科创中国

"112. 电梯安全类项目群

负责人：刘马宝

所在学院：航天学院

项目简介

近年来，电梯故障和事故时有发生。据国家质检总局统计，2018年全年，全国共发生电梯事故32起，死亡23人，电梯安全问题仍不容小觑。

目前电梯所用的超速保护装置主要有限速器、制动器和安全钳。虽然电梯安全规程规定，制动器和安全钳必须由限速器以机械联动的方式来操纵，禁止使用由电气、液压或气压装置来操作安全钳。但限速器的速度检测功能仍由电信号控制，依旧存在限速功能失灵的可能。且随着电梯的使用和老化，限速器轮槽的磨损、限速器夹绳钳动力不足、安全钳钳口异物等问题都会导致限速器失效，而限速器能否正常动作对安全钳的制动起着至关重要的作用。

当电梯由于牵引力不足、控制失灵或制动失灵发生轿厢墩底时，缓冲器将吸收轿厢的动能，提供最后的保护，以保证人员和电梯结构的安全。目前所用的缓冲器对于缓冲行程、适用冲击速度、缓冲期间减速度有较为严苛的规定，仅能对超越极限位置的轿厢起冲顶及墩底保护，面对电梯高速下坠时几无缓冲救生作用。一旦发生电梯坠落事故，现有的电梯缓冲器所能起的作用极为有限。

针对如上电梯安全问题，西安交通大学刘马宝教授从革新缓冲器及监测电梯健康状态两方面入手，在电梯物联网、安全等方向开展了多项研究工作，取得了诸多成果，其中“机械式电梯坠落减速缓冲救生装置”项目获得了2016年全国科技工作者创新创业大赛金奖，后续研究成果也都申请有专利。

1.基于剪切增稠液的电梯坠落减速救生装置

本减速救生装置是基于剪切增稠液在冲击过程中的吸能机理而开发，其运行不依靠任何控制装置，完全由预先设计的剪切增稠液及减速活塞等机械装置来完成电梯超速时的减速工作。

本装置包括固定在电梯坑底两侧的剪切增稠液缸体，滑动设置在剪切增稠液缸体内的减速活塞。其中，减速活塞上开有多个用于剪切增稠液流过的通孔，减速活塞通过钢丝绳绕过电梯轿厢顶部的滑轮与电梯轿厢相连接；剪切增稠液缸体的顶部设置有密封缸盖，密封缸盖上预留一部分空间用于储存由于钢丝绳及减速活塞的运动溢出的剪切增稠液，并使储存的剪切增稠液自行回流至剪切增稠液缸体中；剪切增稠液以纳米二氧化硅/聚乙二醇（SiO2/PEG）为分散体系。

电梯下行时，带动钢丝绳与减速活塞，自剪切增稠液缸体的底部沿剪切增稠液缸体向上运动；电梯上行时，在减速活塞的自重作用下，减速活塞连同钢丝绳一起沿剪切增稠液缸体向下运动；正常运行时，剪切增稠液呈液态，在减速活塞上分布的通孔中自由流动；当电梯超速运行达到额定速度的115％或相关设定超限速度时，剪切增稠液的剪切应力随剪切速率的增大而增大，减速活塞在剪切增稠液中运动的阻尼增大，起到减速的作用；同时，电梯正常运行时，减速活塞会在剪切增稠液缸体中随电梯一起运动，起到防止剪切增稠液长期静置出现分层的作用，从而达到使用效果。

本减速救生装置，结构简单，与现有的限速器和安全钳的安全装置相比，能够做到不依靠任何电气化控制设备，完全利用减速增稠液的特殊性质以及该装置的特点，实现电梯意外坠落时的减速缓冲作用；同时，本发明所用剪切增稠液制备简单，成本较低，且该装置中减速活塞的往复运动，可以起到对剪切增稠液缸体内的剪切增稠液的搅拌作用，防止长时间静置而出现分层，从而影响剪切增稠液的实际使用效果。

2.基于固体剪切吸能的电梯缓冲器

本缓冲器基于固体剪切吸能原理，利用剪切框架内壁上各层剪切棒逐层发生剪切变形和断裂吸收能量，辅之以蓄能型或耗能型电梯缓冲器受压缩吸能，并使电梯在缓冲阶段的减速度控制在人体可承受过载的范围以内，以实现电梯坠落时的缓冲保护作用。

该电梯坠落缓冲救生装置安装在电梯井道底部的基坑内，包括剪切框架，安装在剪切框架内壁的剪切棒，用螺栓、销钉或其他形式固定在剪切棒上方的蓄能型或耗能型电梯缓冲器及其底板。

当电梯控制设备失灵，安全钳无法制动导致电梯轿厢高速坠落到缓冲救生装置上半部的电梯缓冲器时，电梯缓冲器行程压缩使冲击能量转换为弹性势能或热能；轿厢继续压缩其行程的过程中，缓冲器底板与剪切框架的螺栓或销钉联接失效，遂带动电梯缓冲器及其底板一同向下运动，其中底板与剪切框架内侧剪切棒发生剪切，由于剪切棒受到冲击，发生剪切变形甚至断裂，将冲击能量吸收并转换为变形能；电梯缓冲器受到压缩，加之各层剪切棒从上到下依次被剪断，电梯坠落时的冲击动能逐层减小，从而防止了电梯高速坠落到坑底时对人体造成的伤害。

