自平衡式双联升降电梯构造原理

何建威　雷源春　欧阳格

摘 要 电梯从诞生到今天已经有100多年，由最早的简陋不安全、不舒适的升降电梯，经历了无数次的改进和提高，才能发展到今天升降电梯的技术水平。而且技术发展还不断前进。已经由功能单一发展到多用途、全功能、超高速电梯。但电梯的效率与节能方面却很少纳入考虑范围，通常都是考虑功能性、安全性、舒适性方面，本设计思路从节能与效率方面进行考虑，比普通的单井电梯节能50%以上，而且运行效率也有所提高，尤其是在特定场合中使用能明显提高运行效率，节省乘客的等待时间。

关键词 升降电梯 自平衡式 节能 高效率

中图分类号：TU231 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.02.025

Abstract Elevator from birth to today has more than 100 years， from the earliest primitive insecurity， uncomfortable elevators， has experienced numerous improvements and improved elevators to the development of today's technology. And technology development also continues to advance. It has been developed from single function to multi-purpose， full-featured， ultra-high-speed elevators. But efficiency and energy saving elevators rarely taken into account， is usually considered the functionality， safety， comfort， consider the present design ideas from energy conservation and efficiency， energy saving than the average single well lift more than 50% and operating efficiency also improved， especially for use in specific occasions can significantly improve operational efficiency and save waiting time of passengers.

Key words elevators； balanced； energy-saving； high efficiency

1852年美国机械工程师奥的斯先生发明了电梯之前，人们就已经开始使用原始的升降工具来运送人员和货物，当时大多采用人力或畜力作为驱动动力，直到19世纪初工业革命的发展，在欧美国家才开始使用蒸汽机作为升降工具的动力，并不断地进行创新与改进。随着当今人口与可利用土地面积之间矛盾不断加剧，发展节能型、多功能、多用途、超高速的电梯已成为现代研究的必然课题和发展方向。

1 自平衡式双联升降电梯总体设计思路

双联升降电梯与现有电梯的系统有所区别，主要在轿箱系统、重量平衡系统与电气控制系统。这三大部分与现有升降电梯有着本质的区别，本设计思路省去了重量平衡系统重的对重，用另外一个轿箱来替代对重，以达到电梯动力设备的工作平衡。轿厢始终一个向上运动，一个向下运动。以减少乘客等待时间，上的搭乘上升一侧电梯，下的搭乘下降一侧电梯，而普通单箱电梯设计都是遵循一个方向的运动原则：上的要到顶才能下，下的要到底才能上，谁先操作以谁的运行方向为准。这种模式尽管能相对提高升降电梯的运行效率，但乘客等待的时间就会增加。而双联升降电梯都解决了运行效率与等待时间的矛盾，使两者得到优化，一方面能提高电梯运行效率，节省能耗，另一方面能使乘客等待的时间缩短，符合当今社会的快节奏生活，值得推广普及。

自平衡式升降电梯主要由七大系统组成：轿厢自平衡系统、引导系统、门系统、导向系统、电力拖动系统、电气控制系统与安全保护系统（图1）。

图1

2 轿厢自平衡系统的设计

电梯轿厢使装载乘客或货物并能方便进出的箱型结构部件，它由轿架和轿厢两部分组成。轿架要求有足够的强度以承受自重与安全装置产生的反作用力。轿架一般有上梁、底梁和拉条等组成。轿厢体是承载乘客的地方，要求安全、无毒、不易燃烧、不产生有害气体与烟雾等。轿厢一般有轿底板、轿厢壁、轿厢顶等组成。

自平衡式双联电梯的两个轿厢是完全一样的并且等重，其中一个既替代了普通升降电梯的对重，也达到了双联电梯的工作稳定性，在同等条件下，是普通升降电梯运力的一倍，相当于两台普通电梯工作的效率，而能耗只是一台普通电梯能耗。

重量平衡系统的作用是使左右两个轿厢达到相对平衡，在电梯运行中即使载重不断变化仍是左右两者的重量差保持在一定范围内，由于本设计使用双轿厢结构，从而省去了对重装置，当左右轿厢的载重相等时，电梯处于最节能状态节能50%，当两个轿厢满载时节能可达80%（两个轿厢基本达到平衡，基本没有重力差）。重量补偿装置是悬挂在轿厢与轿厢之间的补偿链条，当电梯运行时，其长度的变化正好与曳引长度变化趋势相反，无论两个轿厢在哪个位置，曳引绳与补偿链相互补偿，这样两个轿厢就有了补偿平衡作用。

3 导向系统

导向系统是限制轿厢活动自由的，使轿厢只能沿着导轨做升降运动，不会发生横向的摆动和振动，保证轿厢运行平稳，以保证乘客的舒适与安全性。它是由导轨、导靴和导轨架组成。导轨必须具有刚性强、可靠性高、安全等特点，而且导轨平面必须光滑没有明显凹凸不平的表面。由于导轨是导靴和安全装置的穿梭路轨，要保证其运行间隙同时在电梯出现超速事故承受制停电梯的责任。导靴可采用普通升降电梯的配件，既能方便安装又节省了研制成本。

4 曳引系统

曳引系统是向电梯输送与传输动力，使电梯运行的动力来源。它主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮反绳轮等组成。

