關(guān)于超高速電梯橫向振動控制策略的討論

葛欣

摘 要：隨著電梯運行速度的提高，由導(dǎo)軌或井道空氣激勵引起的電梯轎廂橫向振動也越來越大，大大降低了電梯乘坐的舒適性。本文介紹了國內(nèi)外超高速電梯橫向振動的一些控制方式。綜合對比分析后提出，考慮主被動控制的耦合性，采用多目標(biāo)、系統(tǒng)級的集成設(shè)計方法，對主被動控制方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可能取得較為滿意的控制效果。

關(guān)鍵詞：超高速電梯； 轎廂橫向振動； 優(yōu)化設(shè)計

The Discuss of the control methods of car lateral vibration for super high-speed elevator

Ge Xin

Abstract： The car lateral vibration caused by the unevenness of the guide-rails and air disturbance has become more considerations， as the running speed of elevators becomes faster， and it also cant satisfy the general requirements of the riding comfort. The paper introduces the control methods of the car lateral vibration. It also presents the integrated design of systematic and multi-objective which the couplings between the passive and active controls are taken into consideration could achieve good results.

Key words： Super high-speed elevator； Car lateral vibration； The integrated design

1.前言

電梯是隨著高層建筑的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種垂直運輸工具，是現(xiàn)代生活必不可少的交通工具[1]。由于亞洲的人口密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歐美，因此對高層和超高層建筑有著一定的需求。為了節(jié)省運送乘客的時間和提高電梯運送乘客的效率，有效地解決高層和超高層建筑內(nèi)的交通問題，客觀上提出了對超高速電梯的需求。目前，習(xí)慣上將速度高于5.0m/s的電梯稱為超高速梯[2]。

但是電梯速度的提高，使得其橫向振動隨之加劇。強烈的振動不僅會減短精密儀器儀表的壽命，影響電梯的工作性能，甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生；即使電梯有可能承受這樣的振動，也會大大降低電梯乘坐的舒適性，影響電梯企業(yè)的信譽，削弱其市場競爭力。目前，我國國內(nèi)電梯企業(yè)生產(chǎn)的超高速電梯與國外同類產(chǎn)品相比存在較大的差距。

2.轎廂橫向振動原因分析

由于設(shè)計、制造和安裝方面的缺陷，電梯轎廂在運行中總會出現(xiàn)不同程度的橫向振動。電梯是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，造成轎廂橫向振動的原因是多方面的。在正常情況下，造成橫向振動的原因主要可以歸納為兩個方面：

2.1 導(dǎo)向系統(tǒng)

電梯導(dǎo)向系統(tǒng)由導(dǎo)軌和導(dǎo)靴等部件組成，其作用是限制轎廂與對重的運動自由度，使轎廂和對重只能沿著導(dǎo)軌作升降運動。導(dǎo)軌由一系列按一定間距分布的導(dǎo)軌支架支撐著，在導(dǎo)軌支架直接支撐的地方導(dǎo)軌彎曲剛度相對較強，而導(dǎo)軌支架之間的部分彎曲剛度則明顯較弱，這意味著導(dǎo)軌的彎曲剛度在高度方向上呈周期性變化，這也會導(dǎo)致轎廂產(chǎn)生振動。此外，導(dǎo)軌本身的安裝缺陷，可能引起轎廂的水平振動。總的來說，導(dǎo)軌擾動可以分為彈性彎曲，接頭階躍，接頭傾斜和表面磨損四種形態(tài)，如圖1所示。Utsunomiya[3]對導(dǎo)軌的功率譜分析表明，軌道擾動主要集中在低頻區(qū)；并且存在一個主要的擾動頻率，該頻率與電梯運行速度成正比，與導(dǎo)軌的長度成反比。天津大學(xué)的李醒飛和李立京[4]等通過導(dǎo)軌直線度實測數(shù)據(jù)分析了轎廂橫向振動特性，研究結(jié)果表明，轎廂橫向振動理論結(jié)果的頻譜特征與實測結(jié)果基本一致。

2.2 空氣壓力擾動

隨著電梯運行速度的提高，井道內(nèi)氣壓變化會對轎廂產(chǎn)生波動。朱昌明[2]等通過對井道中運行過程中進(jìn)行風(fēng)速測試得出，額定速度7m/s，額定載重量1600Kg單電梯運行過程中井道內(nèi)會產(chǎn)生平均12.5m/s的風(fēng)速。這種壓力波動會使轎廂產(chǎn)生振動。

