不同工況下電梯緊急制動(dòng)時(shí)轎廂內(nèi)人員受沖擊載荷的實(shí)驗(yàn)研究＊

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062

0 引言

電梯在緊急情況下，制動(dòng)器、安全鉗、緩沖器等3種不同的安全保護(hù)裝置分別參與電梯的緊急制動(dòng)，可能導(dǎo)致轎廂內(nèi)人員受到傷害，然而這種受傷害程度無(wú)法定量測(cè)量，極易被公眾和媒體誤解。媒體各種關(guān)于電梯墜落的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮，例如某寫(xiě)字樓一員工電梯突發(fā)事故，電梯墜落時(shí)，轎廂內(nèi)共有12名公司員工。轎廂從27樓開(kāi)始左右碰撞向下墜落，直到轎廂至12層時(shí)再不受任何牽引，直接從12樓落到1樓。經(jīng)事后調(diào)查，電梯發(fā)生故障后自動(dòng)運(yùn)行至1樓找位置并復(fù)位，但讓乘客感覺(jué)上是電梯在墜落。不同工況下，轎廂內(nèi)人員采用不同姿勢(shì)，當(dāng)電梯緊急制動(dòng)時(shí)，轎廂內(nèi)的人員到底受到多大沖擊載荷，以及以超出緩沖器允許的速度撞擊緩沖器時(shí)，轎廂內(nèi)人員將受到多大傷害，項(xiàng)目組利用混III 50 百分位男性假人實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同工況下電梯緊急制動(dòng)，采集假人受到?jīng)_擊載荷，比對(duì)各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)行研究。

混III 50 百分位男性假人于1976年由通用汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)，在航空航天、汽車(chē)和高鐵等領(lǐng)域均有應(yīng)用，是世界上迄今為止應(yīng)用范圍最為廣泛的測(cè)試假人。假人在汽車(chē)安全領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1-3]，陳衛(wèi)衛(wèi)等[4]利用實(shí)體假人開(kāi)展了游樂(lè)設(shè)施的舒適性和安全性評(píng)價(jià)，在電梯安全領(lǐng)域，利用假人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究尚屬首次。

1 實(shí)驗(yàn)工況

本次實(shí)驗(yàn)總共設(shè)置了4種不同工況，分別為空載上行制動(dòng)器制動(dòng)、滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)、滿載下行安全鉗制動(dòng)、滿載墩底（即自由落體），制動(dòng)器、安全鉗、緩沖器3種不同的安全保護(hù)裝置分別參與電梯的緊急制動(dòng)。其中空載上行制動(dòng)器制動(dòng)和滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)工況在真實(shí)電梯試驗(yàn)塔實(shí)施，滿載下行安全鉗制動(dòng)和墩底工況在電梯試驗(yàn)井架上實(shí)施。

真實(shí)電梯和試驗(yàn)井架模擬電梯基本參數(shù)如下：額定起重量1 600 kg，額定速度1 m/s。

假人在轎廂或者平臺(tái)上分別采用站姿、蹲姿、趴姿等3種不同姿勢(shì)，轎廂在制動(dòng)器作用下、平臺(tái)在安全鉗或緩沖器作用下緊急制動(dòng)。假人內(nèi)置的傳感器分別采集在不同工況下緊急制動(dòng)，對(duì)轎廂內(nèi)人員危害比較大的頸部、腰部、胸部的受力和受壓變形情況（位移）。假人傳感器布置位置如圖1所示，上頸部力傳感器設(shè)置在頭顱和頸椎連接處，胸部位移傳感器設(shè)置在胸腔肋骨下，腰椎力傳感器設(shè)置在腰椎的最后一節(jié)。頸部、胸部、腰部傳感器配置見(jiàn)表1。

圖1 假人傳感器布置位置

表1 假人的頸部、胸部、腰部傳感器配置

1.1 空載上行制動(dòng)器制動(dòng)

該實(shí)驗(yàn)在電梯試驗(yàn)塔中進(jìn)行。電梯以額定速度空載上行，在行程上部1/3處斷電，制動(dòng)器動(dòng)作，電梯緊急制動(dòng)。假人分別采用站姿、蹲姿、趴姿3種不同姿勢(shì)，其中站姿和蹲姿采用彈性帶固定在轎廂扶手上。通過(guò)比較假人關(guān)鍵部位的受力情況，分析不同姿勢(shì)對(duì)人體的影響。空載上行制動(dòng)器制動(dòng)工況下，假人站姿、蹲姿、趴姿布置如圖2～圖4所示。

圖2 空載上行制動(dòng)器制動(dòng)（站姿）

圖3 空載上行制動(dòng)器制動(dòng)（蹲姿）

圖4 空載上行制動(dòng)器制動(dòng)（趴姿）

1.2 滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)

該實(shí)驗(yàn)在電梯試驗(yàn)塔中進(jìn)行。電梯轎廂內(nèi)均勻放置額定載荷砝碼，電梯以額定速度下行，在行程下部1/3處斷電，制動(dòng)器動(dòng)作，電梯緊急制動(dòng)。假人采用站姿（考慮到滿載情況下，轎廂內(nèi)人員沒(méi)有空間采用蹲姿或趴姿），并通過(guò)彈性帶固定在轎廂扶手上。系統(tǒng)采集假人關(guān)鍵部位的受力數(shù)據(jù)。滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)工況下，假人站姿布置如圖5所示。

圖5 滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)（站姿）

1.3 滿載下行安全鉗制動(dòng)

