一种“一步到位”的新型楼道电梯

裴培 ， 刘井月， 鲁贞园， 欧 阳智 婉， 王玉琳

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

0 引言

随着我国人口老龄化问题的日益加剧，社区的高龄老人、独居老人、生活不能自理老人的比例逐年增加[1-3]。目前，许多老人仍住在老式的多层住宅，由于空间狭小，老式住宅的楼道无法安装新式住宅常用的厢式电梯[4]和商场常见的扶手电梯，给他们的晚年生活带来诸多不便。有些老人甚至常年无法下楼，缺少与社会的交流，失去了与大自然的亲近，寂寞和孤独使他们的晚年生活很不幸福。

文献[5]曾报道，世界第三类电梯——“非常道楼道电梯首次现身广州某居民旧小区”，该楼道电梯采用分段式结构，即每两个平台之间为一段。这种电梯虽然解决了现有的厢式电梯和扶手电梯在老式住宅不能安装的难题，但乘客需要不断上下踏板，以实现楼层的转换，乘坐速度慢，不适合行动不便的老人和残疾人。为此，文中设计了一种自动转弯、“一步到位”的楼道电梯，乘坐者只需要踏上踏板选择楼层，即可一步到位，安全、舒适、快捷。

1 总体方案描述

所设计的“一步到位”型楼道电梯如图1所示。在两段楼梯之间有一平台区，用于供人们行走和改变行进方向，称为“中间平台”。与楼层地面标高齐平的地方也有一块平台区，除起到与中间平台相同的作用外，还用来分配从楼梯到达各楼层的人流，称为“楼层平台”[6]。中间平台和楼层平台都是“休息平台”，在所有休息平台上垂直固定导轨架，再在导轨架之间安装两根平行的导轨，两导轨中间设有可移动的钢索[7-8]，钢索安装在驱动轮及各导轮（定滑轮）上。连接轴安装在两根导轨的槽形轨道上，且与钢索连接。电动机正转带动钢索运转时，连接轴沿导轨向上滑动；电动机反转带动钢索运转时，则连接轴沿导轨向下滑动[9-10]。在连接轴的上端配有可伸缩的扶手，下端安装一块可折叠的踏板，利用微型电机驱动实现扶手的伸缩和踏板的收放。不使用时扶手缩进电梯外壳内部，踏板收拢靠在电梯上；使用时扶手伸出，踏板则从电梯侧面翻转下来，以供用户乘坐。

图1 楼道电梯系统的全局结构示意图

在每个楼层平台和电梯扶手上均设有控制按键，需要使用电梯时，按下所在楼层的数字键，电梯便快速到达乘坐者所在楼层；随后扶手自动伸出，侧面自动翻下一块踏板[11]。乘客站上去之后，扶着电梯上的扶手，再按下目的楼层的数字键，电梯便沿轨道开始运行；遇到弯道时电梯自动转弯，乘客无需中途上下。当到达目的地楼层后，电梯自动停止；乘客离开后，电梯检测到无人站立在踏板上，便自动收缩扶手、合上踏板。

在电梯工作过程中，按请求先后为各用户服务。当一个用户按键后，电梯立即执行该用户的请求，若此时有其他用户按键，电梯则不予理会。只有待上个用户的请求执行完毕，电梯才会执行下个用户的请求。

2 轮齿轮式转向机构设计

轮齿轮式转向机构如图2所示。在图2中，两只齿轮1和一只滑轮2通过轴承4安装在轴3上[12]；轴3通过紧固件固定在导轨架上，齿轮1和滑轮2均可在轴3上转动。与其匹配，如图3所示，在抱索器的两侧也加装一对相同的齿轮（与图2中的齿轮几何参数完全相同），此2只齿轮与转轴固定连接，抱索器与转轴间装有轴承，2只齿轮连同转轴相对于抱索器可以自由转动。抱索器的两块夹板通过螺纹连接将钢索夹紧，尾端通过螺纹连接安装在连接轴上。为了让电梯能够顺利转弯，文中采用了轮齿轮式转向机构，使电梯能够顺利通过拐弯处，达到一步到位的目的。

图2 轮齿轮结构

图3 抱索器结构

图1中，在轨道的180°转弯范围内设置了一系列的转向轮齿轮。轮齿轮的转向过程如图4所示。在抱索器与滑轮相撞之前，抱索器上的齿轮先与转向轮齿轮啮合。由于钢索有一定的弹性，且齿轮的分度圆直径比滑轮的节圆直径大，所以在齿轮啮合时可以使抱索器与滑轮间分开一定间隙而不会相撞。当抱索器上的齿轮与上一对转向轮齿轮脱离啮合后，再与下一对转向轮齿轮进入啮合。通过抱索器上的齿轮与各对转向轮齿轮的交替啮合，避免了抱索器与滑轮的相撞，实现了电梯的自动、平稳转弯。

3 电气控制系统与动力系统

图4 轮齿轮的转向过程

楼道电梯的电气控制系统包括控制电路、保护电路以及传动系统等；动力系统包括供电电源、电动机驱动装置等。传动系统的输出分别接至驱动轮、转向轮齿轮、钢索以及微型电动机等。控制器的输出接控制电路，控制电路的输出接传动系统[13-15]，传动系统的4个部分构成控制单元输出，传动系统获得的信号反馈至保护电路，保护电路的信号可直接反馈至传动系统，保护电路还将信号反馈到控制电路，通过控制电路进行处理与调控。

4 结语

针对老式住宅空间狭小的建筑特点，基于轮齿轮式转向机构，文中设计了一种可以实现自动转弯的“一步到位”的新型楼道电梯。与厢式电梯、扶手电梯相比，该楼道电梯更适合于老式住宅楼道的改造安装；与分段式接力电梯相比，可以一步到位，直接到达目的地，具有价格低、体积小、操作简单、维修方便、安全可靠等特点，应用前景广阔。

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