CN87101991A - 建筑节能电梯 - Google Patents

Abstract

建筑节能电梯是一种新型的电梯，它是根据机械能守恒定律的原理，将载人与重物下行时势能的减少量通过流动工质水储存起来，当载人与重物上行时再把能量释放出来进行作功。节能电梯的对重重量能根据轿厢重量的变化而进行调整，从而使电梯在运行时对重的重量能完全平衡轿厢的重量。电梯在运行时，所需电机的功率只要能克服运行中的摩擦阻力即可，从而大大减小了电机功率，使耗电量得到节约，同时还能减小振动和噪音，降低造价。它是各种住宅楼、旅馆、医院理想的运载工具。

Description

节能电梯是一种完全新型的电梯，在现行的电梯家族里根本找不到它的踪影，如果一幢12层的楼房，每层有4户，按装上这样的电梯所耗的的电量一般在二十瓦左右，它使用方便移运速度较快，在正常的运载情况下，从一楼到4楼只需半分钟左右，而从1楼到12楼也只需2分钟左右。尽管在现行的各类电梯中找不到它的模型、但是它的基本组成和工作原理都是完全建立在现有的科学技术基础之上的。例如它的力学原理应用了牛顿的机械能守恒定律，它的自动协调系统参考了王懋瑶主编的《液压传动与控制》一书中的电液比例控制理论，它的自动控制部分参考了李仁主编的《自动化装置及其应用》一书中的顺序控制理论及北京工业学院沈世锐主编的《电工学》下册，继电接触与控制理论。同时还参考了〔苏〕B·C布乐克沃尼可夫编的《电梯安装》等书箱。节能电梯的产生是需要付出巨大的脑力劳动和花费一定的经济代价的，那么为什么要发明它呢？我们知道现行的现代化电梯已经相当完善，它具有高级的轿厢和精密的电机控制系统。借助于计算机它能在任一层呼唤轿厢，随行呼唤等等，它能使乘客得到最大的便利，可是由于它造价高，耗电大而且有的电梯还需要专门的驾驶员操作，从而限制了它在住宅楼中的应用，致使许多五层六层甚至八层的民用住宅都不能按装电梯，那些怀孕的妇女，年迈的老人和小孩以及那些身体不佳的人们有谁不望着这些高层住宅而生畏呢，每当买米买煤的时候用自己的肩膀把这些重物搬到四楼也是很不好受的。发明节能电梯的目的就在于让每一幢楼房都能按装上这种经济实用的运载工具，从而减轻载人与运货的负担，而且人们不必为停电发愁、因为停电后只要有一个电瓶向控制部分供电，而上下运行可以用一个驱动机构象骑自行车一样的很轻松的骑到上端，这些都不是空想，而是完全可以实现的，下面将分别说明书能电梯的力学原理，基本构造和工作过程：

一、节能电梯的力学模型

机械能守恒定律告诉我们，对于一个由若干物体所组成的系统。如果只有万有引力和弹性力对它们作功，其它内力和外力都不作功，那么系统内物体的动能和势能可以互相转换，但它们的和是一个恒量，我们知道当一个人从一楼的底部运动到四楼时，要利用人体内部肌肉的张驰来克服重力作功，使自身的势能得到提高。设上升高度为h，那么势能的增加量就为mgh，一个人从四楼的底部运动到一楼重力要反过来对人体作功，此时人体的势能减少量同样为mgh，而因势能的减少所作的功完全被人体肌肉的张驰及人与地面的摩擦力所低消，如图1所示，如果我们把上述过程进行演化，把从一楼通向四楼的台阶式楼梯用一个光滑的轨道代替，载人小车可在光滑的轨道上运行。如图2所示，设甲上楼时乙正好下楼，在两小车中间用钢绳相联，同时假设甲、乙两人和小车的重量分别都相等，绳重不计，这样两小车便处于相对静止状态，此刻当外界给一个初速后，由于不计各种运动阻力，小车便匀速运动，从而达到甲上下楼的目的，过程完毕后甲和小车的势能增加，乙和小车的势能减少，但对于由甲、乙两人和小车组成的系统来说能量并没有减少，只不过是甲和乙的能量进行了互换，也就是说在完成了甲上楼乙下楼的过程后，外界没有向系统提供任何能量。如果反过来乙再上楼甲再下楼，过程还是和前面一样，当然，在实际过程中还必须要消耗一部分能量用来克服各种运行阻力，上述过程是对一个假设由2人组成的系统而言的，我们进一步取整幢楼房和楼房中的所有人员为研究对象不难发现，楼房中的每个人每天上楼的次数和下楼的次数完全相同，如果从能量的观点来看，楼房中所有的人每天下楼时势能的减少量 $\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i\mathrm{g\; h}{}_i$ （下）一定等于所有的人每天上楼时势能的增加量 $\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i\mathrm{g\; h}{}_i$ （上）当然其中应排除极个别特殊情况，如某家庭的子女考上大学后，要到外地读书，对于这个大学生来说，他下楼后就乘火车离开了这座城市，在最近的一段时间里他不再上楼。可以肯定，在正常情况下，每个人有一次上楼必定有一次下楼，那种上一次楼下二次楼或上二次楼下一次楼的情况是完全不存在的。节能电梯的功能实际上就是设法把人们下楼时势能的减少量通过某种工质储存起来，然后当人们上楼时再把它释放出来进行作功，如此循环不断的工作便能达到运载目的。

