及部分有特点的安全装置进行对比与探讨。伦敦地铁公司扶梯规范经历了多次的版本修订，从2010年版本和2004年版本的比较可以看出伦敦地铁公司在长期的实践和经验积累中，不断地完善对公共交通型扶梯的要求，力求做到安全和经济的平衡。
1 载荷条件
载荷条件是对公共交通型扶梯预期或实际客流的分析，是制定公共交通型扶梯技术要求的基础，在此基础上才能提出相应的寿命要求和设计、制造要求。因为过高的载荷条件要求会造成电机功率和部件尺寸的增大，资源浪费；而过低的要求则会导致在实际使用中发生电机过热和部件疲劳失效的事故。载荷条件一般由制动载荷和载荷谱来确定。
1.1 制动载荷
伦敦地铁扶梯规范要求的制动载荷为120kg/梯级，与GB16899相同；但是，2004年版的伦敦地铁扶梯规范要求要求的制动载荷为150kg/梯级，这可能是在安全评估的基础上更加注重经济性的考量。因为安全系数的提高固然可以提高安全性，但经济性却会下降，更为重要的是今后运行和维护的成本将大大增加。
制动载荷的确定考虑二方面的因素：成人人均体重和人流密度。GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》[3]中将人均体重定为75kg。以每个梯级乘坐2个人计算，则制动载荷应为150kg/梯级，比伦敦地铁扶梯规范要求的120kg/梯级大。然而现实中，所有连续的每个梯级上乘坐2个人的可能性几乎是没有的。这就是为何GB16899用最大输送能力取代了旧版标准中的理论运输能力的原因。表1给出了各梯级宽度的最大输送能力与理论输送能力的比较。
由表1可见，最大输送能力与理论输送能力之比均在0.6～0.8，即人流密度在此范围内，且随梯级宽度和速度的增加，人流密度呈现下降趋势。在此基础上，将制动载荷定为150*0.8=120kg/梯级，已留有一定的安全系数。毕竟这是制动能力计算的依据。
1.2 载荷谱
载荷谱的确定反映了对人流密度的预计或实测结果。伦敦地铁扶梯规范要求的载荷谱要求如下：在每天20h的运行周期中，最大负载工况下持续运行3.5h，最大负载的65%时持续3.5h，最大负载的50%时持续5h，最大负载的30%时持续8h。如图1所示。
GB16899对公共交通型扶梯的载荷要求是：“每周运行时间约140h，且在任何3h的间隔内，其载荷达100％制动载荷的持续时间不少于0.5h。”由此可见，GB16899的载荷谱要求并不完整，对3h载荷循环内仅定义了0.5h的载荷情况，而其余2.5h的载荷情况并未说明。虽然按等效功率法来计算等效功率时，其余2.5h制动载荷的影响不是很大，但作为对其他部件的疲劳寿命计算依据还是有必要确定的。因此，确定一个接近实际工况的载荷谱对于公共交通型扶梯的设计是很重要的。
2 梯级
伦敦地铁扶梯规范对梯级的要求比GB16899高很多，其充分考虑了梯级在各种运行状态下可能出现的情况和风险，对梯级提出了8种试验项目要求，且每个要求都相当具体、具有可操作性。试验中，不仅关
注变形值和是否产生破坏，而且应用有限元建模预计应力的等级分布和变形值进行计算，然后将计算结果与在试验中的测量值相比较，以判断梯级是否满足要求。
试验时，准备3个梯级，分别标注为A、B、C；每个梯级均处于未油漆的状态，且经过无损检验。
试验项目包括：①踢板静载试验；②水平支撑踏板静载试验；③倾斜支撑踏板静载试验；④踏板分布载荷静态试验；⑤动载试验；⑥扭转试验；⑦梯级滚轮缺失试验；⑧破坏试验。试验①、②、③、⑤和⑥与GB16899的试验方法基本相同，本文不作赘述。但是，在试验中要求对可能的较弱的多个点进行加载，并进行应力和变形的测量；而且，根据BS7608-1993《钢结构的疲劳设计和评估》[4]标准，疲劳寿命的循环次数为107次，要大于GB16899中的5×106次。
