高層高速電梯振動(dòng)特性分析

于仁東　木也斯?fàn)枴つ旧?/p>

摘 要：振動(dòng)是電梯在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，不僅會(huì)影響電梯的使用壽命和功能，同時(shí)也對(duì)人們的生命安全造成一定威脅，因而電梯的振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。本文首先闡述了電梯基本結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了電梯垂直方向振動(dòng)特性及控制振動(dòng)的措施，希望對(duì)相關(guān)研究領(lǐng)域提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：高速電梯；振動(dòng)特性

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展。電梯作為高層建筑中的重要設(shè)施，對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生極大影響。隨著電梯應(yīng)用比例的增加，人們對(duì)乘坐電梯的舒適度提出了更高要求。多種因素都可對(duì)電梯的舒適性產(chǎn)生影響，振動(dòng)是最常見(jiàn)因素，因而需要加強(qiáng)對(duì)高層高速電梯振動(dòng)特性的研究，明確電梯振動(dòng)的機(jī)理，采取有效措施，提高電梯安全系數(shù)，減少電梯振動(dòng)對(duì)人們?cè)斐傻挠绊憽?/p>

1.電梯基本結(jié)構(gòu)及工作原理

隨著電梯在高層建筑中應(yīng)用頻率的增加，電梯的安全問(wèn)題也越來(lái)越受到高度關(guān)注，加強(qiáng)電梯運(yùn)行中的振動(dòng)特性研究十分重要。電梯設(shè)備依附于建筑物，主要由8個(gè)系統(tǒng)和4大空間部分組成，即曳引、導(dǎo)向、轎廂、門(mén)、重量平衡、電力拖動(dòng)、電氣控制及安全保護(hù)系統(tǒng)和機(jī)房、井道與底坑、轎廂及層站部分[1]。

電梯在上下運(yùn)行時(shí)，轎廂與對(duì)重是由鋼絲繩連接，在曳引電動(dòng)機(jī)的作用下，曳引輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，由于曳引繩和曳引輪之間的摩擦?xí)a(chǎn)生曳引力，因而使轎廂、對(duì)重實(shí)現(xiàn)了相對(duì)的升降運(yùn)動(dòng)。曳引機(jī)、曳引鋼絲繩及導(dǎo)向輪等構(gòu)件構(gòu)成了電梯的曳引系統(tǒng)，鋼絲繩對(duì)動(dòng)力進(jìn)行傳遞，進(jìn)而推動(dòng)電梯上下運(yùn)行。

2.電梯垂直方向振動(dòng)特性

2.1電梯垂直震動(dòng)機(jī)理

電梯系統(tǒng)較為復(fù)雜，在其垂直運(yùn)動(dòng)方向上，曳引繩對(duì)動(dòng)力進(jìn)行傳遞而產(chǎn)生沖擊力，進(jìn)而施加給轎廂。曳引機(jī)波動(dòng)、鋼絲繩與補(bǔ)償鏈發(fā)生擺動(dòng)以及導(dǎo)軌產(chǎn)生不平衡的摩擦，都會(huì)使電梯垂直方向受到不同的阻力。另外，由于鋼絲繩具有一定收縮性，某些情況下，會(huì)產(chǎn)生簡(jiǎn)諧震動(dòng)。針對(duì)那些齒輪形式的電梯，由于齒輪之間產(chǎn)生摩擦，會(huì)對(duì)齒輪造成磨損，齒輪嚙合不穩(wěn)，最終會(huì)導(dǎo)致電梯出現(xiàn)振動(dòng)。通常情況下，電梯的轎廂和載荷質(zhì)量都要超過(guò)3噸，而鋼絲繩的強(qiáng)度會(huì)隨著電梯的運(yùn)行而發(fā)生改變，因而電梯振動(dòng)時(shí)主要具有慣性大、參數(shù)變化快及低頻響應(yīng)等特點(diǎn)。電梯系統(tǒng)較為復(fù)雜，多種因素都可以使電梯發(fā)生振動(dòng)。

曳引式電梯具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全系數(shù)高等優(yōu)勢(shì)，因而使其成為了當(dāng)前使用頻率最高的電梯類(lèi)型。現(xiàn)階段，曳引電梯主要有兩種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)類(lèi)型，即 1：1和1：2，也就是單繞和復(fù)繞[2]。在對(duì)高層高速電梯振動(dòng)特性進(jìn)行研究時(shí)，往往需要建立起動(dòng)力學(xué)方程數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際建模研究中，需要充分考慮高層建筑高速、補(bǔ)償繩擺動(dòng)及質(zhì)量等方面的變化情況。

