高速電梯提升系統(tǒng)縱向振動建模與動態(tài)特性研究

吳虎城

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，江蘇 徐州221116）

0 引言

曳引式高速電梯廣泛應用于高層民用住宅、商辦場所，其提升系統(tǒng)如圖1所示，主要由曳引機、曳引繩、橋廂橋架、導向輪、對重、補償繩以及張緊裝置等組成。在這個由多部分組成的復雜系統(tǒng)中，曳引鋼絲繩、導軌導向以及電氣控制系統(tǒng)等設計制造、安裝調(diào)試以及運行過程中的各種因素都有可能造成電梯曳引系統(tǒng)的振動。相對于普通電梯，高速電梯曳引系統(tǒng)的動態(tài)特性對載重、速度、高度等運行參數(shù)的變化而引起的激勵更加敏感，尤其曳引系統(tǒng)的前幾階固有頻率接近曳引機頻率，從而導致縱向振動的加劇。所以研究曳引系統(tǒng)的動態(tài)特性對電梯提升性能的改善有著重要的意義。

1 提升系統(tǒng)建模方法相關研究

目前國內(nèi)外專家學者對鋼絲繩提升系統(tǒng)的建模方法主要有兩種：集中參數(shù)的離散模型與分布參數(shù)的連續(xù)模型[1-2]。當研究重點是電梯提升系統(tǒng)的縱向振動時候，適合采用集中參數(shù)的離散模型。此時建模過程忽略曳引鋼絲繩的柔性特征，將其認為是個變參數(shù)的彈簧-阻尼器，這樣整個提升系統(tǒng)可看作一個多剛體振動系統(tǒng)。早期專家學者的研究對象主要是普通電梯系統(tǒng)，系統(tǒng)建模一般不涉及張緊裝置[3-4]。而高速電梯通過采用張緊裝置來平衡電梯對重與橋廂兩側(cè)的質(zhì)量差值并保證電梯運行的穩(wěn)定性。王艷軍等[5]在考慮到張緊裝置作用的同時，分析了高速電梯的振動頻率，但是建模過程忽略了曳引鋼絲繩和補償鋼絲繩的質(zhì)量對提升系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。吳慧等[6]建立了繞繩比1∶1的15自由度電梯提升力學模型，重點研究了高速電梯在不同速度、不同載荷條件下的固有頻率，為進一步的動力學研究提供了基礎。郭麗峰[7]等學者建立了12自由度的橋廂-導軌耦合系統(tǒng)水平方向振動模型，研究其動態(tài)特性。尹紀財[8]建立了垂直方向12自由度的動力學模型并進行仿真，通過正交實驗的方法獲得曳引鋼絲繩、繩頭彈簧及減振墊對電梯提升系統(tǒng)振動的影響。如圖1所示。

圖1 高速電梯提升系統(tǒng)示意圖

上述研究或是對某一低速電梯進行動態(tài)響應分析，或是忽略曳引鋼絲繩的本身質(zhì)量屬性，或是沒有將張緊裝置考慮進去，本文將綜合考慮曳引鋼絲繩、補償鋼絲繩的質(zhì)量以及張緊裝置的影響進行電梯提升系統(tǒng)的縱向振動建模，并采用離散化提升行程的方式來獲得高速電梯運行過程的動態(tài)響應。

2 提升系統(tǒng)動力學模型建立

高速電梯相對于普通電梯的行程較長，曳引鋼絲繩和補償鋼絲繩的質(zhì)量一般達到幾百千克甚至上千千克，所以在提升系統(tǒng)的動力學建模過程中鋼絲繩的質(zhì)量不再可以忽略。鋼絲繩的離散數(shù)量越多，則計算結(jié)果越精確，但是計算工作量也越復雜。參照文獻[6]，本文將相關鋼絲繩分為4段，建立曳引比為1∶1的電梯提升系統(tǒng)15自由度的縱向振動動力學模型如圖2所示。圖中，各個參數(shù)的物理意義說明如下：m1～m5分別為曳引輪、對重、橋架、橋廂、張緊裝置的等效質(zhì)量；k0、kt、kp分別為曳引機底座等效剛度、曳引機的抗扭剛度、張緊裝置的等效剛度；c0、ct、cp分別為曳引機底座、曳引機、張緊裝置的阻尼；φ1、φ5分為m1、m5的角位移；mr1～mr4分別為曳引側(cè)各分段鋼絲繩的等效質(zhì)量；mc1～mc4分別為補償側(cè)各分段鋼絲繩的等效質(zhì)量；kr1～kr4、k*r1～k*r2分別為曳引側(cè)各分段鋼絲繩的等效剛度；cr1～cr4、c*r1～c*r2分別為曳引側(cè)各分段鋼絲繩的阻尼；kc1～kc4、k*c1～k*c2分別為補償側(cè)各分段鋼絲繩的等效剛度；cc1～cc4、c*c1～c*c2分別為補償側(cè)各分段鋼絲繩的等效阻尼。

