电梯轿厢内缓冲气囊的研究

薛林，牛曙光

（1.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116；2.常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500）

电梯轿厢内缓冲气囊的研究

薛林1，2，牛曙光1，2

（1.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116；
2.常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500）

基于缓冲气囊的缓冲特性，研究了其在电梯轿厢内应用的可行性.通过对气囊各个参数的合理设计以及载客量的不同，合理控制气囊的气体压强及排气口面积的大小，使气囊起到保护乘客的作用.以I类乘客电梯为例进行了案例分析与计算，结果表明：采用缓冲气囊安全系统可以有效减轻坠落轿厢内乘客所受的伤害.

限速器；安全钳；缓冲气囊；排气口；电梯轿厢

由于电梯安检人员对电梯的定期检修不及时或其他的种种原因，导致近年来时有发生坠梯事件，给乘客造成极大的伤害.从电梯结构考虑，坠梯主要是由于电梯限速器和安全钳没有在关键时刻发挥作用.虽然在井道底部有缓冲器，但对于高速坠落的电梯而言，缓冲器不能很好地起到保护乘客安全的作用.因此，我们可以在轿厢内安装一套缓冲气囊装置，当电梯超速下行时，缓冲气囊能够打开起到保护乘客的作用.将这一技术应用于电梯行业，无疑会有效地改善电梯的安全性能.另外，电梯轿厢缓冲气囊系统对电梯的结构没有特别的要求，不必改变电梯的现有结构，安装操作简单易行且经济实惠.

1 工作原理

电梯轿厢内缓冲气囊的工作原理是：当电梯下行速度达到限速器的动作速度，而由于安全钳发生故障不工作时，电梯继续加速下滑，当达到缓冲气囊系统的速度传感器所设定的阀值时，速度传感器和缓冲气囊ECU内的安全传感器送给缓冲气囊ECU一个闭合信号.通过点火驱动电路控制点火器的最终搭铁，点火器中电热丝迅速通电使气体发生剂发生化学反应释放出大量的气体，产生的气体通过4根由耐高温材料制作的导管在轿厢的拐角处以适当的流速在短时间内充入气囊内，使乘客平稳地站立或坐在气囊上面，在轿厢蹲底的过程中，轿厢内乘客压缩气囊，气囊内气体对乘客做功使乘客减速下落，乘客继续下落使得气囊内压强不断增大，为使乘客不受气囊内过大气压反作用力的影响，在囊袋底部设有一定开口面积的排气孔，当气囊内压强达到预先设定的临界压强时，排气口打开将气囊内气体排出，以保证气囊内压强基本保持恒定值，乘客继续下落直至平稳接触轿厢地板，达到保护乘客的目的.

2 设计要点

2.1 缓冲气囊缓冲特性的分析与参数设计

通过对软着陆气囊缓冲特性的研究，将轿厢内气囊的缓冲过程分为两部分：绝热压缩和排气释能.因此可以分别根据热力学和刚体力学原理，建立相应的轿厢缓冲气囊系统的解析方程，并根据中华人民共和国国家标准GB/T 7025.1-2008对电梯轿厢尺寸的规定，设计轿厢内气囊的尺寸和参数.

图1所示为轿厢内气囊受力图，根据条件作如下假设，以便对系统进行解析和计算：

①由于整个缓冲过程时间较短，所以假设系统与外界环境无热量交换，即整个缓冲过程为绝热压缩过程.

②囊袋采用无弹性且不漏气的材料制作而成，故不考虑囊袋本身的能量损耗.

③根据轿厢形状和尺寸，假定囊袋形状为长方体.在囊袋上方铺有硬质轻薄材料，并且乘客在轿厢内均匀站立，所以气囊受力平均分布.

