电梯紧急制平层装置-三峡大学

电梯紧急制动平层装置
学校名称：三峡大学
指导老师：杜义贤郑小玲
参赛姓名：魏金文陈德高波
一、设计背景及目的
随着城市现代化建设的步伐加快，人们的生活节奏也随之加快了，在上下班或购物等日常生活中，电梯的使用越来越广泛，目前我国电梯的拥有量已达到120万台左右，而且每年还以近30万台的速度递增。

然而，电梯多了，安全隐患也开始出现了。

根据国家质检总局统计，从2003年至今，八大类特种设备的安全事故起数以及事故造成的人员伤亡数量的分类排位，电梯的安全事故一直在前三位。

电梯安全是城市生活安全的重要环节，如何确保电梯运行安全和突出电梯环境的人文关怀，关系到千家万户，是构建和谐社会的重要一环。

为了在电梯出现危险时能顺利救出里面的乘客，目前市场上已经有了一些成型的产品。

但是，在那些产品中，一般都是利用安全钳的制动，最终将轿箱停留在轨道上，继而救助乘客。

在这种情况下，轿箱可能会停留在轨道上的任何位置，这样会给后来的救助以及乘客的人身安全留下很大的安全隐患。

比如，在使用安全钳的制动中，将轿箱停留在楼层与楼层的中间，此时的乘客心里已经惊慌失措，如果这时侯轿箱门打开，会毫不犹豫的急匆匆的挤着往外跑，于是就有很可能会掉到最近的楼层上，甚至会从楼层门与轿箱门之间的间隙中直接掉到井道底部而丧失生命。

因此，这种仅仅是靠安全钳来制动的方式还存在安全隐患。

针对传统制动方式的缺陷，我们设计了一种轿门的紧急制动平层装置，如下图1所示，它主要由挡柱、连杆机构、复位弹簧、推力弹簧、钢丝绳和定位孔组成。

此机构安装与轿厢底部下梁两侧，其中定位孔位于导轨两侧。

主要功能是在安全钳制动时，使电梯刚好停在楼层门处，让乘客快速安全地离开电梯，从而在很大的程度上保障了乘客们生命财产的安全。

图1电梯紧急制动平层装置
二、设计方案
电梯紧急制动平层装置主要由挡柱、连杆机构、复位弹簧、推力弹簧、钢丝绳和定位孔组成，如图2所示。

本设计所对应的电梯最大运行速度>0.63m/s,其他数据为：额定载荷 10人/ 800kg
轿厢宽1350mm 深1400mm 高2300mm
井道宽1900mm 深2300mm
图2 电梯紧急制动平层装置结构图
2.1 连杆机构
在电梯紧急制动时会提升限速器拉杆使安全钳动作，限速器拉杆的提升会拉动与之相连接的钢丝绳，钢丝绳拉动连杆机构推出挡柱。

图3 连杆机构
连杆机构的作用是推动挡柱轴向移动200mm，中间由M16的双头螺栓定位，杆与杆间由d=8轴销连接。

中间杆长为360mm，两侧杆长为197mm，直径都为18mm。

中间连杆和轴销连接见图4和图5所示。

连杆机构零件材料为Q235。

图4 中间连杆
图5 铰接
2.2 挡柱机构
电梯平层功能主要是由挡柱在推力作用下打进定位孔来实现的。

设定电梯的额定载荷为800kg，由于对重重量等于轿厢重量加上额定载荷的一半，故每一个挡柱所要承载的静载荷为100kg（以1000N计算）。

平层的瞬间是刚性冲击，按规定要求轿厢此时的速度小于0.63m/s，故选择冲击速度为0.63m/s进行设计。

经计算选择挡柱尺寸为50mm×30mm×495mm，得挡柱受冲击时的动载荷为2130N。

挡片机构元件材料为45钢。

如图6所示。

为了确保挡柱能准确进入定位孔安全工作，对挡柱顶端部分做了如下设计：
一是在平行于轿门的平面上，在顶端加工一较大的弧度，限制挡柱进入定位孔时轿厢的速度，防止冲击速度过大造
成破坏，如图7所示。