圖2 高速電梯提升系統(tǒng)動力學模型

以縱向向上為線位移正方向，逆時針方向為角位移正向，對圖2的電梯提升系統(tǒng)動力學模型應用拉格朗日方程，整理得到15自由度的振動微分方程：

式中，[MX]、[CX]、[KX]分別為提升系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；X¨、X˙、X、FX分別為系統(tǒng)的加速度、速度、位移和激勵向量。其中，X ＝ {x1，x2，x3，x4，x5，xr1，xr2，xc1，xc2，φ1，φ5，xr3，xr4，xc3，xc4}；FX={Fx1，F(xiàn)x2，F(xiàn)x3，F(xiàn)x4，F(xiàn)x5，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0}，F(xiàn)x1、Fx2、Fx3、Fx4、Fx5分別為曳引輪、對重、橋廂架、橋廂以及張緊裝置所受的外力，各分段鋼絲繩的受力忽略不計。

對多自由度系統(tǒng)進行模態(tài)分析時候，可不設置外載荷邊界條件，而系統(tǒng)阻尼較小忽略不計，所以上述振動微分方程相應轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

3 提升系統(tǒng)固有頻率計算

3.1 電梯運動狀態(tài)模擬

選取某型號高速電梯為例，該高速電梯額定載荷1 600 kg，橋廂架自重1 700 kg，由8根直徑為13 mm的鋼絲繩提升，每根鋼絲繩的線密度為0.575 kg/m.為了更好模擬高速電梯在整個提升運動過程中的運動狀態(tài)，采用梯形加速度加減速運行方式，將其提升過程分為七個階段，即加速度由零增至最大、保持不變、減至零值、勻速、加速度減至最大、保持不變、增至零值。通過定義每個階段的時長，設定提升過程最大加速度為1 m/s2，最大速度為6 m/s，最大提升距離為168 m，利用matlab軟件即可獲得電梯提升上行過程的運行狀態(tài)曲線如圖3所示。

圖3 電梯提升系統(tǒng)運行狀態(tài)曲線

3.2 固有頻率計算

電梯提升系統(tǒng)運行過程中，提升距離的變化必然引起曳引機兩側(cè)、張緊裝置兩側(cè)的鋼絲繩長度的變化，此時動力學模型中的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣也隨之變化，所以上述振動方程（2）屬于變系數(shù)微分方程，求解過程相對復雜，如將電梯提升行程離散化，即將整個提升距離分為任意多個提升位移間段，則每個提升位移間斷點的曳引鋼絲繩、張緊鋼絲繩長度可以確定，那么相應的振動方程也變成常系數(shù)微分方程。電梯實際運行過程中的起始點（橋廂位移為0 m）、中間點（橋廂位移為84 m）、終點（橋廂位移為168 m）三個位置具有代表性，則研究提升系統(tǒng)的動態(tài)特性也主要針對這三個提升位置，同時每個位置分為空載、半載、滿載三種工況，表1即為計算獲得的電梯提升系統(tǒng)在三個位置不同載荷工況下的前6階固有頻率。

表1 電梯提升系統(tǒng)固有頻率（Hz）

從表1可以看出，三種工況下，第一階固有頻率隨著提升位移的增加而略有增加；各階固有頻率一般隨負載的增加而降低，階數(shù)越高，負載對固有頻率的影響不再明顯；電梯提升系統(tǒng)的第一階固有頻率約為3 Hz，比較接近曳引機的轉(zhuǎn)動頻率，有發(fā)生共振的可能，這與電梯實際運行時振動感較為強烈相符合。

將上述計算結(jié)果與文獻[1]進行對比，可以發(fā)現(xiàn)初階固有頻率比較接近，說明該計算方法較為可靠。采用該方法建立的縱向振動方程屬于常系數(shù)微分方程，求解過程相對簡單。

4 結(jié)論

（1）針對高速電梯提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜性，構(gòu)建曳引比為1∶1的15自由度提升系統(tǒng)動力學模型，應用拉格朗日方程建立相應的振動微分方程。

（2）采取提升行程離散化的方法，將變系數(shù)微分方程轉(zhuǎn)變成常系數(shù)微分方程，求解獲得電梯空載、中載以及滿載三種工況在提升起始點、中間點、終點位置情況下的固有頻率。

（3）計算結(jié)果表明，三種工況下，第一階固有頻率隨著提升位移的增加而略有增加；各階固有頻率一般隨負載的增加而降低，階數(shù)越高，負載對固有頻率的影響不再明顯；電梯提升系統(tǒng)的第一階固有頻率與曳引機的轉(zhuǎn)動頻率接近，在電梯實際運行時，有發(fā)生共振的可能，設計電梯提升系統(tǒng)時候要注意避免。

參考文獻：

[1]包繼虎．高速電梯提升系統(tǒng)動力學建模及振動控制方法研究[D]．上海：上海交通大學，2014．

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[3]張長友，朱昌明.電梯系統(tǒng)動態(tài)固有頻率計算方法及減振策略[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19（16）：3856-3859.

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[5]王艷軍，任立剛，于 杰.電梯系統(tǒng)動態(tài)固有頻率分析[J].機械，2010，37（1）：35-37.

[6]吳 慧，葉文華，沈 言，等.高速電梯垂直振動建模與實驗分析[J].機械制造，2013，51（584）：19-22.

[7]郭麗峰，張國雄，李醒飛，等.電梯橋廂—導軌耦合動力系統(tǒng)建模及其動態(tài)特性[J].機械工程學報，2007，43（8）：186-190.

[8]尹紀財.中高速電梯曳引系統(tǒng)振動問題的研究[D].蘇州：蘇州大學，2011.