大型食草動(dòng)物籠舍推拉串門重型吊軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

羅晨威 王樹標(biāo) 趙 靖 陳鼎熙

(北京動(dòng)物園，北京，100044)

動(dòng)物園展館設(shè)計(jì)是動(dòng)物園建設(shè)和管理的基礎(chǔ)，對(duì)圈養(yǎng)動(dòng)物的福利和豐容設(shè)施使用、飼養(yǎng)員和獸醫(yī)的工作操作、游客的觀賞和教育體驗(yàn)都具有至關(guān)重要的作用，其安全性尤其重要。野生動(dòng)物飼養(yǎng)設(shè)施的安全設(shè)計(jì)涉及欄桿、護(hù)網(wǎng)、隔墻、壕溝和串門等[1]，其中串門既起到了連接各個(gè)功能分區(qū)的作用，又起到了飼養(yǎng)員與動(dòng)物隔離的阻隔作用，保障了飼養(yǎng)員對(duì)動(dòng)物進(jìn)行飼養(yǎng)管理、行為訓(xùn)練等日常工作的順利和安全完成。

在對(duì)犀牛(Ceratotheriumspp.)、河馬(Hippopotamusspp.)等大型食草動(dòng)物的展館設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師往往認(rèn)為這些動(dòng)物沒有威脅而不注重隔離設(shè)施的安全設(shè)計(jì)，串門往往不作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其重要性被弱化和忽視。但實(shí)踐證明，串門設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)物籠舍的安全、高效運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。作為一項(xiàng)重要的功能構(gòu)件，串門應(yīng)在大型食草動(dòng)物的飼養(yǎng)設(shè)施設(shè)計(jì)中得以重視。本研究以白犀(Ceratotheriumsimum)為例，設(shè)計(jì)了推拉門重型吊軌、承重滑輪組及限位系統(tǒng)，并在北京動(dòng)物園犀牛館應(yīng)用，旨在為大型食草動(dòng)物的展館設(shè)計(jì)提供必要的參考。

1 新型推拉門系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

動(dòng)物園設(shè)計(jì)中的“功能分離設(shè)計(jì)原理”強(qiáng)調(diào)通過不同的設(shè)施來實(shí)現(xiàn)分離出不同的功能區(qū)域[2]。在動(dòng)物園日常飼養(yǎng)管理操作中規(guī)定，嚴(yán)禁飼養(yǎng)員與大、中型食草動(dòng)物在同一空間內(nèi)進(jìn)行操作，必須通過多個(gè)串門將動(dòng)物控制在不同的功能空間，從而保證飼養(yǎng)員進(jìn)行日常的消毒和行為訓(xùn)練等操作的安全性。

此次設(shè)計(jì)參考了重型倉庫推拉門軌道的相關(guān)技術(shù)對(duì)犀?；\舍推拉門吊軌、承重滑輪組及限位系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以安全、輕便、耐用為原則，進(jìn)而達(dá)到推拉門重量輕、剛度好、開關(guān)靈活、不脫軌、限位有效、抗沖擊等效果[3]。

1.2 設(shè)計(jì)流程

1.2.1 大型草食動(dòng)物的撞擊力

首先根據(jù)物種的體型特征和撞擊力進(jìn)行串門承受能力的設(shè)計(jì)。犀牛四肢強(qiáng)健，體型巨大，盡管如此，其奔跑速度仍然非常驚人[4]。 以體型最大的白犀為例確定犀牛對(duì)欄桿門的撞擊力。白犀體長(zhǎng)一般300～450 cm，肩高175～205 cm，體重2000～3500 kg，將m設(shè)為成年白犀的最大質(zhì)量3500 kg，而成年白犀的奔跑速度高于30 m/s，則v1設(shè)為30 m/s[5]，碰撞后速度為v2=0，碰撞時(shí)間為t=1 s，則Ft=mv2-mv1，由此可算出碰撞力F=210000 N，再通過物理中的千克力換算(9.8 N/kg)，將力換算為質(zhì)量；此時(shí)講的“欄桿門扇受到的碰撞瞬間受力”實(shí)際上就是平均力。因?yàn)樗矔r(shí)值是先增大后減小的，這一過程中的最大受力按平均力的2倍估算。

