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1、自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置創(chuàng)意設(shè)計(jì)
摘要：自動(dòng)扶梯的應(yīng)用在生活中已廣泛普及，其隨之而來(lái)的安全問(wèn)題也不容忽視。文章就自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)問(wèn)題提出了一種利用剪切增稠流體實(shí)現(xiàn)防逆轉(zhuǎn)保護(hù)的設(shè)計(jì)方案，特色在于棘輪機(jī)構(gòu)和U形轉(zhuǎn)子。對(duì)剪切增稠流體材料的選用提出標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)材料特性曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性化。較市場(chǎng)上現(xiàn)有的防逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置，具有不易磨損、無(wú)源、制動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，為解決現(xiàn)有自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)問(wèn)題提出新的技術(shù)方案。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；防逆轉(zhuǎn)；創(chuàng)意設(shè)計(jì)；剪切增稠流體；線(xiàn)性化
0引言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的便民設(shè)施給人類(lèi)的日常生活帶來(lái)極大的便利。自動(dòng)扶梯是一種在建筑物的不同層高間
2、運(yùn)載人員的連續(xù)輸送機(jī)械。目前，自動(dòng)扶梯已廣泛應(yīng)用于人流集中的公共場(chǎng)所，如大型商場(chǎng)、地下通道、地鐵站、火車(chē)站和機(jī)場(chǎng)等。在為人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，自動(dòng)扶梯事故頻繁發(fā)生也引發(fā)社會(huì)各界對(duì)其安全問(wèn)題的高度關(guān)注。導(dǎo)致自動(dòng)扶梯事故的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，其中自動(dòng)扶梯發(fā)生逆轉(zhuǎn)是常見(jiàn)原因，約占事故總量的10%左右。自動(dòng)扶梯發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)，乘客腳下的電梯突然朝相反方向運(yùn)動(dòng)，但是由于慣性，乘客上半身仍會(huì)保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向，從而導(dǎo)致了乘客的滾落、下跌、擠壓和踩踏等事故，給乘客的生命安全造成極大的危害。北京、上海、武漢和香港等地都曾發(fā)生過(guò)自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)事故，造成了多名人員受傷。在這一背景下，研發(fā)自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置具有重要意義。通
3、常自動(dòng)扶梯的防逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)裝置或梯級(jí)上。當(dāng)信號(hào)傳感裝置監(jiān)測(cè)到非操縱逆轉(zhuǎn)信號(hào)后，切斷電源，通過(guò)工作制動(dòng)器和附加制動(dòng)器動(dòng)作，使電梯停車(chē)。常見(jiàn)的扶梯防逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的品牌有日立、三菱、迅達(dá)和OTIS等。日立采用停止器，在發(fā)生緊急事故時(shí)，楔塊卡入鏈輪使得電梯立即停止運(yùn)行，雖然能有效迅速地停止電梯，但電梯急停太快容易對(duì)電梯上的乘客造成二次傷害；三菱和迅達(dá)都是停止器和制動(dòng)器同時(shí)應(yīng)用，雖然利用機(jī)械摩擦制動(dòng)減緩了電梯急停的速度，但機(jī)構(gòu)的摩擦元件在發(fā)生摩擦?xí)r容易出現(xiàn)磨損，長(zhǎng)此以往，緊急制動(dòng)裝置有失效的可能。而且以上的扶梯緊急制動(dòng)裝置都是利用電磁線(xiàn)圈脫鉤觸發(fā)機(jī)構(gòu)的原理，即是需要電的，無(wú)法保證在突然斷電的情
