基于剪切增稠流体的自动扶梯防逆转装置设计

吕晓易

（嵊州中学，浙江绍兴，312400）

0 引言

近年来，因具备连续不断地承载大量人流的性能为人们的生活带来便利，也越来越普遍地得到应用。可是与此同时，自动扶梯事故也频频发生。在多起自动扶梯逆转事故中，扶梯的防逆转装置未能有效发挥作用。因此，仍有必要深入研究安全、可靠的自动扶梯防逆转装置。

张连洲[1]提出了一种自动扶梯的围裙板上安装多个由电磁铁，弹簧以及楔形铁块组成的自动扶梯防逆转装置，但此设计需要供电，存在一定风险，所用电磁铁、楔形铁块数目较多，成本高，不利于安装以及维护，并且安装在梯级表面可能对人造成伤害。朱明春[2]对自动扶梯防逆转要求和防护措施进行了分析，可是没有提出具体的技术创新方案。

本文应用了剪切增稠流体特性实现自动扶梯的防逆转。剪切增稠流体是20 世纪90 年代由美国陆军研究实验室研制的一种特殊材料，该材料在低扰动下为流体状态，当突然受到冲击时变得异常粘稠，甚至展现出类固体状态，当撤去外部作用时重新恢复到流体状态。剪切增稠流体已经应用于防弹衣领域[3]，高楼逃生缓降器[4]，减速带等[5]。本文设想将剪切增稠流体应用于自动扶梯防逆转装置中，相较于传统的摩擦式防逆转装置，具有无磨损、无需供电、制动平缓、自动调节下降速度等优点，可减小制动过程中对人体造成的伤害。

1 设计目的及链轮上的力矩计算

针对提升高度为6 米、倾斜角为30°的自动扶梯，载荷大小6000N/m2情况下[6]，取链轮直径1m，梯级宽度1.2m，控制其缓降速度1m/s，保证防逆转装置的制动效果。

自动扶梯承受的总的载荷为：6000N/m2×1.2m×6m/tan30°≈74822N，这一载荷的下滑力分量为74822N×sin30°=37411N，进而在链轮上的力矩为37411N×1m/2=18705.5Nm。

2 整体方案设计

参考图1，方案由链轮，连接盘，棘轮，中心轮，壳体，系杆，行星轮，太阳轮，齿圈，轴，剪切增稠流体，转子等几部分组成。变速机构由链轮，中心轮，系杆，行星轮，太阳轮，齿圈组成。单向传动装置由连接盘，棘轮组成。固连装置由链轮，壳体，轴组成。制动机构由转子，剪切增稠流体组成。链轮与连接盘固连，壳体中的棘轮和连接盘固连，棘轮和变速机构固连，剪切增稠流体中的转子通过轴和变速机构链接。当链轮正常运转时棘轮不传动，而当链轮反向运转时棘轮传动，从而带动变速机构。轴受到太阳轮的驱动，带动转子运动。剪切增稠流体受力，对转子运动起到阻碍作用，起到制动效果。由于剪切增稠流体材料的特性，在逆转速度较低的情况下，转子对剪切增稠流体的剪切作用较小，这样剪切增稠流体粘度较小，对转子阻力作用较小，不会发生可能导致乘客二次伤害的急停现象。而当逆转速度较高的情况下，剪切增稠流体受到剪切作用较大，相应的其粘度和对转子的阻力也较大，可以将转子逆转速度降至合理范围内，即将危险控制在可接受范围内。

图1 整体设计方案示意图

图2 棘轮机构示意图

棘轮机构由棘爪，棘轮，弹簧，中心轮等几部分组成。中心轮与转子固连，弹簧和棘爪安装于中心轮上。棘轮与链轮固连，安装于中心轮外围。弹簧对棘轮施加一个预紧力，使之与棘轮内侧紧贴，可卡住棘轮的棘齿。当链轮带动棘轮逆时针运转时（即自动扶梯工作在正常状态下），棘爪连接的弹簧容易被压缩收回，不阻碍棘轮运动。当棘轮顺时针运转时（即自动扶梯工作出现逆转），棘轮被棘爪卡住，从而带动中心轮运动，使制动机构开始运作。

3 详细计算

根据链轮的直径和缓降速度可计算链轮缓降角速度(rad/s)：

考虑到需要将剪切增稠流体材料工作在剪切增稠段，因此根据图3 所示的剪切增稠流体材料特性曲线[7]，剪切速率从4000s-1到6000s-1是剪切增稠段，故取稳定运动时剪切速率为5000s-1，初取转子直径d=1m，间隙h 为0.002m，因此转子的角速度(rad/s)：

图3 典型的剪切增稠流体的剪切速率—粘度曲线

这样，稳定工作状态时链轮角速度和转子角速度差别较大，需要设计传动装置进行转速变换。因此设计了图1 中的行星齿轮减速器传动装置，其传动比应为：

根据行星齿轮减速器传动比公式：

取齿圈和太阳轮的齿数 z3和z1分别为90 和10 的单级行星齿轮减速器即可以满足传动比要求。

这里对转子进行受力分析，在稳定工作状态下，转子承受从链轮传递过来的力矩，以及剪切增稠流体对转子的阻力矩。其中，链轮传递来的力矩可根据载荷在链轮上作用的力矩进行换算，其等效力矩（N·m）为：

根据为5000s-1，对应的粘度为0.5Pa·s，这样转子上作用的剪切应力（Pa）：

进一步计算剪切增稠流体在转子上作用的阻力矩：

由转子稳定工作时力矩平衡，即T=T′得到：

这样，算得转子高度l 为0.476m，这一尺寸在工程上是可以接受的。同时，也确认了转子直径d=1m，间隙h 为0.002m 的取值较为合理。

4 结论

针对现有自动扶梯防逆转装置的不足，本文提出了一种基于剪切增稠流体的自动扶梯防逆转设计，可以有效避免自动扶梯逆转事故发生。可针对提升高度为6 米、倾斜角为30°、链轮直径1m，梯级宽度1.2m 的自动扶梯，在载荷大小6000N/m2的情况下，控制缓降速度1m/s，达到自动和稳定的制动效果。研究中取得了如下主要结论：

（1）所设计的基于剪切增稠流体的自动扶梯防逆转装置主要由制动机构、变速机构、单向传动机构、固连装置组成。（2）变速机构中，齿圈和太阳轮的齿数z3和1z分别取90 和10 的单级行星齿轮减速器即可以满足传动比要求。（3）制动机构中，剪切增稠流体稳定运动时剪切速率为5000s-1，变速机构中，转子直径d=1m，间隙h 为0.002m，推导出行星齿轮减速器的传动比应为1/10，满足要求。（4）制动机构中，转子上的等效力矩为1870.55N·m，转子高度l 为0.476m，满足要求。

本文设计的结果中，装置的体积较大，可进一步优化结构，缩小体积，降低成本，增强其实用性。