一種新型電梯轎廂結構及材料的應用設計—— 智能電梯產品系統化介紹（五）

編者按：在降低轎廂材料成本的前提下，提供多方案的轎廂內裝飾設計。其次，完成了電梯轎廂輕質化設計，選用高強度復合材料。且符合國家相關標準和碳中和理念。

一、前言

我國承諾：國內碳排放數量，在2030年前將見頂；之后將逐年下降，直到2060年，把國內碳排放的凈值，降至“零”。因此，為了脫碳戰略，我們必須逐步淘汰一些“高能耗、高污染”產業； 同時“低利潤、高耗材”的落后企業，也是極度消耗油氣資源的。對于我們電梯行業來說，卻是一個消耗鋼材的“大戶”。通常乘客電梯轎廂上千公斤，而大噸位載貨電梯的轎廂需要好幾噸鋼材。那電梯企業怎樣在產品與技術上獲得高附加值及低能耗產品呢？我們認為，應從我國電梯本身的特點與國情出發，展開集成式技術創新。如解決電梯轎廂整體結構的輕量化，用輕型材料或復合材料取代重型鋼材。

二、問題地提出

對于電梯行業來說，我們通常知曉，無論是垂直升降電梯，還是上下斜行電梯（又稱露天電梯），都有一個幾近封閉的立體金屬框架，用以載人及載物。轎廂主體由轎廂架和轎廂體等組成，詳見圖1所示。

可見，轎廂架由上橫梁、下橫梁及兩側立梁構成；而轎廂體主要由轎廂地板、轎廂壁（側）板、轎廂頂板（含吊頂）及轎門等構成。參見見圖2-a)、-b)所示。

其轎廂體結構均由薄鋼板（或不銹鋼板）及加強筋板等焊接或粘接或鉚接而成。可知，該結構總體重量較重，一般依據載客人數的多少，其轎廂自身重量從500kg～2500kg不等。有人問，可不可以用其輕質材料替代呢？答案通常是否定的。其回答有兩點：其一，因為曳引傳動電梯的轎廂采用鋼絲繩在曳引輪上

的繩槽中，通過對重加大摩擦力使轎廂上下提升或下降，如轎廂與對重沒有一定的重量，易造成摩擦力不夠，不能順利地提升或下降轎廂。其二，若采用非金屬材料，顯然存在其材料受力不夠或防火不能達標等。此話是否言之鑿鑿？還是誤導聽眾。由此，我們很有必要進行其分析與解惑。

三、方案地抉擇

由此，針對上述所提及的問題，我們應提出其綜合解決的思路與方案。首先，選用輕質材料作為轎廂，其動力傳遞是否不宜采用現行通常的曳引繩槽及相關參數，作為此種摩擦力的傳動方式。即曳引力計算公式中的曳引系數：

。其中f為當量摩擦系數；α為曳引繩包角。可見，轎廂的自重與曳引力大小無直接關聯。但影響電梯運行振動系統中轎廂的固有頻率和阻尼系數。對于齒式動力驅動電梯來說，轎廂輕量化是一種最佳方案。其次，選擇材料也要具備裝載一定重量的物體或能承受一定的沖擊力。GB/7588.1-2020國家電梯標準提出相關要求：

1. 乘客數量應取下列較小值:

按Q/75計算(其中Q 為額定載重量,單位為kg),計算結果向下圓整到最近的整數；

2. 轎壁的機械強度應符合下列要求:

