電梯轎廂內(nèi)緩沖氣囊的研究

薛林，牛曙光

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.常熟理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

電梯轎廂內(nèi)緩沖氣囊的研究

薛林1，2，牛曙光1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；
2.常熟理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

基于緩沖氣囊的緩沖特性，研究了其在電梯轎廂內(nèi)應(yīng)用的可行性.通過對氣囊各個參數(shù)的合理設(shè)計以及載客量的不同，合理控制氣囊的氣體壓強及排氣口面積的大小，使氣囊起到保護乘客的作用.以I類乘客電梯為例進行了案例分析與計算，結(jié)果表明：采用緩沖氣囊安全系統(tǒng)可以有效減輕墜落轎廂內(nèi)乘客所受的傷害.

限速器；安全鉗；緩沖氣囊；排氣口；電梯轎廂

由于電梯安檢人員對電梯的定期檢修不及時或其他的種種原因，導(dǎo)致近年來時有發(fā)生墜梯事件，給乘客造成極大的傷害.從電梯結(jié)構(gòu)考慮，墜梯主要是由于電梯限速器和安全鉗沒有在關(guān)鍵時刻發(fā)揮作用.雖然在井道底部有緩沖器，但對于高速墜落的電梯而言，緩沖器不能很好地起到保護乘客安全的作用.因此，我們可以在轎廂內(nèi)安裝一套緩沖氣囊裝置，當電梯超速下行時，緩沖氣囊能夠打開起到保護乘客的作用.將這一技術(shù)應(yīng)用于電梯行業(yè)，無疑會有效地改善電梯的安全性能.另外，電梯轎廂緩沖氣囊系統(tǒng)對電梯的結(jié)構(gòu)沒有特別的要求，不必改變電梯的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，安裝操作簡單易行且經(jīng)濟實惠.

1 工作原理

電梯轎廂內(nèi)緩沖氣囊的工作原理是：當電梯下行速度達到限速器的動作速度，而由于安全鉗發(fā)生故障不工作時，電梯繼續(xù)加速下滑，當達到緩沖氣囊系統(tǒng)的速度傳感器所設(shè)定的閥值時，速度傳感器和緩沖氣囊ECU內(nèi)的安全傳感器送給緩沖氣囊ECU一個閉合信號.通過點火驅(qū)動電路控制點火器的最終搭鐵，點火器中電熱絲迅速通電使氣體發(fā)生劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出大量的氣體，產(chǎn)生的氣體通過4根由耐高溫材料制作的導(dǎo)管在轎廂的拐角處以適當?shù)牧魉僭诙虝r間內(nèi)充入氣囊內(nèi)，使乘客平穩(wěn)地站立或坐在氣囊上面，在轎廂蹲底的過程中，轎廂內(nèi)乘客壓縮氣囊，氣囊內(nèi)氣體對乘客做功使乘客減速下落，乘客繼續(xù)下落使得氣囊內(nèi)壓強不斷增大，為使乘客不受氣囊內(nèi)過大氣壓反作用力的影響，在囊袋底部設(shè)有一定開口面積的排氣孔，當氣囊內(nèi)壓強達到預(yù)先設(shè)定的臨界壓強時，排氣口打開將氣囊內(nèi)氣體排出，以保證氣囊內(nèi)壓強基本保持恒定值，乘客繼續(xù)下落直至平穩(wěn)接觸轎廂地板，達到保護乘客的目的.

2 設(shè)計要點

2.1 緩沖氣囊緩沖特性的分析與參數(shù)設(shè)計

通過對軟著陸氣囊緩沖特性的研究，將轎廂內(nèi)氣囊的緩沖過程分為兩部分：絕熱壓縮和排氣釋能.因此可以分別根據(jù)熱力學(xué)和剛體力學(xué)原理，建立相應(yīng)的轎廂緩沖氣囊系統(tǒng)的解析方程，并根據(jù)中華人民共和國國家標準GB/T 7025.1-2008對電梯轎廂尺寸的規(guī)定，設(shè)計轎廂內(nèi)氣囊的尺寸和參數(shù).

圖1所示為轎廂內(nèi)氣囊受力圖，根據(jù)條件作如下假設(shè)，以便對系統(tǒng)進行解析和計算：

①由于整個緩沖過程時間較短，所以假設(shè)系統(tǒng)與外界環(huán)境無熱量交換，即整個緩沖過程為絕熱壓縮過程.

②囊袋采用無彈性且不漏氣的材料制作而成，故不考慮囊袋本身的能量損耗.

③根據(jù)轎廂形狀和尺寸，假定囊袋形狀為長方體.在囊袋上方鋪有硬質(zhì)輕薄材料，并且乘客在轎廂內(nèi)均勻站立，所以氣囊受力平均分布.

在恒壓降落過程中轎廂內(nèi)乘客受力方程為：

其中：

M——轎廂內(nèi)乘客總質(zhì)量；

Pa——標準大氣壓，即Pa=1.01×105pa；

a——緩沖過程中乘客加速度；

P——氣囊內(nèi)氣體壓強；

S——氣囊表面積，理想值為b1×d1，b1為轎廂寬度，d1為轎廂深度.

絕熱壓縮過程中氣體對外做功可根據(jù)熱力學(xué)第一定律計算，即ΔU=Q+W，其中Q=0.所以氣體對外做功

氣體對外做功包括對轎廂內(nèi)乘客做功W1和對外界大氣做功W2，即W=W1+W2所以

對于轎廂內(nèi)乘客，利用動能定理可得緩沖過程方程

其中：

h——氣囊高度，初始氣囊高度為h0；

γ——絕熱系數(shù)，取γ=1.4；

V——氣囊體積.

