CN110467085A - 节能与安全的电梯机械原理的创新设计 - Google Patents

Abstract

本发明属于节能与安全的电梯机械原理的创新设计，具体涉及曳引驱动垂直电梯运行的轨迹设计和提供一种能够降低电梯运行能耗和确保安全的机械原理与控制***。显著的特点是：对重侧与空载轿厢侧的重量相等，不考虑曳引钢丝绳在两侧长短的位能变化，曳引机只需克服摩擦阻力就能轻松运行，此时曳引驱动能耗最低。满载电梯上下是动能与位能的转化。没有上行超速的危险。对重架上有定位牵制的创新设计，解决电梯在空间位置的控制能力，以此来提高对应轿厢的运行平安。电梯运行的节能和安全效果十分明显。

Description

节能与安全的电梯机械原理的创新设计

技术领域

本发明属于电梯机械原理的创新设计，具体涉及曳引驱动方式的垂直电梯的节能与安全。

背景技术

垂直电梯的驱动方式有多种，使用数量最多的是曳引驱动。

在用垂直电梯的能耗主要由四个方面构成：曳引***、电气控制***、轿厢照明和通风***、门机***，其中曳引驱动的能耗占了大部分。

曳引驱动条件是在用电梯的设计之基础，曳引条件应符合：T₁/T₂×C₁×C₂≤e^fα，为了调节牵引力T₁与T₂之间的合适比例范围，平衡系数规划出对重的重量范围，对重比轿厢重才能完成额定载荷的提升。耗用过多的能耗来适应空载或轻载的平衡，换取了在用电梯的提升和下降，可见能耗的多用所在。电梯载重能力是不变的，载重多少是随机的。

在用电梯由曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重，挂在曳引轮上各自都呈悬空状态。两侧会出现平衡或单侧重状态，单侧偏重就会产生牵引力，克服牵引力是靠动力转矩和制动力以及曳引钢丝绳与轮槽的摩擦力。曳引钢丝绳与轮槽的摩擦力减小或消失都会使二者间产生打滑，此时上下缺少外在牵制点，一旦超速后安全钳或夹绳器的动作过程并不是十分安全的，其次上行超速比下行超速时的伤害要大。

曳引钢丝绳与复合钢带都是曳引元件，电梯使用上二者选其一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够降低电梯运行能耗和确保安全的机械原理与控制***。

显著的特点是：对重侧与空载轿厢侧的重量相等，不考虑曳引钢丝绳在两侧长短的位能变化，曳引机只需克服摩擦阻力就能轻松运行，此时曳引驱动能耗最低。满载电梯上下是动能与位能的相互转化。没有上行超速的危险。

节能与安全的电梯机械原理的创新设计(以下简称“新设计”)，落实国家标准的规定：曳引条件应符合：T₁/T₂×C₁×C₂≤e^fα。符合曳引条件的结果是：曳引轮与牵引钢丝绳不会相对移动(绳与轮就不会打滑)；急停制动时电梯的曳引轮与钢丝绳不会相对移动。新设计也使用“可用的结果”，来满足曳引条件。

如图2-图3所示的新设计。由曳引轮1，曳引钢丝绳2，轿厢侧重量传感器3，轿厢4，对重侧重量传感器5，对重架6部件组成一个开环运动机构(以下简称“开环”)。由对重架6，闭环下端拉力传感器7，曳引主机8，闭环曳引钢丝绳9，闭环上端拉力传感器10，单侧拉力再平衡装置11，曳引制动轮12部件组成一个闭环运动机构(以下简称“闭环”)。单侧拉力再平衡装置11由柔性拉力杆13，拉力臂14，闭环上端柔性拉力杆15，力矩轮16，固定轴套17，力矩转动轴18，闭环下端柔性拉力杆19部件组成。开环组合的曳引钢丝绳2对轿厢4和对重架6之间已有平衡预紧压力(双侧重力使钢丝绳产生压力及摩擦力)；闭环组合的曳引钢丝绳9对曳引主机8和曳引制动轮12之间已有平衡的预紧压力(弹簧调节压力产生摩擦力)，曳引主机8的曳引轮两侧的钢丝绳受力相等即T₁＝T₂。

