雙向循環(huán)斜坡電梯設(shè)計(jì)

王海鑫　韋磊　蔡翔

摘 要：斜坡電梯的主要使用環(huán)境是礦井斜巷、山體景區(qū)、滑雪場(chǎng)等長(zhǎng)距離斜坡運(yùn)輸場(chǎng)合，用以解決在需要連續(xù)運(yùn)輸、運(yùn)輸量大，提升高度大，截面高度小、寬度窄，坡度任意，環(huán)境惡劣等條件下人員的安全運(yùn)輸問題。對(duì)整個(gè)雙向循環(huán)斜坡電梯進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足長(zhǎng)距離電梯運(yùn)輸，大大提高人員運(yùn)輸效率。

關(guān)鍵詞：斜坡電梯；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；礦井運(yùn)輸；運(yùn)輸效率

引言

一般單臺(tái)自動(dòng)扶梯同一時(shí)刻只能實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)行，其梯級(jí)在返回狀態(tài)時(shí)無(wú)法運(yùn)送人員，有一半的梯級(jí)踏板一直保持在無(wú)承載的運(yùn)行狀態(tài)，也就是說(shuō)有50%的梯級(jí)是處在浪費(fèi)的狀態(tài)。如果想要實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行，一側(cè)上行一側(cè)下行，就必須安裝兩臺(tái)普通自動(dòng)扶梯裝置，這樣增加了整個(gè)系統(tǒng)的重量、占有空間，而且使安裝維修困難加大。因此如果能夠使同一臺(tái)運(yùn)輸裝置扶梯的全部處于向上運(yùn)行與向下運(yùn)行的梯級(jí)同時(shí)載客，即雙向環(huán)行，其工作效率將相當(dāng)于普通兩臺(tái)裝置同時(shí)運(yùn)行的效率，并減少能源消耗。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜坡扶梯整體結(jié)構(gòu)包括多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、梯級(jí)雙向環(huán)行系統(tǒng)、導(dǎo)軌系統(tǒng)、上下出入平臺(tái)、扶手系統(tǒng)及桁架支架系統(tǒng)共六大機(jī)械系統(tǒng)。圖1中（a）為三維視圖，（b）為主視圖，（c）為俯視圖。該P(yáng)ro/E三維模型是傾斜段縮短到后的模型，實(shí)際的斜坡扶梯，傾斜段將達(dá)到200m以上。多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)裝置布置的相隔距離也只是示意距離，實(shí)際間隔距離將達(dá)到20m以上。

其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)原理如圖2所示：兩側(cè)承載及單側(cè)導(dǎo)向的梯級(jí)前后依次相連形成鏈條式的雙向循環(huán)結(jié)構(gòu)，即梯級(jí)雙向環(huán)行系統(tǒng)；所有梯級(jí)鋪設(shè)于環(huán)形導(dǎo)軌上，由導(dǎo)軌進(jìn)行承載及導(dǎo)向；導(dǎo)軌包括梯級(jí)兩側(cè)行走輪導(dǎo)軌及一側(cè)調(diào)整姿態(tài)導(dǎo)軌；梯級(jí)在兩端轉(zhuǎn)彎采用翻轉(zhuǎn)豎起方式轉(zhuǎn)彎，不用脫鉤；兩端設(shè)有人員出入平臺(tái)；梯級(jí)上安裝扶手柱，采用鏈條式扶手系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)裝置

雙向循環(huán)斜坡電梯采用多級(jí)驅(qū)動(dòng)方式，布置多個(gè)驅(qū)動(dòng)，并且單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)梯級(jí)，有多個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