曳引机又称电梯主机，它由电动机、制动器、联轴器、减速器、曳引轮机架、导向轮及附属盘车手轮组成。

曳引机可采用动力通过中间减速器传递曳引轮的有齿曳引机。在这个基础上还可以设计一个手摇式动力驱动器，在断电或者其他特殊情况下，外部救援人员可以在断电情况下，通过手摇方式使电梯上下运动，以达到快速解救被困者的目的。

导向轮为曳引绳导向，让钢丝绳分别连接两个轿厢的两头以引导其适当的位置。

5 门系统

电梯门系统由层门与轿厢门组成，层门与轿厢门结构相同，由门、导轨架、滑轮、滑块、门框、地坎等组成。要使门具有强度与刚性最好在门背配上加强钢筋。为了提高舒适性、减少噪音，可在门板背面涂贴防震吸音材料。

6电力拖动系统

电力拖动系统为电梯提供动力，对电梯的启动加速、匀速运行和制动减速起着控制作用，拖动系统的性能直接影响电梯加减速性能、平层精度、舒适感等重要指标。可根据实际情况采用直流电动机拖动、交流电动机拖动或永磁同步电动机拖动。他们各有优缺点，可以根据实际安装环境与条件进行选择。（1）直流电机拖动具有调速性能好、启动力矩大等特点。（2）交流电机拖动具有结构简单、运行性好、价格便宜等优点。但功率因数低，调速性差等缺点。（3）永磁同步电机拖动具有体积小、重量轻、高效率节能等优点。

7 电气控制系统

电梯的电气控制系统是对电梯主曳引电动机和门机的启动、运行减速、停止控制，以及每层站显示、层站召唤、轿内指令、安全保护等信号进行分析与处理。以保证各系统部件协调工作。

双联升降电梯采用MCU微机控制器，对电梯内部传感器的信息进行分析处理，以使各系统能更好地工作。

MCU程序主要包括：同向流程设计、反向流程设计、门开启关闭设计、超员系统设计、应急系统设计、安全系统设计等组成。

MCU程序设计与传统单轿厢升降电梯有所不同，主要表现在双轿厢的乘客搭乘程序上：（1）当乘客为同向乘客时，这与普通单轿厢电梯的程序设计是基本相同。按照谁先操作谁优先原则，同向顺路搭载原则；（2）当乘客为反向乘客时，这个是普通电梯程序所不具有的，必须另外设计。（3）进轿厢时：开始也是按照谁先操作谁优先原则，并判断乘客与轿厢最短距离来启动最近轿厢进行接载乘客。当中途有反向且反向轿厢顺路乘客时，开启反向轿厢门接载反向乘客，另一个轿厢乘客等待。（4）出轿厢时：系统自动根据乘客所需楼层计算轿厢内乘客出轿厢位置，中途乘客可以优先出轿箱，直到把所有乘客搭载到所需位置后停止运行，等待下一位乘客的到来。

8 双联电梯电气组成

双联电梯的电气组成结构上与普通电梯有所不同，但电器控制系统的主要组成部分却大致相同，这样能很大程度上节约研发与维护成本，在安装与调试过程中也与普通电梯大致相同，能减轻安装技术人员的劳动时间与劳动强度。

双联电梯电气控制系统主要由：召唤盒、内外呼应箱、层站位置显示装置、平停层装置、端站强迫换速开关、顶层电机换向装置、限位开关、控制箱、检修箱等组成。

9 安全装置

限速安全钳系统是电梯必不可少的安全装置，当电梯速度超过额定速度的115%、运行失控、悬挂装置断裂时，限速安全装置迅速将电梯轿厢制停在导轨上，并保持静止状态，避免乘客伤亡与设备损坏事故。

本系统为了提高安全性，采用了耗能型缓冲器。要求轿厢冲击到缓冲器上的平均减速度不能超过1g，为了保证人员的安全，且减速超过2.5g以上的作用时间不能超过40ms。乘客的人身安全才有保障。

根据国家标准GB7588-95规定电源错相与电压降低都应有保护措施的要求，电梯控制系统必须采用相序继电器以防止供电相序错误与缺相。在直流电梯中驱动直流电动机的相序错会导致飞车事故、在交流电梯中发生相序错就会使上与下运行反向。所以必须采用相序装置保护人身与设备安全。

安全触板是在电梯自动关门过程中，防止人员或物体被夹受损。

红外光幕通过MCU控制，自上而下连续扫描轿门区域，当任何一束红外线被挡时，系统立即开门，以防止人员被夹。

超载保护装置：当电梯负载超过电梯的额定负载时，过载装置使电梯不能启动运行并发出过载信号，要求后上乘客下梯。

10 结语

本双联电梯设计初衷在于节能考虑，在某些场合可能有一定的局限性，不能适用于所有的场合，但在人流密集与流动性大的场合，如医院、购物中心等场合具有明显的优势，能提高运行效率与节约能源，是现有单联电梯无法比拟的。

课题来源：2015年广州科技职业技术学院《自平衡式双联开降电梯》研究课题（项目编号：2015ZR04）

参考文献

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[2] 陈家盛.电梯结构原理及安装维修（第5版）[M].机械工业出版社，2012.

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