绳索电梯

奥的斯 20 世纪之交的独特电梯驱动设计塑造了现代牵引电梯。

新电梯系统的发明通常遵循不同的发展轨迹：发明者追求包含最终成为标准系统的主要或主要路径，同时追求一个或多个次要平行路径。 这些次要路径可能被认为是主要主题的变体，通常是由一种近乎痴迷的愿望所驱动，即解决被认为是与新系统相关的关键问题。 这些追求通常是简短的、高度集中的设计练习，偶尔会产生自己独特的（通常是过度设计的）系统。 现代牵引电梯的发展就是这种情况。 最初概念的简单性——连接轿厢和配重并绕过牵引滑轮的电缆系统——引发了许多对由于过度摩擦导致的电缆滑动和磨损的担忧，以及对直接连接的担忧电动机速度和驱动滑轮的相关速度。 针对这些问题提出的一种解决方案是绳索驱动电梯。

最早的两项绳索驱动电梯专利授予诺曼·C·巴塞特 (Norman C. Bassett)，他是 Thomson-Houston Electric Co. 的工程师：“电梯齿轮”，美国专利号 483,203（27 年 1892 月 485,163 日）和“电梯齿轮，” ” 美国专利第 1 号（1892 年 11 月 1890 日）。 两项专利的申请均于 XNUMX 年 XNUMX 月 XNUMX 日提交； 因此，巴塞特将他的专利视为一项共同发明的变体。 Bassett 的设计基于以下信念：牵引电梯是“主要困难之一。 . . 摩擦损失过大，当总负载的重量加在电机的电枢或与其相连的其他快速运转部件上时，这是不可避免的。”^[1]

巴塞特将他对这个问题的解决方案描述为“一种有效且无噪音的机制，用于传输动力并将电机的高速降低到汽车相对较慢的速度。”^[1] 他通过将电动机和驱动滑轮放置在起重滑轮附近来实现这一点，这样驱动滑轮为连接到配重的“绳索和滑轮装置”提供动力（图 1）。 绳索和滑轮装置移动配重，因此，根据巴塞特的说法，轿厢有效地将“负载的主要部分”从“快速移动”的驱动滑轮转移到“缓慢移动”的起重滑轮，从而“大大”减少了“摩擦和磨损造成的损失”。^[1] 他的第二项专利将“动力传输机构”描述为“差速绳装置”（图 2）。^[2] 值得注意的是，在这两项专利中，Bassett 在提及牵引滑轮时始终使用“滚筒”一词。

巴塞特的绳索驱动电梯概念在 20 世纪初之前显然很少引起人们的注意，当时奥的斯对这种牵引电梯的替代版本产生了兴趣。 7 年 1903 月 789,765 日，奥的斯的主要工程师之一鲁道夫·C·史密斯 (Rudolf C. Smith) 申请了“电梯用绳索驱动”，美国专利号为 16，于 1905 年 XNUMX 月 XNUMX 日获得批准。表达了他对巴塞特设计的认识：

“本发明涉及一种用于电动和其他电梯的绳索驱动装置，其目的是提供一种简单而有效的设备，其摩擦最小，因此磨损也最小。 本发明是483,203年27月1892日授予Norman C.Bassett的美国专利No.XNUMX中所示的装置的改进。 本发明描述了用于与轿厢相结合的绳索驱动装置的滑轮组的布置，轿厢通过附加的独立缆绳以这样的方式连接到平衡配重，使得在以下情况下仅必须克服不平衡负载的一小部分。由电机驱动。”^[3]

与 Bassett 的情况一样，Smith 通过一个简单的电缆和滑轮系统连接汽车和配重，该系统由连接到驱动滑轮的电动机驱动，该驱动滑轮操作辅助系统（图 3）。 他将他的辅助系统描述为“两组多块或减少块和滑车”，它们的作用方向相反，因此能够升高或降低配重和汽车。^[3] 根据史密斯的说法：

“很明显，要提升或降低的负载只是轿厢与其负载和对重之间的差值，并且根据滑车和滑车的减速作用程度，电机上的吃水会减少，而同样可能会高速旋转。”^[3]

史密斯的专利是奥的斯工程师追求的一系列专利中的第一个。 10 年至 1903 年间提交的 1909 项额外的绳索驱动专利申请表明了该公司对开发这种系统类型的兴趣程度。1906 年和 1908 年提交了四项申请； 因此，研究的高峰期似乎是从 1905 年末到 1909 年初。然而，准确地追踪这一研究轨迹需要使用专利的申请日期。 （申请和获奖之间的时间间隔从七个月到六年不等）。 因此，以下对这些专利的选定调查不遵循授予专利的顺序，而是遵循提交申请的顺序（表 1）。

在 Ernest Boening 的专利“摩擦绳驱动电梯”中发现的设计，美国专利号为 932,432（31 年 1909 月 XNUMX 日），遵循了 Bassett 和 Smith 建立的范例，并采用了由中间滑轮和绳索连接的独立驱动和起重滑轮。 Boening 的目标之一是“提供一种简单有效的方法来自动保持此类电梯驱动绳上的张力。”^[4] 他的设计基于使用“铰链块”来获得绳索和驱动滑轮之间所需的“摩擦接触”。 平衡在铰链块顶部的是支撑起重和辅助滑轮的支撑梁。 （电机和驱动滑轮直接位于次级滑轮下方。）支撑梁的两端还具有巨大的弹簧，旨在“吸收”发生的任何震动或振动。 Boening 将他的设计描述为“倾斜杠杆系统”，它会自动“在驱动滑轮和高架滑轮之间的绳索或绳索环上产生应变”。^[4] 他相信由此产生的“摩擦接触或张力”将“与汽车的重量及其负载成比例”。^[4] 在采用配重的两个版本中清楚地表明了他的方案的复杂性（图 4）。

