安全節(jié)能型自動扶梯設計

　　設計背景：
　　電梯，特別是自動扶梯成了生活中不可或缺的一部分。電扶梯一般分上行與下行兩部分，根據(jù)乘電梯的人數(shù)來調(diào)節(jié)電動機功率，使自動扶梯始終保持勻速運動。前不久，深圳就曾經(jīng)出現(xiàn)由于乘電梯的人數(shù)過多，電機功率不足而導致電梯倒滑，造成人員傷亡的事故。于是我想，在我們增強安全意識的同時，能否把扶梯下行時，將人的重力勢能轉(zhuǎn)變成扶梯上行的動力，從而達到省電節(jié)能的目的呢？
　　設計構思：
　　有一天，看見兩個孩子在玩蹺蹺板，引起了我的思考：可否用下行乘客的重力來帶動上行呢？這樣安全系數(shù)也會提高很多！根據(jù)我現(xiàn)有的知識，將兩個轉(zhuǎn)向不同的裝置連接起來最有效的方法是利用齒輪組。那么，是不是可以在電梯內(nèi)部安裝一個齒輪組來完成我的設想呢？
　　設計過程：
　?。ㄒ唬├碚撏茖?br/>　　首先，介紹幾個數(shù)據(jù)并做出假設：
　　1.自動扶梯空轉(zhuǎn)功率P：（垂直）高度小于4m的自動扶梯，功率在7.5kw左右，此處取整P=7.5kw。
　　2.摩擦因數(shù)μ：根據(jù)有關資料，摩擦因數(shù)在0.6～0.8之間，由于上了潤滑油，摩擦因數(shù) μ取0.6，摩擦力為f。
　　3.自動扶梯規(guī)定的運動速度v=1.5m/s。
　　4.每一個乘客的體重取平均值600N（即60kg）。
　　5.自動扶梯的傾角θ：為作對比，自動扶梯的傾角將取深圳失事電梯的傾角 θ=45°。
　　為了簡化計算，將自動扶梯的空轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)化成“人功率”P人（即將n個人送上4m所需的功率）：式的意義在于，當電梯不制動且處于運動中時，7個人可以令其停止。傳統(tǒng)電梯采用雙電動機模式，每個電動機動力為7人功率，當上行人數(shù)為X，下行人數(shù)為Y時，有①下行人數(shù)小于等于P人：P總=2P人+X?△P-Y?△P=14+X-Y；②下行人數(shù)大于P人：P總=（P人+X）+（Y?△P- P人）= X+ Y。
　　節(jié)能型扶梯采用單發(fā)電機聯(lián)動模式，電動
　　機動力為P人′14人功率。不論下行人數(shù)是多是少，都有：△P′= X?△P-Y?△P=X-Y；P′總=P′人+△P′=14+X-Y。上述幾式中，?P為將一個人送上去的功率，即單位人功率。
　　通過以上各式，我們可知道，當下行人數(shù)小于平衡人數(shù)P人時，節(jié)能型扶梯與傳統(tǒng)扶梯的功耗相同；而在下行人數(shù)多于P人時，節(jié)能型扶梯要比傳統(tǒng)扶梯功耗更少。該裝置可行性理論得證。
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　　最初的設想圖如下圖：其主要工作原理是由一個馬達帶動，靠兩個齒輪組進行聯(lián)動工作，從而達到“一馬達，兩方向”的最終運行效果。這個方案的基本構想就是利用人給自動扶梯的下滑力，為上行電梯提供一部分動力，從而達到節(jié)能省電的目的。
　　圖1中每個齒輪組由4個齒輪組成，箭頭方向表示其旋轉(zhuǎn)方向 。電機與扶梯之間有脫軸裝置，當中間的齒輪組出現(xiàn)故障時，脫軸裝置會自動斷開，同時啟用備用電機，使齒輪故障不會影響到自動扶梯的運行。備用電機：備用電機平時不啟用，緊急時刻作用有兩個：一是當齒輪組故障時，配合脫軸裝置，使兩電梯仍正常運行；二是當電機出現(xiàn)故障時，可以啟用以使電梯正常運行。圖2為完成的實物模型：
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　　將整個模型接入12伏的直流電源，電梯正常運行，電流表顯示電流大小約為250mA。當在上行電梯上放上1千克重物時，電流表示數(shù)為300mA。之后我又在下行電梯上放同樣重的物體，示數(shù)在325mA左右晃動。
　　之后，我將鉸接裝置分開，分別在上下行放上1千克重物，電流表的示數(shù)達到了近375mA，比節(jié)能模式下要大了將近50mA。僅僅是12伏電源就有如此大效果，這個結果說明該設計設想是成功的。
　　結論總結：
　　通過理論推導以及反復的實驗驗證，該設計具有極高的可行性，雖然改進電梯會增加一定的成本，但從長遠利益來看，這一設計是利大于弊的。首次，本設計使用齒輪組將上下行自動電梯相鉸接，一個馬達驅(qū)動兩個方向，利用下行乘客的重力勢能轉(zhuǎn)化為動力來減少一部分電能，從而達到省電節(jié)能的作用，特別是下行人數(shù)越多，節(jié)省的電力越多，且不會由于下行人數(shù)過少而導致電梯的功耗增大。尤其是在超市、車站、影院的等人流量大的地方，該設計的省電量將是顯而易見的。
　　其次，在安全方面，由于兩自動扶梯相聯(lián)動，所以使電梯達到倒滑程度所需的摩擦力也會增加整整1倍，將大大降低電梯倒滑事故的發(fā)生率，極大限度地保障了乘客的安