地震波監(jiān)測(cè)技術(shù)在抗震液壓電梯中的應(yīng)用

，

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電梯學(xué)院，廣東 中山 528404；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

地震波監(jiān)測(cè)技術(shù)在抗震液壓電梯中的應(yīng)用

肖偉平1，高炯2

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電梯學(xué)院，廣東 中山 528404；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)關(guān)于地震造成的發(fā)生頻率最高的破壞情形，開(kāi)發(fā)出一種液壓抗震電梯。這種電梯裝備有2個(gè)可檢測(cè)P波和S波的地震傳感器開(kāi)關(guān)、導(dǎo)軌對(duì)正檢測(cè)器和相關(guān)附加抗震措施，通過(guò)實(shí)際參數(shù)測(cè)試，驗(yàn)證這種電梯在發(fā)生地震時(shí)能達(dá)到有效保護(hù)乘客的目的。

液壓電梯；地震；地震傳感器

0 引言

世界上眾多處在地震帶上的大城市長(zhǎng)期受地震干擾。比如巴爾干半島地區(qū)，對(duì)地震干預(yù)措施的需求十分迫切。近年來(lái)有記載的地震事件，多次涉及電梯傷害事故。因此，亟待進(jìn)行地震時(shí)電梯在建筑物內(nèi)的特性和性能方面的研究，改進(jìn)優(yōu)化電梯的設(shè)計(jì)與配置，采取有效的措施提高電梯在地震時(shí)的防護(hù)性能。必須提高地震帶建筑的抗震系數(shù)，保證能夠抵抗一定程度的地震沖擊，更重要的是，地震多發(fā)區(qū)域的電梯和曳引方式都應(yīng)區(qū)別于普通電梯，通過(guò)增加相關(guān)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)地震時(shí)保護(hù)乘客安全的目的。

1 液壓抗震電梯的應(yīng)對(duì)措施

1.1 依據(jù)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)

目前，世界范圍內(nèi)尚未出臺(tái)關(guān)于電梯在地震中的運(yùn)行性能的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有形成具體的法規(guī)或者標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于地震區(qū)域的電梯安裝規(guī)范，主要有美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)ASME A17.1，可以作為國(guó)內(nèi)法律之外的一個(gè)參考補(bǔ)充。其他可以借鑒參考的有加拿大的電梯安全規(guī)范CSA B44.1和日本類(lèi)似的電梯安全規(guī)范。

1.2 地震傳感器

地震在地下以波的形式運(yùn)動(dòng)，這些波形運(yùn)動(dòng)由縱橫2個(gè)方向的波構(gòu)成。P波震動(dòng)能量很小但傳播速度很快，S波傳播得慢但攜帶大量的震動(dòng)能量[1]。多數(shù)情況下，地震發(fā)生時(shí)，2種波的到達(dá)有一個(gè)時(shí)間差，P波先到，接著是S波，相隔7～30 s，時(shí)間長(zhǎng)短取決于與震中距離的遠(yuǎn)近,其運(yùn)動(dòng)形式如圖1所示。

圖1 P波和S波形狀

地震開(kāi)關(guān)是一種可以檢測(cè)P波和S波的設(shè)備，并且能把該信息提供給電梯控制系統(tǒng)，作為一種地震發(fā)生檢測(cè)儀。

在系統(tǒng)操作過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)到P波，轎廂?？吭谧罱鼧菍樱冶M可能位于對(duì)重上方，避免與對(duì)重碰撞，同時(shí)顯示面板告訴乘客“已經(jīng)檢測(cè)到地震，請(qǐng)立即離開(kāi)電梯”，同時(shí)報(bào)警器鳴響。電梯門(mén)敞開(kāi)，電梯處于等待狀態(tài)，直到?jīng)_擊波(S波)到來(lái)，這時(shí)電梯門(mén)自動(dòng)關(guān)閉并且電梯停止運(yùn)行。如果一定時(shí)間內(nèi)S波沒(méi)有到達(dá)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。由于P波和S波之間的間隔不會(huì)少于7 s，所以在看到警示信息后，乘客有足夠的時(shí)間離開(kāi)電梯。運(yùn)行速度5 m/s的電梯，在運(yùn)行中從接到停止命令到?？吭谧罱臉菍佑脮r(shí)不超過(guò)7 s，這種速度的電梯完全可以在劇烈的沖擊到來(lái)之前停止運(yùn)行。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME A17.1規(guī)定地震開(kāi)關(guān)必須位于機(jī)房，并且地震開(kāi)關(guān)的臨界加速度設(shè)定值為0.15g[2]。使用地震開(kāi)關(guān)有利有弊，無(wú)論電梯是否受到損壞，電梯都會(huì)在地震開(kāi)關(guān)被激活時(shí)停止運(yùn)行。在日常檢修中，確認(rèn)所有的觸發(fā)機(jī)構(gòu)是否良好都會(huì)給電梯公司帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)，而且電梯可能會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。如果發(fā)生強(qiáng)度大的地震，大多數(shù)地震開(kāi)關(guān)都會(huì)被觸發(fā)，這樣一來(lái)使所有電梯恢復(fù)到正常運(yùn)行將會(huì)需要很長(zhǎng)時(shí)間。因此，地震開(kāi)關(guān)的合理使用顯得非常重要。地震開(kāi)關(guān)在建筑中的位置，地震開(kāi)關(guān)本身是否良好，地震開(kāi)關(guān)的校準(zhǔn)和維護(hù)都是影響地震開(kāi)關(guān)工作效能的重要因素。