該實(shí)驗(yàn)在電梯試驗(yàn)井架上進(jìn)行。模擬電梯在滿載下行并觸發(fā)安全鉗動(dòng)作電梯緊急制動(dòng)。假人采用站姿，并通過(guò)彈性帶固定在試驗(yàn)平臺(tái)框架上。系統(tǒng)采集假人關(guān)鍵部位的受力數(shù)據(jù)。滿載下行安全鉗制動(dòng)工況下，假人站姿布置如圖6所示。

圖6 滿載下行安全鉗制動(dòng)（站姿）

1.4 滿載墩底

該實(shí)驗(yàn)在電梯試驗(yàn)井架上進(jìn)行。模擬電梯分別在緩沖器允許的動(dòng)作速度范圍和超速的情況下，滿載轎廂自由落體，并撞擊緩沖器。自由落體高度分別為75 mm、500 mm、1 000 mm，其中以75 mm高度自由落體撞擊緩沖器，換算到的撞擊速度為緩沖器允許的撞擊速度。假人采用站姿，并通過(guò)彈性帶固定在試驗(yàn)平臺(tái)框架上。系統(tǒng)采集假人關(guān)鍵部位的受力數(shù)據(jù)。滿載墩底工況下，假人站姿布置如圖7所示。

圖7 不同跌落高度下的滿載墩底（站姿）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 空載上行制動(dòng)器制動(dòng)

空載上行制動(dòng)器制動(dòng)工況下，設(shè)置在假人頸部、胸部、腰部傳感器分別采集到受力和受壓變形情況（位移），不同姿勢(shì)的假人頸部、胸部、腰部受力曲線分別見(jiàn)圖8～圖10。各部位傳感器采集到的受力和位移最大值見(jiàn)表2。由此可知，空載上行制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，不同姿勢(shì)情況下頸椎受力變化不大；蹲姿情況下胸部肋骨位移最大；趴姿情況下，腰椎受力最小。

表2 假人數(shù)據(jù)輸出最大值

圖8 假人數(shù)據(jù)輸出（站姿）

圖9 假人數(shù)據(jù)輸出（蹲姿）

圖10 假人數(shù)據(jù)輸出（趴姿）

2.2 滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)

滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)工況下，設(shè)置在假人頸部、胸部、腰部傳感器分別采集到受力和受壓變形情況（位移），站姿情況下的假人頸部、胸部、腰部受力曲線如圖11所示。各部位傳感器采集到的受力和位移最大值見(jiàn)表3。由此可知，滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，與空載上行制動(dòng)器制動(dòng)站姿情況下相比，頸椎受力和胸部肋骨位移均有所增加；腰椎所受最大力矩明顯增加。

圖11 假人數(shù)據(jù)輸出（站姿）

表3 假人數(shù)據(jù)輸出最大值

2.3 滿載下行安全鉗制動(dòng)

滿載下行安全鉗制動(dòng)工況下，設(shè)置在假人頸部、胸部、腰部傳感器分別采集到受力和受壓變形情況（位移），站姿情況下的假人頸部、胸部、腰部受力曲線如圖12所示。各部位傳感器采集到的受力和位移最大值見(jiàn)表4。由此可知，滿載下行安全鉗制動(dòng)時(shí)，與滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)站姿情況下相比，頸椎所受力矩、胸部肋骨位移、腰椎所受力矩均明顯增大。

圖12 假人數(shù)據(jù)輸出（站姿）

表4 假人數(shù)據(jù)輸出最大值

2.4 滿載墩底

滿載墩底工況下，設(shè)置在假人頸部、胸部、腰部傳感器分別采集到受力和受壓變形情況（位移），不同自由落體高度站姿情況下的假人頸部、胸部、腰部受力曲線如圖13所示。各部位傳感器采集到的受力和位移最大值見(jiàn)表5。

表5 假人數(shù)據(jù)輸出最大值

圖13 假人數(shù)據(jù)輸出（站姿，不同跌落高度）

由此可知：1）滿載墩底時(shí)，正常跌落高度（75 mm）下，與滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)和滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)站姿情況下相比，頸椎所受最大力矩值、胸部肋骨最大位移值、腰椎所受最大力矩值均為最大，但均在允許范圍內(nèi)；2）滿載墩底時(shí)，隨著跌落高度的增加，各部分受力和位移均明顯增大；3）超出緩沖器允許的動(dòng)作速度情況下，假人各部分受力和位移均明顯增加。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，明顯觀察到跌落高度為500 mm時(shí)，假人左腿膝蓋處骨折，跌落高度增加到1 000 mm時(shí)，假人左腿膝蓋處斷裂。

3 結(jié)論

通過(guò)空載上行制動(dòng)器制動(dòng)、滿載下行制動(dòng)器制動(dòng)、滿載下行安全鉗制動(dòng)、滿載墩底四種不同工況下，假人采用不同姿勢(shì)，其所受沖擊載荷的實(shí)驗(yàn)比對(duì)研究，可得如下結(jié)論：

1）在空載上行制動(dòng)器制動(dòng)工況下，趴姿較蹲姿和站姿，腰椎的受力最小。

2）站姿情況下，上述四種工況中，滿載墩底工況較其他3種工況，頸椎受力、胸部肋骨位移、腰椎受力均最大，因此滿載墫底時(shí)，人的傷害最大。

3）在滿載墩底工況下，若超出緩沖器允許的速度范圍，則人將會(huì)受到傷害，且傷害程度隨著墜落高度的增加而顯著增大。

4）上述四種工況下，只要在制動(dòng)器、安全鉗、緩沖器允許的能力范圍（包括動(dòng)作速度和制動(dòng)載荷）內(nèi)使電梯緊急制動(dòng)，則轎廂內(nèi)人員的受力和受壓變形（位移）均在允許值范圍內(nèi)，即人員不會(huì)受到傷害。