Revisión: Diseño de configuración de escaleras mecánicas en espiral

por HY Tian y Li Yuxiang

Las escaleras mecánicas son una forma común de transporte público y, a medida que pasa el tiempo, sus exigencias estéticas aumentan con su popularización. Como la función básica de una escalera mecánica es transportar pasajeros entre diferentes niveles de espacio, una alternativa es el diseño de una escalera mecánica en espiral con menos espacio requerido y mayor atractivo estético.

Dependiendo de los modelos matemáticos, las escaleras mecánicas se pueden clasificar en escaleras mecánicas lineales y de curva espacial. La escalera mecánica lineal se puede tomar como un mecanismo de movimiento plano lineal mediante la proyección a través del costado de la escalera mecánica. En comparación, la trayectoria de movimiento de la escalera mecánica de curva espacial es una curva continua en la superficie perpendicular al espacio bidimensional. La escalera mecánica de curva espacial también puede considerarse una escalera mecánica lineal unida por un movimiento perpendicular al plano en el que se encuentra. Una escalera mecánica en espiral se incluye en la categoría de escaleras mecánicas de curva espacial.

También podemos clasificar las escaleras mecánicas como movimiento uniforme y movimiento variable uniforme de acuerdo con sus sistemas dinámicos y de accionamiento. La síntesis uniforme de velocidad variable tiene modos de variación de velocidad y orientación. El modo de variación de orientación trae muchos desafíos a la tecnología del sistema de transmisión por cadena en escaleras mecánicas en espiral. El programa de diseño de productos de escaleras mecánicas en espiral es de velocidad fija, pero las patentes existentes sobre escaleras mecánicas de velocidad variable son de mecanismos cinematotrópicos, en los que no hay espacio entre los componentes en la secuencia de la cadena de pasos. Los mecanismos cinematotrópicos podrían ser clave para diseñar escaleras mecánicas en espiral.

Podemos utilizar la etapa de ciclo inverso como otra escalera mecánica para transportar a los pasajeros a un nivel inferior haciendo un uso completo de la capacidad de transporte de la escalera mecánica, en la que el ciclo inverso no utilizado siempre se esconde debajo de la serie. En vista de las contradicciones físicas entre la serie de escaleras mecánicas en espiral y los componentes del sector del anillo que se encuentran en el curso de diseño, los ingenieros esperan que los cambios en la forma de movimiento de las cadenas alrededor de la rueda dentada utilicen de manera integral la etapa de ciclo inverso. Algunos programas propusieron modelos, como una escalera móvil y escaleras mecánicas sin fin ascendentes y descendentes. En vista del problema de estabilidad de una escalera mecánica de puente de paso elevado, no podemos resolver el desafío del componente escalonado en forma de copa.

Hitos en el desarrollo de escaleras mecánicas en espiral

El concepto de diseño de las escaleras mecánicas en espiral (“curvas”) fue propuesto por Jesse W. Reno y Charles Seeberger (ELEVATOR WORLD, abril de 2008). Reno fabricó el primer equipo de laboratorio para crear una escalera mecánica en espiral para el metro de Londres en 1906, pero el dispositivo no obtuvo reconocimiento público y el experimento fracasó. El plano de 1911 completado por Seeberger ha sido la referencia tecnológica más relevante.

En 1985, Mitsubishi instaló una escalera mecánica en espiral (EW, febrero de 1985); sin embargo, hay muchos defectos e insuficiencias con este diseño, incluidos espacios excesivos entre las piezas, velocidad lenta, problemas de ruido, tecnología de fabricación compleja, control complicado, pendiente limitada, paso de un cuarto de movimiento y un ángulo de dirección de menos de 180 °. Aún así, Mitsubishi presentó un gran desarrollo en esta área.

