本发明涉及一种自供能量的升降方法,以及依该方法设计制造的升降机、电梯。 现有的升降机、电梯都是以电作为升降的动力。中国专利9123401.X、92222595.8所公开的升降梯、提升装置仅仅是可节省吊箱本身升降所需的能量,91223510.1所公开的位能式升降机,结构复杂,使用水泵需耗电,液体传递能量时液体流动本身也会损耗能量。
本发明旨在克服上述缺点,而提供一种自供能量的升降方法,以及依该方法设计制造的超高节能升降机、电梯,使升降机、电梯的起动、加速、运行、减速、停下仅是能量在升降机、电梯内部的转移,而不是消耗了外界送来的能量(电力)。
自供能升降方法是将一储能系统的重物悬于卷在卷筒的绳上,一升降系统的被提升物悬于卷在另一卷筒的绳上,该两卷筒通过轮杠杆相互作用,在改变了或不改变储能重物或被提升物的重量时,均可调节轮杠杆力臂(半径)的长度,使重物卷筒上所产生的力大于被提升物卷筒上所产生的力,被提升物被提升或减速下降,反之,被提升物下降或减速上升,两力相等时,则静止或做匀速运动。
依上述方法制造的升降机、电梯中有:一储能重物(1)悬于卷在卷筒(3)的钢索(2)上,卷筒(3)的轴(4)和一变速器(箱)相连,变速器再和伞齿轮(5)相连,或直接和伞齿轮(5)相连,伞齿轮(5)连接着一能在其伞顶和伞边缘间顺着伞齿轮的轮齿与其啮合着移动地可调齿轮(6)。可调齿轮(6)另一面还可啮合一个与伞齿轮(5)一样(相同性质),但伞顶方向与之相反的伞齿轮(11),伞齿轮(11)的轴(12)通过变速器之后连着卷筒(13)或直接连着卷筒(13)。或可调齿轮(6)直接或通过变速器之后连着卷筒(13),卷筒(13)再通过卷在其上面的钢索(14)吊着重物(15)。
当可调齿轮(6)向上调到一定程度时,被提升物(15)可被提升或减速下降;下调到一定程度时,被提升物(15)可下降或减速上升;调到平衡位置时则做匀速运动或者静止。
储能重物和被提升物可相对换,被提升物作为储能重物。
本发明提供了一种自供能的升降方法,依该方法制造的升降机、电梯的升降仅是能量在升降机、电梯内部的转换,可节省大量的能源,并且其结构原理简单、造价低,使用方便,可用手动操作。特殊情况下,人力可提供部分能量。
图1为超高节能升降机、电梯的结构原理图。
图2为可调齿轮控制器的正视图。
图3为可调齿轮控制器的左视图。
图4为超高节能电梯的吊箱、垂直井道结构图。
图5为两升降机间交换储能重物的原理图。
下面结合附图对本发明进行详细描述:
本发明由储能重物(1)、卷筒(3、13)、钢索(2、14)、轴(4、8、12)、伞齿轮(5、11)、可调齿轮(6)、可调齿轮控制器(7)、丝杆(10)、滑轨(9)、被提升物(15)、吊箱(16)、垂直井道(18)、离合器(51、52、55、56)等组成。
重物(1)连着钢索(2)悬在卷筒(3)上,会产生一力矩M通过轴(4)传到伞齿轮(5)上。由于伞齿轮(5)各处的半径(力臂)不相等,在力矩M=FR不变的情况下,各处发出来的力不一样,伞顶处半径(力臂)小的地方发出的力大,伞边缘处半径(力臂)大的地方发出的力小。所以为了提升重物(15),就可将可调齿轮(6)向伞齿轮(5)伞顶处上调便可以在可调齿轮(6)上产生大力,用以提升重物(15)。从图(1)可知当可调齿轮(6)向伞齿轮(5)伞顶上调之时,同时也是向伞齿轮(11)的伞边缘方向下调。由于伞齿轮(11)同样是在边缘处半径最大,力臂最长,所以可调齿轮(6),在伞齿轮(11)的边缘处最容易推动伞齿轮(11)转动,提升重物(15),这等于又一次增大了重物(1)的提升力。如果将可调齿轮(6)向相反的方向调动,被提升物(15)所产生的提升力也同样可增大,把重物(1)提升起来,自己则下降。