二是
在水平面上，将柱头四角设
置成楔形，增大打入定位孔
前的摩擦力，起到缓冲作
用，如图8所示。

三是对挡
柱顶端的上下表面强化处
理。

图6 挡柱
图7 平行轿门平面图8 水平面
2.3 定位孔
定位孔位于轨道两侧,在挡柱进入定位孔之后，能使轿厢门下框与层门下框近似于在同一平面内。

定位孔上下方向上都装有减速缓冲区域，并设有一定的倒角，这样能在一定程度上减缓轿厢的速度，也增加电梯平层的可
靠性与舒适性。

在定位孔内部设置有缓
冲装置，在挡柱打入定位孔后起到缓冲
作用，结构如图9所示。

定位孔高度比
挡柱高度要大，控制高度差△h可以控
制挡柱进入定位孔的速度大小，挡柱宽
度也要比定位孔宽度宽，配合如图10
所示。

图9 定位孔
图10
2.4 推力弹簧
推力弹簧主要起推动挡柱的作用，在装置复位时起到了辅助作用。

鉴于弹簧较长，选用双弹簧结构，在避免失稳的同时也增加了对挡柱的推力。

当装置开始工作时，在连杆的作用下推力弹簧推动挡柱使其顶端抵住轨道并且在挡柱进入定位孔之前始终处于压缩状态。

在挡柱进入定位孔时，会给予挡柱以较大加速度a，使其能在较短的时间内进入定位孔。

2.6 装置复位
在事故结束之后，要使电梯恢复工作，无需额外的操作。

对现代的电梯来说，使电梯恢复工作所采用的动作是控制电机拉动轿厢。

就本装置来而言，拉动轿厢上升一段距离后，限速器复位，钢丝绳会处于松弛状态，同时挡柱与定位孔失去接触，在复位弹簧作用下，整个装置便完全复位，电梯也能正常工作了。

2.7 对安全钳的要求
要使电梯紧急制动平层装置能准确的实现平层功能，对安全钳有一定的要求。

因为电梯最高运行速度>0.63m/s，所以应用渐进式安全钳。

在制动开始到电梯静止，轿厢所运行的距离要达到一层楼高距以上，这可以通过选择相应的安全钳达到上述功能。

三、工作流程
3.1 电梯紧急制动平层装置平层流程图
3.2 电梯紧急制动平层装置复位流程图
四、机构的可行性
本装置功能实现的关键在于让挡柱能打入定位孔并正常工作。

对挡柱进入定位孔的过程进行运动受力分析，在竖直方向上由于时间很短可以近似看为做匀速直线运动，在水平方向上近似看为做匀加速度直线运动。

如图11所示，当挡柱进入定位孔距离为20mm （即圆弧半径）以上时，挡柱才能实现平层功能，在20mm
以下挡柱会滑过定位孔，在下一定位孔实现定位。

竖直方向：h v t ∆=∆ 水平方向：212l a t =∆
可得v h =∆2a v h l
=∆ 即可以通过选择圆弧长度、定位孔于挡柱的高度差及挡柱进入定位孔的加速
度来限定平层时轿厢的速度o v 。

当轿厢速度大于o v 时， 图11 轿厢越过此定位孔；当轿厢小于o v 时，挡住打入定位孔，并在推力作用下继续推进一段距离。

五、机构的优化及一些改进措施
5.1 挡柱的优化设计
对挡住受力分析，受剪力和弯矩，校核挡柱的弯曲应力、剪切应力和压应力即可。

如图12所示。

图12 挡柱受力分析
挡柱承受的是动载荷，材料为45刚(调质)，用冲击速度为V=1m/s 进行设计，受静载荷为F=1000N,设挡柱宽为b 、高为h ，有：
受到动载荷为：(1d F F =⨯ 其中st ∆为静载荷，即最大绕度有2
(3)6st Fa l a EI
∆=-- 其中弹性模量E 取200G a P ，惯性矩I=3112
bh ，325,300l a ==。

弯曲应力：max max M W δ=
[]1δ-≤ 其中抗弯截面系数W=216bh =，[]1δ-=60a MP 。

剪切应力：[]d F bh ττ=
≤ 其中[]τ=155a MP 。

压应力：[]max 30d F b
δδ=≤ 其中[]δ=835a MP 。

结合上述所有式子，用MATLAB 数值分析的当30b =、50h =时，挡柱具有最小的截面面积。

迭代过程如图13所示。

图13 迭代过程
5.2 装置的改进
本装置可以用液压做动力推出挡柱，可以很大程度上地提高挡柱打入定位孔时的加速度，提高装置的可靠度，同时还可以起到简化机构的作用。

还可以在定位孔内或其他地方安装传感器等电气开门辅助机构，提高装置的工作性能。

六、创新点及优势
该电梯紧急制动平层装置具有以下创新点及优势：
1.性能良好：改变过去紧急制动时轿厢会停留在轨道任意位置的状况，使轿箱最终停在层门处，方便乘客能安全顺利地走出电梯。

2.安全可靠：在整个平层的过程中，使用纯机械设备，从而免除了使用电器设备时可能造成的由于停电或软件的损坏而造成的失效。

3.维修方便：整个机构采用纯机械结构，结构简单，方便装卸检修。

七、产品推广
本装置在电梯发生紧急事故时有平层的功能，且结构简单、成本低廉、易于维修、功能可靠、能适用于多种电梯，并且我国电梯还有很广阔的市场，这些都有利于本装置的推广。

八、设计心得
在设计该电梯紧急制动平层装置的过程中，从开始时毫无头绪，到设计思路的逐步清晰，再到难题一个个被攻克，整个过程给了我们太多的知识和体验。

我们一直相信团队是产生创意的组合，凭着团队的这种特质，我们解决了一个又一个看似棘手的问题，最终做出了比较理想的理论设计方案。

另外在设计过程中，我们又对所学专业知识进行一番系统的复习总结，对本专业又有了一番新的认识。

通过这次比赛，我们更加清楚的认识到了要成为一名优秀的设计人员，不仅要有扎实的基础知识，还要能广泛收集材料及在原有的基础之上再创新的能力，更要能持之以恒，协同合作。

在看到我们自己所设计装置的成品时，自豪感油然而生。

当然，我们不会满足于现有的成果，凭借着团体的智慧，我们会把我们的作品不断完善、提高，争取取得更好的成绩。

九、参考文献
1.濮良贵、纪名刚，机械设计[M],第八版，北京：高等教育出版社，2007.
2.刘鸿文，材料力学[M],第四版，北京：高等教育出版社，2005；
3.王昆、何小柏、汪信远，机械设计手册[M],北京：高等教育出版社，2004；
4.李秧耕，电梯基本原理及安装维修全书[M]，北京：机械工业出版社，2001；
5.刘培尧，电梯原理与维修[M]，北京：电子工业出版社，1999；
6.电梯制造与安装安全规范[M]，GB7588-2003;。