地震波监测技术在抗震液压电梯中的应用

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(1.中山职业技术学院电梯学院，广东 中山 528404；2.内蒙古自治区特种设备检验院，内蒙古 呼和浩特 010010)

地震波监测技术在抗震液压电梯中的应用

肖伟平1，高炯2

(1.中山职业技术学院电梯学院，广东 中山 528404；2.内蒙古自治区特种设备检验院，内蒙古 呼和浩特 010010)

通过统计关于地震造成的发生频率最高的破坏情形，开发出一种液压抗震电梯。这种电梯装备有2个可检测P波和S波的地震传感器开关、导轨对正检测器和相关附加抗震措施，通过实际参数测试，验证这种电梯在发生地震时能达到有效保护乘客的目的。

液压电梯；地震；地震传感器

0 引言

世界上众多处在地震带上的大城市长期受地震干扰。比如巴尔干半岛地区，对地震干预措施的需求十分迫切。近年来有记载的地震事件，多次涉及电梯伤害事故。因此，亟待进行地震时电梯在建筑物内的特性和性能方面的研究，改进优化电梯的设计与配置，采取有效的措施提高电梯在地震时的防护性能。必须提高地震带建筑的抗震系数，保证能够抵抗一定程度的地震冲击，更重要的是，地震多发区域的电梯和曳引方式都应区别于普通电梯，通过增加相关保护装置实现地震时保护乘客安全的目的。

1 液压抗震电梯的应对措施

1.1 依据的法规和标准

目前，世界范围内尚未出台关于电梯在地震中的运行性能的法规和标准，国内也没有形成具体的法规或者标准。关于地震区域的电梯安装规范，主要有美国的标准ASME A17.1，可以作为国内法律之外的一个参考补充。其他可以借鉴参考的有加拿大的电梯安全规范CSA B44.1和日本类似的电梯安全规范。

1.2 地震传感器

地震在地下以波的形式运动，这些波形运动由纵横2个方向的波构成。P波震动能量很小但传播速度很快，S波传播得慢但携带大量的震动能量[1]。多数情况下，地震发生时，2种波的到达有一个时间差，P波先到，接着是S波，相隔7～30 s，时间长短取决于与震中距离的远近,其运动形式如图1所示。

图1 P波和S波形状

地震开关是一种可以检测P波和S波的设备，并且能把该信息提供给电梯控制系统，作为一种地震发生检测仪。

在系统操作过程中，通过检测到P波，轿厢停靠在最近楼层，而且尽可能位于对重上方，避免与对重碰撞，同时显示面板告诉乘客“已经检测到地震，请立即离开电梯”，同时报警器鸣响。电梯门敞开，电梯处于等待状态，直到冲击波(S波)到来，这时电梯门自动关闭并且电梯停止运行。如果一定时间内S波没有到达，系统自动恢复运行。由于P波和S波之间的间隔不会少于7 s，所以在看到警示信息后，乘客有足够的时间离开电梯。运行速度5 m/s的电梯，在运行中从接到停止命令到停靠在最近的楼层用时不超过7 s，这种速度的电梯完全可以在剧烈的冲击到来之前停止运行。美国标准ASME A17.1规定地震开关必须位于机房，并且地震开关的临界加速度设定值为0.15g[2]。使用地震开关有利有弊，无论电梯是否受到损坏，电梯都会在地震开关被激活时停止运行。在日常检修中，确认所有的触发机构是否良好都会给电梯公司带来很大的负担，而且电梯可能会产生误动作。如果发生强度大的地震，大多数地震开关都会被触发，这样一来使所有电梯恢复到正常运行将会需要很长时间。因此，地震开关的合理使用显得非常重要。地震开关在建筑中的位置，地震开关本身是否良好，地震开关的校准和维护都是影响地震开关工作效能的重要因素。

