自动扶梯防逆转装置创意设计研究范文

摘要：自动扶梯的应用在生活中已广泛普及，其随之而来的安全问题也不容忽视。文章就自动扶梯逆转问题提出了一种利用剪切增稠流体实现防逆转保护的设计方案，特色在于棘轮机构和U形转子。对剪切增稠流体材料的选用提出标准并进行优选，对材料特性曲线进行线性化。较市场上现有的防逆转保护装置，具有不易磨损、无源、制动平稳等优点，为解决现有自动扶梯逆转问题提出新的技术方案。

关键词：自动扶梯；防逆转；创意设计；剪切增稠流体；线性化

引言

随着科学技术的发展，越来越多的便民设施给人类的日常生活带来极大的便利。自动扶梯是一种在建筑物的不同层高间运载人员的连续输送机械。目前，自动扶梯已广泛应用于人流集中的公共场所，如大型商场、地下通道、地铁站、火车站和机场等。在为人们的生活带来便利的同时，自动扶梯事故频繁发生也引发社会各界对其安全问题的高度关注。导致自动扶梯事故的原因错综复杂，其中自动扶梯发生逆转是常见原因，约占事故总量的10%左右。自动扶梯发生逆转时，乘客脚下的电梯突然朝相反方向运动，但是由于惯性，乘客上半身仍会保持原来的运动方向，从而导致了乘客的滚落、下跌、挤压和踩踏等事故，给乘客的生命安全造成极大的危害。北京、上海、武汉和香港等地都曾发生过自动扶梯逆转事故，造成了多名人员受伤。在这一背景下，研发自动扶梯防逆转装置具有重要意义。通常自动扶梯的防逆转保护装置安装在驱动装置或梯级上。当信号传感装置监测到非操纵逆转信号后，切断电源，通过工作制动器和附加制动器动作，使电梯停车。常见的扶梯防逆转保护装置的品牌有日立、三菱、迅达和OTIS等。日立采用停止器，在发生紧急事故时，楔块卡入链轮使得电梯立即停止运行，虽然能有效迅速地停止电梯，但电梯急停太快容易对电梯上的乘客造成二次伤害；三菱和迅达都是停止器和制动器同时应用，虽然利用机械摩擦制动减缓了电梯急停的速度，但机构的摩擦元件在发生摩擦时容易出现磨损，长此以往，紧急制动装置有失效的可能。而且以上的扶梯紧急制动装置都是利用电磁线圈脱钩触发机构的原理，即是需要电的，无法保证在突然断电的情况下的扶梯安全。针对现有自动扶梯防逆转保护装置的不足，本文提出利用剪切增稠流体这一非牛顿流体实现自动扶梯逆转时的制动作用。剪切增稠流体是20世纪90年代由美国“陆军研究实验室”（ARL）研制成功的一种新型功能材料，在防弹衣等领域已取得了成功应用。剪切增稠流体是一种将纳米或者微米尺度的颗粒分散到极性介质中，形成的浓缩颗粒悬浮液，在受到外界冲击造成流体内部剪切作用时会造成粒子簇、颗粒的摩擦和阻塞，粘度会立刻增大，外界冲击消失后，流体又恢复到原来的状态，呈现柔韧性，这也是产生剪切增稠效应的物理机理。此外，剪切增稠流体还具有响应速度快、过程可逆的特点。剪切增稠流体的这些特性为解决现有自动扶梯防逆转保护装置的易磨损、急停太快、受用电限制等不足提出了可能，本文基于剪切增稠流体对自动扶梯防逆转保护装置进行探索性设计。

1整体方案

本文设计的自动扶梯防逆转装置主要由缓降机构、传动机构、棘轮机构和紧固机构等组成，如图1所示。缓降机构主要由U形转子、轴、壳体和剪切增稠流体等组成。传动机构由行星轮减速器组成，包括齿圈、太阳轮、行星轮、系杆等。行星轮减速器相对于定轴轮系具有局域传动比范围更大、结构紧凑等优点，经过特殊设计后可使U型转子与壳体间隙中的剪切增稠流体处于合适的剪切速率范围，从而使剪切增稠流体产生良好的剪切增稠效果。如图2所示，棘轮机构由棘轮，棘爪、中心轮等组成，用于单向传动，在链轮正常运转时，缓降机构与棘轮脱离传动，而在链轮逆转（即自动扶梯逆转）时，缓降机构与棘轮产生传动，从而使缓降机构仅在自动扶梯逆转时发生作用。紧固机构包括连接盘等，将链轮与棘轮连接。所设计的方案中将转子设计为U形，一方面可以增加与流体的接触面积，增大阻力；另一方面，中间凹陷部分设计了传动装置，有效和合理地利用空间，这在空间狭小的自动扶梯内部非常有利。所设计的自动扶梯防逆转装置实现紧急制动功能的方式：在自动扶梯逆转出发紧急制动时，转动的U形转子与壳体之间发生相对旋转运动，在U形转子和壳体之间的剪切增稠流体中形成增大的剪切速率，剪切增稠流体的粘度随着剪切速率的增大而增大，从而对转子旋转产生更大阻碍作用，使与U形转子连接的链轮减速，进而使正在逆转的自动扶梯减速。减速后自动扶梯的链轮速度下降，进而U形转子速度下降，U形转子和壳体之间剪切增稠流体的剪切速率下降，从而粘度下降，对U形转子的阻力下降。最终U形转子的速度稳定在一个较低值，即与U形转子连接的链轮及逆转的自动扶梯也被控制在合理的速度范围内，这种特点可以防止急停过快对自动扶梯上的乘客造成二次伤害。

