电梯层门受撞击的失效分析与改良方案

杨国弘

广东省特种设备检测研究院惠州检测院 广东省惠州市 516000

摘要：随着我国城市化的迅速发展，高层建筑在城市里所占的比例逐步上升，电梯也逐渐的成为了人们最普遍的运输工具，本文主要探讨的是电梯层门的安全问题以及对当今电梯层门的延伸性研究；由于近年频频发生由电梯层门被人为破坏而引发了多起的安全事故，这些事故不仅对肇事者本身带来了严重的后果，也给电梯的正常运行带来了诸多难以克服的问题，国内外的电梯专家们都对这个问题进行了不同层次的研究，并且都提出了对电梯的层门提高抗撞击能力的要求。下文中将通过介绍层门的组成结构，通过设计一个层门撞击的摆锤实验，然后对层门进行撞击前后的受力分析，再根据实验所得的数据，用海伦公式、力学方程式和微积分等大学知识计算层门失效的临界状态值，逐一分析四种失效形式的原因，通过失效形式分析，对电梯层门的不同部位提出不同的改良方案，使得加固后的电梯层门更加的稳固，即使是人为有意的想去破坏，电梯层门也不会像之前一样轻易的被撞开，从而避免类似事故再次发生，也为电梯的安全运行提供了更加安全可靠的保障。

关键词： 电梯；电梯层门事故；层门结构组成；层门撞击受力分析；层门失效形式

引言：

电梯是伴随高层建筑的发展而发展的。在现代化城市中电梯已经成为人们生活和工作中不可或缺的垂直交通运输设备，当前电梯的制造水平、生产数量和使用数量已经成为一个城市、一个国家现代化的标志之一。电梯行业经过了长期的发展，人们对电梯的认识也在逐步提高，据不完全的统计，每天我国乘坐电梯的人次高达10亿人次，电梯作为一种涉及到乘客人身安全的使用频率高的运输工具（也称为特种设备），其安全性就显得格外重要。当然电梯里面有许多安全保护装置，在正常情况下，保证电梯的安全可靠运行是完全没有问题的，而电梯的层门作为电梯中最容易被人触碰到的电梯部件，它的安全性能设计更加要考虑周全。由于最近几年来频频发生人为破坏电梯层门而使人坠入电梯井道的安全事故，这些事故大多数是由于人们故意踢踹破坏电梯层门，导致层门脱槽而使人坠入电梯井道，也有在电梯层门附近打闹停靠然后电梯层门突然打开坠入井道的，这些事故的发生也说明了人们对电梯的认识还不够，自我安全保护的意识薄弱。出于不让人们能够轻易撞开层门的目的，所以才希望能设计一种使电梯层门加固的零件或者在现有条件下改良加强，使得层门所能承受人们强烈的撞击也不会轻易的被破坏，达到保障人们的生命安全的目的。

1.层门的结构介绍与存在问题

1.1电梯层门的组成和结构
   电梯层门是用于把人们和电梯井道隔离开来的保护装置，电梯层门的开与关,是通过安装在轿门上的开门刀片来实现的。每个层门都装有一把门锁。层门关闭后,门锁的机械锁钩啮合,同时层门与轿门电气连（联）锁触头闭合,电梯控制回路接通,此时电梯才能启动运行。电梯层门在建筑中有防火作用，用于分割防火分区。轿门安全开关,能保证门在没有安全关闭到位，或者没有锁好的状态下电梯不能正常运行。电梯层门一般由门、导轨架、滑轮、滑块，门框、地坎和导靴等部件组成。门一般由薄钢板制成，为了使门具有一定的机械强度和刚性，在门的背面配有加强筋。为减小门运动中产生的噪声，门板背面涂贴防振材料。门导轨有扁钢和C型折边导轨两种;门通过滑轮与导轨相联，门的下部装有滑块，插入地坎的滑槽中;门的下部导向用的地坎由铸铁、铝或铜型材制作，货梯一般用铸铁地坎、客梯可采用铝或铜地坎。