二、工作原理

节能电梯分上行梯和下行梯两部分。上行梯专门负责把载人与重物运送到轨道的上端，下行梯专门负责把载人与重物运到轨道的下端。一幢12层的楼房共有三节运载轨道，分别架设在1至4层、四至八层、八至十二层，每节电梯的构造完全相同。轨道与楼房水平面的夹角为45。图3为其中一节的工作原理图。当上行梯把载人与重载运到轨道上端时，需从上储水箱取出一部分略大于载荷重量的水放进运动水箱，使载人与重物上行，运载完毕后运动水箱中的水在轨道下端被放入下储水箱，然后运载小车在控制系统作用下回到原来位置。上行梯的功能就是不断将上储水箱中具有势能的水拿来作功，不断地将载人与重物运到轨道上端，而下行梯则利用载人与重物下行时的势能不断将下储水箱中的水提升到上储水箱，使载人与重物下行时势能的减少不断转变成水的势能。在上行梯工作的过程中为了保证运载小车能匀速上行，必须使运动水箱的总重量大于运载小车的总重，其两者的重量之差用来克服运行中的各种阻力，从而保证上行任务的完成。而当下行梯在把载人与重物运送到轨道下端时小车的总重又必须大于运动水箱的总重，才能保证下行任务的完成。在这里我们不难看出，上行梯和下行梯在工作时由于克服阻力所消耗的功是不能通过互相间势能的转换得到的。比如说一位60公斤重的乘客通过上行梯运动到四楼时，这时上行梯的运动水箱要从上储水箱取出65公斤的水才能维持匀速运动，而当60公斤重的乘客通过下行梯从四楼下降到一楼时，下行楼的运动水箱只能将55公斤的水提升到四楼的上储水箱，这样便造成了上储水箱回水不足的现象。只要存在运动阻力，这种回水不足的现象就不可避免，但是这种回水不足的现象随着运动阻力的减少而减少。为了克服这种回水不足的现象，我们可以用一个小电机来克服运行中的阻力，从而使从上储水箱中取出的水与回进的水相等即都等于载荷重量。或者利用楼房中每户洗衣服、淘米洗莱的水通过下水道流进上储水箱，再从上储水箱流进运动水箱，这样便能补充回水不足的现象，采用这样方案能使节能电梯的耗电量降低到低限度。其示意图如图4所示。每户的废水经过水池中过滤网后进入上储水箱。我们假设每户每月用3吨水，每天每户平均可向上储水箱提供100公斤的水，这样便能解决回水不足的现象。

三、上行梯的构造简图和工作过程

如图所示，上行梯由上行梯轨道〔4〕，运载小车〔1〕，缓冲器〔2〕，电磁制动器〔3〕、运行控制器〔14〕、运动水箱〔1〔13〕，上行梯加速电机〔5〕，减速器〔6〕，上行梯上储水箱〔8〕，上行梯下储水箱〔9〕、止回钧〔11〕、钢绳〔10〕人力运行驱动器〔12〕等构件组成。

