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Review: Konfigurationsdesign für Spiralrolltreppen

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Zwei Spiralen in einem Zylinder
von HY Tian und Li Yuxiang

Rolltreppen sind eine gängige Form des öffentlichen Verkehrs, und mit der Zeit steigen ihre ästhetischen Ansprüche mit ihrer Popularität. Da die Grundfunktion einer Fahrtreppe darin besteht, Fahrgäste zwischen verschiedenen Raumebenen zu transportieren, bietet sich alternativ die Konstruktion einer spiralförmigen Fahrtreppe mit geringerem Platzbedarf und höherer Ästhetik an.

Abhängig von mathematischen Modellen können Fahrtreppen in lineare und raumkurvenförmige Fahrtreppen eingeteilt werden. Die lineare Fahrtreppe kann durch Projektion durch die Seite der Fahrtreppe als linearer ebener Bewegungsmechanismus aufgefasst werden. Im Vergleich dazu ist die Bewegungstrajektorie der Raumkurven-Rolltreppe eine kontinuierliche Kurve in der Oberfläche senkrecht zum zweidimensionalen Raum. Die Raumkurven-Rolltreppe kann auch als lineare Rolltreppe betrachtet werden, die durch eine Bewegung senkrecht zur Ebene, in der sie liegt, verbunden ist. Eine spiralförmige Fahrtreppe wird in die Kategorie der Raumkurvenfahrtreppen eingeordnet.

Wir können Fahrtreppen auch nach ihrer Dynamik und ihrem Antriebssystem in gleichmäßige Bewegung und gleichmäßige variable Bewegung einteilen. Die einheitliche Synthese mit variabler Geschwindigkeit weist Geschwindigkeits- und Orientierungsvariationsmodi auf. Der Orientierungs-Variation-Modus bringt viele Herausforderungen an die Technologie des Kettenantriebssystems in Spiralfahrtreppen. Das Konstruktionsprogramm von Produkten mit spiralförmigen Fahrtreppen hat eine feste Geschwindigkeit, aber bestehende Patente für Fahrtreppen mit variabler Geschwindigkeit beziehen sich auf kinematotrope Mechanismen, bei denen es keine Lücke zwischen den Komponenten in der Schrittkette gibt. Die kinematotropen Mechanismen könnten der Schlüssel zur Entwicklung von spiralförmigen Fahrtreppen sein.

Die Rückfahrstufe können wir als weitere Fahrtreppe nutzen, um Fahrgäste unter Ausnutzung der Förderleistung der Fahrtreppe in eine tiefere Ebene zu befördern, wobei sich der ungenutzte Rückfahrweg immer unter der Reihe versteckt. Angesichts der physikalischen Widersprüche zwischen der Spiral-Rolltreppen-Serie und den Ringsektor-Komponenten, die im Designkurs gefunden wurden, hoffen die Ingenieure, dass Änderungen in der Bewegungsform von Ketten um das Kettenrad herum die Umkehrzyklusstufe umfassend nutzen werden. Einige Programme schlugen Modelle vor, wie zum Beispiel eine bewegliche Treppe und auf- und absteigende endlose Rolltreppen. Angesichts des Stabilitätsproblems einer Fahrtreppe für Überführungsbrücken können wir die Herausforderung des topfförmigen Stufenbauteils nicht lösen.

Meilensteine ​​in der Entwicklung von Spiralrolltreppen

Das Designkonzept spiralförmiger („gebogener“) Fahrtreppen wurde von Jesse W. Reno und Charles Seeberger (ELEVATOR WORLD, April 2008) vorgeschlagen. Reno produzierte 1906 die erste Laborausrüstung, um eine spiralförmige Rolltreppe für die Londoner U-Bahn zu bauen, aber das Gerät erhielt keine öffentliche Anerkennung und das Experiment scheiterte. Die von Seeberger fertiggestellte Blaupause von 1911 war die relevanteste Technologiereferenz.

