裴培 ， 劉井月， 魯貞園， 歐 陽智 婉， 王玉琳

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，合肥 230009）

0 引言

隨著我國人口老齡化問題的日益加劇，社區(qū)的高齡老人、獨居老人、生活不能自理老人的比例逐年增加[1-3]。目前，許多老人仍住在老式的多層住宅，由于空間狹小，老式住宅的樓道無法安裝新式住宅常用的廂式電梯[4]和商場常見的扶手電梯，給他們的晚年生活帶來諸多不便。有些老人甚至常年無法下樓，缺少與社會的交流，失去了與大自然的親近，寂寞和孤獨使他們的晚年生活很不幸福。

文獻[5]曾報道，世界第三類電梯——“非常道樓道電梯首次現(xiàn)身廣州某居民舊小區(qū)”，該樓道電梯采用分段式結(jié)構(gòu)，即每兩個平臺之間為一段。這種電梯雖然解決了現(xiàn)有的廂式電梯和扶手電梯在老式住宅不能安裝的難題，但乘客需要不斷上下踏板，以實現(xiàn)樓層的轉(zhuǎn)換，乘坐速度慢，不適合行動不便的老人和殘疾人。為此，文中設(shè)計了一種自動轉(zhuǎn)彎、“一步到位”的樓道電梯，乘坐者只需要踏上踏板選擇樓層，即可一步到位，安全、舒適、快捷。

1 總體方案描述

所設(shè)計的“一步到位”型樓道電梯如圖1所示。在兩段樓梯之間有一平臺區(qū)，用于供人們行走和改變行進方向，稱為“中間平臺”。與樓層地面標高齊平的地方也有一塊平臺區(qū)，除起到與中間平臺相同的作用外，還用來分配從樓梯到達各樓層的人流，稱為“樓層平臺”[6]。中間平臺和樓層平臺都是“休息平臺”，在所有休息平臺上垂直固定導軌架，再在導軌架之間安裝兩根平行的導軌，兩導軌中間設(shè)有可移動的鋼索[7-8]，鋼索安裝在驅(qū)動輪及各導輪（定滑輪）上。連接軸安裝在兩根導軌的槽形軌道上，且與鋼索連接。電動機正轉(zhuǎn)帶動鋼索運轉(zhuǎn)時，連接軸沿導軌向上滑動；電動機反轉(zhuǎn)帶動鋼索運轉(zhuǎn)時，則連接軸沿導軌向下滑動[9-10]。在連接軸的上端配有可伸縮的扶手，下端安裝一塊可折疊的踏板，利用微型電機驅(qū)動實現(xiàn)扶手的伸縮和踏板的收放。不使用時扶手縮進電梯外殼內(nèi)部，踏板收攏靠在電梯上；使用時扶手伸出，踏板則從電梯側(cè)面翻轉(zhuǎn)下來，以供用戶乘坐。

圖1 樓道電梯系統(tǒng)的全局結(jié)構(gòu)示意圖

在每個樓層平臺和電梯扶手上均設(shè)有控制按鍵，需要使用電梯時，按下所在樓層的數(shù)字鍵，電梯便快速到達乘坐者所在樓層；隨后扶手自動伸出，側(cè)面自動翻下一塊踏板[11]。乘客站上去之后，扶著電梯上的扶手，再按下目的樓層的數(shù)字鍵，電梯便沿軌道開始運行；遇到彎道時電梯自動轉(zhuǎn)彎，乘客無需中途上下。當?shù)竭_目的地樓層后，電梯自動停止；乘客離開后，電梯檢測到無人站立在踏板上，便自動收縮扶手、合上踏板。

在電梯工作過程中，按請求先后為各用戶服務。當一個用戶按鍵后，電梯立即執(zhí)行該用戶的請求，若此時有其他用戶按鍵，電梯則不予理會。只有待上個用戶的請求執(zhí)行完畢，電梯才會執(zhí)行下個用戶的請求。

2 輪齒輪式轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

輪齒輪式轉(zhuǎn)向機構(gòu)如圖2所示。在圖2中，兩只齒輪1和一只滑輪2通過軸承4安裝在軸3上[12]；軸3通過緊固件固定在導軌架上，齒輪1和滑輪2均可在軸3上轉(zhuǎn)動。與其匹配，如圖3所示，在抱索器的兩側(cè)也加裝一對相同的齒輪（與圖2中的齒輪幾何參數(shù)完全相同），此2只齒輪與轉(zhuǎn)軸固定連接，抱索器與轉(zhuǎn)軸間裝有軸承，2只齒輪連同轉(zhuǎn)軸相對于抱索器可以自由轉(zhuǎn)動。抱索器的兩塊夾板通過螺紋連接將鋼索夾緊，尾端通過螺紋連接安裝在連接軸上。為了讓電梯能夠順利轉(zhuǎn)彎，文中采用了輪齒輪式轉(zhuǎn)向機構(gòu)，使電梯能夠順利通過拐彎處，達到一步到位的目的。

