高層高速電梯振動特性分析

于仁東　木也斯?fàn)枴つ旧?/p>

摘 要：振動是電梯在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，不僅會影響電梯的使用壽命和功能，同時也對人們的生命安全造成一定威脅，因而電梯的振動問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注。本文首先闡述了電梯基本結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了電梯垂直方向振動特性及控制振動的措施，希望對相關(guān)研究領(lǐng)域提供借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：高速電梯；振動特性

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展。電梯作為高層建筑中的重要設(shè)施，對人們的日常生活產(chǎn)生極大影響。隨著電梯應(yīng)用比例的增加，人們對乘坐電梯的舒適度提出了更高要求。多種因素都可對電梯的舒適性產(chǎn)生影響，振動是最常見因素，因而需要加強(qiáng)對高層高速電梯振動特性的研究，明確電梯振動的機(jī)理，采取有效措施，提高電梯安全系數(shù)，減少電梯振動對人們造成的影響。

1.電梯基本結(jié)構(gòu)及工作原理

隨著電梯在高層建筑中應(yīng)用頻率的增加，電梯的安全問題也越來越受到高度關(guān)注，加強(qiáng)電梯運(yùn)行中的振動特性研究十分重要。電梯設(shè)備依附于建筑物，主要由8個系統(tǒng)和4大空間部分組成，即曳引、導(dǎo)向、轎廂、門、重量平衡、電力拖動、電氣控制及安全保護(hù)系統(tǒng)和機(jī)房、井道與底坑、轎廂及層站部分[1]。

電梯在上下運(yùn)行時，轎廂與對重是由鋼絲繩連接，在曳引電動機(jī)的作用下，曳引輪開始轉(zhuǎn)動，由于曳引繩和曳引輪之間的摩擦?xí)a(chǎn)生曳引力，因而使轎廂、對重實(shí)現(xiàn)了相對的升降運(yùn)動。曳引機(jī)、曳引鋼絲繩及導(dǎo)向輪等構(gòu)件構(gòu)成了電梯的曳引系統(tǒng)，鋼絲繩對動力進(jìn)行傳遞，進(jìn)而推動電梯上下運(yùn)行。

2.電梯垂直方向振動特性

2.1電梯垂直震動機(jī)理

電梯系統(tǒng)較為復(fù)雜，在其垂直運(yùn)動方向上，曳引繩對動力進(jìn)行傳遞而產(chǎn)生沖擊力，進(jìn)而施加給轎廂。曳引機(jī)波動、鋼絲繩與補(bǔ)償鏈發(fā)生擺動以及導(dǎo)軌產(chǎn)生不平衡的摩擦，都會使電梯垂直方向受到不同的阻力。另外，由于鋼絲繩具有一定收縮性，某些情況下，會產(chǎn)生簡諧震動。針對那些齒輪形式的電梯，由于齒輪之間產(chǎn)生摩擦，會對齒輪造成磨損，齒輪嚙合不穩(wěn)，最終會導(dǎo)致電梯出現(xiàn)振動。通常情況下，電梯的轎廂和載荷質(zhì)量都要超過3噸，而鋼絲繩的強(qiáng)度會隨著電梯的運(yùn)行而發(fā)生改變，因而電梯振動時主要具有慣性大、參數(shù)變化快及低頻響應(yīng)等特點(diǎn)。電梯系統(tǒng)較為復(fù)雜，多種因素都可以使電梯發(fā)生振動。

曳引式電梯具有結(jié)構(gòu)簡單、安全系數(shù)高等優(yōu)勢，因而使其成為了當(dāng)前使用頻率最高的電梯類型。現(xiàn)階段，曳引電梯主要有兩種傳動結(jié)構(gòu)類型，即 1：1和1：2，也就是單繞和復(fù)繞[2]。在對高層高速電梯振動特性進(jìn)行研究時，往往需要建立起動力學(xué)方程數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際建模研究中，需要充分考慮高層建筑高速、補(bǔ)償繩擺動及質(zhì)量等方面的變化情況。

