室內(nèi)隱形可變高度垂直電梯設(shè)計(jì)

李 瑞，朱定見，李胤毅，李旭為，石孝蘭，徐源新

（湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053）

引言

隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展與生活水平的不斷提高，高新技術(shù)發(fā)展不斷加快，智能家居正在走進(jìn)我們的生活，越來越多的人渴望在自家安裝室內(nèi)電梯。但由于傳統(tǒng)室內(nèi)電梯均設(shè)置有封閉的罐籠式通道和每層的電梯間及獨(dú)立的動(dòng)力間，占地面積和空間相對(duì)較大，影響了室內(nèi)電梯的推廣應(yīng)用。本設(shè)計(jì)旨在減少室內(nèi)家用電梯的占地面積，簡(jiǎn)化電梯的操作流程，最大限度地降低電梯對(duì)室內(nèi)整體布局和美觀的影響，使電梯隱形化和智能化，滿足現(xiàn)代人對(duì)于新型智能家居的需求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

室內(nèi)隱形可變高度垂直電梯的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由垂直升降軌道機(jī)構(gòu)、柜式升運(yùn)轎廂組合、立柜型電梯轎廂組合和傳動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，垂直升降軌道機(jī)構(gòu)由轎廂高度自適應(yīng)變距機(jī)構(gòu)、升降齒條、丁字形軌道等組成；柜式升運(yùn)轎廂組合由轎廂升降滾輪組、轎廂高度自適應(yīng)變距機(jī)構(gòu)、立柜型電梯轎廂、伸縮壁畫卷簾等組成；立柜型電梯轎廂組合由柜型轎廂體、上蓋開合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、前門開合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、柜門自鎖踏板機(jī)構(gòu)等組成；傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)、齒輪齒條、齒輪傳動(dòng)軸等組成。

圖1 室內(nèi)隱形可變高度垂直電梯結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

電梯停放在一層位置時(shí)，如下頁(yè)圖2 所示，立柜式電梯轎廂呈家用立柜形狀靠墻停放在一層地板上，不占用房間的空間；而轎廂上頂同步停放在二層固定，轎廂上頂?shù)捻敳颗c二層地面平齊并可承重，不占用二層房間的空間。而且上伸縮壁畫卷簾和轎廂壁畫伸縮卷簾展開平行于墻面，下伸縮壁畫卷簾收攏，對(duì)垂直升降軌道機(jī)構(gòu)進(jìn)行遮擋[1-3]。

圖2 電梯位于一層示意圖

乘坐人需要乘坐電梯從一層升至二層時(shí)，通過立柜型電梯轎廂的前門隱形拉手打開前門，前門開合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)上蓋開合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)打開上蓋。乘坐人進(jìn)入立柜型電梯轎廂內(nèi)，前門關(guān)閉，立柜型電梯轎廂底部的自鎖踏板機(jī)構(gòu)受到乘坐人的壓載后通過前門開合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)將前門自鎖，自鎖踏板機(jī)構(gòu)通過上蓋開合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)將上蓋保持翻開狀態(tài)。電梯升至二層停放后，自鎖踏板機(jī)構(gòu)同步解鎖，乘坐人打開前門走出立柜型電梯轎廂，前門開合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)閉前門聯(lián)動(dòng)上蓋開合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)閉上蓋。

電梯停放在二層位置時(shí)，如圖3 所示，柜式電梯轎廂呈家用立柜形狀靠墻停放在二層地板上，不占用二層房間的空間，而轎廂上頂同步停放在二層天花板下，不占用一層房間空間。而且下伸縮壁畫卷簾和轎廂壁畫伸縮卷簾展開平行于墻面，上伸縮壁畫卷簾收攏，對(duì)垂直升降軌道機(jī)構(gòu)進(jìn)行遮擋，保證了墻壁的完整與美觀。

圖3 電梯位于二層示意圖

當(dāng)二層高度高于一層高度時(shí)，伸縮立柱彈簧將轎廂上伸縮立柱頂起，轎廂上伸縮立柱與轎廂下伸縮立柱的高度伸長(zhǎng)，再通過轎廂高度自適應(yīng)變距機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位固定。當(dāng)二層高度低于一層高度時(shí)，伸縮立柱彈簧將上伸縮立柱壓縮，轎廂上伸縮立柱和轎廂下伸縮立柱的高度減小，再通過轎廂高度自適應(yīng)變距機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位固定[4-6]。

2 垂直升降軌道機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 垂直升降軌道的選材

由于電梯的軌道受壓而且要求韌性好，通過查找文獻(xiàn)[7]可得，丁字鋼為碳素結(jié)構(gòu)鋼，碳含量為0.25%左右，抗壓強(qiáng)度在410～540 MPa 之間，彈性模量為200～220 GPa 且焊接性能與韌性良好。因此選用由丁字鋼左右焊接形成電梯軌道，丁字鋼的尺寸規(guī)格為：寬B200 mm×高度H100 mm×腹板厚度t18 mm×翼緣厚度t212 mm。垂直升降軌道如圖4 所示。