上行梯在一般情况下处于相对势能最低的位置，随时准备接待需要上行的乘客。当载人进入小车后，由于载人对小车底部的重力作用，使支承在弹簧上的底板在重力作用下向下移动，移动量随重力的大小而变化，并通过传感机构转变成相应的电信号输入到控制系统，从而使流进运动水箱的水量能根据载荷的大小而得到控制，运行的全过程是：当载人进入运载小车后掀下起动按钮，在控制系统的作用下上储水箱电磁阀门打开向运动水箱供水，当运动水箱中的水重略大于上行梯和载人总重时，电磁阀门打开向运动水箱供水，当运动水箱中的水重略大于上行梯和载人总重时，电磁阀门关闲，供水自动停止，然后上行梯止回钧在电磁铁吸力作用下打开，加速电机工作使小车产生0.5米/秒的加速度，小车达到1米/秒的速度后，加速电机停转小车匀速前进，当小车运动到接近终点时，电磁制动器进行减速制动，最后小车与缓冲器相碰，并与止回钧挂钧，当载人离开小车后，活动底板在弹簧的作用下回复到原来位置，同时由微动开关打开运动水箱的电磁阀门，运动水箱在轨道的下端向上行梯的下储水箱排水，排水完毕后，上行梯止回钧打开，此时小车自重大于运动水箱的重量，小车下行，当接近终点时，电磁制动器使小车减速，最后小车到达终点，并与下止回钧挂钧，工作过程全部结束。此时小车又处于起始位置继续准备接待上行的乘客。

下行梯的构造和工作过程与上行梯基本一样，只是下行梯的运载小车在不工作时处于轨道的最上端，随时准备接待下行的乘客，另外下行梯的轨道两端比上行梯的轨道两端各长1～1.5米，如图5所示〔1〕为上行轨道，〔2〕为下行轨道，△h是轨道差，这是为排水方便，而设计的轨道差。

四、节能电梯四大主要部分的说明

1、运载轨道

运载轨道是承受动动载荷和起导向作用的主要构件，它由2米长的水泥楼板铺放在砖墙上面构成，如图6所示，〔1〕运载轨道，〔2〕砖墙，运载小车的车轮就在上面运动，其形式就象火车的车轮在轨道上行驶相似，下沟槽供吊住运动水箱，并能使车轮在上面自由滚动。一幢12层的楼房需这样的轨道三节分别设在1～4层，4～8层，8～12层。轨道的架设可根据不同的楼房和层数而进行设计，运载轨道是节能电梯的重要构件，它的质量直接关系到运行的可靠性，安全性和经济性。

2.运载小车

运载小车为开式框架结构，其结构如图11所示，在小车的底部按装有活动底板〔1〕，底板由固定在框架底部的弹簧〔2〕所支承，为了使活动底板能始终保持水平运动，并尽量减小活动底板上下运动的阻力，提高对载荷的灵敏度，在底板的前后左右分别按装4只向心推力轴承〔4〕，从而保证底板的水平运动。运载小车在满足强度要求的前提下，应尽量减轻重量，小车的尺寸以一次可容纳4名乘客为准。

3、小车载重量与运动水箱重量的相互协调系统。

在小车载人上行时，为了保证运动水箱总重约大于小车总重，以维持小车的上行运动，必须有一个协调系统能根据小车载重量的变化而自动控制向运动水箱的供水量，这样的协调系统为小车载荷与运动水箱的重量协调系统，系统的工作原理可用方块图表示。图8为协调系统的方块图，结构原理图如图9所示，它有下列构件组成：〔1〕运载小车〔2〕活动底板〔3〕可变电阻〔4〕电磁铁外壳〔5〕电磁线圈〔6〕活动杆〔7〕导杆〔8〕储水箱〔9〕浮子〔10〕触点〔11〕电磁阀门〔12〕运动水箱〔13〕电源〔14〕铁芯。