各梯级试验项目及验收标准如表2所示。
本文重点介绍踏板分布载荷静态试验、梯级滚轮缺失试验与破坏试验。
2.1 踏板分布载荷静态试验
2.1.1 目的
证明梯级在分布载荷下仍保持在允许的参数范围内。
2.1.2 具体方法
(1）为了模拟均匀分布的载荷，沿踏板表面横向放置4块相似的矩形钢板，每块钢板具有相近的质量与尺寸（400mm×250mm×25mm（厚））。钢板间隔均匀地放置在踏板表面。
(2）每块钢板都应相似地切除4个角，以便允许直接作用在梯级踏面上距边缘20mm处的变形测量设备的使用。钢板的每个角上切除不超过25m m×30mm的区域，使30mm的尺寸沿着钢板的400mm一边。
(3）在钢板的中心处通过特殊的加载方法向板上均匀地加载，加载方法允许钢板在试验过程中不受约束地移动，即使钢板不水平或者存在相互运动的情况。
(4）在垂直向下的方向上以1.5kN的增量向4块钢板的中心逐渐施加7.5kN的总载荷（包括钢板质量），载荷平均分摊，误差不超过5%。
(5）对于加载和卸载的每个增量，应在6个地方测量梯级踏板表面的变形，要求每个角与梯级踏面的两个长边的中心距每条边20mm；并在另4个点测量由滚轮受压引起的变形。
(6）卸载后，记录每个点的永久变形。
2.1.3 验收标准
在满负荷时，在梯级踏面上任一位置，垂直向下的变形应不超过5mm，垂直向上的变形应不超过1mm。
2.2 梯级滚轮缺失试验
2.2.1 目的
梯级必须有足够的固有刚性，使其能通过扭转试验，并且使其在只有3个滚轮支撑的情况下也能安全地运行。因为缺少一个梯级链滚轮产生的后果相对较轻，因为梯级链的张力仍将使梯级保持在基本正确的位置。但缺少一个梯级滚轮将造成梯级在乘客负载下严重变形，有可能在梳齿处卡住。为防止这种可能性，安装了梯级下沉护轨，但这种护轨的设计是假设梯级滚轮轴在乘客载荷下不会下陷10mm以上。
2.2.2 方法
(1）梯级C在水平支撑状态下拆掉一个梯级滚轮。
(2）按照踏板分布载荷静态试验，将一个分布载荷垂直向下施加到踏板表面上。
(3）以0.5kN的增量向4块钢板的中心逐渐施加1.5 kN的总载荷（包括钢板质量），载荷平均分摊，误差在5%以内。
(4）在距每条边20mm处变形最大的地方测量梯级踏面的变形。
(5）卸载后，测量最大变形处的永久变形。
2.2.3 验收标准
负载情况下，垂直向下的变形应不超过10mm，垂直向下的永久变形应不超过5mm。
2.3 破坏试验
2.3.1 目的
确定标准条件下的最终强度和故障模式，用于比较不同的梯级设计，并提供证据证明梯级足够坚固，在运行中可以充分地承受一定等级的过载。
2.3.2 方法
(1）在水平支撑状态下，梯级B的踏板表面水平度在1mm以下，将一块200mm×300mm×25mm（厚）的矩形钢板放置在梯级踏板的中心处，且使200mm长的一边与梯级前缘平行。
(2）记录踏板表面上6个点位移，及踢板试验中发现变形最严重的2个点的位移。
(3）通过一个装置垂直向下施加一个载荷。此装置允许梯级踏板表面在任何方向上变形到一定程度的不水平状态，不受任何约束。在整个试验中，当梯级变形时，梯级链滚轮的垂直安全限位装置应不限制滚轮的位移。
(4）以约5mm/min的恒定位移变化率对梯度逐渐加载，使最大载荷（包括钢板质量）达到30 kN的。记录加载活塞的位移和施加的载荷。在此期间，仔细观察梯级，并记录梯级失效点。当达到30 kN时，若还未发生灾难性失效，则立即以相同的变化率降低载荷并进行读数。
(5）卸载后，立即对上文所述的8个点进行测量，以确定卸载后的永久变形。
(6）以相同的位移变化率重新加上载荷继续进行试验，直到梯级达到灾难性失效的状态。当发现变形增大而所需载荷减小时，则认为达到了灾难性失效的状态。应记录载荷与位移的关系数据，并记录最终失效点。
2.1.
