電梯內(nèi)置減震裝置隔震方法的仿真研究

宇文旋 安澤偉 吳曉燕

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710018）

0 引言

電梯隨著城市高層建筑的發(fā)展而發(fā)展，電梯作為一種重要的垂直交通工具，舒適性是其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的主要因素之一。

電梯的震動(dòng)是電梯乘坐舒適的重要指標(biāo)。正常情況下，乘坐時(shí)間短且震動(dòng)幅值小，不會(huì)影響乘客安全。但振動(dòng)到達(dá)一定值，且頻率在人的敏感帶時(shí)，或者電梯起制動(dòng)特性差，都會(huì)使乘客感到明顯不適。這種情況尤其表現(xiàn)在高速電梯以及身體條件差的乘客上。為減小電梯的振動(dòng)與沖擊，工程技術(shù)人員一方面從控制角度出發(fā)，提出理想電梯運(yùn)行曲線的方法對(duì)電梯運(yùn)行速度進(jìn)行優(yōu)化控制。另一方面從緩沖與減振角度出發(fā)，提出加裝減振器的方法來減小轎廂振動(dòng)與沖擊。

本文就特殊敏感人群提出在廂內(nèi)設(shè)計(jì)隔振緩沖裝置的方法，并對(duì)簡化力學(xué)模型進(jìn)行了分析和仿真

1 減震系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

為研究方便，將人體、隔離裝置、電梯組成的系統(tǒng)進(jìn)行簡化，建立減震器與彈簧并聯(lián)的動(dòng)力學(xué)模型。

1.2 系統(tǒng)輸入分析

1.2.1 理想的電梯運(yùn)行曲線

電梯的速度是電梯運(yùn)行規(guī)律的決定因素，它直接影響電梯的舒適性。常見的理想速度曲線中拋物線一直線綜合速度曲線因算法快速，結(jié)構(gòu)靈活，實(shí)現(xiàn)起來更容易滿足電梯速度控制的各項(xiàng)要求，最為常見，其起動(dòng)加速和減速制動(dòng)段速度曲線為拋物線型，穩(wěn)速運(yùn)行階段為直線型。

1.2.2 實(shí)際的電梯運(yùn)行曲線

實(shí)際的電梯運(yùn)行曲線除了與電梯的運(yùn)行速度和加速度有關(guān)外，還受到電梯曳引系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、隨機(jī)因素等多方面因素的影響，因此有必要對(duì)電梯的實(shí)際運(yùn)行曲線進(jìn)行測(cè)量。選擇某型號(hào)電梯作為研究對(duì)象，對(duì)其運(yùn)行加速度進(jìn)行測(cè)量，由結(jié)果可知加速度曲線與拋物線—直線綜合性理想曲線較為吻合，且存在隨機(jī)波動(dòng)，這種隨機(jī)波動(dòng)同樣會(huì)對(duì)電梯的舒適性造成影響，因此再分別研究以正弦振動(dòng)函數(shù)、正弦半波沖擊函數(shù)、理想速度控制曲線函數(shù)作為輸入時(shí)的系統(tǒng)的輸出特性。

2 仿真分析

ADAMS軟件是目前應(yīng)用廣泛且具權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。

2.1 仿真模型的建立

所建立的系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。仿真模型主要由人體、隔離裝置、電梯及它們之間的約束關(guān)系和作用力組成。其中建模方法是：將電梯的位移激勵(lì)s分為兩部分，一部分是理想曲線，另一部分為振動(dòng)。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)方案

以上述實(shí)驗(yàn)電梯作為仿真對(duì)象，對(duì)上行階段進(jìn)行仿真試驗(yàn)。隔振元件暫取減振器，其剛度K=1891.2N／m。以CATIA人機(jī)工程模塊中國（臺(tái)灣）80%人體質(zhì)量(m=73.803kg)作為人體仿真質(zhì)量。

為探究裝置對(duì)隨機(jī)波動(dòng)的隔離作用，仿真試驗(yàn)中，以不同頻率（1Hz、5Hz和10Hz）振幅為10mm的正弦信號(hào)作為激勵(lì)，測(cè)量人體的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)作為電梯舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)隨機(jī)波動(dòng)中含有沖擊成分，實(shí)驗(yàn)中以沖擊信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)，以人體位移響應(yīng)的峰值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