1)能承受從轎廂內向轎廂外垂直作用于轎壁的任何位置且均勻地分布在5cm2 的圓形(或正方

形)面積上的300N 的靜力,并且:

a) 永久變形不大于1mm;

b) 彈性變形不大于15mm。

2) 能承受從轎廂內向轎廂外垂直作用于轎壁的任何位置且均勻地分布在100cm2 的圓形(或正

方形)面積上的1000N 的靜力,并且永久變形不大于1mm。

最后一點在于材料的防火性能等要求，此點則在國家電梯標準（GB/T7588.1）中，同時，提到了其相關要求。其條款如下：

5.4.4 轎門、地板、轎壁、吊頂和裝飾材料

5.4.4.1 轎廂的支撐結構應采用不燃材料制成。

5.4.4.2 轎廂地板、轎壁、轎門和轎廂吊頂的裝飾材料的選擇應符合 GB8624的下列要求:

a) 轎廂地板:C-S2；

b) 轎壁和轎門:C-S2,d1；

c) 轎廂吊頂:C-S2,d0。

上述要求不適用于轎壁、轎門和轎廂吊頂上厚度不大于0.30mm 的裝飾層以及操作裝置、照明和指示器等固定裝置。

5.4.4.3 在轎廂內使用鏡子和其他玻璃裝飾時,應使用鋼化玻璃(參見 GB15763.2)、夾層玻璃(參見

GB15763.3)、夾絲玻璃(參見JC433)或者 A 類或 B類貼膜玻璃(參見JC846)。

上述要求就其材料的選用，提出了建筑材料及制品燃燒性能分級的相關規定，旨在說明現今市場上供應的建筑等材料能滿足電梯轎廂地使用安全，且滿足使用性能要求。

由此可知，我們應利用當前先進技術、工藝和材料的不斷進步及涌現，確定一切實而可行的方案。根據國家最新頒布的電梯技術標準（GB/T7588.1）的要求，結合電梯市場新的需求及存在的問題。尤其在國家“碳達峰”與“碳中和”戰略（簡稱脫碳戰略）倡導下，其動力傳遞方式不僅配置選用曳引式結構；還特適合選用同步齒帶式傳動（或鏈輪鏈條傳動）。此時，轎廂體配套采用輕質材料制作。且其材料及結構應滿足上面所述載人、受力要求和相關規定。同時，逐步減少對鋼材的使用量與依賴，使用其替代物。

四、結構與原理

從上可知，本發明的要點，在于當改變電梯曳引式傳動方式或采用非傳統曳引式傳動方式時，提出轎廂體采用輕質材料制作。其壁板結構通常為：由“外部（外表面）板材+夾層材料+內部（內表面）板材”三種材料疊加組合而成，又叫三層板復合結構材料。此外，對于其夾層材料為提高整體剛度為要點，即內部板材也可嵌入輕金屬材料形成骨架。其整體結構厚度為20～80mm不等，具體參見圖3及圖4所示，它們均為三層板復合材料結構示意圖，圖3所示結構由上層鋁板、中間隔熱材料及下層復合板組成。而圖4上、

下兩層均為復合材料、中間為蜂窩狀隔振材料組成。另外，轎架的組成材料可由高強度鋁合金與工程塑料復合材料拼接而成；或由碳釬維復合材料與輕質金屬材料聚合構成。可見它們不但具有足夠的強度，而且使電梯在高速或超高速運行時，具有隔振降噪之功效。

上述其結構中不同材料組成，分別用于轎廂體的轎廂地板、轎廂壁板、轎頂板及轎門板和層門板及轎廂架等零部件。當然，其邊框或連接件均可采用輕質金屬件，如高強度鋁型材等材料。目的使轎廂體可靠地支撐與聯接，具有抗沖擊、保溫、阻燃、隔音、防雨水、防銹蝕，保護轎廂內部不受外界干擾等。正因它承擔了這么多功能，而轎廂又追求極致輕量化，則單一材質的材料很難滿足諸多要求。由此，諸多類似結構及機理就應運而生了。

此外，其特殊結構使轎廂體整體重量輕；而且抗彎、抗翹曲；還在電梯運行碰撞過程中能吸收大量的沖擊能量，因此，本結構除了實現更好的乘客舒適感，并且對乘客能提供最好的安全保護措施。