1.3 導(dǎo)軌和導(dǎo)軌支架

1.3.1 導(dǎo)軌支架

可使用合適規(guī)格的中間連接板將2條導(dǎo)軌連接起來(lái)，以避免導(dǎo)軌散開(kāi)，同時(shí)降低滾動(dòng)導(dǎo)靴從導(dǎo)軌上脫落的可能性。這樣一來(lái)，平面運(yùn)動(dòng)時(shí)2條導(dǎo)軌可以分擔(dān)受力，增加了系統(tǒng)的剛度。

如果因處于地震易發(fā)區(qū)域或存在大的移位而要求運(yùn)行路徑與建筑物完全分開(kāi)，可以采取使位移發(fā)生在導(dǎo)軌支架內(nèi)，同時(shí)使用合適的滑動(dòng)夾鉗的結(jié)構(gòu)。這種夾鉗必須可以在地震產(chǎn)生額外作用力時(shí)，沿導(dǎo)軌滑動(dòng)而不產(chǎn)生縱向彎曲，同時(shí)它又必須有足夠的剛性抵御施加在它上面的力。未來(lái)的趨勢(shì)是使用一種可控力的特制剛性?shī)A鉗，這種夾鉗允許導(dǎo)軌在受力后有位移。

液壓電梯還配有繩環(huán)(類(lèi)似于對(duì)重的位移檢測(cè)器)和連接支架系統(tǒng)，導(dǎo)軌支架與井道完全隔離。當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生的水平力作用于導(dǎo)軌時(shí)，繩環(huán)可以檢測(cè)到任何由導(dǎo)軌錯(cuò)位造成的支架變形，使電梯停止運(yùn)行。

1.3.2 導(dǎo)軌

對(duì)重導(dǎo)軌系統(tǒng)會(huì)受到地震影響，導(dǎo)軌和導(dǎo)軌支架除需要承受設(shè)計(jì)之初的正常載荷和安全鉗的作用力之外，還要能抵御地震的水平?jīng)_擊[3]。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，可以得到如下數(shù)據(jù)：

a.與額定人數(shù)為8人的轎廂匹配5 kg，對(duì)重導(dǎo)軌可以承受最大0.6g(0.6×9.8 m/s2)的重力加速度，這時(shí)導(dǎo)軌變形不會(huì)超過(guò)與導(dǎo)靴配合深度30 mm。如果超過(guò)這個(gè)界限就會(huì)發(fā)生對(duì)重脫軌。

b.與額定人數(shù)為15人的轎廂匹配8 kg，對(duì)重導(dǎo)軌可以承受最大12g(12×9.8 m/s2)的重力加速度，而不致發(fā)生脫軌或嚴(yán)重的導(dǎo)軌變形。

c.導(dǎo)軌實(shí)際變形相對(duì)于理論上的小變形假設(shè)要顯著得多。

合格的導(dǎo)軌尺寸應(yīng)滿(mǎn)足如下條件，即給定支架空間；給定對(duì)重的重量；給定轎廂重量加40%額定載荷。當(dāng)轎廂或?qū)χ厥艿揭粋€(gè)水平方向的0.5g的地震作用力時(shí)，尺寸合格的導(dǎo)軌可以承受水平方向0.5g的地震作用力而沒(méi)有損傷。地震時(shí)可以承受的最大力，比一般情況下大1/3[4]。因此，為了確保導(dǎo)軌系統(tǒng)的牢固性，必須使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格的導(dǎo)軌支架和導(dǎo)軌。

1.4 對(duì)重

對(duì)重脫離導(dǎo)軌后移位會(huì)與轎頂碰撞，可能對(duì)乘客造成毀滅性的事故?？梢圆扇》雷o(hù)措施避免對(duì)重處于脫離狀態(tài)。

