電梯系統(tǒng)垂直振動分析與抑制

于 斌 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

民眾對于電梯運行安全性要求極高，強調在進行電梯使用時，需要保證電梯啟動、停靠平穩(wěn)度，且要確保電梯乘坐體驗。在運行過程中，電梯應按照指令準確停靠在相應位置，并可以按照使用者按鍵指示，智能展開運行。雖然電梯運行整體能耗相對較低，但因為受到機械運作等因素影響，導致電梯在運行時會出現(xiàn)一定程度的振動。如果電梯振動振幅、頻率與人體頻率較為相似，便會引發(fā)電梯和人體的共振，會使人體產(chǎn)生不適感，需要實施相應抑制手段。

1 現(xiàn)代常用振動抑制方式

1.1 動力減振器

如果電梯振源較為明顯，已經(jīng)產(chǎn)生明顯不舒適乘坐體驗時，會通過加裝有阻尼效果動力減振器完成振動抑制處理。雖然減振器的應用無法達到將廂體振幅控制到零的效果，但卻可以有效降低減振器工作振動幅值，會使廂體整體振動得到有效控制，同時因為有阻尼動力減振器成本較為低廉，所以整體抑制投入成本也相對較低。

在具體進行應用時，動力減振器會通過對振源釋放振動能量進行吸收的方式，對振動能量傳遞形成控制，進而達到相應抑制要求。如果電梯空間允許，應盡量選用剛度高且質量大的設計結構，以實現(xiàn)對動力減振器自身振幅的控制，進而達到對減振器安裝空間能夠有效節(jié)約的效果，確保減振器工作可靠性可以得到切實增強。

1.2 橋廂減振裝置

電梯垂直振動產(chǎn)生振源并不單一，形成原因較為復雜，但其中最為主要的振源便是曳引機所產(chǎn)生的多頻率振源。在對此種振源進行處理時，可運用與振源相等減振墊（如圖1 所示），利用減振墊固有頻率，對振源頻率形成干擾，進而達到有效控制振源振幅的效果。此種設計雖然無法達到完全消除垂直振幅的效果，卻可對廂體振動形成有效抑制，能夠切實提升乘客電梯使用舒適度。在運用此種減振抑制手段時，需要做好減振墊挑選，應保證減振墊固有頻率和激振頻率的相近程度，以保證減振墊作用發(fā)揮效果。

圖1 曳引機減振墊

2 電梯系統(tǒng)垂直振動與抑制措施

為對系統(tǒng)垂直振動和抑制措施展開更深層次的分析，在此將以某大樓電梯為例，對電梯系統(tǒng)垂直振動以及相應減振措施展開詳細探究。

2.1 電梯實例

某大樓電梯高度為60 m，在運行到40 m～60 m 高度時，會出現(xiàn)較為強烈的振感，且伴有嗡鳴聲，使用戶電梯使用舒適度受到了直接影響。經(jīng)過調查發(fā)現(xiàn)，這一問題是因為多方面原因所造成的，減速廂、曳引電機以及鋼絲繩等部分問題，都會引發(fā)振動振源。為妥善處理這一問題，技術人員從電梯橋廂加速度測試曲線著手，利用頻譜分析技術，對電梯振動優(yōu)勢頻率展開了分析。

2.2 垂直振動分析

（1）振動產(chǎn)生原因分析。

如果用X、Y、Z 分別表示橋廂前后、左右、上下加速度時間歷程，在完成曲線描繪后可以清楚看出，上下方向加速度曲線最為激烈，整條曲線幅值已經(jīng)超過國家標準，所以需要重點對電梯垂直方向振動問題展開處理。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，橋廂垂直振動優(yōu)勢頻率在22.75 Hz 左右，和此電梯匹配曳引機轉速為1 250 r/min，轉動頻率為21 Hz，橋廂垂直振動優(yōu)勢頻率和曳引電機轉動頻率極為相近。所以推測，曳引電機旋轉失衡可能是因為垂直方向產(chǎn)生振動所造成的。在電梯運行過程中，因為受到對重兩側鋼絲繩長度以及橋廂等變化影響，系統(tǒng)固有頻率會不斷發(fā)生改變，在電梯運行至40 m～60 m 高度時，系統(tǒng)某階固有頻率會與曳引電機外激勵頻率保持較為吻合的狀態(tài)，引發(fā)共振，致使橋廂共振劇烈程度明顯增加。在電梯運行到其他樓層時，外激勵頻率和系統(tǒng)固有頻率之間存在較大差異，所以不會出現(xiàn)共振問題，電梯整體運行會處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

（2）模態(tài)分析。

為驗證上述推測，將運用數(shù)學建模手段展開模態(tài)分析。電梯系統(tǒng)在豎直方向彈性環(huán)節(jié)主要有曳引系統(tǒng)與基礎橫梁和支撐橡膠、橋廂底和橋廂架間超載橡膠墊等內容，集中質量主要包括導向輪、橋廂底以及橋廂架等，其中因為補償鏈、提升鋼絲繩等分布質量要遠遠輕于集中質量，整體影響程度相對較小，所以本次建模計算可以對此忽略不計。同時因為彈性環(huán)節(jié)間存在一定阻尼，對系統(tǒng)固有頻率求解并不會產(chǎn)生明顯影響，所以也可以忽略不計。

