限速器導(dǎo)致電梯轎廂共振的傳遞路徑分析

摘 要：通過對(duì)電梯系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)部件的詳細(xì)計(jì)算，結(jié)合振動(dòng)傳遞路徑和頻率響應(yīng)的研究，探索一般的振動(dòng)分析方法；并通過限速器導(dǎo)致的振動(dòng)案例，分析從發(fā)生源頭到轎廂內(nèi)乘客感知的振動(dòng)傳遞過程。該分析可以準(zhǔn)確診斷和發(fā)現(xiàn)解決電梯轎廂振動(dòng)問題，提高電梯運(yùn)行的舒適性和平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：電梯轎廂；共振；傳遞路徑；頻率響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TB123""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：1671-0797（2025）02-0035-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.009

0""" 引言

隨著現(xiàn)代高層建筑的高度不斷提升，電梯作為垂直運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?，其運(yùn)行質(zhì)量和舒適性備受關(guān)注。電梯轎廂的異常振動(dòng)是一種常見但又不能忽視的問題，它不僅暗示著電梯系統(tǒng)存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)給乘客帶來不適感，而對(duì)振動(dòng)傳遞路徑的深入研究是解決這一問題的關(guān)鍵手段。

1""" 電梯系統(tǒng)的主要構(gòu)成及工作原理

電梯作為樓宇的垂直運(yùn)輸工具，主要由以下幾個(gè)系統(tǒng)組成：曳引系統(tǒng)、轎廂和對(duì)重系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、門系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

曳引系統(tǒng)主要考慮曳引機(jī)和曳引媒介（鋼絲繩）的相互作用，需要滿足裝載、滯留和緊急制動(dòng)工況。

轎廂與對(duì)重系統(tǒng)中轎廂是用來承載人的一個(gè)載體，而對(duì)重是發(fā)揮節(jié)能平衡的作用。如果單獨(dú)用電機(jī)直接拽拉電梯轎廂，能源消耗會(huì)很大。所以考慮到節(jié)能的目的，出現(xiàn)了對(duì)重系統(tǒng)用來平衡電機(jī)兩側(cè)的力差，平衡的基準(zhǔn)為轎廂的重量加上轎廂的載重的一半。

導(dǎo)向系統(tǒng)是采用導(dǎo)軌等部件實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂和對(duì)重運(yùn)行的引導(dǎo)。

門系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電梯平層后轎廂轎門和廳門的配合開關(guān)過程。

安全保護(hù)系統(tǒng)是電梯安全的保障，轎廂下行超速時(shí)有限速器聯(lián)動(dòng)安全鉗保障，當(dāng)轎廂上行超速時(shí)，主機(jī)的制動(dòng)器會(huì)觸發(fā)。當(dāng)電梯跨越頂層或底層時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)迫電梯減速和急停。同時(shí)，轎廂和對(duì)重下方都有緩沖器，該裝置為控制系統(tǒng)失效時(shí)的被動(dòng)安全保護(hù)裝置。

2""" 可能導(dǎo)致電梯轎廂異常振動(dòng)的因素和分析流程

可能引起電梯異常振動(dòng)的原因有很多，簡(jiǎn)單的原因分析和計(jì)算如下：

1）曳引機(jī)相關(guān)的問題。

曳引機(jī)動(dòng)平衡差、軸承損壞、曳引輪繩槽有瑕疵、制動(dòng)盤有凸起等均會(huì)引起轎廂振動(dòng)。主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率計(jì)算：

f1=n×1 000×V/（π×d1）"""""""""""""" （1）

式中：f1為主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率（Hz）；n為曳引比；V為電梯的垂直運(yùn)行速度（m/s）；d1為曳引輪的公稱直徑（mm）。

2）曳引鋼絲繩的問題。

鋼絲繩捻距頻率計(jì)算：

"""""""f2=n×1 000×V/h""""""""""""""""""" （2）

式中：f2為鋼絲繩捻距頻率（Hz）；n為曳引比；V為電梯的垂直運(yùn)行速度（m/s）；h為鋼絲繩捻距（mm）。

3）導(dǎo)軌凸起或變形問題。

導(dǎo)軌在接頭處的X方向和Y方向有凸起，轎廂運(yùn)行到此處會(huì)發(fā)生水平方向的振動(dòng)。如果導(dǎo)軌變形彎曲，人乘坐在轎廂里會(huì)感到明顯的晃動(dòng)。

