韋 磊，張 鴻

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

自動(dòng)扶梯是現(xiàn)代運(yùn)輸工具中的一種運(yùn)載機(jī)械，主要應(yīng)用于各大商場、站臺等場合，能夠?qū)崿F(xiàn)行人在2個(gè)不同高度的水平面之間的相互運(yùn)輸。傳統(tǒng)自動(dòng)扶梯基本是直線型，只能滿足點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)輸，軌跡單一，梯路無法隨地形和環(huán)境變化，因此只能適用于特定場合，嚴(yán)重限制了其使用范圍。隨著越來越多樣化的建筑理念和建筑形式，直線型自動(dòng)扶梯已滿足不了酒店、大廈和高檔旅游景區(qū)等特殊環(huán)境的需要[1]。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯變坡度、變方向循環(huán)運(yùn)行的目的，本文提出了一種新型連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置[2]。該運(yùn)輸裝置與傳統(tǒng)扶梯相比，不僅含有水平直線段、傾斜段等常見梯路，還含有曲率半徑變化的螺旋區(qū)段和水平彎曲段等，形式靈活多變，可以往復(fù)循環(huán)運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置梯級能夠沿曲率半徑可變，在平行于梯級踏面內(nèi)環(huán)形封閉的梯路上行走，梯路中可含有直線段、圓弧段和變曲率段等，能夠根據(jù)空間環(huán)境進(jìn)行配置[3]。該運(yùn)輸裝置的主要優(yōu)點(diǎn)在于突破了傳統(tǒng)扶梯梯級只有一半用于實(shí)際運(yùn)載的缺陷，利用率高；可以變坡度、變方向回環(huán)運(yùn)行，適應(yīng)性好。

1 連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

1—扶手裝置；2—驅(qū)動(dòng)裝置；3—梯級裝置；4—導(dǎo)軌裝置圖1 連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置布置圖

連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置的布置圖如圖1所示，主要包括扶手裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、梯級裝置和導(dǎo)軌裝置。其中導(dǎo)軌裝置環(huán)形封閉布置在變坡度、變方向的地形上，扶手裝置固定在導(dǎo)軌裝置上方，驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置的出入口處。梯級裝置布置在導(dǎo)軌裝置內(nèi)部，通過導(dǎo)軌裝置導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)沿著導(dǎo)軌連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

在設(shè)計(jì)該連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置時(shí)，需要根據(jù)地形情況對梯路進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)繪出梯路俯視圖(如圖2所示)，包括水平直線段、彎曲段和傾斜段，具體尺寸單位為mm，梯路傾斜段具體尺寸如圖3所示。

1—水平直線段；2—彎曲段；3—傾斜段圖2 梯路俯視圖

圖3 梯路傾斜段圖

連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置的基本參數(shù)包括傾斜段傾角α，梯級踏板的寬度z，額定運(yùn)行速度v，理論輸送能力C等。自動(dòng)扶梯傾角為梯級踏板與水平面構(gòu)成的角度，要求不超過30°，本文取α=20°。國內(nèi)自動(dòng)扶梯梯級踏板寬度通常有0.6 m、0.8 m、1.0 m 3種參數(shù)，本文取z=0.8 m。國標(biāo)自動(dòng)扶梯額定運(yùn)行速度通常有0.50 m/s、0.65 m/s或0.75 m/s 3種參數(shù)，本文取v=0.5 m/s。理論運(yùn)載能力C為每小時(shí)可以運(yùn)載的乘客人數(shù)，它是假設(shè)所有梯級上都裝滿乘客，則有：

(1)

式中：k為承重因子，與踏板寬度z相關(guān)，當(dāng)z=0.8 m時(shí)，k=1.5；額定運(yùn)行速度v=0.5 m/s；y為梯級踏板的深度，國標(biāo)規(guī)定大于0.38 m，本文取y=0.6 m；理論輸送能力C=4 500人/h。

2 扶手裝置和驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

扶手裝置示意圖如圖4所示，包括玻璃欄板、扶手帶、驅(qū)動(dòng)輪和張緊輪。其中扶手帶設(shè)置在玻璃欄板上方，驅(qū)動(dòng)輪通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)扶手帶沿著玻璃欄板上方的導(dǎo)軌導(dǎo)向循環(huán)運(yùn)動(dòng)，張緊輪側(cè)向壓緊扶手帶提供張緊力，防止扶手帶打滑影響扶手帶與梯級裝置的同步性。