本次電梯系統(tǒng)力學模型如圖2 所示。其中電梯對重和上方動滑輪質量與線位移、橋廂底與橋廂架、橋頂輪以及橋廂架、曳引系統(tǒng)等，分別由mi、xi（i=1,2,3,4,5）進行表示；橋頂輪和對重側動滑輪轉動慣量和角位移，由Ji,θi(i=3,5)表示；繩頭彈簧剛度、對重上方滑動輪兩側鋼絲繩等剛度，由k 相關量表示。

圖2 系統(tǒng)力學模型

按照力學模型以及拉格朗日方程或牛頓第二定理，可以得出，電梯系統(tǒng)動力學方程為：

[M]{X″}+[K]{X}=0

方程中[M],[K]表示系統(tǒng)質量矩陣、剛度矩陣；{X″}表示系統(tǒng)加速度向量；{X}表示系統(tǒng)加速度位移向量。

在剛度矩陣內，R 表示橋頂輪和對重上方動滑輪半徑。根據(jù)分析得出，鋼絲繩剛度k，計算公式為：

k=EA/L

其中E表示鋼絲繩彈性模量；A表示鋼絲繩橫截面積；L表示鋼絲繩長度。

（3）動態(tài)性分析。

經(jīng)過建模分析發(fā)現(xiàn)，電梯系統(tǒng)固有頻率具有三種特征：①雖然低階固有頻率會隨著載荷增加而出現(xiàn)逐漸縮小的趨勢，但高階固有頻率卻不會受到載荷的較大影響，不會出現(xiàn)明顯變化；②低階頻率對電梯位置敏感度相對較差，在電梯運行時，其數(shù)值變化范圍會逐漸縮小，而高階頻率對電梯位置較為敏感，會隨著電梯位置的變化而發(fā)生改變，數(shù)值差異相對較大；③除第5 階固有頻率，其他所有頻率不會因為電梯載荷、位置改變而發(fā)生變化，各階固有頻率與曳引電機轉動頻率數(shù)值差異較大。第5 階頻率在電梯運行到40 m～60 m 高度范圍時，其頻率和曳引電機轉動頻率極為相似，會使電梯產(chǎn)生異常振動狀況，所以可以判定，系統(tǒng)第5 階固有頻率處理是本次系統(tǒng)處理關鍵所在。

2.3 振動抑制建議

通過對電梯系統(tǒng)振動機理的分析可以發(fā)現(xiàn)，本次電梯振動主要是因為曳引機旋轉失衡所造成的，在電梯運行到40 m～60 m 高度時，系統(tǒng)第5 階固有頻率與曳引機轉動頻率極為相似是造成電梯振動加劇的主要原因，也是共振問題產(chǎn)生根本影響因素。鑒于此，建議從以下幾點入手，對振動問題展開抑制處理：①更換曳引機電機，保證電機動態(tài)性能；②對電梯系統(tǒng)某些彈性環(huán)節(jié)剛度系數(shù)展開調整，并要對系統(tǒng)固有頻率進行改變，應防止出現(xiàn)固有頻率和曳引機轉動頻率較為接近的狀況，以將共振問題發(fā)生可能性控制在最低；③在電梯橋廂頂輪位置安裝動力減振器，對系統(tǒng)振動能量進行消耗，以達到預期減振效果。多種抑制處理方式均有一定優(yōu)勢與不足，在進行減振方案編制時，需要做好綜合分析，要按照電梯系統(tǒng)整體運行情況以及方案執(zhí)行難易程度，對振動措施進行選擇，進而達到理想化振動處理效果。

因為本次電梯系統(tǒng)是正在服役且較為笨重的系統(tǒng)，更換彈性元件、電機操作難度相對較大，所以建議運用安裝動力減振器方式，展開電梯垂直振動抑制處理。本次所使用振動減振器是由緊固螺栓、懸臂梁以及質量快等內容所組成的，應用之后對電梯振動問題形成了有效控制。

3 結束語

通過本文對電梯垂直振動問題與抑制方式相關內容的論述，使我們對電梯垂直振動問題產(chǎn)生原因以及具體調節(jié)方式有了更加清晰的認知。有關部門應明確認識到電梯垂直振動對電梯使用所產(chǎn)生的負面影響，應進一步加強對該問題的重視程度，并要在對問題產(chǎn)生根本原因展開深度分析的基礎上，按照電梯綜合環(huán)境以及具體條件，制定出可行性較強的振動抑制措施，從而在對振動問題展開有效處理的同時，不斷提高電梯系統(tǒng)運行可靠性能，進而實現(xiàn)理想化電梯運行效果，確保乘客可以獲得更加舒適、安全的電梯乘坐體驗。