1.3 导轨和导轨支架

1.3.1 导轨支架

可使用合适规格的中间连接板将2条导轨连接起来，以避免导轨散开，同时降低滚动导靴从导轨上脱落的可能性。这样一来，平面运动时2条导轨可以分担受力，增加了系统的刚度。

如果因处于地震易发区域或存在大的移位而要求运行路径与建筑物完全分开，可以采取使位移发生在导轨支架内，同时使用合适的滑动夹钳的结构。这种夹钳必须可以在地震产生额外作用力时，沿导轨滑动而不产生纵向弯曲，同时它又必须有足够的刚性抵御施加在它上面的力。未来的趋势是使用一种可控力的特制刚性夹钳，这种夹钳允许导轨在受力后有位移。

液压电梯还配有绳环(类似于对重的位移检测器)和连接支架系统，导轨支架与井道完全隔离。当地震产生的水平力作用于导轨时，绳环可以检测到任何由导轨错位造成的支架变形，使电梯停止运行。

1.3.2 导轨

对重导轨系统会受到地震影响，导轨和导轨支架除需要承受设计之初的正常载荷和安全钳的作用力之外，还要能抵御地震的水平冲击[3]。

经过试验检测，可以得到如下数据：

a.与额定人数为8人的轿厢匹配5 kg，对重导轨可以承受最大0.6g(0.6×9.8 m/s2)的重力加速度，这时导轨变形不会超过与导靴配合深度30 mm。如果超过这个界限就会发生对重脱轨。

b.与额定人数为15人的轿厢匹配8 kg，对重导轨可以承受最大12g(12×9.8 m/s2)的重力加速度，而不致发生脱轨或严重的导轨变形。

c.导轨实际变形相对于理论上的小变形假设要显著得多。

合格的导轨尺寸应满足如下条件，即给定支架空间；给定对重的重量；给定轿厢重量加40%额定载荷。当轿厢或对重受到一个水平方向的0.5g的地震作用力时，尺寸合格的导轨可以承受水平方向0.5g的地震作用力而没有损伤。地震时可以承受的最大力，比一般情况下大1/3[4]。因此，为了确保导轨系统的牢固性，必须使用标准尺寸规格的导轨支架和导轨。

1.4 对重

对重脱离导轨后移位会与轿顶碰撞，可能对乘客造成毁灭性的事故。可以采取防护措施避免对重处于脱离状态。

方法之一是采用框式支架，加强对重导轨的固定从而限制对重的脱离。另外一个方法就是安装电子检测器，由贴在对重上面的位移环和拉伸线构成，拉伸线从上到下连接对重。如果对重脱离导轨，检测器通过电信号中止电梯运行。

一般来说，当对重位于井道中高处时，尽管在地震中轿厢没有运动，对重也容易脱轨[5]。因此，比较理想的办法是，使用特殊外形的框架确保对重被固定在框架之中。

1.5 轿厢导靴和滚轮

为了防止滚轮导靴发生大的变形，同时防止滚轮导靴脱离导轨，需要在滚轮导靴上安装约束板。导轨固定板是位于轿厢和对重上的扁平钢板，位置在上下导靴的下侧，作为地震载荷的屏障。

有3项保护措施可以降低地震对导轨对重系统的影响:

a.提高系统的阻尼。方法是在滚轮导靴上安装小的阻尼器，但该方法有较大的局限性，因为对重周围的间隙及空间非常小，导轨的最大应力只能减小7.5%。

b.利用部分静载荷，以此驱动系统其他部分的可调节震动吸收装置。

c.利用动态震动吸收器，将最大应力降低为初始值的一半。

1.6 动力设备、控制器、绳轮和其他设备

线缆的移位也是很危险的，强大的惯性力会破坏导轨、支架和连接板。可以采取以下保护措施:

a.在绳轮上提供线缆固定防护装置。

b.对可能影响补偿绳或补偿链和随行电缆的突出构件做防护处理。

c.紧固顶部横梁和支撑底座，要求能够抵御水平方向1g的力。

d.机械和控制单元等(导轨支架除外)可以抵御同时作用的水平方向1g的力和竖直方向0.5g的力，应力最高可达屈服应力的88%[6]。

e.活塞柱体支撑和轴的底部之间的刚性固定要牢固(2∶1液压电梯)。

f.软管与固定支架之间保持合适的距离。

2 液压抗震电梯实验验证

2.1 试验方法

根据以上对策设计一台载人液压抗震电梯，曳引比为2∶1，额定载荷为1 000 kg。电梯配有可以检测P波和S波的地震传感器。

系统操作流程为：发现P波，轿厢被带到指定停靠点或最近楼层，显示面板告诉乘客“已经检测到地震，请立即撤离”，同时报警器鸣响。电梯门敞开，电梯处于等待状态，直到冲击波(S波)到来，这时电梯门自动关闭并且电梯停止运行。如果一定时间内S波没有到达，系统自动恢复运行。