人體對(duì)于加速度的變化比較敏感，所以除了應(yīng)做到給定速度數(shù)值連續(xù)、加速度數(shù)值連續(xù)外，還應(yīng)做到加速度的變化率沒有突變。為探究隔離裝置對(duì)理想曲線的影響，以理想曲線作為輸入計(jì)算人體的響應(yīng)。將電梯的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)代入模型，得到電梯加速度曲線方程。用ADAMS進(jìn)行編譯，并將其輸入圖中滑動(dòng)副作為電梯激勵(lì)，測(cè)量人體加速度和加速度變化率。

2.3 正弦激勵(lì)分析

當(dāng)頻率為1Hz時(shí)，人體的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)均大于相應(yīng)的位移激勵(lì)和加速度激勵(lì)。因?yàn)榇祟l率接近隔離裝置的固有頻率（0.87），產(chǎn)生共振現(xiàn)象。而當(dāng)頻率為5Hz和10Hz時(shí)，人體的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)均小于相應(yīng)的位移激勵(lì)和加速度激勵(lì)。且隔振裝置對(duì)頻率為10Hz的激勵(lì)阻隔效果更加明顯。

為進(jìn)一步探究隔振裝置對(duì)不同頻率激勵(lì)的阻隔效果，用ADAMS對(duì)裝置的幅頻特性進(jìn)行計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知隔離裝置對(duì)低于固有頻率（0.87）的激勵(lì)阻隔作用不明顯，且當(dāng)激勵(lì)源的頻率接近固有頻率（0.87）時(shí)，不僅起不到隔振作用，反而會(huì)因?yàn)楣舱瘳F(xiàn)象使振動(dòng)加強(qiáng)；當(dāng)激勵(lì)源的頻率大于1Hz時(shí)，隨著頻率的增加，隔離效果會(huì)增強(qiáng)。資料表明，人體對(duì)振動(dòng)的敏感頻率為4—8Hz。因此，隔離裝置可以對(duì)處于人體敏感頻段的振動(dòng)有效隔離。

2.4 正弦半波位移沖擊分析

系統(tǒng)輸入為正弦半波位移激勵(lì)，其方程為：

仿真結(jié)果顯示隔振裝置能夠有效緩和電梯的位移沖擊，可將沖擊波峰值將為原來的16%。對(duì)由于電梯運(yùn)行不穩(wěn)引起的沖擊有很好的緩和作用，可有效提高使用者的抗沖擊能力。

2.5 理想運(yùn)行曲線激勵(lì)

由理想運(yùn)行曲線作為系統(tǒng)輸入的仿真結(jié)果，可知以拋物線—直線型理想速度曲線運(yùn)行的電梯在由二次曲線和比例曲線相互過渡及電梯起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，加速度曲線連續(xù)，但其變化率產(chǎn)生了跳變，影響了電梯的舒適性。而緩沖減振裝置上人體速度響應(yīng)曲線的加速度及其加速度變化率時(shí)刻保持連續(xù)，因此其舒適性優(yōu)于以拋物線—直線型理想速度曲線運(yùn)行的電梯。同時(shí)，隔振裝置會(huì)使加速度曲線和加速度變化率曲線的峰值增加，這有可能會(huì)影響其隔離效果。

3 結(jié)論

與通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠方便地實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部、行業(yè)內(nèi)部、甚至更大范圍的診斷數(shù)據(jù)和知識(shí)的共享，用車企業(yè)界則可以利用它為生產(chǎn)企業(yè)研究機(jī)構(gòu)提供寶貴的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，能夠有效地組織異地專家會(huì)診等，這樣既解決了車輛使用企業(yè)技術(shù)力量不足和技術(shù)水平提高的問題又有利于研發(fā)機(jī)構(gòu)更準(zhǔn)確、更有效的獲得車輛運(yùn)行的第一手資料，通過檢測(cè)、分析、性能評(píng)估等，為車輛修改結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息，充實(shí)理論和技術(shù)研究。

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