撞擊力計(jì)算公式：F×t=m×v2-m×v1=2×m×△v/t

F=2×3500×30/1=210000 N/9.8(N/kg)=21429 kg=21.429 t

可見，欄桿門瞬間要承受將近22 t重的物體沖擊力，由于動(dòng)物運(yùn)動(dòng)場(chǎng)面積有限，《動(dòng)物園設(shè)計(jì)規(guī)范》中犀牛獸舍面積為500 m2[6]，在這樣的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)內(nèi)白犀的奔跑速度達(dá)不到最大值，所以欄桿推拉門受到的正面?zhèn)认驔_擊力略小，但實(shí)際沖擊力數(shù)值也很可觀。

1.2.2 現(xiàn)狀調(diào)研分析

通過對(duì)現(xiàn)狀犀牛籠舍的實(shí)地勘察、尋訪及實(shí)踐操作，發(fā)現(xiàn)籠舍推拉門在應(yīng)用中存在以下問題：推拉門吊軌軌道及配套結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸規(guī)格較大，安裝使用時(shí)笨重不便；鋼制推拉門自重大，關(guān)閉狀態(tài)下承受來自動(dòng)物的較大沖擊力，易造成自制軌道的銹蝕變形和吊輪碎裂等現(xiàn)象，增加日常維護(hù)頻率，造成安全隱患；推拉門底部導(dǎo)軌槽存積淤泥、落葉造成底部滑動(dòng)定位輪損壞銹蝕，轉(zhuǎn)動(dòng)不暢[7]；導(dǎo)向板或地軌設(shè)置在地面以上，經(jīng)常被犀牛踩踏破壞，同時(shí)造成動(dòng)物四肢蹄部傷害，產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而加大對(duì)欄桿門的沖擊頻率和沖擊力，造成推拉門脫軌，形成重大安全隱患；吊軌推拉門負(fù)重輪的單輪和雙輪負(fù)重面積小，垂直承載力不足，且軌道和輪組的精密度較差，設(shè)備之間的縫隙差不均勻[7](圖1，圖2，圖3)。

圖1 傳統(tǒng)吊軌及吊輪組[7]Fig.1 Traditional hanging rail and wheel set

圖2 傳統(tǒng)吊軌及吊輪組[3]Fig.2 Traditional hanging rail and wheel set

圖3 傳統(tǒng)推拉門限位裝置[7]Fig.3 Traditional restricted position device of the horizontal sliding door

1.2.3 新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型重型吊軌采用了35號(hào)熱鍍鋅鋼板通過機(jī)械折壓預(yù)制而成，形成了整體封閉的吊軌；承重滑輪組采用45號(hào)合金鋼整體成型產(chǎn)品，提高了精密度和封閉性，負(fù)重輪增加為兩副8個(gè)小直徑負(fù)重輪，加大了懸掛負(fù)重面積，即保證了滑輪組的耐腐蝕性，又保證了負(fù)重懸掛的穩(wěn)定性和安全性；

設(shè)置由上、中、下三部分組成的限位系統(tǒng)(圖4)，推拉門底部增加“U”型導(dǎo)軌，配合地面安裝的大直徑限位導(dǎo)向輪(圖5)，確保推拉門下緣在運(yùn)行過程中底部受到動(dòng)物的側(cè)向沖擊時(shí)不會(huì)大幅度側(cè)向位移，不脫軌、不傾斜，保證整體門扇不會(huì)大幅度前后搖擺，對(duì)承重滑輪組造成損壞，保證推拉門平穩(wěn)運(yùn)行；在推拉門門框兩側(cè)立柱上安裝設(shè)置一組定位限位滑輪(圖6)，既可以用來承受欄桿門在運(yùn)行過程中受到的沖撞力，保證門扇立柱的變形控制在允許范圍內(nèi)，減小門扇與整體框架之間的縫隙，又能保證在門扇保持關(guān)閉狀態(tài)時(shí)在受到動(dòng)物的側(cè)向沖擊時(shí)可以有效地傳遞沖擊應(yīng)力至整體框架；在合金鋼承重滑輪組中設(shè)置一組兩個(gè)前后排列的限位軸承滑輪組，確保承重滑輪組在重型軌道運(yùn)行過程中的橫向位移在3 mm以內(nèi)，重型吊軌下方“C”型開口為28 mm，限位軸承直徑為25 mm，保證每側(cè)之間的縫隙差不大于1.5 mm，從而保證了推拉門在滑動(dòng)開關(guān)時(shí)的穩(wěn)定性和導(dǎo)向性，以及承重軸承組在受到動(dòng)物側(cè)向沖擊時(shí)的安全可靠(圖7)。

