電梯延時(shí)安全氣囊系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

摘要：本文介紹了該電梯延時(shí)安全氣囊設(shè)計(jì)思路、工作原理和硬件設(shè)計(jì)，最后給出了模擬實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試結(jié)果。

*項(xiàng)目基金：浙江省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)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(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，除擔(dān)負(fù)客貨運(yùn)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(guó)共發(fā)生特種設(shè)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(shè)有電氣和機(jī)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(nèi)，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(duì)電梯蹲底和沖頂事故的安全設(shè)施方案層出不窮，例如根據(jù)氣流量控制氣囊的收放來(lái)彈出氣囊的緩沖氣囊，采用機(jī)械式動(dòng)斷開關(guān)的電梯層門，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(hù)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(nèi)的乘客的生命安全。因此電梯內(nèi)部針對(duì)乘客安全問(wèn)題的設(shè)施，仍需要不斷強(qiáng)化^[2]。

本文在現(xiàn)有研究項(xiàng)目基礎(chǔ)上，融入了“人性化思維為導(dǎo)向的綠色理念”^[3]，設(shè)計(jì)了安置在電梯內(nèi)保護(hù)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(nèi)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(xì)介紹了氣囊的工作原理以及硬件設(shè)計(jì)，本款氣囊對(duì)比于無(wú)法控制的氣流量型氣囊有著更節(jié)能，反應(yīng)更為敏捷的優(yōu)點(diǎn)。

1   工作原理

電梯延時(shí)安全氣囊設(shè)計(jì)時(shí)需考慮物理動(dòng)量定理和能量守恒定律，根據(jù)較為準(zhǔn)確的氣囊保護(hù)原理以及防人體上沖受傷原理，通過(guò)計(jì)算得出數(shù)據(jù)，從而保證電梯內(nèi)乘客一定的安全性。

1.1 氣囊下墜人體保護(hù)原理

根據(jù)動(dòng)量定理，如果在較短時(shí)間內(nèi)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(shè)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(duì)速度。

由式（1）（2）可推導(dǎo)出

電梯開始?jí)嬄鋾r(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的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，電梯做初速度為v2，加速度為g 的勻加速直線運(yùn)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(nèi)對(duì)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(jù)能量守恒定律，可得出結(jié)論：氣囊中的氣體對(duì)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(xiàn)氣囊對(duì)人體的安全保護(hù)作用。

1.2 氣囊防人體沖頂原理

根據(jù)物理學(xué)動(dòng)量定理和體積流量的計(jì)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(duì)氣囊進(jìn)行充氣，由此來(lái)控制氣囊增加厚度的速度。假設(shè)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，首先必須滿足下式。

假設(shè)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(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式

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

其中，F(xiàn) 為人體所能承受的最大力，假設(shè)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(nèi)從而控制電梯對(duì)人體的產(chǎn)生的沖力。通過(guò)式(3)- 式(7) 的計(jì)算，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)85 kg 的人，不會(huì)因?yàn)闅饽宜矔r(shí)彈出產(chǎn)生的沖擊力沖頂受創(chuàng)，保障了人身安全。對(duì)于大部分人，身高一般低于1.9 m，更加不會(huì)有沖頂?shù)奈ｋU(xiǎn)，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(jié)束，氣囊充氣時(shí)間即為電梯做勻加速直線運(yùn)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(xiǎn)，故具有一定的安全性。

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電梯延時(shí)安全氣囊系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、監(jiān)測(cè)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(tǒng)

數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電梯運(yùn)行過(guò)程中的加速度進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)采集模塊采集到的每一時(shí)刻的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并迅速和電梯正常運(yùn)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(nèi)。當(dāng)電梯運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)氣瓶閥門的打開，當(dāng)氣閥轉(zhuǎn)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(hù)電梯內(nèi)的乘客的作用。

監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行情況，判斷電梯運(yùn)行加速度異常情況，電梯運(yùn)行是否存在故障。當(dāng)監(jiān)測(cè)到故障信號(hào)時(shí)能夠及時(shí)把報(bào)警信號(hào)以短信的形式傳到相關(guān)維修人員以及救援隊(duì)處，提高電梯事故的存活率。

