高速電梯轎廂氣壓變化調(diào)節(jié)技術(shù)研究

姬莉莉

摘 要：人們?cè)诔俗咚匐娞輹r(shí)，會(huì)有頭暈、耳鳴、耳朵有壓迫感等不適癥狀。這并不是因電梯在運(yùn)行過(guò)程中的噪音所導(dǎo)致，而是由于電梯在運(yùn)行時(shí)樓層跨度較大，氣壓的變化導(dǎo)致乘客產(chǎn)生不良反應(yīng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文章主要研究高速電梯轎廂內(nèi)氣壓變化的調(diào)節(jié)技術(shù)，筆者將從應(yīng)用原理、調(diào)節(jié)方案、氣壓調(diào)節(jié)過(guò)程及效果等三方面全方位介紹高速電梯轎廂氣壓變化調(diào)節(jié)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高速電梯;氣壓調(diào)節(jié);轎廂氣壓

中圖分類(lèi)號(hào)：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）10-016-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.10.008

在我國(guó)的大城市中，直聳入云的高樓大廈林立，這一幢幢的高樓大廈中，需要高速電梯的正常運(yùn)行保證人們的上上下下。高速電梯不僅作為交通工具方便人們的生活，也是高層建筑中樓層與樓層之間必不可少的聯(lián)系。但是，隨著人們對(duì)高速電梯的使用越來(lái)越多，便捷的交通工具也會(huì)有弊端顯現(xiàn)出來(lái)。大樓中的高速電梯似乎都會(huì)使乘客產(chǎn)生不適的感覺(jué)，尤其是當(dāng)電梯的速度增加時(shí)，部分乘客會(huì)感到耳朵脹痛、頭暈?zāi)垦＃瑫r(shí)間長(zhǎng)了嚴(yán)重者還會(huì)引發(fā)嘔吐。原因是電梯的速度增加，會(huì)帶來(lái)強(qiáng)烈的空氣對(duì)流，由于乘客耳朵內(nèi)外氣壓不一致，導(dǎo)致乘客耳朵有明顯的壓迫感。所以，如何調(diào)節(jié)高速電梯轎廂內(nèi)的氣壓、增加乘客的舒適感成為一個(gè)值得深入研究的話題。回顧之前關(guān)于氣體動(dòng)力學(xué)、電梯轎廂升降原理等國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，文章將對(duì)高速電梯轎廂氣壓變化調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行研究，尋找一種可以減輕乘客乘坐時(shí)不適感或縮短不適感覺(jué)時(shí)間的一種方法。

1 高速電梯氣壓調(diào)節(jié)原理

通常使用的高速電梯轎廂是已經(jīng)安裝了調(diào)節(jié)氣壓裝置的，主要原理就是在高速電梯運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)變頻器和鼓風(fēng)機(jī)等調(diào)節(jié)轎廂內(nèi)的氣壓，使轎廂內(nèi)的氣壓與人耳鼓膜內(nèi)外側(cè)氣壓保持一致，或者調(diào)節(jié)到人耳可以接受的狀態(tài)，從而減輕乘客的不適感[1]。轎廂內(nèi)的氣壓調(diào)節(jié)原理圖如圖1所示。

從圖1可以看出，整個(gè)轎廂由兩組控制裝置組成：加壓部分和減壓部分。通過(guò)變頻器控制加壓鼓風(fēng)機(jī)和減壓鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行加壓和減壓，同時(shí)又通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)行輔助，從而保證進(jìn)出轎廂的氣體安全。轎廂內(nèi)有一個(gè)氣壓計(jì)隨時(shí)監(jiān)測(cè)氣壓值變化。

為了方便研究，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為電梯轎廂內(nèi)的氣體體積不變，溫度也不變。由于氣體占據(jù)的體積是不變的，根據(jù)公式pV=m/MRT可知，轎廂內(nèi)空氣的壓力和質(zhì)量是正比關(guān)系，氣體質(zhì)量越小則壓力也越小。所以，在這里放置鼓風(fēng)機(jī)的目的并不是改變電梯轎廂內(nèi)的空氣體積，而是改變轎廂內(nèi)空氣的質(zhì)量，然后氣壓隨空氣質(zhì)量的變化發(fā)生變化。上述這些主要是靠變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，變頻器的速率不同，鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和強(qiáng)度也不一樣，所以安裝變頻器的根本目的是改變轎廂內(nèi)的氣壓。

2 高速電梯轎廂氣壓調(diào)節(jié)方案

高速電梯使乘客感到不適，是由于其在短時(shí)間內(nèi)使乘客的高度迅速發(fā)生變化，與其有關(guān)的兩個(gè)主要因素是氣壓變化幅度和氣壓變化速率。首先，應(yīng)保證電梯在開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)內(nèi)外氣壓是一致的或相差不大，這樣才能保證在開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)氣流平穩(wěn)，以免引起大的空氣對(duì)流或者打不開(kāi)門(mén)的情況發(fā)生。

