مراجعة: تصميم تهيئة السلالم المتحركة الحلزونية

بواسطة HY Tian و Li Yuxiang

السلالم المتحركة هي شكل شائع من وسائل النقل العام ، ومع مرور الوقت ، تزداد متطلباتها الجمالية مع انتشارها. نظرًا لأن الوظيفة الأساسية للسلالم المتحركة هي نقل الركاب بين مستويات الفضاء المختلفة ، فإن البديل هو تصميم سلم متحرك حلزوني مع مساحة أقل مطلوبة وجاذبية جمالية أكبر.

اعتمادًا على النماذج الرياضية ، يمكن تصنيف السلالم المتحركة إلى سلالم متحركة خطية ومنحنية فضائية. يمكن اعتبار السلم المتحرك الخطي بمثابة آلية حركة مستوية خطية عن طريق الإسقاط عبر جانب المصعد. بالمقارنة ، مسار حركة سلم متحرك منحنى الفضاء هو منحنى مستمر في السطح العمودي على الفضاء ثنائي الأبعاد. يمكن أيضًا اعتبار السلم المتحرك ذو منحنى الفضاء كمصعد خطي متصل بحركة عمودية على المستوى الذي يقع فيه. يتم تضمين السلم الكهربائي الحلزوني في فئة السلالم المتحركة ذات المنحنيات الفضائية.

يمكننا أيضًا تصنيف السلالم المتحركة على أنها حركة موحدة وحركة متغيرة منتظمة وفقًا لأنظمتها الديناميكية والقيادة. يحتوي التوليف المنتظم متغير السرعة على أوضاع السرعة والتوجيه. يجلب وضع التباين في الاتجاه العديد من التحديات لتقنية نظام القيادة المتسلسلة في السلالم المتحركة الحلزونية. إن برنامج تصميم منتجات السلالم المتحركة الحلزونية ذو سرعة ثابتة ، لكن براءات الاختراع الحالية على السلالم المتحركة متغيرة السرعة هي آليات حركية ، حيث لا توجد فجوة بين المكونات في تسلسل سلسلة الخطوات. يمكن أن تكون آليات الحركة الحركية مفتاحًا لتصميم السلالم المتحركة الحلزونية.

يمكننا استخدام مرحلة الدوران العكسي كمصعد آخر لنقل الركاب إلى مستوى أدنى من خلال الاستفادة الكاملة من قدرة نقل السلم المتحرك ، حيث تختفي دائمًا الدورة العكسية غير المستخدمة أسفل السلسلة. في ضوء التناقضات المادية بين سلسلة السلالم المتحركة الحلزونية ومكونات القطاع الدائري الموجودة في دورة التصميم ، يأمل المهندسون أن تستفيد التغييرات في شكل حركة السلاسل حول عجلة العجلة المسننة بشكل شامل من مرحلة الدورة العكسية. اقترحت بعض البرامج نماذج مثل درج متحرك وسلالم متحركة صاعدة ونزيلة لا نهاية لها. نظرًا لمشكلة استقرار السلم المتحرك للجسر العلوي ، لا يمكننا حل تحدي مكون خطوة على شكل كوب.

معالم في تطوير السلالم المتحركة الحلزونية

تم اقتراح مفهوم تصميم السلالم المتحركة الحلزونية ("المنحنية") من قبل جيسي دبليو رينو وتشارلز سيبرجر (ELEVATOR WORLD، أبريل 2008). أنتج رينو أول معدات مختبرية لإنشاء سلم متحرك حلزوني لمترو أنفاق لندن في عام 1906، لكن الجهاز لم يحظ بالتقدير العام، وفشلت التجربة. كان المخطط الذي أكمله سيبرجر في عام 1911 هو المرجع التكنولوجي الأكثر صلة.

