家用電梯結構設計與優化研究

沈向鋒

（森赫電梯股份有限公司，浙江湖州313013）

0 引言

近年來，建筑電梯的外觀形狀、電梯材質等均發生了巨大變化。不僅如此，電梯控制方式也由最原始的手柄開關控制和基礎按鈕控制，轉變為現有的信號控制、集選控制以及智能控制等。隨著現代科學技術的不斷發展，電梯整體結構和實用性也在不斷發展。除了原始的僅適用于高層居民樓或寫字樓的公共電梯外，一種可以適用于各類私人住宅的家用電梯也在逐漸興起。根據2017年市場研究數據顯示，亞洲的電梯市場正逐漸被中國電梯所占據，國內全年電梯總銷售額超過1 000億美元。其中，家用電梯所占比例達到35%，連續三年呈上升趨勢。從某種意義上來說，當今世界衡量一個國家整體工業發展和現代化發展程度的重要標志就是國內建筑電梯使用量。電梯作為當今世界重要的生活交通工具，已成為人們日常生活中不可或缺的產品。通過對電梯關鍵結構的優化設計，可以提高電梯整體舒適性和安全性，增強使用者的體驗感[1]。

1 家用電梯結構優化設計

1.1 電梯井道空間優化設計

表1為市場常用的320 kg和400 kg兩種主流規格家用電梯的載重和井道空間尺寸參數[2]。

表1 兩種主流規格家用電梯參數表

根據資料顯示，國內市場上家用電梯最好的品牌是瑞士的CIIBS，其整體井道利用率可以達到65%～69%。目前國內家用電梯結構大多以龍門架結構為主，如圖1所示。

龍門架結構是目前市場上家用電梯箱體使用最廣泛的建筑架構。其最大優勢在于在內部井巷開鑿時，只需在內部井道一側留有混凝土墻壁的空間即可[3]。因此，應用龍門架結構可以大幅減小井巷占地空間，更適合私人家居使用。但是其整體強度偏弱，很容易受到住宅樓周圍環境包括其他墻體的影響，且如果長時間處于靜置狀態，頂部牽引滾輪導靴很容易出現變形情況。一旦再次運行，不僅影響前期舒適感，還容易造成安全隱患[4]。

為了有效避免龍門架結構的局限性，在滿足建筑空間的基礎上，兼顧電梯整體安全性。利用傳統龍門架結構原理，將其優化成為書包架結構，如圖2所示。

圖1 電梯龍門架結構示意圖

圖2 書包架結構示意圖

書包架結構可以充分利用地下巷道平面，為電梯通道大門的安裝提供一定的便利條件，改善電梯廂的受力方向。根據實際測量顯示，400 kg的家用電梯井道尺寸必須為1 300 mm×1 500 mm以上，外部采用書包架結構轎架。考慮到私人家庭用戶的實際使用情況，需要在樓梯中間設置預留井道，故可將井道口設置為正方形，方便用戶使用，井道尺寸改為2 500 mm×2 500 mm。考慮到個別家庭有老人，可能需要在家乘坐輪椅使用電梯，所以設計的家用電梯口需要綜合考慮輪椅進出的情況。通常情況下輪椅的尺寸大約為800 mm×950 mm×700 mm，所以可以將電梯門尺寸設計為900 mm。

1.2 電梯曳引系統優化設計

傳統家用電梯曳引系統的漲緊輪主要是通過電梯壓倒板固定在電梯導軌下部，再利用電梯支架對接口部位進行重點處理。這種設計方式需要電梯具有很大的底坑深度，井道空間占據較大，所以需要對曳引系統進行綜合優化。傳統家用電梯的主機大多數是鋼絲繩驅動，為了滿足實際設計需要，根據實際井道和使用要求，設計出新型的漲緊輪。通過將漲緊輪內部的膨脹螺栓直接固定在地面上，依靠彈簧可以保證漲緊力。曳引機方面因為私人住宅頂部空間結構限制因素較多，家用電梯頂層的機房難以正常設置，所以設計采用無機房形式。因為井道空間有限，所以曳引機可以選擇體積較小的磁浮曳引機。磁浮曳引機的懸掛比一般為1:1，雖然傳動結構簡單，但是整體造價較高，所以選擇2:1的懸掛比，其傳動結構成本可降低30%以上[5]。

1.3 電梯對重結構優化設計

因為受空間設計限制，家用電梯對重結構的設置必須盡量縮小，不能占據太大空間。根據對重確定公式：式中，ε為電梯對重的綜合平衡系數，一般根據重量取值0.45～0.5；Q為電梯總重量，為400 kg；P值為346 kg

故式（1）取值為G=P+εQ=346+0.5×400=546 kg。根據計算結果可以看出，因為電梯軌距需要達到600 mm，所以需要利用鑄鐵進行制造。實際設計中，由于電梯對重架靠內墻一側具有一定剩余空間，所以對重塊可以改成偏心結構，其整體設計結構如圖3所示，可以減少對重塊使用數量，從而降低整體高度。

圖3 對重塊整體設計結構示意圖

2 電梯結構優化實驗

為了探究新型電梯結構的優化效果，對電梯運行穩定性、噪聲量、井道利用率三項基本參數進行實際比較。

根據實際統計，傳統老式結構家用電梯井道面積一般為1 600 mm×1 400 mm，電梯轎廂面積為1 000 mm×1 085 mm，整體井道利用率為43.5%。新設計的電梯結構井道面積為1 500 mm×1 500 mm，電梯轎廂面積為950 mm×1 200 mm，井道利用率為55%。

此外，對電梯噪聲和波動值域兩項參數也進行了對比，結果如表2所示。

根據數據顯示，新型電梯設計結構井道利用率更高，噪聲和運行波動值域也優于傳統電梯設計結構。

表2 參數對比表

3 結語

電梯結構的優化設計，對家用電梯的發展具有重要的意義。本文通過將傳統井道的龍門架結構重新設計為書包架結構，可以有效提高井道利用率，減少家用電梯整體設計空間。通過電梯曳引系統和對重系統的重新規劃設計，可以有效降低電梯噪聲，提高整體穩定性。實踐證明，新設計的電梯結構優化方法具有可推廣價值。

[1]周年勇，陳夢夢，王露，等.防火型家用救生艙艙體熱環境與結構優化研究[J].中國安全生產科學技術，2017，13（12）：186-192.

[2]姜鑫.基于ANSYS室外施工升降電梯的結構設計與自動化控制[J].自動化技術與應用，2016，35（8）：117-120.

[3]姚品.電梯機械故障的診斷及優化設計探究[J].山東工業技術，2017（24）：9.

[4]李樺.關于電梯層門保護設計及沖擊試驗方法的討論[J].消防界，2017（4）：81.

[5]李俊青.基于電梯應急裝置設計要點分析研究[J].房地產導刊，2016（26）：15，21.