在同步軸及反向齒輪的作用下，驅(qū)動(dòng)主機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)梯級(jí)式鏈條上行及下行，保證了上行時(shí)梯級(jí)的兩側(cè)驅(qū)動(dòng)及下行時(shí)梯級(jí)的兩側(cè)驅(qū)動(dòng)共四處驅(qū)動(dòng)是同步的，上行下行方向相反?？紤]到需要對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈條進(jìn)行及時(shí)的張緊，加設(shè)了一套張緊裝置。斜坡扶梯的驅(qū)動(dòng)是通過驅(qū)動(dòng)鏈條上的驅(qū)動(dòng)齒與梯級(jí)上驅(qū)動(dòng)輪嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)的。

（2）雙向循環(huán)梯級(jí) 雙向循環(huán)的梯級(jí)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

結(jié)合圖2，其結(jié)構(gòu)原理為：梯級(jí)通過連接板依次前后相連，形成鏈條式循環(huán)結(jié)構(gòu)；梯級(jí)兩側(cè)的輪子夾緊導(dǎo)軌，一側(cè)導(dǎo)向輪由導(dǎo)軌導(dǎo)向，確保了梯級(jí)在運(yùn)行過程中的正確姿態(tài)。確定導(dǎo)軌軌跡后，該梯級(jí)雙向環(huán)行系統(tǒng)只要加上驅(qū)動(dòng)即可沿著導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)向上、向下、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎等循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

為了滿足雙向環(huán)行的功能要求，梯級(jí)式鏈條必須在兩端轉(zhuǎn)彎，但轉(zhuǎn)彎時(shí)需要本論文采用的是將梯級(jí)豎起轉(zhuǎn)彎的方式，先將梯級(jí)從水平狀態(tài)豎起，因?yàn)樘菁?jí)外側(cè)與內(nèi)側(cè)的運(yùn)行部件在豎起時(shí)從圖1（c）俯視圖上看是重疊的，二者有相同的運(yùn)動(dòng)軌跡，沒有內(nèi)外徑之分，因此可以直接轉(zhuǎn)彎。相比于傳統(tǒng)方式的不方便、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性能不好等問題有較大優(yōu)勢(shì)。

為了滿足前后相連形成鏈條式的結(jié)構(gòu)，并使梯級(jí)在運(yùn)行過程中具有乘人功能，設(shè)計(jì)了一種全新結(jié)構(gòu)的梯級(jí)。單個(gè)梯級(jí)具體結(jié)構(gòu)如圖5所示：梯級(jí)主要由踏板部件（包括踏面?zhèn)劝?、踏板、扶手柱、踢腳板、導(dǎo)向輪）、連接板、底座支架（包括支架部件、主軸）等組成。

底座支架兩側(cè)的“三輪”結(jié)構(gòu)夾緊安裝在兩根導(dǎo)軌上，由導(dǎo)軌確定其運(yùn)行軌跡及空間姿態(tài)；踏板部件安裝在主軸上，相對(duì)主軸可以自由旋轉(zhuǎn)，由底座支架確定空間位置，踏板部件一側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪行走在另一根導(dǎo)軌上，該導(dǎo)軌確定了踏板部件的空間姿態(tài)，其中在乘人區(qū)間踏板部件必須保持水平姿態(tài)。綜上，單個(gè)梯級(jí)的空間位置及姿態(tài)得以確定，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有唯一性。

3 布置方式

斜坡扶梯在斜坡場(chǎng)合進(jìn)行安裝施工的難度主要由其布置方式?jīng)Q定，為了解決提升高度大，長(zhǎng)度長(zhǎng)這一技術(shù)難點(diǎn)，采用單臺(tái)斜坡扶梯布置方式該種方式的好處是節(jié)省空間，減少施工工作量，減少“無(wú)效”長(zhǎng)度，乘客整個(gè)過程中可以直接從底部上升到頂部或相反，而不用停下，重復(fù)登梯下梯。

斜坡扶梯整體布置圖如圖6所示，雙向環(huán)行斜坡扶梯布置于斜坡上，雙向循環(huán)運(yùn)行，中間水平、傾斜區(qū)段為工作段，人員從上下出入平臺(tái)出入電梯，扶梯可同時(shí)運(yùn)送人員上行或下行，扶梯單側(cè)只允許單人通行，提升高度100m，傾斜段長(zhǎng)度200m，傾角30°，運(yùn)行速度0.5m/s。