要使乘客安全接觸轎廂地板，則應(yīng)當在氣囊厚度變?yōu)?之前乘客速度也降為0.由此根據(jù)公式（3）和（4）可得出，當氣墊高度一定時氣囊內(nèi)氣體壓強P和墜落速度v以及乘客質(zhì)量M之間的關(guān)系：

電梯下落過程中不可避免地要受到各種摩擦力，如轎廂導(dǎo)靴和導(dǎo)軌之間的摩擦力，在曳引鋼絲繩不斷裂的條件下還要受到曳引鋼絲繩和曳引輪之間的摩擦力，此外還有對重導(dǎo)靴和導(dǎo)軌之間的摩擦力以及對重本身的自重.

2.2 排氣釋能過程排氣口面積的控制

如果氣囊不設(shè)置排氣孔，緩沖過程中乘客壓縮氣囊使氣囊內(nèi)壓強急劇增大，產(chǎn)生過大的反彈加速度將乘客反向加速，由于轎廂高度有限，很有可能對乘客頭部造成傷害.若使用固定排氣口型氣囊，雖然比不設(shè)置排氣口時緩沖效果會有明顯的改善，但是電梯每次工作時轎廂內(nèi)的乘客數(shù)量是隨機的.若排氣口面積過大，在乘客還沒有以安全速度落地之前氣囊內(nèi)氣體就已經(jīng)完全排除；若排氣口面積過小，則氣體不能及時排出，會對乘客產(chǎn)生反向加速度，則此氣囊就沒有起到保護的作用.因此本設(shè)計使用可控排氣孔型氣囊.可控排氣口型氣囊是主動控制氣囊的一種，可以利用機械式排氣控制機構(gòu)改變排氣孔面積的大小，使氣囊內(nèi)壓強基本保持恒定，延長緩沖時間，并且在乘客墜落速度降為零時，能夠自動關(guān)閉排氣孔，避免因在重力作用下再次加速對乘客造成傷害.實驗表明，排氣口面積可控氣囊比固定排氣孔面積的氣囊其加速度峰值要降低36%，因此在很大程度生提高了在有限的空間范圍內(nèi)使用的價值.

2.3 案例分析與計算

由于轎廂空間有限，所以所設(shè)計的氣囊承受的載荷和沖擊也是在一定范圍內(nèi)的.GB/T 7025.1-2008規(guī)定了各類電梯轎廂的尺寸.以I類乘客電梯為例，額定載重量800 kg、額定載客人數(shù)10人的B系列電梯轎廂尺寸為：轎廂寬度(b1)×轎廂深度(d1)×轎廂高度(h4)= 2000 mm×2200 mm×2200 mm所以設(shè)計的氣囊理想尺寸為：2000 mm×2200 mm×500 mm.因此，此氣囊能保護以大約9 m/s的速度墜落的乘客.假設(shè)每位乘客的重量為70 kg，由公式（1）和（5）可求得不同乘客數(shù)與氣囊內(nèi)壓強之間的關(guān)系，如表1所示.

案例分析與計算表明，采用緩沖氣囊安全系統(tǒng)，可以有效減輕在一定速度范圍墜落轎廂內(nèi)乘客所受傷害.根據(jù)國標對轎廂尺寸的要求，設(shè)計出氣囊的面積和厚度，并根據(jù)不同人群所能承受的加速度，合理控制氣囊內(nèi)氣體壓強.

3 結(jié)語

論證了緩沖氣囊在電梯轎廂內(nèi)應(yīng)用的可行性，緩沖氣囊作為一種安全保護系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價值.后續(xù)的研究工作應(yīng)著眼于對電梯轎廂結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的改進，同時更加合理地裝配緩沖氣囊系統(tǒng)，使緩沖氣囊這一安全裝置能夠更好發(fā)揮保護乘客的作用.

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[2]戈嗣誠，施允濤.無人機回收氣囊緩沖特性研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，1999，31（4）：458-463.

[3]Lee C K.Methods for improved airbag performance for airdrop[R].Technical Report Natick/TR-93/002,Natick,MA∶U.S.Army Natick Research,Developmentand Engineering Center,1992.

[4]黃剛，李良春，林健.著陸氣囊的緩沖機理與技術(shù)分析[J].裝備環(huán)境工程，2011，8（4）：86-89.

A Research on Airbag for Elevator's Cab Interior

XUE Lin1,2,NIU Shu-guang1,2
(1.School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Based on the buffer characteristics of airbags,this paper makes a study of the feasibility of application in the elevator.Through a reasonable design of various parameters and a reasonable control pressure and size of the vent depending on the number of passengers,the airbags can achieve the purpose of protecting passengers.As an example of a class-one passenger elevator,the case analysis and calculation are conducted.The results show that buffer airbags security system can effectively control falling within the scope of a certain velocity so that passengers in the elevator car can avoid being hurt.

speed limiter;safety gear;buffer airbag;air vent;elevator car

TU857

A

1008-2794（2014）04-0112-04

2013-10-09

江蘇省科技支撐項目“長沖程鏈式抽油機關(guān)鍵技術(shù)研究”（BE2011096）

薛林，碩士研究生，研究方向：特種電梯，E-mail∶838165632@qq.com.