電梯系統(tǒng)垂直振動(dòng)分析與抑制

于 斌 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

民眾對(duì)于電梯運(yùn)行安全性要求極高，強(qiáng)調(diào)在進(jìn)行電梯使用時(shí)，需要保證電梯啟動(dòng)、?？科椒€(wěn)度，且要確保電梯乘坐體驗(yàn)。在運(yùn)行過(guò)程中，電梯應(yīng)按照指令準(zhǔn)確?？吭谙鄳?yīng)位置，并可以按照使用者按鍵指示，智能展開(kāi)運(yùn)行。雖然電梯運(yùn)行整體能耗相對(duì)較低，但因?yàn)槭艿綑C(jī)械運(yùn)作等因素影響，導(dǎo)致電梯在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的振動(dòng)。如果電梯振動(dòng)振幅、頻率與人體頻率較為相似，便會(huì)引發(fā)電梯和人體的共振，會(huì)使人體產(chǎn)生不適感，需要實(shí)施相應(yīng)抑制手段。

1 現(xiàn)代常用振動(dòng)抑制方式

1.1 動(dòng)力減振器

如果電梯振源較為明顯，已經(jīng)產(chǎn)生明顯不舒適乘坐體驗(yàn)時(shí)，會(huì)通過(guò)加裝有阻尼效果動(dòng)力減振器完成振動(dòng)抑制處理。雖然減振器的應(yīng)用無(wú)法達(dá)到將廂體振幅控制到零的效果，但卻可以有效降低減振器工作振動(dòng)幅值，會(huì)使廂體整體振動(dòng)得到有效控制，同時(shí)因?yàn)橛凶枘釀?dòng)力減振器成本較為低廉，所以整體抑制投入成本也相對(duì)較低。

在具體進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，動(dòng)力減振器會(huì)通過(guò)對(duì)振源釋放振動(dòng)能量進(jìn)行吸收的方式，對(duì)振動(dòng)能量傳遞形成控制，進(jìn)而達(dá)到相應(yīng)抑制要求。如果電梯空間允許，應(yīng)盡量選用剛度高且質(zhì)量大的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力減振器自身振幅的控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)減振器安裝空間能夠有效節(jié)約的效果，確保減振器工作可靠性可以得到切實(shí)增強(qiáng)。

1.2 橋廂減振裝置

電梯垂直振動(dòng)產(chǎn)生振源并不單一，形成原因較為復(fù)雜，但其中最為主要的振源便是曳引機(jī)所產(chǎn)生的多頻率振源。在對(duì)此種振源進(jìn)行處理時(shí)，可運(yùn)用與振源相等減振墊（如圖1 所示），利用減振墊固有頻率，對(duì)振源頻率形成干擾，進(jìn)而達(dá)到有效控制振源振幅的效果。此種設(shè)計(jì)雖然無(wú)法達(dá)到完全消除垂直振幅的效果，卻可對(duì)廂體振動(dòng)形成有效抑制，能夠切實(shí)提升乘客電梯使用舒適度。在運(yùn)用此種減振抑制手段時(shí)，需要做好減振墊挑選，應(yīng)保證減振墊固有頻率和激振頻率的相近程度，以保證減振墊作用發(fā)揮效果。

圖1 曳引機(jī)減振墊

2 電梯系統(tǒng)垂直振動(dòng)與抑制措施

為對(duì)系統(tǒng)垂直振動(dòng)和抑制措施展開(kāi)更深層次的分析，在此將以某大樓電梯為例，對(duì)電梯系統(tǒng)垂直振動(dòng)以及相應(yīng)減振措施展開(kāi)詳細(xì)探究。

2.1 電梯實(shí)例

某大樓電梯高度為60 m，在運(yùn)行到40 m～60 m 高度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的振感，且伴有嗡鳴聲，使用戶電梯使用舒適度受到了直接影響。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這一問(wèn)題是因?yàn)槎喾矫嬖蛩斐傻模瑴p速廂、曳引電機(jī)以及鋼絲繩等部分問(wèn)題，都會(huì)引發(fā)振動(dòng)振源。為妥善處理這一問(wèn)題，技術(shù)人員從電梯橋廂加速度測(cè)試曲線著手，利用頻譜分析技術(shù)，對(duì)電梯振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率展開(kāi)了分析。

