电梯延时安全气囊系统设计*

摘要：本文介绍了该电梯延时安全气囊设计思路、工作原理和硬件设计，最后给出了模拟实验装置及测试结果。

*项目基金：浙江省高校实验室工作研究项目（NO.YB201819）

作者简介：王晓玮（2000—），女，山西大同，研究方向：电气工程及其自动化。

0 引言

电梯作为多高层建筑结构中的重要构件，除担负客货运输外，还兼有消防功能。在电梯普遍使用的情况下，由于直压式电梯底坑缓冲装置缓冲行程小, 性能差, 高处坠落、挤压、撞击吊笼倾翻等安全事故仍频频发生^[1]。

2019 年全国共发生特种设备事故和相关事故130 起，死亡119 人，其中，涉及电梯的事故就有33 起，死亡29 人，其中最常见的是冲顶或蹲底事故。电梯设有电气和机械等多重安全装置，如果这些安全装置一旦失灵，造成电梯制动器故障，制动装置无法正常工作，电梯处于失控状态；电梯撞击梯井底部时会由较大速度直接降为零，在极短时间内，人体会受到极大的冲击力，造成蹲底或冲顶伤亡发生。

近年来，针对电梯蹲底和冲顶事故的安全设施方案层出不穷，例如根据气流量控制气囊的收放来弹出气囊的缓冲气囊，采用机械式动断开关的电梯层门，固定人的身形来减震的电梯缓冲扶手，这些新产品成本偏高，保护乘客效果并不明显。假如电梯真的是从高层急速掉了下来，缓冲器也不能完全保障电梯内的乘客的生命安全。因此电梯内部针对乘客安全问题的设施，仍需要不断强化^[2]。

本文在现有研究项目基础上，融入了“人性化思维为导向的绿色理念”^[3]，设计了安置在电梯内保护乘客生命安全的气囊。电梯安全气囊的装配使用，能够给电梯内乘客一个减震，防冲撞的作用，使电梯乘坐安全有了更大的安全保障^[4]。本文详细介绍了气囊的工作原理以及硬件设计，本款气囊对比于无法控制的气流量型气囊有着更节能，反应更为敏捷的优点。

1 工作原理

电梯延时安全气囊设计时需考虑物理动量定理和能量守恒定律，根据较为准确的气囊保护原理以及防人体上冲受伤原理，通过计算得出数据，从而保证电梯内乘客一定的安全性。

1.1 气囊下坠人体保护原理

根据动量定理，如果在较短时间内物体由较大速度降为零，人体将受到极大的冲击力，极易造成死亡。假设人体质量为m，电梯质量为M，电梯坠落瞬间人体的初速度为v1，电梯初速度为v2，由于气囊充入空气，故质量可忽略。气囊变厚的速度为V ' ，该速度也是人与电梯的相对速度。

由式（1）（2）可推导出

电梯开始坠落时，加速度异常， V ' 立即产生，同时v1 和v2 的存在，故人体做初速度为-v1，加速度为g的匀加速直线运动，电梯做初速度为v2，加速度为g 的匀加速直线运动。增加气囊后，增大了电梯与梯井底部的撞击时间，从而使得气囊在弹出这段较短时间内对人体产生的冲击力减小，人体受到的冲击力小，即人所能获得的向上冲的初速度减小。保证在相同速度变化下，人体受到的冲击力降低，由此保证乘客的生命安全。依据能量守恒定律，可得出结论：气囊中的气体对人所做的功恰好等于人所能承受最大冲击力与气囊的厚度的乘积，从而实现气囊对人体的安全保护作用。

1.2 气囊防人体冲顶原理

根据物理学动量定理和体积流量的计算公式（体积流量= 平均流速× 管道截面积），并通过高压气阀的控制，可以排除使得气流保持一定流速，对气囊进行充气，由此来控制气囊增加厚度的速度。假设人体高度为h，电梯高2.3 m，电梯下坠时间为t，为防冲顶，首先必须满足下式。

假设楼层处于平均居民楼高度30 层，楼层每层高度为2.1 m，电梯下坠时间为t30，人体身高为1.9 m。再根据运动学公式

两式联立后，人体向上运行的距离减短时，再通过公式

其中，F 为人体所能承受的最大力，假设该值为人体重力的10 倍，通过控制充气速度在一定范围内从而控制电梯对人体的产生的冲力。通过式(3)- 式(7) 的计算，当电梯气囊的充气速度控制在≥ 0.094 1 m/s 时，一个身高1.9 m 且体重为标准85 kg 的人，不会因为气囊瞬时弹出产生的冲击力冲顶受创，保障了人身安全。对于大部分人，身高一般低于1.9 m，更加不会有冲顶的危险，这就排除了使用该气囊使人体冲顶受创产生伤亡的可能。

电梯在自由下落过程中一直保持充气状态，在落地时，充气结束，气囊充气时间即为电梯做匀加速直线运动的时间。本装置通过控制气囊充气速度保证人体不会受过大冲击力上冲至头顶受伤甚至有生命危险，故具有一定的安全性。