Más recientemente, Jack Levy, profesor emérito de ingeniería mecánica en la City University de Londres, inventó el 'Levytator' (EW, agosto de 2005). Este diseño no tiene cadenas de transmisión, por lo que los escalones tienen flexibilidad en el eje vertical, mientras se encuentran a diferentes alturas. Por lo tanto, la escalera mecánica puede girar en cualquier dirección sin restricciones. En comparación con la estructura de cadena tradicional, las ventajas y desventajas del Levytator son claras. La parte de bucle invertido de la escalera Levytator se usó como flujo descendente, y sus usos duales pueden consumir menos electricidad, lo que facilita el mantenimiento. Por otro lado, con la enorme limitación de peso y ancho del componente del escalón, así como la vibración y adaptabilidad del accionamiento secundario realizado por la propia escalera Levy, solo puede existir como sustituto de las escaleras mecánicas lineales.

Diseño funcional y conceptual

La mayoría de los diseños patentados de escaleras mecánicas en espiral y programas relacionados son de EE. UU., Japón y Europa. La mayoría optó por centrarse en el diseño de mecanismos, sin incluir el análisis del diseño conceptual o la funcionalidad. ¿Para qué está diseñada la escalera mecánica en espiral? Este problema debería ser el primero que aborden todos los diseñadores. Muchos diseñadores de escaleras mecánicas en espiral sienten que el valor estético es un objetivo fundamental en comparación con el de las escaleras mecánicas tradicionales. Hay otras tres ventajas de las escaleras mecánicas en espiral: estructura independiente, altura infinita y respeto al medio ambiente.

La función principal de una escalera mecánica en espiral es llevar a los pasajeros de un piso inferior a uno superior en una pista en espiral por medio de una transmisión por cadena. Como función auxiliar, se necesita una serie de escalones que se mueva a lo largo de una curva o una línea en el nivel para que los pasajeros entren o salgan de la escalera mecánica de manera segura. La serie de pasos también necesita un movimiento alternativo de anillo cerrado. Pero los requisitos de las tres partes hacen imposible el diseño y la producción.

En general, las escaleras mecánicas en espiral podrían considerarse como escaleras mecánicas tradicionales con deflexión vertical agregada a sus planos de cadena, y el modelo matemático consiste en helicoides rectos, en lugar de líneas en espiral. El parámetro de los helicópteros correctos en la ingeniería de la construcción es una línea y una hélice. Una línea radial se cruza horizontalmente o un plano vertical corta una hélice de cilindro estándar en la superficie cilíndrica. Por lo tanto, podemos obtener un estándar para la concepción, el diseño de programas o mecanismos.

Diseño de escaleras mecánicas en espiral

Hay dos ideas principales en el diseño del esquema de escaleras mecánicas en espiral: transformar el marco maduro de las escaleras mecánicas existentes y hacer una caída de nivel sobre la base de la pasarela móvil curvada existente.

Diseño de escalera mecánica en espiral basado en helicóptero derecho

El tema principal del esquema para transformar una escalera mecánica tradicional en una escalera mecánica en espiral trata principalmente con el modelo cinemático.

Problema uno: coordinación de velocidad entre horizontal y espiral

Según la fórmula matemática helicoidal derecha:

en el que a representa la velocidad de elevación en espiral, que se refiere al radio y al ángulo de elevación determinados por el grupo de espirales en una superficie helicoidal derecha.

donde H significa rango de elevación en una superficie en espiral y a significa ángulo de elevación hacia el horizonte.

Entonces, la velocidad en espiral es:

Si todavía utilizamos dos cadenas de rodillos, una en el interior y la otra en el exterior en la dirección radial, para guiar sincrónicamente el movimiento del paso, la velocidad de movimiento de la relación de ambos lados debe tener las siguientes condiciones:

donde la parte superior significa la serie de pasos 'radial dentro y la inferior significa la serie de pasos' radial fuera.

