一种新型电梯轿厢结构及材料的应用设计—— 智能电梯产品系统化介绍（五）

编者按：在降低轿厢材料成本的前提下，提供多方案的轿厢内装饰设计。其次，完成了电梯轿厢轻质化设计，选用高强度复合材料。且符合国家相关标准和碳中和理念。

一、前言

我国承诺：国内碳排放数量，在2030年前将见顶；之后将逐年下降，直到2060年，把国内碳排放的净值，降至“零”。因此，为了脱碳战略，我们必须逐步淘汰一些“高能耗、高污染”产业； 同时“低利润、高耗材”的落后企业，也是极度消耗油气资源的。对于我们电梯行业来说，却是一个消耗钢材的“大户”。通常乘客电梯轿厢上千公斤，而大吨位载货电梯的轿厢需要好几吨钢材。那电梯企业怎样在产品与技术上获得高附加值及低能耗产品呢？我们认为，应从我国电梯本身的特点与国情出发，展开集成式技术创新。如解决电梯轿厢整体结构的轻量化，用轻型材料或复合材料取代重型钢材。

二、问题地提出

对于电梯行业来说，我们通常知晓，无论是垂直升降电梯，还是上下斜行电梯（又称露天电梯），都有一个几近封闭的立体金属框架，用以载人及载物。轿厢主体由轿厢架和轿厢体等组成，详见图1所示。

可见，轿厢架由上横梁、下横梁及两侧立梁构成；而轿厢体主要由轿厢地板、轿厢壁（侧）板、轿厢顶板（含吊顶）及轿门等构成。参见见图2-a)、-b)所示。

其轿厢体结构均由薄钢板（或不锈钢板）及加强筋板等焊接或粘接或铆接而成。可知，该结构总体重量较重，一般依据载客人数的多少，其轿厢自身重量从500kg～2500kg不等。有人问，可不可以用其轻质材料替代呢？答案通常是否定的。其回答有两点：其一，因为曳引传动电梯的轿厢采用钢丝绳在曳引轮上

的绳槽中，通过对重加大摩擦力使轿厢上下提升或下降，如轿厢与对重没有一定的重量，易造成摩擦力不够，不能顺利地提升或下降轿厢。其二，若采用非金属材料，显然存在其材料受力不够或防火不能达标等。此话是否言之凿凿？还是误导听众。由此，我们很有必要进行其分析与解惑。

三、方案地抉择

由此，针对上述所提及的问题，我们应提出其综合解决的思路与方案。首先，选用轻质材料作为轿厢，其动力传递是否不宜采用现行通常的曳引绳槽及相关参数，作为此种摩擦力的传动方式。即曳引力计算公式中的曳引系数：

。其中f为当量摩擦系数；α为曳引绳包角。可见，轿厢的自重与曳引力大小无直接关联。但影响电梯运行振动系统中轿厢的固有频率和阻尼系数。对于齿式动力驱动电梯来说，轿厢轻量化是一种最佳方案。其次，选择材料也要具备装载一定重量的物体或能承受一定的冲击力。GB/7588.1-2020国家电梯标准提出相关要求：

1. 乘客数量应取下列较小值:

按Q/75计算(其中Q 为额定载重量,单位为kg),计算结果向下圆整到最近的整数；

2. 轿壁的机械强度应符合下列要求:

1)能承受从轿厢内向轿厢外垂直作用于轿壁的任何位置且均匀地分布在5cm2 的圆形(或正方

形)面积上的300N 的静力,并且:

a) 永久变形不大于1mm;

b) 弹性变形不大于15mm。

2) 能承受从轿厢内向轿厢外垂直作用于轿壁的任何位置且均匀地分布在100cm2 的圆形(或正

方形)面积上的1000N 的静力,并且永久变形不大于1mm。

最后一点在于材料的防火性能等要求，此点则在国家电梯标准（GB/T7588.1）中，同时，提到了其相关要求。其条款如下：

5.4.4 轿门、地板、轿壁、吊顶和装饰材料

5.4.4.1 轿厢的支撑结构应采用不燃材料制成。

5.4.4.2 轿厢地板、轿壁、轿门和轿厢吊顶的装饰材料的选择应符合 GB8624的下列要求:

a) 轿厢地板:C-S2；

b) 轿壁和轿门:C-S2,d1；

c) 轿厢吊顶:C-S2,d0。

上述要求不适用于轿壁、轿门和轿厢吊顶上厚度不大于0.30mm 的装饰层以及操作装置、照明和指示器等固定装置。

5.4.4.3 在轿厢内使用镜子和其他玻璃装饰时,应使用钢化玻璃(参见 GB15763.2)、夹层玻璃(参见

GB15763.3)、夹丝玻璃(参见JC433)或者 A 类或 B类贴膜玻璃(参见JC846)。

上述要求就其材料的选用，提出了建筑材料及制品燃烧性能分级的相关规定，旨在说明现今市场上供应的建筑等材料能满足电梯轿厢地使用安全，且满足使用性能要求。

由此可知，我们应利用当前先进技术、工艺和材料的不断进步及涌现，确定一切实而可行的方案。根据国家最新颁布的电梯技术标准（GB/T7588.1）的要求，结合电梯市场新的需求及存在的问题。尤其在国家“碳达峰”与“碳中和”战略（简称脱碳战略）倡导下，其动力传递方式不仅配置选用曳引式结构；还特适合选用同步齿带式传动（或链轮链条传动）。此时，轿厢体配套采用轻质材料制作。且其材料及结构应满足上面所述载人、受力要求和相关规定。同时，逐步减少对钢材的使用量与依赖，使用其替代物。

