大型食草动物笼舍推拉串门重型吊轨系统设计及应用

罗晨威 王树标 赵 靖 陈鼎熙

(北京动物园，北京，100044)

动物园展馆设计是动物园建设和管理的基础，对圈养动物的福利和丰容设施使用、饲养员和兽医的工作操作、游客的观赏和教育体验都具有至关重要的作用，其安全性尤其重要。野生动物饲养设施的安全设计涉及栏杆、护网、隔墙、壕沟和串门等[1]，其中串门既起到了连接各个功能分区的作用，又起到了饲养员与动物隔离的阻隔作用，保障了饲养员对动物进行饲养管理、行为训练等日常工作的顺利和安全完成。

在对犀牛(Ceratotheriumspp.)、河马(Hippopotamusspp.)等大型食草动物的展馆设计中，设计师往往认为这些动物没有威胁而不注重隔离设施的安全设计，串门往往不作为设计的重点，其重要性被弱化和忽视。但实践证明，串门设计对动物笼舍的安全、高效运行起到至关重要的作用。作为一项重要的功能构件，串门应在大型食草动物的饲养设施设计中得以重视。本研究以白犀(Ceratotheriumsimum)为例，设计了推拉门重型吊轨、承重滑轮组及限位系统，并在北京动物园犀牛馆应用，旨在为大型食草动物的展馆设计提供必要的参考。

1 新型推拉门系统设计

1.1 设计原则

动物园设计中的“功能分离设计原理”强调通过不同的设施来实现分离出不同的功能区域[2]。在动物园日常饲养管理操作中规定，严禁饲养员与大、中型食草动物在同一空间内进行操作，必须通过多个串门将动物控制在不同的功能空间，从而保证饲养员进行日常的消毒和行为训练等操作的安全性。

此次设计参考了重型仓库推拉门轨道的相关技术对犀牛笼舍推拉门吊轨、承重滑轮组及限位系统进行重新设计，以安全、轻便、耐用为原则，进而达到推拉门重量轻、刚度好、开关灵活、不脱轨、限位有效、抗冲击等效果[3]。

1.2 设计流程

1.2.1 大型草食动物的撞击力

首先根据物种的体型特征和撞击力进行串门承受能力的设计。犀牛四肢强健，体型巨大，尽管如此，其奔跑速度仍然非常惊人[4]。 以体型最大的白犀为例确定犀牛对栏杆门的撞击力。白犀体长一般300～450 cm，肩高175～205 cm，体重2000～3500 kg，将m设为成年白犀的最大质量3500 kg，而成年白犀的奔跑速度高于30 m/s，则v1设为30 m/s[5]，碰撞后速度为v2=0，碰撞时间为t=1 s，则Ft=mv2-mv1，由此可算出碰撞力F=210000 N，再通过物理中的千克力换算(9.8 N/kg)，将力换算为质量；此时讲的“栏杆门扇受到的碰撞瞬间受力”实际上就是平均力。因为瞬时值是先增大后减小的，这一过程中的最大受力按平均力的2倍估算。

撞击力计算公式：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

可见，栏杆门瞬间要承受将近22 t重的物体冲击力，由于动物运动场面积有限，《动物园设计规范》中犀牛兽舍面积为500 m2[6]，在这样的运动场内白犀的奔跑速度达不到最大值，所以栏杆推拉门受到的正面侧向冲击力略小，但实际冲击力数值也很可观。

1.2.2 现状调研分析

通过对现状犀牛笼舍的实地勘察、寻访及实践操作，发现笼舍推拉门在应用中存在以下问题：推拉门吊轨轨道及配套结构的构件尺寸规格较大，安装使用时笨重不便；钢制推拉门自重大，关闭状态下承受来自动物的较大冲击力，易造成自制轨道的锈蚀变形和吊轮碎裂等现象，增加日常维护频率，造成安全隐患；推拉门底部导轨槽存积淤泥、落叶造成底部滑动定位轮损坏锈蚀，转动不畅[7]；导向板或地轨设置在地面以上，经常被犀牛踩踏破坏，同时造成动物四肢蹄部伤害，产生应激反应，进而加大对栏杆门的冲击频率和冲击力，造成推拉门脱轨，形成重大安全隐患；吊轨推拉门负重轮的单轮和双轮负重面积小，垂直承载力不足，且轨道和轮组的精密度较差，设备之间的缝隙差不均匀[7](图1，图2，图3)。