新设计的电梯：开环内对重侧与空载轿厢侧的重量相等，由曳引主机8的曳引轮旋转牵引闭环内对重架6，带动对应的轿厢4上下运动，符合曳引驱动条件。轿厢内载荷的增减，在载荷重力的作用下对重侧重量传感器5绳端的拉力也会增减，此拉力性质是单侧不平衡的拉力，拉力传递给闭环的单侧拉力再平衡装置11，再由柔性拉力杆13接力，接柔性拉力杆13的力如何将此转化成：①、对曳引主机8的曳引轮的正压力。②、进一步提升在闭环内曳引钢丝绳9对曳引主机8的曳引轮和曳引制动轮12的摩擦力。③、实现曳引主机8的曳引轮两侧的钢丝绳T′₁＝T′₂，且符合曳引驱动条件呢？

如图2-图3所示的新设计要求：柔性拉力杆13的力对闭环产生牵引力作用，用此拉力将闭环上端拉力传感器10的绳端与闭环下端拉力传感器7的绳端互相靠近(极短的靠近行程)，让两绳端受力点相向而行且受力大小相等。在对重架里安装一个装置并由它来完成以上的动作，它的名称是单侧拉力再平衡装置11，靠此装置来实现曳引轮两侧的钢丝绳T′₁＝T′₂。对重侧重量传感器5钢丝绳端环与柔性拉力杆13连接，闭环上端拉力传感器10钢丝绳端环与闭环上端柔性拉力杆15连接，闭环下端拉力传感器7钢丝绳端环与闭环下端柔性拉力杆19连接。轿厢内载荷产生的牵引力传至单侧拉力再平衡装置11，即柔性拉力杆13带动拉力臂14旋转，即旋转力矩转动轴18带动力矩轮16，力矩轮16小角度旋转拉动闭环上端柔性拉力杆15和闭环下端柔性拉力杆19作相向而行，对闭环预紧力的两边钢丝绳拉力之和再进行叠加。

轿厢内载荷产生的牵引力由单侧拉力再平衡装置11来实现T′₁＝T′₂，轿厢内载荷重力-平衡阻力≤轿厢提升力(或制动力)。

轿厢内载荷重力分解成平衡阻力和下滑力，单侧拉力再平衡机械结构装置的设计方案可以有多样性且多常见和简单，只要达到以上的目的就可以。轿厢内载荷是闭环内T′₁与T′₂相向拉力的源头，重力对轿厢平层精度的影响几乎可以忽略，是力的传递。

单侧拉力再平衡装置11是实现新设计的基础，曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳T₁＝T₂的运用是新设计关键，满足了T₁/T₂＜e^fα，曳引条件得到满足的新设计的电梯，曳引轮与牵引钢丝绳是不会相对移动的(绳与轮就不会打滑)；急停制动时电梯的曳引轮与绳是不会相对移动的；其中单侧拉力再平衡装置11发挥了受力平衡转为正压力的作用。最终实现单侧偏重的轿厢能够通过曳引驱动的方式进行上下平稳地运行和制动，这就是设计方法。

对重架与空载轿厢重量相等，是消除电梯上行超速的必备条件。

对重架上实施有定位牵制的设计，解决电梯在空间位置的控制能力，以此来提高对应轿厢的运行平安。

基于这一思路：本发明的设计，使电梯在不同载荷的作用下上下运行时，输入的动能与位能的变化相匹配；拖动***存在位能负荷下放时电梯的驱动能耗是最低的；曳引主机8与曳引制动轮12制动时用绳轮之间的摩擦力来控制电梯的空间位置。

停得下来的新设计电梯是安全的，可以考虑少装安全附件，实现新设计确保电梯安全的目的。

如图2所示的新设计与制动方式的结构关系：1、电梯曳引机有两种，一种是无齿传动的曳引机(无变速箱)，另一种是有齿传动的曳引机(有变速箱)。2、无变速箱为同步制动，有变速箱称为不同步制动。3、新设计适合对在用电梯的改造，对不同步制动方式的在用电梯改造而言，一旦曳引主机制动失效时，对重架6的上下牵引制动就得依靠曳引制动轮12，以此杜绝电梯下行超速。4、曳引主机8与曳引制动轮12，这二个轮子有联合制动的特点，以二轮联合制动的一致性来保证动作的连贯，保证电梯曳引能力与闭环摩擦力的协调性和之间缺位的互补，保证电梯的平层精度。

