室内隐形可变高度垂直电梯设计

李 瑞，朱定见，李胤毅，李旭为，石孝兰，徐源新

（湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053）

引言

随着我国社会的发展与生活水平的不断提高，高新技术发展不断加快，智能家居正在走进我们的生活，越来越多的人渴望在自家安装室内电梯。但由于传统室内电梯均设置有封闭的罐笼式通道和每层的电梯间及独立的动力间，占地面积和空间相对较大，影响了室内电梯的推广应用。本设计旨在减少室内家用电梯的占地面积，简化电梯的操作流程，最大限度地降低电梯对室内整体布局和美观的影响，使电梯隐形化和智能化，满足现代人对于新型智能家居的需求。

1 总体方案设计

1.1 总体结构

室内隐形可变高度垂直电梯的总体结构如图1所示。它由垂直升降轨道机构、柜式升运轿厢组合、立柜型电梯轿厢组合和传动系统等构成。其中，垂直升降轨道机构由轿厢高度自适应变距机构、升降齿条、丁字形轨道等组成；柜式升运轿厢组合由轿厢升降滚轮组、轿厢高度自适应变距机构、立柜型电梯轿厢、伸缩壁画卷帘等组成；立柜型电梯轿厢组合由柜型轿厢体、上盖开合联动机构、前门开合联动机构、柜门自锁踏板机构等组成；传动系统由电机、减速机、齿轮齿条、齿轮传动轴等组成。

图1 室内隐形可变高度垂直电梯结构示意图

1.2 工作原理

电梯停放在一层位置时，如下页图2 所示，立柜式电梯轿厢呈家用立柜形状靠墙停放在一层地板上，不占用房间的空间；而轿厢上顶同步停放在二层固定，轿厢上顶的顶部与二层地面平齐并可承重，不占用二层房间的空间。而且上伸缩壁画卷帘和轿厢壁画伸缩卷帘展开平行于墙面，下伸缩壁画卷帘收拢，对垂直升降轨道机构进行遮挡[1-3]。

图2 电梯位于一层示意图

乘坐人需要乘坐电梯从一层升至二层时，通过立柜型电梯轿厢的前门隐形拉手打开前门，前门开合联动机构联动上盖开合联动机构打开上盖。乘坐人进入立柜型电梯轿厢内，前门关闭，立柜型电梯轿厢底部的自锁踏板机构受到乘坐人的压载后通过前门开合联动机构将前门自锁，自锁踏板机构通过上盖开合联动机构将上盖保持翻开状态。电梯升至二层停放后，自锁踏板机构同步解锁，乘坐人打开前门走出立柜型电梯轿厢，前门开合联动机构关闭前门联动上盖开合联动机构关闭上盖。

电梯停放在二层位置时，如图3 所示，柜式电梯轿厢呈家用立柜形状靠墙停放在二层地板上，不占用二层房间的空间，而轿厢上顶同步停放在二层天花板下，不占用一层房间空间。而且下伸缩壁画卷帘和轿厢壁画伸缩卷帘展开平行于墙面，上伸缩壁画卷帘收拢，对垂直升降轨道机构进行遮挡，保证了墙壁的完整与美观。

图3 电梯位于二层示意图

当二层高度高于一层高度时，伸缩立柱弹簧将轿厢上伸缩立柱顶起，轿厢上伸缩立柱与轿厢下伸缩立柱的高度伸长，再通过轿厢高度自适应变距机构实现定位固定。当二层高度低于一层高度时，伸缩立柱弹簧将上伸缩立柱压缩，轿厢上伸缩立柱和轿厢下伸缩立柱的高度减小，再通过轿厢高度自适应变距机构实现定位固定[4-6]。