4）轎廂相關(guān)結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)問題。

轎廂部件安裝不牢，或存在松動(dòng)部件等產(chǎn)生異響共振。而對(duì)于引起的振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)部件有轎廂反繩輪、滾輪導(dǎo)靴、限速器輪等。轎廂反繩輪、滾輪導(dǎo)靴、限速器輪頻率計(jì)算：

f=1 000×V/（π×d2）""""""""""""""""""""" （3）

式中：f為轎廂反繩輪、滾輪導(dǎo)靴、限速器輪頻率（Hz）；V為電梯的垂直運(yùn)行速度（m/s）；d2為轎廂反繩輪、滾輪導(dǎo)靴、限速器輪公稱直徑（mm）。

5）其他部件的異常和其他頻率引起的振動(dòng)。

如漲緊輪、補(bǔ)償鏈等的故障。還有如曳引機(jī)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率，定子槽運(yùn)行頻率，軸承滾動(dòng)體，軸承內(nèi)、外圈頻率，這些頻率也有可能通過結(jié)構(gòu)傳遞引起電梯轎廂的振動(dòng)。

因此，在準(zhǔn)備分析一臺(tái)電梯的振動(dòng)問題時(shí)需要根據(jù)轎廂內(nèi)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，確定電梯轎廂振動(dòng)所在位置、速度、時(shí)間以及相應(yīng)的頻譜、振幅等。通過頻譜的對(duì)比分析，確定振動(dòng)貢獻(xiàn)最大的一個(gè)或幾個(gè)頻率點(diǎn)，然后與計(jì)算頻率進(jìn)行比對(duì)，如果和某個(gè)部件計(jì)算頻率或多倍頻一致，那么就需要重點(diǎn)查看該部件是否有缺陷，或者是否有異物卡阻等。

3""" 實(shí)際案例振動(dòng)傳遞路徑分析

本文以一臺(tái)載重為800 kg、速度為1.75 m/s、曳引比為2的鋼帶電梯作為實(shí)例進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)投訴該電梯轎廂有腳麻振動(dòng)異常的感覺。通過加速度傳感器測(cè)得轎廂頻率為89 Hz時(shí)振幅最大，貢獻(xiàn)最大，如圖1所示。

此時(shí)已知限速器輪直徑為200 mm，有8個(gè)棘輪。根據(jù)式（3）計(jì)算可得限速器輪頻率為2.785 Hz，每個(gè)棘爪頻率為2.785×8≈22.3 Hz。而棘爪的4倍頻和限速器輪的32倍頻即為89 Hz。所以，此時(shí)需要重點(diǎn)尋找限速器輪或棘輪是否有異物存在。經(jīng)檢查，限速器有2個(gè)問題點(diǎn)：1）在棘輪表面有一些橡膠老化的粘連物，該粘連物為機(jī)構(gòu)輪橡膠圈因長(zhǎng)期在棘輪表面滾動(dòng)疲勞而出現(xiàn)的剝離橡膠，如圖2所示；2）限速器輪槽內(nèi)出現(xiàn)銹蝕，有鐵銹附著在上面，如圖3所示。

為此，使用工具清理棘輪粘連物和限速器輪槽鐵銹，重新進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)轎廂振動(dòng)無明顯改善。此時(shí)，有理由懷疑可能是限速器的這個(gè)頻率引起了轎廂的共振。

為了驗(yàn)證這樣的猜想，需要進(jìn)行傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）。為此需要確定從限速器到轎廂的振動(dòng)傳遞路徑。從結(jié)構(gòu)上，限速器通過限速器鋼絲繩連接，通過限速器連接桿連接到安全鉗連桿，安全鉗連桿通過保持彈簧與安全鉗連板連接，而安全鉗連板與轎廂下梁連接，轎廂地板固定在下梁上。如此可以看出，振動(dòng)的傳遞路徑為：限速器→安全鉗連桿→安全鉗連板→轎廂下梁→轎廂底板。需要驗(yàn)證在該傳遞路徑中是否存在共振現(xiàn)象，因此須在該路徑上測(cè)量各部位的振動(dòng)信息。傳感器測(cè)點(diǎn)位置如圖4～6所示，測(cè)點(diǎn)定義如表1所示。