附图说明

图1在用电梯机械原理图

图2本发明节能与安全的电梯机械原理的创新设计图

图3本发明单侧拉力再平衡装置原理图

图4本发明的电梯***组成图。

图5本发明的电梯工作流程图。

图中标号

图1标号：①曳引主机，②曳引钢丝绳，③轿厢侧重量传感器，④轿厢。

图2-图3标号：1曳引轮，2曳引钢丝绳，3轿厢侧重量传感器，4轿厢，5对重侧重量传感器，6对重架，7闭环下端拉力传感器，8曳引主机，9闭环曳引钢丝绳，10闭环上端拉力传感器，11单侧拉力再平衡装置，12曳引制动轮，13柔性拉力杆，14拉力臂，15闭环上端柔性拉力杆，16力矩轮，17固定轴套，18力矩转动轴，19闭环下端柔性拉力杆。

具体实施方式

1、本发明装置主要部件功能介绍

在用电梯曳引主机①与新设计曳引主机8的功能一致，集驱动和制动及曳引三种功能。

曳引轮1是有曳引槽的定滑轮，曳引制动轮12是有曳引槽的定滑轮且有制动功能。曳引轮1和曳引主机8的曳引轮及曳引制动轮12的当量摩擦系数相同。

单侧拉力再平衡装置11内的拉力臂14臂长与力矩轮16的半径一致，旋转时力矩相等。轿厢内载重产生的牵引力再分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳T′₁和T′₂，做出T′₁＝T′₂的结果，是闭环后叠加的“涨紧力”(T₁+T′₁、T₂+T′₂)。

如图2所示曳引轮1、曳引主机8、曳引制动轮12是固定的。开环由曳引钢丝绳2的两端分别连接轿厢拉力传感器3、轿厢4和对重拉力传感器5、对重架6且悬挂在曳引轮1上连接而组成。闭环由曳引钢丝绳9连接对重架6的上端和闭环上端拉力传感器10，绕过曳引主机8，进而绕过曳引制动轮12后连接闭环下端拉力传感器7和对重架6下端部连接而组成。对重侧重量传感器5设置于电梯的对重架6上端，用于测量对重侧的重量；轿厢侧重量传感器3设置于电梯的轿厢4上端，用于测量轿厢侧的重量；闭环上端拉力传感器10设置于对重架6上端，用于测量闭环曳引钢丝绳9与对重架6上端之间的拉力；闭环下端拉力传感器7设置于对重架6下端，用于测量闭环曳引钢丝绳9与对重架6下端之间的拉力。

开环、闭环采用钢丝绳数n≥4，且两环钢丝绳数相等。开环曳引钢丝绳2与轿厢和对重之间有合适的涨紧力；闭环钢丝绳9与对重架6之间有合适的涨紧力。都有合适的绳索调节装置。

开环的运动由对重架6来牵引轿厢4上下，闭环的运动由曳引主机8的曳引轮旋转带动闭环钢丝绳9牵引对重架6上下，是闭环带动开环。

从闭环组合看，闭环曳引钢丝绳9在闭环内的运动决定了对重架6与曳引主机8的距离，也就是对重架6在井道内空间中的位置，从而对应的轿厢位置也作了确立。

从开环和闭环组合看，闭环内曳引钢丝绳9与曳引主机8和曳引制动轮12的包角之和呈360度，在360度包角和当量摩擦系数的作用下，闭环曳引钢丝绳9的摩擦力随着轿厢4载荷的重量增减而变化。

能控制曳引主机8的曳引轮的速度，制动***就能确定对重架6的空间和轿厢的对应位置，对重架6牵引着轿厢4，以此杜绝“绳轮打滑式”的电梯轿厢下行超速行为，确保人员和财产安全。