1—玻璃欄板；2—扶手帶；3—驅(qū)動(dòng)輪；4—張緊輪圖4 扶手裝置示意圖

1—張緊裝置；2—驅(qū)動(dòng)副軸；3—驅(qū)動(dòng)鏈輪；4—高速鏈輪；5—減速器；6—制動(dòng)器；7—電機(jī)；8—傳動(dòng)鏈；9—低速鏈輪；10—驅(qū)動(dòng)主軸；11—扶手帶驅(qū)動(dòng)輪；12—驅(qū)動(dòng)鏈圖5 驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)鏈、驅(qū)動(dòng)鏈輪、驅(qū)動(dòng)副軸、驅(qū)動(dòng)主軸、張緊裝置、扶手帶驅(qū)動(dòng)輪、低速鏈輪、高速鏈輪、傳動(dòng)鏈、電機(jī)、減速器和制動(dòng)器，如圖5所示。驅(qū)動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)2條平行設(shè)置且構(gòu)成閉環(huán)的驅(qū)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鏈輪分別通過驅(qū)動(dòng)副軸和驅(qū)動(dòng)主軸連接，驅(qū)動(dòng)副軸兩端分別設(shè)有張緊裝置。驅(qū)動(dòng)主軸一端設(shè)有扶手帶驅(qū)動(dòng)輪，另一端設(shè)有低速鏈輪，低速鏈輪與高速鏈輪通過傳動(dòng)鏈傳動(dòng)，高速鏈輪通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、減速器減速以及制動(dòng)器制動(dòng)。

3 導(dǎo)軌裝置設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌裝置包括斜撐、橫梁、斜梁、豎梁、縱梁、外導(dǎo)軌、內(nèi)導(dǎo)軌、水平腳輪導(dǎo)軌和護(hù)腳板輪導(dǎo)軌，如圖6所示。導(dǎo)軌裝置是連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置的主要支撐主體和導(dǎo)向系統(tǒng)，用來支撐和安裝其它零部件，包括梯級裝置、扶手裝置等，承受運(yùn)輸載荷；同時(shí)隨地形而變化，為梯級裝置的運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)向。上下平行布置的4根橫梁和周期間隔排布的斜梁、豎梁、縱梁組成導(dǎo)軌裝置的主要承載桁架結(jié)構(gòu)，桁架兩側(cè)布置有斜撐，增加了結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度。桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)部底面分別對稱設(shè)有外導(dǎo)軌和內(nèi)導(dǎo)軌，內(nèi)部側(cè)面分別對稱設(shè)有水平腳輪導(dǎo)軌和護(hù)腳板輪導(dǎo)軌。外導(dǎo)軌和內(nèi)導(dǎo)軌為梯級的外腳輪和內(nèi)腳輪提供導(dǎo)向，并承載外腳輪和內(nèi)腳輪傳遞的載荷，同時(shí)通過控制外導(dǎo)軌和內(nèi)導(dǎo)軌的相對高度可以保證變坡度環(huán)境下梯級踏板能夠保持水平。水平腳輪導(dǎo)軌通過給梯級側(cè)輪提供導(dǎo)向限制梯級水平運(yùn)動(dòng)，防止其跑偏，護(hù)腳板輪導(dǎo)軌通過高度控制可以實(shí)現(xiàn)護(hù)角板始終處于踏板上方一定高度。

1—斜撐；2—橫梁；3—斜梁；4—豎梁；5—縱梁；6—外導(dǎo)軌；7—內(nèi)導(dǎo)軌；8—水平腳輪導(dǎo)軌；9—護(hù)腳板輪導(dǎo)軌圖6 直線段導(dǎo)軌裝置示意圖

變坡度、變方向連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置、導(dǎo)軌裝置的軌跡應(yīng)包括直線段、彎曲段、傾斜段，彎曲段導(dǎo)軌裝置示意圖如圖7所示。將直線段內(nèi)外導(dǎo)軌的高度加以調(diào)節(jié)即可變成傾斜段，內(nèi)外導(dǎo)軌等高為水平路段，內(nèi)導(dǎo)軌高于外導(dǎo)軌為傾斜向下段，外導(dǎo)軌高于內(nèi)導(dǎo)軌為傾斜向上段。

圖7 彎曲段導(dǎo)軌裝置示意圖

4 梯級裝置設(shè)計(jì)