圖4 新型重型吊軌和吊輪組系統(tǒng)圖Fig.4 System diagram of the new type of heavy rail and crane wheel set

圖5 推拉門底部限位輪Fig.5 Restricted position wheelof the horizontal sliding door(Bottom)

圖6 推拉門側(cè)柱限位輪Fig.6 Restricted position wheelof the horizontal sliding door(Side column)

圖7 承重滑輪組設(shè)計(jì)圖Fig.7 Design of the load-bearing pulley group

1.3 成品加工制作

隔離推拉串門采用欄桿式推拉門形式，采用方形鋼管、圓形鋼管、槽鋼等材料制成，根據(jù)不同的動(dòng)物種類和習(xí)性及破壞力，來確定鋼材的型號(hào)規(guī)格和欄桿門的整體強(qiáng)度，以犀牛欄桿式推拉門為例，門扇高2.1 m，寬2.2 m，國標(biāo)焊接鋼管制成，自重約0.6 t(圖8)；重型吊軌采用35號(hào)熱鍍鋅鋼板通過機(jī)械折壓預(yù)制成，高100 mm，寬80 mm，壁厚8 mm，軌道口寬28 mm[8](圖9)。重型吊軌系統(tǒng)配置的是45號(hào)合金鋼承重滑輪組——由直徑35 mm的每組4個(gè)精鋼軸承組成；滑輪組吊桿也是45號(hào)合金鋼加工制作而成，直徑20 mm(圖10，圖11)。

圖8 犀牛欄桿推拉門Fig.8 The railing horizontal sliding door of rhinocero

圖9 熱鍍鋅重型吊軌Fig.9 Heavy lifting rail with hot-dip galvanized

圖10 承重滑輪組Fig.10 Load-bearing pulley group

圖11 吊輪懸掛系統(tǒng)剖面圖Fig.11 The cross-section of the hanging wheel hanging system

1.4 系統(tǒng)安裝調(diào)試

根據(jù)拉力計(jì)算公式F=M×a測(cè)算

F拉力N(千克力)；M質(zhì)量 kg(公斤)；a=9.8 N/kg(牛頓/公斤)

傳統(tǒng)吊軌推拉門自重約18.16 kg，開啟拉力為177.968 N；新型重型吊軌及承重軸承組系統(tǒng)自重約4.785 kg，開啟拉力為46.893 N。傳統(tǒng)推拉門吊軌系統(tǒng)拉動(dòng)時(shí)所用的拉力是新型重型吊軌及承重軸承組系統(tǒng)拉動(dòng)時(shí)所用拉力的3.8倍，也就是說拉動(dòng)新型推拉門時(shí)可以節(jié)省3/4的力氣。

2 系統(tǒng)在北京動(dòng)物園犀牛展區(qū)的應(yīng)用

2.1 對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的改造

以北京動(dòng)物園2016年犀牛展區(qū)改造項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中對(duì)原有犀牛獸舍推拉串門在日常使用過程中的問題及養(yǎng)護(hù)頻率進(jìn)行了深入調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，問題主要集中在以下幾點(diǎn)。

吊軌軌道及配套結(jié)構(gòu)材料構(gòu)件的尺寸規(guī)格較大，不僅浪費(fèi)材料，而且安裝使用時(shí)笨重不便，常使用槽鋼制作加工而成。

滑輪組等配件缺少設(shè)計(jì)和計(jì)算驗(yàn)證環(huán)節(jié)，沒有經(jīng)過承載力和抗沖擊力計(jì)算，長(zhǎng)時(shí)間使用磨損嚴(yán)重，造成推拉不順暢或過早損壞，常用普通軸承制作加工而成。

