高速電梯轎廂氣動外形設計對氣動噪聲的影響

黃剛 郭貝

摘? 要：目前我國高速電梯振動大、噪聲大、氣動研究不足、轎廂結(jié)構(gòu)不夠合理。為了降低成本，大多數(shù)廠家都不愿意投入太多的研究經(jīng)費，本文主要針對國內(nèi)廠家生產(chǎn)的高速電梯的舒適性問題，以減輕氣流對車內(nèi)乘客的影響。為了盡快實現(xiàn)電梯高速、智能、流暢、舒適的自主電梯，電梯轎廂機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計具有十分重要的研究價值和參考價值。

關(guān)鍵詞：高速電梯;轎廂氣動;外形設計;氣動噪聲

隨著電梯不斷向高速發(fā)展，噪聲成為衡量乘客舒適度的重要指標。機械噪聲和氣動噪聲是高速拖曳電梯的主要噪聲源。而在高速電梯上、下增加整流罩是控制風噪聲的重要措施，整流罩的設計涉及到空氣動力學、結(jié)構(gòu)動力學、噪聲等多個學科。整流罩的外形設計在降低高速電梯的振動噪聲方面起著重要作用。從設計目標的角度來看發(fā)動機罩外形和相關(guān)尺寸的設計應盡可能減少振動和噪音，同時考慮到發(fā)動機罩在其使用壽命內(nèi)能夠承受疲勞載荷，并便于維護等。為了滿足這些要求，結(jié)構(gòu)等方面，應考慮整流罩的材料、成本和處理能力。

1 高速電梯轎廂氣動外形設計概述

1.1 高速電梯轎廂氣動現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對高速電梯基礎(chǔ)理論的研究尚屬空白，國內(nèi)高速電梯大多依賴進口，國內(nèi)高速電梯生產(chǎn)企業(yè)也大多是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中外合資企業(yè)，電梯制造商的自主研發(fā)能力很少。特別是由于自主研發(fā)對資金和技術(shù)人員的需求高、耗時長，國內(nèi)大多數(shù)電梯生產(chǎn)企業(yè)都采用國外電梯技術(shù)，包括井道設計、通風規(guī)劃、罐籠結(jié)構(gòu)設計、牽引電機研發(fā)等，幾乎所有國家都照搬外國標準。因此，研究和優(yōu)化高速電梯罐籠結(jié)構(gòu)的氣動特性具有重要意義。

1.2 電梯速度現(xiàn)狀

研究學者朱小京表示，目前，我國大多數(shù)電梯生產(chǎn)企業(yè)的電梯速度都在4m-1以下。而國產(chǎn)電梯的性能和舒適性仍無法與國外進口電梯相比，中國對電梯的速度要求V≥400m.s-1。國內(nèi)很多電梯垂直振動只能達到國家最低標準，水平振動水平雖然小，但由于速度低，運輸效率很低，且轎廂結(jié)構(gòu)單一，容易受到空氣湍流的影響。而電梯提速難以避免也會造成很多問題，如：膠囊的水平和垂直振動、運行噪聲等使乘客感到不適，牽引繩、電梯緩沖器和曳引機等安全裝置和儀器在膠囊內(nèi)工作異常，電梯不能準確就位，停機時間短，停機率高，檢修周期短，使用壽命低，容易造成安全隱患。

1 高速電梯轎廂汽動對噪聲的分析

1.3 高速電梯轎廂氣動的分析

轎廂對電梯的額定速度有重要影響，因此應優(yōu)化轎廂結(jié)構(gòu)，以降低轎廂產(chǎn)生的剪切應力和振動及噪聲。為了研究汽車在井中行駛時的氣動力，有必要確認汽車在井中的內(nèi)收通常是由黏性阻尼完成的。保持架向上運動產(chǎn)生的氣流運動主要包括：由于活塞效應，一部分風向流過軸形成活塞風，另一部分風在保持架底部向下推動并向上運動。電梯井道壁和罐籠壁設置為絕熱壁，電梯井道兩端的通風口設置為隨壓力變化的自由通風口，在保持架動力學模型圖中，軸中的空氣被視為可壓縮的理想流體。

1.4 電梯氣動噪聲分析

我國大多數(shù)電梯產(chǎn)品都是根據(jù)低速電梯噪聲源的特點進行聲學設計的。未來，隨著電梯速度的提高，空氣動力噪聲源的影響將越來越大，為了避免聲共振，有必要研究噪聲源的空間聲學模式和頻譜特性。

電梯轎廂底部有兩個渦流區(qū)，主要原因是氣流以高速從轎廂和井壁之間的間隙流出，并以高速向下移動。然而，電梯轎廂底部附近的流速很小，因此形成了不穩(wěn)定的漩渦，此時，電梯轎廂周圍的空氣雷諾數(shù)相對較大，因此轎廂附近的高壓不足以將邊界層推到轎廂后部，非定常渦的持續(xù)脫落和演化會使流場中的壓力分布劇烈波動，導致下游阻力和轎廂表面的橫向升力發(fā)生周期性或非周期性變化，導致無序，對于非周期流體動力學，由于結(jié)構(gòu)阻尼和空氣動力阻尼的共同作用，周期流體動力學將被緩慢消耗。但流體動力的周期性變化是負阻尼的本質(zhì)，體現(xiàn)在膠囊結(jié)構(gòu)與井內(nèi)流體的相互作用中，為了吸收能量，而不是浪費能量，使原本輕微振動的膠囊結(jié)構(gòu)振幅得以放大，尤其是當漩渦脫落頻率和系統(tǒng)鏈的振動頻率結(jié)合在一起時，會使電梯產(chǎn)生共振。

