電梯延時安全氣囊系統(tǒng)設(shè)計*

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

*項目基金：浙江省高校實驗室工作研究項目（NO.YB201819）

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

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(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，造成電梯制動器故障，制動裝置無法正常工作，電梯處于失控狀態(tài)；電梯撞擊梯井底部時會由較大速度直接降為零，在極短時間內(nèi)，人體會受到極大的沖擊力，造成蹲底或沖頂傷亡發(fā)生。

近年來，針對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彈出氣囊的緩沖氣囊，采用機(jī)械式動斷開關(guān)的電梯層門，固定人的身形來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，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)部針對乘客安全問題的設(shè)施，仍需要不斷強(qiáng)化^[2]。

本文在現(xiàn)有研究項目基礎(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，本款氣囊對比于無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。

1   工作原理

電梯延時安全氣囊設(shè)計時需考慮物理動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，通過計算得出數(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)動量定理，如果在較短時間內(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速度。

由式（1）（2）可推導(dǎo)出

電梯開始墜落時，加速度異常， V ' 立即產(chǎn)生，同時v1 和v2 的存在，故人體做初速度為-v1，加速度為g的勻加速直線運動，電梯做初速度為v2，加速度為g 的勻加速直線運動。增加氣囊后，增大了電梯與梯井底部的撞擊時間，從而使得氣囊在彈出這段較短時間內(nèi)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(jù)能量守恒定律，可得出結(jié)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，從而實現(xiàn)氣囊對人體的安全保護(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，電梯下墜時間為t30，人體身高為1.9 m。再根據(jù)運動學(xué)公式

兩式聯(lián)立后，人體向上運行的距離減短時，再通過公式

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，通過控制充氣速度在一定范圍內(nèi)從而控制電梯對人體的產(chǎn)生的沖力。通過式(3)- 式(7) 的計算，當(dāng)電梯氣囊的充氣速度控制在≥ 0.094 1 m/s 時，一個身高1.9 m 且體重為標(biāo)準(zhǔn)85 kg 的人，不會因為氣囊瞬時彈出產(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，更加不會有沖頂?shù)奈ｋU，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。

電梯在自由下落過程中一直保持充氣狀態(tài)，在落地時，充氣結(jié)束，氣囊充氣時間即為電梯做勻加速直線運動的時間。本裝置通過控制氣囊充氣速度保證人體不會受過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(tǒng)硬件設(shè)計

電梯延時安全氣囊系統(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)采集模塊對電梯運行過程中的加速度進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)分析模塊對采集模塊采集到的每一時刻的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并迅速和電梯正常運行時的加速度進(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)電梯運行時的加速度超過正常值的范圍，控制器就會得到啟動指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，電機(jī)轉(zhuǎn)動的同時帶動氣瓶閥門的打開，當(dāng)氣閥轉(zhuǎn)動90°之后，氣瓶中的氣體即可通過氣閥充入到氣墊中，起到保護(hù)電梯內(nèi)的乘客的作用。

監(jiān)測傳感器實時監(jiān)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(dāng)監(jiān)測到故障信號時能夠及時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(shè)計

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)具有實用性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點^[5]。

圖2 STM32系統(tǒng)模塊圖

加速度驅(qū)動模塊是通過ADXL345 傳感器實時采集電梯運行過程中的加速度數(shù)據(jù), 然后將數(shù)據(jù)送到單片機(jī)STM32 進(jìn)行處理, 并判斷電梯的運動狀態(tài)是否異常^[6]。在模擬設(shè)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(shù)值（2~6 m/s2）迅速反饋給控制器，操控電磁閥旋轉(zhuǎn)氣閥，使得氣瓶對氣囊進(jìn)行充氣（如圖3）。

圖3 加速度驅(qū)動模塊原理圖

藍(lán)牙報警模塊通過STM32 和X-CUBE-BLE1 的組合應(yīng)用，完整實現(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)成的遙測終端機(jī)已在實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)確的實時數(shù)據(jù)[8]（如圖4）。

圖4 HC-06藍(lán)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，靜止時與平面地板無明顯差異，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

(b) 安全氣囊釋放后

圖5 電梯氣囊示意圖

3   實驗裝置及測試結(jié)果

實驗?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)動模塊，采用一米高鋁合金導(dǎo)軌模擬電梯墜落時的梯井，如圖6 所示。

圖6 電梯實驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

模擬實驗時利用導(dǎo)軌控制電梯運行方向來模擬實際電梯運行情況，使電梯橋箱在2.4 m 的高度直接墜落，模擬電梯在經(jīng)過一系列安全措施直到最后的緩沖器時的速度（如圖7）。

圖7 實驗裝置夾層實物圖

對電梯安全氣囊系統(tǒng)各模塊進(jìn)行了調(diào)試，模擬電梯墜落情況時，氣囊能迅速彈出，同時監(jiān)測模塊10 s 內(nèi)能發(fā)出求救信息，求救信息頁面如圖8 所示。

圖8 求救信息頁面

實驗是在一定高度對電梯模型釋放并記錄數(shù)據(jù)，每進(jìn)行100 次實驗，將各項目取一個平均值，并根據(jù)有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計氣囊釋放的成功率（如表1）。

表1氣囊測試數(shù)據(jù)記錄表

4   結(jié)論

本文設(shè)計的電梯安全延時氣囊，通過物理動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，通過計算得出較為準(zhǔn)確的充氣速度；硬件設(shè)計由STM32 單片機(jī)監(jiān)測反饋加速度的異常，控制充氣速度，并增加了藍(lán)牙報警的功能，使得相關(guān)工作人員可以第一時間到達(dá)現(xiàn)場實施救援，很大程度上提升了意外發(fā)生時乘客的生還率。該設(shè)計若完善研發(fā)，產(chǎn)品極具推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 華紅,顏廷財.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].中國科技信息,2012(07):177.

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

[4] 王虎,楊啟正.基于STM32的汽車防撞報警系統(tǒng)設(shè)計[J].時代汽車.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與報警系統(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的新一代遙測終端機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表,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.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）