林 耀,韩 飞,戴晓彬,王 东
(中铁工程设计咨询集团有限公司机械动力设计研究院,北京 100055)
自动扶梯是带有循环的运行梯级，用于向上或向下倾斜运送乘客的固定电力驱动设备[1]，在国内公共交通领域及铁路行业内被广泛应用。
目前，大提升高度自动扶梯在城市轨道交通中应用较多[2-3]。如武汉地铁1号线宗关站自动扶梯提升高度22.465 m；
南宁地铁1号线青秀山站自动扶梯提升高度26.4 m(国内城市轨道交通最大提升高度)。铁路行业中大提升高度自动扶梯应用较少，其中，张家口至呼和浩特铁路怀安站自动扶梯提升高度15.5 m；
厦深铁路坪山站自动扶梯提升高度为17.569 m(国内铁路车站最大提升高度)。
京张高铁八达岭长城站是目前世界上埋深最大的高铁地下车站[4-5]，站台至地面站房全程提升高度约62 m，其中，进、出站通道提升高度分别达到40.145 m和42 m。由于国内轨道交通及铁路行业内运用的公共交通型[6]自动扶梯无类似提升高度自动扶梯的使用和实际运营经验，因此，需对自动扶梯的提升方案、技术参数、安全保护措施、运输径路进行设计研究。
八达岭长城站位于北京市境内八达岭滚天沟停车场内，车站有效站台长450 m，车站总长470 m，地下部分建筑面积为4.05万m2。车站每侧站台各设2个进、出站口，分别到达进、出站通道层。进站通道层连接地面站房地下一层，出站通道层连接地面站房地面层，车站中心处线路埋深约102.550 m。站台至地面站房全程提升高度约为62 m[7]。八达岭长城站内部结构如图1所示。
图1 八达岭长城站透视
八达岭长城站地下部分共3层，出站通道层、进站通道层和站台层叠合布置。进站通道层上端与地面站房地下一层相接，下端与站台层相接，提升高度为13.65 m，通道内提升高度40.145 m；
出站通道层上段与地面站房一层相接，下端与站台层相接，提升高度为20.1 m，通道内提升高度42 m。
2.1 一级提升方案
进站通道内设置1部斜行电梯及3部自动扶梯与地面站房地下一层候车厅相接，一级提升，全程提升高度为40.145 m。出站通道内设置1部斜行电梯及3部自动扶梯与地面站房地下一层相接，一级提升，全程提升高度42 m。一级提升方案进出口通道平、立面如图2、图3所示。
图2 一级提升方案进出口通道平面
图3 一级提升方案进出口通道立面
2.2 二级提升方案
进站通道与地面站房地下一层候车厅相接，两级提升，每级提升设置1部斜行电梯及3部自动扶梯，第一级提升高度约为19.175 m，第二级提升高度约为20.97 m。出站通道与地面站房地下一层相接，两级提升，每级提升设置1部斜行电梯及3部自动扶梯，每级提升高度约为21 m，全程提升高度为42 m。二级提升方案进出口通道平、立面如图4、图5所示。
2.3 提升方案比选
两种提升方案各有优缺点。一级提升方案较二级提升方案，工程投资更大，生产周期较长，国内应用案例少，但其具有可一次性快速运输旅客、旅客行进速度快[8]、舒适度高、故障率低及事故点少等优势。通过综合考量，推荐一级提升方案。具体优缺点分析如表1所示。
图4 二级提升方案进出口通道平面
图5 二级提升方案进出口通道立面(单位：mm)
表1 一、二级提升方案优缺点分析
3.1 主要技术参数
自动扶梯每天连续工作20 h，每周7 d，全年工作365 d。在任何3 h间隔内，其载荷达到100%制动载荷(120 kg/梯级)的持续重载时间至少为1 h。其余时间按60%制动载荷运行。主要技术参数如表2所示。
表2 大提升高度自动扶梯主要技术参数
3.2 主机功率计算
由于自动扶梯提升高度较大，常规扶梯的主机功率已无法满足驱动需求，需根据自动扶梯的系统参数进行校核计算[9-10]，得出满足大提升高度的驱动功率需求。输入的系统参数如表3所示。
表3 自动扶梯系统参数
通过表2参数计算电扶梯主机功率。由单梯级制动负荷、乘客端梯级数量和负载因数可算得乘客载荷产生的梯级链拉力，如式(1)所示。
Fload_d_MP=PMPFdNinclsinα
(1)
由乘客端梯级数量可算得梯级单元自重产生的梯级链拉力(2边)，如式(2)所示。
Fsa=Ninclgsinα
(2)
由乘客载荷产生的梯级链拉力算得静态额定负载的弯曲力(2边)，如式(3)所示。
(3)
由梯级单元自重产生的梯级链拉力算得梯级单元自重产生的弯曲力(2边)，如式(4)所示。
(4)
进一步可算得由静态额定负载产生的摩擦力(2边)，如式(5)所示；
和由梯级链自重所产生的摩擦力(2边)，如式(6)所示。
Ff_d_MP=(PMPFdNinclcosα+
2NflatPMPFd+Fcv_d_MP)×u1
(5)
Ff_sa=(NinclMsagcosα+
2NflatMsag+Fcv_sa)×u1
(6)
由同步电机转速与滑移率，可算出电机轴的实际转速，如式(7)所示。
rpmrated=rpmn×(1-sliprated)
(7)
则可算得电机轴的输出功率，如式(8)所示。
Pmotor_up=(Fload_d_MP+Ff_dMP+2Ff_sa+
(8)
通过电机轴的输出功率与主机总效率，可反推出电动有功功率，如式(9)所示。