四、结构与原理

从上可知，本发明的要点，在于当改变电梯曳引式传动方式或采用非传统曳引式传动方式时，提出轿厢体采用轻质材料制作。其壁板结构通常为：由“外部（外表面）板材+夹层材料+内部（内表面）板材”三种材料叠加组合而成，又叫三层板复合结构材料。此外，对于其夹层材料为提高整体刚度为要点，即内部板材也可嵌入轻金属材料形成骨架。其整体结构厚度为20～80mm不等，具体参见图3及图4所示，它们均为三层板复合材料结构示意图，图3所示结构由上层铝板、中间隔热材料及下层复合板组成。而图4上、

下两层均为复合材料、中间为蜂窝状隔振材料组成。另外，轿架的组成材料可由高强度铝合金与工程塑料复合材料拼接而成；或由碳钎维复合材料与轻质金属材料聚合构成。可见它们不但具有足够的强度，而且使电梯在高速或超高速运行时，具有隔振降噪之功效。

上述其结构中不同材料组成，分别用于轿厢体的轿厢地板、轿厢壁板、轿顶板及轿门板和层门板及轿厢架等零部件。当然，其边框或连接件均可采用轻质金属件，如高强度铝型材等材料。目的使轿厢体可靠地支撑与联接，具有抗冲击、保温、阻燃、隔音、防雨水、防锈蚀，保护轿厢内部不受外界干扰等。正因它承担了这么多功能，而轿厢又追求极致轻量化，则单一材质的材料很难满足诸多要求。由此，诸多类似结构及机理就应运而生了。

此外，其特殊结构使轿厢体整体重量轻；而且抗弯、抗翘曲；还在电梯运行碰撞过程中能吸收大量的冲击能量，因此，本结构除了实现更好的乘客舒适感，并且对乘客能提供最好的安全保护措施。

本结构说起来简单，但制作过程中其工艺要复杂得多；且技术操作性强。首先作为壁板结构要有骨架（即夹层材料），而夹层材料的轻质的结构（如铝合金骨架或蜂窝状工程塑料等）成了首选之材，所以夹层材料组成的框架是壁板结构基础。其次是外部（上层）材料，一般会选用刚性好、质量轻，防雨水、防锈蚀的玻璃钢或铝塑板或轻金属等。接着是内部（下层）板材，应承担着抗冲击、防刮伤、隔音及具有美感等功能。所以，我们为降低生产成本，便利工艺流水线。同样将内、外部板材选用强度高、质量轻的玻璃钢（含碳纤维或玻璃纤维等物质）或铝塑板或轻金属等。例如，外部板材和内部板材加聚氨酯的共同作用，具有很高的强度和刚度，内部板光滑平整，线条明朗，增加轿厢内美观度、平整度。最后用粘合剂将这些夹层板材料进行粘合或压制而成。至于轿地板夹层材料应选用铝合金或轻金属等作骨架，而上层板材（即地板表面）可采用为耐磨及防滑的复合板。另一点，作为小型轿厢体，如家用电梯或斜行电梯及户外式电梯，可采用整体式浇注而成，其目的保证轿厢在半封闭的井道内运行，使雨水等不进入轿厢内部及防止外部的损伤；同时，确保轿厢整体刚性及美感。

五、要点与总结

综上所述，本发明电梯轿厢架和轿厢体结构及材料组成不同，适用于不同工况、不同条件下及不同要求的电梯产品使用。且配套方式与加工工艺各有差异。显然，它都具有重量轻、强度高、抗冲击、耐腐蚀、耐老化、抗病菌、抗污染、防雨水与冰雹、色彩丰富、电绝缘性能好、热绝缘性好等特点。

可见，本发明专利拥有与钢结构的轿厢所不能具有的功能与优势：

1）由于整体重量轻巧，使电梯配套电机功率在相同额定载重量下减小，对于大载荷电梯而言，则电力能源显著节省，必受客户欢迎。

2）对于中小吨位电梯轿厢重量本结构与现钢结构相比，其重量通常减少达1/3。因此，无论从电梯总体性，还是站在轿厢角度来看，节约了不少钢材及资源成本。

3）因其结构具有一定的强度和韧性、抗冲击等特点，所以，具备缓冲结构的特点，能对乘客在特定条件下提供了一定的防护，使伤亡指数明显下降。如轿厢扶手或脚底板可配套带有缓冲材料的方式固定及使用，以确保制动或坠落时，其最大减速度不超过1.0m/s2。

4）本结构材料因抗损伤、耐老化等特点，则使用寿命可达20年之久，精简了维护成本。同时，其结构便利流水线作业及加工。故电梯进行试制、更新或改造时，现场制作其轿厢非常方便，如同住宅房屋的装饰工艺。并免除了喷涂油漆之苦。

5）因本品内部板光滑平整，线条明朗，增加了轿厢内的美观度，且色彩丰富。则轿厢内部不必增加装饰成本。且不同内部板可满足不同用户的装潢效果。如装饰玻璃镜时，则可不用普通镜面玻璃等。

由上可知，本结构与材料的变更与设计，不仅满足其使用功能，而且提升了电梯的运行效果。因此，将促使企业放弃“高能耗、高污染”，及“低效率、低利润”的落后产业，做高利润的先进产品。另一方面，对企业来说，产业升级和“脱碳战略”，一体两面，都是中国经济向上走的核心引擎。用脱碳战略淘汰落后产业，用产业升级更好地减少碳排放，让中国产业进入良性循环轨道。

本结构与材料于2021年提出，现已获得国家发明专利。专利号为：202110821315.2。

吴哲 2022年10月于佛山