4、況下的扶梯安全。針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的不足，本文提出利用剪切增稠流體這一非牛頓流體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)時(shí)的制動(dòng)作用。剪切增稠流體是20世紀(jì)90年代由美國(guó)"陸軍研究實(shí)驗(yàn)室";（ARL）研制成功的一種新型功能材料，在防彈衣等領(lǐng)域已取得了成功應(yīng)用。剪切增稠流體是一種將納米或者微米尺度的顆粒分散到極性介質(zhì)中，形成的濃縮顆粒懸浮液，在受到外界沖擊造成流體內(nèi)部剪切作用時(shí)會(huì)造成粒子簇、顆粒的摩擦和阻塞，粘度會(huì)立刻增大，外界沖擊消失后，流體又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，呈現(xiàn)柔韌性，這也是產(chǎn)生剪切增稠效應(yīng)的物理機(jī)理。此外，剪切增稠流體還具有響應(yīng)速度快、過(guò)程可逆的特點(diǎn)。剪切增稠流體的這些特性為解決現(xiàn)有自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)保
5、護(hù)裝置的易磨損、急停太快、受用電限制等不足提出了可能，本文基于剪切增稠流體對(duì)自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置進(jìn)行探索性設(shè)計(jì)。
1整體方案
本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置主要由緩降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)和緊固機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。緩降機(jī)構(gòu)主要由U形轉(zhuǎn)子、軸、殼體和剪切增稠流體等組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由行星輪減速器組成，包括齒圈、太陽(yáng)輪、行星輪、系桿等。行星輪減速器相對(duì)于定軸輪系具有局域傳動(dòng)比范圍更大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)后可使U型轉(zhuǎn)子與殼體間隙中的剪切增稠流體處于合適的剪切速率范圍，從而使剪切增稠流體產(chǎn)生良好的剪切增稠效果。如圖2所示，棘輪機(jī)構(gòu)由棘輪，棘爪、中心輪等組成，用于單向
6、傳動(dòng)，在鏈輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，緩降機(jī)構(gòu)與棘輪脫離傳動(dòng)，而在鏈輪逆轉(zhuǎn)（即自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)）時(shí)，緩降機(jī)構(gòu)與棘輪產(chǎn)生傳動(dòng)，從而使緩降機(jī)構(gòu)僅在自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生作用。緊固機(jī)構(gòu)包括連接盤(pán)等，將鏈輪與棘輪連接。所設(shè)計(jì)的方案中將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為U形，一方面可以增加與流體的接觸面積，增大阻力；另一方面，中間凹陷部分設(shè)計(jì)了傳動(dòng)裝置，有效和合理地利用空間，這在空間狹小的自動(dòng)扶梯內(nèi)部非常有利。所設(shè)計(jì)的自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)功能的方式：在自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)出發(fā)緊急制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的U形轉(zhuǎn)子與殼體之間發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在U形轉(zhuǎn)子和殼體之間的剪切增稠流體中形成增大的剪切速率，剪切增稠流體的粘度隨著剪切速率的增大而增大，從而對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生更
7、大阻礙作用，使與U形轉(zhuǎn)子連接的鏈輪減速，進(jìn)而使正在逆轉(zhuǎn)的自動(dòng)扶梯減速。減速后自動(dòng)扶梯的鏈輪速度下降，進(jìn)而U形轉(zhuǎn)子速度下降，U形轉(zhuǎn)子和殼體之間剪切增稠流體的剪切速率下降，從而粘度下降，對(duì)U形轉(zhuǎn)子的阻力下降。最終U形轉(zhuǎn)子的速度穩(wěn)定在一個(gè)較低值，即與U形轉(zhuǎn)子連接的鏈輪及逆轉(zhuǎn)的自動(dòng)扶梯也被控制在合理的速度范圍內(nèi)，這種特點(diǎn)可以防止急停過(guò)快對(duì)自動(dòng)扶梯上的乘客造成二次傷害。
2剪切增稠流體材料
剪切增稠流體的材料特性對(duì)自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置的性能有重要影響。剪切增稠特性一般用粘度-剪切速率曲線(xiàn)表示，給出了粘度隨剪切速率變化的關(guān)系，如果粘度隨剪切速率增大而明顯增加，則剪切增稠效應(yīng)明顯。但是
