电梯发展历程：结构与原理解析

电梯的起源

1.电梯的发展

如前所述，电梯在我们的工作生活中占有非常重要的地位。然而，电梯家族并没有悠久的历史，电梯面市至今不过一百多年，但其发展迅速、令人赞叹。

与电梯相类似的升降设备，可追溯到公元前1 000多年，我国古代的周朝时期就出现了提水用的辘轳，如图1-6所示，这是一种由木制（或竹制）的支架、卷筒、曲柄和绳索组成的卷筒式卷扬机。公元前236年，古希腊著名的科学家阿基米德制成了第一台人力驱动的卷筒式卷扬机。这些就是电梯的雏形。

图1-6　辘轳

1765年，瓦特发明了蒸汽机后，1835年，英国一家工厂里装用了一台由蒸汽机拖动的升降机。1845年，英国人阿姆斯特朗制作了第一台水压式升降机，这是现代液压电梯的雏形。

由于早期升降机大都采用卷筒提升，棉麻绳牵引，断绳坠落事故时有发生，因而电梯的发展受到了安全性的考验。1852年，41岁的美国人奥的斯发明了一种安全钳，在吊索断裂时，它能将轿厢锁在导轨上，防止其下坠。从此，老式升降机发生了一次重大变革。1854年，在纽约“水晶宫”展览会上，奥的斯亲自表演了安全钳的性能，如图1-7所示。他站在高高的升降机平台上，然后把吊索割断，在观众的一片惊呼声中，平台被安全钳稳稳地咬住，奥的斯先生安然无恙地走下了平台。由此开始，电梯的防坠安全性能有了可靠性保证，如图1-8所示。

图1-7　奥的斯公开表演他设计的安全装置

图1-8　奥的斯试验成功的安全装置

电梯发展史

现代电梯兴盛的根本在于采用电力作为动力的来源。1831年，法拉第发明了直流电动机。1880年，德国最早出现了用电力拖动的升降机（见图1-9），从此一种称为电梯的通用垂直运输机械诞生了。尽管这台电梯从当今的角度来看是相当粗糙和简单的，但它是电梯发展史上的一个里程碑。

1889年，奥的斯公司推出了世界上第一台以直流电动机为动力的升降机。它用直流电动机与蜗杆传动直接连接，通过卷筒升降轿厢，又称为鼓轮式电梯，被广泛认为是现代电梯的诞生，如图1-10所示。

图1-9　电力拖动的升降机

1—鼓轮；2—滑轮；3—轿厢；4—电动机。

图1-10　鼓轮式传动示意图

鼓轮式电梯由于在提升高度、载重量和安全运行等方面都存在局限性和缺陷，因而没能得到发展。

1900年，交流感应电动机问世以后，电梯传动设备得到了进一步简化，之后又从交流单速感应电动机发展到双速电动机，从而提高了电梯的速度，并改善了电梯的平层准确度和舒适感。

1903年以后，奥的斯公司将卷筒式驱动电梯轿厢的形式改进为曳引轮式驱动，如图1-11所示，为今天的长行程电梯奠定了基础，使电梯传动机构的体积大为减小，并加强了电梯的通用性和安全性能。

曳引式电梯如图1-12所示，电动机带动曳引轮转动，钢丝绳通过曳引轮绳槽分别与轿厢和对重相连接，钢丝绳与曳引轮产生摩擦力，引起相对运动，即轿厢上升时，对重下降；轿厢下降时，对重上升。这种电梯能克服鼓轮式电梯的缺陷，从而得到了广泛的应用。

图1-11　曳引轮式驱动

1—轿厢；2—曳引轮（含电动机）；3—对重；4—滑轮。(www.xing528.com)

图1-12　曳引式电梯示意图

从20世纪初开始，交流感应电动机得到了进一步完善和发展，开始应用于电梯拖动系统，使电梯拖动系统得到简化，同时促进了电梯的普及。直至今日，世界上绝大多数速度在2.5 m/s以下的电梯均采用交流电动机来拖动。

20世纪30年代，奥的斯公司采用直流发电机-电动机方式在纽约的102层摩天大楼内安装了74台电梯，其中最高额定运行速度已达6 m/s。西屋电器公司也于1937年在纽约70层的洛克菲勒中心安装了75台电梯，其中最高额定运行速度达7m/s。

2.电梯控制技术的演变

早期电梯的控制方式几乎全部由司机控制轿厢内开关，电梯的起动、运行、减速、平层、停车等均靠司机判断，操作起来很不方便。1894年，奥的斯公司开发了一种由层楼控制器自动控制平层的技术，从而成为电梯控制技术发展的先导。

1915年，奥的斯公司又发明了由两个电动机控制的微驱动平层控制技术，它由一个电动机专用于起动和快速运行，另一个则用于平层停车，从而得到了16∶1的减速范围，运行较为舒适，平层较准。