新设计要求：对在用电梯的改造，在用电梯的井道内安装电梯的机械原理的创新设计组件，井道不用改造；在原有的电梯井道内进行加装很方便，不影响原来井道内的布局。

2、新设计运行原理详细说明

在用的电梯机械原理如图1所示，在曳引主机①曳引轮的两侧，由曳引钢丝绳②分别悬挂着对重③和轿厢④，在曳引轮的旋转下，电梯作上、下垂直运动。

如图2-图3所示，安装设计组件后，根据空载、半载和满载三种状态进行运行分析。设计组件还配有控制***组成如图4所示，控制设计组件各部件的动作。控制***的工作流程框图如图5所示。

电梯上行：

A、空载轿厢在基站，对重在顶层。轿厢侧重量等于对重侧重量。电梯接受向上召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向下，牵引轿厢4向上。

B、半载轿厢在基站，对重在顶层。轿厢侧重量超过对重侧50％的额定重量。轿厢内载重产生牵引力，牵引力传至柔性拉力杆13，单侧拉力再平衡装置11接力，将牵引力分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳做出T′₁＝T′₂的结果。电梯接受向上召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向下，牵引轿厢4向上。位能发生变化只能通过守恒的动能来实现提升，采用在用电机就能很好地满足变化位能与动能匹配的方法。

C、满载轿厢在基站，对重在顶层。轿厢侧重量超过对重侧100％的额定重量。轿厢内载重产生牵引力，牵引力传至柔性拉力杆13，单侧拉力再平衡装置11接力，将牵引力分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳做出T′₁＝T′₂的结果。电梯接受向上召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向下，牵引轿厢4向上。位能发生变化只能通过守恒的动能来实现提升，采用在用电机就能很好地满足变化位能与动能匹配的方法。

电梯下行：

A、空载轿厢在顶层，对重在基站。轿厢侧重量等于对重侧重量。电梯接受向下召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向上，牵引轿厢向下。

B、半载轿厢在顶层，对重在基站。轿厢侧重量超过对重侧50％的额定重量。轿厢内载重产生牵引力，牵引力传至柔性拉力杆13，单侧拉力再平衡装置11接力，将牵引力分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳做出T′₁＝T′₂的结果。电梯接受向下召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向上，牵引轿厢4向下。当轿厢4内有效载荷增加，拖动***存在位能负荷下放时，采用在用电机就能很好地满足变化位能与动能匹配的方法。

C、满载轿厢在顶层，对重在基站。轿厢侧重量超过对重侧100％的额定重量。轿厢内载重产生牵引力，牵引力传至柔性拉力杆13，单侧拉力再平衡装置11接力，将牵引力分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳做出T′₁＝T′₂的结果。电梯接受向下召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向上，牵引轿厢4向下。当轿厢4内有效载荷增加，拖动***存在位能负荷下放时，采用在用电机就能很好地满足变化位能与动能匹配的方法。

上述过程中，单侧拉力再平衡装置实施联动产生受力平衡转为正压力的作用，轿厢侧重量、对重侧重量的大小由各自对应的重量传感器测得，并由控制***计算其重量数据后依照判断发出动作指令，同时，控制***判断轿厢位置，发出制动或曳引驱动指令。

Claims (1)

1.一种属于电梯的机械原理的创新设计发明，具体涉及垂直电梯运行的节能和安全，其特征在于包括：曳引轮(1)，曳引钢丝绳(2)，轿厢侧重量传感器(3)，轿厢(4)，对重侧重量传感器(5)，对重架(6)，闭环下端拉力传感器(7)，曳引主机(8)，闭环曳引钢丝绳(9)，闭环上端拉力传感器(10)，单侧拉力再平衡装置(11)，曳引制动轮(12)，柔性拉力杆(13)，拉力臂(14)，闭环上端柔性拉力杆(15)，力矩轮(16)，固定轴套(17)，力矩转动轴(18)，闭环下端柔性拉力杆(19)；其中，对重侧重量传感器(5)设置于电梯的对重架(6)上端，用于测量对重的重量；轿厢侧重量传感器(3)设置于电梯的轿厢(4)上端，用于测量轿厢的重量；闭环上端拉力传感器(10)设置于对重架(6)上端，用于测量闭环曳引钢丝绳(9)与对重架(6)上端的拉力；闭环下端拉力传感器(7)设置于对重架(6)下端，用于测量闭环曳引钢丝绳(9)与对重架(6)下端的拉力；

