羅晨威 王樹標(biāo) 趙 靖 陳鼎熙

(北京動物園，北京，100044)

動物園展館設(shè)計是動物園建設(shè)和管理的基礎(chǔ)，對圈養(yǎng)動物的福利和豐容設(shè)施使用、飼養(yǎng)員和獸醫(yī)的工作操作、游客的觀賞和教育體驗都具有至關(guān)重要的作用，其安全性尤其重要。野生動物飼養(yǎng)設(shè)施的安全設(shè)計涉及欄桿、護網(wǎng)、隔墻、壕溝和串門等[1]，其中串門既起到了連接各個功能分區(qū)的作用，又起到了飼養(yǎng)員與動物隔離的阻隔作用，保障了飼養(yǎng)員對動物進(jìn)行飼養(yǎng)管理、行為訓(xùn)練等日常工作的順利和安全完成。

在對犀牛(Ceratotheriumspp.)、河馬(Hippopotamusspp.)等大型食草動物的展館設(shè)計中，設(shè)計師往往認(rèn)為這些動物沒有威脅而不注重隔離設(shè)施的安全設(shè)計，串門往往不作為設(shè)計的重點，其重要性被弱化和忽視。但實踐證明，串門設(shè)計對動物籠舍的安全、高效運行起到至關(guān)重要的作用。作為一項重要的功能構(gòu)件，串門應(yīng)在大型食草動物的飼養(yǎng)設(shè)施設(shè)計中得以重視。本研究以白犀(Ceratotheriumsimum)為例，設(shè)計了推拉門重型吊軌、承重滑輪組及限位系統(tǒng)，并在北京動物園犀牛館應(yīng)用，旨在為大型食草動物的展館設(shè)計提供必要的參考。

1 新型推拉門系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

動物園設(shè)計中的“功能分離設(shè)計原理”強調(diào)通過不同的設(shè)施來實現(xiàn)分離出不同的功能區(qū)域[2]。在動物園日常飼養(yǎng)管理操作中規(guī)定，嚴(yán)禁飼養(yǎng)員與大、中型食草動物在同一空間內(nèi)進(jìn)行操作，必須通過多個串門將動物控制在不同的功能空間，從而保證飼養(yǎng)員進(jìn)行日常的消毒和行為訓(xùn)練等操作的安全性。

此次設(shè)計參考了重型倉庫推拉門軌道的相關(guān)技術(shù)對犀牛籠舍推拉門吊軌、承重滑輪組及限位系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計，以安全、輕便、耐用為原則，進(jìn)而達(dá)到推拉門重量輕、剛度好、開關(guān)靈活、不脫軌、限位有效、抗沖擊等效果[3]。

1.2 設(shè)計流程

1.2.1 大型草食動物的撞擊力

首先根據(jù)物種的體型特征和撞擊力進(jìn)行串門承受能力的設(shè)計。犀牛四肢強健，體型巨大，盡管如此，其奔跑速度仍然非常驚人[4]。 以體型最大的白犀為例確定犀牛對欄桿門的撞擊力。白犀體長一般300～450 cm，肩高175～205 cm，體重2000～3500 kg，將m設(shè)為成年白犀的最大質(zhì)量3500 kg，而成年白犀的奔跑速度高于30 m/s，則v1設(shè)為30 m/s[5]，碰撞后速度為v2=0，碰撞時間為t=1 s，則Ft=mv2-mv1，由此可算出碰撞力F=210000 N，再通過物理中的千克力換算(9.8 N/kg)，將力換算為質(zhì)量；此時講的“欄桿門扇受到的碰撞瞬間受力”實際上就是平均力。因為瞬時值是先增大后減小的，這一過程中的最大受力按平均力的2倍估算。

撞擊力計算公式：F×t=m×v2-m×v1=2×m×△v/t

F=2×3500×30/1=210000 N/9.8(N/kg)=21429 kg=21.429 t

可見，欄桿門瞬間要承受將近22 t重的物體沖擊力，由于動物運動場面積有限，《動物園設(shè)計規(guī)范》中犀牛獸舍面積為500 m2[6]，在這樣的運動場內(nèi)白犀的奔跑速度達(dá)不到最大值，所以欄桿推拉門受到的正面?zhèn)认驔_擊力略小，但實際沖擊力數(shù)值也很可觀。

1.2.2 現(xiàn)狀調(diào)研分析

通過對現(xiàn)狀犀?；\舍的實地勘察、尋訪及實踐操作，發(fā)現(xiàn)籠舍推拉門在應(yīng)用中存在以下問題：推拉門吊軌軌道及配套結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸規(guī)格較大，安裝使用時笨重不便；鋼制推拉門自重大，關(guān)閉狀態(tài)下承受來自動物的較大沖擊力，易造成自制軌道的銹蝕變形和吊輪碎裂等現(xiàn)象，增加日常維護頻率，造成安全隱患；推拉門底部導(dǎo)軌槽存積淤泥、落葉造成底部滑動定位輪損壞銹蝕，轉(zhuǎn)動不暢[7]；導(dǎo)向板或地軌設(shè)置在地面以上，經(jīng)常被犀牛踩踏破壞，同時造成動物四肢蹄部傷害，產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而加大對欄桿門的沖擊頻率和沖擊力，造成推拉門脫軌，形成重大安全隱患；吊軌推拉門負(fù)重輪的單輪和雙輪負(fù)重面積小，垂直承載力不足，且軌道和輪組的精密度較差，設(shè)備之間的縫隙差不均勻[7](圖1，圖2，圖3)。

