室內隱形可變高度垂直電梯設計

李 瑞，朱定見，李胤毅，李旭為，石孝蘭，徐源新

（湖北文理學院機械工程學院，湖北 襄陽 441053）

引言

隨著我國社會的發展與生活水平的不斷提高，高新技術發展不斷加快，智能家居正在走進我們的生活，越來越多的人渴望在自家安裝室內電梯。但由于傳統室內電梯均設置有封閉的罐籠式通道和每層的電梯間及獨立的動力間，占地面積和空間相對較大，影響了室內電梯的推廣應用。本設計旨在減少室內家用電梯的占地面積，簡化電梯的操作流程，最大限度地降低電梯對室內整體布局和美觀的影響，使電梯隱形化和智能化，滿足現代人對于新型智能家居的需求。

1 總體方案設計

1.1 總體結構

室內隱形可變高度垂直電梯的總體結構如圖1所示。它由垂直升降軌道機構、柜式升運轎廂組合、立柜型電梯轎廂組合和傳動系統等構成。其中，垂直升降軌道機構由轎廂高度自適應變距機構、升降齒條、丁字形軌道等組成；柜式升運轎廂組合由轎廂升降滾輪組、轎廂高度自適應變距機構、立柜型電梯轎廂、伸縮壁畫卷簾等組成；立柜型電梯轎廂組合由柜型轎廂體、上蓋開合聯動機構、前門開合聯動機構、柜門自鎖踏板機構等組成；傳動系統由電機、減速機、齒輪齒條、齒輪傳動軸等組成。

圖1 室內隱形可變高度垂直電梯結構示意圖

1.2 工作原理

電梯停放在一層位置時，如下頁圖2 所示，立柜式電梯轎廂呈家用立柜形狀靠墻停放在一層地板上，不占用房間的空間；而轎廂上頂同步停放在二層固定，轎廂上頂的頂部與二層地面平齊并可承重，不占用二層房間的空間。而且上伸縮壁畫卷簾和轎廂壁畫伸縮卷簾展開平行于墻面，下伸縮壁畫卷簾收攏，對垂直升降軌道機構進行遮擋[1-3]。

圖2 電梯位于一層示意圖

乘坐人需要乘坐電梯從一層升至二層時，通過立柜型電梯轎廂的前門隱形拉手打開前門，前門開合聯動機構聯動上蓋開合聯動機構打開上蓋。乘坐人進入立柜型電梯轎廂內，前門關閉，立柜型電梯轎廂底部的自鎖踏板機構受到乘坐人的壓載后通過前門開合聯動機構將前門自鎖，自鎖踏板機構通過上蓋開合聯動機構將上蓋保持翻開狀態。電梯升至二層停放后，自鎖踏板機構同步解鎖，乘坐人打開前門走出立柜型電梯轎廂，前門開合聯動機構關閉前門聯動上蓋開合聯動機構關閉上蓋。

電梯停放在二層位置時，如圖3 所示，柜式電梯轎廂呈家用立柜形狀靠墻停放在二層地板上，不占用二層房間的空間，而轎廂上頂同步停放在二層天花板下，不占用一層房間空間。而且下伸縮壁畫卷簾和轎廂壁畫伸縮卷簾展開平行于墻面，上伸縮壁畫卷簾收攏，對垂直升降軌道機構進行遮擋，保證了墻壁的完整與美觀。

圖3 電梯位于二層示意圖

當二層高度高于一層高度時，伸縮立柱彈簧將轎廂上伸縮立柱頂起，轎廂上伸縮立柱與轎廂下伸縮立柱的高度伸長，再通過轎廂高度自適應變距機構實現定位固定。當二層高度低于一層高度時，伸縮立柱彈簧將上伸縮立柱壓縮，轎廂上伸縮立柱和轎廂下伸縮立柱的高度減小，再通過轎廂高度自適應變距機構實現定位固定[4-6]。