推拉門底部導(dǎo)軌采用地槽式定位輪式限位裝置，在日常使用中凹槽內(nèi)會(huì)存積大量的淤泥、落葉，不及時(shí)清理易造成推拉門底部滑動(dòng)定位輪損壞銹蝕，轉(zhuǎn)動(dòng)不暢；且由于地槽與推拉門之間的誤差曠量較大，抗沖擊力大大降低，很容易被大型動(dòng)物沖撞損壞。

整個(gè)推拉門系統(tǒng)全部采用普通碳素型鋼制作加工而成，防雨及抗腐蝕性不強(qiáng)，極易被銹蝕，日常維護(hù)維修頻率較高。

經(jīng)過對(duì)以上幾點(diǎn)的深入調(diào)研，在該項(xiàng)目中新老運(yùn)動(dòng)場(chǎng)犀牛通道內(nèi)的六樘推拉串門全部采用新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制作安裝。項(xiàng)目于2016年5月投入使用，至今在使用過程中未發(fā)生過由于動(dòng)物沖撞造成推拉門脫軌及限位構(gòu)件變形損壞的問題發(fā)生，且日常保養(yǎng)維修頻率大大降低，得到了北京動(dòng)物園動(dòng)物飼養(yǎng)部門廣大技術(shù)人員的一致認(rèn)可。

2.2 使用效果分析

新型重型吊軌提高了封閉性，避免了雨雪的侵入。新型推拉門重型滑輪組系統(tǒng)中承重滑輪組提高了精密度和封閉性，從每樘推拉門兩副4個(gè)大直徑負(fù)重輪改為兩副8個(gè)小直徑負(fù)重輪，增加了懸掛負(fù)重面積，既保證了滑輪組的耐腐蝕性，又保證了負(fù)重懸掛的穩(wěn)定性和安全性。再加上一體化熱鍍鋅鋼板制成的重型吊軌增加了吊軌與滑輪組之間的貼合度，減小了設(shè)備之間的縫隙差，保證整體垂直受重達(dá)到2 t荷載。

通過新設(shè)計(jì)的承重軸承組和三級(jí)限位系統(tǒng)，避免了推拉門由于承受動(dòng)物側(cè)向沖擊而造成的門扇整體脫軌、軌道彎曲損壞、承重滑輪軸承碎裂等影響使用的現(xiàn)象發(fā)生，保證了整體重型吊軌、承重滑輪組及限位系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，減少了日常維護(hù)和維修頻率。同時(shí)還避免了在地面上設(shè)置凹槽和鋼板角鐵導(dǎo)軌帶來的操作不便和動(dòng)物的傷害隱患。

3 應(yīng)用前景展望

此次嘗試的熱鍍鋅軌道與鋼制推拉門，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，采用特制構(gòu)件連接，避免因焊接損壞熱鍍鋅軌道。相比原有推拉門，熱鍍鋅軌道推拉門不易生銹且耐腐蝕，從而有效地解決了因氣候和天氣因素對(duì)推拉門軌道造成的損害降低了推拉門開啟的難度，減輕了飼養(yǎng)員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率。與此同時(shí)推拉門增加了多級(jí)限位裝置，防止動(dòng)物沖撞造成的破壞變形，確保推拉門輕松安全開閉。限位系統(tǒng)的設(shè)置大大提高了推拉門的抗沖擊力，減少了推拉門在日常使用過程中由于動(dòng)物沖撞造成的損壞，減少了后期維修保養(yǎng)頻率。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要適用于犀牛、河馬、牦牛等大型食草動(dòng)物籠舍、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、操作通道，根據(jù)動(dòng)物習(xí)性及破壞力，選擇鍍鋅重型吊軌、承重滑輪組和限位系統(tǒng)的安裝位置及規(guī)格。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，操作輕便，維護(hù)簡(jiǎn)單；易于加工，具備模塊化特性；抗沖擊力和抗破壞力強(qiáng)；符合現(xiàn)代動(dòng)物園建設(shè)需求，有著廣泛的應(yīng)用前景。