这样升降机、电梯(上升或下降)的起动、加速、运行、减速停下均可调动可调齿轮(6),通过升降机中的储能重物和被提升物间进行能量转移(既有势能的转移、也有势能和动能的转换)来实现。
一轮子在另一轮子的不同半径处贴合而(相互作用)产生不同的切向力作用效果的轮子组称为单面可调轮杠杆。可调齿轮(6)和伞齿轮(5),或可调齿轮(6)和伞齿轮(11)就是单面可调轮杠杆。
一轮子同时在(相间隔的)另两个轮子的不同半径处贴合而产生不同的切向力作用,并且该轮子跟一个轮子的小半径处贴合之时,就一定跟另一轮子的大半径处贴合,这样的轮子组称为双面可调轮杠杆。伞齿轮(5)、可调齿轮(6)、伞齿轮(11)就是双面可调轮杠杆。
如果在图(1)的伞齿轮(11)后面再接1个或若干个单面可调轮杠杆或双面可调轮杠杆,那么重物(1)或被提升物(15)的提升力可以再增大,一直增大到无限大。
本发明是建立在下面的理论研究之上的:
转动定律:刚体在合外力矩的作用下,所获得的角加速与合外力矩的大小成正比,与刚体的转动惯量成反比。即:M=JB。M为合外力矩,J为刚体的转动惯量,β为角加速度。
转动刚体上发出的切向力取名为转动刚体力。转动刚体力定律:转动刚体力与刚体的转动惯量、角加速度成正比,与刚体上的发力点到刚体转轴的距离(力臂)成反比。即F=Jβ/d(因为M=Jβ,M=Fd,所以Fd=Jβ,F=Jβ/d)。F为刚体力,J为刚体的转动惯量,d为刚体上的发力点到刚体的转轴的距离。
如果在刚体上加有一合外力矩,则该刚体上某点发出的切向力还必需加上,刚体所具有的合外力矩除以发力点到刚体转轴的距离。
即F=Jβ/d+M/d。
又由于合外力矩一般是载荷而很大,刚体本身所发出的力:Jβ/d太小而可忽略,因而:刚体力F=M/d。
即:不考虑刚体本身时,加有合外力矩的刚体力定律:刚体力(F)与刚体所具有的合外力矩(M)成正比,与刚体上的发力点到刚体的转轴距离(d)成反比。
本发明中的刚体为伞齿轮(5、11),刚体所具有的合外力矩为重物(1)、被提升物(15)各自通过连接自己的钢索、卷筒分别加在伞齿轮(5、11)上的力矩,发力点到刚体的转轴距离(d)则是可调齿轮(6)在伞齿轮(5、11)齿面上不同位置所在半径。致于刚体本身所发出的力则可忽略不计。
卷筒(3)的轴(4)上可接一变速器(箱)把速度变快,这样重物的移动距离、速度可相对很小,从而重物的升降过道可相对很短,升降时受到的空气阻力也小,浪费的能量就少。伞齿轮的转速快也会使其传递的力相对变小,有利于可调齿轮的移动。
伞齿轮(11)后也可接一变速器将速度变慢,相当于把伞齿轮(11)变快,让可调齿轮易移动,当然这也会使被提升物的移动距离相对变短,所以必须综合考虑。由于被提升物比重物轻得多,据能量守恒定律,重物移动一段子距离,被提升物就必须移动很长的一段距离,使两边的做的功相等。故而,无论怎样变速,变速比最终必须满足:重物在升降过道的底和顶间移动时,足以将最大负荷时的被提升物在底楼和顶楼间提升。
可调齿轮(6)上连着一控制器(7),控制器(7)应不妨碍可调齿轮(6)与伞齿轮(5、11)啮合,但又可叉住可调齿轮(6)沿着轴(8)在伞齿轮(5、11)的伞顶与伞边缘间移动,且可调齿轮(6)自己也能自由地转动。控制器(7)的中部有一螺孔,有丝杆(10)旋在里面,转动丝杆(10)可带动控制器(7)沿轴(8)在(控制器(7)下面的)滑轨(9)上移动。
也可在控制器(7)上做一拨块,或者在丝杆(10)上连一轮盘,用手拨动拨块或转动盘轮,使控制器(7)移动;或者用两根绳系住控制器(7),或者丝杆(10)上连一卷筒,绳卷住卷筒,远远地拉动绳的两头,就可远距离地使控制器向不同的方向移动;或者用电动机带动丝杆(10)转动,使控制器(7)向不同的方向移动,从而使可调齿轮(6)在伞齿轮(5、11)的伞顶和伞边缘间移动。