在恒压降落过程中轿厢内乘客受力方程为：

其中：

M——轿厢内乘客总质量；

Pa——标准大气压，即Pa=1.01×105pa；

a——缓冲过程中乘客加速度；

P——气囊内气体压强；

S——气囊表面积，理想值为b1×d1，b1为轿厢宽度，d1为轿厢深度.

绝热压缩过程中气体对外做功可根据热力学第一定律计算，即ΔU=Q+W，其中Q=0.所以气体对外做功

气体对外做功包括对轿厢内乘客做功W1和对外界大气做功W2，即W=W1+W2所以

对于轿厢内乘客，利用动能定理可得缓冲过程方程

其中：

h——气囊高度，初始气囊高度为h0；

γ——绝热系数，取γ=1.4；

V——气囊体积.

要使乘客安全接触轿厢地板，则应当在气囊厚度变为0之前乘客速度也降为0.由此根据公式（3）和（4）可得出，当气垫高度一定时气囊内气体压强P和坠落速度v以及乘客质量M之间的关系：

电梯下落过程中不可避免地要受到各种摩擦力，如轿厢导靴和导轨之间的摩擦力，在曳引钢丝绳不断裂的条件下还要受到曳引钢丝绳和曳引轮之间的摩擦力，此外还有对重导靴和导轨之间的摩擦力以及对重本身的自重.

2.2 排气释能过程排气口面积的控制

如果气囊不设置排气孔，缓冲过程中乘客压缩气囊使气囊内压强急剧增大，产生过大的反弹加速度将乘客反向加速，由于轿厢高度有限，很有可能对乘客头部造成伤害.若使用固定排气口型气囊，虽然比不设置排气口时缓冲效果会有明显的改善，但是电梯每次工作时轿厢内的乘客数量是随机的.若排气口面积过大，在乘客还没有以安全速度落地之前气囊内气体就已经完全排除；若排气口面积过小，则气体不能及时排出，会对乘客产生反向加速度，则此气囊就没有起到保护的作用.因此本设计使用可控排气孔型气囊.可控排气口型气囊是主动控制气囊的一种，可以利用机械式排气控制机构改变排气孔面积的大小，使气囊内压强基本保持恒定，延长缓冲时间，并且在乘客坠落速度降为零时，能够自动关闭排气孔，避免因在重力作用下再次加速对乘客造成伤害.实验表明，排气口面积可控气囊比固定排气孔面积的气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间范围内使用的价值.

2.3 案例分析与计算

由于轿厢空间有限，所以所设计的气囊承受的载荷和冲击也是在一定范围内的.GB/T 7025.1-2008规定了各类电梯轿厢的尺寸.以I类乘客电梯为例，额定载重量800 kg、额定载客人数10人的B系列电梯轿厢尺寸为：轿厢宽度(b1)×轿厢深度(d1)×轿厢高度(h4)= 2000 mm×2200 mm×2200 mm所以设计的气囊理想尺寸为：2000 mm×2200 mm×500 mm.因此，此气囊能保护以大约9 m/s的速度坠落的乘客.假设每位乘客的重量为70 kg，由公式（1）和（5）可求得不同乘客数与气囊内压强之间的关系，如表1所示.

案例分析与计算表明，采用缓冲气囊安全系统，可以有效减轻在一定速度范围坠落轿厢内乘客所受伤害.根据国标对轿厢尺寸的要求，设计出气囊的面积和厚度，并根据不同人群所能承受的加速度，合理控制气囊内气体压强.

3 结语

论证了缓冲气囊在电梯轿厢内应用的可行性，缓冲气囊作为一种安全保护系统具有一定的应用价值.后续的研究工作应着眼于对电梯轿厢结构做相应的改进，同时更加合理地装配缓冲气囊系统，使缓冲气囊这一安全装置能够更好发挥保护乘客的作用.

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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

江苏省科技支撑项目“长冲程链式抽油机关键技术研究”（BE2011096）

薛林，硕士研究生，研究方向：特种电梯，E-mail∶838165632@qq.com.