高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)振動特性研究

張建義，康誠

（1.杭州奧弗德機(jī)電科技有限公司；2.杭州西奧電梯有限公司，浙江 杭州 311100）

當(dāng)今高層建筑的數(shù)量與過去相比明顯增加，作為能夠提升高層建筑利用效率的技術(shù)之一，高速曳引電梯得到了廣泛應(yīng)用，并為人們的日常生活帶來了便利。但是隨著行程以及速度的提高，電梯振動情況加劇，這給電梯乘坐的安全性與舒適性帶來了無法被忽視的影響，因此，對高速曳引電梯所具有的振動特性加以研究，成為了現(xiàn)階段有關(guān)人員的主要工作之一，本文所研究內(nèi)容具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)的水平振動特性分析

如果電梯額定速度相對較低，那么發(fā)生在系統(tǒng)水平方向上的振動可以忽略不計，但隨著電梯額定速度不斷提升，高速曳引電梯所具有的安全性和舒適性，受水平方向振動的影響也變得越發(fā)明顯。研究結(jié)果表明，與低速電梯振動加速度所對應(yīng)峰值相比，高速電梯的峰值往往會高出數(shù)倍。與垂直振動隨轎廂所處位置及載荷更改而變化不同的是，水平振動發(fā)生變化的部分僅僅包括轎廂載荷。另外，由于引起水平振動的原因主要是系統(tǒng)時變剛度和隨機(jī)偏差，因此，諧波性并不明顯。

現(xiàn)階段針對高速曳引電梯機(jī)械體統(tǒng)的水平振動特性所進(jìn)行的研究工作，受技術(shù)條件以及經(jīng)濟(jì)條件制約，往往忽視了存在于轎廂側(cè)面和轎底的減振橡膠具有的作用，從而將包括轎架質(zhì)量在內(nèi)的參數(shù)與轎廂進(jìn)行直接疊加，也就是說將轎架和轎廂視為一個整體。在對高速曳引電梯進(jìn)行實(shí)際使用的過程中，為了在最大程度上對轎架向轎廂進(jìn)行傳遞的水平振動進(jìn)行降低，施工人員往往會選擇將大量減振橡膠安裝在轎廂側(cè)面和轎底，正是由于這部分減振橡膠的存在，導(dǎo)致轎廂質(zhì)心并不與轎廂架質(zhì)心處于相同位置，因此，在對系統(tǒng)水平振動所對應(yīng)物理模型進(jìn)行建立的過程中，應(yīng)當(dāng)對質(zhì)心偏移的情況加以考慮，本文所建立振動水平方向物理模型具體如圖1所示。該物理模型在轎架上對轎廂進(jìn)行了安裝，并通過在轎廂側(cè)面和轎底對減振橡膠進(jìn)行安裝的方式，在很大程度上對轎架所傳遞振動進(jìn)行了減弱，而將導(dǎo)靴安裝在轎架上，通過將其與導(dǎo)軌進(jìn)行滾動接觸的方式，完成井道中電梯的升降運(yùn)動時，導(dǎo)靴彈簧和導(dǎo)軌在接觸過程中所產(chǎn)生預(yù)壓縮量，具有明顯的減振效果。

圖1 高速曳引電梯在水平方向上的物理模型

雖然導(dǎo)靴質(zhì)量較小，在電梯運(yùn)行過程中對水平振動產(chǎn)生的影響較易被忽略，但是隨著電梯運(yùn)行速度的不斷提升，滾動導(dǎo)靴具有的作用應(yīng)當(dāng)引起重視，導(dǎo)軌制造及安裝過程中的誤差，導(dǎo)軌彎曲變形等情況的存在，都會導(dǎo)致電梯轎廂受到相應(yīng)的激勵。因此，本文在對水平振動特性進(jìn)行研究時，重點(diǎn)考慮了滾動導(dǎo)靴可能帶來的影響，通過對導(dǎo)軌及滾動導(dǎo)靴之間所產(chǎn)生相互作用加以分析的方式，得出了相應(yīng)的徑向物理模型，在對8自由度的電梯水平振動模型進(jìn)行建立后，通過模態(tài)實(shí)驗的方式計算出了高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)在不同階段所對應(yīng)頻率。

