一種電梯防墜落新方式的設(shè)計(jì)

張鑫何 廖辰煜 嚴(yán)騰 邱郁茜 田力元

摘要：這種新型方式的設(shè)計(jì)，主要是為了解決現(xiàn)如今電梯墜落多發(fā)的安全隱患問題，使電梯的安全性能更加優(yōu)良。同時(shí)在電梯裝置中添加GSM模塊，使其具有消息的實(shí)時(shí)傳遞功能。

Abstract： The design of this new way is mainly to solve the problem of safety hidden trouble of elevator falling and make the safety performance of elevator better. At the same time， the GSM module is added to the elevator device to make it have the function of transmitting messages in real time.

關(guān)鍵詞：安全;電梯制動(dòng);銜鐵原理;GSM模塊

Key words： safety;elevator braking;armature principle;GSM module

中圖分類號(hào)：TU857 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）30-0167-03

1 ?課題研究背景

電梯技術(shù)雖然日漸發(fā)展，但是時(shí)至今日，電梯的安全防護(hù)措施中并沒有增設(shè)有關(guān)人為控制的機(jī)構(gòu)，這也一直是電梯安全措施中最劣勢的一環(huán)。為了解決這一嚴(yán)重問題，我們需要設(shè)計(jì)一款可以人為控制電梯升降的機(jī)構(gòu)，用來提高電梯的安全性，降低或防止發(fā)生危險(xiǎn)的可能，大大提高了發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)電梯的可控性。

如今即便是有電梯固有的安全系統(tǒng)的支持，電梯仍然會(huì)出現(xiàn)各種未知狀況，這樣的不確定性使得電梯即便已經(jīng)成為了大眾工具，但依舊有相當(dāng)一部分人在為自己的安全擔(dān)憂，尤其是家長面對自己孩子在電梯嬉耍時(shí)，會(huì)格外擔(dān)心;而當(dāng)電梯內(nèi)部擁有可以人力控制電梯制動(dòng)且能在電梯發(fā)生制動(dòng)的同時(shí)通知相關(guān)人員進(jìn)行救援措施的裝置，那么電梯的安全性就得到了進(jìn)一步的保證，同時(shí)也使得乘坐電梯的人們有了更多行動(dòng)的機(jī)會(huì)，而不再是無動(dòng)于衷的在電梯內(nèi)等待救援。這一措施大大提高了在電梯墜落時(shí)人員生還的可能性，保證了人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全，這就是我們這個(gè)新型方式的意義。

2 ?課題研究目的和意義

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)改進(jìn)的緩沖電梯防墜落方案，是針對于各種高層建筑中現(xiàn)有電梯進(jìn)行改裝升級(jí)的設(shè)計(jì)方案。在轎廂連同繩索一起意外墜落或繩索突然斷裂轎廂墜落時(shí)，使其具有防護(hù)保障的能力，從而保證乘客的人身安全。

本項(xiàng)目所要設(shè)計(jì)的防墜落的裝置在人力控制部分已然完成，主要通過銜鐵的反用來實(shí)現(xiàn)持續(xù)減速再到制動(dòng)，當(dāng)電梯出現(xiàn)事故時(shí)，電梯自動(dòng)報(bào)警，人們可以在反應(yīng)后立刻操作裝置進(jìn)行制動(dòng)，因?yàn)楸狙b置人力和電力雙重控制必然可以達(dá)到相關(guān)的制動(dòng)操作，可以使人們在不費(fèi)力的前提下迅速和有效的完成自救，同時(shí)通知相關(guān)救援人員實(shí)施救援。

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，給予了電梯乘坐者更穩(wěn)定的安全保障，在安全的同時(shí)也充分地發(fā)揮了人的自我保護(hù)意識(shí)，提高了此方式的可行性。

3 ?新電梯防墜落方式的創(chuàng)新點(diǎn)

該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)基于對銜鐵的工作原理的反向研究，保證制動(dòng)塊與導(dǎo)軌發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行摩擦，在摩擦力的作用下實(shí)現(xiàn)持續(xù)減速再到制動(dòng)，在增加安全性的同時(shí)給與了人一定的自發(fā)操作空間，在自動(dòng)和手動(dòng)雙重保險(xiǎn)的作用下，電梯的事故發(fā)生概率將會(huì)有顯著的下降，減少了因電梯事故發(fā)生而造成的人員傷亡，在電梯安全和人們生產(chǎn)生活方面將會(huì)有極大的提升。

