Recensione: Progettazione della configurazione delle scale mobili a spirale

di HY Tian e Li Yuxiang

Le scale mobili sono una forma comune di trasporto pubblico e, con il passare del tempo, le loro esigenze estetiche aumentano con la loro divulgazione. Poiché la funzione di base di una scala mobile è quella di trasportare passeggeri tra diversi livelli di spazio, un'alternativa è il design di una scala mobile a chiocciola con meno spazio richiesto e maggiore appeal estetico.

A seconda dei modelli matematici, le scale mobili possono essere classificate in scale mobili lineari e curve spaziali. La scala mobile lineare può essere considerata un meccanismo di movimento planare lineare mediante proiezione attraverso il lato della scala mobile. In confronto, la traiettoria del movimento della scala mobile della curva spaziale è una curva continua nella superficie perpendicolare allo spazio bidimensionale. La scala mobile spazio-curva può anche essere considerata una scala mobile lineare unita da un movimento perpendicolare al piano in cui giace. Una scala mobile a spirale è inclusa nella categoria delle scale mobili con curve spaziali.

Possiamo anche classificare le scale mobili come moto uniforme e moto variabile uniforme in base ai loro sistemi dinamici e di azionamento. La sintesi a velocità variabile uniforme ha modalità di variazione della velocità e dell'orientamento. La modalità di variazione dell'orientamento pone molte sfide alla tecnologia del sistema di trasmissione a catena nelle scale mobili a spirale. Il programma di progettazione dei prodotti di scale mobili a spirale è a velocità fissa, ma i brevetti esistenti sulle scale mobili a velocità variabile riguardano meccanismi cinematotropici, in cui non c'è spazio tra i componenti nella sequenza della catena di gradini. I meccanismi cinematotropici potrebbero essere la chiave per la progettazione di scale mobili a spirale.

Possiamo utilizzare la fase di inversione del ciclo come un'altra scala mobile per trasportare i passeggeri a un livello inferiore sfruttando appieno la capacità di trasporto della scala mobile, in cui il ciclo di inversione non utilizzato si nasconde sempre sotto la serie. In considerazione delle contraddizioni fisiche tra la serie di scale mobili a spirale e i componenti del settore anulare riscontrate nel corso di progettazione, gli ingegneri sperano che i cambiamenti nella forma di movimento delle catene attorno alla ruota dentata utilizzino in modo completo la fase del ciclo inverso. Alcuni programmi proponevano modelli, come una scala mobile e scale mobili infinite che salgono e scendono. In considerazione del problema di stabilità di una scala mobile per ponti sovrapposti, non possiamo risolvere la sfida del componente del gradino a forma di coppa.

Pietre miliari nello sviluppo di scale mobili a spirale

Il concetto di progettazione delle scale mobili a spirale ("curve") è stato proposto da Jesse W. Reno e Charles Seeberger (ELEVATOR WORLD, aprile 2008). Reno ha prodotto la prima attrezzatura di laboratorio per creare una scala mobile a spirale per la metropolitana di Londra nel 1906, ma il dispositivo non ha ottenuto il riconoscimento pubblico e l'esperimento è fallito. Il progetto del 1911 completato da Seeberger è stato il riferimento tecnologico più rilevante.

Nel 1985, Mitsubishi ha installato una scala mobile a chiocciola (EW, febbraio 1985); tuttavia, ci sono molti difetti e insufficienze con questo design, inclusi spazi eccessivi tra le parti, bassa velocità, problemi di rumore, tecnologia di produzione complessa, controllo complicato, pendenza limitata, passo di movimento di un quarto e angolo di sterzata inferiore a 180°. Tuttavia, Mitsubishi ha portato avanti un enorme sviluppo in questo settore.