为了解决乘客候梯时间长的矛盾，1952年出现了一种集选控制技术。它能将各层站上下方向的召唤信号和轿厢内的指令集中与电梯轿厢位置信号进行比较，从而使电梯合理运行，缩短了乘客候梯的时间，提高了电梯的运行效率。这种技术使司机的操作大大简化，不再需要司机对电梯的运行方向和停层选择做出判断，司机仅需按层楼按钮及关闭层门按钮即可。这种控制技术现在还在广泛使用，被认为是电梯控制技术的一大进步。

20世纪30年代，交流感应电动机因其价格低、制造和维修方便而广泛应用于电梯上。交流感应电动机用改变电动机极对数的方法达到了双速控制的要求，使拖动系统结构简化，可靠性大大提高。目前，我国大多数在用电梯均采用这种交流双速变极拖动控制。

在早期的直流拖动电梯发展到交流单、双速拖动电梯后，随着20世纪30年代高层建筑的发展，人们对电梯额定运行速度的要求日益提高，产生了直流调速控制的直流电动机拖动的高速电梯。这一系统从最初的开环、有级、有触点控制发展到今天的闭环、无级、无触点控制，是电梯控制技术的又一次进步。

随着电子技术的发展，从20世纪60年代末到70年代初，电梯行业开始发展了应用交流电动机的交流调速拖动，它从交流调压调速系统发展到变频变压调速系统，以其突出的节能效果在一定范围内（≤4 m/s）完全取代了直流拖动系统。这是目前正在大力发展的技术，被认为是电梯拖动技术的一次飞跃。

微电子技术的飞速发展使微机用于电梯的控制，正全面替代有触点的继电器控制方式，从而使电梯的拖动控制、信号操作及自动调度控制达到了一个新的高度。如今，微机的大量应用及大功率半导体元件的技术发展使得电梯控制系统日益自动化、智能化，交流调频调压技术也正向大功率、高速度的方向发展。目前，这一技术的发展已使交流调速拖动电梯的速度达到了7 m/s，必将逐步取代直流拖动电梯。

3.自动扶梯的发展

现代自动扶梯的雏形是一台普通倾斜的链式运输机，是一种梯级及扶手都能自动运动的楼梯。

1859年，美国人内森·艾米斯发明了一种“旋转式梯级（revolving stair）”的自动扶梯，如图1-13所示。在旋转皮带上安装梯级型木板，人到顶点后飞跳下来。这种类似于演杂技的惊险动作与今天安全乘行、有活动扶手带和梳齿板的自动扶梯相比有天壤之别。这种“旋转式梯级”应该是杂技扶梯，是无法使用的，但它的构思是开拓性的，被看作是自动扶梯的起点，给后人很大启示。

1892年，乔治·韦勒设计出与现在相同的活动扶手带，并获得专利，其重要性可与奥的斯发明的安全钳相媲美，使自动扶梯的安全性得到保障。

1897年，纽约企业家杰斯·瑞诺设计制造了一台倾斜板条式自动扶梯，并安装在美国科尼岛码头，它当时被称为“倾斜扶梯”。这种扶梯的梯级是倾斜的，好像是倾斜30°的自动人行道，扶梯进出口处安装机器的基坑没有遮蔽，乘客必须在出入口跳跃一下才行，仍不安全。

自动扶梯结构的完善是在1900年。这一年，在法国巴黎举行的国际博览会上共装了29台不同结构的自动扶梯。这些扶梯的梯级大都如前所述是倾斜的。只有奥的斯公司所展出的扶梯是阶梯的，同时阶梯是水平的，并且在进出口处的基坑上加了遮盖板，也就是梳齿板。虽然该自动扶梯没有上下曲线及水平区段，没有使乘客从水平区段到倾斜区段的过渡段，但是这种自动扶梯有活动扶手和遮盖梳齿板，踏板用硬木制成，结构已经大大完善了。以后，经过不断改进和提高，自动扶梯（见图1-14）进入实用阶段。

图1-13 “旋转式梯级”的自动扶梯

图1-14　结构完善的自动扶梯

4.液压电梯的发展

液压电梯的发展可以追溯到19世纪40年代。1845年，威廉·汤姆逊制造了世界上第一台水力液压电梯，如图1-15所示。但伴随着电气技术的发展、电动机强制驱动和曳引电梯的出现，液压电梯的发展趋于沉寂。

第二次世界大战后，液压技术的发展使得液压电梯突飞猛进。液压电梯较普通钢丝绳电梯更安全，不会出现冲顶或蹲底现象，运行中无噪声，可提升大吨位电梯。在家用电梯市场，因液压电梯上行用电，下行不用电，故电梯停电或故障时，只需一个小的不间断电源（USP）就可打开下行阀让电梯下降到平层位置，当配置手开门时更是不会关人。液压电梯适合用于提升高度小（不适超过10层）、载重量大、速度低且要求下置机房的场合。而公共场所人流比较大的地方却不适用。

图1-15　水力牵引液压缸驱动的液压电梯

20世纪七八十年代，欧美等发达国家生产及安装了大量的液压电梯。现代液压电梯发展迅速，目前我国液压电梯基本采用欧洲几家专业液压电梯制造厂的液压系统，如瑞士贝林格（BERINGER）、瑞士布赫（BUCHER）、意大利捷安（GMV）、德国力杰士（LESTRITZ）等。