高速電梯轎廂氣動外形設計對氣動噪聲的影響

黃剛 郭貝

摘? 要：目前我國高速電梯振動大、噪聲大、氣動研究不足、轎廂結構不夠合理。為了降低成本，大多數廠家都不愿意投入太多的研究經費，本文主要針對國內廠家生產的高速電梯的舒適性問題，以減輕氣流對車內乘客的影響。為了盡快實現電梯高速、智能、流暢、舒適的自主電梯，電梯轎廂機械結構的優(yōu)化設計具有十分重要的研究價值和參考價值。

關鍵詞：高速電梯;轎廂氣動;外形設計;氣動噪聲

隨著電梯不斷向高速發(fā)展，噪聲成為衡量乘客舒適度的重要指標。機械噪聲和氣動噪聲是高速拖曳電梯的主要噪聲源。而在高速電梯上、下增加整流罩是控制風噪聲的重要措施，整流罩的設計涉及到空氣動力學、結構動力學、噪聲等多個學科。整流罩的外形設計在降低高速電梯的振動噪聲方面起著重要作用。從設計目標的角度來看發(fā)動機罩外形和相關尺寸的設計應盡可能減少振動和噪音，同時考慮到發(fā)動機罩在其使用壽命內能夠承受疲勞載荷，并便于維護等。為了滿足這些要求，結構等方面，應考慮整流罩的材料、成本和處理能力。

1 高速電梯轎廂氣動外形設計概述

1.1 高速電梯轎廂氣動現狀

目前，國內對高速電梯基礎理論的研究尚屬空白，國內高速電梯大多依賴進口，國內高速電梯生產企業(yè)也大多是具有自主知識產權的中外合資企業(yè)，電梯制造商的自主研發(fā)能力很少。特別是由于自主研發(fā)對資金和技術人員的需求高、耗時長，國內大多數電梯生產企業(yè)都采用國外電梯技術，包括井道設計、通風規(guī)劃、罐籠結構設計、牽引電機研發(fā)等，幾乎所有國家都照搬外國標準。因此，研究和優(yōu)化高速電梯罐籠結構的氣動特性具有重要意義。

1.2 電梯速度現狀

研究學者朱小京表示，目前，我國大多數電梯生產企業(yè)的電梯速度都在4m-1以下。而國產電梯的性能和舒適性仍無法與國外進口電梯相比，中國對電梯的速度要求V≥400m.s-1。國內很多電梯垂直振動只能達到國家最低標準，水平振動水平雖然小，但由于速度低，運輸效率很低，且轎廂結構單一，容易受到空氣湍流的影響。而電梯提速難以避免也會造成很多問題，如：膠囊的水平和垂直振動、運行噪聲等使乘客感到不適，牽引繩、電梯緩沖器和曳引機等安全裝置和儀器在膠囊內工作異常，電梯不能準確就位，停機時間短，停機率高，檢修周期短，使用壽命低，容易造成安全隱患。

1 高速電梯轎廂汽動對噪聲的分析

1.3 高速電梯轎廂氣動的分析

轎廂對電梯的額定速度有重要影響，因此應優(yōu)化轎廂結構，以降低轎廂產生的剪切應力和振動及噪聲。為了研究汽車在井中行駛時的氣動力，有必要確認汽車在井中的內收通常是由黏性阻尼完成的。保持架向上運動產生的氣流運動主要包括：由于活塞效應，一部分風向流過軸形成活塞風，另一部分風在保持架底部向下推動并向上運動。電梯井道壁和罐籠壁設置為絕熱壁，電梯井道兩端的通風口設置為隨壓力變化的自由通風口，在保持架動力學模型圖中，軸中的空氣被視為可壓縮的理想流體。

1.4 電梯氣動噪聲分析

我國大多數電梯產品都是根據低速電梯噪聲源的特點進行聲學設計的。未來，隨著電梯速度的提高，空氣動力噪聲源的影響將越來越大，為了避免聲共振，有必要研究噪聲源的空間聲學模式和頻譜特性。

電梯轎廂底部有兩個渦流區(qū)，主要原因是氣流以高速從轎廂和井壁之間的間隙流出，并以高速向下移動。然而，電梯轎廂底部附近的流速很小，因此形成了不穩(wěn)定的漩渦，此時，電梯轎廂周圍的空氣雷諾數相對較大，因此轎廂附近的高壓不足以將邊界層推到轎廂后部，非定常渦的持續(xù)脫落和演化會使流場中的壓力分布劇烈波動，導致下游阻力和轎廂表面的橫向升力發(fā)生周期性或非周期性變化，導致無序，對于非周期流體動力學，由于結構阻尼和空氣動力阻尼的共同作用，周期流體動力學將被緩慢消耗。但流體動力的周期性變化是負阻尼的本質，體現在膠囊結構與井內流體的相互作用中，為了吸收能量，而不是浪費能量，使原本輕微振動的膠囊結構振幅得以放大，尤其是當漩渦脫落頻率和系統鏈的振動頻率結合在一起時，會使電梯產生共振。

1.5 轎廂整體劉罩分析

對運行速度為8m/s、額定載荷為1000kg的單井高速電梯進行了研究和計算。電梯井道橫截面為2200mm×2100mm矩形，轎廂橫截面為1600mm×1400mm矩形，轎廂高度為2500 mm。為了分析通過保持架壁的流速和壓力分布，應將電梯井的內表面、保持架的外表面和整流罩封閉在一個完整的計算域中。為了避免氣流方向對計算結果的影響，只選擇局部區(qū)域的速度和壓力分布。通過仿真分析，將幾何模型簡化為：風道系統具有良好的密封性能，除進風口和出風口外無漏氣;空氣是一種不可壓縮的流體，其密度是恒定的。由于需要獲得通過罐壁外側的氣流速度和沿罐壁外側的壓力分布，在閉合后，使用預處理軟件ICEM對整個計算域進行網格化，并將剛體視為柔性體。首先，進行拓撲構造以檢查幾何誤差，同時生成特征線以創(chuàng)建外部域（計算域），這是流體操作的空間。Z是2200/1600=1.375，X是2100/1400=1.5，Y是2。然后，設置網絡參數，劃分剛體-柔性網格，最后導入Fluent求解器進行仿真計算。

1.6 轎廂氣動阻力和側向壓力分析

在高速電梯垂直提升過程中，轎廂和對重以相同的速度移動，導致豎井內氣流劇烈。氣流的運動在汽車表面產生巨大的垂直氣壓，這被稱為氣動阻力。井內氣流運動產生的氣動阻力不僅對汽車產生縱向壓力，而且對汽車的橫向產生一定的力。由于氣流的運動，將觸發(fā)拖曳鋼絲繩的巨大牽引力。同時，橫向上籠導軌將與導靴產生劇烈摩擦。隨著轎廂速度的增加，氣流會加強，轎廂外壁上的壓力會增加，轎廂提升的穩(wěn)定性會減弱。

2 小結與展望

在豎井內高速電梯垂直提升過程中，轎廂和對重以相同的速度移動，導致豎井內氣流劇烈。氣流的運動在汽車表面產生巨大的垂直氣壓，這被稱為氣動阻力。井內氣流運動產生的氣動阻力不僅對汽車產生縱向壓力，而且對汽車的橫向產生一定的力，由于氣流的運動，將觸發(fā)拖曳鋼絲繩的巨大牽引力，同時，橫向上籠導軌將與導靴產生劇烈摩擦。隨著轎廂速度的增加，氣流會加強，轎廂外壁上的壓力會增加，轎廂提升的穩(wěn)定性會減弱。

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