1985 installierte Mitsubishi eine spiralförmige Fahrtreppe (EW, Februar 1985); bei dieser Konstruktion gibt es jedoch viele Mängel und Unzulänglichkeiten, einschließlich übermäßiger Lücken zwischen Teilen, langsame Geschwindigkeit, Geräuschprobleme, komplexe Fertigungstechnologie, komplizierte Steuerung, begrenzte Steigung, ein Viertel der Bewegung und ein Lenkwinkel von weniger als 180 °. Dennoch hat Mitsubishi in diesem Bereich eine enorme Entwicklung vorangetrieben.

Vor kurzem erfand Jack Levy, emeritierter Professor für Maschinenbau an der City University London, den „Levytator“ (EW, August 2005). Diese Konstruktion hat keine Antriebsketten, so dass die Stufen in der vertikalen Achse flexibel sind, während sie sich in unterschiedlichen Höhen befinden. Somit kann sich die Rolltreppe ohne Einschränkung in jede Richtung drehen. Im Vergleich zur traditionellen Kettenstruktur liegen die Vor- und Nachteile des Levytators auf der Hand. Der Loopback-Teil der Levytator-Leiter wurde als Downstream verwendet, und seine doppelte Verwendung kann weniger Strom verbrauchen, was die Wartung erleichtert. Auf der anderen Seite kann sie mit der massiven Gewichts- und Breitenbegrenzung des Trittteils sowie der Vibration und Anpassungsfähigkeit des Sekundärantriebs durch die Levy-Leiter selbst nur als Ersatz für lineare Fahrtreppen existieren.

Funktions- und Konzeptdesign

Die meisten existierenden patentierten Designs von spiralförmigen Fahrtreppen und verwandten Programmen stammen aus den USA, Japan und Europa. Die Mehrheit entschied sich dafür, sich auf das Design von Mechanismen zu konzentrieren, ohne die Analyse des konzeptionellen Designs oder der Funktionalität. Wofür ist die Wendeltreppe ausgelegt? Dieses Problem sollte das erste Problem sein, das alle Designer angehen. Viele Konstrukteure von Spiralfahrtreppen sind der Meinung, dass der ästhetische Wert im Vergleich zu herkömmlichen Fahrtreppen ein grundlegendes Ziel ist. Es gibt drei weitere Vorteile von Spiralfahrtreppen – unabhängiger Aufbau, unendliche Höhe und Umweltfreundlichkeit.

Die Hauptfunktion einer Wendelfahrtreppe besteht darin, Fahrgäste über einen Kettenantrieb in einer Wendelbahn von einem unteren in ein oberes Stockwerk zu befördern. Als Zusatzfunktion wird eine Schrittfolge entlang einer Kurve oder einer Niveaulinie benötigt, damit die Fahrgäste die Fahrtreppe sicher betreten oder verlassen können. Die Schrittreihe benötigt auch eine hin- und hergehende Bewegung mit geschlossenem Ring. Aber die Anforderungen der drei Teile machen die Konstruktion und Produktion unmöglich.

Im Allgemeinen kann man sich spiralförmige Fahrtreppen als traditionelle Fahrtreppen vorstellen, bei denen eine vertikale Ablenkung zu ihren Kettenebenen hinzugefügt wird, und das mathematische Modell besteht aus rechten Helikoiden und nicht aus spiralförmigen Linien. Der Parameter von Rechtshelikoiden im Bauwesen ist eine Linie und eine Helix. Eine radiale Linie schneidet horizontal oder eine vertikale Ebene schneidet eine Standardzylinderhelix auf der zylindrischen Oberfläche. So können wir einen Standard für Konzeption, Programm- oder Mechanismusdesign erhalten.

Design von Spiralrolltreppen

Es gibt zwei Hauptideen bei der Gestaltung von spiralförmigen Fahrtreppen: den ausgereiften Rahmen bestehender Fahrtreppen umzuwandeln und auf der Grundlage des bestehenden gekrümmten Fahrsteigs eine gewisse Niveauabsenkung vorzunehmen.

