電梯延時(shí)安全氣囊系統設計*

摘要：本文介紹了該電梯延時(shí)安全氣囊設計思路、工作原理和硬件設計，最后給出了模擬實(shí)驗裝置及測試結果。

*項目基金：浙江省高校實(shí)驗室工作研究項目（NO.YB201819）

作者簡(jiǎn)介：王曉瑋（2000—），女，山西大同，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

0   引言

電梯作為多高層建筑結構中的重要構件，除擔負客貨運輸外，還兼有消防功能。在電梯普遍使用的情況下，由于直壓式電梯底坑緩沖裝置緩沖行程小, 性能差, 高處墜落、擠壓、撞擊吊籠傾翻等安全事故仍頻頻發(fā)生^[1]。

2019 年全國共發(fā)生特種設備事故和相關(guān)事故130 起，死亡119 人，其中，涉及電梯的事故就有33 起，死亡29 人，其中最常見(jiàn)的是沖頂或蹲底事故。電梯設有電氣和機械等多重安全裝置，如果這些安全裝置一旦失靈，造成電梯制動(dòng)器故障，制動(dòng)裝置無(wú)法正常工作，電梯處于失控狀態(tài)；電梯撞擊梯井底部時(shí)會(huì )由較大速度直接降為零，在極短時(shí)間內，人體會(huì )受到極大的沖擊力，造成蹲底或沖頂傷亡發(fā)生。

近年來(lái)，針對電梯蹲底和沖頂事故的安全設施方案層出不窮，例如根據氣流量控制氣囊的收放來(lái)彈出氣囊的緩沖氣囊，采用機械式動(dòng)斷開(kāi)關(guān)的電梯層門(mén)，固定人的身形來(lái)減震的電梯緩沖扶手，這些新產(chǎn)品成本偏高，保護乘客效果并不明顯。假如電梯真的是從高層急速掉了下來(lái)，緩沖器也不能完全保障電梯內的乘客的生命安全。因此電梯內部針對乘客安全問(wèn)題的設施，仍需要不斷強化^[2]。

本文在現有研究項目基礎上，融入了“人性化思維為導向的綠色理念”^[3]，設計了安置在電梯內保護乘客生命安全的氣囊。電梯安全氣囊的裝配使用，能夠給電梯內乘客一個(gè)減震，防沖撞的作用，使電梯乘坐安全有了更大的安全保障^[4]。本文詳細介紹了氣囊的工作原理以及硬件設計，本款氣囊對比于無(wú)法控制的氣流量型氣囊有著(zhù)更節能，反應更為敏捷的優(yōu)點(diǎn)。

1   工作原理

電梯延時(shí)安全氣囊設計時(shí)需考慮物理動(dòng)量定理和能量守恒定律，根據較為準確的氣囊保護原理以及防人體上沖受傷原理，通過(guò)計算得出數據，從而保證電梯內乘客一定的安全性。

1.1 氣囊下墜人體保護原理

根據動(dòng)量定理，如果在較短時(shí)間內物體由較大速度降為零，人體將受到極大的沖擊力，極易造成死亡。假設人體質(zhì)量為m，電梯質(zhì)量為M，電梯墜落瞬間人體的初速度為v1，電梯初速度為v2，由于氣囊充入空氣，故質(zhì)量可忽略。氣囊變厚的速度為V ' ，該速度也是人與電梯的相對速度。

由式（1）（2）可推導出

電梯開(kāi)始墜落時(shí)，加速度異常， V ' 立即產(chǎn)生，同時(shí)v1 和v2 的存在，故人體做初速度為-v1，加速度為g的勻加速直線(xiàn)運動(dòng)，電梯做初速度為v2，加速度為g 的勻加速直線(xiàn)運動(dòng)。增加氣囊后，增大了電梯與梯井底部的撞擊時(shí)間，從而使得氣囊在彈出這段較短時(shí)間內對人體產(chǎn)生的沖擊力減小，人體受到的沖擊力小，即人所能獲得的向上沖的初速度減小。保證在相同速度變化下，人體受到的沖擊力降低，由此保證乘客的生命安全。依據能量守恒定律，可得出結論：氣囊中的氣體對人所做的功恰好等于人所能承受最大沖擊力與氣囊的厚度的乘積，從而實(shí)現氣囊對人體的安全保護作用。

1.2 氣囊防人體沖頂原理

根據物理學(xué)動(dòng)量定理和體積流量的計算公式（體積流量= 平均流速× 管道截面積），并通過(guò)高壓氣閥的控制，可以排除使得氣流保持一定流速，對氣囊進(jìn)行充氣，由此來(lái)控制氣囊增加厚度的速度。假設人體高度為h，電梯高2.3 m，電梯下墜時(shí)間為t，為防沖頂，首先必須滿(mǎn)足下式。

假設樓層處于平均居民樓高度30 層，樓層每層高度為2.1 m，電梯下墜時(shí)間為t30，人體身高為1.9 m。再根據運動(dòng)學(xué)公式

兩式聯(lián)立后，人體向上運行的距離減短時(shí)，再通過(guò)公式

其中，F 為人體所能承受的最大力，假設該值為人體重力的10 倍，通過(guò)控制充氣速度在一定范圍內從而控制電梯對人體的產(chǎn)生的沖力。通過(guò)式(3)- 式(7) 的計算，當電梯氣囊的充氣速度控制在≥ 0.094 1 m/s 時(shí)，一個(gè)身高1.9 m 且體重為標準85 kg 的人，不會(huì )因為氣囊瞬時(shí)彈出產(chǎn)生的沖擊力沖頂受創(chuàng )，保障了人身安全。對于大部分人，身高一般低于1.9 m，更加不會(huì )有沖頂的危險，這就排除了使用該氣囊使人體沖頂受創(chuàng )產(chǎn)生傷亡的可能。