图1 传统吊轨及吊轮组[7]Fig.1 Traditional hanging rail and wheel set

图2 传统吊轨及吊轮组[3]Fig.2 Traditional hanging rail and wheel set

图3 传统推拉门限位装置[7]Fig.3 Traditional restricted position device of the horizontal sliding door

1.2.3 新型结构设计

新型重型吊轨采用了35号热镀锌钢板通过机械折压预制而成，形成了整体封闭的吊轨；承重滑轮组采用45号合金钢整体成型产品，提高了精密度和封闭性，负重轮增加为两副8个小直径负重轮，加大了悬挂负重面积，即保证了滑轮组的耐腐蚀性，又保证了负重悬挂的稳定性和安全性；

设置由上、中、下三部分组成的限位系统(图4)，推拉门底部增加“U”型导轨，配合地面安装的大直径限位导向轮(图5)，确保推拉门下缘在运行过程中底部受到动物的侧向冲击时不会大幅度侧向位移，不脱轨、不倾斜，保证整体门扇不会大幅度前后摇摆，对承重滑轮组造成损坏，保证推拉门平稳运行；在推拉门门框两侧立柱上安装设置一组定位限位滑轮(图6)，既可以用来承受栏杆门在运行过程中受到的冲撞力，保证门扇立柱的变形控制在允许范围内，减小门扇与整体框架之间的缝隙，又能保证在门扇保持关闭状态时在受到动物的侧向冲击时可以有效地传递冲击应力至整体框架；在合金钢承重滑轮组中设置一组两个前后排列的限位轴承滑轮组，确保承重滑轮组在重型轨道运行过程中的横向位移在3 mm以内，重型吊轨下方“C”型开口为28 mm，限位轴承直径为25 mm，保证每侧之间的缝隙差不大于1.5 mm，从而保证了推拉门在滑动开关时的稳定性和导向性，以及承重轴承组在受到动物侧向冲击时的安全可靠(图7)。

图4 新型重型吊轨和吊轮组系统图Fig.4 System diagram of the new type of heavy rail and crane wheel set

图5 推拉门底部限位轮Fig.5 Restricted position wheelof the horizontal sliding door(Bottom)

图6 推拉门侧柱限位轮Fig.6 Restricted position wheelof the horizontal sliding door(Side column)

图7 承重滑轮组设计图Fig.7 Design of the load-bearing pulley group

1.3 成品加工制作

隔离推拉串门采用栏杆式推拉门形式，采用方形钢管、圆形钢管、槽钢等材料制成，根据不同的动物种类和习性及破坏力，来确定钢材的型号规格和栏杆门的整体强度，以犀牛栏杆式推拉门为例，门扇高2.1 m，宽2.2 m，国标焊接钢管制成，自重约0.6 t(图8)；重型吊轨采用35号热镀锌钢板通过机械折压预制成，高100 mm，宽80 mm，壁厚8 mm，轨道口宽28 mm[8](图9)。重型吊轨系统配置的是45号合金钢承重滑轮组——由直径35 mm的每组4个精钢轴承组成；滑轮组吊杆也是45号合金钢加工制作而成，直径20 mm(图10，图11)。

图8 犀牛栏杆推拉门Fig.8 The railing horizontal sliding door of rhinocero

图9 热镀锌重型吊轨Fig.9 Heavy lifting rail with hot-dip galvanized

图10 承重滑轮组Fig.10 Load-bearing pulley group

图11 吊轮悬挂系统剖面图Fig.11 The cross-section of the hanging wheel hanging system

1.4 系统安装调试

根据拉力计算公式F=M×a测算

F拉力N(千克力)；M质量 kg(公斤)；a=9.8 N/kg(牛顿/公斤)