4 技術(shù)指標(biāo)及運(yùn)輸效率計(jì)算

所設(shè)計(jì)新型雙向循環(huán)斜坡扶梯整體基本尺寸參數(shù)如表1。

為了解決在運(yùn)行速度0.5m/s時(shí)輸送能力要求大這一技術(shù)難點(diǎn)，斜坡扶梯設(shè)計(jì)為雙向環(huán)行，可以同時(shí)向上向下運(yùn)送人員。其輸送能力如下：由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《自動(dòng)扶梯及自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》可知理論上將每小時(shí)所輸送的乘客人數(shù)定義為自動(dòng)扶梯的理論輸送能力。當(dāng)自動(dòng)扶梯每個(gè)梯級(jí)被站滿時(shí)，理論上的最大小時(shí)輸送能力計(jì)算公式為：

CL=3600kv/tJ （1）

式中，tJ-單個(gè)梯級(jí)的平均深度（m），取tJ=0.4m；k-相關(guān)系數(shù)，可根據(jù)梯級(jí)名義寬度確定，目前我國(guó)所采用的梯級(jí)名義寬度B：0.6m（承載1人）、0.8m（承載1.5人）、1.0m（承載2人），對(duì)應(yīng)的系數(shù)k=1，k=1.5，k=2，本設(shè)計(jì)的扶梯單人通行，采用梯級(jí)寬度B=0.6m，取k=1；v-斜坡扶梯運(yùn)行速度（m/s）。

即，理論輸送能力為CL=4500人/h。

由于斜坡扶梯為雙向環(huán)行，實(shí)際最大輸送能力應(yīng)為的兩倍，即8100人/h，若同時(shí)運(yùn)輸200人上行、200人下行約需3分鐘就能夠?qū)⑷藛T全部運(yùn)輸完畢，人員運(yùn)輸效率大大提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本章以斜坡扶梯需要連續(xù)運(yùn)輸人員、運(yùn)輸量大，提升高度大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，允許截面高度小、寬度較窄，傾角大幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，給出了斜坡扶梯的斜坡布置圖，對(duì)于斜坡扶梯的關(guān)鍵系統(tǒng)裝置：多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、梯級(jí)雙向環(huán)行系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及分析說(shuō)明，并從結(jié)構(gòu)上解釋了斜坡扶梯各大系統(tǒng)究竟是如何得以克服各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)的。

參考文獻(xiàn)

[1]GB16899-2011.自動(dòng)扶梯和人行道的制造與安裝安全規(guī)范[S]. 2011.

[2]Kazumasa，Ito.日本電梯技術(shù)規(guī)范[J].中國(guó)電梯.2011，22（16）：40-42.

[3]山下智典，齊藤忠一，等.節(jié)省空間型自動(dòng)扶梯[J].電梯工業(yè)，2003，4（1）：15-17.

[4]謝明軍.自動(dòng)扶梯及回轉(zhuǎn)式螺旋自動(dòng)扶梯簡(jiǎn)介[J].建筑機(jī)械化，1988，03：23-26.

[5]朱久化，謝明軍.運(yùn)載乘客的新型輸送機(jī)械——三種型式的螺旋自動(dòng)扶梯[J].建筑機(jī)械，1989，11：2-6.

[6]洪致育，謝明軍，劉佩武.自動(dòng)扶梯的發(fā)展趨向——多驅(qū)動(dòng)組合式自動(dòng)扶梯[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，1987，8：20-23.

[7]GB16899-2011.自動(dòng)扶梯和人行道的制造與安裝安全規(guī)范[S].

2011.

作者簡(jiǎn)介：王海鑫（1993-），男，漢族，山東省汶上縣，碩士研究生，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，研究方向?yàn)殡娞萁Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全檢測(cè)。