Los resultados luego se convierten en:

Entonces, la proyección de la cadena de radial dentro y fuera en horizontal debe cumplir con la proporción de movimiento:

Si todavía usamos el sistema de transmisión por cadena, según los requisitos de interfaz del sistema del movimiento de secuencia de escalones de escaleras mecánicas, la velocidad radial interior y exterior debe ser impulsada proporcionalmente. Basado en la teoría mecánica primaria de transmisión por cadena, el valor de la velocidad y la relación de ambas cadenas de transmisión en espiral-escalera mecánica en diferentes ubicaciones en el radio deben ser constantes, ya sea en la etapa derecha-helicoidal, para promover al pasajero o en la etapa circular del anillo helicoidal derecha. proyectando en el horizonte para los pasajeros que suben o bajan de la escalera mecánica. En vista de esto, los centros instantáneos de la etapa helicoidal derecha y la etapa circular anular no coinciden. Las patentes estadounidenses números 4895239, 4930622, 4893160, 4884673 y 5184710 prueban este punto de vista. Para cumplir con los requisitos anteriores, el centro de las etapas circular circular y helicoidal derecha no coinciden. Tenemos que cambiar la trayectoria de la cadena para satisfacer las necesidades de diferentes velocidades. Por lo tanto, debe haber conexiones entre las etapas circular helicoidal y circular. El diseño de Mitsubishi utiliza este escenario haciendo un rectángulo de pedal a nivel de cascada para que el pasajero pueda disfrutar del transporte tanto hacia arriba como hacia abajo.

Si no elegimos el modo de transmisión por cadena de procesamiento completo como transmisión de la escalera mecánica en espiral, solo necesitaremos mantener los escalones moviéndose a la misma velocidad, continuamente, en una cierta dimensión en su lugar. Es posible hacer coincidir su movimiento en la etapa circular anular con la proyección de la etapa helicoidal derecha, de manera que se puedan fijar las ubicaciones de los ejes de ambas etapas; además, el modelo de movimiento se simplifica y el programa de diseño es complicado. Por ejemplo, las patentes estadounidenses números 5158167, 4434884 y 5165513 tienen enfoques diferentes pero resultados igualmente satisfactorios con escaleras mecánicas de tipo pista.

Problema dos: problema de conexión de dos helicópteros derechos

Tdiagramas con distancia vertical

Las partes principales de la escalera mecánica y el bucle están conectadas por la parte inversa, que proporciona soporte tensor a toda la cadena. Según el principio básico de la rueda dentada de una máquina, los ejes deben ser paralelos; por lo tanto, la cohesión del sistema de propulsión y energía de las escaleras mecánicas tradicionales no es un problema. Las series de escaleras mecánicas en espiral en el plano vertical se doblan horizontalmente; por tanto, se plantean dos cuestiones. Primero, la velocidad radial en el interior es menor que la velocidad radial en el exterior, por lo que la serie de pasos no puede revertirse sincrónicamente en esta etapa, y la dirección del eje central helicoidal derecho cambiará con las series de pasos. En segundo lugar, podemos diseñar un pasador de eje como una recta radical para cadenas con ajustes flexibles, en lugar de la cadena habitual.

Por lo tanto, las cadenas pueden cerrarse como un anillo en el plano de nivel en paralelo con el pasador de los eslabones de la cadena, en oposición al plano vertical del pasador. Entonces, tal rango de ángulo de desviación de escaleras mecánicas en espiral se limita naturalmente. Un buen ejemplo sería cómo el diseño de Mitsubishi no puede exceder un límite de 180 °. Una es hacer que la cadena radial interior sea ligeramente más alta que la cadena radial exterior, con un ángulo de inmersión que cambie ambos lados del ángulo radial a la misma altura de nivel. La diferencia de cadena se compensará en la etapa inversa. (Por ejemplo, Patentes de Estados Unidos Nos. 5775477, 4809480, 5094335, 5020654 y 4662502.) El otro proyecto utiliza una cadena como sistema de transmisión en el interior o el exterior y permite que el otro se sincronice con mecanismos especiales. Las Patentes de EE.UU. Nos. 5158167 y 4434884 incluyen ilustraciones con cadenas radiales exteriores, y la Patente de EE.UU. No. 5165513 ilustra cadenas radiales interiores. Por supuesto, podemos ver fácilmente que el enfoque de compromiso ha sido contrario a la intención del diseño original de la escalera mecánica en espiral. (Es simplemente un modelo de anillo). A fines del siglo pasado, Orenstein & Koppel de Alemania propusieron un diseño para resolver el problema de un cambio de cadena simple. La aplicabilidad práctica impidió que este programa continuara desarrollándose después de que se autorizara la solicitud de patente.