(9)
则按照式(10)可算得电机轴的等效功率，即
PEQ=Pmotor_active_upPLT
(10)
综上所述，最终算得电机等效功率为76.6 kW，本工程选用电机功率P=110 kW，能够满足负载功率需求。
3.3 桁架有限元分析
由于自动扶梯提升高度大，可达40 m以上；
跨度长，达到近80 m，为保证桁架结构安全，对其进行有限元分析。桁架材料采用Q345-C，桁架结构如图6所示。
图6 自动扶梯桁架结构(单位：mm)
自动扶梯的结构架主要由薄壁结构梁和钢板通过焊接进行连接。本次仿真计算，以提升高度42 m自动扶梯为例，梁单元采用BEAM188单元，壳单元采用SHELL181单元，将二者有机耦合[11-13]。
约束：实际使用中，自动扶梯金属结构架两端的角钢[14]直接安放在混凝土支撑梁上，故在分析中可认为该结构为两端简支。
载荷：计算强度时载荷如表4所示，计算时考虑结构强度工况载荷为所有载荷项的加和。
表4 强度计算载荷
仿真云图应力计算结果如图7所示，挠度计算结果如图8所示，桁架强度和挠度计算结果数据如表5所示。由图7、图8中计算结果可知，在工况载荷下，桁架最大垂向变形出现在抬升区底部，大小为6.26 mm；
最大应力值为82.3 MPa，出现在桁架中部位置，整体最大挠度为1/1 677，安全系数4.1。通过计算可知，设计桁架结构，其应力、挠度、安全系数均能满足使用需求。
图7 自动扶梯桁架应力计算结果云图(单位：MPa)
图8 自动扶梯桁架挠度计算结果云图(单位：mm)
表5 桁架强度和挠度计算结果
3.4 技术要求调整
较常规自动扶梯，八达岭长城站大提升高度自动扶梯针对水平梯级数量、驱动主机配置[15]、梯级链类型[16]等关键技术要求，结合国标GB 16899—2011[1]、欧标EN115—1:2017[17]、地方标准DB11/T 705—2019[18]等自动扶梯相关规范要求，进行了修改与调整。其具体调整项目、调整原因如表6所示。
表6 技术要求调整汇总
3.5 安全保护措施
同时，为保证大提升高度自动扶梯的运行安全，经研究提出多种安全保护措施，包括供电系统断相、错相保护装置、电机保护、工作制动器、附加制动器[19]、超速保护装置、意外逆转保护[20]、梯级链保护装置、扶手带保护装置、扶手带速度监控装置、扶手带入口保护、梳齿板安全开关、梯级塌陷保护、梯级运行安全装置、裙板安全保护、驱动链破断保护装置、裙板防护、急停开关、接地故障保护、梯级缺失报警装置[21]、防梯级上冲安全装置、制动器安全装置、水位安全开关、上下机坑盖板安全装置、驱动主机移位安全保护装置、梯级横向位移保护装置、乘梯人数实时显示装置，共计26种措施。其中，由于八达岭长城站大提升高度自动扶梯的特殊性，提出了3条与常规扶梯不同的修改和调整，如表7所示。
表7 安全措施调整汇总
为减少人力、物力消耗，有效缩短工期，提高施工效率，应结合施工工程实际情况选择自动扶梯最佳的运输及吊装方式。针对八达岭长城站扶梯运输通道进行详细研究。
由于本工程施工工期要求较短，施工过程中暂不考虑采取轨道运输的方式。故在车站设计过程中考虑了自动扶梯运输通道的需求。
进站通道自动扶梯采用自下而上的安装方案，因此，自动扶梯到达现场后，采用由2号井主通道—2号分通道—进站通道扶梯下部的运输路线。由于通道宽度只有6 m，且2号井主通道—2号分通道之间存在直角转弯，因此，扶梯采取分段运输(经现场测量、计算，其中最长部分不超过10 m)，运输过程中采用正反转卷扬机和拉板式地滑轮将扶梯运到进站通道扶梯下部。因大型起重设备无法进入，现场采用预留的吊钩作为起吊点进行安装。路径如图9中红色箭头所示。
图9 自动扶梯运输径路示意
根据工程整体时间计划及土建施工进度，出站通道扶梯安装时间要求与进站通道扶梯基本同步，此时出站通道地面尚未施工完成。根据上述情况，同时结合地面站房的施工进度，出站通道扶梯采用自上而下的安装方案。扶梯到达现场后，直接通过地面站房吊装至其地下一层的扶梯安装地点，由于大型起重设备无法进入，现场采用预留扶梯吊钩作为起吊点进行安装。
根据八达岭长城站工程42 m大提升高度需求，设计提出采用一级提升的自动扶梯方案，是目前国内公共交通领域最大一级提升高度的自动扶梯。为确保大提升高度自动扶梯运行安全可靠，对其运行受力进行力学计算，确定主机功率P=110 kW满足驱动需求，远大于常规自动扶梯主机功率。通过对大跨度桁架进行仿真，确保结构可靠满足规范要求。
同时，针对大提升高度自动扶梯的特殊性，比较常规自动扶梯提出技术参数及安全措施的调整方案，确保其运行安全。且结合现场隧道空间狭小、转弯半径小等实际工程情况及施工工期，确定运输径路和安装方法确保自动扶梯按时安装交付。
京张高铁八达岭长城站大提升高度自动扶梯已于2019年12月交付使用并安全运行至今，实现八达岭长城站1.29万人/d、高峰小时2 350人/h的客流运输要求。本工程设计为日后类似工程项目的实施提供了借鉴和设计依据。
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