圖2 輪齒輪結(jié)構(gòu)

圖3 抱索器結(jié)構(gòu)

圖1中，在軌道的180°轉(zhuǎn)彎范圍內(nèi)設(shè)置了一系列的轉(zhuǎn)向輪齒輪。輪齒輪的轉(zhuǎn)向過程如圖4所示。在抱索器與滑輪相撞之前，抱索器上的齒輪先與轉(zhuǎn)向輪齒輪嚙合。由于鋼索有一定的彈性，且齒輪的分度圓直徑比滑輪的節(jié)圓直徑大，所以在齒輪嚙合時可以使抱索器與滑輪間分開一定間隙而不會相撞。當抱索器上的齒輪與上一對轉(zhuǎn)向輪齒輪脫離嚙合后，再與下一對轉(zhuǎn)向輪齒輪進入嚙合。通過抱索器上的齒輪與各對轉(zhuǎn)向輪齒輪的交替嚙合，避免了抱索器與滑輪的相撞，實現(xiàn)了電梯的自動、平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎。

3 電氣控制系統(tǒng)與動力系統(tǒng)

圖4 輪齒輪的轉(zhuǎn)向過程

樓道電梯的電氣控制系統(tǒng)包括控制電路、保護電路以及傳動系統(tǒng)等；動力系統(tǒng)包括供電電源、電動機驅(qū)動裝置等。傳動系統(tǒng)的輸出分別接至驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向輪齒輪、鋼索以及微型電動機等?？刂破鞯妮敵鼋涌刂齐娐罚刂齐娐返妮敵鼋觽鲃酉到y(tǒng)[13-15]，傳動系統(tǒng)的4個部分構(gòu)成控制單元輸出，傳動系統(tǒng)獲得的信號反饋至保護電路，保護電路的信號可直接反饋至傳動系統(tǒng)，保護電路還將信號反饋到控制電路，通過控制電路進行處理與調(diào)控。

4 結(jié)語

針對老式住宅空間狹小的建筑特點，基于輪齒輪式轉(zhuǎn)向機構(gòu)，文中設(shè)計了一種可以實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)彎的“一步到位”的新型樓道電梯。與廂式電梯、扶手電梯相比，該樓道電梯更適合于老式住宅樓道的改造安裝；與分段式接力電梯相比，可以一步到位，直接到達目的地，具有價格低、體積小、操作簡單、維修方便、安全可靠等特點，應用前景廣闊。

[1] 國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2016.

[2] 郝琳.我國人口老齡化問題研究及對策[D].濟寧:曲阜師范大學,2014.

[3] 李志宏.人口老齡化問題的本質(zhì)和特征分析—兼論人口過度老齡化[J].老齡科學研究,2013,1(2):3-10.

[4] 李宏.應在多層老式居民住宅加裝電梯[N].人民政協(xié)報,2010-01-04(B01).

[5] 李海天.廣州首部“第三類電梯”現(xiàn)身越秀區(qū)某小區(qū)[J].電梯工業(yè),2015(4):23-23.

[6] 葉天泉,劉瑩,劉英杰,等.房地產(chǎn)中介辭典[M].沈陽:遼寧科學技術(shù)出版社,2004.

[7] 余康.淺析電梯導軌支架和導軌安裝工藝[J].科技與創(chuàng)新,2016(2):85-86.

[8] 陳聰.淺議電梯導軌的安裝要點及在用電梯導軌的校正[J].科技資訊,2015(18):79-80.

[9] 汪少軍.異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)快速正反轉(zhuǎn)控制策略研究[D].長沙:中南大學,2009.

[10] 吳海燕,李錦全,陳育中.三相異步電機正反轉(zhuǎn)PLC控制電路設(shè)計[J].江蘇科技信息,2013(3):66-68.

[11] 李朋,羅飛,許玉格,等.電梯驅(qū)動與能量回饋一體化控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化儀表,2011(11):76-78.

[12]張振國.輪齒輪式架空索道外切轉(zhuǎn)向器:CN201842090U[P].2011-05-25.

[13]楊章勇.基于PLC的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[D].西安:長安大學,2012.

[14]張勝榮.嵌入式電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學,2011.

[15]魏國軍.基于PLC的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].科技資訊,2016(8):58-60.