方法之一是采用框式支架，加強(qiáng)對(duì)重導(dǎo)軌的固定從而限制對(duì)重的脫離。另外一個(gè)方法就是安裝電子檢測(cè)器，由貼在對(duì)重上面的位移環(huán)和拉伸線構(gòu)成，拉伸線從上到下連接對(duì)重。如果對(duì)重脫離導(dǎo)軌，檢測(cè)器通過(guò)電信號(hào)中止電梯運(yùn)行。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)對(duì)重位于井道中高處時(shí)，盡管在地震中轎廂沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，對(duì)重也容易脫軌[5]。因此，比較理想的辦法是，使用特殊外形的框架確保對(duì)重被固定在框架之中。

1.5 轎廂導(dǎo)靴和滾輪

為了防止?jié)L輪導(dǎo)靴發(fā)生大的變形，同時(shí)防止?jié)L輪導(dǎo)靴脫離導(dǎo)軌，需要在滾輪導(dǎo)靴上安裝約束板。導(dǎo)軌固定板是位于轎廂和對(duì)重上的扁平鋼板，位置在上下導(dǎo)靴的下側(cè)，作為地震載荷的屏障。

有3項(xiàng)保護(hù)措施可以降低地震對(duì)導(dǎo)軌對(duì)重系統(tǒng)的影響:

a.提高系統(tǒng)的阻尼。方法是在滾輪導(dǎo)靴上安裝小的阻尼器，但該方法有較大的局限性，因?yàn)閷?duì)重周?chē)拈g隙及空間非常小，導(dǎo)軌的最大應(yīng)力只能減小7.5%。

b.利用部分靜載荷，以此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其他部分的可調(diào)節(jié)震動(dòng)吸收裝置。

c.利用動(dòng)態(tài)震動(dòng)吸收器，將最大應(yīng)力降低為初始值的一半。

1.6 動(dòng)力設(shè)備、控制器、繩輪和其他設(shè)備

線纜的移位也是很危險(xiǎn)的，強(qiáng)大的慣性力會(huì)破壞導(dǎo)軌、支架和連接板。可以采取以下保護(hù)措施:

a.在繩輪上提供線纜固定防護(hù)裝置。

b.對(duì)可能影響補(bǔ)償繩或補(bǔ)償鏈和隨行電纜的突出構(gòu)件做防護(hù)處理。

c.緊固頂部橫梁和支撐底座，要求能夠抵御水平方向1g的力。

d.機(jī)械和控制單元等(導(dǎo)軌支架除外)可以抵御同時(shí)作用的水平方向1g的力和豎直方向0.5g的力，應(yīng)力最高可達(dá)屈服應(yīng)力的88%[6]。

e.活塞柱體支撐和軸的底部之間的剛性固定要牢固(2∶1液壓電梯)。

f.軟管與固定支架之間保持合適的距離。

2 液壓抗震電梯實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)以上對(duì)策設(shè)計(jì)一臺(tái)載人液壓抗震電梯，曳引比為2∶1，額定載荷為1 000 kg。電梯配有可以檢測(cè)P波和S波的地震傳感器。

系統(tǒng)操作流程為：發(fā)現(xiàn)P波，轎廂被帶到指定?？奎c(diǎn)或最近樓層，顯示面板告訴乘客“已經(jīng)檢測(cè)到地震，請(qǐng)立即撤離”，同時(shí)報(bào)警器鳴響。電梯門(mén)敞開(kāi)，電梯處于等待狀態(tài)，直到?jīng)_擊波(S波)到來(lái)，這時(shí)電梯門(mén)自動(dòng)關(guān)閉并且電梯停止運(yùn)行。如果一定時(shí)間內(nèi)S波沒(méi)有到達(dá)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用地震模擬方法，來(lái)評(píng)估不同型號(hào)的地震傳感器的性能。重點(diǎn)測(cè)試了加速度感應(yīng)型地震傳感器在電梯中合理的位置和對(duì)于模擬地震的反應(yīng)。

首先在傳感器上進(jìn)行不同的測(cè)試以確認(rèn)其對(duì)地震的靈敏度，因?yàn)榈卣饌鞲衅鲗?duì)地震運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)是非常重要的，也就是說(shuō)它不應(yīng)該對(duì)火車(chē)、卡車(chē)和打樁機(jī)等往復(fù)機(jī)械的振動(dòng)作出響應(yīng)。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖2所示。圖2中闡明了加速度和頻率之間的關(guān)系，2條線之間的帶狀區(qū)域表示地震時(shí)設(shè)備可能被觸發(fā)。設(shè)備如果在這個(gè)區(qū)域以下被觸發(fā)，就會(huì)因?yàn)檫^(guò)于敏感而無(wú)法區(qū)分地震和卡車(chē)經(jīng)過(guò)等正常振動(dòng)，從而造成誤判。設(shè)備如果在這個(gè)區(qū)域以上才被觸發(fā)，會(huì)因?yàn)殪`敏度過(guò)低而導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生。