Spiralrolltreppen-Design basierend auf Rechtshelikoid

Das Hauptproblem des Schemas, eine traditionelle Fahrtreppe in eine spiralförmige Fahrtreppe umzuwandeln, befasst sich hauptsächlich mit dem kinematischen Modell.

Ausgabe XNUMX: Geschwindigkeitskoordination zwischen Horizontal und Spirale

Nach der rechtshelikoiden mathematischen Formel:

Spiral-Rolltreppen-Konfiguration-Design-Gleichung-1

wobei a für spiralförmige Auftriebsrate steht, die sich auf den Radius und den Auftriebswinkel bezieht, die durch die Gruppenspiralen auf einer rechtshelikoiden Fläche bestimmt werden.

Spiral-Rolltreppen-Konfiguration-Design-Gleichung-2

wobei H für Hubregalbereich auf einer spiralförmigen Fläche steht und a für Hubwinkel zum Horizont steht.

Die Spiralgeschwindigkeit ist also:

Spiral-Rolltreppen-Konfiguration-Design-Gleichung-3

Wenn wir noch zwei Rollenketten – eine innen und die andere in radialer Richtung außen – verwenden, um die Schrittbewegung synchron zu führen, sollte die Bewegungsgeschwindigkeit des Verhältnisses beider Seiten folgende Bedingungen haben:

wobei das obere die radiale Innenseite der Stufenreihe und das untere die radiale Außenseite der Stufenreihe bedeutet.

Spiral-Rolltreppen-Konfiguration-Design-Gleichung-4

Ergebnisse werden dann:

Spiral-Rolltreppen-Konfiguration-Design-Gleichung-5

Die Projektion der Kette von radial innen und außen in die Horizontale sollte also dem Bewegungsverhältnis entsprechen:

Spiral-Rolltreppen-Konfiguration-Design-Gleichung-6

Wenn wir weiterhin das Kettenantriebssystem verwenden, müssen unter Systemschnittstellenanforderungen der Fahrtreppen-Schrittfolgebewegung die radiale Geschwindigkeit innen und außen proportional angetrieben werden. Basierend auf der primären mechanischen Theorie des Kettenantriebs müssen der Geschwindigkeitswert und das Verhältnis der beiden spiralförmigen Fahrtreppenantriebsketten an verschiedenen Stellen auf dem Radius konstant sein, egal ob die rechts-helikoide Stufe, um den Fahrgast zu fördern, oder die rechte Wendel-Stufe der kreisförmigen Stufe am Horizont projiziert, damit Passagiere die Rolltreppe besteigen oder verlassen. In Anbetracht dessen fallen die Momentanzentren der rechtshelikoiden Stufe und der ringförmigen Ringstufe nicht zusammen. Die US-Patente Nr. 4895239, 4930622, 4893160, 4884673 und 5184710 beweisen diesen Standpunkt. Um die obigen Anforderungen zu erfüllen, fallen die Mitten der rechtshelikoiden und der ringförmigen Ringstufen nicht zusammen. Wir müssen die Flugbahn der Kette ändern, um den Anforderungen unterschiedlicher Geschwindigkeiten gerecht zu werden. Daher müssen Verbindungen zwischen den spiralförmigen und ringförmigen Ringstufen bestehen. Das Design von Mitsubishi verwendet dieses bühnenbildende, kaskadenförmige Pedalrechteck, damit der Passagier den Transport sowohl nach oben als auch nach unten genießen kann.