圖1 傳統(tǒng)吊軌及吊輪組[7]Fig.1 Traditional hanging rail and wheel set

圖2 傳統(tǒng)吊軌及吊輪組[3]Fig.2 Traditional hanging rail and wheel set

圖3 傳統(tǒng)推拉門限位裝置[7]Fig.3 Traditional restricted position device of the horizontal sliding door

1.2.3 新型結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型重型吊軌采用了35號熱鍍鋅鋼板通過機械折壓預(yù)制而成，形成了整體封閉的吊軌；承重滑輪組采用45號合金鋼整體成型產(chǎn)品，提高了精密度和封閉性，負(fù)重輪增加為兩副8個小直徑負(fù)重輪，加大了懸掛負(fù)重面積，即保證了滑輪組的耐腐蝕性，又保證了負(fù)重懸掛的穩(wěn)定性和安全性；

設(shè)置由上、中、下三部分組成的限位系統(tǒng)(圖4)，推拉門底部增加“U”型導(dǎo)軌，配合地面安裝的大直徑限位導(dǎo)向輪(圖5)，確保推拉門下緣在運行過程中底部受到動物的側(cè)向沖擊時不會大幅度側(cè)向位移，不脫軌、不傾斜，保證整體門扇不會大幅度前后搖擺，對承重滑輪組造成損壞，保證推拉門平穩(wěn)運行；在推拉門門框兩側(cè)立柱上安裝設(shè)置一組定位限位滑輪(圖6)，既可以用來承受欄桿門在運行過程中受到的沖撞力，保證門扇立柱的變形控制在允許范圍內(nèi)，減小門扇與整體框架之間的縫隙，又能保證在門扇保持關(guān)閉狀態(tài)時在受到動物的側(cè)向沖擊時可以有效地傳遞沖擊應(yīng)力至整體框架；在合金鋼承重滑輪組中設(shè)置一組兩個前后排列的限位軸承滑輪組，確保承重滑輪組在重型軌道運行過程中的橫向位移在3 mm以內(nèi)，重型吊軌下方“C”型開口為28 mm，限位軸承直徑為25 mm，保證每側(cè)之間的縫隙差不大于1.5 mm，從而保證了推拉門在滑動開關(guān)時的穩(wěn)定性和導(dǎo)向性，以及承重軸承組在受到動物側(cè)向沖擊時的安全可靠(圖7)。

圖4 新型重型吊軌和吊輪組系統(tǒng)圖Fig.4 System diagram of the new type of heavy rail and crane wheel set

圖5 推拉門底部限位輪Fig.5 Restricted position wheelof the horizontal sliding door(Bottom)

圖6 推拉門側(cè)柱限位輪Fig.6 Restricted position wheelof the horizontal sliding door(Side column)

圖7 承重滑輪組設(shè)計圖Fig.7 Design of the load-bearing pulley group

1.3 成品加工制作

隔離推拉串門采用欄桿式推拉門形式，采用方形鋼管、圓形鋼管、槽鋼等材料制成，根據(jù)不同的動物種類和習(xí)性及破壞力，來確定鋼材的型號規(guī)格和欄桿門的整體強度，以犀牛欄桿式推拉門為例，門扇高2.1 m，寬2.2 m，國標(biāo)焊接鋼管制成，自重約0.6 t(圖8)；重型吊軌采用35號熱鍍鋅鋼板通過機械折壓預(yù)制成，高100 mm，寬80 mm，壁厚8 mm，軌道口寬28 mm[8](圖9)。重型吊軌系統(tǒng)配置的是45號合金鋼承重滑輪組——由直徑35 mm的每組4個精鋼軸承組成；滑輪組吊桿也是45號合金鋼加工制作而成，直徑20 mm(圖10，圖11)。

圖8 犀牛欄桿推拉門Fig.8 The railing horizontal sliding door of rhinocero

圖9 熱鍍鋅重型吊軌Fig.9 Heavy lifting rail with hot-dip galvanized

圖10 承重滑輪組Fig.10 Load-bearing pulley group

圖11 吊輪懸掛系統(tǒng)剖面圖Fig.11 The cross-section of the hanging wheel hanging system

1.4 系統(tǒng)安裝調(diào)試

根據(jù)拉力計算公式F=M×a測算

F拉力N(千克力)；M質(zhì)量 kg(公斤)；a=9.8 N/kg(牛頓/公斤)