2.2電梯垂直動力學(xué)建模

由于電梯類型不同，其振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模也不同。目前在國內(nèi)，在高層高速電梯通常都會選用單繞式的曳引電梯，因而下文主要對單繞式的電梯機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模研究。電梯在垂直方向的動力學(xué)建模簡化模型如圖1所示。

圖1 電梯垂直方向的動力學(xué)建模簡化模型

可以把電梯機(jī)械的振動看成一個受到激勵的單自由度振動系統(tǒng)。轎廂質(zhì)量M是等效剛度為K的彈性彈簧中的一段，當(dāng)電梯轎廂上升時，轎廂運(yùn)動速度會發(fā)生改變，進(jìn)而發(fā)生振動，此時的轎廂就是一個振動體，并且會隨著電梯運(yùn)行速度和機(jī)械系統(tǒng)的剛度的變化而發(fā)生改變?？梢园央娞蒉I廂下超載橡膠和曳引鋼絲繩看作是一個彈簧，并把轎廂、轎廂架子及轎廂載荷質(zhì)量看做M。電梯運(yùn)行過程中，鋼絲剛度會隨著時間的變化而發(fā)生改變，此時彈簧剛度K也會發(fā)生變化[3]。電梯在運(yùn)行過程中的加速度a（t）是曳引機(jī)的主要振動源，把曳引機(jī)的額定運(yùn)行速度和電梯的運(yùn)行加速度作為參照系數(shù)，可以把曳引機(jī)的運(yùn)行加速度近似成轎廂的運(yùn)行加速度，從而可以從理論上得到電梯的振動模型。

3.控制電梯振動幅度——優(yōu)化電梯系統(tǒng)參數(shù)

由于曳引電梯產(chǎn)生的激勵源及曳引運(yùn)動速度的增減，一定程度上會使電梯 振動具有一定規(guī)律性。一方面可以調(diào)整電梯系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，從而使電梯系統(tǒng)的振動頻率降低，另一方面，也可以通過改變電梯自身的固有頻率，從而使電梯轎廂質(zhì)量發(fā)生改變，進(jìn)而減少電梯振動。在實(shí)際應(yīng)用中，為了對電梯的振動情況進(jìn)行控制，通常會使用優(yōu)化電梯系統(tǒng)參數(shù)的方法。

多次實(shí)驗研究證明，如果電梯轎廂的質(zhì)量增加，振動幅度也會隨之增大，而如果將電梯曳引鋼絲直徑變大，電梯的振動幅度就會減??；若改變電梯頂層高度，而此時電梯振動幅度則無明顯變化，但是當(dāng)電梯處于頂層的位置時，電梯振動加速度則沒有明顯改變。由此可以判斷，電梯運(yùn)行的最大加速度、變化速率等會對電梯的振動特性產(chǎn)生較大的影響，因而想要對電梯的振動情況進(jìn)行有效控制，可以通過適當(dāng)調(diào)整加速度變化率、最大加速度等參數(shù)可以改變電梯運(yùn)行中激振力振動位移的大小，從而可以得到最小的振動響應(yīng)。

4.結(jié)束語

電梯作為高層建筑中的重要設(shè)施，對人們的日常生活產(chǎn)生極大影響。隨著電梯應(yīng)用比例的增加，在電梯運(yùn)行過程中出現(xiàn)的振動問題也隨之增加，不僅對電梯的功能和使用壽命造成影響，同時也威脅著人們的生命安全。因而我們要對電梯的振動問題有足夠重視，掌握高層高速電梯振動的特性和規(guī)律，加強(qiáng)防范與控制，降低電梯故障率，確保電梯安全平穩(wěn)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹智超.高層高速電梯振動特性研究與實(shí)驗[D].中南大學(xué)，2012，06（10）：18-19.

[2]尹紀(jì)財.中高速電梯曳引系統(tǒng)振動問題的研究[J].蘇州大學(xué)，2011，04（01）：11-12.

[3]吳慧.高速曳引電梯的動態(tài)特性研究[J].南京航空航天大學(xué)，2013，01（01）：9-10.