Wenn wir nicht den gesamten Verarbeitungskettenantriebsmodus als Antrieb der Wendelfahrtreppe wählen, müssen wir nur die Stufen mit der gleichen Geschwindigkeit kontinuierlich in einer bestimmten Dimension an Ort und Stelle halten. Es ist möglich, ihre Bewegung an der ringförmigen Bühne mit der Projektion der rechts-helikoiden Bühne zusammenzufallen, so dass die Achsenpositionen beider Bühnen festgelegt werden können; außerdem wird das Bewegungsmodell vereinfacht und das Konstruktionsprogramm kompliziert. Zum Beispiel haben die US-Patente Nr. 5158167, 4434884 und 5165513 unterschiedliche Ansätze, aber gleichermaßen zufriedenstellende Ergebnisse mit Rolltreppen vom Landebahntyp.

Problem zwei: Verbindungsproblem von zwei Rechtshelikoiden

Trajektorien mit vertikalem Abstand

Die Hauptteile der Rolltreppe und des Loopbacks sind durch den Rückteil verbunden, der die gesamte Kette beim Spannen unterstützt. Nach dem Grundprinzip eines Maschinenkettenrades müssen die Wellen parallel sein; Daher ist die Kohäsion des Antriebs- und Antriebssystems herkömmlicher Fahrtreppen kein Thema. Spiral-Rolltreppen-Serien in der vertikalen Ebene biegen sich horizontal; somit stellen sich zwei Fragen. Erstens ist die radiale Geschwindigkeit innen kleiner als die radiale Geschwindigkeit außen, so dass die Stufenreihen in dieser Stufe nicht synchron umkehren können und sich die rechts-helikoide Mittelachsenrichtung mit den Reihen der Stufen ändert. Zweitens können wir einen Achsstift als radikale Gerade für Ketten mit flexiblen Einstellungen konstruieren, anstatt der üblichen Kette.

Daher können sich die Ketten in der Ebene parallel zum Bolzen der Kettenglieder ringförmig schließen, im Gegensatz zur Ebene senkrecht zum Bolzen. Dann ist ein solcher Bereich des Ablenkungswinkels der spiralförmigen Fahrtreppen natürlich begrenzt. Ein gutes Beispiel wäre, dass das Design von Mitsubishi eine Grenze von 180° nicht überschreiten kann. Eine besteht darin, die innere radiale Kette etwas höher als die äußere radiale Kette zu machen, wobei ein Neigungswinkel beide Seiten des radialen Winkels auf der gleichen Höhe ändert. Die Kettendifferenz wird in der Rückwärtsstufe ausgeglichen. (Zum Beispiel die US-Patente Nr. 5775477, 4809480, 5094335, 5020654 und 4662502.) Das andere Projekt verwendet eine Kette als Antriebssystem innen oder außen und lässt das andere mit speziellen Mechanismen synchronisieren. Die US-Patente Nr. 5158167 und 4434884 umfassen Darstellungen mit äußeren radialen Ketten, und das US-Patent Nr. 5165513 illustriert innere radiale Ketten. Natürlich können wir leicht erkennen, dass der Kompromissansatz der ursprünglichen Konstruktionsabsicht der spiralförmigen Fahrtreppe zuwiderlief. (Es ist lediglich ein Ringmodell.) Ende des letzten Jahrhunderts schlugen Orenstein & Koppel aus Deutschland ein Design vor, um das Problem eines Single-Chain-Flip zu lösen. Die praktische Anwendbarkeit verhinderte die Weiterentwicklung dieses Programms nach der Genehmigung der Patentanmeldung.

Rolltreppen mit beliebiger Kurve

Der Vorgänger der Wendelfahrtreppe ist der umlaufende Fahrsteig, da der Fahrsteig der Fahrtreppe folgte. Umlaufende Fahrsteige haben gegenüber dem Aufkommen der Idee der spiralförmigen Fahrtreppen keinen großen Einfluss, da ihre Funktion sehr eingeschränkt ist. Das Modell und der Aufbau von umlaufenden Fahrsteigen sollten im Vergleich zu einer spiralförmigen Fahrtreppenkonstruktion einfach sein. Maschinenbauer wandten sich jedoch dem umlaufenden Übertragungsgerät zu und schufen so geschwungene Fahrsteige.

