安全节能型自动扶梯设计

　　设计背景：
　　电梯，特别是自动扶梯成了生活中不可或缺的一部分。电扶梯一般分上行与下行两部分，根据乘电梯的人数来调节电动机功率，使自动扶梯始终保持匀速运动。前不久，深圳就曾经出现由于乘电梯的人数过多，电机功率不足而导致电梯倒滑，造成人员伤亡的事故。于是我想，在我们增强安全意识的同时，能否把扶梯下行时，将人的重力势能转变成扶梯上行的动力，从而达到省电节能的目的呢？
　　设计构思：
　　有一天，看见两个孩子在玩跷跷板，引起了我的思考：可否用下行乘客的重力来带动上行呢？这样安全系数也会提高很多！根据我现有的知识，将两个转向不同的装置连接起来最有效的方法是利用齿轮组。那么，是不是可以在电梯内部安装一个齿轮组来完成我的设想呢？
　　设计过程：
　　（一）理论推导
　　首先，介绍几个数据并做出假设：
　　1.自动扶梯空转功率P：（垂直）高度小于4m的自动扶梯，功率在7.5kw左右，此处取整P=7.5kw。
　　2.摩擦因数μ：根据有关资料，摩擦因数在0.6～0.8之间，由于上了润滑油，摩擦因数 μ取0.6，摩擦力为f。
　　3.自动扶梯规定的运动速度v=1.5m/s。
　　4.每一个乘客的体重取平均值600N（即60kg）。
　　5.自动扶梯的倾角θ：为作对比，自动扶梯的倾角将取深圳失事电梯的倾角 θ=45°。
　　为了简化计算，将自动扶梯的空转功率转化成“人功率”P人（即将n个人送上4m所需的功率）：式的意义在于，当电梯不制动且处于运动中时，7个人可以令其停止。传统电梯采用双电动机模式，每个电动机动力为7人功率，当上行人数为X，下行人数为Y时，有①下行人数小于等于P人：P总=2P人+X?△P-Y?△P=14+X-Y；②下行人数大于P人：P总=（P人+X）+（Y?△P- P人）= X+ Y。
　　节能型扶梯采用单发电机联动模式，电动
　　机动力为P人′14人功率。不论下行人数是多是少，都有：△P′= X?△P-Y?△P=X-Y；P′总=P′人+△P′=14+X-Y。上述几式中，?P为将一个人送上去的功率，即单位人功率。
　　通过以上各式，我们可知道，当下行人数小于平衡人数P人时，节能型扶梯与传统扶梯的功耗相同；而在下行人数多于P人时，节能型扶梯要比传统扶梯功耗更少。该装置可行性理论得证。
　　（二）实物设计
　　最初的设想图如下图：其主要工作原理是由一个马达带动，靠两个齿轮组进行联动工作，从而达到“一马达，两方向”的最终运行效果。这个方案的基本构想就是利用人给自动扶梯的下滑力，为上行电梯提供一部分动力，从而达到节能省电的目的。
　　图1中每个齿轮组由4个齿轮组成，箭头方向表示其旋转方向 。电机与扶梯之间有脱轴装置，当中间的齿轮组出现故障时，脱轴装置会自动断开，同时启用备用电机，使齿轮故障不会影响到自动扶梯的运行。备用电机：备用电机平时不启用，紧急时刻作用有两个：一是当齿轮组故障时，配合脱轴装置，使两电梯仍正常运行；二是当电机出现故障时，可以启用以使电梯正常运行。图2为完成的实物模型：
　　（三）实验测试
　　将整个模型接入12伏的直流电源，电梯正常运行，电流表显示电流大小约为250mA。当在上行电梯上放上1千克重物时，电流表示数为300mA。之后我又在下行电梯上放同样重的物体，示数在325mA左右晃动。
　　之后，我将铰接装置分开，分别在上下行放上1千克重物，电流表的示数达到了近375mA，比节能模式下要大了将近50mA。仅仅是12伏电源就有如此大效果，这个结果说明该设计设想是成功的。
　　结论总结：
　　通过理论推导以及反复的实验验证，该设计具有极高的可行性，虽然改进电梯会增加一定的成本，但从长远利益来看，这一设计是利大于弊的。首次，本设计使用齿轮组将上下行自动电梯相铰接，一个马达驱动两个方向，利用下行乘客的重力势能转化为动力来减少一部分电能，从而达到省电节能的作用，特别是下行人数越多，节省的电力越多，且不会由于下行人数过少而导致电梯的功耗增大。尤其是在超市、车站、影院的等人流量大的地方，该设计的省电量将是显而易见的。
　　其次，在安全方面，由于两自动扶梯相联动，所以使电梯达到倒滑程度所需的摩擦力也会增加整整1倍，将大大降低电梯倒滑事故的发生率，极大限度地保障了乘客的安