基于剪切增稠流體的自動扶梯防逆轉裝置設計

呂曉易

（嵊州中學，浙江紹興，312400）

0 引言

近年來，因具備連續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用。可是與此同時，自動扶梯事故也頻頻發生。在多起自動扶梯逆轉事故中，扶梯的防逆轉裝置未能有效發揮作用。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裝置，但此設計需要供電，存在一定風險，所用電磁鐵、楔形鐵塊數目較多，成本高，不利于安裝以及維護，并且安裝在梯級表面可能對人造成傷害。朱明春[2]對自動扶梯防逆轉要求和防護措施進行了分析，可是沒有提出具體的技術創新方案。

本文應用了剪切增稠流體特性實現自動扶梯的防逆轉。剪切增稠流體是20 世紀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，當突然受到沖擊時變得異常粘稠，甚至展現出類固體狀態，當撤去外部作用時重新恢復到流體狀態。剪切增稠流體已經應用于防彈衣領域[3]，高樓逃生緩降器[4]，減速帶等[5]。本文設想將剪切增稠流體應用于自動扶梯防逆轉裝置中，相較于傳統的摩擦式防逆轉裝置，具有無磨損、無需供電、制動平緩、自動調節下降速度等優點，可減小制動過程中對人體造成的傷害。

1 設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，進而在鏈輪上的力矩為37411N×1m/2=18705.5Nm。

2 整體方案設計

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，轉子等幾部分組成。變速機構由鏈輪，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。制動機構由轉子，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，棘輪和變速機構固連，剪切增稠流體中的轉子通過軸和變速機構鏈接。當鏈輪正常運轉時棘輪不傳動，而當鏈輪反向運轉時棘輪傳動，從而帶動變速機構。軸受到太陽輪的驅動，帶動轉子運動。剪切增稠流體受力，對轉子運動起到阻礙作用，起到制動效果。由于剪切增稠流體材料的特性，在逆轉速度較低的情況下，轉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，對轉子阻力作用較小，不會發生可能導致乘客二次傷害的急停現象。而當逆轉速度較高的情況下，剪切增稠流體受到剪切作用較大，相應的其粘度和對轉子的阻力也較大，可以將轉子逆轉速度降至合理范圍內，即將危險控制在可接受范圍內。

圖1 整體設計方案示意圖

圖2 棘輪機構示意圖

棘輪機構由棘爪，棘輪，彈簧，中心輪等幾部分組成。中心輪與轉子固連，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緊力，使之與棘輪內側緊貼，可卡住棘輪的棘齒。當鏈輪帶動棘輪逆時針運轉時（即自動扶梯工作在正常狀態下），棘爪連接的彈簧容易被壓縮收回，不阻礙棘輪運動。當棘輪順時針運轉時（即自動扶梯工作出現逆轉），棘輪被棘爪卡住，從而帶動中心輪運動，使制動機構開始運作。

3 詳細計算

根據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，故取穩定運動時剪切速率為5000s-1，初取轉子直徑d=1m，間隙h 為0.002m，因此轉子的角速度(rad/s)：

圖3 典型的剪切增稠流體的剪切速率—粘度曲線

這樣，穩定工作狀態時鏈輪角速度和轉子角速度差別較大，需要設計傳動裝置進行轉速變換。因此設計了圖1 中的行星齒輪減速器傳動裝置，其傳動比應為：

根據行星齒輪減速器傳動比公式：

取齒圈和太陽輪的齒數 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。

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

根據為5000s-1，對應的粘度為0.5Pa·s，這樣轉子上作用的剪切應力（Pa）：

進一步計算剪切增稠流體在轉子上作用的阻力矩：

由轉子穩定工作時力矩平衡，即T=T′得到：

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

4 結論

針對現有自動扶梯防逆轉裝置的不足，本文提出了一種基于剪切增稠流體的自動扶梯防逆轉設計，可以有效避免自動扶梯逆轉事故發生。可針對提升高度為6 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，達到自動和穩定的制動效果。研究中取得了如下主要結論：

（1）所設計的基于剪切增稠流體的自動扶梯防逆轉裝置主要由制動機構、變速機構、單向傳動機構、固連裝置組成。（2）變速機構中，齒圈和太陽輪的齒數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）制動機構中，剪切增稠流體穩定運動時剪切速率為5000s-1，變速機構中，轉子直徑d=1m，間隙h 為0.002m，推導出行星齒輪減速器的傳動比應為1/10，滿足要求。（4）制動機構中，轉子上的等效力矩為1870.55N·m，轉子高度l 為0.476m，滿足要求。

本文設計的結果中，裝置的體積較大，可進一步優化結構，縮小體積，降低成本，增強其實用性。