传统吊轨推拉门自重约18.16 kg，开启拉力为177.968 N；新型重型吊轨及承重轴承组系统自重约4.785 kg，开启拉力为46.893 N。传统推拉门吊轨系统拉动时所用的拉力是新型重型吊轨及承重轴承组系统拉动时所用拉力的3.8倍，也就是说拉动新型推拉门时可以节省3/4的力气。

2 系统在北京动物园犀牛展区的应用

2.1 对现有设计的改造

以北京动物园2016年犀牛展区改造项目为例，该项目在设计过程中对原有犀牛兽舍推拉串门在日常使用过程中的问题及养护频率进行了深入调查和统计，问题主要集中在以下几点。

吊轨轨道及配套结构材料构件的尺寸规格较大，不仅浪费材料，而且安装使用时笨重不便，常使用槽钢制作加工而成。

滑轮组等配件缺少设计和计算验证环节，没有经过承载力和抗冲击力计算，长时间使用磨损严重，造成推拉不顺畅或过早损坏，常用普通轴承制作加工而成。

推拉门底部导轨采用地槽式定位轮式限位装置，在日常使用中凹槽内会存积大量的淤泥、落叶，不及时清理易造成推拉门底部滑动定位轮损坏锈蚀，转动不畅；且由于地槽与推拉门之间的误差旷量较大，抗冲击力大大降低，很容易被大型动物冲撞损坏。

整个推拉门系统全部采用普通碳素型钢制作加工而成，防雨及抗腐蚀性不强，极易被锈蚀，日常维护维修频率较高。

经过对以上几点的深入调研，在该项目中新老运动场犀牛通道内的六樘推拉串门全部采用新的设计方案进行制作安装。项目于2016年5月投入使用，至今在使用过程中未发生过由于动物冲撞造成推拉门脱轨及限位构件变形损坏的问题发生，且日常保养维修频率大大降低，得到了北京动物园动物饲养部门广大技术人员的一致认可。

2.2 使用效果分析

新型重型吊轨提高了封闭性，避免了雨雪的侵入。新型推拉门重型滑轮组系统中承重滑轮组提高了精密度和封闭性，从每樘推拉门两副4个大直径负重轮改为两副8个小直径负重轮，增加了悬挂负重面积，既保证了滑轮组的耐腐蚀性，又保证了负重悬挂的稳定性和安全性。再加上一体化热镀锌钢板制成的重型吊轨增加了吊轨与滑轮组之间的贴合度，减小了设备之间的缝隙差，保证整体垂直受重达到2 t荷载。

通过新设计的承重轴承组和三级限位系统，避免了推拉门由于承受动物侧向冲击而造成的门扇整体脱轨、轨道弯曲损坏、承重滑轮轴承碎裂等影响使用的现象发生，保证了整体重型吊轨、承重滑轮组及限位系统的稳定性、可靠性和安全性，减少了日常维护和维修频率。同时还避免了在地面上设置凹槽和钢板角铁导轨带来的操作不便和动物的伤害隐患。

3 应用前景展望

此次尝试的热镀锌轨道与钢制推拉门，整体结构设计合理，采用特制构件连接，避免因焊接损坏热镀锌轨道。相比原有推拉门，热镀锌轨道推拉门不易生锈且耐腐蚀，从而有效地解决了因气候和天气因素对推拉门轨道造成的损害降低了推拉门开启的难度，减轻了饲养员的工作强度，提高了工作效率。与此同时推拉门增加了多级限位装置，防止动物冲撞造成的破坏变形，确保推拉门轻松安全开闭。限位系统的设置大大提高了推拉门的抗冲击力，减少了推拉门在日常使用过程中由于动物冲撞造成的损坏，减少了后期维修保养频率。

本系统设计主要适用于犀牛、河马、牦牛等大型食草动物笼舍、运动场、操作通道，根据动物习性及破坏力，选择镀锌重型吊轨、承重滑轮组和限位系统的安装位置及规格。系统运行可靠，操作轻便，维护简单；易于加工，具备模块化特性；抗冲击力和抗破坏力强；符合现代动物园建设需求，有着广泛的应用前景。