في عام 1985 ، قامت Mitsubishi بتركيب سلم كهربائي حلزوني (EW ، فبراير 1985) ؛ ومع ذلك ، هناك العديد من العيوب وأوجه القصور في هذا التصميم ، بما في ذلك الفجوات المفرطة بين الأجزاء ، والسرعة البطيئة ، ومشاكل الضوضاء ، وتكنولوجيا التصنيع المعقدة ، والتحكم المعقد ، والدرجة المحدودة ، ودرجة الحركة الرابعة ، وزاوية التوجيه أقل من 180 درجة. مع ذلك ، جلبت Mitsubishi تطورًا ضخمًا في هذا المجال.

في الآونة الأخيرة ، اخترع جاك ليفي ، الأستاذ الفخري للهندسة الميكانيكية في جامعة سيتي بلندن ، "Levytator" (EW ، أغسطس 2005). لا يحتوي هذا التصميم على سلاسل قيادة ، لذلك تتمتع الدرجات بمرونة في المحور الرأسي ، بينما تكون على ارتفاعات مختلفة. وبالتالي ، يمكن أن يدور المصعد في أي اتجاه دون قيود. مقارنة بهيكل السلسلة التقليدي ، فإن مزايا وعيوب الرافعة واضحة. تم استخدام جزء الاسترجاع من سلم الرافعة باعتباره المصب ، ويمكن أن تستهلك استخداماته المزدوجة قدرًا أقل من الكهرباء ، مما يجعل الصيانة أسهل. من ناحية أخرى ، مع تحديد الوزن والعرض الهائل لمكون الخطوة ، فضلاً عن الاهتزاز والقدرة على التكيف للمحرك الثانوي الذي صنعه سلم ليفي نفسه ، لا يمكن أن توجد إلا كبديل للسلالم المتحركة الخطية.

تصميم الوظيفة والمفهوم

معظم التصاميم الحالية الحاصلة على براءة اختراع للسلالم المتحركة الحلزونية والبرامج ذات الصلة هي من الولايات المتحدة واليابان وأوروبا. اختارت الغالبية التركيز على تصميم الآلية ، وليس تحليل التصميم المفاهيمي أو الوظيفة. ما هو تصميم المصعد الحلزوني؟ يجب أن تكون هذه المشكلة هي المشكلة الأولى التي يعالجها جميع المصممين. يشعر العديد من مصممي السلالم المتحركة الحلزونية بأن القيمة الجمالية هي هدف أساسي مقارنة بالسلالم المتحركة التقليدية. هناك ثلاث مزايا أخرى للسلالم المتحركة الحلزونية - الهيكل المستقل والارتفاع غير المحدود والملاءمة البيئية.

تتمثل الوظيفة الرئيسية للسلالم المتحركة الحلزونية في نقل الركاب من طابق سفلي إلى طابق علوي في مسار حلزوني عن طريق محرك سلسلة. كوظيفة مساعدة ، هناك حاجة لسلسلة خطوات تتحرك على طول منحنى أو خط في المستوى للركاب لدخول السلم المتحرك أو مغادرته بأمان. تحتاج سلسلة الخطوة أيضًا إلى حركة ترددية ذات حلقة مغلقة. لكن متطلبات الأجزاء الثلاثة تجعل التصميم والإنتاج مستحيلًا.

بشكل عام ، يمكن اعتبار السلالم المتحركة الحلزونية على أنها سلالم متحركة تقليدية مع انحراف رأسي يضاف إلى طائراتها المتسلسلة ، ويتكون النموذج الرياضي من الحلزونات اليمنى ، بدلاً من الخطوط الحلزونية. معلمة الحلزون الصحيح في هندسة البناء هي سطر واحد ولولب واحد. يتقاطع الخط الشعاعي أفقيًا ، أو يقطع المستوى الرأسي لولب أسطواني قياسي على السطح الأسطواني. وبالتالي ، يمكننا الحصول على معيار للتصور أو البرنامج أو تصميم الآلية.

تصميم السلالم المتحركة الحلزونية

هناك فكرتان رئيسيتان في تصميم مخطط السلالم المتحركة الحلزونية: تحويل الإطار الناضج للسلالم المتحركة الحالية وإحداث انخفاض في مستوى معين على أساس المسار المتحرك المنحني الحالي.

