无绳升降机可行性研究

你的作者认为他们在这一点上是不可行的。

关键词： ChatGPT、MMLS（多移动升降系统）、无绳升降机、无配重升降机、磁悬浮、直线电机

1. 引言

为了测试 ChatGPT，我在 4 年 2023 月 XNUMX 日问了它一个问题：无绳/无配重电梯是否可能？ 答案是： 

“是的，无绳或无配重电梯是可能的，它们已经被蒂森克虏伯股份公司、日立等公司开发和测试。 这些电梯使用类似于高速列车中使用的磁悬浮 [maglev] 技术来升降电梯轿厢。 电梯轿厢由安装在竖井壁上的直线电机驱动，轿厢水平移动以到达所需楼层。 这些电梯具有许多优势，例如运行时间更快、能耗更低，以及能够让多个电梯轿厢同时在同一竖井中移动。 然而，它们尚未普及，需要对现有建筑物进行重大基础设施改造才能安装。”

1.1 介绍 TRIZ

TRIZ（俄语 теория решения изобретательских задач）由苏联发明家兼科幻小说作家根里奇·阿奇舒勒（1926-1998）及其同事于1946年开发。在英语中，该名称通常被翻译为“发明问题解决理论”，有时也使用英文缩写TIPS。

TRIZ 的基本原理是技术问题由其矛盾来定义。 也就是说，没有矛盾就没有问题。^[1]

1.2 引入质量功能展开

质量功能展开（QFD）是一种始于1966年的日本方法，旨在将客户的需求转化为产品的工程特性。其创始人赤尾洋二将QFD描述为“一种将用户定性需求转化为定量参数，展开构成质量的功能，并将实现设计质量的方法展开到子系统、零部件，最终到制造过程的具体环节的方法”。^[2]

由于功能或质量会耗费工程资源，设计人员应考虑哪些功能是必不可少的，哪些功能可以忽略不计。 质量应由可靠性决定； 它应该足以在一定时期内保持高可靠性。 

举个关于质量的例子：日本胶卷相机的快门有 40K 的生命周期，而德国胶卷相机的快门有 100K 的生命周期。 一卷35mm胶卷可以拍摄40次，​​所以40K的生命周期需要1,000卷胶卷； 如果一个普通摄影师一年拍摄100卷，相机的快门可以使用10年。 所以 40K 的生命周期是一个合理的规格，而 100K 对普通摄影师来说太长了。 

另一个关于功能的例子：我买了一个 28 英寸的。 1997年彩电； 画中画 (PIP) 功能当时很流行。 28 英寸。 PIP 彩色电视机的价格相当于一台 28 英寸的电视机。 无画中画彩电加一台9寸。 彩电。 其实画中画功能几乎没什么用，只是当时很贵。 这意味着，“9 英寸。 锦上添花 28 英寸。 蛋糕比 9 英寸的更贵。 蛋糕。” 在我们设计和开发产品时，永远不应考虑这些昂贵的功能。

Godwin 不会使用计算机辅助设计，而我是一名拥有工程设计和工程设计管理硕士学位的专业机械工程师；我还是一名优秀的电气工程师：这是在中国自学的结果。机械工程师可以在家或在工作中学习电气知识，因为这些知识基于数学和物理的逻辑思维以及对高级理论的理解，但反之则不然，因为机械设计的技能和知识主要基于大学的特殊培训和实践经验。我不认为在家自学可以培养出优秀的机械工程师或设计师。

Godwin 和我有一些不同，因为我认为工程设计的关键是按照 QFD 很好地部署功能和质量，所以我总是使用成熟的技术来修改现有的标准产品，而不是创建新产品。 我还关注中端产品而不是高端产品，因为中端产品总是需求最大，市场利润率最高。 作为顾问，我们应该利用我们的经验和知名/完善的技术来帮助我们的客户取得成功。

虽然我从未在无绳升降机方面做过任何研究或设计，但 Adrian 和他的父亲 Michael Godwin 经常要求（不是要求）我为他们的无绳升降机研究绘制图纸。 我一向答应，不说也不勉强地画了图。 老实说，我非常讨厌那些设计：首先，我认为该机制行不通； 其次，他们从未听取过我的任何建议。

但是阿德里安必须依靠我来创作图纸。 我只是按照他的指示去做绘图员，什么也没说。 他一直对我的画很满意。 我什至为他制作了 Vertrack 无绳电梯的 3D 动画演示（图 4）。

3. Adrian Godwin 的无绳电梯设计

3.1 价值产生

3.2 多移动升降系统（MMLS）的优势^[4]