2.2 实验结果

采用地震模拟方法，来评估不同型号的地震传感器的性能。重点测试了加速度感应型地震传感器在电梯中合理的位置和对于模拟地震的反应。

首先在传感器上进行不同的测试以确认其对地震的灵敏度，因为地震传感器对地震运动的响应是非常重要的，也就是说它不应该对火车、卡车和打桩机等往复机械的振动作出响应。

根据测试数据绘制的曲线如图2所示。图2中阐明了加速度和频率之间的关系，2条线之间的带状区域表示地震时设备可能被触发。设备如果在这个区域以下被触发，就会因为过于敏感而无法区分地震和卡车经过等正常振动，从而造成误判。设备如果在这个区域以上才被触发，会因为灵敏度过低而导致灾难发生。

根据损坏电梯和观测到的重力加速度峰值的统计数据，可以得出如下结论，即造成电梯损坏的重力加速度一般为0.15g～0.25g。因此，可以推断具有破坏力的加速度标准至少为0.15g。

将地震开关的位置确定在机房，机房位于液压电梯所在建筑的底部或者曳引电梯所在建筑的顶部。实践证明对于曳引电梯，10层时的平均停止临界加速度为85 cm/s2，而20层时是59 cm/s2，不难看出机房所在的位置直接影响其临界加速度。

图2 加速度和频率之间的关系曲线

结果可以总结如下：

a.所选择的地震传感器的敏感度非常重要，因为要保证在非地震运动时不触发。假如由于误动作而停机，对电梯维护来说造价高昂，因为需要重新开机。理想的做法是使用可预先调整以设定地震加速度报警值的地震传感器。根据地面和建筑物的特征，采用用户事先设定的加速度报警装置，竖直和水平方向分开设置，从而尽可能减少误报警。

b.加速度临界值很大程度上依赖于地震开关安装位置的高度，预定义报警参数一般要依据安装的具体高度修正设定值。地震传感器位于井道底部时，一般可以保证相同的响应率。

c.对于被困的残障人士或者老年人，很有必要使用可远程设定的封闭式报警器。在地震发生后，测得的加速度大于设定值，就可以采用远程控制而不必进行人工现场查看与重设。

3 结束语

地震对电梯有负面影响，对重导轨和轿厢导轨对地震非常敏感。导轨和支架的弹性、轿厢架、导轨系统和对重系统的弹性都是对地震干扰动态响应的重要影响因素。

为确保地震时地震区域的电梯损伤最小，同时避免电梯乘客的伤亡，必须采取一些电梯的预防措施。使用可以人工设定参数的报警器的地震开关时，最佳位置是放在井道底部。同时对于导轨系统、动力系统需要加强必要的保护措施，以保证地震时电梯的安全。与此同时，地震发生时，残障人士及老年人被困电梯的情况时有发生，如何保障这些弱势群体的用梯安全是下一步需要深入研究的课题。

[1] 贺文海.液压电梯垂直振动特性仿真分析[J].机床与液压，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] 胡泽雄.光纤光栅地震波监测方法的研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[4] 沈姣，汪军.基于Simulink的单缸驱动液压电梯振动分析[J].机械研究与应用，2012(6)：23-25.

[5] 崔健坤，林进展，罗海军.地震中运行电梯对重脱轨原因探讨[J].机电工程技术，2013，42(8)：193-196.

[6] 胡俊.高层建筑电梯系统水平地震响应分析[D].上海：同济大学，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

肖伟平(1964-)，男，重庆人，高级工程师，研究方向为电梯工程技术。