回顾：螺旋式自动扶梯配置设计

by HY Tian和李玉祥

自动扶梯是一种常见的公共交通工具，随着时间的推移，其审美需求也随着普及而增加。 由于自动扶梯的基本功能是在不同的空间层次之间运送乘客，因此另一种选择是设计螺旋形自动扶梯，所需空间更小，更具美感。

根据数学模型，自动扶梯可分为线性和空间曲线自动扶梯。 直线自动扶梯可以通过通过自动扶梯侧面的投影而被视为线性平面运动机构。 相比之下，空间曲线自动扶梯的运动轨迹在垂直于二维空间的表面上是一条连续的曲线。 空间曲线自动扶梯也可被视为通过垂直于其所在平面的运动而连接的线性自动扶梯。 螺旋式自动扶梯属于空间曲线自动扶梯的范畴。

我们还可以根据其动力和驱动系统将自动扶梯分为匀速运动和匀速变速运动。 匀速变速合成具有速度和方向变化模式。 变向方式给螺旋扶梯链传动系统的技术带来了诸多挑战。 螺旋扶梯产品的设计程序是定速的，但现有的变速扶梯专利是运动致动机构，在步进链中各部件之间没有间隙。 运动性机制可能是设计螺旋自动扶梯的关键。

我们可以将逆循环阶段作为另一个自动扶梯，充分利用自动扶梯的输送能力，将乘客运送到较低的楼层，其中未使用的逆循环总是隐藏在系列下方。 针对设计过程中发现的螺旋式自动扶梯系列与环形扇形部件之间的物理矛盾，工程师希望改变链条绕链轮运动形式的变化，以综合利用反向循环阶段。 一些程序提出了模型，例如移动楼梯和上升和下降的无尽自动扶梯。 鉴于立交桥自动扶梯的稳定性问题，我们无法解决杯形阶梯组件的挑战。

螺旋式自动扶梯发展里程碑

螺旋形（“弯曲”）自动扶梯的设计概念是由 Jesse W. Reno 和 Charles Seeberger 提出的（《电梯世界》，2008 年 1906 月）。Reno 于 1911 年制造了第一台实验室设备，为伦敦地铁制造了一台螺旋形自动扶梯，但该设备并未获得公众认可，实验失败了。Seeberger 于 XNUMX 年完成的蓝图一直是最相关的技术参考。

1985年，三菱安装了螺旋式自动扶梯（EW，1985年180月）； 但是，这种设计存在很多缺陷和不足，包括零件间隙过大、速度慢、噪音问题、制造工艺复杂、控制复杂、坡度有限、运动的四分之一节距和小于XNUMX°的转向角。 尽管如此，三菱还是在这方面取得了巨大的发展。

最近，伦敦城市大学机械工程名誉教授 Jack Levy 发明了“Levytator”（EW，2005 年 XNUMX 月）。 这种设计没有传动链，因此台阶在垂直轴上具有灵活性，同时处于不同的高度。 因此，自动扶梯可以不受限制地朝任何方向转动。 与传统的链式结构相比，Levytator 的优缺点显而易见。 Levytator梯子的环回部分用作下游，其双重用途可以消耗更少的电力，使维护更容易。 另一方面，由于梯级组件重量和宽度的限制，以及利维梯本身制造的二次驱动的振动和适应性，它只能作为线性自动扶梯的替代品而存在。

功能与概念设计

现有螺旋式自动扶梯的专利设计及相关程序大多来自美国、日本和欧洲。 大多数选择专注于机制设计，而不涉及概念设计或功能的分析。 螺旋扶梯是为什么设计的？ 这个问题应该是所有设计师要解决的第一个问题。 许多螺旋式自动扶梯的设计者认为，与传统自动扶梯相比，美学价值是一个基本目标。 螺旋自动扶梯还有三大优势——独立结构、无限高度和环保。

螺旋式自动扶梯的主要功能是通过链条传动将乘客从下层传送到上层螺旋轨道。 作为辅助功能，乘客安全进出自动扶梯需要沿曲线或水平线移动的台阶系列。 阶梯系列还需要闭环往复运动。 但是，这三个部分的要求使设计和生产变得不可能。

一般来说，螺旋式自动扶梯可以被认为是传统的自动扶梯，在其链平面上增加了垂直偏转，数学模型由右螺旋线组成，而不是螺旋线。 建筑工程中右螺旋的参数为一直线一螺旋。 一条径向线水平相交，或垂直平面在圆柱面上切出标准圆柱螺旋线。 因此，我们可以获得概念、程序或机制设计的标准。