1.2国内层门的基本要求
   层门应是无孔的门，净高度不得小于2m。层门关闭后门扇之间及门扇与立柱、门楣和地坎之间间隙应尽可能的小，乘客电梯应为1-6mm，载货电梯应为 1-8mm。为了避免运行期间发生剪切的危险，自动层门的外表面不应有大于3mm的凹进或凸出部分。（三角形开锁处除外）。这些凹进或凸出的部分边缘应在两个方向上倒角。装有门锁的层门应具有一定的机械强度。在水平滑动门的开启方向，以150N的人力（不用工具）施加在一个最不利点上时，门扇之间及门扇与立柱、门楣之间的间隙不得大于30mm。层门净进口宽度比轿厢净入口宽度在任何一侧的超出部分均不应大于0.05m。

1.2.1门导轨与门轮滑

层门的导轨架安装在层门门框上部。门滑轮安装在门扇的上部，对封闭式门扇一般以两个为一组，每个门扇一般装一组；交栅式门扇由于门的折缩需要，在多个栅栏杆上装有滑轮。门导轨架和门滑轮有多种形式：

（1）板条直线型导轨：这种导轨用钢板制成直线形，配用的门滑轮是凹形结构，为了防止门的侧翻，每个滑轮的下面均设有挡轮，挡轮与导轨的间隙一般不超过0.5mm。目前这种导轨架和门滑轮广泛应用于乘客电梯

（2）V形导轨：该导轨由钢板折弯成形，滑轮制成相应的盘锥形，在导轨的V形槽中滚动。这样的形式具有导向可靠、门滑轮不易滑出的优点。但是，同直线形导轨相比较，它的运动阻力较大，尤其在导槽稍有变形的时候更加明显。一般该导轨多用于货梯。

（3）交栅式门导轨：这种导轨是板条直线形，门滑块一般用滚动轴承。这种门导轨和滑轮制造简单，但是，滚动轴承与导轨直接接触，在运行时的噪声较大。
1.2.2层门的运动保护

动力操纵的水平滑动门应尽量减少人被门扇撞击后而造成的伤害，为此国家规范作了如下的一些规定：阻止关门的力应不大于150N（这个力的测量在关门行程开始后的1/3之后进行）;
1.2.3层门地坎和导靴

层门地坎应具有足够的机械强度，以承受通过它进入轿厢的载荷，其水平度不大于2/1000。各层站地坎应高出装饰后地面2-5mm，以防止层站地面洗涮、洒水时，水流进井道。层门地坎安装在井道的牛腿上。门在运动时，门导靴顺着地坎槽滑动，门地坎和门导靴是门的辅助导向组件，与门导轨和门滑轮配合，使门的上下两端均受到导向控制。门地坎一般用铝型材料制造，门导靴一般用尼龙材料制作，别再尼龙材料内加入钢片等以增加强度性能。

1.3当前层门存在的安全隐患及安全措施

现在的层门存在的问题，就是层门的抗撞击性，由于层门极易被人撞开，而人们又缺少一定的安全保护意识，因此极易产生安全事故。在众多电梯事故当中，电梯层门的事故率占到了所有事故中的首位，高达80%。即剪切、挤压、坠落重大伤亡事故，而且这类事故对当事人都有较大的伤害，大部分危及生命。

2.改善层门抗撞击性的方案及验证

通过上面的实验以及层门的实效形式，我想把我的方案分为三个部分，上部、中部和下部，用不同的方案来改善不同的问题。

2.1电梯层门上部的改良设计

层门在遭到撞击时，上部的问题主要是因为门挂板脱离门导轨从而导致失效形式的发生，下面先看看门挂板与门导轨到底是怎么样连接的，如图所示，下方的部件是防脱导轮，与其紧紧相连的是压紧装置，用来压紧防脱导轨，上方的凹形部件就是门挂板，与它接触的是门导轨。

图4-1

由于撞击产生的力，安装在下方的防脱滑轮会随着层门的变形而离开原有的位置并且向上移动，然后导致门挂板脱离门导轨，在这种情况下，要想提高门上方的牢固程度，需要对防脱导轮进行加固的设计，我觉得可以把防脱滑轮设置成一个凹形，然后门导轨设置成凸形，这样的话防脱滑轮将不会那么轻易的滑出，如图4-2：

图4-2

对比之前的结构，这样的设计能够确保层门在发生撞击时，有效限制了防脱滑轮的水平和垂直方向的移动，使门挂板能够保持在原来的位置上而不发生脱离门导轨的情况，只发生轻微的倾斜，并且还是极其微小的。这种结构相对之前来说，在滑动过程中，加大了防脱滑轮与导轨面的接触面积，受到撞击时候，导轨对滑轮产生一个向左的作用力，从而有效的阻止了滑块脱离导轨。

