CN104709802B - 一种采用船闸输水原理提升的电梯及其运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种与电机驱动原理不同的根据船闸输水原理设计且利用水力驱动的垂直升降电梯，包括位电梯轿厢、滑轮系统和钢丝绳，还包括沿电梯井深度方向设置在电梯井两侧的竖井、设置在竖井内的浮筒、通过充水管道与泄水管道与竖井连通的蓄水池，充水管道上接有充水泵，所述泄水管道上设有泄水阀；通过电梯底部输水系统向竖井充泄水来驱动平衡重运动进而带动轿厢运行，水力系统所利用的水均来自电梯系统下部的蓄水池。本发明比传统升船机更节能环保，而且提高了电梯运行的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电梯，具体的说是一种与电机驱动原理不同的根据船闸输水原理设计且利用水力驱动的垂直升降电梯及其运行控制方法。
背景技术
垂直升降电梯是一种服务于规定楼层的固定式升降设备，其装有箱状吊舱，主要用于多层建筑乘人或载运货物，习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。
人类利用升降工具运输货物、人员的历史非常悠久。早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统，这套系统的基本原理至今仍无变化：即一个平衡物下降的同时，负载平台上升。早期的升降工具基本以人力为动力。1203年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机，结束了用人力运送重物的历史。英国科学家瓦特发明蒸汽机后，起重机装置开始采用蒸汽为动力。紧随其后，19世纪中期，威廉·汤姆逊研制出用液压驱动的升降梯，液压的介质是水，至今仍在低层建筑物上应用。1852年，美国的E.G.奥蒂斯研制出钢丝绳提升的安全升降机。80年代，驱动装置有进一步改进，如电动机通过蜗杆传动带动缠绕卷筒、采用平衡重等。19世纪末，采用了摩擦轮传动，大大增加电梯的提升高度。20世纪末电梯采用永磁同步曳引机作为动力，大大缩小了机房占地，并且具有能耗低、节能高效、提升速度快等优点，极大地助推了房地产向超高层方向发展。
现代传统电梯的工作原理是曳引绳两端分别连着轿厢和平衡重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和平衡重的升降运动，全程通过电力驱动达到运输目的，电梯频繁运行用电量相当可观。同时，虽然电梯有多重安全装置，但易出问题的地方也不少，有人因为电梯开关门异常而被夹到过，有人碰到过电梯按钮失灵，显示屏黑屏看不清楼层的情况，有人经历过直掉几层楼的险境，调查显示，超过20％的受访者称曾遇到过电梯故障。
在世界能源大量消耗和日益短缺的今天，“节能、环保、安全”是对设备提出的新要求。针对目前城市高楼中昼夜频繁运行的电梯的高耗电性和高故障率等问题，如何设计一种采用低耗、安全的装置替代原电力驱动的升降装置，是有待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种采用船闸输水原理提升的电梯及其运行控制方法，利用水力驱动为主的运行方式代替传统电梯电力驱动的运行方式，使电梯工作更节能环保、具备更高的安全性。