孫 亮，李紅雙

(沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

0 引 言

升降電梯已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[1-4]，不論是在大型的一線城市，還是鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民住樓，電梯的身影隨處可見，電梯的推廣和使用極大的方便了人們的日常生活，尤其對(duì)于老年人，電梯不僅節(jié)約時(shí)間、減少運(yùn)動(dòng)消耗，而且除去了走步梯時(shí)摔傷、磕傷的安全隱患。

任何電梯產(chǎn)品的廣泛使用都會(huì)伴隨著危險(xiǎn)事件的發(fā)生，盡管產(chǎn)品的質(zhì)量可以得到有效的保證，監(jiān)管部門也大力管控，但威脅人身安全的危險(xiǎn)事件依然頻繁發(fā)生。為解決電梯產(chǎn)品安全問題，提出噴氣式緩沖電梯的設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)普通電梯增加噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和智能控制系統(tǒng)，得到具有緩沖功能的新型電梯，解決電梯發(fā)生高空墜落的安全隱患問題，對(duì)人身安全的保障具有重要意義。

1 緩沖電梯的組成與工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)組成

噴氣緩沖電梯主要由兩部分構(gòu)成，其中電梯裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，與普通電梯箱體結(jié)構(gòu)基本一致，電機(jī)為升降機(jī)提供動(dòng)力，進(jìn)而控制電梯的運(yùn)動(dòng)，轎廂用于裝載重物，電梯井底部的緩沖器用于行程端部減小慣性沖擊，對(duì)重裝置在運(yùn)動(dòng)中起到平衡作用。噴氣緩沖裝置由小型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、智能控制芯片和重量傳感器構(gòu)成，如圖2所示，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)均勻?qū)ΨQ的分布在電梯底部的四個(gè)位置上，電梯設(shè)計(jì)主體主要由這兩部分組成，再結(jié)合其他輔助裝置進(jìn)行優(yōu)化和完善。

圖1 電梯結(jié)構(gòu)圖 圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 緩沖電梯的工作原理

利用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)如圖3所示，通過噴氣產(chǎn)生推力作為抵消電梯轎廂重力的作用力，先用較大的作用力將轎廂(墜落狀態(tài))的速度降下來，再將作用力調(diào)整降低，使之與重力大小相等，以實(shí)現(xiàn)電梯的勻速下降。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，首先需要激光測(cè)速器對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)激光測(cè)速器檢測(cè)到速度大于臨界速度，超出穩(wěn)定的安全范圍時(shí)，便會(huì)傳遞給智能控制芯片信號(hào)，開啟噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，迅速將速度降下來，同時(shí)重量傳感器也會(huì)傳遞給智能芯片信號(hào)，以此確定速度達(dá)到預(yù)期值時(shí)平衡力的大小，保證電梯在嚴(yán)重故障或者發(fā)生墜梯時(shí)能夠安全平穩(wěn)的到達(dá)地面。

圖3 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 圖4 受力分析

2 緩沖裝置動(dòng)力學(xué)性能分析

針對(duì)于轎廂整體進(jìn)行受力分析如圖4，轎廂自身(和載物)存在向下的重力G，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供向上的推力F，用來平衡轎廂的重力G，降低下落時(shí)的速度，保證轎廂平穩(wěn)的到達(dá)電梯井底部，以7層樓(距離地面6層樓高度)滿載(包括對(duì)重裝置)總質(zhì)量為2 000 kg的轎廂為研究對(duì)象，每個(gè)噴氣緩沖裝置外加燃料總質(zhì)量10 kg作為文中的研究標(biāo)準(zhǔn)，用以上數(shù)據(jù)對(duì)噴氣裝置的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析和計(jì)算。

當(dāng)電梯轎廂發(fā)生故障，考慮到要絕對(duì)的保證箱體平穩(wěn)著陸的燃料充足，必須從燃料消耗最大的角度出發(fā)，即轎廂到地面的最大距離求所需做的最少的功。假設(shè)箱體從最高點(diǎn)以自由落體的方式向下墜落，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.8 m/s，電梯正常運(yùn)行速度為1.5 m/s，當(dāng)電梯位于7樓時(shí)，與地面的距離為18 m，轎廂底部設(shè)有激光測(cè)速器，當(dāng)測(cè)速器檢測(cè)箱體速度大于1.8 m/s時(shí)立即啟動(dòng)噴氣裝置，光速的傳播時(shí)間可以忽略不計(jì)，但系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間為0.1 s，由此計(jì)算以下參量：

