倾斜电梯紧急制动合规性评估的仿真与解析框架——基于Simulink多体动力学模型与EN 81-22:2021标准的不确定性感知分析方法

《Results in Engineering》：Simulation-based and analytical framework for emergency braking compliance in inclined lift

　　

摘要：倾斜电梯（inclined lift）要求配备专用紧急制动系统，须同时限制作用于乘客的水平与垂直载荷。目前制造商普遍采用渐进式安全钳（progressive safety gear）与液压缓冲器（hydraulic shock absorber）组合的装置以满足EN 81-22:2021标准要求。取消缓冲器而仅以渐进式安全钳作为制动元件是具技术挑战性的课题，直接影响乘员安全。本研究提出一种符合规范要求、融合不确定性的评估框架，用于判断仅采用渐进式安全钳作为唯一制动元件在满足安全限值方面的可行性。研究在MATLAB/Simulink中建立多体动力学（multibody dynamic）仿真模型表征制动力演化过程，其结果与定制实验测试结果高度吻合。将标准加速度限值重构为独立于特定安全钳设计的通用无量纲（dimensionless）合规包络；通过解析传播与蒙特卡洛（Monte Carlo）分析引入测量不确定度，形成安全走廊（safety corridors）。采用拉丁超立方抽样（Latin Hypercube Sampling, LHS）探索工作包络，实现对不同载荷与倾角下合格与不合格配置的稳健分类。该方法并非针对特定配置进行验证，而是建立了一种替代性虚拟法规认证（virtual regulatory qualification）框架，可在不确定性感知条件下系统评估倾斜电梯安装方案。解析模型在全工作范围内表现出高预测精度，证实在型式试验（homologation test）条件下仅使用渐进式安全钳作为紧急制动装置的技术可行性。该框架将倾斜电梯紧急制动评估从经验验证转变为嵌入规范要求的工程决策工具，支持倾斜电梯系统安全稳健设计。

论文解读——《Simulation-based and analytical framework for emergency braking compliance in inclined lift》

一、研究背景与意义

常规垂直电梯的紧急制动由限速器触发渐进式或瞬时式安全钳（progressive or instantaneous safety gear）完成，依据EN 81-50:2020标准要求最小减速度不低于0.6g。倾斜电梯（inclined lift，运行于15°～75°导轨上）因沿斜向轨迹制动，产生的减速度需分解为水平分量a_h=a·cosθ与垂直分量a_v=a·sinθ，EN 81-22:2021对其施加双重约束：a_h≤0.5g，且0.1g≤a_v≤g。现有制造商采用渐进式安全钳加液压缓冲器（shock absorber/buffer）组合来满足要求，但该方案增加安装与维护成本。目前文献缺乏针对倾斜轨迹制动系统的实验验证及规范嵌入式评估方法，垂直电梯的结论不能直接迁移。Beatriz Valles Fernández、Enrique Alcalá Fazio与ángel Luis Martín López来自马德里理工大学INSIA研究所，开展本研究以探究仅用渐进式安全钳作唯一制动元件的可行性，并建立融合动态仿真、规范解析公式化及不确定度传播的通用评估框架，论文发表于《Results in Engineering》。

二、主要关键技术方法

研究人员在INSIA侧向倾斜试验台上对六种变型渐进式安全钳（SG1～SG6，颚口开度2.00～3.50 mm，许可总质量3720～6160 kg）于15°、25°、45°倾角及空载（P_min）与满载（(P+Q)_max）工况开展42组制动实验，以500 Hz采样加速度并经30 Hz四阶Butterworth滤波器处理，用速度—时间曲线移动线性回归（R2≥0.9999）提取稳态平均减速度；基于Sprague and Geer度量（幅值误差M、相位误差P、综合误差C）校验仿真与实验信号一致性（C<20%为高度满意）。在MATLAB/Simulink中建立含轿厢与制动系统两自由度多体动力学（Multibody Dynamic, MBD）模型，以EN 81-50型式试验所得制动力—时间曲线（三阶段：快速上升—渐降—稳定于峰值80%）为输入，无缓冲器时赋予高刚度近似刚体行为。将EN 81-22加速度限值代入力平衡方程推导无量纲（P/F_f—θ）合规包络，按GUM指南通过解析不确定度传播（制动力的相对标准不确定度u_r,Ff=2%；倾角服从±0.1°均匀分布Type B评估）结合Monte Carlo模拟（2000×2000组）生成安全走廊（safety corridors）。采用拉丁超立方抽样（Latin Hypercube Sampling, LHS）在质量—倾角空间均匀抽取样本驱动MBD模型，与解析包络对比分类为合规（COMPLIANCE）、不合规（NON-COMPLIANCE）及不确定（INDETERMINACY，落于安全走廊内），共评估1242组配置验证两模型一致性。