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种采用船闸输水原理提升的电梯，包括位于电梯井内的电梯轿厢、用于带动电梯轿厢运行的滑轮系统和钢丝绳，滑轮系统包括定滑轮和动滑轮；还包括沿电梯井深度方向分别设置在电梯井两侧的左竖井和右竖井、分别设置在左竖井和右竖井内的左浮筒平衡重和右浮筒平衡重、通过充水管道与左右竖井连通以及通过泄水管道与左右竖井连通的装有水的蓄水池；充水管道上接有充水泵，充水泵的上游侧充水管道上设有止回阀，泄水管道上设有泄水阀；左竖井的上部设有左定滑轮，右竖井的上部设有右定滑轮，左浮筒平衡重的上部设有左动滑轮，右浮筒平衡重的上部设有右动滑轮，电梯轿厢的左侧通过左钢丝绳连接左定滑轮和左动滑轮，其右侧通过右钢丝绳连接右定滑轮和右动滑轮，左右钢丝绳的一端都固定在电梯轿厢上，另一端都固定在竖井上。
本发明还提出一种采用船闸输水原理提升的电梯的运行控制方法，包括以下步骤：
⑴关闭泄水阀，开启充水泵向竖井内充水，浮力驱动浮筒平衡重上升，从而由滑轮组、钢丝绳带动电梯轿厢下降，电梯下行；
⑵关闭充水泵，开启泄水阀，竖井泄水，重力驱动浮筒平衡重下降，从而由滑轮组、钢丝绳带动电梯轿厢上升，电梯上行；
⑶关闭充水泵，关闭泄水阀，浮筒平衡重在浮力作用下维持平衡，电梯轿厢静止，电梯停靠，电梯停靠后通过控制充水泵或泄水阀的开户或关闭，使电梯按步骤⑴或⑵继续运行。
这样，在轿厢两侧设置竖井，竖井底部布置输水系统，平衡重置于竖井内具有一定淹没深度受浮力作用，电梯的上/下行通过输水系统充/泄水实现，电梯的运行速度通过控制输水系统阀门的开度精确控制，通过输水系统的充泄水，利用浮力驱动平衡重，带动轿厢运行，简单实用。因为在浮力变化一定的条件下淹没深度变化与平衡重截面积成反比，因此为了减小轿厢载重变化引起的位移，提高电梯运行的平稳性，应尽量增加平衡重浮筒的截面积，但平衡重浮筒截面积的增加，竖井截面积也会相应增加，这样就会造成输水流量以及水泵功率的增加；因此综合考虑，提高电梯井空间的利用率，竖井设置成两个，沿电梯井深度方向布置在电梯井两侧；另外，通过在充水泵上游侧安装止回阀，防止竖井水体回流，保证充水管路内水流的单向性。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述的采用船闸输水原理提升的电梯，其中充水泵采用控制电机频率变化调节流量的变频水泵，通过大流量提高电梯的运行速度，通过小流量使电梯减速确保电梯在各层的平稳停靠；泄水阀采用通过控制阀门开度调节流量的锥阀或球阀，通过控制阀门开度提高轿厢运速度以及实现电梯在各层的平稳停靠。
前述的采用船闸输水原理提升的电梯，其中左定滑轮和右定滑轮上都设有制动器，在电梯轿厢侧钢丝绳与浮筒平衡重侧钢丝绳上均安装拉力传感器，通过控制充水泵和泄水阀向竖井充/泄水至拉力传感器拉力平衡后，松开制动器，电梯继续运行。电梯停靠时，由于人员进出轿厢会造成轿厢载重变化，从而引起浮筒淹没深度变化，导致轿厢位置改变难以停靠，因此在停靠过程中制动器可以投入使用，使轿厢位置固定，同时在轿厢侧钢丝绳与浮筒侧钢丝绳安装拉力传感器，通过控制充水泵和泄水阀向竖井充/泄水至拉力传感器拉力平衡后，松开制动器，电梯继续运行。
前述的采用船闸输水原理提升的电梯，其中左竖井和右竖井内的最低水位离其底部出水口大于等于3.0m，用以减小出口水流对浮筒平衡重的扰动。
前述的采用船闸输水原理提升的电梯，其中左浮筒平衡重和右浮筒平衡重的总重量大于等于所述电梯轿厢和载重之和的2倍。
相较于传统垂直升降电梯，本发明的优点是：
⑴安全稳定，当轿厢荷载发生变化时，平衡重浮筒淹没水深会相应变化使轿厢与平衡重浮筒之间达到新的平衡状态，故系统一直处于平衡状态，不会发生极端事故,解决了传统电梯出现故障时会急速升降等极端事故状态下的安全问题。