• MMLS 使到达地面以上 80 米的目的地的 5 分钟 HC 增加了 600%。
• 仅一个 MMLS 就可以为我们提供大约 25 秒的足够“质量”服务。
• 对于地面以上 60、600 或 1,200 米的目的地，MMLS 可以为我们提供相同的处理能力。
• MMLS 对速度没有要求，事实上，速度只会影响行程时间。
• 对于酒店和/或住宅设施，传统解决方案会失去处理能力。
• MMLS 在两个方向上都具有同样高的处理能力，并且在 5 分钟 HC 中没有退化。
• MMLS 还提供了能够在多个空中大厅之间互连的前景。

3.3 阿德里安·戈德温的结论^[3]

• MMLS 使 1,000 米高的建筑成为可能。
• MMLS 提供 75% 以上的建筑效率。
• MMLS 使可持续的超高层建筑成为可能。
• 需要 MMLS 的流量模拟功能。
• 需要针对火灾、货物和废物的策略。

Godwin 假设他的无绳升降机的最大速度为 4.0 m/s，建筑物高度至少为 1,000,​​4 m。 因此，等待时间可以满足标准。 阿德里安有意无意地忽略了到达目的地的行程时间，即使汽车的速度可以达到 1,000 m/s，从 250 米高的建筑物的底层到顶层的行程时间会超过 4 s（ 10 分 XNUMX 秒）。 

当速度为 2.5 m/s 时，从 1,000 米建筑物的底层到顶层的行进时间将超过 400 秒（6 分 40 秒）。

情况类似于过去的一位客户咨询：“常规控件的等待时间比目的地控件短。 你为什么向我们推荐目的地控制？” 我的回答是： 

“因为传统控制将队列从电梯大堂转移到电梯轿厢，因此等待时间会更短，但到达目的地的行程时间将变得难以忍受，因为轿厢可能会停在每个楼层。 目的地控制需要更长的时间来对乘客进行分组，以尽量减少停站次数，因此等待时间会更长，但行程时间会短得多。”

ChatGPT的回答： 

“MULTI 系统设计为无绳运行，使用线性电机和磁悬浮技术垂直和水平移动电梯轿厢。 这种创新设计允许多个电梯轿厢在一个竖井中运行，从而提高了系统的容量和效率。 据蒂森克虏伯称，MULTI 系统的最大容量为每个电梯轿厢 1000 公斤（或约 13 人），最大速度为 5 m/s。 但值得注意的是，系统的实际容量和速度可能会因运行中的电梯轿厢数量和具体安装环境等因素而有所不同。” 

我认为 1000 公斤的容量是可能的，因为 MULTI 系统的车比 Vertrack 的深车更宽，但最大速度 5 m/s 是不可能的。

4. 评价发明或设计的五项原则

您的作者相信有经验的人知道什么不能做，而不是什么可以做。 同时，技术措施永远是解决技术问题的最后手段。 在此之前，应考虑 QFD。 因此，遵循TRIZ和QFD的原则，作者总结了五个评估设计或发明的原则：

4.1. 设计/发明不得有未解决的根本矛盾。 

例如，无绳电梯发明中的低速与高层。 直线电机自重与 1,000 米以上的高层建筑。 

对于办公电梯的速度，一个经验法则是速度=行程米/20 秒，这样乘客电梯应该能够在 60 秒内从底层到顶层，中间停靠几次。 

对于任何电梯，从底层到顶层的最短运行时间应在 60 秒以内。 如果是这样，对于 1,000 米建筑物（高层住宅楼或旅馆）中的乘客电梯，速度应至少为 1,000,​​60 m/16.67 s = XNUMX m/s。 

4.2. 设计/发明不得违反任何 TRIZ 发明原则。 

继阿尔特舒勒的洞见之后，TRIZ 理论在广泛的研究基础上发展起来，该研究涵盖了许多不同领域的数十万项发明，从而产生了一种理论，该理论定义了发明解决方案的本质中的可推广模式以及这些发明所克服的问题的独特特征。^[1] 

如果任何设计不遵循 TRIZ 原则，它很可能是不可行的。

例如，高层电梯没有配重，但使用配重是起重设备的 40 条 TRIZ 原则之一（表 2）。

1。 分割	2.提取	3. 当地品质	4. 不对称
5。 合并	6.普遍性	7. 嵌套	8. 配重
9. 事先反击	10. 事先行动	11.提前缓冲	12.等势性
13. 反过来做	14.球形度	15.动态	16. 部分或过度行动
17.过渡到一个新的维度	18. 机械振动	19.定期行动	20.有用行动的连续性
21. 冲过去	22. 化害为利	23。 反馈	24. 调解员
25.自助服务	26.复制	27. 处置	28.更换机械系统
29.气动或液压结构	30. 柔性膜或薄膜	31.多孔材料	32.改变颜色
33. 同质性	34. 拒绝和再生零件	35. 财产转换	36.相变
37. 热膨胀	38.加速氧化	39.惰性环境	40。 复合材料