傳統(tǒng)吊軌推拉門自重約18.16 kg，開啟拉力為177.968 N；新型重型吊軌及承重軸承組系統(tǒng)自重約4.785 kg，開啟拉力為46.893 N。傳統(tǒng)推拉門吊軌系統(tǒng)拉動時所用的拉力是新型重型吊軌及承重軸承組系統(tǒng)拉動時所用拉力的3.8倍，也就是說拉動新型推拉門時可以節(jié)省3/4的力氣。

2 系統(tǒng)在北京動物園犀牛展區(qū)的應(yīng)用

2.1 對現(xiàn)有設(shè)計的改造

以北京動物園2016年犀牛展區(qū)改造項目為例，該項目在設(shè)計過程中對原有犀牛獸舍推拉串門在日常使用過程中的問題及養(yǎng)護頻率進(jìn)行了深入調(diào)查和統(tǒng)計，問題主要集中在以下幾點。

吊軌軌道及配套結(jié)構(gòu)材料構(gòu)件的尺寸規(guī)格較大，不僅浪費材料，而且安裝使用時笨重不便，常使用槽鋼制作加工而成。

滑輪組等配件缺少設(shè)計和計算驗證環(huán)節(jié)，沒有經(jīng)過承載力和抗沖擊力計算，長時間使用磨損嚴(yán)重，造成推拉不順暢或過早損壞，常用普通軸承制作加工而成。

推拉門底部導(dǎo)軌采用地槽式定位輪式限位裝置，在日常使用中凹槽內(nèi)會存積大量的淤泥、落葉，不及時清理易造成推拉門底部滑動定位輪損壞銹蝕，轉(zhuǎn)動不暢；且由于地槽與推拉門之間的誤差曠量較大，抗沖擊力大大降低，很容易被大型動物沖撞損壞。

整個推拉門系統(tǒng)全部采用普通碳素型鋼制作加工而成，防雨及抗腐蝕性不強，極易被銹蝕，日常維護維修頻率較高。

經(jīng)過對以上幾點的深入調(diào)研，在該項目中新老運動場犀牛通道內(nèi)的六樘推拉串門全部采用新的設(shè)計方案進(jìn)行制作安裝。項目于2016年5月投入使用，至今在使用過程中未發(fā)生過由于動物沖撞造成推拉門脫軌及限位構(gòu)件變形損壞的問題發(fā)生，且日常保養(yǎng)維修頻率大大降低，得到了北京動物園動物飼養(yǎng)部門廣大技術(shù)人員的一致認(rèn)可。

2.2 使用效果分析

新型重型吊軌提高了封閉性，避免了雨雪的侵入。新型推拉門重型滑輪組系統(tǒng)中承重滑輪組提高了精密度和封閉性，從每樘推拉門兩副4個大直徑負(fù)重輪改為兩副8個小直徑負(fù)重輪，增加了懸掛負(fù)重面積，既保證了滑輪組的耐腐蝕性，又保證了負(fù)重懸掛的穩(wěn)定性和安全性。再加上一體化熱鍍鋅鋼板制成的重型吊軌增加了吊軌與滑輪組之間的貼合度，減小了設(shè)備之間的縫隙差，保證整體垂直受重達(dá)到2 t荷載。

通過新設(shè)計的承重軸承組和三級限位系統(tǒng)，避免了推拉門由于承受動物側(cè)向沖擊而造成的門扇整體脫軌、軌道彎曲損壞、承重滑輪軸承碎裂等影響使用的現(xiàn)象發(fā)生，保證了整體重型吊軌、承重滑輪組及限位系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，減少了日常維護和維修頻率。同時還避免了在地面上設(shè)置凹槽和鋼板角鐵導(dǎo)軌帶來的操作不便和動物的傷害隱患。

3 應(yīng)用前景展望

此次嘗試的熱鍍鋅軌道與鋼制推拉門，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，采用特制構(gòu)件連接，避免因焊接損壞熱鍍鋅軌道。相比原有推拉門，熱鍍鋅軌道推拉門不易生銹且耐腐蝕，從而有效地解決了因氣候和天氣因素對推拉門軌道造成的損害降低了推拉門開啟的難度，減輕了飼養(yǎng)員的工作強度，提高了工作效率。與此同時推拉門增加了多級限位裝置，防止動物沖撞造成的破壞變形，確保推拉門輕松安全開閉。限位系統(tǒng)的設(shè)置大大提高了推拉門的抗沖擊力，減少了推拉門在日常使用過程中由于動物沖撞造成的損壞，減少了后期維修保養(yǎng)頻率。

本系統(tǒng)設(shè)計主要適用于犀牛、河馬、牦牛等大型食草動物籠舍、運動場、操作通道，根據(jù)動物習(xí)性及破壞力，選擇鍍鋅重型吊軌、承重滑輪組和限位系統(tǒng)的安裝位置及規(guī)格。系統(tǒng)運行可靠，操作輕便，維護簡單；易于加工，具備模塊化特性；抗沖擊力和抗破壞力強；符合現(xiàn)代動物園建設(shè)需求，有著廣泛的應(yīng)用前景。