⑵节约能源，电梯下行时，泄水阀门关闭，开启充水泵向竖井充水，需要耗费一定电力；电梯上行时，充水泵停止工作，开启泄水阀门，竖井泄水，重力驱动浮筒下降，实现轿厢上升，不需要耗电。
⑶维护方便，本作品电梯系统较简单，电梯的上下行通过充泄水来控制，仅有蓄水池注水和管道维修，和传统机械式电梯相比，省去机械提升系统定期繁琐的维护工作。
⑷用途广泛，水力系统所利用的水均来自电梯系统下部的蓄水池，为保证水的循环利用，多雨季节通过收集雨水来给蓄水池供水，干旱季节通过特定管道人工加水，蓄水池既可作为居民小区储水区汇集雨水，又可为小区绿化、清洗、消防等用水提供水源。
总之，本发明是一种与电机驱动原理完全不同的新型电梯，根据船闸输水原理设计，利用水力驱动的垂直升降电梯，相比于传统电梯，水力驱动电梯具有耗电少、节能环保、安全性高等优点，且本发明节能环保，提高了工程安全性，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2是本发明电梯下行状态图。
图3是本发明电梯上行状态图。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种采用船闸输水原理提升的电梯，结构如图1所示，包括位于电梯井内的电梯轿厢1、用于带动电梯轿厢运行的滑轮系统和钢丝绳，滑轮系统包括定滑轮和动滑轮；还包括沿电梯井深度方向分别设置在电梯井两侧的左竖井2a和右竖井2b、分别设置在左竖井和右竖井内的左浮筒平衡重3a和右浮筒平衡重3b、通过充水管道4与左右竖井连通以及通过泄水管道5与左右竖井连通的装有水的蓄水池6；充水管道4上接有充水泵7，充水泵7的上游侧充水管道上设有止回阀8，泄水管道5上设有泄水阀9；左竖井2a的上部设有左定滑轮10a，右竖井2b的上部设有右定滑轮10b，左浮筒平衡重3a的上部设有左动滑轮11a，右浮筒平衡重3b的上部设有右动滑轮11b，电梯轿厢1的左侧通过左钢丝绳12a连接左定滑轮10a和左动滑轮11a，其右侧通过右钢丝绳12b连接右定滑轮10b和右动滑轮11b，左右钢丝绳的一端都固定在电梯轿厢上，另一端都固定在竖井上。在浮力变化一定的条件下淹没深度变化与平衡重截面积成反比，因此为了减小轿厢载重变化引起的位移，提高电梯运行的平稳性，应尽量增加平衡重浮筒的截面积，但平衡重浮筒截面积的增加，竖井截面积也会相应增加，这样就会造成输水流量以及水泵功率的增加；因此综合考虑，提高电梯井空间的利用率，竖井设置成两个，沿电梯井深度方向布置在电梯井两侧；另外，通过在充水泵上游侧安装止回阀，防止竖井水体回流，保证充水管路内水流的单向性。
充水泵7采用控制电机频率变化调节流量的变频水泵，通过大流量提高电梯的运行速度，通过小流量使电梯减速确保电梯在各层的平稳停靠；泄水阀9采用通过控制阀门开度调节流量的锥阀或球阀，通过控制阀门开度提高轿厢运速度以及实现电梯在各层的平稳停靠。
左定滑轮和右定滑轮上都设有制动器13，在电梯轿厢侧钢丝绳与浮筒平衡重侧钢丝绳上均安装拉力传感器，通过控制充水泵和泄水阀向竖井充/泄水至拉力传感器拉力平衡后，松开制动器，电梯继续运行。电梯停靠时，由于人员进出轿厢会造成轿厢载重变化，从而引起浮筒淹没深度变化，导致轿厢位置改变难以停靠，因此在停靠过程中制动器可以投入使用，使轿厢位置固定，同时在轿厢侧钢丝绳与浮筒侧钢丝绳安装拉力传感器，通过控制充水泵和泄水阀向竖井充/泄水至拉力传感器拉力平衡后，松开制动器，电梯继续运行。
本实施例的电梯的运行过程具体为：