تصميم سلم متحرك حلزوني على أساس الحلزوني الأيمن

تتعامل القضية الرئيسية لمخطط تحويل السلم المتحرك التقليدي إلى سلم متحرك حلزوني في الغالب مع النموذج الحركي.

القضية الأولى: سرعة التنسيق بين الأفقي واللولبي

وفقًا للصيغة الرياضية الصحيحة للحلزون الحلزوني:

حيث يرمز إلى معدل الرفع الحلزوني ، والذي يشير إلى نصف القطر وزاوية الرفع التي تحددها مجموعة اللوالب على سطح حلزوني يميني واحد.

حيث يشير H إلى نطاق رف الرفع على سطح حلزوني ، وحامل لزاوية الرفع إلى الأفق.

إذن ، السرعة اللولبية هي:

إذا كنا لا نزال نستخدم سلسلتي بكرة - واحدة في الداخل والأخرى من الخارج في الاتجاه الشعاعي - لتوجيه حركة الخطوة بشكل متزامن ، فيجب أن تكون سرعة الحركة لعلاقة كلا الجانبين بالشروط التالية:

حيث يعني الجزء العلوي سلسلة الخطوة `` نصف قطري من الداخل ، والجزء السفلي يعني سلسلة الخطوات 'شعاعيًا بالخارج.

تصبح النتائج بعد ذلك:

لذلك ، فإن إسقاط سلسلة نصف قطرية من الداخل والخارج أفقيًا يجب أن يتوافق مع نسبة الحركة:

إذا كنا لا نزال نستخدم نظام القيادة بالسلسلة ، في ظل متطلبات واجهة النظام لحركة تسلسل خطوة السلم المتحرك ، يجب أن تكون السرعة الشعاعية في الداخل والخارج مدفوعة بشكل متناسب. استنادًا إلى النظرية الميكانيكية الأولية ذات الدفع المتسلسل ، يجب أن تكون قيمة السرعة ونسبة كل من سلاسل محرك السلالم المتحركة الحلزونية في مواقع مختلفة على نصف القطر ثابتًا ، سواء كانت المرحلة الحلزونية اليمنى ، لتعزيز الراكب أو المرحلة الدائرية الحلزونية اليمنى إسقاط في الأفق للركاب الذين يصعدون أو ينزلون من المصعد. في ضوء ذلك ، لا تتطابق المراكز اللحظية للمرحلة الحلزونية اليمنى والمرحلة الدائرية الحلقية. تثبت براءات الاختراع الأمريكية رقم 4895239 و 4930622 و 4893160 و 4884673 و 5184710 وجهة النظر هذه. من أجل تلبية المتطلبات المذكورة أعلاه ، لا يتطابق مركز الحلزوني الأيمن والمراحل الدائرية الحلقية. علينا تغيير مسار السلسلة لتلبية احتياجات السرعات المختلفة. لذلك ، يجب أن تكون هناك اتصالات بين المراحل الدائرية الحلزونية والحلقة. يستخدم تصميم ميتسوبيشي هذه المرحلة في صنع مستطيل بدواسة متتالية بحيث يمكن للراكب الاستمتاع بالنقل في كلا الاتجاهين العلوي والسفلي.

إذا لم نختار وضع محرك سلسلة المعالجة بالكامل كمحرك للسلالم المتحركة الحلزونية ، فسنحتاج فقط إلى إبقاء الخطوات تتحرك بنفس السرعة ، باستمرار ، في بُعد معين في مكانه. من الممكن أن تتزامن حركتها في المرحلة الدائرية الحلقية مع إسقاط المرحلة الحلزونية اليمنى ، بحيث يمكن إصلاح مواقع المحاور في كلتا المرحلتين ؛ أيضا ، نموذج الحركة مبسط وبرنامج التصميم معقد. على سبيل المثال ، براءات الاختراع الأمريكية 5158167 و 4434884 و 5165513 لها مناهج مختلفة ولكن نتائج مرضية على حد سواء مع السلالم المتحركة من نوع المدرج.