3.橫向振動控制方式

根據(jù)轎廂橫向振動的形成原因，目前采用的控制方式主要分為三類：①減少振源；②被動控制；③主動控制。

3.1 減少振源

設(shè)計開發(fā)新型導(dǎo)靴和轎廂可以有效地降低振動傳遞和減少電梯運行中所受到的氣壓波動。

日本三菱電機Okamoto[5]設(shè)計了一種新型導(dǎo)靴來降低振動的傳遞，試驗表明該新型導(dǎo)靴與傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)靴相比可以降低43%的轎廂橫向振動幅度。斯皮勒[6]采用流線型的轎廂外形可以減少超高速電梯在運行中由于氣體湍流而引起的轎廂橫向振動。

新型導(dǎo)靴和轎廂設(shè)計、制造成本較為高昂，無法得到廣泛地推廣、應(yīng)用。

3.2 被動控制

除了減少振源的措施外，也可以通過優(yōu)化電梯轎廂支撐彈簧和橡膠等參數(shù)來降低轎廂振動。Sissals[7]采用模態(tài)分析法來優(yōu)化電梯滾動導(dǎo)靴支撐彈簧的剛度，他通過改變滾動導(dǎo)輪支撐彈簧剛度來優(yōu)化轎廂橫向振動的固有頻率，使轎廂橫向振動共振頻率避開導(dǎo)軌振動主頻，從而達(dá)到抑制和降低轎廂振動的目的。Okada[8]通過在導(dǎo)輪上安裝摩擦和油液阻尼器的方式來增大系統(tǒng)阻尼，抑制轎廂橫向振動。試驗表明，通過增加阻尼器可以降低20%振動幅度。

上述方法雖然費用低廉、可靠性好，但無法取得較好的控制效果。

3.3 主動控制

當(dāng)被動控制效果不能滿足電梯橫向振動控制的要求時，需要采用主動控制裝置。目前，研究人員已經(jīng)設(shè)計出一些轎廂橫向振動主動控制方法，例如預(yù)存導(dǎo)軌不平度、加速度反饋和位移反饋等。Utsunomiya[9]采用基于轎架速度反饋和sky-hook阻尼策略控制器的電梯主動滾動導(dǎo)靴進(jìn)行橫向振動控制，對5m/s和7m/s的電梯試驗結(jié)果表明，即使在存在偏載的情況下，該方法仍然能夠降低50%以上的轎廂廂體橫向振動加速度。Skalski[10]提出采用預(yù)存導(dǎo)軌不平度的補償方法，即在電梯正式運行前，先記錄電梯導(dǎo)軌不平順度與轎廂垂直位置之間的關(guān)系。在運行過程中根據(jù)電梯轎廂所處位置求出需要對導(dǎo)軌進(jìn)行補償?shù)奈灰浦担瑥亩{(diào)整滾動導(dǎo)輪的位置以減少轎廂橫向振動的大小。

上述主動控制系統(tǒng)方法效果明顯，但都是在給定某一結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下進(jìn)行設(shè)計的，這種采用單輸入單輸出系統(tǒng)（Single Input Single Output； SISO）模型來設(shè)計的主動控制系統(tǒng)，可能會導(dǎo)致各個局部控制力之間的沖突，無法得到最優(yōu)化的效果。

4.討論

Fathy[11]通過使用電機提升重物的試驗證明了主被動控制系統(tǒng)之間往往存在耦合關(guān)系。此外，由于轎廂橫向振動控制中主被動控制往往同時存在于一個系統(tǒng)中。那么，在電梯橫向振動控制系統(tǒng)中也可以考慮到主被動控制之間的耦合性，采用集成設(shè)計方法，對二者同時進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可能可以得到較為滿意的控制效果。

5.結(jié)論與展望

采用多目標(biāo)、系統(tǒng)級的集成設(shè)計方法，考慮到主被動控制的耦合性，對電梯轎廂橫向振動的主被動控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可能可以取得較為滿意的控制效果。

參考文獻(xiàn)

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【文章編號】1627-6868（2016）11-0079-02