2 垂直升降轨道机构的设计

2.1 垂直升降轨道的选材

由于电梯的轨道受压而且要求韧性好，通过查找文献[7]可得，丁字钢为碳素结构钢，碳含量为0.25%左右，抗压强度在410～540 MPa 之间，弹性模量为200～220 GPa 且焊接性能与韧性良好。因此选用由丁字钢左右焊接形成电梯轨道，丁字钢的尺寸规格为：宽B200 mm×高度H100 mm×腹板厚度t18 mm×翼缘厚度t212 mm。垂直升降轨道如图4 所示。

图4 垂直升降轨道

通过检索文献[7]查表可得惯性矩IX=185 cm4，IY=801 cm4，惯性半径iX=2.4 cm，iY=4.99 cm，截面模数WX=22.3 cm3，WY=80.1 cm3，重心CX=1.73 cm。

2.2 垂直升降轨道的强度校核

根据《GB 7588—2003 电梯制造与安装安全规范》中的要求，本类型电梯导轨计算许用应力σperm和变形要求为：正常使用载荷情况σperm=165 MPa；导轨的最大计算允许变量δperm=5 mm。

当电梯处于正常使用运行工况时，电梯导轨强度及挠度校核计算如下：

由于该电梯是家用室内电梯，因此可忽略电梯本身重量和负载重量对电梯重心位置的影响。假设当乘坐人乘坐电梯时，轿厢整体的重心在轿厢正中心。将导轨分为四部分，取其中一部分进行受力分析，导轨受力图如图5 所示。

图5 导轨受力图

2.2.1 弯曲应力σm 的计算

电梯最大载重160 kg，电梯整体质量取240 kg，则G=240×9.8=2 352 N。

电梯的轿厢长为800 mm，宽为700 mm，高为1 040 mm，重心到导轨的水平距离S=400 mm，则M=GS=2 352×0.4=940.8 N·m。

σX=M/WX=940.8÷（22.3×10-6）=42.1×106Pa=42.1 MPa，σY=M/WY=940.8÷（80.1×10-6）=11.7×106Pa=11.7 MPa。

2.2.2 挠度δX、δY 的计算

导轨支架间的间距l=400 mm，导轨弹性模量最小值，Emin=200 GPa，δXmax、δYmax的计算如下：

可见，在正常使用工况下，本类型电梯选用导轨的强度及挠度校核符合《GB 7588—2003 电梯制造与安装安全规范》中的要求。

3 传动系统的选材设计

由于本电梯适用于二层楼房或复式居室使用，传动的距离较短。而齿轮齿条传动适于低层楼房，能保证恒定的传动比，工作平稳可靠性高，有效地增强了电梯在运行中的平稳性与安全性。齿轮选用黄铜，齿条选用高强度的工业尼龙，在齿轮与齿条啮合时噪声很小，同时选用黄铜和工业尼龙作为齿轮齿条的材料可以不用进行润滑[8]。

4 伸缩立柱的设计

4.1 伸缩立柱的选材

伸缩立柱采用矩形管制成，它是以Q235 热轧或冷轧带钢或卷板为母材经冷弯曲加工成型后再经高频焊接制成的方形截面形状尺寸的型钢，因此它的强度较高、塑性韧性好。通过检索文献[9]查得，其材料主要性能为：弹性模量为210 GPa，比例极限σp=200 MPa，其许用安全应力为170 MPa，安全因数nst为3.0。

相比于圆管，矩形管有较大的惯性矩和截面模数，有较大的抗弯、抗扭能力，从结构上来说矩形管具备减轻自身重量和节省钢材的优点。

4.2 伸缩立柱的设计计算

通过检索文献[9]选出伸缩立柱外管与内管的相关参数，如表1 所示。

表1 伸缩立柱外管与内管的参数

由此确定外管的高度L1为900 mm，内管的高度L2为600 mm。

5 结语

室内隐形可变高度垂直电梯属于微形垂直电梯，乘坐人数为2 人，最大承载重量为160 kg，具有占地面积与空间小、运行平稳快捷、制造和运行成本低、安全性好等特点，解决了室内安装垂直电梯困难的问题，对促进我国室内垂直电梯的推广应用和发展具有重要的现实意义和良好的应用前景。