2 垂直升降軌道機構的設計

2.1 垂直升降軌道的選材

由于電梯的軌道受壓而且要求韌性好，通過查找文獻[7]可得，丁字鋼為碳素結構鋼，碳含量為0.25%左右，抗壓強度在410～540 MPa 之間，彈性模量為200～220 GPa 且焊接性能與韌性良好。因此選用由丁字鋼左右焊接形成電梯軌道，丁字鋼的尺寸規格為：寬B200 mm×高度H100 mm×腹板厚度t18 mm×翼緣厚度t212 mm。垂直升降軌道如圖4 所示。

圖4 垂直升降軌道

通過檢索文獻[7]查表可得慣性矩IX=185 cm4，IY=801 cm4，慣性半徑iX=2.4 cm，iY=4.99 cm，截面模數WX=22.3 cm3，WY=80.1 cm3，重心CX=1.73 cm。

2.2 垂直升降軌道的強度校核

根據《GB 7588—2003 電梯制造與安裝安全規范》中的要求，本類型電梯導軌計算許用應力σperm和變形要求為：正常使用載荷情況σperm=165 MPa；導軌的最大計算允許變量δperm=5 mm。

當電梯處于正常使用運行工況時，電梯導軌強度及撓度校核計算如下：

由于該電梯是家用室內電梯，因此可忽略電梯本身重量和負載重量對電梯重心位置的影響。假設當乘坐人乘坐電梯時，轎廂整體的重心在轎廂正中心。將導軌分為四部分，取其中一部分進行受力分析，導軌受力圖如圖5 所示。

圖5 導軌受力圖

2.2.1 彎曲應力σm 的計算

電梯最大載重160 kg，電梯整體質量取240 kg，則G=240×9.8=2 352 N。

電梯的轎廂長為800 mm，寬為700 mm，高為1 040 mm，重心到導軌的水平距離S=400 mm，則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 撓度δX、δY 的計算

導軌支架間的間距l=400 mm，導軌彈性模量最小值，Emin=200 GPa，δXmax、δYmax的計算如下：

可見，在正常使用工況下，本類型電梯選用導軌的強度及撓度校核符合《GB 7588—2003 電梯制造與安裝安全規范》中的要求。

3 傳動系統的選材設計

由于本電梯適用于二層樓房或復式居室使用，傳動的距離較短。而齒輪齒條傳動適于低層樓房，能保證恒定的傳動比，工作平穩可靠性高，有效地增強了電梯在運行中的平穩性與安全性。齒輪選用黃銅，齒條選用高強度的工業尼龍，在齒輪與齒條嚙合時噪聲很小，同時選用黃銅和工業尼龍作為齒輪齒條的材料可以不用進行潤滑[8]。

4 伸縮立柱的設計

4.1 伸縮立柱的選材

伸縮立柱采用矩形管制成，它是以Q235 熱軋或冷軋帶鋼或卷板為母材經冷彎曲加工成型后再經高頻焊接制成的方形截面形狀尺寸的型鋼，因此它的強度較高、塑性韌性好。通過檢索文獻[9]查得，其材料主要性能為：彈性模量為210 GPa，比例極限σp=200 MPa，其許用安全應力為170 MPa，安全因數nst為3.0。

相比于圓管，矩形管有較大的慣性矩和截面模數，有較大的抗彎、抗扭能力，從結構上來說矩形管具備減輕自身重量和節省鋼材的優點。

4.2 伸縮立柱的設計計算

通過檢索文獻[9]選出伸縮立柱外管與內管的相關參數，如表1 所示。

表1 伸縮立柱外管與內管的參數

由此確定外管的高度L1為900 mm，內管的高度L2為600 mm。

5 結語

室內隱形可變高度垂直電梯屬于微形垂直電梯，乘坐人數為2 人，最大承載重量為160 kg，具有占地面積與空間小、運行平穩快捷、制造和運行成本低、安全性好等特點，解決了室內安裝垂直電梯困難的問題，對促進我國室內垂直電梯的推廣應用和發展具有重要的現實意義和良好的應用前景。