2 高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)的垂直振動特性分析

由于曳引電梯兼具提升高度大，安全系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電梯系統(tǒng)中，并發(fā)揮了應(yīng)有的作用。以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式為依據(jù)對曳引電梯進(jìn)行研究，可劃分為兩種不同類型，分別是牽引比2：1和牽引比1：1。本文在對高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)的垂直振動特性進(jìn)行分析時所建立的為1：1曳引比的物理模型，具體如圖2所示。在該物理模型中，懸掛于曳引輪兩側(cè)的分別是轎廂以及對重，受曳引機(jī)動力作用，經(jīng)由曳引鋼絲繩進(jìn)行牽引，完成相應(yīng)的上下運(yùn)行活動，對重的作用是對電梯轎廂系統(tǒng)和電梯自身所承載重量加以平衡，通過減少二者碰撞幾率的方式，在最大程度上延長曳引輪能夠使用的壽命。在對物理模型以及方程進(jìn)行建立的過程中，需要注意的是補(bǔ)償鏈和補(bǔ)償繩存在的差別：由于中低速的電梯不存在張緊系統(tǒng)，因此，在正常情況下可以選擇對補(bǔ)償鏈加以應(yīng)用的方式，對重量進(jìn)行補(bǔ)償；高速電梯則需要通過對張緊系統(tǒng)以及補(bǔ)償鏈進(jìn)行共同應(yīng)用的方式，才能夠做到對重側(cè)與轎廂側(cè)所具有重量的平衡。

圖2 高速曳引電梯在垂直方向上的物理模型

導(dǎo)致電梯系統(tǒng)在垂直方向產(chǎn)生振動的原因，主要是曳引系統(tǒng)在運(yùn)行過程帶來的振動，具體可以分為曳引輪偏心振動，電機(jī)輸出力矩波動，導(dǎo)向輪形狀不規(guī)則，而由于上述原因產(chǎn)生的振動，會經(jīng)由鋼絲繩被傳遞到高速曳引電梯的轎廂，進(jìn)而對乘坐舒適性產(chǎn)生影響。通過實(shí)驗可以發(fā)現(xiàn)，無論是在電梯上升或是下降的過程中，曳引鋼絲繩所具有的長度和電梯自身的載重都會隨著電梯位置的更改而出現(xiàn)相應(yīng)的變化，簡而言之，就是曳引鋼絲繩以及電梯載重均具有一定的時變性，因此，針對電梯開展時域離散處理的工作，并將減振環(huán)節(jié)與曳引機(jī)至張緊系統(tǒng)中的各個部分相結(jié)合是很有必要的。通過上文所敘述的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，從實(shí)質(zhì)上來說，高速曳引電梯屬于多自由度的振動系統(tǒng)。

本文在開展相關(guān)實(shí)驗的過程中，考慮到在建立電梯垂直方向所對應(yīng)的振動模型時，鋼絲繩具有的離散情況帶來的影響是不容忽視的，因此，以對物理模型所具有時變性的特點(diǎn)為依據(jù)，對電梯轎廂運(yùn)行的全過程進(jìn)行了離散，不僅將曳引鋼絲繩具有的質(zhì)量特性與電梯振動模式進(jìn)行了結(jié)合，還對以導(dǎo)靴彈簧、張緊系統(tǒng)為代表的電梯部件在質(zhì)量、阻尼等方面具有的特征加以考慮，最終推導(dǎo)出1：1繞繩比所對應(yīng)19自由度的電梯垂直振動模型，在此基礎(chǔ)上，通過模態(tài)實(shí)驗的方式計算出了高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)在不同階段所對應(yīng)頻率和井道中轎廂位置以及重量變化的情況。具體如下：高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)在垂直方向所具有的頻率，會隨著電梯轎廂所處位置以及重量的更改而發(fā)生變化，若轎廂載荷發(fā)生變化，固有頻率的變化較??；若電梯轎廂載重相同，固有頻率往往會隨著轎廂所處位置的更改而出現(xiàn)明顯變化。無論電梯是處于滿載、半載還是空載的情況，垂直方向所對應(yīng)振動微分方程固有頻率均不高于3Hz，與電梯曳引輪所對應(yīng)轉(zhuǎn)動頻率的數(shù)值存在明顯差距，因此，電梯在運(yùn)行過程中出現(xiàn)共振情況的幾率較低。

3 結(jié)語

總而言之，本文以導(dǎo)靴與導(dǎo)軌間的相互作用和曳引鋼絲繩具有的時變特性為依據(jù)，對高速曳引電梯在水平以及垂直方向上所對應(yīng)的振動物理模型進(jìn)行了建立，并通過仿真分析的方式，在對高速曳引電梯所具有振動特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了系統(tǒng)振動速度、位移等因素的變化規(guī)律，保證高速電梯安全性以及舒適性能夠得到應(yīng)有的提升。

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