所述开环运动机构(以下简称“开环”)由曳引钢丝绳(2)的两端分别连接轿厢拉力传感器(3)、轿厢(4)和对重拉力传感器(5)、对重架(6)且悬挂在曳引轮(1)上连接而组成；闭环运动机构(以下简称“闭环”)由曳引钢丝绳(9)连接对重架(6)的上端和闭环上端拉力传感器(10)，绕过曳引主机(8)，进而绕过曳引制动轮(12)后连接闭环下端拉力传感器(7)和对重架(6)下端部连接而组成；

所述开环的运动由对重架(6)来牵引轿厢(4)上下，闭环的运动由曳引主机(8)的曳引轮旋转带动闭环钢丝绳(9)牵引对重架(6)上下，是闭环带动开环；

所述闭环组合内的曳引钢丝绳(9)对曳引主机(8)和曳引制动轮(12)是有合适的涨紧力，压力传导在两个曳引轮上，在曳引主机(8)的旋转下，由摩擦力带动对重架(6)作上、下运动，对应的轿厢(4)在牵引力的作用下进行反相的垂直运动；

所述从闭环组合看，闭环内曳引钢丝绳(9)与曳引主机(8)的曳引轮和曳引制动轮(12)的包角和呈360度；

所述控制***，用于控制电梯运行节能和安全的装置的动作；

其中，所述控制***，具体如下：

电梯上行：

A、空载轿厢在基站，对重在顶层。轿厢侧重量等于对重侧重量。电梯接受向上召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向下，牵引轿厢4向上。

B、半载轿厢在基站，对重在顶层。轿厢侧重量超过对重侧50％的额定重量。轿厢内载重产生牵引力，牵引力传至柔性拉力杆13，单侧拉力再平衡装置11接力，将牵引力分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳做出T′₁＝T′₂的结果。电梯接受向上召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向下，牵引轿厢4向上。位能发生变化只能通过守恒的动能来实现提升，采用在用电机就能很好地满足变化位能与动能匹配的方法。

C、满载轿厢在基站，对重在顶层。轿厢侧重量超过对重侧100％的额定重量。轿厢内载重产生牵引力，牵引力传至柔性拉力杆13，单侧拉力再平衡装置11接力，将牵引力分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳做出T′₁＝T′₂的结果。电梯接受向上召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向下，牵引轿厢4向上。位能发生变化只能通过守恒的动能来实现提升，采用在用电机就能很好地满足变化位能与动能匹配的方法。

电梯下行：

A、空载轿厢在顶层，对重在基站。轿厢侧重量等于对重侧重量。电梯接受向下召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向上，牵引轿厢向下。

B、半载轿厢在顶层，对重在基站。轿厢侧重量超过对重侧50％的额定重量。轿厢内载重产生牵引力，牵引力传至柔性拉力杆13，单侧拉力再平衡装置11接力，将牵引力分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳做出T′₁＝T′₂的结果。电梯接受向下召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向上，牵引轿厢4向下。当轿厢4内有效载荷增加，拖动***存在位能负荷下放时，采用在用电机就能很好地满足变化位能与动能匹配的方法。

C、满载轿厢在顶层，对重在基站。轿厢侧重量超过对重侧100％的额定重量。轿厢内载重产生牵引力，牵引力传至柔性拉力杆13，单侧拉力再平衡装置11接力，将牵引力分配给曳引主机8的曳引轮两侧钢丝绳做出T′₁＝T′₂的结果。电梯接受向下召唤指令，曳引主机8及曳引制动轮12分别打开制动器，曳引主机8带动曳引轮，在闭环曳引钢丝绳9的摩擦力的作用下带动对重架6向上，牵引轿厢4向下。当轿厢4内有效载荷增加，拖动***存在位能负荷下放时，采用在用电机就能很好地满足变化位能与动能匹配的方法。

上述过程中，单侧拉力再平衡装置实施联动产生受力平衡转为正压力的作用，轿厢侧重量、对重侧重量的大小由各自对应的重量传感器测得，并由控制***计算其重量数据后依照判断发出动作指令，同时，控制***判断轿厢位置，发出制动或曳引驱动指令。