三、研究结果

Dynamic model（动态模型）

研究人员将渐进式安全钳制动力沿运动方向建模为三段时程曲线：触发后力快速增至型式试验最大值（啮合阶段），随后受机械耗散与电梯动力学耦合影响线性下降至可控值（过渡阶段），最终稳定于约80%峰值力（稳态阶段）。将该曲线输入Simulink两自由度MBD模型（轿厢位移与制动系统压缩量），无缓冲器时将阻尼元件刚度放大一个数量级模拟刚性连接，并以限速器触发速度1.37 m/s（对应额定速度1 m/s）激活制动。模型可通用于不同倾角，通过力分解获得a_h与a_v供合规判定。

Experimental results（实验结果）

42组实验涵盖三种倾角、六种安全钳变型及有无缓冲器配置。所有测试的综合拟合误差C均小于20%（最高约18%），表明MBD仿真与实测动态响应高度吻合；最佳拟合（SG4，5720 kg，15°）与最差拟合（SG6，4630 kg，25°）的速度—时间曲线在趋势与幅值上均具可接受一致性。实验证实渐进式安全钳单独作用时可产生符合EN 81-22限值的减速度，且MBD模型能准确复现该行为。

Results of applying the analytical method（解析方法应用结果）

LHS生成的采样点全面覆盖15°～75°倾角及典型倾斜电梯质量范围并叠加于无量纲解析合规图。以解析工具为基准，MBD仿真预测与解析分类对比显示：1209组（97.35%）在不确定度走廊外两模型判据完全一致；33组（2.65%）差异均位于预设安全走廊内（各安全钳变型分布2～10组），无非结构性越界误判；安全走廊按Monte Carlo传播得出P_min相关界限扩展4.5%、(P+Q)_max界限扩展7%，功能为计量置信带而非拟合调整带。结果表明解析模型与MBD仿真在全参数空间高度一致，支撑仅用渐进式安全钳满足规范的技术可行性。

四、讨论与结论翻译

讨论指出倾斜电梯可制动质量范围受轨迹倾角调制，不能直接沿用垂直电梯认证范围；所提无量纲解析工具通用适用于任意渐进式安全钳，仅凭制动力和倾角即可确定许用质量区间，属方法学创新。MBD模型经Sprague-Geer度量验证具高保真度，LHS与不确定度整合拓展验证广度。去除缓冲器可降本简化并复用既有部件，但在型式试验条件外未考虑摩擦磨损、热累积、导轨表面变异及老化等因素，需后续耐久性研究。框架核心价值系建立可再现、规范嵌入、含不确定度量化的评估流程，超越逐案例试错。

Conclusions（结论）：

本研究旨在开发能精确模拟倾斜电梯制动系统动态行为、以渐进式安全钳制动力、待制动总质量(P+Q)及轨迹倾角θ为输入变量的工具。实验验证与解析方法证明仿真模型可靠复现电梯制动过程，确认仅使用渐进式安全钳作为唯一安全元件的可行性——在考虑之法规试验条件下无须附加阻尼元件即可满足合规要求，优化系统安全性与效率。本工作主要贡献在于建立以合规性为导向的替代性评估方法论，集成多体动力学仿真、源于规范的解析公式化、不确定性感知安全走廊及安装参数空间结构化探索，将倾斜电梯紧急制动评估从配置依赖的可行性研究转化为可推广的工程工具。