基于剪切增稠流體的自動扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置設(shè)計

呂曉易

（嵊州中學(xué)，浙江紹興，312400）

0 引言

近年來，因具備連續(xù)不斷地承載大量人流的性能為人們的生活帶來便利，也越來越普遍地得到應(yīng)用?？墒桥c此同時，自動扶梯事故也頻頻發(fā)生。在多起自動扶梯逆轉(zhuǎn)事故中，扶梯的防逆轉(zhuǎn)裝置未能有效發(fā)揮作用。因此，仍有必要深入研究安全、可靠的自動扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置。

張連洲[1]提出了一種自動扶梯的圍裙板上安裝多個由電磁鐵，彈簧以及楔形鐵塊組成的自動扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置，但此設(shè)計需要供電，存在一定風(fēng)險，所用電磁鐵、楔形鐵塊數(shù)目較多，成本高，不利于安裝以及維護(hù)，并且安裝在梯級表面可能對人造成傷害。朱明春[2]對自動扶梯防逆轉(zhuǎn)要求和防護(hù)措施進(jìn)行了分析，可是沒有提出具體的技術(shù)創(chuàng)新方案。

本文應(yīng)用了剪切增稠流體特性實現(xiàn)自動扶梯的防逆轉(zhuǎn)。剪切增稠流體是20 世紀(jì)90 年代由美國陸軍研究實驗室研制的一種特殊材料，該材料在低擾動下為流體狀態(tài)，當(dāng)突然受到?jīng)_擊時變得異常粘稠，甚至展現(xiàn)出類固體狀態(tài)，當(dāng)撤去外部作用時重新恢復(fù)到流體狀態(tài)。剪切增稠流體已經(jīng)應(yīng)用于防彈衣領(lǐng)域[3]，高樓逃生緩降器[4]，減速帶等[5]。本文設(shè)想將剪切增稠流體應(yīng)用于自動扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置中，相較于傳統(tǒng)的摩擦式防逆轉(zhuǎn)裝置，具有無磨損、無需供電、制動平緩、自動調(diào)節(jié)下降速度等優(yōu)點，可減小制動過程中對人體造成的傷害。

1 設(shè)計目的及鏈輪上的力矩計算

針對提升高度為6 米、傾斜角為30°的自動扶梯，載荷大小6000N/m2情況下[6]，取鏈輪直徑1m，梯級寬度1.2m，控制其緩降速度1m/s，保證防逆轉(zhuǎn)裝置的制動效果。

自動扶梯承受的總的載荷為：6000N/m2×1.2m×6m/tan30°≈74822N，這一載荷的下滑力分量為74822N×sin30°=37411N，進(jìn)而在鏈輪上的力矩為37411N×1m/2=18705.5Nm。

2 整體方案設(shè)計

參考圖1，方案由鏈輪，連接盤，棘輪，中心輪，殼體，系桿，行星輪，太陽輪，齒圈，軸，剪切增稠流體，轉(zhuǎn)子等幾部分組成。變速機(jī)構(gòu)由鏈輪，中心輪，系桿，行星輪，太陽輪，齒圈組成。單向傳動裝置由連接盤，棘輪組成。固連裝置由鏈輪，殼體，軸組成。制動機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)子，剪切增稠流體組成。鏈輪與連接盤固連，殼體中的棘輪和連接盤固連，棘輪和變速機(jī)構(gòu)固連，剪切增稠流體中的轉(zhuǎn)子通過軸和變速機(jī)構(gòu)鏈接。當(dāng)鏈輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時棘輪不傳動，而當(dāng)鏈輪反向運(yùn)轉(zhuǎn)時棘輪傳動，從而帶動變速機(jī)構(gòu)。軸受到太陽輪的驅(qū)動，帶動轉(zhuǎn)子運(yùn)動。剪切增稠流體受力，對轉(zhuǎn)子運(yùn)動起到阻礙作用，起到制動效果。由于剪切增稠流體材料的特性，在逆轉(zhuǎn)速度較低的情況下，轉(zhuǎn)子對剪切增稠流體的剪切作用較小，這樣剪切增稠流體粘度較小，對轉(zhuǎn)子阻力作用較小，不會發(fā)生可能導(dǎo)致乘客二次傷害的急?，F(xiàn)象。而當(dāng)逆轉(zhuǎn)速度較高的情況下，剪切增稠流體受到剪切作用較大，相應(yīng)的其粘度和對轉(zhuǎn)子的阻力也較大，可以將轉(zhuǎn)子逆轉(zhuǎn)速度降至合理范圍內(nèi)，即將危險控制在可接受范圍內(nèi)。