轎廂出現(xiàn)故障開始到最大允許速度的位移X1：

(1)

可求X1=0.165 (m)

當(dāng)轎廂速度達(dá)到1.80 m/s時(shí)，(經(jīng)過0.1 s后)噴氣緩沖動(dòng)力裝置立刻工作，這段時(shí)間經(jīng)過的位移X2：

(2)

可求得X2=0.229 (m)

此時(shí)轎廂底部距離地面

ΔX=(18-0.165-0.229)=17.606 (m)

且此時(shí)的速度v2=1.8+0.1×9.8=2.78 (m/s)

噴氣緩沖裝置啟動(dòng)，此時(shí)F>G，轎廂做減速運(yùn)動(dòng)，要保證轎廂在0.5 s內(nèi)能夠?qū)⑺俣冉档偷? m/s，則每個(gè)噴氣緩沖裝置需要提供的最小的力可由公式:

4F′-mg=ma

(3)

可求得

當(dāng)轎廂速度降低到1 m/s時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)重量檢測(cè)器得到的G來調(diào)整F，使F=G以保證轎廂做勻速運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)的到達(dá)地面，最終轎廂的動(dòng)能由井底緩沖器進(jìn)行平衡吸收，噴氣緩沖裝置關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)箱體安全著陸。

實(shí)際當(dāng)中必須考慮空氣阻力以及軌道的摩擦力對(duì)自由落體的影響，這樣必須應(yīng)用到經(jīng)驗(yàn)公式(3)來計(jì)算空氣阻力，

(4)

式中：c為空氣阻力系數(shù)；S為物體迎風(fēng)面積；v為物體相對(duì)于空氣的速度。

從緩沖器啟動(dòng)到轎廂勻速運(yùn)動(dòng)過程中噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)做的功W1可以根據(jù)轎廂的動(dòng)能、勢(shì)能變化和阻力做功進(jìn)行求得

2 040×9.8×ΔX-f1×ΔX-W

解得：W≈358 809 (J)

則每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)需要做的功：

對(duì)該設(shè)計(jì)，轎廂從穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)開始到達(dá)井底摩擦阻力做的總功為Wf=f×ΔX=1.909 2×17.606=33.61 J，這相對(duì)噴氣緩沖裝置整體而言顯得過于渺小，并且空氣阻力對(duì)于我們的目的而言是正功，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，可以減少噴氣緩沖裝置需要做的功，并且豎直運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌道摩擦力是變化量，對(duì)系統(tǒng)整體影響較小不做考慮。但為了保險(xiǎn)起見，我們?nèi)匀灰院雎钥諝庾枇闂l件，確保噴氣緩沖裝置能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)安全的防護(hù)作用。

3 速度仿真的分析

利用MATLAB進(jìn)行仿真分析，將得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，從圖5電梯轎廂在兩種狀態(tài)下的速度曲線中可以看出。

圖5 曲線分析圖

運(yùn)動(dòng)過程中空氣阻力對(duì)于速度的影響并不大，在速度值最大時(shí)空氣阻力的影響才表現(xiàn)明顯，也就意味著，盡管現(xiàn)實(shí)中空氣阻力大小與v2成正比，但對(duì)于速度較低、本身質(zhì)量很大的情況下，可以對(duì)其產(chǎn)生的影響進(jìn)行忽略，或者是等效某一數(shù)值，方便簡(jiǎn)單計(jì)算。

4 結(jié) 語

提供了一種防止電梯意外墜落的設(shè)計(jì)方法，并且利用三維軟件SolidWorks建立了物體模型，通過對(duì)模型的受力分析以及緩沖裝置動(dòng)力學(xué)性能的計(jì)算，得出了確保該設(shè)計(jì)安全可靠的重要參數(shù)，達(dá)到了防止電梯墜落導(dǎo)致人員傷亡的目的，解決了電梯高空失靈無法應(yīng)對(duì)的問題，對(duì)新型智能產(chǎn)品的研發(fā)也具有重要意義。