高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)特性研究

張建義，康誠(chéng)

（1.杭州奧弗德機(jī)電科技有限公司；2.杭州西奧電梯有限公司，浙江 杭州 311100）

當(dāng)今高層建筑的數(shù)量與過去相比明顯增加，作為能夠提升高層建筑利用效率的技術(shù)之一，高速曳引電梯得到了廣泛應(yīng)用，并為人們的日常生活帶來了便利。但是隨著行程以及速度的提高，電梯振動(dòng)情況加劇，這給電梯乘坐的安全性與舒適性帶來了無法被忽視的影響，因此，對(duì)高速曳引電梯所具有的振動(dòng)特性加以研究，成為了現(xiàn)階段有關(guān)人員的主要工作之一，本文所研究?jī)?nèi)容具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)的水平振動(dòng)特性分析

如果電梯額定速度相對(duì)較低，那么發(fā)生在系統(tǒng)水平方向上的振動(dòng)可以忽略不計(jì)，但隨著電梯額定速度不斷提升，高速曳引電梯所具有的安全性和舒適性，受水平方向振動(dòng)的影響也變得越發(fā)明顯。研究結(jié)果表明，與低速電梯振動(dòng)加速度所對(duì)應(yīng)峰值相比，高速電梯的峰值往往會(huì)高出數(shù)倍。與垂直振動(dòng)隨轎廂所處位置及載荷更改而變化不同的是，水平振動(dòng)發(fā)生變化的部分僅僅包括轎廂載荷。另外，由于引起水平振動(dòng)的原因主要是系統(tǒng)時(shí)變剛度和隨機(jī)偏差，因此，諧波性并不明顯。

現(xiàn)階段針對(duì)高速曳引電梯機(jī)械體統(tǒng)的水平振動(dòng)特性所進(jìn)行的研究工作，受技術(shù)條件以及經(jīng)濟(jì)條件制約，往往忽視了存在于轎廂側(cè)面和轎底的減振橡膠具有的作用，從而將包括轎架質(zhì)量在內(nèi)的參數(shù)與轎廂進(jìn)行直接疊加，也就是說將轎架和轎廂視為一個(gè)整體。在對(duì)高速曳引電梯進(jìn)行實(shí)際使用的過程中，為了在最大程度上對(duì)轎架向轎廂進(jìn)行傳遞的水平振動(dòng)進(jìn)行降低，施工人員往往會(huì)選擇將大量減振橡膠安裝在轎廂側(cè)面和轎底，正是由于這部分減振橡膠的存在，導(dǎo)致轎廂質(zhì)心并不與轎廂架質(zhì)心處于相同位置，因此，在對(duì)系統(tǒng)水平振動(dòng)所對(duì)應(yīng)物理模型進(jìn)行建立的過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)質(zhì)心偏移的情況加以考慮，本文所建立振動(dòng)水平方向物理模型具體如圖1所示。該物理模型在轎架上對(duì)轎廂進(jìn)行了安裝，并通過在轎廂側(cè)面和轎底對(duì)減振橡膠進(jìn)行安裝的方式，在很大程度上對(duì)轎架所傳遞振動(dòng)進(jìn)行了減弱，而將導(dǎo)靴安裝在轎架上，通過將其與導(dǎo)軌進(jìn)行滾動(dòng)接觸的方式，完成井道中電梯的升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)靴彈簧和導(dǎo)軌在接觸過程中所產(chǎn)生預(yù)壓縮量，具有明顯的減振效果。

圖1 高速曳引電梯在水平方向上的物理模型

雖然導(dǎo)靴質(zhì)量較小，在電梯運(yùn)行過程中對(duì)水平振動(dòng)產(chǎn)生的影響較易被忽略，但是隨著電梯運(yùn)行速度的不斷提升，滾動(dòng)導(dǎo)靴具有的作用應(yīng)當(dāng)引起重視，導(dǎo)軌制造及安裝過程中的誤差，導(dǎo)軌彎曲變形等情況的存在，都會(huì)導(dǎo)致電梯轎廂受到相應(yīng)的激勵(lì)。因此，本文在對(duì)水平振動(dòng)特性進(jìn)行研究時(shí)，重點(diǎn)考慮了滾動(dòng)導(dǎo)靴可能帶來的影響，通過對(duì)導(dǎo)軌及滾動(dòng)導(dǎo)靴之間所產(chǎn)生相互作用加以分析的方式，得出了相應(yīng)的徑向物理模型，在對(duì)8自由度的電梯水平振動(dòng)模型進(jìn)行建立后，通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)的方式計(jì)算出了高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)在不同階段所對(duì)應(yīng)頻率。

