自動(dòng)扶梯事故典型案例分析

陳光南¹？ 趙伯銳² 馬培忠³ 朱衍勇⁴

1中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190

2北京市特種設(shè)備檢測(cè)中心，北京 100029

3 國家電梯質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廊坊 065000

4 國家鋼鐵材料檢測(cè)中心，北京 100081

摘要

根據(jù)斷口特征和受力狀態(tài)分析，探討了某品牌自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)與座板聯(lián)接螺栓的疲勞破壞原因。該螺栓疲勞斷裂很可能緣于驅(qū)動(dòng)主機(jī)系統(tǒng)的異常振動(dòng)以及螺栓長(zhǎng)度不足導(dǎo)致螺栓與座板嚙合段螺紋根部的應(yīng)力高度集中。電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析進(jìn)一步表明：系統(tǒng)之所以發(fā)生異常振動(dòng)，緣于制造商對(duì)該系統(tǒng)聯(lián)接方式進(jìn)行的不當(dāng)設(shè)計(jì)變更。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯;螺栓振動(dòng);疲勞斷裂

？？？？ Analysis on a typical case of elevator safety accident

？？ Chen Guangnan¹ ？？Zhao Borui²？ Ma Peizhong³ ？Zhu Yanyong⁴

1:Institute of Mechanics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190

2:Beijing Special Equipment Inspection & Testing Center，Beijing 100029

3：National Elevator Inspection and Testing Center, Langfang, Hebei 065000

4：National Iron & Steel Inspection & Testing Center，Beijing 100081

 

ABSTRACT

According to the rupture characteristics and the stress state analysis, the fatigue mechanism was discussed on the screw bolt connecting the main drive motor and the bedplate of the elevator system. It is pointed out that the fatigue fracture of the bolt probably arose from abnormal vibration of the motor system, and the thread root fracture was largely attributed to the severe stress concentration due to the shortened length. The analysis on the dynamic characteristic of the motor system shows that the abnormal vibration should be induced by the inappropriate design change.
Key words: elevator; screw bolt vibration; fatigue fracture

1. 1.？ 事故的基本情況概述

2011年，某品牌自動(dòng)扶梯發(fā)生了導(dǎo)致人員傷亡的嚴(yán)重事故。事后勘查發(fā)現(xiàn)：該事故起因于其自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)與前座板的一枚（①號(hào)）聯(lián)接螺栓疲勞斷裂（見圖1和圖2）。這一斷裂引發(fā)了其后的一連串破壞。首先受影響的是聯(lián)接主機(jī)與同一座板的另一枚（②號(hào)）螺栓，因其與座板螺孔嚙合部分的螺紋被切斷而拔出；緊接著是驅(qū)動(dòng)主機(jī)，因其與底座失去聯(lián)系，在主驅(qū)動(dòng)鏈負(fù)載的拉動(dòng)下驅(qū)動(dòng)主機(jī)向后傾斜并扭轉(zhuǎn)、移位，隨之主驅(qū)動(dòng)鏈從驅(qū)動(dòng)主機(jī)小鏈輪上脫離，扶梯梯路承載運(yùn)行系統(tǒng)失去上行驅(qū)動(dòng)力而在乘客載荷作用下逆轉(zhuǎn)下滑，最終釀成災(zāi)難性后果。

圖1：驅(qū)動(dòng)主機(jī)及其支撐系統(tǒng)示意^[1]

圖2 事故扶梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)的前座板及聯(lián)接螺栓實(shí)物照片^[1，2]

1. ①號(hào)螺栓斷裂原因討論

根據(jù)前期事故分析報(bào)告^[1，2]，導(dǎo)致①號(hào)螺栓斷裂的可能原因主要集中在如下兩個(gè)問題上：一個(gè)是聯(lián)接驅(qū)動(dòng)主機(jī)與座板的四個(gè)螺栓的長(zhǎng)度問題，另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)主機(jī)的底座凸臺(tái)面是斜面的問題。下面，我們來討論這兩個(gè)問題與①號(hào)螺栓斷裂的關(guān)系。
在討論螺栓的長(zhǎng)度問題之前，需要先弄清與其關(guān)系密切的座板的來歷。這兩塊座板是因?yàn)轵?qū)動(dòng)主機(jī)的底座尺寸小于設(shè)計(jì)要求而設(shè)置的，是自動(dòng)扶梯制造商設(shè)計(jì)變更的產(chǎn)物。由于插入了座板，主機(jī)與支撐桁架的直接聯(lián)接方式，也不得不改變?yōu)橹鳈C(jī)聯(lián)接座板、座板再與桁架聯(lián)接的間接固定方式（見圖3），由此還增加了聯(lián)接主機(jī)和座板的四枚螺栓。這種間接聯(lián)接方式不僅會(huì)降低系統(tǒng)的抗振能力；還會(huì)因?yàn)椴捎寐菟?螺孔而不是螺栓-螺帽固定而降低結(jié)構(gòu)的承載能力；特別需要注意的是，負(fù)責(zé)傳遞主機(jī)振動(dòng)載荷的這四枚聯(lián)接螺栓的長(zhǎng)度比設(shè)計(jì)要求短了5mm，其直接后果是它們與螺孔嚙合部分的螺紋數(shù)由五個(gè)減少到三個(gè)（見圖2b），嚙合部分所承受的應(yīng)力因此增長(zhǎng)了2/3，其發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)也因此大幅度增加。至于發(fā)生斷裂的為什么是螺栓而不是底座板？這或許是該螺栓螺紋根部的應(yīng)力強(qiáng)度高于底座板的緣故。