2.2 垂直振動(dòng)分析

（1）振動(dòng)產(chǎn)生原因分析。

如果用X、Y、Z 分別表示橋廂前后、左右、上下加速度時(shí)間歷程，在完成曲線描繪后可以清楚看出，上下方向加速度曲線最為激烈，整條曲線幅值已經(jīng)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以需要重點(diǎn)對(duì)電梯垂直方向振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)處理。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，橋廂垂直振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率在22.75 Hz 左右，和此電梯匹配曳引機(jī)轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為21 Hz，橋廂垂直振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率和曳引電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率極為相近。所以推測(cè)，曳引電機(jī)旋轉(zhuǎn)失衡可能是因?yàn)榇怪狈较虍a(chǎn)生振動(dòng)所造成的。在電梯運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)槭艿綄?duì)重兩側(cè)鋼絲繩長(zhǎng)度以及橋廂等變化影響，系統(tǒng)固有頻率會(huì)不斷發(fā)生改變，在電梯運(yùn)行至40 m～60 m 高度時(shí)，系統(tǒng)某階固有頻率會(huì)與曳引電機(jī)外激勵(lì)頻率保持較為吻合的狀態(tài)，引發(fā)共振，致使橋廂共振劇烈程度明顯增加。在電梯運(yùn)行到其他樓層時(shí)，外激勵(lì)頻率和系統(tǒng)固有頻率之間存在較大差異，所以不會(huì)出現(xiàn)共振問(wèn)題，電梯整體運(yùn)行會(huì)處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

（2）模態(tài)分析。

為驗(yàn)證上述推測(cè)，將運(yùn)用數(shù)學(xué)建模手段展開(kāi)模態(tài)分析。電梯系統(tǒng)在豎直方向彈性環(huán)節(jié)主要有曳引系統(tǒng)與基礎(chǔ)橫梁和支撐橡膠、橋廂底和橋廂架間超載橡膠墊等內(nèi)容，集中質(zhì)量主要包括導(dǎo)向輪、橋廂底以及橋廂架等，其中因?yàn)檠a(bǔ)償鏈、提升鋼絲繩等分布質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于集中質(zhì)量，整體影響程度相對(duì)較小，所以本次建模計(jì)算可以對(duì)此忽略不計(jì)。同時(shí)因?yàn)閺椥原h(huán)節(jié)間存在一定阻尼，對(duì)系統(tǒng)固有頻率求解并不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，所以也可以忽略不計(jì)。

本次電梯系統(tǒng)力學(xué)模型如圖2 所示。其中電梯對(duì)重和上方動(dòng)滑輪質(zhì)量與線位移、橋廂底與橋廂架、橋頂輪以及橋廂架、曳引系統(tǒng)等，分別由mi、xi（i=1,2,3,4,5）進(jìn)行表示；橋頂輪和對(duì)重側(cè)動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角位移，由Ji,θi(i=3,5)表示；繩頭彈簧剛度、對(duì)重上方滑動(dòng)輪兩側(cè)鋼絲繩等剛度，由k 相關(guān)量表示。

圖2 系統(tǒng)力學(xué)模型

按照力學(xué)模型以及拉格朗日方程或牛頓第二定理，可以得出，電梯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：

[M]{X″}+[K]{X}=0

方程中[M],[K]表示系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、剛度矩陣；{X″}表示系統(tǒng)加速度向量；{X}表示系統(tǒng)加速度位移向量。

