上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200062

0 引言

電梯在緊急情況下，制動器、安全鉗、緩沖器等3種不同的安全保護裝置分別參與電梯的緊急制動，可能導(dǎo)致轎廂內(nèi)人員受到傷害，然而這種受傷害程度無法定量測量，極易被公眾和媒體誤解。媒體各種關(guān)于電梯墜落的報道屢見不鮮，例如某寫字樓一員工電梯突發(fā)事故，電梯墜落時，轎廂內(nèi)共有12名公司員工。轎廂從27樓開始左右碰撞向下墜落，直到轎廂至12層時再不受任何牽引，直接從12樓落到1樓。經(jīng)事后調(diào)查，電梯發(fā)生故障后自動運行至1樓找位置并復(fù)位，但讓乘客感覺上是電梯在墜落。不同工況下，轎廂內(nèi)人員采用不同姿勢，當(dāng)電梯緊急制動時，轎廂內(nèi)的人員到底受到多大沖擊載荷，以及以超出緩沖器允許的速度撞擊緩沖器時，轎廂內(nèi)人員將受到多大傷害，項目組利用混III 50 百分位男性假人實驗，通過不同工況下電梯緊急制動，采集假人受到?jīng)_擊載荷，比對各組實驗結(jié)果來進行研究。

混III 50 百分位男性假人于1976年由通用汽車公司開發(fā)，在航空航天、汽車和高鐵等領(lǐng)域均有應(yīng)用，是世界上迄今為止應(yīng)用范圍最為廣泛的測試假人。假人在汽車安全領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1-3]，陳衛(wèi)衛(wèi)等[4]利用實體假人開展了游樂設(shè)施的舒適性和安全性評價，在電梯安全領(lǐng)域，利用假人進行實驗研究尚屬首次。

1 實驗工況

本次實驗總共設(shè)置了4種不同工況，分別為空載上行制動器制動、滿載下行制動器制動、滿載下行安全鉗制動、滿載墩底（即自由落體），制動器、安全鉗、緩沖器3種不同的安全保護裝置分別參與電梯的緊急制動。其中空載上行制動器制動和滿載下行制動器制動工況在真實電梯試驗塔實施，滿載下行安全鉗制動和墩底工況在電梯試驗井架上實施。

真實電梯和試驗井架模擬電梯基本參數(shù)如下：額定起重量1 600 kg，額定速度1 m/s。

假人在轎廂或者平臺上分別采用站姿、蹲姿、趴姿等3種不同姿勢，轎廂在制動器作用下、平臺在安全鉗或緩沖器作用下緊急制動。假人內(nèi)置的傳感器分別采集在不同工況下緊急制動，對轎廂內(nèi)人員危害比較大的頸部、腰部、胸部的受力和受壓變形情況（位移）。假人傳感器布置位置如圖1所示，上頸部力傳感器設(shè)置在頭顱和頸椎連接處，胸部位移傳感器設(shè)置在胸腔肋骨下，腰椎力傳感器設(shè)置在腰椎的最后一節(jié)。頸部、胸部、腰部傳感器配置見表1。

圖1 假人傳感器布置位置

表1 假人的頸部、胸部、腰部傳感器配置

1.1 空載上行制動器制動

該實驗在電梯試驗塔中進行。電梯以額定速度空載上行，在行程上部1/3處斷電，制動器動作，電梯緊急制動。假人分別采用站姿、蹲姿、趴姿3種不同姿勢，其中站姿和蹲姿采用彈性帶固定在轎廂扶手上。通過比較假人關(guān)鍵部位的受力情況，分析不同姿勢對人體的影響。空載上行制動器制動工況下，假人站姿、蹲姿、趴姿布置如圖2～圖4所示。

圖2 空載上行制動器制動（站姿）

圖3 空載上行制動器制動（蹲姿）

圖4 空載上行制動器制動（趴姿）

1.2 滿載下行制動器制動

該實驗在電梯試驗塔中進行。電梯轎廂內(nèi)均勻放置額定載荷砝碼，電梯以額定速度下行，在行程下部1/3處斷電，制動器動作，電梯緊急制動。假人采用站姿（考慮到滿載情況下，轎廂內(nèi)人員沒有空間采用蹲姿或趴姿），并通過彈性帶固定在轎廂扶手上。系統(tǒng)采集假人關(guān)鍵部位的受力數(shù)據(jù)。滿載下行制動器制動工況下，假人站姿布置如圖5所示。

圖5 滿載下行制動器制動（站姿）

1.3 滿載下行安全鉗制動

該實驗在電梯試驗井架上進行。模擬電梯在滿載下行并觸發(fā)安全鉗動作電梯緊急制動。假人采用站姿，并通過彈性帶固定在試驗平臺框架上。系統(tǒng)采集假人關(guān)鍵部位的受力數(shù)據(jù)。滿載下行安全鉗制動工況下，假人站姿布置如圖6所示。

