安全節(jié)能型自動(dòng)扶梯設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)背景：
　　電梯，特別是自動(dòng)扶梯成了生活中不可或缺的一部分。電扶梯一般分上行與下行兩部分，根據(jù)乘電梯的人數(shù)來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)功率，使自動(dòng)扶梯始終保持勻速運(yùn)動(dòng)。前不久，深圳就曾經(jīng)出現(xiàn)由于乘電梯的人數(shù)過多，電機(jī)功率不足而導(dǎo)致電梯倒滑，造成人員傷亡的事故。于是我想，在我們增強(qiáng)安全意識(shí)的同時(shí)，能否把扶梯下行時(shí)，將人的重力勢能轉(zhuǎn)變成扶梯上行的動(dòng)力，從而達(dá)到省電節(jié)能的目的呢？
　　設(shè)計(jì)構(gòu)思：
　　有一天，看見兩個(gè)孩子在玩蹺蹺板，引起了我的思考：可否用下行乘客的重力來帶動(dòng)上行呢？這樣安全系數(shù)也會(huì)提高很多！根據(jù)我現(xiàn)有的知識(shí)，將兩個(gè)轉(zhuǎn)向不同的裝置連接起來最有效的方法是利用齒輪組。那么，是不是可以在電梯內(nèi)部安裝一個(gè)齒輪組來完成我的設(shè)想呢？
　　設(shè)計(jì)過程：
　　（一）理論推導(dǎo)
　　首先，介紹幾個(gè)數(shù)據(jù)并做出假設(shè)：
　　1.自動(dòng)扶梯空轉(zhuǎn)功率P：（垂直）高度小于4m的自動(dòng)扶梯，功率在7.5kw左右，此處取整P=7.5kw。
　　2.摩擦因數(shù)μ：根據(jù)有關(guān)資料，摩擦因數(shù)在0.6～0.8之間，由于上了潤滑油，摩擦因數(shù) μ取0.6，摩擦力為f。
　　3.自動(dòng)扶梯規(guī)定的運(yùn)動(dòng)速度v=1.5m/s。
　　4.每一個(gè)乘客的體重取平均值600N（即60kg）。
　　5.自動(dòng)扶梯的傾角θ：為作對比，自動(dòng)扶梯的傾角將取深圳失事電梯的傾角 θ=45°。
　　為了簡化計(jì)算，將自動(dòng)扶梯的空轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)化成“人功率”P人（即將n個(gè)人送上4m所需的功率）：式的意義在于，當(dāng)電梯不制動(dòng)且處于運(yùn)動(dòng)中時(shí)，7個(gè)人可以令其停止。傳統(tǒng)電梯采用雙電動(dòng)機(jī)模式，每個(gè)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力為7人功率，當(dāng)上行人數(shù)為X，下行人數(shù)為Y時(shí)，有①下行人數(shù)小于等于P人：P總=2P人+X?△P-Y?△P=14+X-Y；②下行人數(shù)大于P人：P總=（P人+X）+（Y?△P- P人）= X+ Y。
　　節(jié)能型扶梯采用單發(fā)電機(jī)聯(lián)動(dòng)模式，電動(dòng)
　　機(jī)動(dòng)力為P人′14人功率。不論下行人數(shù)是多是少，都有：△P′= X?△P-Y?△P=X-Y；P′總=P′人+△P′=14+X-Y。上述幾式中，?P為將一個(gè)人送上去的功率，即單位人功率。
　　通過以上各式，我們可知道，當(dāng)下行人數(shù)小于平衡人數(shù)P人時(shí)，節(jié)能型扶梯與傳統(tǒng)扶梯的功耗相同；而在下行人數(shù)多于P人時(shí)，節(jié)能型扶梯要比傳統(tǒng)扶梯功耗更少。該裝置可行性理論得證。
　　（二）實(shí)物設(shè)計(jì)
　　最初的設(shè)想圖如下圖：其主要工作原理是由一個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)，靠兩個(gè)齒輪組進(jìn)行聯(lián)動(dòng)工作，從而達(dá)到“一馬達(dá)，兩方向”的最終運(yùn)行效果。這個(gè)方案的基本構(gòu)想就是利用人給自動(dòng)扶梯的下滑力，為上行電梯提供一部分動(dòng)力，從而達(dá)到節(jié)能省電的目的。
　　圖1中每個(gè)齒輪組由4個(gè)齒輪組成，箭頭方向表示其旋轉(zhuǎn)方向 。電機(jī)與扶梯之間有脫軸裝置，當(dāng)中間的齒輪組出現(xiàn)故障時(shí)，脫軸裝置會(huì)自動(dòng)斷開，同時(shí)啟用備用電機(jī)，使齒輪故障不會(huì)影響到自動(dòng)扶梯的運(yùn)行。備用電機(jī)：備用電機(jī)平時(shí)不啟用，緊急時(shí)刻作用有兩個(gè)：一是當(dāng)齒輪組故障時(shí)，配合脫軸裝置，使兩電梯仍正常運(yùn)行；二是當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以啟用以使電梯正常運(yùn)行。圖2為完成的實(shí)物模型：
　　（三）實(shí)驗(yàn)測試
　　將整個(gè)模型接入12伏的直流電源，電梯正常運(yùn)行，電流表顯示電流大小約為250mA。當(dāng)在上行電梯上放上1千克重物時(shí)，電流表示數(shù)為300mA。之后我又在下行電梯上放同樣重的物體，示數(shù)在325mA左右晃動(dòng)。
　　之后，我將鉸接裝置分開，分別在上下行放上1千克重物，電流表的示數(shù)達(dá)到了近375mA，比節(jié)能模式下要大了將近50mA。僅僅是12伏電源就有如此大效果，這個(gè)結(jié)果說明該設(shè)計(jì)設(shè)想是成功的。
　　結(jié)論總結(jié)：
　　通過理論推導(dǎo)以及反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)具有極高的可行性，雖然改進(jìn)電梯會(huì)增加一定的成本，但從長遠(yuǎn)利益來看，這一設(shè)計(jì)是利大于弊的。首次，本設(shè)計(jì)使用齒輪組將上下行自動(dòng)電梯相鉸接，一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方向，利用下行乘客的重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)力來減少一部分電能，從而達(dá)到省電節(jié)能的作用，特別是下行人數(shù)越多，節(jié)省的電力越多，且不會(huì)由于下行人數(shù)過少而導(dǎo)致電梯的功耗增大。尤其是在超市、車站、影院的等人流量大的地方，該設(shè)計(jì)的省電量將是顯而易見的。
　　其次，在安全方面，由于兩自動(dòng)扶梯相聯(lián)動(dòng)，所以使電梯達(dá)到倒滑程度所需的摩擦力也會(huì)增加整整1倍，將大大降低電梯倒滑事故的發(fā)生率，極大限度地保障了乘客的安