المسألة الثانية: مشكلة اتصال اثنين من الحلزون الأيمن

Tقذائف مع مسافة عمودية

الأجزاء الرئيسية من السلم المتحرك والاسترجاع متصلان بالجزء العكسي ، والذي يوفر دعمًا للتوتر للسلسلة بأكملها. وفقًا للمبدأ الأساسي للعجلة المسننة للآلة ، يجب أن تكون الأعمدة متوازية ؛ لذلك ، فإن قوة السلالم المتحركة التقليدية وتماسك نظام القيادة ليس مشكلة. سلسلة السلالم المتحركة الحلزونية في المستوى الرأسي تنحني أفقيًا ؛ وبالتالي ، يتم طرح سؤالين. أولاً ، السرعة الشعاعية بالداخل أقل من السرعة الشعاعية بالخارج ، لذلك لا يمكن لسلسلة الخطوات أن تنعكس بشكل متزامن في هذه المرحلة ، وسيتغير اتجاه المحور المركزي الأيمن للحلزونية مع تسلسلات الخطوات. ثانيًا ، يمكننا تصميم دبوس المحور كمستقيم جذري للسلاسل ذات الإعدادات المرنة ، بدلاً من السلسلة المعتادة.

لذلك ، يمكن أن تغلق السلاسل مثل الحلقة على مستوى المستوى بالتوازي مع دبوس روابط السلسلة ، على عكس المستوى الرأسي للدبوس. بعد ذلك ، فإن هذا النطاق من زاوية تحويل السلالم المتحركة الحلزونية محدودة بشكل طبيعي. وخير مثال على ذلك هو كيف لا يمكن أن يتجاوز تصميم ميتسوبيشي 180 درجة. الأول هو جعل السلسلة الشعاعية الداخلية أعلى قليلاً من السلسلة الشعاعية الخارجية ، مع تغيير زاوية الانحدار لكلا جانبي الزاوية الشعاعية عند نفس ارتفاع المستوى. سيتم تعويض فرق السلسلة في المرحلة العكسية. (على سبيل المثال ، براءات الاختراع الأمريكية أرقام 5775477 و 4809480 و 5094335 و 5020654 و 4662502.) يستخدم المشروع الآخر سلسلة كنظام محرك داخل أو خارج ويسمح للآخر بالمزامنة مع آليات خاصة. تتضمن براءات الاختراع الأمريكية رقم 5158167 و 4434884 رسومًا توضيحية مع سلاسل شعاعية خارجية ، وتوضح براءة الاختراع الأمريكية رقم 5165513 داخل السلاسل الشعاعية. بالطبع ، يمكننا أن نرى بسهولة أن نهج التسوية كان مخالفًا لنية التصميم الأصلية للسلالم المتحركة الحلزونية. (إنه مجرد نموذج حلقي). في نهاية القرن الماضي ، اقترح Orenstein & Koppel من ألمانيا تصميمًا لحل مشكلة الانقلاب أحادي السلسلة. أوقف التطبيق العملي هذا البرنامج عن مواصلة التطوير بعد الموافقة على طلب البراءة.

سلالم كهربائية ذات منحنى تعسفي

سلف السلم المتحرك الحلزوني هو المشي المتحرك الدائر ، حيث أن المشي المتحرك يتبع السلم المتحرك. لم تتسبب الممرات المتحركة المتداولة في إحداث الكثير من التأثير بالنسبة لظهور فكرة السلالم المتحركة الحلزونية ، لأن وظيفتها محدودة للغاية. يجب أن يكون نموذج وهيكل الممرات المتحركة الدوارة بسيطًا مقارنة بتصميم السلم المتحرك الحلزوني. ومع ذلك ، تحول المهندسون الميكانيكيون إلى جهاز النقل الدوراني ، وبالتالي خلقوا مسارات متحركة منحنية.