Più recentemente, Jack Levy, professore emerito di ingegneria meccanica alla City University di Londra, ha inventato il 'Levytator' (EW, agosto 2005). Questo design non ha catene di trasmissione, quindi i gradini hanno flessibilità nell'asse verticale, pur essendo ad altezze diverse. Pertanto, la scala mobile può girare in qualsiasi direzione senza restrizioni. Rispetto alla tradizionale struttura a catena, i vantaggi e gli svantaggi del Levytator sono evidenti. La parte loopback della scala Levytator è stata utilizzata come downstream e i suoi doppi usi possono consumare meno elettricità, facilitando la manutenzione. D'altra parte, con l'enorme limitazione di peso e larghezza del componente del gradino, nonché la vibrazione e l'adattabilità della trasmissione secondaria realizzata dalla stessa scala Levy, non può che esistere come sostituto delle scale mobili lineari.

Funzione e Concept Design

La maggior parte dei progetti brevettati esistenti di scale mobili a spirale e relativi programmi provengono dagli Stati Uniti, dal Giappone e dall'Europa. La maggior parte ha scelto di concentrarsi sulla progettazione del meccanismo, senza coinvolgere l'analisi della progettazione concettuale o della funzionalità. Per cosa è progettata la scala mobile a chiocciola? Questo problema dovrebbe essere il primo problema affrontato da tutti i designer. Molti progettisti di scale mobili a chiocciola sentono che il valore estetico è un obiettivo fondamentale rispetto a quello delle scale mobili tradizionali. Ci sono altri tre vantaggi delle scale mobili a spirale: struttura indipendente, altezza infinita e rispetto dell'ambiente.

La funzione principale di una scala mobile a spirale è quella di trasportare i passeggeri da un piano inferiore a uno superiore in una pista a spirale tramite una trasmissione a catena. Come funzione ausiliaria, è necessaria una serie di gradini che si sposta lungo una curva o una linea in piano affinché i passeggeri possano entrare o uscire dalla scala mobile in sicurezza. La serie a gradini necessita anche di un movimento alternativo ad anello chiuso. Ma i requisiti delle tre parti rendono impossibile la progettazione e la produzione.

In generale, le scale mobili a spirale potrebbero essere pensate come scale mobili tradizionali con deflessione verticale aggiunta ai loro piani di catena, e il modello matematico è costituito da elicoidi destri, piuttosto che da linee a spirale. Il parametro degli elicoidi destri nell'ingegneria edile è una linea e un'elica. Una linea radiale interseca orizzontalmente o un piano verticale taglia un'elica cilindrica standard sulla superficie cilindrica. Quindi, possiamo ottenere uno standard per la concezione, il programma o la progettazione del meccanismo.

Progettazione di scale mobili a spirale

Ci sono due idee principali nella progettazione dello schema di scale mobili a spirale: trasformare la struttura matura delle scale mobili esistenti e far scendere un po' di livello sulla base del marciapiede mobile curvo esistente.

Design della scala mobile a spirale basato sull'elicoide destro

Il problema principale dello schema per trasformare una scala mobile tradizionale in una scala mobile a spirale riguarda principalmente il modello cinematico.

Problema XNUMX: Coordinamento della velocità tra l'orizzontale e la spirale

Secondo la formula matematica dell'elicoide destra:

in cui a sta per velocità di sollevamento della spirale, che si riferisce al raggio e all'angolo di sollevamento determinati dalle spirali del gruppo su una superficie dell'elicoide destro.

in cui H sta per l'intervallo del rack di sollevamento su una superficie a spirale e a sta per l'angolo di sollevamento rispetto all'orizzonte.

Quindi, la velocità della spirale è:

Se utilizziamo ancora due catene a rulli, una all'interno e l'altra all'esterno in direzione radiale, per guidare in modo sincrono il movimento a gradini, la velocità di movimento della relazione di entrambi i lati dovrebbe avere le seguenti condizioni:

dove la parte superiore indica l'interno radiale della serie di gradini e la parte inferiore indica l'esterno radiale della serie di gradini.