⑴电梯下行，如图2所示，关闭泄水阀，开启充水泵向竖井内充水，浮力驱动浮筒平衡重上升，从而由滑轮组、钢丝绳带动电梯轿厢下降，电梯下行；电梯下行充水泵需要耗费一定电力，充水泵采用变频水泵调节流量，大流量提高电梯的运行速度，小流量时电梯减速确保电梯在各层的平稳停靠，此外，在充水泵上游侧安装止回阀，防止竖井水体回流，保证充水管路内水流的单向性；
⑵电梯上行，如图3所示，关闭充水泵，开启泄水阀，竖井泄水，重力驱动浮筒平衡重下降，从而由滑轮组、钢丝绳带动电梯轿厢上升，电梯上行；电梯上行不需要耗电，泄水阀采用锥阀或球阀等可通过控制阀门开度精确调节流量的工业阀门，既能提高轿厢运速度又可以实现电梯在各层的平稳停靠；
⑶关闭充水泵，关闭泄水阀，浮筒平衡重在浮力作用下维持平衡，电梯轿厢静止，电梯停靠，电梯停靠后通过控制充水泵或泄水阀的开户或关闭，使电梯按步骤⑴或⑵继续运行；电梯停靠时，由于人员进出轿厢会造成轿厢载重变化，从而引起浮筒淹没深度变化，导致轿厢位置改变难以停靠，因此在停靠过程中制动器可以投入使用，使轿厢位置固定，同时在轿厢侧钢丝绳与浮筒侧钢丝绳安装拉力传感器，通过控制充水泵和泄水阀向竖井充/泄水至拉力传感器拉力平衡后，松开制动器，电梯继续运行。
本实施例的目标市场是小于10层的居民楼，对电梯运行速度要求较低的老旧小区，以6层为例设计水力式电梯。
基本参数：载重量F1＝1000kg(13人)
轿厢净重F0＝1200kg
轿厢尺寸1.1m×2.1m(净宽*净深)
轿厢门宽0.8m
每层楼高3.0m
轿厢最大行程15.0m
容易理解，在浮力变化一定的条件下淹没深度变化与平衡重截面积成反比，因此为了减小轿厢载重变化引起的位移，提高电梯运行的平稳性，应尽量增加平衡重截面积；同时兼顾到平衡重截面积的增加(竖井截面积增加)会造成输水流量以及水泵功率的增加。综合考虑，提高电梯井空间的利用率，竖井沿电梯井深度方向布置在电梯井两侧。
(1)竖井与平衡重截面积计算
本例设计方案中，平衡重浮力变化为轿厢侧载重变化的2倍，即2000kg,若平衡重淹没深度变化为2.0m，则平衡重的截面积需达到1㎡，初步确定竖井宽度为0.25m，竖井长度与电梯井深度相当，平衡重与竖井间隙为0.03m，则平衡重总截面积为0.85㎡，竖井总截面积为1.15㎡，此时，平衡重淹没深度变化2.35m。
(2)平衡重高度、重量计算
平衡重总重量：平衡重总重应不小于轿厢、载重之和的2倍，同时克服摩擦力等阻力的情况下带动轿厢上行，即:F2>2(F0+F1)＝4400kg。长方体平衡重可由铁板焊接而成，其中长方体底部铁板需配重计算，平衡轿厢净重，在本例条件下估算底部铁块厚度约为h0＝0.36m，合2420kg，轿厢内载重变化则通过平衡重内注水配重，应配水重大于2000kg,即水深h1>2.35m。
为了保证平衡重在运行过程中不脱空，水深留有0.3m富余量，设计水深h1＝2.65m；同时，平衡重顶部高出水面0.35m，由此可确定平衡重高度h2＝3.36m。平衡重总重约为F2＝4680kg。
(3)蓄水池尺寸计算
本例电梯最大运行高度15m,则浮筒行程7.5m，竖井水位变幅为9.85m。蓄水池出水量大于9.33m3,根据竖井外围尺寸确定蓄水池面积为3m×3m,高4.0m,水深2.5m。蓄水池最高水位上部留有1.5m空间布置输水管道系统及水泵、阀门等设备。
(4)水泵性能参数及主管直径的确定
设计水力式电梯运行速度为0.2m/s,则平衡重运行速度为0.1m/s，因此输水系统流量(即充水泵流量)应满足0.115m3/s。