自动协调系统是根据小车载荷的变化而使输到电液比例控制器的信号按比例变化，以达到控制供入运动水箱水量的目的它按开环系控制，输入信号通常以电压的形式处理放大后向电液比例阀的电磁铁输送直流电流，电磁铁以输入电流成一定比例的电磁力作用在比例控制器铁芯上，使之产生一定的拉力，克服弹簧力产生相应的位移，铁芯的位移使扛杆产生一定的转角、扛杆又顶起活动顶杆，使固定在活动顶杆上的继电器触点处在一定的高度，当储水箱中的水位在供水过程不断降低时，水箱中的浮子也一起下降而固定在浮子上的继电器触点也跟着下降，一但一对触点接通，电磁阀立即关闭供水停止，从而达到控制目的。

4、电梯运行控制电路

电梯的控制系统是根据电梯的工作状况用继电器、接触器，行程开关等电器元件按顺序地进行自动控制，图10为上行梯的运行控制电路图，电梯由鼠笼式感应电动机提供动力，电源通过主刀开关接到电动机及电磁铁上，控制电路由交流220供电，也可降压使用。控制过程如下：当截人进入运载小车后，活动底板向下运动，行程开关CK₁接通，按下起动按钮QA后，继电器C₂工作，上储水箱控制阀打开向运动水箱供水，当运动水箱总重等于小车和载荷总重时，继电器常开触点C₂接通，联锁触点C₂断开C₁失电供水停止，在C₂工作的同时常开触点C₂接通，C₃工作，继电器C₃使脱钧电磁铁工作（脱钧）并使运行电机接通、当运载小车达到一定的速度后，K接通C₄工作，电机转入正常运行，当运行到接近终点时，行程开关CK₂接通C₅工作进行减速制动，电梯运行到终点后小车与止回钧挂钧，终端行程开关CK₃接通C₈工作，运动水箱的电磁阀打开向下储水箱排水，排水完毕、载人离开底板后，底板回复到原位，开关K₂接通，止回钧打开，此时小车自重大于运动水箱自重电梯空载下行，接近终点行程开关CK₄接通，制动电磁铁工作，小车减速运行，最后小车到达起始位置并与下止回钧挂钧，工作过程全部结束。电梯在工作过程中既可以将载人与重物同时运载到上层或下层也可将重物单独运送到上层或下层，在将重物单独运载时，只要把重物放到小车活动底板上后，将车外按一下起动按钮即可。

五、节能电梯的其它形式

节能电梯的基本原理就是利用水作为流动工质，把载人与重物下行时的势能减小量储存起来，当载人与重物上行时再把能量释放作功，从而达到运载目的。如果我们把现行的梯井式电梯加以改进，将能使现行的电梯大大地减少耗电量，达到节能目的。我们知道，梯井式电梯上的对重是用来平衡轿厢和载荷重量的，当轿厢和载荷的重量与对重的重量相等时，这种不计提升钢绳重量的系统认为是完全平衡的，在电梯运行时电动机仅消耗克服摩擦力的能力，但是当轿厢和载荷的重量与对重不能保持平衡时，电动机还要克服对重重量与装载不足的轿厢重量之差，使电梯大大消耗电能。如果我们把目前电梯中使用的固定式对重改为可调式对重，使对重的重量在运行时始终与轿厢的总重相等，从而可以取消电梯由于不平衡所造成的电能消耗，使电梯在运行时只消耗克服摩擦力的能量，这样就可以大大节能电梯的用电量、而且由于电梯使用了小功率的电机。噪音和振动将大大减少，这种可调对重式电梯的简图如图12所示，它由下列构件组成：〔1〕轿厢〔2〕钢绳〔3〕可调对重水箱〔4〕梯井〔5〕摩擦轮〔6〕机房〔7〕活动水管〔8〕储水池这种可调对重式电梯是在梯井的每一层上增设一个储水池〔8〕、当电梯在每一层平层后，随着载人的进进出出，轿厢重量发生变化，并通过传感器及控制机构使对重的重量发生相应变化，其工作过程如下：设电梯在某一层刚停留时，梯门打开，此时对重水箱中的活动水管〔7〕在电磁铁的作用下转动一定角度使水管口伸入储水池2。当载人和重量在轿厢里进出完毕后，轿厢和载荷的总重有一个确立的大小，可调对重水箱中的水泵在控制系统的作用下进行吸水或排水，从而使对重与轿厢的重量保持平衡，平衡后活动水管转回原来位置，电梯开始工作，通过这样的改进，原来电梯中使用的大功率电机可用小功率电机代替。这类运行电机只要能克服运行中的摩擦阻力即可。