如果只有一个伞齿轮(5或11),那么可调齿轮(6)的内孔上则应有凸起或凹槽,穿在内孔里的轴(8)上则应有相应的凹槽或凸起,使可调齿轮(6)既可在轴(8)上移动,又可带轴(8)转动,从而输出、人力矩。
本发明的电梯可有一名电梯工来驾驶。吊箱(16)中开一窗口(17),在垂直井道(18)上和吊箱窗口(17)相对应的位置标出区分楼的层次的分辨记号:…,75下、74下、…、71下、70、71上、72上、73上、…、75上、75下、64下、…、61下、60、61上、…、64上、65上,55下、54下、…。“75下”表示在7楼的范围到7楼往下走还差5,“73上”表示在7楼的范围,到7楼往上走还差3,“70”表示7楼,“64下”表示在6楼的范围到6楼往下走还差4等等,这样驾驶员就可以依据楼的层次标记驾驶。比如从9楼到3楼,把可调齿轮(6)往下调,吊箱就会下降,当下降速度达到一定程度时,把可调齿轮(6)往上调,调到平衡位置让吊箱匀速地下降(人可以通过超重、失重、平衡状态来感觉)。当快到3楼时,再将可调齿轮(6)上调,吊箱减速下降,重物减速上升……到了3楼时便正好停下来,立即制动(刹车)。当吊箱里走了或又来了更多的人要升降时,先解除制动,升降机可能会有瞬间的上升或下降,但这无关紧要,只要立即将可调齿轮(6)调动,吊箱又会上升或下降(电梯工驾驶多了自然会有经验,关键是吊箱速度为零时才制动,便不会损失能量)。
这是电梯工在吊箱里通过电器控制驾驶,电梯工也可在室外驾驶。此时,可通过滑轮和长绳把轮杠杆控制部分移到外面(远远的地方),但外面必须能看到吊箱移动,或者吊箱上有标志露出来能被看到。吊箱旁边的墙上还必须有楼层标记。这样就可以完全用人力拨动可调齿轮(6)来控制了。
如果是矿井乘人升降机或者是普通乘人电梯,一般来讲,人上去了就一定要下来,所以能量可以基本上保持平衡。但毕竟会有摩擦损耗,尤其是可能有的人乘电梯上而走路下,或者乘电梯下而走路上。此时(特别是早上)可以请一些锻炼身体的人(尤其是大楼员工)乘电梯下而跑路上或乘电梯上而跑路下,以调整储能重物的位置。当然也可以用电力调整,电力调整不需要特别的控制装置,因只需把重物提起或放下就行了。
对于港口,一般是使用起重机不断地把重物从船上吊起来,或者装上船。如使用本升降机就会使储能重物连续地下降或上升,而使升降机无法使用。此时可将若干台升降机连在一起,提升重物的升降机不断地把其储能重物放下,而放下重物的升降机不断地把其储能重物提起,当前者把其储能重物降到底,后者把其储能重物提到顶时,再把他们的储能重物交换,就可继续不断地提升或放下重物了。例如,(如图5)假设有两升降机甲乙连在一起,甲乙两升降机的(储能重物)卷筒(53、54)两端各有一离合器(51、56和52、55)。当离合器(51、55)闭合,离合器(52、56)打开时,甲升降机提升物品,其卷筒(53)把储能重物放下,乙升降机放下物品,其卷筒(54)把储能重物提起。甲的储能重物下降到底,乙的升到顶时,把离合器(51、55)打开,同时把离合器(52、56)关闭,这样就把储能重物交换了。
在没有电的地方使用本升降机特别好,就算是有的重物只要提起来而不要放下去或者只要放下去而不要提起来也是如此。比方讲,要提起矿井中一个跟人一样重的矿石来,如果让人去背就会很困难,但独单一个人走下去或走上来就相对轻松多了。而有了本升降机,只要一个人坐升降机下去,然后把矿石换进去,自己则走上来,那么通过本升降机就可轻松地把和人一样重的矿石提起来。特别是本升降机对被提升物的重量不限制,可重可轻,不必分割,这一点尤其方便。
伞齿轮(5、11)的圆锥角大于0度小于等于90度最好。