圖6 滿載下行安全鉗制動（站姿）

1.4 滿載墩底

該實驗在電梯試驗井架上進行。模擬電梯分別在緩沖器允許的動作速度范圍和超速的情況下，滿載轎廂自由落體，并撞擊緩沖器。自由落體高度分別為75 mm、500 mm、1 000 mm，其中以75 mm高度自由落體撞擊緩沖器，換算到的撞擊速度為緩沖器允許的撞擊速度。假人采用站姿，并通過彈性帶固定在試驗平臺框架上。系統(tǒng)采集假人關(guān)鍵部位的受力數(shù)據(jù)。滿載墩底工況下，假人站姿布置如圖7所示。

圖7 不同跌落高度下的滿載墩底（站姿）

2 實驗結(jié)果

2.1 空載上行制動器制動

空載上行制動器制動工況下，設(shè)置在假人頸部、胸部、腰部傳感器分別采集到受力和受壓變形情況（位移），不同姿勢的假人頸部、胸部、腰部受力曲線分別見圖8～圖10。各部位傳感器采集到的受力和位移最大值見表2。由此可知，空載上行制動器制動時，不同姿勢情況下頸椎受力變化不大；蹲姿情況下胸部肋骨位移最大；趴姿情況下，腰椎受力最小。

表2 假人數(shù)據(jù)輸出最大值

圖8 假人數(shù)據(jù)輸出（站姿）

圖9 假人數(shù)據(jù)輸出（蹲姿）

圖10 假人數(shù)據(jù)輸出（趴姿）

2.2 滿載下行制動器制動

滿載下行制動器制動工況下，設(shè)置在假人頸部、胸部、腰部傳感器分別采集到受力和受壓變形情況（位移），站姿情況下的假人頸部、胸部、腰部受力曲線如圖11所示。各部位傳感器采集到的受力和位移最大值見表3。由此可知，滿載下行制動器制動時，與空載上行制動器制動站姿情況下相比，頸椎受力和胸部肋骨位移均有所增加；腰椎所受最大力矩明顯增加。

圖11 假人數(shù)據(jù)輸出（站姿）

表3 假人數(shù)據(jù)輸出最大值

2.3 滿載下行安全鉗制動

滿載下行安全鉗制動工況下，設(shè)置在假人頸部、胸部、腰部傳感器分別采集到受力和受壓變形情況（位移），站姿情況下的假人頸部、胸部、腰部受力曲線如圖12所示。各部位傳感器采集到的受力和位移最大值見表4。由此可知，滿載下行安全鉗制動時，與滿載下行制動器制動站姿情況下相比，頸椎所受力矩、胸部肋骨位移、腰椎所受力矩均明顯增大。

圖12 假人數(shù)據(jù)輸出（站姿）

表4 假人數(shù)據(jù)輸出最大值

2.4 滿載墩底

滿載墩底工況下，設(shè)置在假人頸部、胸部、腰部傳感器分別采集到受力和受壓變形情況（位移），不同自由落體高度站姿情況下的假人頸部、胸部、腰部受力曲線如圖13所示。各部位傳感器采集到的受力和位移最大值見表5。

表5 假人數(shù)據(jù)輸出最大值

圖13 假人數(shù)據(jù)輸出（站姿，不同跌落高度）

由此可知：1）滿載墩底時，正常跌落高度（75 mm）下，與滿載下行制動器制動和滿載下行制動器制動站姿情況下相比，頸椎所受最大力矩值、胸部肋骨最大位移值、腰椎所受最大力矩值均為最大，但均在允許范圍內(nèi)；2）滿載墩底時，隨著跌落高度的增加，各部分受力和位移均明顯增大；3）超出緩沖器允許的動作速度情況下，假人各部分受力和位移均明顯增加?，F(xiàn)場試驗時，明顯觀察到跌落高度為500 mm時，假人左腿膝蓋處骨折，跌落高度增加到1 000 mm時，假人左腿膝蓋處斷裂。

3 結(jié)論

通過空載上行制動器制動、滿載下行制動器制動、滿載下行安全鉗制動、滿載墩底四種不同工況下，假人采用不同姿勢，其所受沖擊載荷的實驗比對研究，可得如下結(jié)論：

1）在空載上行制動器制動工況下，趴姿較蹲姿和站姿，腰椎的受力最小。

2）站姿情況下，上述四種工況中，滿載墩底工況較其他3種工況，頸椎受力、胸部肋骨位移、腰椎受力均最大，因此滿載墫底時，人的傷害最大。

3）在滿載墩底工況下，若超出緩沖器允許的速度范圍，則人將會受到傷害，且傷害程度隨著墜落高度的增加而顯著增大。

4）上述四種工況下，只要在制動器、安全鉗、緩沖器允許的能力范圍（包括動作速度和制動載荷）內(nèi)使電梯緊急制動，則轎廂內(nèi)人員的受力和受壓變形（位移）均在允許值范圍內(nèi)，即人員不會受到傷害。