2 系统硬件设计

电梯延时安全气囊系统包括数据采集模块、数据分析模块、监测传感器、控制模块等部分，如图1 所示。

图1 电梯安全气囊系统

数据采集模块对电梯运行过程中的加速度进行采集；数据分析模块对采集模块采集到的每一时刻的加速度数据进行分析，并迅速和电梯正常运行时的加速度进行比较，判断电梯的加速度变化幅度是否在正常范围内。当电梯运行时的加速度超过正常值的范围，控制器就会得到启动指令控制电机转动速度，电机转动的同时带动气瓶阀门的打开，当气阀转动90°之后，气瓶中的气体即可通过气阀充入到气垫中，起到保护电梯内的乘客的作用。

监测传感器实时监测电梯运行情况，判断电梯运行加速度异常情况，电梯运行是否存在故障。当监测到故障信号时能够及时把报警信号以短信的形式传到相关维修人员以及救援队处，提高电梯事故的存活率。

2.1 电路设计

主控芯片采用STM32 芯片（如图2），该模块构成微控制系统，该系统具有实用性强、稳定性好、精度高等优点^[5]。

图2 STM32系统模块图

加速度驱动模块是通过ADXL345 传感器实时采集电梯运行过程中的加速度数据, 然后将数据送到单片机STM32 进行处理, 并判断电梯的运动状态是否异常^[6]。在模拟设计中，加速度传感器将收集比较后超出运行正常加速度范围的数值（2~6 m/s2）迅速反馈给控制器，操控电磁阀旋转气阀，使得气瓶对气囊进行充气（如图3）。

图3 加速度驱动模块原理图

蓝牙报警模块通过STM32 和X-CUBE-BLE1 的组合应用，完整实现了Eddystone 设备的开发。该开发方式不仅降低了传统上蓝牙应用开发的难度, 而且极大缩短了产品开发周期^[7]。该模块与蓝牙模块所构成的遥测终端机已在实际工程中得到了成功应用, 其高稳定性和可靠性可为各种应用提供准确的实时数据[8]（如图4）。

图4 HC-06蓝牙报警模块图

2.2 气囊

气囊采用地板凹陷式安全气囊，如图5 所示。该气囊膨胀后占电梯桥箱空间较小，即使完全展开也只占电梯不到1/5 的空间，效益远高于其他类型的气囊^[9]。气囊安装在电梯内部的底部，静止时与平面地板无明显差异，当气囊充满气后，气囊顶部也始终处于平面状态，具有一定的稳定性。

(a)安全气囊未释放时

(b) 安全气囊释放后

图5 电梯气囊示意图

3 实验装置及测试结果

实验模拟装置用亚克力板搭建成200×300×350 mm3的梯身，梯身底部夹层放置硬件装置的驱动模块，采用一米高铝合金导轨模拟电梯坠落时的梯井，如图6 所示。

图6 电梯实验模型示意图

模拟实验时利用导轨控制电梯运行方向来模拟实际电梯运行情况，使电梯桥箱在2.4 m 的高度直接坠落，模拟电梯在经过一系列安全措施直到最后的缓冲器时的速度（如图7）。

图7 实验装置夹层实物图

对电梯安全气囊系统各模块进行了调试，模拟电梯坠落情况时，气囊能迅速弹出，同时监测模块10 s 内能发出求救信息，求救信息页面如图8 所示。

图8 求救信息页面

实验是在一定高度对电梯模型释放并记录数据，每进行100 次实验，将各项目取一个平均值，并根据有效数据统计气囊释放的成功率（如表1）。

表1气囊测试数据记录表

4 结论

本文设计的电梯安全延时气囊，通过物理动量定理和能量守恒定律，分析了气囊保护原理以及防人体上冲受伤原理，通过计算得出较为准确的充气速度；硬件设计由STM32 单片机监测反馈加速度的异常，控制充气速度，并增加了蓝牙报警的功能，使得相关工作人员可以第一时间到达现场实施救援，很大程度上提升了意外发生时乘客的生还率。该设计若完善研发，产品极具推广价值。

参考文献：

[1] 华红,颜廷财.具有安全气囊电梯缓冲装置[J].机械工程师,2013(12):205.

[2] 勾晓波,欧阳永亮,王哲.加强电梯维护保养与管理预防电梯安全事故[J].中国科技信息,2012(07):177.

[3] 文艳群,董继先.基于无障碍设计理念的电梯设计[J].包装工程,2010,31(12):28-30+45.

[4] 王虎,杨启正.基于STM32的汽车防撞报警系统设计[J].时代汽车.2019(17):107-108+111.

[5] 聂影,邵世云龙.基于ADXL345倾角传感器的老人防跌倒检测与报警系统[J].科技风.2020(34):22-23.

[6] 任工昌,高晋,王平.以人性化为导向构建绿色设计战略体系[J].包装工程,2009,30(01):168-170.

[7] 王凯.基于STM32CubeMX的Eddystone研究[J].电子世界,2020(12):55-56.

[8] 邵灿辉,倪维东,伏怀文.基于STM32的新一代遥测终端机的设计与实现[J].自动化与仪表,2021,36(01):93-96.

[9] 李成凯,毛玉莲.电梯安全气囊系统方案设计及仿真分析[J].现代制造技术与装备,2019(06):66-67+69.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年3月期）