8、，常見(jiàn)的剪切增稠流體并不是在所有的剪切速率區(qū)間都表現(xiàn)為明顯的剪切增稠效應(yīng)。為使自動(dòng)扶梯在突然逆轉(zhuǎn)的情況下能及時(shí)受到剪切增稠流體的阻力，并根據(jù)速度大小調(diào)整阻力最終將逆轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定在合理的范圍。理想的材料應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)：①剪切速率較低時(shí)沒(méi)有剪切稀化特性，即圖像應(yīng)呈現(xiàn)單調(diào)遞增或穩(wěn)定趨勢(shì)；②剪切速率較高時(shí)具有明顯剪切增稠特性；③粘度盡可能高一些，以提供足夠的阻力。如圖3所示，擬從文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[7]~文獻(xiàn)[10]中進(jìn)行剪切增稠流體材料的優(yōu)選，其中文獻(xiàn)[10]中備選材料為兩種，即體積分?jǐn)?shù)為54%和56%的兩種材料。文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[10]中的材料在剪切速率較小的一段都存在明顯的剪切稀化現(xiàn)象，
9、不能及時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多的阻力作用，不符合選用標(biāo)準(zhǔn)①。文獻(xiàn)[9]中的材料在前期的剪切稀化段很短，可以忽略，其粘度隨著剪切速率的增加而增加，但是相對(duì)其他材料粘度過(guò)小，對(duì)轉(zhuǎn)子阻力過(guò)小，可能無(wú)法起到足夠的制動(dòng)作用，不符合選用標(biāo)準(zhǔn)③。文獻(xiàn)[5]中的體積分?jǐn)?shù)為54%和56%的兩種材料，都符合3種選用標(biāo)準(zhǔn)。由于體積分?jǐn)?shù)為56%的材料在較大剪切速率下具有更為明顯的剪切增稠特性，基于選用標(biāo)準(zhǔn)②，故選用體積分?jǐn)?shù)為56%的剪切增稠流體材料作為自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置的優(yōu)選材料。
3剪切速率-粘度曲線(xiàn)線(xiàn)性化
一般地，剪切增稠流體的剪切速率-粘度曲線(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，考慮到定量計(jì)算和設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)
10、便，有必要將剪切增稠流體的剪切速率-粘度曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性化處理。觀(guān)察圖3e所示的剪切速率-粘度曲線(xiàn)，其在0s-1~80s-1的剪切速率范圍內(nèi)粘度變化很小，而在大于80s-1的剪切速率范圍內(nèi)粘度迅速增加。
4結(jié)論
針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于剪切增稠流體的自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置。研究中取得了如下主要結(jié)論：（1）設(shè)計(jì)的自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置主要由緩降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、緊固機(jī)構(gòu)等組成。（2）自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置中采用棘輪機(jī)構(gòu)使緩降機(jī)構(gòu)僅在自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生作用，采用U型轉(zhuǎn)子增大阻力面積且為傳動(dòng)裝置提供空間。（3）對(duì)剪切增稠流體材料的優(yōu)選提出了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①剪切
11、速率較低時(shí)沒(méi)有剪切稀化特性；②剪切速率較高時(shí)具有明顯剪切增稠特性；③粘度盡可能高一些，以提供足夠的阻力。（4）優(yōu)選文獻(xiàn)[5]中體積分?jǐn)?shù)為56%的材料作為裝置中的剪切增稠流體材料。（5）將優(yōu)選材料的剪切速率-粘度曲線(xiàn)進(jìn)行兩段線(xiàn)性化，給出了表達(dá)式。本文設(shè)計(jì)結(jié)果僅是方案設(shè)計(jì)，雖然對(duì)自動(dòng)扶梯滿(mǎn)載時(shí)動(dòng)力矩和材料特性曲線(xiàn)線(xiàn)性化進(jìn)行了定量計(jì)算，但是仍有必要對(duì)緩降裝置尺寸等進(jìn)行定量計(jì)算。
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自動(dòng)扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置創(chuàng)意設(shè)計(jì)