John D. Ihlder 的“绳索驱动电梯”，美国专利号 1,016,691（6 年 1912 月 XNUMX 日）提供了一个更简单的设计解决方案，有点类似于规范的牵引系统。 根据伊尔德的说法：

“迄今为止，驾驶汽车的通常方式是将驱动绳绕在驱动滑轮上，然后从那里绕着松动的滑轮，再次回到平衡重。 . . . 这会对驱动轮或鼓的轴承以及松动或张紧轮的轴承产生非常大的应变。”

通过将起重滑轮和驱动滑轮分开并使用多根绳索，减轻了这种“重应变”。 然而，与早期设计不同的是，该系统采用了一组相对简单的附加组件（图 5）。 事实上，Ihlder 指出，他的设计并不像他的图纸中那样复杂：

“为了便于追踪不同的绳索，我分别显示了不同直径的滑轮，并将它们指定为在每种情况下都是单独的滑轮。 然而，应当理解，滑轮基本上具有相同的直径并且彼此固定； 或者，所述滑轮可以是单滑轮，具有用于绳索的双槽。 [该系统被设计为]减轻摩擦驱动装置上的动力传输装置的应变[并提供一种有效的]装置来抵消[该]牵引电梯装置的驱动滑轮和张力滑轮的轴承上的应变。 ”^[5]

令人惊讶的是，随后的八项专利主要解决了 Boening（而不是 Ihlder）设计的变化。 表明奥的斯专注于更复杂的铰链块方案的证据还伴随着这些机器中的一些可能实际上已经制造出来的迹象（如果只是在奥的斯的测试设施中）。 David Lindquist 和 August Sundh 的“绳索驱动电梯”，美国专利号 987,384（21 年 1911 月 XNUMX 日）被描述为“牵引或直接驱动”电梯系统的改进。 该设计的综合目标是提供“一种简单而有效的方法在牵引驱动缆绳上产生必要的张力”，并提供“一种将张力分布在牵引驱动滑轮两侧的驱动缆绳上的方法”。^[6] 这是通过使用轿厢和配重在起重滑轮绳索上产生必要的张力来实现的，同时轿厢也被平衡以应对负载的变化。 还采用了“枢轴点”和横梁（类似于 Beoning 的铰链块），以提供“一种简单而有效的方法，可在所有负载条件下提供必要的牵引力，而不会以任何方式使绳索系统复杂化或使用额外的重量。 ”^[6] 发明人声称该设计构成了一个简单的解决方案，当然是有争议的。 然而，他们确实清楚地暗示了他们的设计已经过构建和测试。 他们表示，他们的电梯“在实际实践中证明了”其效率和额外的好处：它显然有助于“克服”汽车在突然停止时“跳动”（或向上弹起）的趋势。

此序列中的最后一项专利是 Lindquist 的“绳索驱动电梯”，美国专利号 931,935（24 年 1909 月 XNUMX 日）。 Lindquist 用熟悉的术语描述了他的设计：

“本发明的目的是在操作的不同部分自动增加这种摩擦接触。 在这种类型的电梯的大部分操作期间，驱动绳索上只需要有足够的张力以防止驱动绳轮静止时绳索在驱动绳轮上滑动或驱动轿厢上的轻负载。 凭借我的发明，只要汽车中的负载增加，这种张力和随之而来的摩擦就会增加，并且通过适当布置部件，可以使这种摩擦的增加与负载的增加成正比。”^[7]

或许，这个最终方案似乎将 Ihlder 设计的简单性与 Beoning 的复杂性结合起来，后者在铰链块、倾斜杠杆、弹簧以及初级和次级滑轮的婚礼蛋糕状布置中可见。绳索（图 7）。

奥的斯（Otis）绳索驱动电梯深思熟虑、专注、安静且独特的品质表明，他们致力于以最复杂的方式解决看似简单的问题。 许多专利都包含电梯运行的详细数学解释，这表明这种追求的严重性。 然而，仍然难以想象奥的斯才华横溢的工程师团队实际上设想了这些机器将用于美国的建筑物和现有的电梯井。 因此，将这些探索视为“思想实验”的工程等价物可能是合适的，“思想实验”是一个哲学概念，通常被定义为“用于研究事物本质的想象力的装置”。^[8]

案例

[1] Norman C. Bassett，“Gearing for Elevators”，美国专利号 483,203（27 年 1892 月 XNUMX 日）
[2] Norman C. Bassett，“电梯齿轮”，美国专利第 485,163 号（1 年 1892 月 XNUMX 日）。
[3] Rudolf C. Smith，“电梯的绳索驱动”，美国专利号 789,765（16 年 1905 月 XNUMX 日）。
[4] Ernest Boening，“摩擦绳驱动电梯”，美国专利号 932,432（31 年 1909 月 XNUMX 日）。
[5] John D. Ihlder，“绳索驱动电梯”，美国专利号 1,016,691（6 年 1912 月 XNUMX 日）。
[6] David Lindquist 和 August Sundh，“绳索驱动电梯”，美国专利号 987,384（21 年 1911 月 XNUMX 日）。
[7] David Lindquist，“绳索驱动电梯”，美国专利号 931,935（24 年 1909 月 XNUMX 日）。
[8] 詹姆斯·罗伯特·布朗和 Yiftach Fehige。 “思想实验”，斯坦福哲学百科全书（2014 年秋季版），Edward N. Zalta（编辑）。