梯級裝置包括踏板、主立柱、旋轉(zhuǎn)腳輪、托架、主軸套、輔助軸套、外腳輪、肋板、縱梁、T型梁、齒條、輔助橫梁、內(nèi)腳輪、輔助立柱、角鋼、主橫梁、主托板、中柱和輔助托板，如圖8所示。踏板下方通過角鋼前后平行固接有垂直于踏板面的2根主立柱和2根輔助立柱，主立柱和輔助立柱之間自上而下分別對稱固接有2根主橫梁、2根T型梁和2根輔助橫梁，2根主立柱之間自上而下平行固接有托架和縱梁，2根主橫梁之間及2根輔助橫梁之間分別平行設(shè)有主托板和輔助托板，主托板和輔助托板之間設(shè)有中柱，托架外側(cè)端部固接有主軸套，主軸套另一側(cè)與輔助軸套固接，主軸套與縱梁之間固接有肋板。主立柱和輔助立柱外側(cè)對稱設(shè)有齒條，兩側(cè)的齒條用來添加驅(qū)動(dòng)。2根T型梁的外側(cè)對稱設(shè)有旋轉(zhuǎn)腳輪，用于平衡側(cè)向力，保證整個(gè)梯級的安全性。2根主立柱和2根輔助立柱外側(cè)分別對稱設(shè)有外腳輪和內(nèi)腳輪。梯級裝置踏板的前端為圓狀凸弧，后端為半徑相同的圓狀凹??；中柱中心線與踏板垂直并通過踏板凸圓弧圓心，主軸套和輔助軸套形成的軸孔中心線與踏板垂直并通過踏板凹圓弧圓心；裝配時(shí)，后踏板的凸弧裝配在前踏板的凹弧中，后踏板的中柱裝配在前踏板的主軸套和輔助軸套形成的軸孔中，實(shí)現(xiàn)梯級之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與上下運(yùn)動(dòng)。

1—踏板；2—主立柱；3—旋轉(zhuǎn)腳輪；4—托架；5—主軸套；6—輔助軸套；7—外腳輪；8—肋板；9—縱梁；10—T型梁；11—齒條；12—輔助橫梁；13—內(nèi)腳輪；14—輔助立柱；15—角鋼；16—主橫梁；17—主托板；18—中柱；19—輔助托板圖8 梯級裝置示意圖

梯級踏板承受乘客的重量，需要對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。梯級踏板材料選用6061鋁，將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件，設(shè)置材料參數(shù)，包括彈性模量，密度和泊松比，對踏板底部4個(gè)連接處施加完全約束，對踏板面施加均布面載荷0.1 MPa。通過靜力學(xué)求解得到踏板的位移和應(yīng)力分布云圖，如圖9所示。其中踏板最大位移為0.59 mm，最大應(yīng)力為46.4 MPa，因此滿足強(qiáng)度要求。

圖9 梯級踏板仿真結(jié)果

圖10為彎曲軌道梯級連接示意圖，每2個(gè)梯級踏板之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角度都是可變的，該梯級可以適應(yīng)變坡度、變方向的環(huán)境，可根據(jù)地形特點(diǎn)進(jìn)行鋪設(shè)，適應(yīng)性強(qiáng)。

圖10 彎曲軌道梯級連接示意圖

圖11為傾斜段梯級連接示意圖，外導(dǎo)軌低于內(nèi)導(dǎo)軌時(shí)對應(yīng)傾斜上升段，外導(dǎo)軌高于內(nèi)導(dǎo)軌時(shí)對應(yīng)傾斜下降段，外導(dǎo)軌與內(nèi)導(dǎo)軌平齊時(shí)對應(yīng)水平段；通過調(diào)整內(nèi)導(dǎo)軌和外導(dǎo)軌的相對高度保證梯級踏板在傾角變化的軌道中始終保持水平。

圖11 傾斜段梯級連接示意圖

5 結(jié)束語

(1) 設(shè)計(jì)了一種連續(xù)自動(dòng)運(yùn)輸裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)排布，可以實(shí)現(xiàn)變坡度、變方向的復(fù)雜地形條件下人員的可靠、高效運(yùn)輸，尤其適用于大型室內(nèi)購物商場、展覽館、高檔室外旅游景區(qū)等場合。

(2) 設(shè)計(jì)了具體的導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)，通過控制內(nèi)外導(dǎo)軌的高度，使踏板始終保持水平，可以根據(jù)地形特點(diǎn)進(jìn)行鋪設(shè)，適應(yīng)性強(qiáng)。

(3) 設(shè)計(jì)了具體的梯級裝置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)梯級之間的上下與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以滿足扶梯軌道變曲率的要求，提高了空間利用率，同時(shí)對踏板強(qiáng)度進(jìn)行了校核。