2剪切增稠流体材料

剪切增稠流体的材料特性对自动扶梯防逆转装置的性能有重要影响。剪切增稠特性一般用粘度-剪切速率曲线表示，给出了粘度随剪切速率变化的关系，如果粘度随剪切速率增大而明显增加，则剪切增稠效应明显。但是，常见的剪切增稠流体并不是在所有的剪切速率区间都表现为明显的剪切增稠效应。为使自动扶梯在突然逆转的情况下能及时受到剪切增稠流体的阻力，并根据速度大小调整阻力最终将逆转速度稳定在合理的范围。理想的材料应符合以下标准：①剪切速率较低时没有剪切稀化特性，即图像应呈现单调递增或稳定趋势；②剪切速率较高时具有明显剪切增稠特性；③粘度尽可能高一些，以提供足够的阻力。如图3所示，拟从文献[5]、文献[7]~文献[10]中进行剪切增稠流体材料的优选，其中文献[10]中备选材料为两种，即体积分数为54%和56%的两种材料。文献[7]、文献[8]和文献[10]中的材料在剪切速率较小的一段都存在明显的剪切稀化现象，不能及时对转速增加的转子产生更多的阻力作用，不符合选用标准①。文献[9]中的材料在前期的剪切稀化段很短，可以忽略，其粘度随着剪切速率的增加而增加，但是相对其他材料粘度过小，对转子阻力过小，可能无法起到足够的制动作用，不符合选用标准③。文献[5]中的体积分数为54%和56%的两种材料，都符合3种选用标准。由于体积分数为56%的材料在较大剪切速率下具有更为明显的剪切增稠特性，基于选用标准②，故选用体积分数为56%的剪切增稠流体材料作为自动扶梯防逆转装置的优选材料。

3剪切速率-粘度曲线线性化

一般地，剪切增稠流体的剪切速率-粘度曲线是一个复杂的函数，考虑到定量计算和设计的简便，有必要将剪切增稠流体的剪切速率-粘度曲线进行线性化处理。观察图3e所示的剪切速率-粘度曲线，其在0s-1~80s-1的剪切速率范围内粘度变化很小，而在大于80s-1的剪切速率范围内粘度迅速增加。根据这种特性，可将体积分数为56%的特性曲线近似分为两段线性函数，即图3e中黄色的虚线，设两段线性函数的表达式为：选择图中坐标分别是（1s-1，8Pa•s）、（80s-1，8Pa•s）、（125s-1，78Pa•s）3个拟合点进行计算，解得a=8、b=14/9、c=1048/9，所以优选材料剪切速率-粘度曲线的两段线性化表达式为：

4结论

针对现有自动扶梯防逆转装置的不足，本文设计了一种基于剪切增稠流体的自动扶梯防逆转装置。研究中取得了如下主要结论：（1）设计的自动扶梯防逆转装置主要由缓降机构、传动机构、棘轮机构、紧固机构等组成。（2）自动扶梯防逆转装置中采用棘轮机构使缓降机构仅在自动扶梯逆转时发生作用，采用U型转子增大阻力面积且为传动装置提供空间。（3）对剪切增稠流体材料的优选提出了3个标准：①剪切速率较低时没有剪切稀化特性；②剪切速率较高时具有明显剪切增稠特性；③粘度尽可能高一些，以提供足够的阻力。（4）优选文献[5]中体积分数为56%的材料作为装置中的剪切增稠流体材料。（5）将优选材料的剪切速率-粘度曲线进行两段线性化，给出了表达式。本文设计结果仅是方案设计，虽然对自动扶梯满载时动力矩和材料特性曲线线性化进行了定量计算，但是仍有必要对缓降装置尺寸等进行定量计算。

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作者：魏兰懿 单位：金陵中学河西分校