圖1 整體設(shè)計方案示意圖

圖2 棘輪機(jī)構(gòu)示意圖

棘輪機(jī)構(gòu)由棘爪，棘輪，彈簧，中心輪等幾部分組成。中心輪與轉(zhuǎn)子固連，彈簧和棘爪安裝于中心輪上。棘輪與鏈輪固連，安裝于中心輪外圍。彈簧對棘輪施加一個預(yù)緊力，使之與棘輪內(nèi)側(cè)緊貼，可卡住棘輪的棘齒。當(dāng)鏈輪帶動棘輪逆時針運(yùn)轉(zhuǎn)時（即自動扶梯工作在正常狀態(tài)下），棘爪連接的彈簧容易被壓縮收回，不阻礙棘輪運(yùn)動。當(dāng)棘輪順時針運(yùn)轉(zhuǎn)時（即自動扶梯工作出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)），棘輪被棘爪卡住，從而帶動中心輪運(yùn)動，使制動機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作。

3 詳細(xì)計算

根據(jù)鏈輪的直徑和緩降速度可計算鏈輪緩降角速度(rad/s)：

考慮到需要將剪切增稠流體材料工作在剪切增稠段，因此根據(jù)圖3 所示的剪切增稠流體材料特性曲線[7]，剪切速率從4000s-1到6000s-1是剪切增稠段，故取穩(wěn)定運(yùn)動時剪切速率為5000s-1，初取轉(zhuǎn)子直徑d=1m，間隙h 為0.002m，因此轉(zhuǎn)子的角速度(rad/s)：

圖3 典型的剪切增稠流體的剪切速率—粘度曲線

這樣，穩(wěn)定工作狀態(tài)時鏈輪角速度和轉(zhuǎn)子角速度差別較大，需要設(shè)計傳動裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速變換。因此設(shè)計了圖1 中的行星齒輪減速器傳動裝置，其傳動比應(yīng)為：

根據(jù)行星齒輪減速器傳動比公式：

取齒圈和太陽輪的齒數(shù) z3和z1分別為90 和10 的單級行星齒輪減速器即可以滿足傳動比要求。

這里對轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析，在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子承受從鏈輪傳遞過來的力矩，以及剪切增稠流體對轉(zhuǎn)子的阻力矩。其中，鏈輪傳遞來的力矩可根據(jù)載荷在鏈輪上作用的力矩進(jìn)行換算，其等效力矩（N·m）為：

根據(jù)為5000s-1，對應(yīng)的粘度為0.5Pa·s，這樣轉(zhuǎn)子上作用的剪切應(yīng)力（Pa）：

進(jìn)一步計算剪切增稠流體在轉(zhuǎn)子上作用的阻力矩：

由轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作時力矩平衡，即T=T′得到：

這樣，算得轉(zhuǎn)子高度l 為0.476m，這一尺寸在工程上是可以接受的。同時，也確認(rèn)了轉(zhuǎn)子直徑d=1m，間隙h 為0.002m 的取值較為合理。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有自動扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置的不足，本文提出了一種基于剪切增稠流體的自動扶梯防逆轉(zhuǎn)設(shè)計，可以有效避免自動扶梯逆轉(zhuǎn)事故發(fā)生?？舍槍μ嵘叨葹? 米、傾斜角為30°、鏈輪直徑1m，梯級寬度1.2m 的自動扶梯，在載荷大小6000N/m2的情況下，控制緩降速度1m/s，達(dá)到自動和穩(wěn)定的制動效果。研究中取得了如下主要結(jié)論：

（1）所設(shè)計的基于剪切增稠流體的自動扶梯防逆轉(zhuǎn)裝置主要由制動機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、單向傳動機(jī)構(gòu)、固連裝置組成。（2）變速機(jī)構(gòu)中，齒圈和太陽輪的齒數(shù)z3和1z分別取90 和10 的單級行星齒輪減速器即可以滿足傳動比要求。（3）制動機(jī)構(gòu)中，剪切增稠流體穩(wěn)定運(yùn)動時剪切速率為5000s-1，變速機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子直徑d=1m，間隙h 為0.002m，推導(dǎo)出行星齒輪減速器的傳動比應(yīng)為1/10，滿足要求。（4）制動機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子上的等效力矩為1870.55N·m，轉(zhuǎn)子高度l 為0.476m，滿足要求。

本文設(shè)計的結(jié)果中，裝置的體積較大，可進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，縮小體積，降低成本，增強(qiáng)其實用性。