配重具有以下功能： 

• 通过将一个物体与另一个提供升力的物体组合来补偿该物体的重量。
• 用受外部环境影响的空气动力或流体动力补偿物体的重量。

聊天GPT： 

“上海磁悬浮列车的最大加速度约为 1.5 米/秒²（4.9 英尺/秒²），可在 4 分钟内达到 430 公里/小时（267 英里/小时）的最高速度。”

A=F/M，对于无绳电梯a=[Fg*(P+Q)]/M，因为M=P+Q，所以没有CTW，F=a*(P+Q)+g*(P+Q )=(g+a)*(P+Q)=(9.8+1)*(P+Q), 

其中 F= 驱动力，A= 加速度，P= 乘客重量（kg），Q=汽车重量（kg），g=重力加速度。

高层电梯的加速度至少应为1m/s2，因此无绳电梯每公斤质量的驱动力将是磁悬浮列车的10.8/1.5=7.2倍。 这就是起重设备需要配重的原因。 对于磁悬浮列车，这是 F=a*(P+Q)+ Fr（Fr=阻力）。 从这里可以看出，磁悬浮列车可以水平运行，但垂直运行就没那么容易了。

除了上面提到的，磁悬浮列车每程只会有两站一站（上海机场磁悬浮列车）或几站（日本东京和大阪之间的磁悬浮列车项目一程九站八站） )，而 1,000 米高的大楼中的电梯将服务 250 个楼层，这意味着 249 个潜在站点。 频繁的加速和减速会导致其他甚至更大的问题。 因此，磁悬浮列车的想法不适用于无绳电梯。 所以，用磁悬浮列车的概念来建造无绳电梯是不合适的。

4.3. “糖霜永远不会比蛋糕更昂贵。”

例如，无绳电梯将比可能安装电梯的低层建筑更昂贵。 磁悬浮列车是一个城市或国家基础设施的一部分，因此特大城市或国家建造磁悬浮列车或许是可能的，但对于低层建筑安装无绳电梯是不现实的。

聊天GPT： 

“建造磁悬浮列车系统的成本因各种因素而异，例如要覆盖的距离、地形、设计、使用的材料和其他因素。 中国第一条商业磁悬浮列车——上海磁悬浮列车的建设，耗资约 1.2 亿美元 30 公里（单程每米 40,000 美元）。 日本东京和大阪之间拟议的磁悬浮列车项目预计耗资约 100 亿美元，总长 285.6 公里。 由于所涉及的技术，建设磁悬浮列车系统的成本通常高于传统高速铁路。 然而，随着时间的推移，磁悬浮列车速度和效率的提高可能会导致运营成本显着降低。 但磁悬浮列车作为城市或国家的基础设施用于公共交通。 这笔投资将能够在未来得到回报。”

4.4. 子系统中的单一故障永远不会导致系统故障。 

例如，其中一台无绳电梯的多节轿厢在单向单轴中发生故障。 必须考虑与救援相关的另一个问题，当升降机在空中发生故障时，升降机轿厢无法进入。 

4.5. 从不挑战极限； 任何机械产品都有物理限制。

当设备接近极限时，结果与输入不成比例。 如果是这样，就需要改变观念。 例如，如果 1,000 米是建筑高度的限制，我宁愿接受 800 米作为最大值，因为两栋 800 米的建筑使用面积翻倍的成本可能低于一座 1,000 米的建筑。

无绳电梯轿厢将是类似的，具有 1:1（绳索）悬臂式无机房 (MRL) 电梯轿厢，不带配重。 

聊天GPT： 

“一般来说，1000 kg 悬臂式电梯的最高速度通常在 2.5 到 3 m/s 左右。 但是，这可能会因多种因素而异，包括电梯竖井的高度、电动机的容量以及电梯系统中包含的安全功能。 操作电梯时，务必遵守制造商的指南和当地安全法规，以确保安全可靠的性能。”

已不复存在的蒂森克虏伯运输有限公司曾经的口号是：“我们不接受任何限制。”