Escaleras mecánicas de curvas arbitrarias

El antecesor de la escalera mecánica en espiral es el pasillo móvil circulante, ya que el pasillo rodante siguió a la escalera mecánica. Los pasillos rodantes circulantes no causaron mucho impacto en relación con el advenimiento de la idea de las escaleras mecánicas en espiral, porque su función es muy limitada. El modelo y la estructura de los pasillos rodantes circulantes deben ser simples en comparación con el diseño de una escalera mecánica en espiral. Sin embargo, los ingenieros mecánicos recurrieron al dispositivo de transmisión circulante, creando así pasillos móviles curvos.

El Levytator se basa en las patentes estadounidenses Nos. 3493097 y 3185108. Sin embargo, debido a la curva de la cascada del pasillo móvil en la variación horizontal, los ingenieros se encontraron con problemas por la cascada de los requisitos técnicos relevantes. Un problema con el Levytator era una brecha entre el paso por la unidad dual. Levy dijo que esto se puede ignorar por debajo del ancho limitado.

Para la cinemática, esta escalera mecánica de curva arbitraria establece pasos en el dispositivo de transmisión circulante, su nivel de disparidad de altura está completamente decidido por la vía. Aunque pueden seguir cualquier requisito de diseño, de acuerdo con los requisitos de espacio del edificio, la función básica de las escaleras mecánicas es proporcionar transporte vertical. Las escaleras mecánicas de curvas arbitrarias no mejoran en este aspecto, por lo que son más decoración que proyecto.

Conclusiones

El problema técnico central de las escaleras mecánicas en espiral es su rotación uniforme basada en el estilo de transmisión por cadena de velocidad variable, helicoide a la derecha y transmisión por cadena de cadena variada. Para diseñar la escalera mecánica en espiral, tenemos que resolver los tres problemas centrales de coordinación de velocidad de entrada y salida radial en las etapas circular circular y helicoidal derecha, mecanismo de transmisión de transmisión de potencia de cadena espacial y marcha atrás en espiral. Un mecanismo innovador de transmisión de tornillo podría resolver todos los problemas anteriores, y la arquitectura de cadena en espiral debe ser diferente del mecanismo de tornillo tradicional en su nueva perspectiva. Por lo tanto, la perspectiva de crear nuevos modos de sistemas de potencia y propulsión sigue siendo un misterio. Esto también explica por qué no han aparecido diseños maduros de escaleras mecánicas en espiral.

El nuevo mecanismo no tiene otra opción que provenir de la innovación, y la creación de la transmisión de tornillo es resultado inevitable de la concepción del espacio en espiral. No hay ningún defecto en el concepto de movimiento circular uniforme de síntesis unido a una elevación verticalmente proporcional. Por supuesto, también podemos imitar a Leonardo Da Vinci para lidiar con la cuadratura del círculo. Para fijar el parámetro, Anaxágoras construyó una hélice haciendo rodar un trozo de papel blanco sobre una línea oblicua. Esto inclinó el espacio para hacer que la línea presentara una espiral, formando un plano con un cierto ángulo en el proceso, como el helicoide derecho, como se muestra en la fórmula. Para el primer y quinto octante, rodamos el espacio, haciendo que el espacio cúbico 3D de la escalera mecánica tradicional se convierta en una espiral de espacio cilíndrico hueco:

donde r es el estándar básico para acumular.

Para la conexión circular y helicoidal derecha, podemos usar mecanismos reconfigurables para eliminar el contraste de velocidad en el movimiento circular entre la velocidad circular y helicoidal derecha. Al realizar la serie de escalones con los mecanismos reconfigurables de estructura rígida, podemos diseñar y fabricar una escalera mecánica en espiral de trayectoria derecha-helicoidal.