電梯轎廂內緩沖氣囊的研究

薛林，牛曙光

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

電梯轎廂內緩沖氣囊的研究

薛林1，2，牛曙光1，2

（1.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116；
2.常熟理工學院 機械工程學院，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應用的可行性.通過對氣囊各個參數的合理設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，結果表明：采用緩沖氣囊安全系統可以有效減輕墜落轎廂內乘客所受的傷害.

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，導致近年來時有發生墜梯事件，給乘客造成極大的傷害.從電梯結構考慮，墜梯主要是由于電梯限速器和安全鉗沒有在關鍵時刻發揮作用.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.將這一技術應用于電梯行業，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對電梯的結構沒有特別的要求，不必改變電梯的現有結構，安裝操作簡單易行且經濟實惠.

1 工作原理

電梯轎廂內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，而由于安全鉗發生故障不工作時，電梯繼續加速下滑，當達到緩沖氣囊系統的速度傳感器所設定的閥值時，速度傳感器和緩沖氣囊ECU內的安全傳感器送給緩沖氣囊ECU一個閉合信號.通過點火驅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生劑發生化學反應釋放出大量的氣體，產生的氣體通過4根由耐高溫材料制作的導管在轎廂的拐角處以適當的流速在短時間內充入氣囊內，使乘客平穩地站立或坐在氣囊上面，在轎廂蹲底的過程中，轎廂內乘客壓縮氣囊，氣囊內氣體對乘客做功使乘客減速下落，乘客繼續下落使得氣囊內壓強不斷增大，為使乘客不受氣囊內過大氣壓反作用力的影響，在囊袋底部設有一定開口面積的排氣孔，當氣囊內壓強達到預先設定的臨界壓強時，排氣口打開將氣囊內氣體排出，以保證氣囊內壓強基本保持恒定值，乘客繼續下落直至平穩接觸轎廂地板，達到保護乘客的目的.

2 設計要點

2.1 緩沖氣囊緩沖特性的分析與參數設計

通過對軟著陸氣囊緩沖特性的研究，將轎廂內氣囊的緩沖過程分為兩部分：絕熱壓縮和排氣釋能.因此可以分別根據熱力學和剛體力學原理，建立相應的轎廂緩沖氣囊系統的解析方程，并根據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定，設計轎廂內氣囊的尺寸和參數.

圖1所示為轎廂內氣囊受力圖，根據條件作如下假設，以便對系統進行解析和計算：

①由于整個緩沖過程時間較短，所以假設系統與外界環境無熱量交換，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輕薄材料，并且乘客在轎廂內均勻站立，所以氣囊受力平均分布.

在恒壓降落過程中轎廂內乘客受力方程為：

其中：

M——轎廂內乘客總質量；

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熱力學第一定律計算，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，取γ=1.4；

V——氣囊體積.

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

電梯下落過程中不可避免地要受到各種摩擦力，如轎廂導靴和導軌之間的摩擦力，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，此外還有對重導靴和導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

如果氣囊不設置排氣孔，緩沖過程中乘客壓縮氣囊使氣囊內壓強急劇增大，產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的乘客數量是隨機的.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氣體就已經完全排除；若排氣口面積過小，則氣體不能及時排出，會對乘客產生反向加速度，則此氣囊就沒有起到保護的作用.因此本設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改變排氣孔面積的大小，使氣囊內壓強基本保持恒定，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，所以所設計的氣囊承受的載荷和沖擊也是在一定范圍內的.GB/T 7025.1-2008規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.假設每位乘客的重量為70 kg，由公式（1）和（5）可求得不同乘客數與氣囊內壓強之間的關系，如表1所示.

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

3 結語

論證了緩沖氣囊在電梯轎廂內應用的可行性，緩沖氣囊作為一種安全保護系統具有一定的應用價值.后續的研究工作應著眼于對電梯轎廂結構做相應的改進，同時更加合理地裝配緩沖氣囊系統，使緩沖氣囊這一安全裝置能夠更好發揮保護乘客的作用.

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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鍵技術研究”（BE2011096）

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