I risultati diventano quindi:

Quindi, la proiezione della catena radiale interna ed esterna in orizzontale dovrebbe soddisfare la proporzione di movimento:

Se utilizziamo ancora il sistema di trasmissione a catena, in base ai requisiti dell'interfaccia di sistema del movimento della sequenza di gradini della scala mobile, la velocità radiale all'interno e all'esterno deve essere guidata proporzionalmente. Sulla base della teoria meccanica primaria della trasmissione a catena, il valore e il rapporto della velocità di entrambe le catene di trasmissione a spirale-scale mobili in diverse posizioni sul raggio devono essere costanti, sia che si tratti dello stadio elicoidale destro, per promuovere il passeggero o dell'elicoide destro dello stadio circolare ad anello proiettandosi all'orizzonte per i passeggeri che salgono o scendono dalle scale mobili. In considerazione di ciò, i centri istantanei dello stadio elicoidale destro e dello stadio circolare anulare non coincidono. I brevetti statunitensi n. 4895239, 4930622, 4893160, 4884673 e 5184710 dimostrano questo punto di vista. Per soddisfare i requisiti di cui sopra, il centro degli stadi elicoidale destro e circolare anulare non coincidono. Dobbiamo cambiare la traiettoria della catena per soddisfare le esigenze delle diverse velocità. Pertanto, devono esserci connessioni tra gli stadi circolari elicoidale e anulare. Il design di Mitsubishi utilizza questo palco creando un rettangolo del pedale a livello di cascata in modo che il passeggero possa godersi il trasporto in entrambe le direzioni.

Se non scegliamo l'intera modalità di azionamento della catena di elaborazione come azionamento della scala mobile a spirale, dovremo solo mantenere i gradini in movimento alla stessa velocità, continuamente, in una certa dimensione in atto. È possibile far coincidere il loro movimento allo stadio circolare anulare con la proiezione dello stadio elicoidale destro, in modo tale che le posizioni degli assi di entrambi gli stadi possano essere fisse; inoltre, il modello di movimento è semplificato e il programma di progettazione è complicato. Ad esempio, i brevetti statunitensi n. 5158167, 4434884 e 5165513 hanno approcci differenti ma risultati ugualmente soddisfacenti con scale mobili del tipo a pista.

Problema due: problema di connessione di due elicoidi a destra

Ttraiettorie con Distanza Verticale

Le parti principali della scala mobile e del loopback sono collegate dalla parte inversa, che fornisce supporto di tensionamento all'intera catena. Secondo il principio di base di un pignone di una macchina, gli alberi devono essere paralleli; pertanto, il potere delle scale mobili tradizionali e la coesione del sistema di azionamento non sono un problema. Le serie di scale mobili a spirale nel piano verticale si piegano orizzontalmente; quindi si pongono due questioni. Innanzitutto, la velocità radiale all'interno è inferiore alla velocità radiale all'esterno, quindi la serie di passaggi non può invertire in modo sincrono in questa fase e la direzione dell'asse centrale dell'elicoide destro cambierà con le serie dei passaggi. In secondo luogo, possiamo progettare un perno dell'asse come un rettilineo radicale per catene con impostazioni flessibili, invece della solita catena.

Pertanto, le catene possono chiudersi ad anello sul piano orizzontale parallelo al perno delle maglie della catena, in contrapposizione al piano verticale al perno. Quindi, tale intervallo di angolo di deviazione delle scale mobili a spirale è limitato naturalmente. Un buon esempio potrebbe essere come il design di Mitsubishi non possa superare il limite di 180°. Uno è quello di rendere la catena radiale interna leggermente più alta della catena radiale esterna, con un angolo di inclinazione che cambia entrambi i lati dell'angolo radiale alla stessa altezza di livello. La differenza di catena sarà compensata nella fase inversa. (Ad esempio, i brevetti statunitensi n. 5775477, 4809480, 5094335, 5020654 e 4662502). L'altro progetto utilizza una catena come sistema di azionamento all'interno o all'esterno e consente all'altro di sincronizzarsi con meccanismi speciali. I brevetti statunitensi n. 5158167 e 4434884 includono illustrazioni con catene radiali esterne e il brevetto statunitense n. 5165513 illustra catene radiali interne. Naturalmente, possiamo facilmente vedere che l'approccio di compromesso è stato contrario all'intenzione originale di progettazione della scala mobile a spirale. (È semplicemente un modello ad anello.) Alla fine del secolo scorso, Orenstein e Koppel della Germania hanno proposto un progetto per risolvere il problema di un flip a catena singola. L'applicabilità pratica ha impedito a questo programma di continuare lo sviluppo dopo l'autorizzazione della domanda di brevetto.