2 高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)的垂直振動(dòng)特性分析

由于曳引電梯兼具提升高度大，安全系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電梯系統(tǒng)中，并發(fā)揮了應(yīng)有的作用。以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式為依據(jù)對(duì)曳引電梯進(jìn)行研究，可劃分為兩種不同類型，分別是牽引比2：1和牽引比1：1。本文在對(duì)高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)的垂直振動(dòng)特性進(jìn)行分析時(shí)所建立的為1：1曳引比的物理模型，具體如圖2所示。在該物理模型中，懸掛于曳引輪兩側(cè)的分別是轎廂以及對(duì)重，受曳引機(jī)動(dòng)力作用，經(jīng)由曳引鋼絲繩進(jìn)行牽引，完成相應(yīng)的上下運(yùn)行活動(dòng)，對(duì)重的作用是對(duì)電梯轎廂系統(tǒng)和電梯自身所承載重量加以平衡，通過減少二者碰撞幾率的方式，在最大程度上延長(zhǎng)曳引輪能夠使用的壽命。在對(duì)物理模型以及方程進(jìn)行建立的過程中，需要注意的是補(bǔ)償鏈和補(bǔ)償繩存在的差別：由于中低速的電梯不存在張緊系統(tǒng)，因此，在正常情況下可以選擇對(duì)補(bǔ)償鏈加以應(yīng)用的方式，對(duì)重量進(jìn)行補(bǔ)償；高速電梯則需要通過對(duì)張緊系統(tǒng)以及補(bǔ)償鏈進(jìn)行共同應(yīng)用的方式，才能夠做到對(duì)重側(cè)與轎廂側(cè)所具有重量的平衡。

圖2 高速曳引電梯在垂直方向上的物理模型

導(dǎo)致電梯系統(tǒng)在垂直方向產(chǎn)生振動(dòng)的原因，主要是曳引系統(tǒng)在運(yùn)行過程帶來的振動(dòng)，具體可以分為曳引輪偏心振動(dòng)，電機(jī)輸出力矩波動(dòng)，導(dǎo)向輪形狀不規(guī)則，而由于上述原因產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)經(jīng)由鋼絲繩被傳遞到高速曳引電梯的轎廂，進(jìn)而對(duì)乘坐舒適性產(chǎn)生影響。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，無論是在電梯上升或是下降的過程中，曳引鋼絲繩所具有的長(zhǎng)度和電梯自身的載重都會(huì)隨著電梯位置的更改而出現(xiàn)相應(yīng)的變化，簡(jiǎn)而言之，就是曳引鋼絲繩以及電梯載重均具有一定的時(shí)變性，因此，針對(duì)電梯開展時(shí)域離散處理的工作，并將減振環(huán)節(jié)與曳引機(jī)至張緊系統(tǒng)中的各個(gè)部分相結(jié)合是很有必要的。通過上文所敘述的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，從實(shí)質(zhì)上來說，高速曳引電梯屬于多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。

本文在開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的過程中，考慮到在建立電梯垂直方向所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模型時(shí)，鋼絲繩具有的離散情況帶來的影響是不容忽視的，因此，以對(duì)物理模型所具有時(shí)變性的特點(diǎn)為依據(jù)，對(duì)電梯轎廂運(yùn)行的全過程進(jìn)行了離散，不僅將曳引鋼絲繩具有的質(zhì)量特性與電梯振動(dòng)模式進(jìn)行了結(jié)合，還對(duì)以導(dǎo)靴彈簧、張緊系統(tǒng)為代表的電梯部件在質(zhì)量、阻尼等方面具有的特征加以考慮，最終推導(dǎo)出1：1繞繩比所對(duì)應(yīng)19自由度的電梯垂直振動(dòng)模型，在此基礎(chǔ)上，通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)的方式計(jì)算出了高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)在不同階段所對(duì)應(yīng)頻率和井道中轎廂位置以及重量變化的情況。具體如下：高速曳引電梯機(jī)械系統(tǒng)在垂直方向所具有的頻率，會(huì)隨著電梯轎廂所處位置以及重量的更改而發(fā)生變化，若轎廂載荷發(fā)生變化，固有頻率的變化較小；若電梯轎廂載重相同，固有頻率往往會(huì)隨著轎廂所處位置的更改而出現(xiàn)明顯變化。無論電梯是處于滿載、半載還是空載的情況，垂直方向所對(duì)應(yīng)振動(dòng)微分方程固有頻率均不高于3Hz，與電梯曳引輪所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的數(shù)值存在明顯差距，因此，電梯在運(yùn)行過程中出現(xiàn)共振情況的幾率較低。

3 結(jié)語

總而言之，本文以導(dǎo)靴與導(dǎo)軌間的相互作用和曳引鋼絲繩具有的時(shí)變特性為依據(jù)，對(duì)高速曳引電梯在水平以及垂直方向上所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)物理模型進(jìn)行了建立，并通過仿真分析的方式，在對(duì)高速曳引電梯所具有振動(dòng)特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了系統(tǒng)振動(dòng)速度、位移等因素的變化規(guī)律，保證高速電梯安全性以及舒適性能夠得到應(yīng)有的提升。

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