但是史蒂夫·乔布斯说： 

“我的商业模式是披头士乐队。他们四个人互相制约，抑制彼此的消极倾向。他们彼此互补，最终成就远大于个体之和。这就是我对商业的看法：商业上的伟大成就从来都不是一个人完成的，而是一个团队共同努力的结果。” 

同样，我的产品开发模型是日本的 QFD：任何零件或组件都具有平均或高于平均质量，但它们相互平衡，总性能大于零件或组件的总和。 

5.无绳升降机的可能性

如前所述，永远不要挑战限制。 当它接近极限时，需要发明一个新的概念。

5.1 永磁电机特性

T=BLR2πRA=2BA(πR²L)=2BAV

其中 T= 扭矩（总），B= 磁场强度，L= 磁场中的导体长度，R= 电机的等效半径，V= 电机体积（X 长度的电机等效截面）。

由于磁饱和，磁场强度不能无限增加。 要增加扭矩，只有两种方法可用：增加电机的直径和/或增加电机的长度。 这就是为什么 PM 电机通常被制成扁平的（细但直径大）以获得尽可能高的扭矩。 大直径转子的另一个目的是在转子和驱动槽轮之间获得更大的比率，因为扭矩与半径的平方成正比。^[5]

我相信无绳升降机必须在轿厢中安装永磁电机，而不是由直线电机驱动。 因此，无绳升降机可能只有两种款式：

5.2. 齿轮齿条

5.3 汽车上的摩擦轮

这个 Univator 驱动概念有两个基本矛盾： 

• 杆上任一点的速度相同，但小车在加速或减速时，各电机的转速相互不同。 
• 如果汽车在弯道上行驶，弯道应具有相同的曲率半径，杆也应具有相同的曲率半径。

除了以上两点，乘客为什么还需要弯道行驶呢？ 什么样的建筑物需要它？

Univator类似，带有弯曲的摩擦轮升降机，但对于无绳升降机，摩擦轮应安装在每辆升降机轿厢的两侧，而不是一直向上/向下单向升降机轴的直线电机。

7。 结论

1. 我个人认为，在目前的情况下，无绳电梯是行不通的。 只有当新材料出现时，如超磁、超导体、超级电池或超级电容器，无绳升降才有可能。 如果未来发明一种非常小但非常强大的电机，并且可以直接安装在机舱上，那么无绳电梯就有可能实现。 就像 MRL 升降机一样，由于 PM 电机的发明，一种将无齿轮 PM 电机直接定位在井道中以消除机房的方法。
2. 电力传输将通过电力进行。 轿厢下行或制动时，应在装置上使用电动配重。 电机将产生的电能储存在超级电池或电容器中。
3. 无轮汽车不是车辆。 它将是气垫船或飞机，所以无绳升降机或无配重升降机可能只是一种飞机，但有一个名称，如“airlift”，类似于空中客车，其中空中客车不是公共汽车。
4. 任何机械产品都有其自身的物理局限性，例如“树木不会长到天上去”，这是一句德国谚语，原文为“Bäume wachsen nicht in den Himmel”。目前的建筑技术可能无法建造超过1,000米的摩天大楼，因为建筑物的自重可能会导致其坍塌。
5. 永远不要挑战限制，因为在接近限制时，结果与输入不成正比。

8. 作者的话

客户需求是创新的最大驱动力，但客户需求也受到性价比（PPR）或投资回报率（ROI）的影响。我反对“创新是为了创新”这种观点。没有客户需求，任何创新都只是科幻小说里的情节。这就是为什么埃隆·马斯克的SpaceX公司能够成功，而英国亿万富翁理查德·布兰森爵士的火箭公司维珍轨道公司却因未能获得新的投资而在美国申请破产的原因。

最后，我想把史蒂夫·乔布斯 (Steve Jobs) 的一句话分享给我仍在从事无绳索道电梯开发的同事们：“有时候，当你创新时，你会犯错误。 最好迅速接纳他们并继续改进你的其他创新。”

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案例

[1] TRIZ - 维基百科

[2] 质量功能展开 - 维基百科

[3] 阿德里安·戈德温。 MMLS：高层建筑垂直交通的未来。 Adrian Godwin，第七届电梯和自动扶梯技术研讨会 

[4] 阿德里安·戈德温。 垂直交通设计和 Bim 的最新趋势（Adrian Godwin 午餐时间 CPD）

[5] 梁洪良． 中国电梯，2018年XNUMX月； Elevator World, 2020 年 XNUMX 月英文版，以及 Elevator World Middle East, 4 年第四季度阿拉伯语和英语。

[6] 摩擦轮 - Coasterpedia - 过山车和平面游乐设施维基