本缓冲救生装置为纯机械式装置，能够做到不依靠任何电气化控制设备，可靠性高。当电梯发生坠落时，通过电梯缓冲器的压缩和剪切棒的剪切变形实现吸收电梯坠落的冲击动能的作用。与现行的缓冲器设计相比，本装置增加了剪切框架与剪切棒，此改进使得坠落电梯能以多次短时间高过载的减速方式将坠落速度减至安全速度，且坠落期间最大减速度低于人体过载的耐受极限。本缓冲救生装置制造成本低，结构简单，且符合现行《电梯制造与安装安全规范》，可根据电梯坑底的实际状况进行相应的设计。同时，若剪切棒与剪切框架通过螺纹连接，当装置起作用后，已变形或断裂的剪切棒也将易于更换。

3.基于物联网的电梯健康实时监测系统

本系统采用独立于电梯电气系统的三向加速度传感器采集电梯运行时的相关数据，实时监测、提前诊断并解决异常或故障。其具体实现方式如下：整套电梯健康实时监测系统，通过三向加速度传感器和电梯控制系统互相连接实现。

三向加速度传感器安装在轿厢上，与轿厢一起上下运动获取轿厢运行状态数据。可获取电梯轿厢三个方向的加速度数据。

电梯控制系统包括数据转换模块、数据融合模块、判断模块、异常分析模块、异常/故障消除模块和异常/故障信息发送模块。

（1）数据转换模块在接收到传感器发送的数据后，通过时域-频域转换算法对数据进行时域到频域的转换，得到当前电梯状态的频域特征值或特征曲线。

（2）数据融合模块是通过智能融合算法，不断对采集到的频域特征值或特征曲线进行自学习，并缩小频域特征值或特征曲线的偏差范围，然后将优化后的频域特征值或特征曲线进行组合或集合，得到当前电梯运行状态值或状态曲线。

（3）判断模块可通过判断当前电梯运行状态值或状态曲线是否产生设定范围外的变化，判断出当前电梯是否有异常或故障产生，实现故障的自诊断功能。

（4）异常分析模块，用于在判断出当前电梯有异常产生时，分析异常是否有导致故障的风险，从而实现故障的预诊断功能，若分析结果为可能导致故障，则会通知维保人员解决故障。

（5）异常/故障消除模块，用于在异常有导致故障的风险，或有故障产生时，调整或修改运行状态值或状态曲线，从而控制电梯消除异常或故障。

（6）异常/故障信息发送模块，用于在异常有导致故障的风险，或有故障产生时，将异常或故障信息发送到移动设备或云端，并通知到相关人员或相关部门，由相关人员或相关部门消除异常或故障。

其中轿厢上安装有判断模块，直接判断传感器所监测数据是否异常，以检测突发故障，并将数据比对后所得出的故障代码经平台发送给维保人员。

全过程的监测数据保存在数据处理终端的存储器内，监测数据经处理后，一方面作为监测结果可视化后在物联网平台进行展示；另一方面，代入自诊断及预诊断系统进行健康诊断，并将诊断结果（健康状况及趋势）反馈至物联网可视化平台及维保人员。

4.基于固体剪切吸能的安全智能型电梯轿厢

此系统集成了固体剪切吸能式电梯缓冲器及电梯健康实时监测系统。

首先，轿厢基本形式与现有电梯轿厢相同，区别在于轿厢四周安装有剪切吸能式缓冲装置，包括剪切板，剪切单元。其中剪切板平行于井道壁布置于电梯轿厢的四周，并与轿厢一起运动，通过剪切单元与电梯轿厢的承重框架连在一起，剪切板长度超出轿厢底部一定距离。当电梯发生坠落及蹲底时，剪切板首先与地面接触，使剪切单元发生剪切破坏；当电梯发生冲顶时，最上两层剪切单元发生剪切破坏；此过程不依靠控制装置，完全由预设计的剪切单元与剪切板的作用来吸收能量，实现电梯坠落时的缓冲作用。

其次，轿厢上安装有三向加速度传感器，与轿厢一起上下运动获取轿厢运行状态数据。可获取电梯轿厢三个方向的加速度数据。采用独立于电梯电气系统的三向加速度传感器采集电梯运行时的相关数据，可实时监测、提前诊断并解决异常或故障。轿厢上还可安装其他种类传感器，诸如红外线传感器，以实现对轿厢内乘员生命体征的实时监测，防止出现需救助乘员在电梯内

其中轿厢上安装有判断模块，直接判断传感器所监测数据是否异常，以检测突发故障，并将数据比对后所得出的故障代码经平台发送给维保人员。

全过程的监测数据保存在数据处理终端的存储器内，监测数据经处理后，一方面作为监测结果可视化后在物联网平台进行展示；另一方面，代入自诊断及预诊断系统进行健康诊断，并将诊断结果（健康状况及趋势）反馈至物联网可视化平台及维保人员。"