在剛度矩陣內(nèi)，R 表示橋頂輪和對(duì)重上方動(dòng)滑輪半徑。根據(jù)分析得出，鋼絲繩剛度k，計(jì)算公式為：

k=EA/L

其中E表示鋼絲繩彈性模量；A表示鋼絲繩橫截面積；L表示鋼絲繩長(zhǎng)度。

（3）動(dòng)態(tài)性分析。

經(jīng)過(guò)建模分析發(fā)現(xiàn)，電梯系統(tǒng)固有頻率具有三種特征：①雖然低階固有頻率會(huì)隨著載荷增加而出現(xiàn)逐漸縮小的趨勢(shì)，但高階固有頻率卻不會(huì)受到載荷的較大影響，不會(huì)出現(xiàn)明顯變化；②低階頻率對(duì)電梯位置敏感度相對(duì)較差，在電梯運(yùn)行時(shí)，其數(shù)值變化范圍會(huì)逐漸縮小，而高階頻率對(duì)電梯位置較為敏感，會(huì)隨著電梯位置的變化而發(fā)生改變，數(shù)值差異相對(duì)較大；③除第5 階固有頻率，其他所有頻率不會(huì)因?yàn)殡娞葺d荷、位置改變而發(fā)生變化，各階固有頻率與曳引電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率數(shù)值差異較大。第5 階頻率在電梯運(yùn)行到40 m～60 m 高度范圍時(shí)，其頻率和曳引電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率極為相似，會(huì)使電梯產(chǎn)生異常振動(dòng)狀況，所以可以判定，系統(tǒng)第5 階固有頻率處理是本次系統(tǒng)處理關(guān)鍵所在。

2.3 振動(dòng)抑制建議

通過(guò)對(duì)電梯系統(tǒng)振動(dòng)機(jī)理的分析可以發(fā)現(xiàn)，本次電梯振動(dòng)主要是因?yàn)橐芬龣C(jī)旋轉(zhuǎn)失衡所造成的，在電梯運(yùn)行到40 m～60 m 高度時(shí)，系統(tǒng)第5 階固有頻率與曳引機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率極為相似是造成電梯振動(dòng)加劇的主要原因，也是共振問(wèn)題產(chǎn)生根本影響因素。鑒于此，建議從以下幾點(diǎn)入手，對(duì)振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)抑制處理：①更換曳引機(jī)電機(jī)，保證電機(jī)動(dòng)態(tài)性能；②對(duì)電梯系統(tǒng)某些彈性環(huán)節(jié)剛度系數(shù)展開(kāi)調(diào)整，并要對(duì)系統(tǒng)固有頻率進(jìn)行改變，應(yīng)防止出現(xiàn)固有頻率和曳引機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率較為接近的狀況，以將共振問(wèn)題發(fā)生可能性控制在最低；③在電梯橋廂頂輪位置安裝動(dòng)力減振器，對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)能量進(jìn)行消耗，以達(dá)到預(yù)期減振效果。多種抑制處理方式均有一定優(yōu)勢(shì)與不足，在進(jìn)行減振方案編制時(shí)，需要做好綜合分析，要按照電梯系統(tǒng)整體運(yùn)行情況以及方案執(zhí)行難易程度，對(duì)振動(dòng)措施進(jìn)行選擇，進(jìn)而達(dá)到理想化振動(dòng)處理效果。

因?yàn)楸敬坞娞菹到y(tǒng)是正在服役且較為笨重的系統(tǒng)，更換彈性元件、電機(jī)操作難度相對(duì)較大，所以建議運(yùn)用安裝動(dòng)力減振器方式，展開(kāi)電梯垂直振動(dòng)抑制處理。本次所使用振動(dòng)減振器是由緊固螺栓、懸臂梁以及質(zhì)量快等內(nèi)容所組成的，應(yīng)用之后對(duì)電梯振動(dòng)問(wèn)題形成了有效控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)電梯垂直振動(dòng)問(wèn)題與抑制方式相關(guān)內(nèi)容的論述，使我們對(duì)電梯垂直振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生原因以及具體調(diào)節(jié)方式有了更加清晰的認(rèn)知。有關(guān)部門(mén)應(yīng)明確認(rèn)識(shí)到電梯垂直振動(dòng)對(duì)電梯使用所產(chǎn)生的負(fù)面影響，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該問(wèn)題的重視程度，并要在對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生根本原因展開(kāi)深度分析的基礎(chǔ)上，按照電梯綜合環(huán)境以及具體條件，制定出可行性較強(qiáng)的振動(dòng)抑制措施，從而在對(duì)振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)有效處理的同時(shí)，不斷提高電梯系統(tǒng)運(yùn)行可靠性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想化電梯運(yùn)行效果，確保乘客可以獲得更加舒適、安全的電梯乘坐體驗(yàn)。