4 ?電梯防墜落新方式的技術(shù)方案

4.1 人力操作 ?電梯內(nèi)部設(shè)有本該就有的事故危險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)，人們在發(fā)生能觸發(fā)危險(xiǎn)報(bào)警器的危險(xiǎn)事故時(shí)，能夠立即發(fā)揮人們的主觀能動(dòng)性，人們可以在按住電梯內(nèi)部按鈕三秒以上觸發(fā)裝置并及時(shí)制止危險(xiǎn)的發(fā)生，同時(shí)發(fā)送消息給電梯內(nèi)乘客及相關(guān)人員，生命安全能得到更好的保障。

4.2 銜鐵反向應(yīng)用

4.2.1 銜鐵裝置

俗稱電動(dòng)式繼電器，電動(dòng)式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。

當(dāng)輸入量（如電壓、電流、溫度等）達(dá)到規(guī)定值時(shí)，使被控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開的電器，可分為電氣量（如電流、電壓、頻率、功率等）繼電器及非電氣量（如溫度、壓力、速度等）繼電器兩大類，具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)、遙控、測量和通信等裝置中。具體裝置圖如圖1。

4.2.2 反向應(yīng)用

因?yàn)殂曡F裝置的工作原理是，只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。我們將其反向應(yīng)用，電梯內(nèi)部設(shè)置相應(yīng)按鈕，人在長按電源按鈕三秒以上后，工作電路電源相應(yīng)斷開，導(dǎo)軌摩擦塊在彈簧的拉伸作用下回彈，接觸導(dǎo)軌，摩擦減速并制動(dòng)。

4.2.3 作用位置：電梯導(dǎo)軌（多為T型軌）

電梯導(dǎo)軌是電梯上下行駛在井道的安全路軌，導(dǎo)軌安裝在井道壁上，被導(dǎo)軌架，導(dǎo)軌支架固定連接在井道墻壁。電梯常用的導(dǎo)軌是“T”字型導(dǎo)軌，具有剛性強(qiáng)、可靠性高、安全廉價(jià)等特點(diǎn)。導(dǎo)軌平面必須光滑，無明顯凹凸不平表面。由于導(dǎo)軌是電梯轎廂上的導(dǎo)靴和安全鉗的穿梭路軌，所以安裝時(shí)必須保證其間隙。同時(shí)導(dǎo)軌在電梯出現(xiàn)超速事故時(shí)要承受制停電梯的要任，所以其剛性不可忽視。

T型導(dǎo)軌根部連接處含有寬度為C的導(dǎo)軌聯(lián)接，通過對電梯轎廂位于外部的外用式電梯的觀察得知，電梯導(dǎo)軌在此部分并無應(yīng)用，因此我們將銜鐵的裝置作用位置設(shè)置于此。

（備注：以上所描述的“電梯”均為電梯模型，裝置的實(shí)際作用位置為電梯模型導(dǎo)軌。）

4.3 GSM模塊

4.3.1 模塊簡介

GSM模塊是一個(gè)無線接收發(fā)送信息模塊。當(dāng)其輸入信號(hào)觸發(fā)端S與GND端接通短路時(shí)模塊立即與S端對應(yīng)的短信內(nèi)容發(fā)送給已預(yù)存在模塊里的手機(jī)號(hào)碼。觸發(fā)信號(hào)為開關(guān)量。

4.3.2 模塊特點(diǎn)

①可設(shè)置多達(dá)6組手機(jī)號(hào)用于接收短信。

②可同時(shí)檢測8回路干結(jié)點(diǎn)信號(hào)。

③每回路對應(yīng)的短信內(nèi)容可以自己編輯。

④適用于有GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)。

⑤支持微信、電話、短信等操作。

⑥可靠性強(qiáng)，安全性高。

4.3.3 基本工作原理

GSM 是一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也就是說移動(dòng)電話要連接到它能搜索到的最近的蜂窩單元區(qū)域。GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在多個(gè)不同的無線電頻率上。

GSM網(wǎng)絡(luò)一共有4種不同的蜂窩單元尺寸：巨蜂窩，微蜂窩，微微蜂窩和傘蜂窩。覆蓋面積因不同的環(huán)境而不同。巨蜂窩可以被看作那種基站天線安裝在天線桿或者建筑物頂上那種。微蜂窩則是那些天線高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市區(qū)內(nèi)。微微蜂窩則是那種很小的蜂窩只覆蓋幾十米的范圍，主要用于室內(nèi)。傘蜂窩則是用于覆蓋更小的蜂窩網(wǎng)的盲區(qū)，填補(bǔ)蜂窩之間的信號(hào)空白區(qū)域。

