基于连通器原理的电梯动态平衡驱动系统

大多数情况下，电梯的轿厢载重与配重冗余的质量不同。电梯在运行过程中，因电机两侧质量不均导致电机需在维持配重物与轿厢平衡上消耗大量电能，克服质量差做的无用功占了电梯总做功的大部分。如果能减少甚至消除电梯运行时的质量差，电梯的耗能将大大降低。

能不能设计一种新的电梯运行方式，使电梯随时保持配重与轿厢载重的平衡，从而节省电能？对此我展开了探究。

一、研究思路

通过实验验证，在相同条件下，电梯在轿厢总重与配重平衡时的运行耗电量更少。

寻找能便捷改变轿厢与配重相对质量的方式，如选择合适的配重物等。通过理论计算，初步证明电梯新运行方式的总耗能更低。

设计制作采用新运行方式的电梯模型，通过测试验证该方式的总耗能是否低于原有运行方式的总耗能，最后对运行系统进行改进和优化。

二、设计方案

在电梯底部加装配重水箱，用连通器连接两个水箱。水箱内的蠕动泵可通过调节轿厢总重与配重的相对质量以保持平衡。控制水流，保证配重不会随意变动。

（一）结构设计

在原有电梯的结构上增加测重模块、蠕动泵、虹吸管与Arduino控制模块。

（二）程序设计

预设2个变量X、Y，X为轿厢质量，Y为配重水箱质量。当轿厢质量变化时，Arduino模块控制水泵及电磁阀工作，让轿厢与配重水箱重新保持平衡。

三、设计制作

网购电梯结构件、Arduino模块、重量传感器、蠕动泵等，应用3D打印技术打印配重水箱、滑轮、红外对射模块等。之后我做了两代样机，用第一代样机进行了测试。

（一）情景列举

单人、多人上楼（从底层至顶层）；单人、多人下楼（从顶层至底层）；多人上楼，中途有人下电梯；单人从顶层开始下楼，中途不断有人上电梯。

四、实验测试

（二）理论计算

模拟场景为：电梯载人从底层升至顶层，楼层为30层，即每次运行上升高度约为100 m。计算动态平衡耗能时仅计算水泵耗能。运行过程中若不计算摩擦力，电机耗能可忽略不计，故省略。

计算电梯在现有方式下运行时，电机为克服质量差所做的功（未计算摩擦力）。各模拟场景中，设定一名乘客的质量为50 kg，轿厢质量为500 kg，原有运行方式配重为750 kg。

由理论计算数据可看出，该机制运行时方式单一，且在部分情况下耗能大于原有运行机制耗能，故需针对不同载重设计不同的运行方式。经过研究计算，针对部分情况以及电梯在实际生活中的运行方式，整理出一套包含多种运行情况、运行总体耗能低于原运行方式的机制。

（三）实际运行测试

该实验是为了证明：电梯在轿厢质量与配重平衡时的耗能低于轿厢质量与配重有质量差时的耗能。实验模拟数据为：载重500 g，运行时质量差为500 g，无质量差时载重与配重均为500 g。

（四）实验结论

电机运行无质量差时的耗能低于电机运行有质量差时的耗能，即轿厢质量与配重平衡时的耗能低于轿厢质量与配重有质量差时的耗能。

五、改进设想

利用人工智能将运行时的耗能进一步降低，且在出现紧急情况时（如停电、火灾、地震导致电机停运）利用备用电池供电，将电梯停靠至安全楼层。

六、创新点

（一）将原有电梯的配重方式改为动态平衡，大大降低了电梯运行中的耗能。

（二）将电梯配重物换成液体，便于调节轿厢总重与配重的相对质量。

（三）通过连通器连接电机两侧用来配重的水箱，这样可在部分情况下无需利用水泵调节配重，从而节省部分电能。（指导老师：张才友）

专家点评

覃吕同学的基于连通器原理的电梯动态平衡驱动系统，是一件富有原创性的发明作品。这项作品的选题与解题方式是基于“求别解”的发明思路，即用全新的原理、方法、结构或材料解决已有的课题，使其更具时代感并超出原有的效果。

“求别解”的典型例子就是电子表的问世。机械表发明几百年之后，人们想使它制作更简单、时间更精准，随着电子技术的发展，20世纪60年代初，电子表就因这一思路而诞生。而本文中这项发明的完成，充分体现了覃吕同学具有良好的创新精神和科研潜质，能挑战原有的思路与方法，给电梯以全新的注释。

今年6月11日，习近平总书记给中国科学院院士、清华大学教授姚期智回信，向他致以诚挚问候的同时，给予了“希望你带领大家继续探索创新人才自主培养模式，推动学科交叉与前沿创新，打造高水平的人才培养和科技创新基地”的殷切嘱托，我们备受鼓舞。同学们就要像覃吕这样，通过发明实践，自觉朝着科创人才方向努力奔跑。

（栏目编辑  秦银银）