螺旋式自动扶梯的设计

螺旋式自动扶梯方案设计的主要思路有两个：改造现有自动扶梯的成熟框架，在现有曲线自动人行道的基础上进行一定程度的下降。

基于右螺旋线的螺旋扶梯设计

将传统自动扶梯改造为螺旋式自动扶梯方案的主要问题主要涉及运动学模型。

问题一：水平和螺旋之间的速度协调

根据右螺旋数学公式：

其中a代表螺旋升力率，它是指由一个直螺旋面上的一组螺旋所确定的半径和升力角。

其中H代表螺旋面上的升降架范围，a代表与地平线的升降角。

因此，螺旋速度为：

如果仍然使用两条滚子链——一条在径向内侧，一条在外侧——同步引导步进运动，则双方的运动速度关系应满足以下条件：

其中，上表示阶梯系列的径向内侧，下表示阶梯系列的径向外侧。

结果变成：

所以，径向内外链的水平投影应满足运动比例：

如果仍然使用链传动系统，在自动扶梯步进顺序运动的系统接口要求下，必须按比例驱动内外径向速度。 根据链传动初级机械理论，无论是右螺旋级还是环形舞台的右螺旋级，螺旋扶梯传动链在半径上不同位置的速度值和比率必须恒定。为上下自动扶梯的乘客投射在地平线上。 有鉴于此，右螺旋阶段和环形圆阶段的瞬时中心不重合。 美国专利号 4895239、4930622、4893160、4884673 和 5184710 证明了这一观点。 为了满足上述要求，直角螺旋和环形平台的中心不重合。 我们必须改变链条的轨迹，以满足不同速度的需要。 因此，螺旋级和环形级之间必须存在连接。 三菱的设计利用这个阶段制作梯级踏板矩形，使乘客可以享受上下两个方向的运输。

如果不选择整体加工链传动方式作为螺旋扶梯的传动方式，我们只需要保持梯级以相同的速度、连续地、在一定的尺寸就位。 可以使它们在环形平台上的运动与正螺旋平台的投影重合，从而可以固定两个平台的轴位置； 同时，运动模型简化，设计程序复杂。 例如，美国专利第 5158167、4434884 和 5165513 号具有不同的方法，但对跑道型自动扶梯的结果同样令人满意。

问题二：两个右螺旋面的连接问题

T具有垂直距离的射束

扶梯的主要部分和环回部分由反向部分连接，为整个链条提供张紧支撑。 根据机械链轮的基本原理，轴必须平行； 因此，传统自动扶梯的动力和驱动系统的凝聚力不是问题。 垂直平面螺旋自动扶梯系列水平弯曲； 因此，提出了两个问题。 首先，内部的径向速度小于外部的径向速度，因此该阶段台阶序列不能同步反转，右螺旋中心轴方向会随着台阶的序列而变化。 其次，我们可以将轴销设计为具有灵活设置的链条的激进直线，而不是通常的链条。

因此，在平行于链节销的水平平面上，链条可以像环一样闭合，而不是垂直于销的平面。 那么，这种螺旋扶梯导流角的范围自然就受到了限制。 一个很好的例子是三菱的设计如何不能超过 180° 的限制。 一种是使内侧径向链略高于外侧径向链，在同一水平高度上改变径向角两侧的倾角。 链差将在反向阶段得到补偿。 （例如，美国专利5775477、4809480、5094335、5020654和4662502。）另一个项目使用链条作为内部或外部的驱动系统，并让另一个与特殊机构同步。 美国专利第 5158167 号和第 4434884 号包括带有径向外侧链的图示，美国专利第 5165513 号图示了径向内侧链。 当然，我们不难看出，这种折衷的做法已经违背了螺旋扶梯的设计初衷。 （它只是一个环形模型。） 上世纪末，德国的 Orenstein & Koppel 提出了一种设计来解决单链翻转的问题。 在专利申请获得授权后，实际适用性阻止了该程序的继续开发。

任意曲线自动扶梯

螺旋自动扶梯的前身是循环自动人行道，因为自动人行道跟随自动扶梯。 相对于螺旋式自动扶梯概念的出现，循环自动人行道并没有造成太大影响，因为它们的功能非常有限。 与螺旋式自动扶梯设计相比，循环自动人行道的模型和结构应该简单。 然而，机械工程师转向了循环传动装置，从而创造了弯曲的自动人行道。

Levytator基于美国专利第3493097和3185108号。然而，由于自动人行道梯级在水平变化中的曲线，工程师在梯级达到相关技术要求时遇到了麻烦。 Levytator 的一个问题是双驱动器之间的间隙。 Levy 表示，在有限宽度以下可以忽略这一点。

在运动学上，这种任意曲线自动扶梯设置在循环传动装置中，其高低差的高低完全由路径决定。 尽管可以遵循任何设计要求，但根据建筑空间要求，自动扶梯的基本功能是提供垂直运输。 任意曲线自动扶梯在这方面没有任何改进，因此它们更多的是装饰而不是工程。

结论

螺旋扶梯的核心技术问题是基于右螺旋、变速链传动和变轨链传动的匀速旋转。 设计螺旋自动扶梯，必须解决直螺旋和环形平台径向进出速度协调、空间链动力传动机构和螺旋反转三个核心问题。 一种创新的螺旋传动机构可以解决上述所有问题，螺旋链结构必须以新的视角不同于传统的螺旋机构。 因此，创造新的动力和驱动系统模式的前景仍然是个谜。 这也解释了为什么没有出现成熟的螺旋式自动扶梯设计。

新的机制只能来自于创新，而螺旋传动的创造必然是螺旋空间构想的结果。 合成匀速圆周运动与垂直比例升力相结合的概念没有错误。 当然，我们也可以模仿达芬奇来处理圆的平方。 为了固定参数，阿那克萨哥拉斯通过在斜线上滚动一张白纸构建了一个螺旋。 这使空间倾斜，使线呈现螺旋状，使平面以一定角度进入过程，如右螺旋面，如公式所示。 对于第一个和第五个八分圆，我们滚动空间，将传统自动扶梯的 3D 立方体空间变成一个空心圆柱体空间的螺旋：

其中 r 是要汇总的基本标准。

对于右螺旋和圆形连接，我们可以使用可重构机制来消除右螺旋和圆周速度之间圆周运动的速度差异。 通过用刚性结构可重构机构制作阶梯系列，我们可以设计和制造出右螺旋轨迹的螺旋自动扶梯。