2.2电梯层门中部的改良方案

电梯层门中间的部分就是电梯的门扇，也是实验中受撞击力的部分，门扇这部分的补强由多方面的因素决定，成本，材料，质量等方面都要考虑到，现在我国使用的电梯层门基本上都是以钢板为材料，钢板的厚度按国家的标准规定是要达到0.8-1.2mm，但是就目前出现的许多安全事故来看，这样的厚度还不足以达到能承受一个成年人的撞击，下面提出几种改良方案，研究并分析是否可行

（1）首先考虑更换电梯层门材料，因为在硬度方面，钢板绝对算不上是最顶尖的，通过杨氏模量的物理意义我们也可得知，材料的刚度和强度大小取决于材料本身的物理性质，杨氏模量越大，物体的刚性越大，公式为 E=2G(1+v)=3K(1-2v).但是为什么电梯厂家都选用钢板呢，不仅仅是因为它的成本比较低廉，在电梯制造及安装规范中对于层门的强度也有着明确的说明：层门应该在经过一定时间后都不会发生严重的变形，因此选择金属材料制造层门会比较合适，如果选择更换材料，又需要合理的成本，相比于金属钢板来说，都显得比它略逊一筹。所以在目前来说，更换材料这一方案不适合我国国情，钢板是当前最好的层门材料，所以这一个方案我觉得是不可行的。

（2）既然更换材料这条路走不通，那么我们是否可以通过增加钢板材料的厚度来实现增加它抗撞击性能的目的，可能我们都会下意识觉得加厚钢材就能够使得它的变形程度得到改善，然而实际情况却是如表4-1所示：

表4-1

通过表格我们可以看出，在同种受力的条件下，钢材的厚度不断的增加，它的抗拉、抗压、抗弯、抗剪的能力反而在不断的减小。这是因为金属材料的屈服值，表示材料抵御朔性变形的能力，根据位错理论，这主要取决于材料的化学成分和晶相及组织状态(可用热处理改变)，同种材料材料在同种状态下，理论上其屈服值是一定的，但在做拉伸试验时，试样的尺寸，成份偏析，缺陷，都会引起实测屈服值得变化，所以，在原有的0.8mm-1.2mm的基础上再进行加厚的方案也不可行，而且加厚也有可能会影响电梯的正常运行，加厚之后门机开门的转矩力也要加大，是否负荷得起也是需要考虑的问题。综上所述，该方案不可行。

（3）经过多种因素的考虑，很多商家目前都采用加强筋来对层门进行加固保护，所谓加强筋，它是一根钢筋，连接层门的上下端，它的作用是增强门扇面的强度。防止层门变形后向井道内弯曲变形，一般用多条加强筋进行加固，使用加强筋的好处是可以在不加大层门的厚度条件下，增强层门的刚性与强度，可以达到节约材料用量、减轻重量和降低成本的目的；另外在层门的设计的过程中，层门可能出现悬出面过大或者跨度大的情况，这样的话层门本身的连接面所能承受的负荷有限，所以在其与上导轨与下滑块之间增加加强筋来增强强度。

2.3电梯层门下部的改良方案

电梯层门下部的滑块在电梯的部件中是最不起眼的，但是电梯层门的导向滑块是电梯层门运行的导向装置，它负责保证电梯层门在地坎槽内正常运行，从而确保电梯层门的正常开关，门滑块脱离的主要原因有：

（1）层门变形量过大导致门滑块的向上运动距离过大，从而导致门滑块脱离地坎槽。

（2）门滑块在向上的运动过程中没有任何阻挡物。

（3）门滑块与地坎槽的啮合尺寸不够大，一般情况下，虽然设计的尺寸足够，但是实际现场安装的时候，安装工人会考虑到长时间运行后层门门板会有一定的下沉，地坎与门板下沿可能出现不平行的情况，导致不同的开门位置时门板与地坎面的间隙过小，从而出现刮擦声等情况的发生。为了便于安装，同时减少维保工作，安装人员可能会将门板与地坎面的间隙保持在上限值或者略超上限值，从而减小了门滑块与地坎的啮合尺寸，发生冲击的时候，脱离的风险将会增大。

