背包式电梯的创新设计

任明权　冯志华

摘 要：现代社会，电梯已经深深地融入了人们的生产、生活当中，是必不可少的垂直交通运输工具。其中，背包式电梯作为一种结构特殊的电梯，在一些特定场合也得到广泛应用。比如，当需要90度开门的场所，甚至三面都开门的场所，背包式电梯由于其独特的结构，就非常适合；另外，对于别墅电梯、现有建筑之上后加电梯，由于背包式电梯仅需要一个面与现有建筑进行连接，对建筑结构的要求低，适应性强。

关键词：背包式电梯；创新；设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.244

1 背包架电梯基本特征

目前常见的背包式电梯吨位一般在1000kg以下，提升高度、速度都比较低，多采用1：1绕绳结构。如图1，轿厢导轨、对重导轨位于轿厢的一个侧面，这样其他的三个面就具有巨大的利用价值。比如三个侧面均可以开门、均可以设置观光等，其他形式电梯布置形式很难实现。且从图中可以看出，曳引机架在导轨上的话，其对井道建筑的要求低，对降低建筑成本也非常的有利。

由于背包架电梯的L型轿厢架这一结构特征，实际应用过程中有很大的限制。

一方面是对导轨的要求较严格限制。由于其L型结构（悬臂结构），轿厢的自重和额定载重通过轿厢架上的导靴施加在导轨上，且在轿厢架立梁上部导靴处施加的力与在轿厢架立梁下部导靴处施加的力方向相反，这样就使导轨在运行过程中承受巨大的弯矩。同时，由于井道垂直方向上，导轨是由多根导轨通过导轨连接板连接而成，一般是5米一根，而背包架电梯中轿厢的导靴与导轨在运行的过程中始终是接触的，这样其对导轨的安装要求就很高，特别是上下两根导轨接头处的处理。导轨本身的强度、连接处的强度、垂直度、光洁度等不仅影响电梯运行的舒适感，甚至影响电梯的运行安全。另外容易加剧导靴靴衬的磨损，需要经常更换靴衬，费时、费工、费钱。

另一方面是对其轿厢架的受力要求限制。由于其轿厢架采用悬臂结构，轿厢架的下梁属于悬臂梁，承载着轿厢的自重、额定载重。这样对整个轿厢架的受力要求就非常高。

2 优化设计及分析

2.1 传统结构

一般背包式电梯轿厢架的受力简图如图3所示。其中F1、F3处是轿厢上下导靴位置，F代表轿厢的额定载重和轿厢自重。

则力F1与F3大小相等、方向相反。

鉴于以上的特殊要求，现在的背包式电梯其额定载重、速度都不是很大。一般额定载重在1000kg以内，速度小于1.5m/s。

背包式电梯的结构限制主要体现其悬臂结构，钢丝绳悬挂点位于导轨处，与质量中心偏离一段距离，这样就影响了电梯运行的舒适感，对轿厢架、导轨及导轨支架的受力要求很高。如果能够让钢丝绳的悬挂点尽量靠近悬挂点位置，则可以对电梯的各方面性能有很大的优化。

2.2 优化设计

如图4，采用2：1曳引比，在轿厢架钢丝绳悬挂位置增加动滑轮，通过两个动滑轮使悬挂中心点尽量靠近质量中心，减小由于轿厢自重和额定载重对导轨产生的弯矩。

该创新型背包式电梯轿厢架的受力简图如图6所示。其中F1、F3处是轿厢上下导靴位置，F代表轿厢的额定载重和轿厢自重。

则力F1与F3大小相等、方向相反。

由上述公式知，F、F2均属于系统质量，无法改变，所以当L3增大时，其力F1、F3相应减小。但随着L3的增大，由于动滑轮采用悬臂设计，其机械强度要求高，应力集中部位就更加难以设计，导致成本增加。因此，不能依靠不断增加L3，来提高舒适度，需要一个合理的设计，在舒适感、经济型、结构要求方面进行平衡。

2.3 ANSYS分析及PMT测试

通过运用ANSYS进行有限元分析，其最大应力约为84MPa，结果符合要求。

最终通过PMT进行测试，其在运行过程中由于导轨变形引起的振动有很大程度的降低，特别是运行过一段时间后，在导轨接头处由于受力工况的改变，其接头处导轨的变形量减小，电梯Y轴方向上的明显周期振动大幅削弱，有效的降低了导轨接头处间隙对电梯舒适感的影响。

图8为改进前传统结构时变加速度测试数据图，轿厢偏载严重，导靴压紧在导轨面上，对导轨特别是导轨接口要求高，受导轨接缝处精度影响严重。如图Y向，每隔5m左右（电梯导轨5m一档），电梯有一个明显跳动，影响电梯舒适感。

图9为改进后变加速度测试数据图，偏载问题得到了有效解决。间隔5m左右的跳动不明显，电梯整体舒适感也有了很大提高。

同时，由于采用了新结构，其导轨型号由原来的T114降低为T89，其各方面要求还是可以很好的满足要求，降低了产品成本。