2.1 電路設(shè)計(jì)

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

圖2 STM32系統(tǒng)模塊圖

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

圖3 加速度驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

藍(lán)牙報(bào)警模塊通過(guò)STM32 和X-CUBE-BLE1 的組合應(yīng)用，完整實(shí)現(xiàn)了Eddystone 設(shè)備的開發(fā)。該開發(fā)方式不僅降低了傳統(tǒng)上藍(lán)牙應(yīng)用開發(fā)的難度, 而且極大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期^[7]。該模塊與藍(lán)牙模塊所構(gòu)成的遙測(cè)終端機(jī)已在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用, 其高穩(wěn)定性和可靠性可為各種應(yīng)用提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[8]（如圖4）。

圖4 HC-06藍(lán)牙報(bào)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，即使完全展開也只占電梯不到1/5 的空間，效益遠(yuǎn)高于其他類型的氣囊^[9]。氣囊安裝在電梯內(nèi)部的底部，靜止時(shí)與平面地板無(wú)明顯差異，當(dāng)氣囊充滿氣后，氣囊頂部也始終處于平面狀態(tài)，具有一定的穩(wěn)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(yàn)裝置及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(qū)動(dòng)模塊，采用一米高鋁合金導(dǎo)軌模擬電梯墜落時(shí)的梯井，如圖6 所示。

圖6 電梯實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)利用導(dǎo)軌控制電梯運(yùn)行方向來(lái)模擬實(shí)際電梯運(yùn)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(yàn)裝置夾層實(shí)物圖

對(duì)電梯安全氣囊系統(tǒng)各模塊進(jìn)行了調(diào)試，模擬電梯墜落情況時(shí)，氣囊能迅速?gòu)棾?，同時(shí)監(jiān)測(cè)模塊10 s 內(nèi)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(yàn)是在一定高度對(duì)電梯模型釋放并記錄數(shù)據(jù)，每進(jìn)行100 次實(shí)驗(yàn)，將各項(xiàng)目取一個(gè)平均值，并根據(jù)有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)氣囊釋放的成功率（如表1）。

表1氣囊測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

4   結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(hù)原理以及防人體上沖受傷原理，通過(guò)計(jì)算得出較為準(zhǔn)確的充氣速度；硬件設(shè)計(jì)由STM32 單片機(jī)監(jiān)測(cè)反饋加速度的異常，控制充氣速度，并增加了藍(lán)牙報(bào)警的功能，使得相關(guān)工作人員可以第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)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(shè)計(jì)若完善研發(fā)，產(chǎn)品極具推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 華紅,顏廷財(cái).具有安全氣囊電梯緩沖裝置[J].機(jī)械工程師,2013(12):205.

[2] 勾曉波,歐陽(yáng)永亮,王哲.加強(qiáng)電梯維護(hù)保養(yǎng)與管理預(yù)防電梯安全事故[J].中國(guó)科技信息,2012(07):177.

[3] 文艷群,董繼先.基于無(wú)障礙設(shè)計(jì)理念的電梯設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2010,31(12):28-30+45.

[4] 王虎,楊啟正.基于STM32的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].時(shí)代汽車.2019(17):107-108+111.

[5] 聶影,邵世云龍.基于ADXL345傾角傳感器的老人防跌倒檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)[J].科技風(fēng).2020(34):22-23.

[6] 任工昌,高晉,王平.以人性化為導(dǎo)向構(gòu)建綠色設(shè)計(jì)戰(zhàn)略體系[J].包裝工程,2009,30(01):168-170.

[7] 王凱.基于STM32CubeMX的Eddystone研究[J].電子世界,2020(12):55-56.

[8] 邵燦輝,倪維東,伏懷文.基于STM32的新一代遙測(cè)終端機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表,2021,36(01):93-96.

[9] 李成凱,毛玉蓮.電梯安全氣囊系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及仿真分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2019(06):66-67+69.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）