一种电梯防坠落新方式的设计

张鑫何 廖辰煜 严腾 邱郁茜 田力元

摘要：这种新型方式的设计，主要是为了解决现如今电梯坠落多发的安全隐患问题，使电梯的安全性能更加优良。同时在电梯装置中添加GSM模块，使其具有消息的实时传递功能。

Abstract： The design of this new way is mainly to solve the problem of safety hidden trouble of elevator falling and make the safety performance of elevator better. At the same time， the GSM module is added to the elevator device to make it have the function of transmitting messages in real time.

关键词：安全;电梯制动;衔铁原理;GSM模块

Key words： safety;elevator braking;armature principle;GSM module

中图分类号：TU857                                       文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）30-0167-03

1  课题研究背景

电梯技术虽然日渐发展，但是时至今日，电梯的安全防护措施中并没有增设有关人为控制的机构，这也一直是电梯安全措施中最劣势的一环。为了解决这一严重问题，我们需要设计一款可以人为控制电梯升降的机构，用来提高电梯的安全性，降低或防止发生危险的可能，大大提高了发生危险时电梯的可控性。

如今即便是有电梯固有的安全系统的支持，电梯仍然会出现各种未知状况，这样的不确定性使得电梯即便已经成为了大众工具，但依旧有相当一部分人在为自己的安全担忧，尤其是家长面对自己孩子在电梯嬉耍时，会格外担心;而当电梯内部拥有可以人力控制电梯制动且能在电梯发生制动的同时通知相关人员进行救援措施的装置，那么电梯的安全性就得到了进一步的保证，同时也使得乘坐电梯的人们有了更多行动的机会，而不再是无动于衷的在电梯内等待救援。这一措施大大提高了在电梯坠落时人员生还的可能性，保证了人民的财产和生命安全，这就是我们这个新型方式的意义。

2  课题研究目的和意义

本项目设计改进的缓冲电梯防坠落方案，是针对于各种高层建筑中现有电梯进行改装升级的设计方案。在轿厢连同绳索一起意外坠落或绳索突然断裂轿厢坠落时，使其具有防护保障的能力，从而保证乘客的人身安全。

本项目所要设计的防坠落的装置在人力控制部分已然完成，主要通过衔铁的反用来实现持续减速再到制动，当电梯出现事故时，电梯自动报警，人们可以在反应后立刻操作装置进行制动，因为本装置人力和电力双重控制必然可以达到相关的制动操作，可以使人们在不费力的前提下迅速和有效的完成自救，同时通知相关救援人员实施救援。

本项目的设计，给予了电梯乘坐者更稳定的安全保障，在安全的同时也充分地发挥了人的自我保护意识，提高了此方式的可行性。

3  新电梯防坠落方式的创新点

该项目的设计基于对衔铁的工作原理的反向研究，保证制动块与导轨发生相对运动，进行摩擦，在摩擦力的作用下实现持续减速再到制动，在增加安全性的同时给与了人一定的自发操作空间，在自动和手动双重保险的作用下，电梯的事故发生概率将会有显著的下降，减少了因电梯事故发生而造成的人员伤亡，在电梯安全和人们生产生活方面将会有极大的提升。

4  电梯防坠落新方式的技术方案

4.1 人力操作  电梯内部设有本该就有的事故危险报警系统，人们在发生能触发危险报警器的危险事故时，能够立即发挥人们的主观能动性，人们可以在按住电梯内部按钮三秒以上触发装置并及时制止危险的发生，同时发送消息给电梯内乘客及相关人员，生命安全能得到更好的保障。

4.2 衔铁反向应用

4.2.1 衔铁装置

俗称电动式继电器，电动式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器，可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类，具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。具体装置图如图1。

4.2.2 反向应用

因为衔铁装置的工作原理是，只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。我们将其反向应用，电梯内部设置相应按钮，人在长按电源按钮三秒以上后，工作电路电源相应断开，导轨摩擦块在弹簧的拉伸作用下回弹，接触导轨，摩擦减速并制动。

4.2.3 作用位置：电梯导轨（多为T型轨）

电梯导轨是电梯上下行驶在井道的安全路轨，导轨安装在井道壁上，被导轨架，导轨支架固定连接在井道墙壁。电梯常用的导轨是“T”字型导轨，具有刚性强、可靠性高、安全廉价等特点。导轨平面必须光滑，无明显凹凸不平表面。由于导轨是电梯轿厢上的导靴和安全钳的穿梭路轨，所以安装时必须保证其间隙。同时导轨在电梯出现超速事故时要承受制停电梯的要任，所以其刚性不可忽视。