本結構說起來簡單，但制作過程中其工藝要復雜得多；且技術操作性強。首先作為壁板結構要有骨架（即夾層材料），而夾層材料的輕質的結構（如鋁合金骨架或蜂窩狀工程塑料等）成了首選之材，所以夾層材料組成的框架是壁板結構基礎。其次是外部（上層）材料，一般會選用剛性好、質量輕，防雨水、防銹蝕的玻璃鋼或鋁塑板或輕金屬等。接著是內部（下層）板材，應承擔著抗沖擊、防刮傷、隔音及具有美感等功能。所以，我們為降低生產成本，便利工藝流水線。同樣將內、外部板材選用強度高、質量輕的玻璃鋼（含碳纖維或玻璃纖維等物質）或鋁塑板或輕金屬等。例如，外部板材和內部板材加聚氨酯的共同作用，具有很高的強度和剛度，內部板光滑平整，線條明朗，增加轎廂內美觀度、平整度。最后用粘合劑將這些夾層板材料進行粘合或壓制而成。至于轎地板夾層材料應選用鋁合金或輕金屬等作骨架，而上層板材（即地板表面）可采用為耐磨及防滑的復合板。另一點，作為小型轎廂體，如家用電梯或斜行電梯及戶外式電梯，可采用整體式澆注而成，其目的保證轎廂在半封閉的井道內運行，使雨水等不進入轎廂內部及防止外部的損傷；同時，確保轎廂整體剛性及美感。

五、要點與總結

綜上所述，本發明電梯轎廂架和轎廂體結構及材料組成不同，適用于不同工況、不同條件下及不同要求的電梯產品使用。且配套方式與加工工藝各有差異。顯然，它都具有重量輕、強度高、抗沖擊、耐腐蝕、耐老化、抗病菌、抗污染、防雨水與冰雹、色彩豐富、電絕緣性能好、熱絕緣性好等特點。

可見，本發明專利擁有與鋼結構的轎廂所不能具有的功能與優勢：

1）由于整體重量輕巧，使電梯配套電機功率在相同額定載重量下減小，對于大載荷電梯而言，則電力能源顯著節省，必受客戶歡迎。

2）對于中小噸位電梯轎廂重量本結構與現鋼結構相比，其重量通常減少達1/3。因此，無論從電梯總體性，還是站在轎廂角度來看，節約了不少鋼材及資源成本。

3）因其結構具有一定的強度和韌性、抗沖擊等特點，所以，具備緩沖結構的特點，能對乘客在特定條件下提供了一定的防護，使傷亡指數明顯下降。如轎廂扶手或腳底板可配套帶有緩沖材料的方式固定及使用，以確保制動或墜落時，其最大減速度不超過1.0m/s2。

4）本結構材料因抗損傷、耐老化等特點，則使用壽命可達20年之久，精簡了維護成本。同時，其結構便利流水線作業及加工。故電梯進行試制、更新或改造時，現場制作其轎廂非常方便，如同住宅房屋的裝飾工藝。并免除了噴涂油漆之苦。

5）因本品內部板光滑平整，線條明朗，增加了轎廂內的美觀度，且色彩豐富。則轎廂內部不必增加裝飾成本。且不同內部板可滿足不同用戶的裝潢效果。如裝飾玻璃鏡時，則可不用普通鏡面玻璃等。

由上可知，本結構與材料的變更與設計，不僅滿足其使用功能，而且提升了電梯的運行效果。因此，將促使企業放棄“高能耗、高污染”，及“低效率、低利潤”的落后產業，做高利潤的先進產品。另一方面，對企業來說，產業升級和“脫碳戰略”，一體兩面，都是中國經濟向上走的核心引擎。用脫碳戰略淘汰落后產業，用產業升級更好地減少碳排放，讓中國產業進入良性循環軌道。

本結構與材料于2021年提出，現已獲得國家發明專利。專利號為：202110821315.2。

和眾電梯系統技術研究團隊

   2022年10月于佛山