由前向后正視圖

由后向前正視圖

圖3設(shè)計(jì)變更前后電機(jī)與前底座板以及前桁架連接方式變化示意

 

主機(jī)底座凸臺(tái)的傾斜度測(cè)量結(jié)果是^[1]，內(nèi)高外低，斜度約2 。在這種斜面上預(yù)緊螺栓，的確有可能在螺栓中產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。但由此斷言是這一彎曲應(yīng)力導(dǎo)致①號(hào)螺栓疲勞斷裂，我們認(rèn)為尚需斟酌。首先，這一彎曲應(yīng)力即使存在，也應(yīng)該是恒力，它不可能導(dǎo)致疲勞破壞。其次，該彎曲力在螺栓中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)該是左側(cè)為壓應(yīng)力，右側(cè)為拉應(yīng)力，這就是說，該螺栓的疲勞裂紋源應(yīng)該出現(xiàn)在其右側(cè)而不是左側(cè)，而這一判斷與該螺栓實(shí)際斷口（圖2a中部照片^[2]）的觀察結(jié)果正好相反。
根據(jù)事故扶梯設(shè)計(jì)方提供的計(jì)算依據(jù)，該螺栓的強(qiáng)度滿足使用要求。材料檢測(cè)結(jié)果也表明，該螺栓的材質(zhì)和性能符合設(shè)計(jì)要求^【2】。因此，①號(hào)螺栓發(fā)生疲勞破壞只剩下了一種可能，即其在破壞之前承受了異常動(dòng)載荷?，F(xiàn)在，需要解決的關(guān)鍵問題是尋找這異常動(dòng)載荷的來源。

1. 3.？ ①號(hào)螺栓異常動(dòng)載荷來源分析^【3】

要尋找異常動(dòng)載荷的來源，就需要分析設(shè)計(jì)變更對(duì)驅(qū)動(dòng)主機(jī)系統(tǒng)的影響。這是因?yàn)椋Y(jié)構(gòu)方式和約束條件的改變，有可能改變動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)的變形剛度和固有頻率，從而引起結(jié)構(gòu)的異常振動(dòng)并產(chǎn)生異常動(dòng)態(tài)載荷。
我們知道，自動(dòng)扶梯的運(yùn)行是通過驅(qū)動(dòng)主機(jī)旋轉(zhuǎn)將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)過程中，或多或少總有一部分能量會(huì)轉(zhuǎn)變成電機(jī)及其支撐系統(tǒng)的振動(dòng)能。換言之，在自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)主機(jī)及其支撐系統(tǒng)實(shí)際上始終處于振動(dòng)狀態(tài)。不過，一般情況下，這種振動(dòng)都被控制在很微弱的范圍，不至于影響電機(jī)系統(tǒng)的正常工作，除非系統(tǒng)經(jīng)受了超出設(shè)計(jì)允許的動(dòng)態(tài)外載荷，或因某種緣故改變了系統(tǒng)的固有頻率。對(duì)于本案例，調(diào)查結(jié)果表明^[1]事故當(dāng)時(shí)的載荷并未超過該自動(dòng)扶梯的允許載客流量，該自動(dòng)扶梯制造商采取的設(shè)計(jì)變更方案因此成為可能引發(fā)電機(jī)系統(tǒng)異常振動(dòng)的首要原因。為此，本文分析了上述設(shè)計(jì)變更對(duì)電機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響。
3.1 電機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)幅度影響因素討論^[3，4]
簡(jiǎn)便起見，將電機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單自由度彈簧振子系統(tǒng)，設(shè)其剛度為K、質(zhì)量為M，在頻率為 的諧激勵(lì)F₀sin( t)作用下，忽略阻尼效應(yīng)，其穩(wěn)態(tài)幅頻響應(yīng)關(guān)系可表達(dá)為：

X=HF₀e^{i t}？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？ (1)

式中，頻響函數(shù)H是激勵(lì)頻率、系統(tǒng)剛度和質(zhì)量的函數(shù)，

H( , K, M)=|K- ²M|^-1？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？ (2)

對(duì)于自動(dòng)扶梯的電機(jī)系統(tǒng)而言，從穩(wěn)定性和安全角度考慮，顯然希望其運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)幅度盡可能小。據(jù)此我們來討論，在激勵(lì)頻率已經(jīng)給定的情況下，系統(tǒng)的剛度K和質(zhì)量M是如何影響其振動(dòng)幅度的。變換（2）式為如下形式：

H( , K, M)=H(K)=K^-1|1-[ /(K/M)^0.5]²|^-1？ ？？？？？？？？？？？(3)