根據(jù)損壞電梯和觀測(cè)到的重力加速度峰值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論，即造成電梯損壞的重力加速度一般為0.15g～0.25g。因此，可以推斷具有破壞力的加速度標(biāo)準(zhǔn)至少為0.15g。

將地震開(kāi)關(guān)的位置確定在機(jī)房，機(jī)房位于液壓電梯所在建筑的底部或者曳引電梯所在建筑的頂部。實(shí)踐證明對(duì)于曳引電梯，10層時(shí)的平均停止臨界加速度為85 cm/s2，而20層時(shí)是59 cm/s2，不難看出機(jī)房所在的位置直接影響其臨界加速度。

圖2 加速度和頻率之間的關(guān)系曲線

結(jié)果可以總結(jié)如下：

a.所選擇的地震傳感器的敏感度非常重要，因?yàn)橐ＷC在非地震運(yùn)動(dòng)時(shí)不觸發(fā)。假如由于誤動(dòng)作而停機(jī)，對(duì)電梯維護(hù)來(lái)說(shuō)造價(jià)高昂，因?yàn)樾枰匦麻_(kāi)機(jī)。理想的做法是使用可預(yù)先調(diào)整以設(shè)定地震加速度報(bào)警值的地震傳感器。根據(jù)地面和建筑物的特征，采用用戶(hù)事先設(shè)定的加速度報(bào)警裝置，豎直和水平方向分開(kāi)設(shè)置，從而盡可能減少誤報(bào)警。

b.加速度臨界值很大程度上依賴(lài)于地震開(kāi)關(guān)安裝位置的高度，預(yù)定義報(bào)警參數(shù)一般要依據(jù)安裝的具體高度修正設(shè)定值。地震傳感器位于井道底部時(shí)，一般可以保證相同的響應(yīng)率。

c.對(duì)于被困的殘障人士或者老年人，很有必要使用可遠(yuǎn)程設(shè)定的封閉式報(bào)警器。在地震發(fā)生后，測(cè)得的加速度大于設(shè)定值，就可以采用遠(yuǎn)程控制而不必進(jìn)行人工現(xiàn)場(chǎng)查看與重設(shè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

地震對(duì)電梯有負(fù)面影響，對(duì)重導(dǎo)軌和轎廂導(dǎo)軌對(duì)地震非常敏感。導(dǎo)軌和支架的彈性、轎廂架、導(dǎo)軌系統(tǒng)和對(duì)重系統(tǒng)的彈性都是對(duì)地震干擾動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要影響因素。

為確保地震時(shí)地震區(qū)域的電梯損傷最小，同時(shí)避免電梯乘客的傷亡，必須采取一些電梯的預(yù)防措施。使用可以人工設(shè)定參數(shù)的報(bào)警器的地震開(kāi)關(guān)時(shí)，最佳位置是放在井道底部。同時(shí)對(duì)于導(dǎo)軌系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)需要加強(qiáng)必要的保護(hù)措施，以保證地震時(shí)電梯的安全。與此同時(shí)，地震發(fā)生時(shí)，殘障人士及老年人被困電梯的情況時(shí)有發(fā)生，如何保障這些弱勢(shì)群體的用梯安全是下一步需要深入研究的課題。

[1] 賀文海.液壓電梯垂直振動(dòng)特性仿真分析[J].機(jī)床與液壓，2010，38(22)：81-82.

[2] Hamada T，Kasai H，Matsui T，et al.A data mining approach for safety design of elevators[J].Proceedings of Elevcon，2002，25(6):393-397.

[3] 胡澤雄.光纖光柵地震波監(jiān)測(cè)方法的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[4] 沈姣，汪軍.基于Simulink的單缸驅(qū)動(dòng)液壓電梯振動(dòng)分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(6)：23-25.

[5] 崔健坤，林進(jìn)展，羅海軍.地震中運(yùn)行電梯對(duì)重脫軌原因探討[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013，42(8)：193-196.

[6] 胡俊.高層建筑電梯系統(tǒng)水平地震響應(yīng)分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

Application of Monitoring Technology of Seismic Wave in Earthquake Resistant Hydraulic Elevator

XIAOWeiping1，GAOJiong2

(1.College of Elevator，Zhongshan Polytechnic，Zhongshan 528404，China;2.Special Equipment Inspection Institute of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010010，China)

Based on data of the most frequent damages due to seismic events，a hydraulic earthquake resistant lift is designed，equipped with a double sensor seismic switch detecting both P- and S- waves，a guide rail alignment detector and other additional counter measures.It is verified that the elevator can effectively protect passengers during the earthquake by an evaluation study.

hydraulic elevator；earthquake；seismic sensors

2014-07-24

TH21

A

1001-2257(2014)12-0071-03

肖偉平(1964-)，男，重慶人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娞莨こ碳夹g(shù)。