由于異常振動(dòng)點(diǎn)為89 Hz，所以傳遞路徑各部件的頻譜選取范圍暫定為80～100 Hz，A～G共計(jì)7個(gè)測(cè)點(diǎn)頻譜圖依次從上到下排列，如圖7所示。

從圖中可以明顯看出，A點(diǎn)振幅最大為44 mg，B點(diǎn)振幅約為22 mg。鋼絲繩為多股鋼絲捻合而成，具有一定的阻尼和彈性，經(jīng)過鋼絲繩后，振動(dòng)通過鋼絲繩傳遞，鋼絲繩會(huì)發(fā)生摩擦和彈性變形，從而吸收振動(dòng)能量，這就導(dǎo)致C點(diǎn)和D點(diǎn)振幅下降明顯，分別為12 mg和6 mg。而F點(diǎn)振動(dòng)正常，約為3 mg。但是E點(diǎn)和G點(diǎn)的振幅明顯被放大，約為22 mg和23 mg。這一異常表現(xiàn)更加重了限速器引起E點(diǎn)所在轎廂下梁X方向共振的懷疑。

為了確認(rèn)這樣的猜想，需要用錘擊法進(jìn)一步做轎廂下梁X方向的頻率響應(yīng)測(cè)試。因此，在下梁薄板的中間位置、兩端各1/3位置，一共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖8所示。

需要對(duì)這3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次錘擊以減少測(cè)試誤差，本次測(cè)試采用敲擊4次的方法，如圖9所示。

通常，錘頭越硬，能夠激發(fā)的頻率范圍就越廣；錘頭越軟，激發(fā)的頻率范圍就越窄。由于本次主要關(guān)注89 Hz，同時(shí)該下梁為薄板件，因此力錘錘頭選用橡膠頭。3個(gè)測(cè)點(diǎn)頻率響應(yīng)測(cè)試如圖10～12所示。

從上面3個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，這3個(gè)位置在89 Hz這個(gè)頻率點(diǎn)附近都存在相位的躍變，并且相干函數(shù)值都趨向于1（都大于0.8），因此可以判斷轎廂下梁在89 Hz存在共振頻率點(diǎn)。

為了解決這個(gè)問題，在轎廂底板和下梁之間增加了橡膠墊[1-2]，并對(duì)傳遞路徑進(jìn)行了復(fù)測(cè)，如圖13所示。

由圖13可以發(fā)現(xiàn)，轎廂下梁X方向和轎廂底板Z方向的89 Hz振幅明顯下降，說明增加橡膠墊對(duì)振動(dòng)的隔絕效果明顯。同時(shí)進(jìn)行轎廂內(nèi)振動(dòng)測(cè)試，轎廂振幅明顯降低，89 Hz的振動(dòng)高點(diǎn)也消失了，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖14所示。

4""" 結(jié)束語

本文通過對(duì)電梯轎廂振動(dòng)的分析計(jì)算和一般流程梳理以及限速器傳遞路徑的深入分析，明確了振動(dòng)產(chǎn)生和傳遞的影響因素，通過完備的計(jì)算比對(duì)輔以測(cè)試分析就能夠找到振動(dòng)產(chǎn)生的方向。值得注意的是，部件設(shè)計(jì)需要充分考慮潛在的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，降本的同時(shí)應(yīng)該采取可能的措施減少共振的發(fā)生。另外，還應(yīng)持續(xù)優(yōu)化電梯系統(tǒng)，以滿足人們高品質(zhì)的乘梯需求。

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收稿日期：2024-11-05

作者簡(jiǎn)介：馬進(jìn)（1990—），男，江蘇淮安人，工程師，研究方向：電梯振動(dòng)。