1.5 轎廂整體劉罩分析

對運行速度為8m/s、額定載荷為1000kg的單井高速電梯進行了研究和計算。電梯井道橫截面為2200mm×2100mm矩形，轎廂橫截面為1600mm×1400mm矩形，轎廂高度為2500 mm。為了分析通過保持架壁的流速和壓力分布，應將電梯井的內(nèi)表面、保持架的外表面和整流罩封閉在一個完整的計算域中。為了避免氣流方向?qū)τ嬎憬Y(jié)果的影響，只選擇局部區(qū)域的速度和壓力分布。通過仿真分析，將幾何模型簡化為：風道系統(tǒng)具有良好的密封性能，除進風口和出風口外無漏氣;空氣是一種不可壓縮的流體，其密度是恒定的。由于需要獲得通過罐壁外側(cè)的氣流速度和沿罐壁外側(cè)的壓力分布，在閉合后，使用預處理軟件ICEM對整個計算域進行網(wǎng)格化，并將剛體視為柔性體。首先，進行拓撲構(gòu)造以檢查幾何誤差，同時生成特征線以創(chuàng)建外部域（計算域），這是流體操作的空間。Z是2200/1600=1.375，X是2100/1400=1.5，Y是2。然后，設置網(wǎng)絡參數(shù)，劃分剛體-柔性網(wǎng)格，最后導入Fluent求解器進行仿真計算。

1.6 轎廂氣動阻力和側(cè)向壓力分析

在高速電梯垂直提升過程中，轎廂和對重以相同的速度移動，導致豎井內(nèi)氣流劇烈。氣流的運動在汽車表面產(chǎn)生巨大的垂直氣壓，這被稱為氣動阻力。井內(nèi)氣流運動產(chǎn)生的氣動阻力不僅對汽車產(chǎn)生縱向壓力，而且對汽車的橫向產(chǎn)生一定的力。由于氣流的運動，將觸發(fā)拖曳鋼絲繩的巨大牽引力。同時，橫向上籠導軌將與導靴產(chǎn)生劇烈摩擦。隨著轎廂速度的增加，氣流會加強，轎廂外壁上的壓力會增加，轎廂提升的穩(wěn)定性會減弱。

2 小結(jié)與展望

在豎井內(nèi)高速電梯垂直提升過程中，轎廂和對重以相同的速度移動，導致豎井內(nèi)氣流劇烈。氣流的運動在汽車表面產(chǎn)生巨大的垂直氣壓，這被稱為氣動阻力。井內(nèi)氣流運動產(chǎn)生的氣動阻力不僅對汽車產(chǎn)生縱向壓力，而且對汽車的橫向產(chǎn)生一定的力，由于氣流的運動，將觸發(fā)拖曳鋼絲繩的巨大牽引力，同時，橫向上籠導軌將與導靴產(chǎn)生劇烈摩擦。隨著轎廂速度的增加，氣流會加強，轎廂外壁上的壓力會增加，轎廂提升的穩(wěn)定性會減弱。

參考文獻：

[1]陳晨. 考慮參數(shù)不確定性的高速電梯轎廂系統(tǒng)水平振動魯棒控制研究[D].山東建筑大學，2021.

[2]崔瀚文. 高速電梯轎廂交會過程氣動特性及參數(shù)影響研究[D].山東建筑大學，2021.

[3]朱小京，甘春標. 基于相空間重構(gòu)和向量夾角的高速電梯轎廂振動故障診斷方法研究[A]. 中國力學學會動力學與控制專業(yè)委員會、中國振動工程學會非線性振動專業(yè)委員會.第十八屆全國非線性振動暨第十五屆全國非線性動力學和運動穩(wěn)定性學術(shù)會議（NVND2021）摘要集[C].中國力學學會動力學與控制專業(yè)委員會、中國振動工程學會非線性振動專業(yè)委員會：中國力學學會，2021：388.

[4]張利春，婁文謙，俞誠，裘樂淼. 高速電梯轎廂氣壓變化調(diào)節(jié)技術(shù)[J]. 輕工機械，2020，38（06）：77-81.

[5]陳李桃，劉亞俊，余昆，姜長城，張青. 轎廂框架結(jié)構(gòu)對高速電梯運動過程氣動特性影響研究[J]. 液壓與氣動，2020，（02）：151-154.

[6]郭天水. 高速曳引式電梯振動與噪聲分析[D].貴州大學，2019.

[7]余明，陳新會，付西偉，付年庚，王帥. 高速電梯井道氣動力優(yōu)化設計方案探討[J]. 中國電梯，2019，30（07）：10-14+17.

[8]王緒鵬. 高速電梯氣動特性優(yōu)化與乘運性能評價方法研究[D].浙江大學，2019.

[9]曾天. 通井道高速電梯多運行工況氣動特性優(yōu)化設計及其應用研究[D].浙江大學，2018.