T型导轨根部连接处含有宽度为C的导轨联接，通过对电梯轿厢位于外部的外用式电梯的观察得知，电梯导轨在此部分并无应用，因此我们将衔铁的装置作用位置设置于此。

（备注：以上所描述的“电梯”均为电梯模型，装置的实际作用位置为电梯模型导轨。）

4.3 GSM模块

4.3.1 模块简介

GSM模块是一个无线接收发送信息模块。当其输入信号触发端S与GND端接通短路时模块立即与S端对应的短信内容发送给已预存在模块里的手机号码。触发信号为开关量。

4.3.2 模块特点

①可设置多达6组手机号用于接收短信。

②可同时检测8回路干结点信号。

③每回路对应的短信内容可以自己编輯。

④适用于有GSM网络覆盖的地区。

⑤支持微信、电话、短信等操作。

⑥可靠性强，安全性高。

4.3.3 基本工作原理

GSM 是一个蜂窝网络，也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域。GSM网络运行在多个不同的无线电频率上。

GSM网络一共有4种不同的蜂窝单元尺寸：巨蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝和伞蜂窝。覆盖面积因不同的环境而不同。巨蜂窝可以被看作那种基站天线安装在天线杆或者建筑物顶上那种。微蜂窝则是那些天线高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市区内。微微蜂窝则是那种很小的蜂窝只覆盖几十米的范围，主要用于室内。伞蜂窝则是用于覆盖更小的蜂窝网的盲区，填补蜂窝之间的信号空白区域。

蜂窝半径范围根据天线高度、增益和传播条件可以从百米以上至数十公里，实际使用的最长距离GSM规范支持到35公里。

同样支持室内覆盖，通过功率分配器可以把室外天线的功率分配到室内天线分布系统上。这是一种典型的配置方案，用于满足室内高密度通话要求，在购物中心和机场十分常见。然而这并不是必须的，因为室内覆盖也可以通过无线信号穿越建筑物来实现，这样可以提高信号质量减少干扰和回声。

5  装置运行过程

图2为该电梯防坠落装置的运行过程，大致如下：当电梯发生事故时，电梯内受困人员通过电梯内的指导说明，长按装置按钮一秒以上或电梯电源断开，此时衔铁制动装置迅速制动，防止电梯继续坠落。同时电磁继电器发出信号，通过GSM模块将信号送到指定的相关人员，工作人员接收到信息便可第一时间开展救援工作。

6  实物模型和实物展示（如图3）

7  工作流程

①搜集相关资料，了解现阶段电梯坠落保护措施、衔铁工作原理、电梯井构造（包括电梯井的内部距离、电梯导轨的具体形状等）以及电梯的运行原理，为后续设计新方案做一定理论准备。

②对衔铁、GSM模块等作相关理论研究，针对导轨安装、稳定性、电梯运行、装置的安装位置等问题展开相关讨论。

③制定切实可行的工作室作息安排。

④讨论计算所需材料和规格问题，合理购买材料。

⑤着手做一定比例缩放的实物模型，对电机、GSM模块、电梯外框、电梯导轨等部件进行安装。

⑥完成后进行相应的测试，调配，进一步优化。

⑦与老师分析讨论实践结果，对不足之处加以改正完善。

⑧对于各种可能发生的情形进行测试，记录相关实验数据，对实验过程和细节再进行分析。

⑨最后请校内专家检验设计是否满足设计需要和目的。

8  未来展望

在寸土寸金的都市中，建造高层建筑是人类向地球索取更大空间的重要手段，电梯作为高层建筑中的垂直交通工具，已成为须臾不可缺的重要设备，现如今不仅仅高层拥有电梯，甚至一栋楼里有很多部电梯，越来越多的多层楼也配备了电梯，所以电梯越来越普及，在未来必定会成为人们出行的必须工具，为人们提供便利。随着电梯业的发展，安全性，必定也会成为人们最为关注的问题，电梯自带有安全钳等应急设备，但是大多存在年久失修，发生事故时不能及时反映等问题，造成不可想象的后果。而我们设计的这个装置是对电梯起到二重保护的作用，在发生安全事故时，可以及时反映，运用了人力避免了纯机械失效的情况，所以，这个方案的开发和设计是非常有必要的。甚至在未来还可以增加电机控制实现自动化，连接网络，最终可以实现人网双控，慢慢融入人们的生活。

参考文献：

[1]吴明眼.电磁感应现象及其在生活中的应用，2019.

[2]濮良贵.机械设计[M].十版.2017.

[3]王洪瑞，权爱荣，肖金壮.GSM模块收发中文短消息的关键技术[J].单片机与嵌入式系统应用，2008，8（4）：73-75.

基金项目：创新训练项目，项目编号：S201911736002。

作者简介：张鑫何（1999-），男，陕西铜川人，在读本科生，研究方向为机械设计。