基于連通器原理的電梯動態(tài)平衡驅(qū)動系統(tǒng)

大多數(shù)情況下，電梯的轎廂載重與配重冗余的質(zhì)量不同。電梯在運行過程中，因電機兩側(cè)質(zhì)量不均導致電機需在維持配重物與轎廂平衡上消耗大量電能，克服質(zhì)量差做的無用功占了電梯總做功的大部分。如果能減少甚至消除電梯運行時的質(zhì)量差，電梯的耗能將大大降低。

能不能設計一種新的電梯運行方式，使電梯隨時保持配重與轎廂載重的平衡，從而節(jié)省電能？對此我展開了探究。

一、研究思路

通過實驗驗證，在相同條件下，電梯在轎廂總重與配重平衡時的運行耗電量更少。

尋找能便捷改變轎廂與配重相對質(zhì)量的方式，如選擇合適的配重物等。通過理論計算，初步證明電梯新運行方式的總耗能更低。

設計制作采用新運行方式的電梯模型，通過測試驗證該方式的總耗能是否低于原有運行方式的總耗能，最后對運行系統(tǒng)進行改進和優(yōu)化。

二、設計方案

在電梯底部加裝配重水箱，用連通器連接兩個水箱。水箱內(nèi)的蠕動泵可通過調(diào)節(jié)轎廂總重與配重的相對質(zhì)量以保持平衡。控制水流，保證配重不會隨意變動。

（一）結(jié)構(gòu)設計

在原有電梯的結(jié)構(gòu)上增加測重模塊、蠕動泵、虹吸管與Arduino控制模塊。

（二）程序設計

預設2個變量X、Y，X為轎廂質(zhì)量，Y為配重水箱質(zhì)量。當轎廂質(zhì)量變化時，Arduino模塊控制水泵及電磁閥工作，讓轎廂與配重水箱重新保持平衡。

三、設計制作

網(wǎng)購電梯結(jié)構(gòu)件、Arduino模塊、重量傳感器、蠕動泵等，應用3D打印技術打印配重水箱、滑輪、紅外對射模塊等。之后我做了兩代樣機，用第一代樣機進行了測試。

（一）情景列舉

單人、多人上樓（從底層至頂層）；單人、多人下樓（從頂層至底層）；多人上樓，中途有人下電梯；單人從頂層開始下樓，中途不斷有人上電梯。

四、實驗測試

（二）理論計算

模擬場景為：電梯載人從底層升至頂層，樓層為30層，即每次運行上升高度約為100 m。計算動態(tài)平衡耗能時僅計算水泵耗能。運行過程中若不計算摩擦力，電機耗能可忽略不計，故省略。

計算電梯在現(xiàn)有方式下運行時，電機為克服質(zhì)量差所做的功（未計算摩擦力）。各模擬場景中，設定一名乘客的質(zhì)量為50 kg，轎廂質(zhì)量為500 kg，原有運行方式配重為750 kg。

由理論計算數(shù)據(jù)可看出，該機制運行時方式單一，且在部分情況下耗能大于原有運行機制耗能，故需針對不同載重設計不同的運行方式。經(jīng)過研究計算，針對部分情況以及電梯在實際生活中的運行方式，整理出一套包含多種運行情況、運行總體耗能低于原運行方式的機制。

（三）實際運行測試

該實驗是為了證明：電梯在轎廂質(zhì)量與配重平衡時的耗能低于轎廂質(zhì)量與配重有質(zhì)量差時的耗能。實驗模擬數(shù)據(jù)為：載重500 g，運行時質(zhì)量差為500 g，無質(zhì)量差時載重與配重均為500 g。

（四）實驗結(jié)論

電機運行無質(zhì)量差時的耗能低于電機運行有質(zhì)量差時的耗能，即轎廂質(zhì)量與配重平衡時的耗能低于轎廂質(zhì)量與配重有質(zhì)量差時的耗能。

五、改進設想

利用人工智能將運行時的耗能進一步降低，且在出現(xiàn)緊急情況時（如停電、火災、地震導致電機停運）利用備用電池供電，將電梯停靠至安全樓層。

六、創(chuàng)新點

（一）將原有電梯的配重方式改為動態(tài)平衡，大大降低了電梯運行中的耗能。

（二）將電梯配重物換成液體，便于調(diào)節(jié)轎廂總重與配重的相對質(zhì)量。

（三）通過連通器連接電機兩側(cè)用來配重的水箱，這樣可在部分情況下無需利用水泵調(diào)節(jié)配重，從而節(jié)省部分電能。（指導老師：張才友）

專家點評

覃呂同學的基于連通器原理的電梯動態(tài)平衡驅(qū)動系統(tǒng)，是一件富有原創(chuàng)性的發(fā)明作品。這項作品的選題與解題方式是基于“求別解”的發(fā)明思路，即用全新的原理、方法、結(jié)構(gòu)或材料解決已有的課題，使其更具時代感并超出原有的效果。

“求別解”的典型例子就是電子表的問世。機械表發(fā)明幾百年之后，人們想使它制作更簡單、時間更精準，隨著電子技術的發(fā)展，20世紀60年代初，電子表就因這一思路而誕生。而本文中這項發(fā)明的完成，充分體現(xiàn)了覃呂同學具有良好的創(chuàng)新精神和科研潛質(zhì)，能挑戰(zhàn)原有的思路與方法，給電梯以全新的注釋。

今年6月11日，習近平總書記給中國科學院院士、清華大學教授姚期智回信，向他致以誠摯問候的同時，給予了“希望你帶領大家繼續(xù)探索創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)模式，推動學科交叉與前沿創(chuàng)新，打造高水平的人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新基地”的殷切囑托，我們備受鼓舞。同學們就要像覃呂這樣，通過發(fā)明實踐，自覺朝著科創(chuàng)人才方向努力奔跑。

（欄目編輯" 秦銀銀）