（4）门滑块自身的强度不够，有的电梯采用1.5mm厚的镀锌钢板作为门滑块的支架，发生冲击时极易变形脱离地坎槽。

针对以上几点，对于门滑块脱离地坎槽这个问题，改良图4-3所示，可以对门滑块的支架进行加厚，增加门滑块与地坎槽的啮合尺寸，再在地坎槽的两侧增加一个小小的卡齿，可以避免现场安装的时候，门板与地坎间隙过大的问题。因为有卡齿的存在，所以门滑块与地坎槽的啮合尺寸就不能随意设定，否则会影响正常的开关门；卡齿能够起到阻挡滑块向上运动而脱离地坎槽的作用。从理论上来说，如果地坎足够深，那么也可以不需要卡齿；但是从安装的成本以及是否方便等角度来考虑的话，有卡齿的结构会比较好一些。

图4-3

2.4改良后层门的验证

改良后的电梯层门是否真正像预期一样起到了增强抗冲撞的能力？下面依然选择用摆锤实验来证明。同样选择 800 mm的高度作为摆锤的下落高度，冲击点依旧在距离地坎槽垂直向上1M处，将摆锤的质量由原来的45KG提升至90KG。为了便于计算，忽略空气阻力以及摆锤绳对摆锤的拉力，假设撞击后产生的能量全部被电梯层门吸收，由动能定理列出方程式：

mgh=1/2 mv² (14)

得 v=√2gh (g取10m/s) (15)

则可计算出v=4m/s.通过位移传感器几计算到撞击的时间△t=0.1s,再由冲量公式F△t=mv ，已知m=90KG, v=4m/s,将所得数据代入式中，可以得出F=90×4/0.1=3600N，即冲击点处所产生的撞击力大小约为3600N。此时层门的变形量通过位移传感器测出为115.6 mm，小于上述实验中层门的临界变形量127.6mm,因此，在对电梯层门上中下三个部分同时进行了加固改良过后，电梯层门的抗撞击能力得到了明显而有效的改良，为了确保这样的强度能够保证人们的安全，还需要进行一个模拟计算，假设一个成年人的质量为60KG，由于层门的实际位置空间并不是很宽，所以人理论的加速度不可能很大，即使是从后面加速撞门，最大速度估计也不会超过5m/s,所以我们就取v0=0m/s,vt=5m/s作为实验数据，从静止到提速到5m/s所需的时间为2.5/s，撞击时间约为0.1s,根据加速度方程式

F=ma=m(v0-vt)/t （16）

解得F=1500N

因为1500N<3600N,因此这样的强度是非常的安全及可靠地，这样的改良设计可以保证人们即使刻意的去破坏电梯层门，层门也不会离开工作面而使人坠入井道内。

总结：电梯作为涉及生命财产安全、危险性较大的一种特种设备，为了方便大众而成为人们的普遍交通工具，这次我第一次从电梯层门的设计角度出发，将它作为毕业设计的内容，也让我学习到了很多关于电梯的专业知识，作为一名刚刚走出校园的学生，仅仅掌握书本上的理论知识是远远不能够达到社会的要求的，很多问题也必须亲自去实践才能体会其中的奥妙。 通过这次的毕业设计，让我对大学课堂上所学的知识有了更加深刻的理解和巩固，有《工程力学》、《大学物理》、《机械原理》等专业知识，能够把大学中所学的知识运用到毕业设计上面，我感到非常的高兴。同时也在设计的过程中，发现了自己的许多问题与不足，在校园里，我总是以为只要把课本上的知识学会，通过了学校的考试，就算是对一门课程完成了学习，有点盲目自大，在完成设计的时候才发现，自己的知识还很薄弱，缺乏综合应用的能力。毕业设计为我们创造了一个独立思考、检验大学学习成果的平台。

参 考 文 献

1. 喻纯泽，李守林，电梯设计计算与实例，电梯培训教材，2011， BZ-QC-13093

2. GB 7588-2003,电梯制造与安装安全规范[S]

3. 杨天详，结构力学[M].北京：人民教育出版社，1979

4. 徐灏，邱宣怀，蔡春源，汪凯，余俊.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社.1991.

5. 孙训方，方孝淑，关来泰，材料力学（II）[M].胡增强，郭立，江晓禹，修订.5版.北京：高等教育出版社，2009.