Scale mobili a curva arbitraria

Il predecessore della scala mobile a spirale è il marciapiede mobile, poiché il marciapiede mobile ha seguito la scala mobile. I marciapiedi mobili circolanti non hanno avuto un grande impatto rispetto all'avvento dell'idea delle scale mobili a spirale, perché la loro funzione è molto limitata. Il modello e la struttura dei marciapiedi mobili circolanti dovrebbero essere semplici rispetto al design di una scala mobile a spirale. Tuttavia, gli ingegneri meccanici si sono rivolti al dispositivo di trasmissione circolante, creando così tappeti mobili curvi.

Il Levytator si basa sui brevetti statunitensi n. 3493097 e 3185108. Tuttavia, a causa della curvatura della cascata del tappeto mobile nella variazione orizzontale, gli ingegneri hanno avuto problemi con la cascata ai relativi requisiti tecnici. Un problema con il Levytator era un divario tra il passo dal dual drive. Levy ha detto che questo può essere ignorato al di sotto della larghezza limitata.

Per la cinematica, questa scala mobile a curva arbitraria imposta i passaggi nel dispositivo di trasmissione circolante, il suo livello di disparità di altezza completamente deciso dal percorso. Sebbene possano soddisfare qualsiasi requisito di progettazione, in base ai requisiti di spazio dell'edificio, la funzione di base delle scale mobili è quella di fornire il trasporto verticale. Le scale mobili a curva arbitraria non apportano miglioramenti in questo aspetto, quindi sono più una decorazione che un progetto.

Conclusioni

Il problema tecnico principale con le scale mobili a spirale è la loro rotazione uniforme basata su uno stile di trasmissione a catena a elicoidale destro, a velocità variabile e trasmissione a catena a cingoli. Per progettare la scala mobile a spirale, dobbiamo risolvere i tre problemi fondamentali della coordinazione della velocità di entrata e uscita radiale negli stadi circolari dell'elicoide destro e dell'anello, meccanismo di trasmissione dell'azionamento della catena spaziale e inversione a spirale. Un innovativo meccanismo di trasmissione a vite potrebbe risolvere tutti i problemi di cui sopra e l'architettura a catena a spirale deve essere diversa dal tradizionale meccanismo a vite nella sua nuova prospettiva. Pertanto, la prospettiva di creare nuove modalità di alimentazione e di azionamento rimane un mistero. Questo spiega anche perché non sono comparsi progetti maturi di scale mobili a spirale.

Il nuovo meccanismo non ha altra scelta che venire dall'innovazione e la creazione della trasmissione a vite deriva inevitabilmente dalla concezione dello spazio a spirale. Non c'è colpa del concetto di sintesi-moto circolare uniforme unito ad un'alzata verticalmente proporzionale. Naturalmente, possiamo anche imitare Leonardo Da Vinci per affrontare la quadratura del cerchio. Per fissare il parametro, Anassagora costruì un'elica facendo rotolare un pezzo di carta bianca su una linea obliqua. Questo ha inclinato lo spazio per rendere la linea presente una spirale, creando un piano con un certo angolo nel processo come l'elicoide destro, come mostrato nella formula. Per il primo e il quinto ottante, ruotiamo lo spazio, trasformando lo spazio cubo 3D della scala mobile tradizionale in una spirale di spazio cilindrico cavo:

dove r è lo standard di base da arrotolare.

Per la connessione elicoidale destra e circolare, possiamo utilizzare meccanismi riconfigurabili per eliminare il contrasto di velocità sul movimento circolare tra velocità elicoidale destra e circolare. Realizzando la serie di gradini con i meccanismi riconfigurabili a struttura rigida, possiamo progettare e realizzare una scala mobile a spirale con traiettoria elicoidale destra.