圖4 垂直升降軌道

通過檢索文獻(xiàn)[7]查表可得慣性矩IX=185 cm4，IY=801 cm4，慣性半徑iX=2.4 cm，iY=4.99 cm，截面模數(shù)WX=22.3 cm3，WY=80.1 cm3，重心CX=1.73 cm。

2.2 垂直升降軌道的強(qiáng)度校核

根據(jù)《GB 7588—2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范》中的要求，本類型電梯導(dǎo)軌計(jì)算許用應(yīng)力σperm和變形要求為：正常使用載荷情況σperm=165 MPa；導(dǎo)軌的最大計(jì)算允許變量δperm=5 mm。

當(dāng)電梯處于正常使用運(yùn)行工況時(shí)，電梯導(dǎo)軌強(qiáng)度及撓度校核計(jì)算如下：

由于該電梯是家用室內(nèi)電梯，因此可忽略電梯本身重量和負(fù)載重量對(duì)電梯重心位置的影響。假設(shè)當(dāng)乘坐人乘坐電梯時(shí)，轎廂整體的重心在轎廂正中心。將導(dǎo)軌分為四部分，取其中一部分進(jìn)行受力分析，導(dǎo)軌受力圖如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)軌受力圖

2.2.1 彎曲應(yīng)力σm 的計(jì)算

電梯最大載重160 kg，電梯整體質(zhì)量取240 kg，則G=240×9.8=2 352 N。

電梯的轎廂長(zhǎng)為800 mm，寬為700 mm，高為1 040 mm，重心到導(dǎo)軌的水平距離S=400 mm，則M=GS=2 352×0.4=940.8 N·m。

σX=M/WX=940.8÷（22.3×10-6）=42.1×106Pa=42.1 MPa，σY=M/WY=940.8÷（80.1×10-6）=11.7×106Pa=11.7 MPa。

2.2.2 撓度δX、δY 的計(jì)算

導(dǎo)軌支架間的間距l(xiāng)=400 mm，導(dǎo)軌彈性模量最小值，Emin=200 GPa，δXmax、δYmax的計(jì)算如下：

可見，在正常使用工況下，本類型電梯選用導(dǎo)軌的強(qiáng)度及撓度校核符合《GB 7588—2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范》中的要求。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)的選材設(shè)計(jì)

由于本電梯適用于二層樓房或復(fù)式居室使用，傳動(dòng)的距離較短。而齒輪齒條傳動(dòng)適于低層樓房，能保證恒定的傳動(dòng)比，工作平穩(wěn)可靠性高，有效地增強(qiáng)了電梯在運(yùn)行中的平穩(wěn)性與安全性。齒輪選用黃銅，齒條選用高強(qiáng)度的工業(yè)尼龍，在齒輪與齒條嚙合時(shí)噪聲很小，同時(shí)選用黃銅和工業(yè)尼龍作為齒輪齒條的材料可以不用進(jìn)行潤(rùn)滑[8]。

4 伸縮立柱的設(shè)計(jì)

4.1 伸縮立柱的選材

伸縮立柱采用矩形管制成，它是以Q235 熱軋或冷軋帶鋼或卷板為母材經(jīng)冷彎曲加工成型后再經(jīng)高頻焊接制成的方形截面形狀尺寸的型鋼，因此它的強(qiáng)度較高、塑性韌性好。通過檢索文獻(xiàn)[9]查得，其材料主要性能為：彈性模量為210 GPa，比例極限σp=200 MPa，其許用安全應(yīng)力為170 MPa，安全因數(shù)nst為3.0。

相比于圓管，矩形管有較大的慣性矩和截面模數(shù)，有較大的抗彎、抗扭能力，從結(jié)構(gòu)上來說矩形管具備減輕自身重量和節(jié)省鋼材的優(yōu)點(diǎn)。

4.2 伸縮立柱的設(shè)計(jì)計(jì)算

通過檢索文獻(xiàn)[9]選出伸縮立柱外管與內(nèi)管的相關(guān)參數(shù)，如表1 所示。

表1 伸縮立柱外管與內(nèi)管的參數(shù)

由此確定外管的高度L1為900 mm，內(nèi)管的高度L2為600 mm。

5 結(jié)語

室內(nèi)隱形可變高度垂直電梯屬于微形垂直電梯，乘坐人數(shù)為2 人，最大承載重量為160 kg，具有占地面積與空間小、運(yùn)行平穩(wěn)快捷、制造和運(yùn)行成本低、安全性好等特點(diǎn)，解決了室內(nèi)安裝垂直電梯困難的問題，對(duì)促進(jìn)我國(guó)室內(nèi)垂直電梯的推廣應(yīng)用和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和良好的應(yīng)用前景。