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關于動平衡節(jié)能型電梯對重系統(tǒng)研究的論文
隨著我國城鎮(zhèn)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(fā)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(zhì)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(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)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(chǎn)節(jié)能環(huán)保型電梯刻不容緩[3]。
1 靜態(tài)平衡電梯能耗浪費嚴重
目前在用電梯絕大多數(shù)采用曳引驅(qū)動式結(jié)構，曳引機是由安裝在機房的電動機聯(lián)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(nèi)；當曳引電動機驅(qū)動曳引輪轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(cè)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(jù)平衡系數(shù)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(tǒng)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(tài)平衡系統(tǒng)，轎廂載荷會因為載客數(shù)量發(fā)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(tǒng)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(nèi)外同類研究現(xiàn)狀
目前期刊論文文獻關于電梯節(jié)能的文獻較多，主要研究電梯節(jié)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(jié)能技術、電梯群控節(jié)能技術和共直流母線節(jié)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(tài)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(zhuǎn)化為電能反饋回電網(wǎng)，達到節(jié)能的目的。該節(jié)能方式將儲存的勢能很好地利用起來，但勢能經(jīng)過機械轉(zhuǎn)化為電能再通過變頻器送入電網(wǎng)，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(jié)能效果更好。
在部分專利中，提出電梯對重系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)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(jié)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(diào)節(jié)方式機械結(jié)構復雜，目前仍停留在研究階段。第二種方式為液態(tài)的對重重量調(diào)節(jié)，結(jié)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(xiàn)在文獻的查閱，目前在研究的電梯動態(tài)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(jié)構實現(xiàn)對重的加減。另外一種是液態(tài)調(diào)節(jié)的方法，利用液體的流動性來調(diào)節(jié)電梯對重的重量。這兩種方法需要設計復雜的機械結(jié)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(xiàn)轎廂側(cè)和對重側(cè)鋼絲繩拉力的相等，在電梯對重系統(tǒng)的對重側(cè)增加變速機構，根據(jù)傳感器測得的轎廂側(cè)重量來改變對重側(cè)相對轎廂側(cè)的速度比。系統(tǒng)方案如圖5所示：
電梯的平衡系統(tǒng)通過變速機構實現(xiàn)動態(tài)的平衡，對重側(cè)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(tǒng)左右兩側(cè)拉力相等的目的。
本系統(tǒng)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(fā)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(jié)構設計上應當滿足電梯的特性。
4 結(jié)束語
通過基于變速結(jié)構的電梯動態(tài)平衡系統(tǒng)的設計以及該系統(tǒng)變速箱的設計，實現(xiàn)電梯的對重系統(tǒng)的動態(tài)平衡，對于電梯能耗的降低具有非常巨大的現(xiàn)實意義。特別是對于那些客流量較大的電梯，能量的節(jié)約將更為顯著。
參考文獻：
[1]國務院關于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的意見[Z].國發(fā)[2013]30號，2013-8-1.
[2]田學成.電梯節(jié)能技術的現(xiàn)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(xiàn)狀分析[J].住宅與房地產(chǎn)，2016（30）：25.
[4]沈石林.基于建筑節(jié)能的電梯群控研究[D].華中科技大學，2008.
[5]白金光.住宅區(qū)電梯節(jié)能改良的綜合措施探究[J].中國高新技術企業(yè)，2014（13）：74-75.
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