關于動平衡節能型電梯對重系統研究的論文

　　隨著我國城鎮化的進展，建筑能耗的總量在逐年上升，在能源總消費量中所占的比例已從上世紀七十年代末的10%，上升到27.45%，逐漸接近三成[1]。而國際上發達國家的建筑能耗一般占全國總能耗的33%左右。以此推斷，隨著城市化進程的加快和人民生活質量的改善，我國建筑耗能比例最終還將上升至35%左右[2]。如此大的比重，建筑耗能已經成為我國經濟發展的軟肋。在民用住宅類建筑中，電梯的能耗占到建筑總能耗的5%左右，而在商用辦公寫字樓，電梯能耗占建筑能耗占比高達7%，電梯已成為建筑中除制冷制暖和照明電氣外最大的能耗開支，生產節能環保型電梯刻不容緩[3]。

　　1 靜態平衡電梯能耗浪費嚴重

　　目前在用電梯絕大多數采用曳引驅動式結構，曳引機是由安裝在機房的電動機聯合減速器、制動器等組成，曳引鋼絲繩通過曳引輪連接轎廂和對重，轎廂與對重裝置的重力使曳引鋼絲繩壓緊在曳引輪繩槽內；當曳引電動機驅動曳引輪轉動時，鋼絲繩與與曳引輪繩槽之間的摩擦力通過鋼絲繩拖動轎廂和對重在井道中沿導軌往復升降，實現電梯的垂直運輸功能。

　　轎廂與對重的運動依靠曳引繩和曳引輪之間的摩擦力來實現的，這種力被稱為曳引力。電梯運行的簡化圖如圖2所示。

　　要使電梯運行，曳引力T必須大于或等于曳引繩中較大載荷力T1與較小載荷力T2之差，即T≥T1-T2。當T1=T2時，曳引輪兩側載荷相等，曳引輪與鋼絲繩之間摩擦力為最小值，是電梯運行的最佳條件[4]。

　　受限于電梯的使用場合，電梯轎廂的負重是變化的， 電梯運行時，轎廂載荷變化范圍在轎廂空載和滿載之間。目前所有的曳引式電梯的對重重量是一個固定值，一般根據平衡系數0.4～0.5確定對重重量，在不同的場合有所不同，由于T1為變量，T2為常量，電梯在運行時曳引力T必然會跟隨T1-T2的差而變化。以電梯上行為列，如果此時電梯滿載，運動圖如圖3所示：

　　轎廂滿載上行的情況下，曳引系統需要克服重力做功，此時電機所需功率很大，消耗能力巨大。

　　當轎廂空載上行時，T1為最小值，運動圖如圖4所示。

　　此時依靠對重的勢能釋放即可拉動轎廂上行，但由于T2與T1之間差值過大，造成對重中存儲的勢能浪費嚴重。

　　目前市場上的電梯都采用靜態平衡系統，轎廂載荷會因為載客數量發生變化，而對重的重量始終保持不變，由此造成對重和轎廂的重力不平衡，使得滿載上行過程中曳引系統需要克服重力消耗能力，在空載上行時對重存儲的勢能又浪費流失，轎廂下行時與上行類似。

　　2 動平衡電梯國內外同類研究現狀

　　目前期刊論文文獻關于電梯節能的文獻較多，主要研究電梯節能技術的四個方向，永磁同步曳引電梯、變頻器再生能量回饋節能技術、電梯群控節能技術和共直流母線節能技術[5]。其中變頻器再生能量回饋技術與本課題研究的動態平衡電梯有一定類似。變頻器再生能量回饋技術將電梯浪費的勢能轉化為電能反饋回電網，達到節能的目的。該節能方式將儲存的勢能很好地利用起來，但勢能經過機械轉化為電能再通過變頻器送入電網，中間能量流失過大。動平衡電梯直接將勢能儲存起來，損耗較小，比變頻器再生能量回饋技術節能效果更好。

　　在部分專利中，提出電梯對重系統的動態調節機構，主要方法有兩種，第一是將電梯對重的重物塊分解為若干細小單元，在每一層存儲足夠的對重單元，電梯在啟動運行之前，通過機械結構加減對重的重量來達到轎廂與對重等重的目的。這種對重調節方式機械結構復雜，目前仍停留在研究階段。第二種方式為液態的對重重量調節，結構復雜且時效性差，也處于研究階段。

　　3 動平衡電梯的方案設計

　　通過對現在文獻的查閱，目前在研究的電梯動態平衡方案有兩種，一種是將對重分解為若干小的單元，通過設計機械結構實現對重的加減。另外一種是液態調節的方法，利用液體的流動性來調節電梯對重的重量。這兩種方法需要設計復雜的機械結構，目前還未有應用，尚處于理論研究階段。

　　利用變傳動速度的方式可以實現轎廂側和對重側鋼絲繩拉力的相等，在電梯對重系統的對重側增加變速機構，根據傳感器測得的轎廂側重量來改變對重側相對轎廂側的速度比。系統方案如圖5所示：

　　電梯的平衡系統通過變速機構實現動態的平衡，對重側懸掛轎廂滿載時的重量，當轎廂滿載時轎廂與對重的運行速度為1：1，當轎廂空載時運行速度為1：1/N，以此達到左右曳引系統左右兩側拉力相等的目的。

　　本系統的關鍵是設計適用電梯的變速機構，用于普通交通的變速機構如汽車變速箱，發電設備變速機構，齒輪箱等不能直接用于電梯的。電梯用變速箱輸入輸出端均為鋼絲繩，且載荷變化比較頻繁，在變速箱結構設計上應當滿足電梯的特性。

　　4 結束語

　　通過基于變速結構的電梯動態平衡系統的設計以及該系統變速箱的設計，實現電梯的對重系統的動態平衡，對于電梯能耗的降低具有非常巨大的現實意義。特別是對于那些客流量較大的電梯，能量的節約將更為顯著。

　　參考文獻：

　　[1]國務院關于加快發展節能環保產業的意見[Z].國發[2013]30號，2013-8-1.

　　[2]田學成.電梯節能技術的現狀與研究方向[J].低碳世界，2016（19）：266-267.

　　[3]趙麗麗.我國建筑能耗現狀分析[J].住宅與房地產，2016（30）：25.

　　[4]沈石林.基于建筑節能的電梯群控研究[D].華中科技大學，2008.

　　[5]白金光.住宅區電梯節能改良的綜合措施探究[J].中國高新技術企業，2014（13）：74-75.

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