设计竖井最低水位离竖井底部出水口(与底层相平)3.0m，以减小出口水流对平衡重的扰动；则根据竖井水位及蓄水池水位变幅,可知竖井与蓄水池水位差为4.5m～15.35m。其中7.5m为电梯在最大运行距离(6层)时竖井充水产生的竖井水位高度变化，2.35m为电梯荷载变化最大(13人全上/全下)时，竖井与平衡重间隙充水引起的竖井水位变化。
根据水泵轴功率计算公式P＝rgQH，计算可得，在水头变化为4.5m～15.35m时，水泵功率变化为5.1～17.3KW，设计变频功率的电机实现水泵变频调节，满足设计要求，则水泵工作的平均功率为11.2KW。根据所选泵型，选择相匹配的主管直径。
上述只是本发明中的一个实施例，根据工程实际情况的不同，本发明还有其它实施方案。凡是采用浮力驱动平衡重升降从而带动轿厢运行的技术方案均落在本发明要求的保护范围内。总之凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种采用船闸输水原理提升的电梯，包括位于电梯井内的电梯轿厢、用于带动电梯轿厢运行的滑轮系统和钢丝绳，所述滑轮系统包括定滑轮和动滑轮；其特征在于：还包括沿电梯井深度方向分别设置在电梯井两侧的左竖井和右竖井、分别设置在左竖井和右竖井内的左浮筒平衡重和右浮筒平衡重、通过充水管道与左右竖井连通以及通过泄水管道与左右竖井连通的装有水的蓄水池；所述充水管道上接有充水泵，所述充水泵的上游侧充水管道上设有止回阀，所述泄水管道上设有泄水阀；所述左竖井的上部设有左定滑轮，所述右竖井的上部设有右定滑轮，所述左浮筒平衡重的上部设有左动滑轮，所述右浮筒平衡重的上部设有右动滑轮，所述电梯轿厢的左侧通过左钢丝绳连接左定滑轮和左动滑轮，其右侧通过右钢丝绳连接右定滑轮和右动滑轮，所述左右钢丝绳的一端都固定在电梯轿厢上，另一端都固定在竖井上。
2.如权利要求1所述的采用船闸输水原理提升的电梯，其特征在于：所述左定滑轮和右定滑轮上都设有制动器，在电梯轿厢侧钢丝绳与浮筒平衡重侧钢丝绳上均安装拉力传感器，通过控制充水泵和泄水阀向竖井充/泄水至拉力传感器拉力平衡后，松开制动器，使电梯继续运行。
3.如权利要求2所述的采用船闸输水原理提升的电梯，其特征在于：所述左竖井和右竖井内的最低水位离其底部出水口大于等于3.0m，用以减小出口水流对浮筒平衡重的扰动。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述电梯的运行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴关闭泄水阀，开启充水泵向竖井内充水，浮力驱动浮筒平衡重上升，从而由滑轮组、钢丝绳带动电梯轿厢下降，电梯下行；
⑵关闭充水泵，开启泄水阀，竖井泄水，重力驱动浮筒平衡重下降，从而由滑轮组、钢丝绳带动电梯轿厢上升，电梯上行；
⑶关闭充水泵，关闭泄水阀，浮筒平衡重在浮力作用下维持平衡，电梯轿厢静止，电梯停靠，电梯停靠后通过控制充水泵或泄水阀的开户或关闭，使电梯按步骤⑴或⑵继续运行。
5.如权利要求4所述电梯的运行控制方法，其特征在于：所述步骤⑶中，通过在左定滑轮和右定滑轮上设置制动器，在电梯轿厢侧钢丝绳与浮筒平衡重侧钢丝绳上均安装拉力传感器，电梯停靠时，开启制动器，浮筒平衡重在浮力作用下维持平衡，电梯轿厢静止，通过控制充水泵和泄水阀向竖井充/泄水至拉力传感器拉力平衡后，松开制动器，通过控制充水泵或泄水阀的开户或关闭使电梯按步骤⑴或⑵电梯继续运行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160413 |