繪出以系統(tǒng)剛度為變量的頻響函數(shù)曲線如圖4所示，可知當(dāng)(K/M)^0.5/ =1或(K/M)^0.5= 時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生共振，這是自動(dòng)扶梯設(shè)計(jì)與制造需要絕對(duì)不允許的情況；在其左側(cè)區(qū)域，即(K/M)^0.5/ ＜1或 (K/M)^0.5＜ 區(qū)間，系統(tǒng)的振動(dòng)幅度隨剛度減小而降低，K=0時(shí)，其極小值為( ²M)^-1，這一區(qū)間顯然不適合需要足夠剛性的自動(dòng)扶梯電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；在其右側(cè)區(qū)域，即(K/M)^0.5/ ＞1的區(qū)間，在系統(tǒng)的質(zhì)量和激勵(lì)頻率給定的情況下，剛度K愈大，振幅愈小，系統(tǒng)運(yùn)行愈安全。
前面已經(jīng)提到，本案涉及的系統(tǒng)設(shè)計(jì)變更主要是，在驅(qū)動(dòng)主機(jī)和桁架之間增加了兩塊墊板和四個(gè)聯(lián)接螺栓。與主機(jī)和桁架的質(zhì)量相比，座板的質(zhì)量是小量，其增減對(duì)電機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量M的影響很小、可以忽略。但由于墊板與電機(jī)、底座的串聯(lián)特征（其尺寸形狀參見圖2），它的加入將顯著降低系統(tǒng)剛度，并使其自身成為系統(tǒng)承受振動(dòng)載荷時(shí)的柔性區(qū)。而由圖4可知，K愈小，系統(tǒng)振幅將愈大，因此導(dǎo)致的動(dòng)載荷也將愈大。

圖4 系統(tǒng)的振幅與剛度的關(guān)系示意^[4]

 

3.2 剛度變化影響系統(tǒng)振動(dòng)特性的有限元分析^[3，4]
為進(jìn)一步具體化“串聯(lián)”墊板對(duì)電機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，分別對(duì)設(shè)計(jì)變更前后的電機(jī)系統(tǒng)建立了動(dòng)力學(xué)有限元模型（離散網(wǎng)格如圖5所示）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明系統(tǒng)的前三階振動(dòng)頻率因此發(fā)生了顯著變化：原設(shè)計(jì)（直接聯(lián)接形式）為117.40 Hz、138.63 Hz和204.97 Hz，設(shè)計(jì)變更（間接聯(lián)接形式）后變化為64.314 Hz，70.638 Hz和96.324 Hz，分別下降了45%、49%和53%。

圖5：原設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)變更振動(dòng)系統(tǒng)模型

圖6：系統(tǒng)一階振型^【3】

以彩色等值云圖表示電機(jī)系統(tǒng)的一階振型下的相對(duì)位移分布（見圖6，其中紅色為最大值、藍(lán)色為最小值）不難看出：對(duì)于原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，振動(dòng)幅度最大的區(qū)域是后桁架的電機(jī)右下底座所在部位。因?yàn)?，在電機(jī)的四個(gè)底座中，右下角底座區(qū)域受到的鉛垂方向約束最弱（參見圖1和圖3的下圖）。設(shè)計(jì)變更后，因?yàn)樵黾恿藟|板，電機(jī)與桁架不再直接聯(lián)接，系統(tǒng)的大位移區(qū)域轉(zhuǎn)移到剛度最低的兩塊墊板、特別是墊板的右端，即②號(hào)和④號(hào)螺栓所在的部位。至于座板兩端的振動(dòng)幅度為什么會(huì)不一樣、即②號(hào)和④號(hào)螺栓所在部位的振幅為什么明顯高于①號(hào)和③號(hào)螺栓所在的部位，結(jié)合圖1、圖3和圖6就不難理解，其原因也是座板的①號(hào)和③號(hào)螺栓所在部位鉛垂方向（由頂絲抵壓）的約束強(qiáng)于另一端。事實(shí)上，如果再考慮由鏈輪傳遞的拉緊力作用（參見圖1、圖3），由該力對(duì)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩主要通過①號(hào)和③號(hào)螺栓的內(nèi)力構(gòu)成的反力矩來予以平衡。換句話說，由鏈條拉力形成的力矩，將在①號(hào)螺栓中產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在③號(hào)螺栓中產(chǎn)生壓應(yīng)力，即在聯(lián)接電機(jī)與座板的四個(gè)螺栓中，①號(hào)螺栓所承受的拉應(yīng)力是最大的。這也從另一個(gè)角度說明，為什么疲勞斷裂的是①號(hào)螺栓而不是其它螺栓。

1. 4.？ 結(jié)論

n  不當(dāng)設(shè)計(jì)變更，即采用薄板型過渡墊板聯(lián)系主機(jī)與支撐桁架，可能是導(dǎo)致本案所述①號(hào)螺栓斷裂的主要原因。
n  未按設(shè)計(jì)要求配置聯(lián)接件，即采用的聯(lián)接螺栓長(zhǎng)度過短，導(dǎo)致了①號(hào)螺栓斷裂和②號(hào)螺栓脫扣，進(jìn)而致使主機(jī)傾覆。

參考文獻(xiàn)：
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