高速電梯轎廂氣壓調(diào)節(jié)方案有兩個(gè)：

其一是先在短時(shí)間內(nèi)使氣壓快速變化，升至一個(gè)趨于穩(wěn)定的數(shù)值，剩余的氣壓差值以較短的時(shí)間、較慢的速度進(jìn)行變化，使氣壓變化在人們可接受范圍內(nèi)，不會(huì)給乘客帶來(lái)不適。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：氣壓調(diào)節(jié)的效率高，乘客感到不適的時(shí)間只有剛剛開(kāi)始時(shí)氣壓猛烈變化的一小段時(shí)間，后面相對(duì)來(lái)講會(huì)更加舒服，給乘坐高速電梯的乘客帶來(lái)更好的體驗(yàn)感受。缺點(diǎn)是：開(kāi)始時(shí)氣壓變化幅度大，時(shí)間迅速效率高，對(duì)電梯調(diào)節(jié)設(shè)備硬件設(shè)施的要求高，同時(shí)要求高速電梯轎廂具有良好的承壓能力。總結(jié)來(lái)講，這種方案效率高但成本也高，不易于實(shí)現(xiàn)。

另一種方案是氣壓變化的速率不變，只需要?jiǎng)蛩僮兓ＷC電梯在開(kāi)關(guān)門(mén)的時(shí)刻保持內(nèi)外氣壓平衡即可。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：氣壓平穩(wěn)變化，算法簡(jiǎn)單，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。最重要的是，能夠?qū)鈮鹤兓式档偷饺硕_(kāi)始產(chǎn)生不適的閾值（約為130Pa/s）以下[2]。這種方案的缺點(diǎn)是：沒(méi)有考慮到氣壓變化對(duì)人體、對(duì)電梯轎廂等帶來(lái)的影響。雖然能夠保證電梯在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)可以順利的開(kāi)關(guān)門(mén)，但是對(duì)人體的影響大，如頭暈、耳鳴的問(wèn)題未得到真正解決，且氣壓變化的效率低。

這兩種方案都是如今技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)前文論述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這兩種方案各有利弊，方案一效率高但成本也高，不易實(shí)現(xiàn);方案二容易實(shí)現(xiàn)，但會(huì)影響到乘客的使用體驗(yàn)。

3 高速電梯轎廂氣壓調(diào)節(jié)變化過(guò)程及效果

高速電梯轎廂氣壓調(diào)節(jié)是一個(gè)過(guò)程，一個(gè)短時(shí)而高效的過(guò)程。大氣壓力在海拔兩千米以下，按照高度每上升100m，氣壓減小1200Pa的規(guī)律變化。也就是說(shuō)，氣壓根據(jù)高度的變化是12Pa/m[3]。通過(guò)實(shí)際測(cè)量得知，電梯轎廂運(yùn)行的速度-時(shí)間曲線是一個(gè)呈梯形的曲線。開(kāi)始是一個(gè)加速的過(guò)程，中間是高度勻速的變化，最后是一個(gè)減速變化，最終停下來(lái)。高速電梯轎廂是一個(gè)相對(duì)封閉的空間，但是又有井道相連接，所以高速電梯轎廂內(nèi)的氣壓變化會(huì)比外界氣壓變化稍慢一些。這一差距很小，可以忽略不計(jì)，同時(shí)為了方便研究，筆者將在研究時(shí)認(rèn)為轎廂內(nèi)的氣壓始終等于轎廂外的氣壓。

筆者在前文中寫(xiě)到的氣壓調(diào)節(jié)方案一是文章重點(diǎn)研究的方案，通過(guò)研究康力電梯股份有限公司研發(fā)的KLK2型高速電梯投入使用的情況，對(duì)比調(diào)節(jié)前后乘客的使用感受，得到以下結(jié)論：

當(dāng)電梯從海拔200m的高度下降到一層（假設(shè)海拔高度為0m），一層氣壓比200m高度的樓層氣壓高2400Pa。在調(diào)節(jié)之前，乘客感到耳朵不舒服甚至頭暈的時(shí)間大概有22s（這里以氣壓變化400Pa為乘客感到不舒服的臨界點(diǎn)）。氣壓調(diào)節(jié)后，乘客僅在氣壓變化400Pa～2000Pa的階段感到不適，整個(gè)過(guò)程約為7s[4]。但是，2000Pa的強(qiáng)氣壓變化會(huì)使乘客不由自主地做出吞咽等動(dòng)作打開(kāi)咽鼓管，以減輕不適感。在這個(gè)階段后，乘客并未出現(xiàn)耳鳴、頭暈等不適癥狀。