電梯在自由下落過(guò)程中一直保持充氣狀態(tài)，在落地時(shí)，充氣結束，氣囊充氣時(shí)間即為電梯做勻加速直線(xiàn)運動(dòng)的時(shí)間。本裝置通過(guò)控制氣囊充氣速度保證人體不會(huì )受過(guò)大沖擊力上沖至頭頂受傷甚至有生命危險，故具有一定的安全性。

2   系統硬件設計

電梯延時(shí)安全氣囊系統包括數據采集模塊、數據分析模塊、監測傳感器、控制模塊等部分，如圖1 所示。

圖1 電梯安全氣囊系統

數據采集模塊對電梯運行過(guò)程中的加速度進(jìn)行采集；數據分析模塊對采集模塊采集到的每一時(shí)刻的加速度數據進(jìn)行分析，并迅速和電梯正常運行時(shí)的加速度進(jìn)行比較，判斷電梯的加速度變化幅度是否在正常范圍內。當電梯運行時(shí)的加速度超過(guò)正常值的范圍，控制器就會(huì )得到啟動(dòng)指令控制電機轉動(dòng)速度，電機轉動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)氣瓶閥門(mén)的打開(kāi)，當氣閥轉動(dòng)90°之后，氣瓶中的氣體即可通過(guò)氣閥充入到氣墊中，起到保護電梯內的乘客的作用。

監測傳感器實(shí)時(shí)監測電梯運行情況，判斷電梯運行加速度異常情況，電梯運行是否存在故障。當監測到故障信號時(shí)能夠及時(shí)把報警信號以短信的形式傳到相關(guān)維修人員以及救援隊處，提高電梯事故的存活率。

2.1 電路設計

主控芯片采用STM32 芯片（如圖2），該模塊構成微控制系統，該系統具有實(shí)用性強、穩定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)^[5]。

圖2 STM32系統模塊圖

加速度驅動(dòng)模塊是通過(guò)ADXL345 傳感器實(shí)時(shí)采集電梯運行過(guò)程中的加速度數據, 然后將數據送到單片機STM32 進(jìn)行處理, 并判斷電梯的運動(dòng)狀態(tài)是否異常^[6]。在模擬設計中，加速度傳感器將收集比較后超出運行正常加速度范圍的數值（2~6 m/s2）迅速反饋給控制器，操控電磁閥旋轉氣閥，使得氣瓶對氣囊進(jìn)行充氣（如圖3）。

圖3 加速度驅動(dòng)模塊原理圖

藍牙報警模塊通過(guò)STM32 和X-CUBE-BLE1 的組合應用，完整實(shí)現了Eddystone 設備的開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)方式不僅降低了傳統上藍牙應用開(kāi)發(fā)的難度, 而且極大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期^[7]。該模塊與藍牙模塊所構成的遙測終端機已在實(shí)際工程中得到了成功應用, 其高穩定性和可靠性可為各種應用提供準確的實(shí)時(shí)數據[8]（如圖4）。

圖4 HC-06藍牙報警模塊圖

2.2 氣囊

氣囊采用地板凹陷式安全氣囊，如圖5 所示。該氣囊膨脹后占電梯橋箱空間較小，即使完全展開(kāi)也只占電梯不到1/5 的空間，效益遠高于其他類(lèi)型的氣囊^[9]。氣囊安裝在電梯內部的底部，靜止時(shí)與平面地板無(wú)明顯差異，當氣囊充滿(mǎn)氣后，氣囊頂部也始終處于平面狀態(tài)，具有一定的穩定性。

(a)安全氣囊未釋放時(shí)

(b) 安全氣囊釋放后

圖5 電梯氣囊示意圖

3   實(shí)驗裝置及測試結果

實(shí)驗模擬裝置用亞克力板搭建成200×300×350 mm3的梯身，梯身底部夾層放置硬件裝置的驅動(dòng)模塊，采用一米高鋁合金導軌模擬電梯墜落時(shí)的梯井，如圖6 所示。

圖6 電梯實(shí)驗模型示意圖

模擬實(shí)驗時(shí)利用導軌控制電梯運行方向來(lái)模擬實(shí)際電梯運行情況，使電梯橋箱在2.4 m 的高度直接墜落，模擬電梯在經(jīng)過(guò)一系列安全措施直到最后的緩沖器時(shí)的速度（如圖7）。

圖7 實(shí)驗裝置夾層實(shí)物圖

對電梯安全氣囊系統各模塊進(jìn)行了調試，模擬電梯墜落情況時(shí)，氣囊能迅速彈出，同時(shí)監測模塊10 s 內能發(fā)出求救信息，求救信息頁(yè)面如圖8 所示。

圖8 求救信息頁(yè)面

實(shí)驗是在一定高度對電梯模型釋放并記錄數據，每進(jìn)行100 次實(shí)驗，將各項目取一個(gè)平均值，并根據有效數據統計氣囊釋放的成功率（如表1）。

表1氣囊測試數據記錄表

4   結論

本文設計的電梯安全延時(shí)氣囊，通過(guò)物理動(dòng)量定理和能量守恒定律，分析了氣囊保護原理以及防人體上沖受傷原理，通過(guò)計算得出較為準確的充氣速度；硬件設計由STM32 單片機監測反饋加速度的異常，控制充氣速度，并增加了藍牙報警的功能，使得相關(guān)工作人員可以第一時(shí)間到達現場(chǎng)實(shí)施救援，很大程度上提升了意外發(fā)生時(shí)乘客的生還率。該設計若完善研發(fā)，產(chǎn)品極具推廣價(jià)值。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）