当然，建筑节能电梯并不仅仅适用于在楼房中应用，它在其它一些领域仍然有用武之地，比如在山区，需要经常地把重物从山的一边运到另一边，就可以采用这种运载工具。在港口码头也可以运用这种运载工具把甲货物从船上运到岸上，再把乙货物从岸上运到船上。诸如此类的应用是很广泛的。我们可以相信这种运载工具通过人们的不断更新一定会具有强大的生命力。

节能电梯的最大优点是电能，消耗少、结构简单，使用方便。它能使每一幢楼房都按装上电梯成为可能。我们假设有一部节能电梯，每次运行的额定载荷是300公斤，轿厢重量200公斤，对重800公斤，a＝1米/秒滚动摩擦系数 ＝0.002那么滚动阻力为：

F＝uwg＝0.002×1000×9.8＝19.6N

所需功率为P＝FV＝19.6×1＝19.6瓦

即一部额定载荷为300公斤的节能电梯正常运行时只需20瓦的电机即可。节能电梯操作简单使用方便。它不但可同时载人和重物也可单独把重物运到一定的楼房。如果住宅楼都装上这样的电楼一定会给人们带来很大的方便。

尽管节能电梯的构思比较新颖。但是它的生产和制造并不复杂，它首先应由建筑设计部门根据不同的楼房和层数对运载轨道（或梯井），储水箱进行总体布局，合理的按排运载轨道（或梯井），储水箱的位置，尽量使人员交通方便、具体施工由建筑部门完成，至于运载小车（或轿厢）等其它构件可由电梯制造厂生产制造。

以上说明的主要内容是节能电梯的力学原理，构造简图和工作过程。由于它是新生的，而且又缺少实践的检验，再加上本人水平的限制，一定会存在各种问题，本人衷心的希望它能在祖国的怀抱里，通过不断的改进而成长完善。

Claims (4)

1、建筑节能电梯是一种完全新型的电梯，它是根据机械能守恒定律的原理，将载人与重物下行时位能的减少量通过流动工质(水)储存起来，当载人与重物上行时再把储存的能量释放出来进行作功，从而达到运载目的。节能电梯的运动水箱(或对重)的重量可以根据运载小车(或轿厢)载荷的变化而自动调节，从而使电梯在运行时运动水箱(或对重)的重量与运载小车(或轿厢)的重量完全平衡。节能电梯的特征在于：

(a)节能电梯的结构由上行梯和下行梯两大部分组成，上行梯专门负责把载人与重物从楼房的低层运送到高层。下行梯专门负责把载人与重物从高层运送到低层。载人与重物的上下运行靠运载小车(或轿厢)完成。在运行中，当载人与重物下行时，其势能的减少量通过流动工质(水)将能量储存于上储水箱(8)，当载人与重物上行时，再通过流动工质(水)把储存的能量释放出来进行作动运载小车在光滑的运载轨道上运行，运载轨道与地面的夹角约在45°-90°范围内。

(b)节能电梯的自动控制系统采用顺序控制电路，载荷重量与运动水箱的重量由一个自动协调装置进行调节，从而使得运动水箱的重量始终随着载荷重量的变化而作相应的调节。

2、根据权利要求1所述的结构，其特征是，在停电时可用一个人力驱动装置（12）完成运载工作，此时只需一个蓄电池向控制系统供电。运载小车上下运行可以利用人力驱动装置象踩自行车一样轻松的上下运行。

3、根据权利1所述的结构，其特征是：为了进一步达到节能目的，节能电梯可利用楼房中每户每天向外排放的废水所具有的位能通过管道从高处向低处逐级流入储能水箱，向运载系统提供能量，最后废水从楼房位能最低的位置排出下水管道。

4、根据权利要求1所述的结构，其特征是：当运载轨道与地面夹角成90°时，即变为梯井式电梯结构，梯井的每一层均设有储能水箱，当电梯从任一层开始运行前，轿厢的载重量通过传感系统传送到自动协调系统，使可调对重水箱中的水泵根据载荷及运动情况决定进行吸水或抽水，从而保证可调对重的重量能完全平衡轿厢的重量。

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