基于此，高速電梯需要安裝氣壓調(diào)節(jié)裝置，以縮短乘客感覺(jué)不適的時(shí)間。電梯運(yùn)行過(guò)程中，電梯轎廂內(nèi)外存在氣壓差會(huì)導(dǎo)致氣體從高壓流向低壓，這也是人們?cè)谌粘３俗娞輹r(shí)所感受到的“風(fēng)”。所以氣流流動(dòng)會(huì)影響氣壓的變化，同時(shí)也會(huì)為氣壓調(diào)節(jié)帶來(lái)一定的困難。為了使氣壓調(diào)節(jié)效果不被其他因素影響，同時(shí)也為了降低機(jī)械運(yùn)行時(shí)的噪音，則需要提高高速電梯轎廂內(nèi)的密閉性。可以將密閉性好的材料作為高速電梯轎廂內(nèi)壁材料。其次，要注意電梯的縫隙，尤其是電梯門(mén)的縫隙。采用新技術(shù)，盡量減小電梯門(mén)存在的縫隙。通過(guò)減小氣體流動(dòng)，使高速電梯轎廂內(nèi)的氣壓調(diào)節(jié)效果更好。

轎廂內(nèi)氣壓調(diào)節(jié)的整個(gè)過(guò)程是，當(dāng)電梯停止運(yùn)行或在固定樓層暫停（等待）時(shí)，通過(guò)加壓/減壓鼓風(fēng)機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速運(yùn)行來(lái)進(jìn)行電梯轎廂內(nèi)的換氣循環(huán)[5]。電梯運(yùn)行過(guò)程中，氣壓計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轎廂內(nèi)的氣壓變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)轎廂外的氣壓值，對(duì)比內(nèi)外氣壓計(jì)算差值，再將需調(diào)節(jié)的差值傳入變頻器，由變頻器控制鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行加壓減壓操作。在進(jìn)行加壓減壓操作之后，達(dá)到目標(biāo)氣壓值反饋給氣壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

不同的樓層氣壓不同，所以需要變化的氣壓量不同，鼓風(fēng)機(jī)和變頻器的作用也不同。在增加加壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低減壓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)轎廂內(nèi)氣壓增減的快速響應(yīng)與跟蹤控制。由于PID控制有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、可實(shí)現(xiàn)性高、實(shí)用性高、抗老化性好等特點(diǎn)，因此采用PID控制改進(jìn)高速電梯轎廂氣壓調(diào)節(jié)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

城市面積是有限的，但每個(gè)城市都想要讓自己的容量加大，于是高樓大廈隨處可見(jiàn)，高速電梯成為常見(jiàn)的高大建筑中必不可少的“一份子”。由于人們?nèi)粘３俗咚匐娞輹?huì)產(chǎn)生不適感，筆者就高速電梯轎廂氣壓調(diào)節(jié)展開(kāi)研究，提出通過(guò)控制裝置進(jìn)行氣壓調(diào)節(jié)，減輕乘客的不適感，縮短氣壓變化時(shí)間。調(diào)節(jié)氣壓的主要過(guò)程是，先在短時(shí)間內(nèi)使氣壓快速變化，升至一個(gè)趨于穩(wěn)定的數(shù)值，剩余的氣壓差值以較短的時(shí)間、較慢的速度進(jìn)行變化，使氣壓變化在人們可接受范圍內(nèi)，之后的過(guò)程不會(huì)給乘客帶來(lái)不適。筆者還通過(guò)測(cè)試和研究康力電梯公司研發(fā)的KLK2型高速電梯投入使用的情況，對(duì)比調(diào)節(jié)氣壓前后人們乘高速電梯的感受，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)的效果很好[6]。所以，高速電梯轎廂需要通過(guò)控制裝置調(diào)節(jié)氣壓，以給乘客帶來(lái)更好的乘坐體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭有木.高速電梯轎廂動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)平穩(wěn)性的影響分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[2] 李森.高速電梯轎廂氣壓變化規(guī)律建模與補(bǔ)償設(shè)計(jì)分析及其應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[3] 傅武軍，朱昌明，張長(zhǎng)友.單繞式電梯動(dòng)力學(xué)建模及仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（3）：126-129.

[4] 梅元貴，周朝暉.高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)誘發(fā)車(chē)廂內(nèi)壓力波動(dòng)的數(shù)值分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2005，27（5）：36-40.

[5] 楊谷旸.大氣壓隨高度變化的實(shí)驗(yàn)[J].物理通報(bào)，1998（12）：26.

[6] 陳春俊，聶錫成，唐猛.車(chē)外空氣壓力作用下的CRH2型動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)空氣壓力傳遞函數(shù)模型[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34（4）：86.