Der Levytator basiert auf den US-Patenten Nr. 3493097 und 3185108. Aufgrund der Krümmung der Kaskade des Fahrsteigs in der horizontalen Variation gerieten die Ingenieure jedoch in Schwierigkeiten, die Kaskade mit den relevanten technischen Anforderungen zu erfüllen. Ein Problem beim Levytator war eine Lücke zwischen dem Schritt durch den Doppelantrieb. Levy sagte, dass dies unterhalb der begrenzten Breite ignoriert werden kann.

Für die Kinematik setzt diese willkürlich kurvengängige Fahrtreppe in die umlaufende Getriebeeinrichtung ein, deren Höhe im Höhenunterschied vollständig durch den Fahrweg bestimmt wird. Obwohl sie alle Designanforderungen erfüllen können, besteht die Grundfunktion von Fahrtreppen je nach Bauraumanforderungen darin, einen vertikalen Transport zu gewährleisten. Beliebige Kurvenfahrtreppen bringen in diesem Aspekt keine Verbesserung, sie sind also mehr Dekoration als Projekt.

Schlussfolgerungen

Das technische Kernproblem bei spiralförmigen Fahrtreppen ist ihre gleichmäßige Drehung basierend auf einem rechtsspiraligen Kettenantrieb mit variabler Geschwindigkeit und einem Kettenantrieb mit variabler Spur. Um die spiralförmige Fahrtreppe zu konstruieren, müssen wir die drei Kernprobleme der Geschwindigkeitskoordination des radialen Ein- und Ausfahrens in den rechtshelikoiden und ringförmigen Stufen, dem Space-Chain-Kraftantriebsübertragungsmechanismus und der spiralförmigen Umkehrung lösen. Ein innovativer Schraubmechanismus könnte alle oben genannten Probleme lösen, und die Spiralkettenarchitektur muss sich in ihrer neuen Perspektive vom traditionellen Schraubmechanismus unterscheiden. Daher bleibt die Perspektive, neue Leistungs- und Antriebssystemmodi zu schaffen, ein Rätsel. Dies erklärt auch, warum keine ausgereiften Spiralfahrtreppendesigns erschienen sind.

Der neue Mechanismus hat keine andere Wahl, als aus der Innovation zu kommen, und die Entstehung des Schneckengetriebes soll zwangsläufig aus der spiralförmigen Raumkonzeption resultieren. Es gibt keinen Fehler des Konzepts der synthesegleichförmigen Kreisbewegung verbunden mit einem vertikal proportionalen Auftrieb. Natürlich können wir auch Leonardo Da Vinci imitieren, um die Quadratur des Kreises zu bewältigen. Um den Parameter festzulegen, konstruierte Anaxagoras eine Helix, indem er ein weißes Blatt Papier über eine schräge Linie rollte. Dadurch wurde der Raum gekippt, damit die Linie eine Spirale darstellte, wodurch eine Ebene mit einem bestimmten Winkel in den Prozess eingebracht wurde, z. B. die rechte Helikoid, wie in der Formel gezeigt. Für den ersten und fünften Oktanten rollen wir den Raum und machen den 3D-Würfelraum der traditionellen Rolltreppe zu einer Spirale des Hohlzylinderraums:

Spiral-Rolltreppen-Konfiguration-Design-Gleichung-7

wobei r der Grundstandard zum Aufrollen ist.

Für rechtshelikoide und kreisförmige Verbindungen können wir rekonfigurierbare Mechanismen verwenden, um den Geschwindigkeitskontrast bei der Kreisbewegung zwischen rechtshelikoider und kreisförmiger Geschwindigkeit zu beseitigen. Indem wir die Stufenserie mit den rekonfigurierbaren Mechanismen der starren Struktur herstellen, können wir eine spiralförmige Fahrtreppe mit einer rechtshelikoiden Flugbahn entwerfen und herstellen. 

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