يعتمد جهاز Levytator على براءة الاختراع الأمريكية رقم 3493097 و 3185108. ومع ذلك ، نظرًا لانحناء سلسلة المشي المتحرك في التباين الأفقي ، واجه المهندسون مشكلة بسبب سلسلة المتطلبات الفنية ذات الصلة. كانت مشكلة الرافعة هي وجود فجوة بين الخطوة بواسطة محرك الأقراص المزدوج. قال ليفي إن هذا يمكن تجاهله تحت العرض المحدود.

بالنسبة إلى علم الحركة ، فإن هذا السلم المتحرك ذي المنحنى التعسفي يضبط خطوات في جهاز النقل المتداول ، ومستواه في التباين في الارتفاع يتم تحديده تمامًا بواسطة المسار. على الرغم من أنه يمكنهم اتباع أي متطلبات تصميم ، وفقًا لمتطلبات مساحة المبنى ، فإن الوظيفة الأساسية للسلالم المتحركة هي توفير النقل الرأسي. لا تُحدث السلالم المتحركة ذات المنحنى التعسفي أي تحسن في هذا الجانب ، لذا فهي ديكور أكثر من كونها مشروعًا.

استنتاجات

تتمثل المشكلة الفنية الأساسية في السلالم المتحركة الحلزونية في دورانها المنتظم على أساس الحلزوني الأيمن ، وأسلوب قيادة سلسلة متفاوتة السرعة ومحرك سلسلة متنوع الجنزير. لتصميم السلم المتحرك الحلزوني ، يتعين علينا حل المشكلات الأساسية الثلاث المتمثلة في تنسيق سرعة الشعاع داخل وخارج المراحل الدائرية الحلزونية اليمنى والمراحل الدائرية الحلزونية ، وآلية نقل محرك سلسلة الفضاء وعكس حلزوني. يمكن لآلية نقل لولبية مبتكرة أن تحل جميع المشكلات المذكورة أعلاه ، ويجب أن تختلف بنية السلسلة اللولبية عن آلية اللولب التقليدية في منظورها الجديد. وبالتالي ، فإن احتمالية إنشاء أوضاع جديدة لنظام الطاقة والقيادة تظل لغزا. وهذا يفسر أيضًا سبب عدم ظهور التصاميم الناضجة للسلالم المتحركة الحلزونية.

الآلية الجديدة ليس لديها خيار سوى أن تأتي من الابتكار ، وإنشاء ناقل الحركة اللولبي هو نتيجة حتمية من مفهوم الفضاء الحلزوني. لا يوجد خطأ في مفهوم التوليف المنتظم للحركة الدائرية المرتبطة برفع متناسب رأسيًا. بالطبع ، يمكننا أيضًا تقليد ليوناردو دافنشي للتعامل مع تربيع الدائرة. لإصلاح المعلمة ، قام Anaxagoras ببناء حلزون عن طريق لف قطعة من الورق الأبيض على خط مائل. أدى هذا إلى إمالة المساحة لجعل الخط يمثل حلزونيًا ، مما يجعل مستوى بزاوية معينة في العملية مثل الحلزوني الأيمن ، كما هو موضح في الصيغة. بالنسبة إلى الثماني الأول والخامس ، نقوم بتدوير الفضاء ، مما يجعل مساحة المكعب ثلاثي الأبعاد للسلالم المتحركة التقليدية في دوامة من مساحة الأسطوانة المجوفة:

حيث r هو المعيار الأساسي الذي يجب أن نشمر عليه.

بالنسبة للوصلة الحلزونية اليمنى والاتصال الدائري ، يمكننا استخدام آليات قابلة لإعادة التشكيل للقضاء على تباين السرعة على الحركة الدائرية بين الحلزوني الأيمن والسرعة الدائرية. من خلال جعل سلسلة الخطوات مع آليات إعادة التشكيل للهيكل الصلب ، يمكننا تصميم وتصنيع السلم الكهربائي الحلزوني لمسار الحلزوني الأيمن.