蜂窩半徑范圍根據(jù)天線高度、增益和傳播條件可以從百米以上至數(shù)十公里，實(shí)際使用的最長距離GSM規(guī)范支持到35公里。

同樣支持室內(nèi)覆蓋，通過功率分配器可以把室外天線的功率分配到室內(nèi)天線分布系統(tǒng)上。這是一種典型的配置方案，用于滿足室內(nèi)高密度通話要求，在購物中心和機(jī)場十分常見。然而這并不是必須的，因?yàn)槭覂?nèi)覆蓋也可以通過無線信號(hào)穿越建筑物來實(shí)現(xiàn)，這樣可以提高信號(hào)質(zhì)量減少干擾和回聲。

5 ?裝置運(yùn)行過程

圖2為該電梯防墜落裝置的運(yùn)行過程，大致如下：當(dāng)電梯發(fā)生事故時(shí)，電梯內(nèi)受困人員通過電梯內(nèi)的指導(dǎo)說明，長按裝置按鈕一秒以上或電梯電源斷開，此時(shí)銜鐵制動(dòng)裝置迅速制動(dòng)，防止電梯繼續(xù)墜落。同時(shí)電磁繼電器發(fā)出信號(hào)，通過GSM模塊將信號(hào)送到指定的相關(guān)人員，工作人員接收到信息便可第一時(shí)間開展救援工作。

6 ?實(shí)物模型和實(shí)物展示（如圖3）

7 ?工作流程

①搜集相關(guān)資料，了解現(xiàn)階段電梯墜落保護(hù)措施、銜鐵工作原理、電梯井構(gòu)造（包括電梯井的內(nèi)部距離、電梯導(dǎo)軌的具體形狀等）以及電梯的運(yùn)行原理，為后續(xù)設(shè)計(jì)新方案做一定理論準(zhǔn)備。

②對銜鐵、GSM模塊等作相關(guān)理論研究，針對導(dǎo)軌安裝、穩(wěn)定性、電梯運(yùn)行、裝置的安裝位置等問題展開相關(guān)討論。

③制定切實(shí)可行的工作室作息安排。

④討論計(jì)算所需材料和規(guī)格問題，合理購買材料。

⑤著手做一定比例縮放的實(shí)物模型，對電機(jī)、GSM模塊、電梯外框、電梯導(dǎo)軌等部件進(jìn)行安裝。

⑥完成后進(jìn)行相應(yīng)的測試，調(diào)配，進(jìn)一步優(yōu)化。

⑦與老師分析討論實(shí)踐結(jié)果，對不足之處加以改正完善。

⑧對于各種可能發(fā)生的情形進(jìn)行測試，記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)過程和細(xì)節(jié)再進(jìn)行分析。

⑨最后請校內(nèi)專家檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)需要和目的。

8 ?未來展望

在寸土寸金的都市中，建造高層建筑是人類向地球索取更大空間的重要手段，電梯作為高層建筑中的垂直交通工具，已成為須臾不可缺的重要設(shè)備，現(xiàn)如今不僅僅高層擁有電梯，甚至一棟樓里有很多部電梯，越來越多的多層樓也配備了電梯，所以電梯越來越普及，在未來必定會(huì)成為人們出行的必須工具，為人們提供便利。隨著電梯業(yè)的發(fā)展，安全性，必定也會(huì)成為人們最為關(guān)注的問題，電梯自帶有安全鉗等應(yīng)急設(shè)備，但是大多存在年久失修，發(fā)生事故時(shí)不能及時(shí)反映等問題，造成不可想象的后果。而我們設(shè)計(jì)的這個(gè)裝置是對電梯起到二重保護(hù)的作用，在發(fā)生安全事故時(shí)，可以及時(shí)反映，運(yùn)用了人力避免了純機(jī)械失效的情況，所以，這個(gè)方案的開發(fā)和設(shè)計(jì)是非常有必要的。甚至在未來還可以增加電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，連接網(wǎng)絡(luò)，最終可以實(shí)現(xiàn)人網(wǎng)雙控，慢慢融入人們的生活。

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基金項(xiàng)目：創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：S201911736002。

作者簡介：張鑫何（1999-），男，陜西銅川人，在讀本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。