3.3 验收标准
对破坏试验没有验收标准，要求的数据仅用于比较目的。
3 梯级链
GB16899对梯级链的要求仅仅是安全系数不小于5。而伦敦地铁扶梯规范中，除要求5倍安全系数外，还要求销轴比压不大于20N/mm2。这两者结合是对梯级链比较合理的要求，因为安全系数的要求是出于安全角度的考虑，而销轴比压的要求则是出于寿命的考虑。在满足强度要求的前提下，梯级链的主要失效模式是磨损。梯级链在正常润滑、非室外工况下磨损的主要影响因素就是销轴比压，因此控制销轴比压可以较好地延长梯级链使用寿命，而安全系数的提高对梯级链寿命的影响不大。GB16899之所以未对销轴比压提出要求，是因为其是安全规范，主要考虑安全问题而不是使用寿命，但伦敦地铁扶梯规范作为大客流地铁项目的技术要求，必须兼顾安全性和实际运营中的使用寿命和成本，并需要考虑一旦更换梯级链对交通网的影响。
出于经济性的考虑，伦敦地铁对梯级链的要求已经降低很多了，在2004年版本中梯级链安全系数≥8，销轴比压≤20N/m m2的要求没有变化，但是计算载荷从150kg/梯级降到了120kg/梯级。
4 安全装置
4.1 出入口处梯级下沉护轨
出入口处梯级下沉护轨位于乘客分支的梳齿板处，目的是防止下沉的梯级到达梳齿板处引起乘客的脚卡入或梯级撞击梳齿的事故发生，如图5、6所示。
虽然GB16899中要求，在倾斜段的顶部和底部都安装梯级下陷安全装置，但仍然存在一定的风险，不足以提供充分的保护。因为当梯级滚轮出现故障时，只有当乘客站在该梯级上并使梯级产生下沉、通过梯级下陷安全装置安装位置时，该安全装置才会被触发。这是因为当1个滚轮出现故障时，梯级仍有3个滚轮支撑，因此，当梯级上没有乘客或乘客站立的位置没有使梯级产生下沉时，并不会触发梯级下陷安全装置。而若乘客在扶梯上行走，并在出口处恰好踏上该故障梯级，就会发生事故。一般而言，导轨的故障很少见，滚轮故障却比较常见，因此，配置出入口处梯级下沉护轨可以有效防止该类事故的发生。
4.2 梯路连续压轨
2009年11月的利物浦大街站6号自动扶梯发生下部前沿板处梯级和梳齿碰撞事故。该事故导致自动扶梯的张紧装置和下部梳齿板组件遭受了重大损伤，扶梯停运3周。检查结果显示，在倾斜段左侧梯级上抬，冲上了仅在弯曲段和水平段设置的压轨，并继续运行直到梯级与梳齿相撞。这起事故突显了配置梯路连续压轨系统的必要性，伦敦地铁扶梯规范对梯路连续压轨（见图7）提出了要求。
4.3 下部张紧装置的熔丝和缓冲器
当梯路发生故障时，下部张紧装置移动并触动梯级链安全装置使自动扶梯停运。尽管自动扶梯已开始停止，张紧装置由于自身惯性仍会移动直到遇到障碍物使其停止。此时，张紧装置受到的损伤较为严重。因此，在张紧装置的拉杆上设计熔丝，一旦拉杆的受力超过了熔丝的熔断点，熔丝断裂就可以使张紧装置从张紧器上释放，从而保护与之相连结的钢结构，如图8所示。
在张紧装置的行程内设置缓冲器，使之吸收张紧装置移动时的大部分能量，防止其损坏自动扶梯钢结构，如图9所示。
5 结语
伦敦地铁技术要求的演变为我们提供了一个很好的如何在安全性和经济性之间取得平衡的案例，非常值得我们在制定公共交通型扶梯的要求时参考。只有在对本地区的实际情况有切实的评估后，才能制定出既安全又经济的技术要求。
笔者认为技术要求是保证公共交通型扶梯安全可靠运行的一个重要内容，是设计公共交通型扶梯的基准。但是，技术要求并不是保证安全运行的全部，应从公共交通型扶梯的所有相关方面着手制定全面而有效的对策，包括技术要求在内的扶梯制造、安装、维保、乘用和监督等方面的内容，才能共同保障公共交通型扶梯的安全。也就是说，除提高技术要求外，还应进一步的加强对制造环节、安装环节、维保环节的监控，规范乘用人员的行为，才能使公共交通型扶梯的安全性和便利性得到充分的保证和体现。
参考文献：
[1] 上海三菱电梯有限公司,江南嘉捷电梯股份有限公司.GB16899-2011自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范[S].北京:中国标准出版社,2011.
[2] London Underground Limited.Specification for Heavy Duty Metro Escalators (integral drive)[S]. London: London Underground Limited,2010.
[3] 中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院.电梯制造与安装安全规范[S].北京:中国标准出版社,2003.
[4] Welding Standards Policy Committee. BS 7608-1993 Fatigue design and assessment of steel structures[S]. [S.L]:BSI,1993.