2.2電梯垂直動(dòng)力學(xué)建模

由于電梯類(lèi)型不同，其振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模也不同。目前在國(guó)內(nèi)，在高層高速電梯通常都會(huì)選用單繞式的曳引電梯，因而下文主要對(duì)單繞式的電梯機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模研究。電梯在垂直方向的動(dòng)力學(xué)建模簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 電梯垂直方向的動(dòng)力學(xué)建模簡(jiǎn)化模型

可以把電梯機(jī)械的振動(dòng)看成一個(gè)受到激勵(lì)的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)。轎廂質(zhì)量M是等效剛度為K的彈性彈簧中的一段，當(dāng)電梯轎廂上升時(shí)，轎廂運(yùn)動(dòng)速度會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)的轎廂就是一個(gè)振動(dòng)體，并且會(huì)隨著電梯運(yùn)行速度和機(jī)械系統(tǒng)的剛度的變化而發(fā)生改變。可以把電梯轎廂下超載橡膠和曳引鋼絲繩看作是一個(gè)彈簧，并把轎廂、轎廂架子及轎廂載荷質(zhì)量看做M。電梯運(yùn)行過(guò)程中，鋼絲剛度會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變，此時(shí)彈簧剛度K也會(huì)發(fā)生變化[3]。電梯在運(yùn)行過(guò)程中的加速度a（t）是曳引機(jī)的主要振動(dòng)源，把曳引機(jī)的額定運(yùn)行速度和電梯的運(yùn)行加速度作為參照系數(shù)，可以把曳引機(jī)的運(yùn)行加速度近似成轎廂的運(yùn)行加速度，從而可以從理論上得到電梯的振動(dòng)模型。

3.控制電梯振動(dòng)幅度——優(yōu)化電梯系統(tǒng)參數(shù)

由于曳引電梯產(chǎn)生的激勵(lì)源及曳引運(yùn)動(dòng)速度的增減，一定程度上會(huì)使電梯 振動(dòng)具有一定規(guī)律性。一方面可以調(diào)整電梯系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，從而使電梯系統(tǒng)的振動(dòng)頻率降低，另一方面，也可以通過(guò)改變電梯自身的固有頻率，從而使電梯轎廂質(zhì)量發(fā)生改變，進(jìn)而減少電梯振動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了對(duì)電梯的振動(dòng)情況進(jìn)行控制，通常會(huì)使用優(yōu)化電梯系統(tǒng)參數(shù)的方法。

多次實(shí)驗(yàn)研究證明，如果電梯轎廂的質(zhì)量增加，振動(dòng)幅度也會(huì)隨之增大，而如果將電梯曳引鋼絲直徑變大，電梯的振動(dòng)幅度就會(huì)減小；若改變電梯頂層高度，而此時(shí)電梯振動(dòng)幅度則無(wú)明顯變化，但是當(dāng)電梯處于頂層的位置時(shí)，電梯振動(dòng)加速度則沒(méi)有明顯改變。由此可以判斷，電梯運(yùn)行的最大加速度、變化速率等會(huì)對(duì)電梯的振動(dòng)特性產(chǎn)生較大的影響，因而想要對(duì)電梯的振動(dòng)情況進(jìn)行有效控制，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整加速度變化率、最大加速度等參數(shù)可以改變電梯運(yùn)行中激振力振動(dòng)位移的大小，從而可以得到最小的振動(dòng)響應(yīng)。

4.結(jié)束語(yǔ)

電梯作為高層建筑中的重要設(shè)施，對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生極大影響。隨著電梯應(yīng)用比例的增加，在電梯運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題也隨之增加，不僅對(duì)電梯的功能和使用壽命造成影響，同時(shí)也威脅著人們的生命安全。因而我們要對(duì)電梯的振動(dòng)問(wèn)題有足夠重視，掌握高層高速電梯振動(dòng)的特性和規(guī)律，加強(qiáng)防范與控制，降低電梯故障率，確保電梯安全平穩(wěn)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹智超.高層高速電梯振動(dòng)特性研究與實(shí)驗(yàn)[D].中南大學(xué)，2012，06（10）：18-19.

[2]尹紀(jì)財(cái).中高速電梯曳引系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題的研究[J].蘇州大學(xué)，2011，04（01）：11-12.

[3]吳慧.高速曳引電梯的動(dòng)態(tài)特性研究[J].南京航空航天大學(xué)，2013，01（01）：9-10.