電梯鋼絲繩沖擊工況下的摩擦傳動行為研究

摘 要：大型建筑電梯由于速度快、繩長大，軌道系統(tǒng)的偶然激勵(lì)將嚴(yán)重影響提升安全和舒適性。現(xiàn)通過模擬仿真的方法研究了電梯系統(tǒng)在沖擊工況下的振動與傳動力學(xué)行為特性。結(jié)果表明，在電梯緊急制動工況下，鋼絲繩的張力發(fā)生大幅跌落，橫向振動幅值增大，摩擦力減弱，滑移速度增大，電梯曳引系統(tǒng)摩擦傳動的穩(wěn)定性下降。

關(guān)鍵詞：電梯；鋼絲繩；沖擊；摩擦傳動

中圖分類號：TU857" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0069-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.017

0" " 引言

近年來，隨著高層、超高層建筑高度增加，電梯提升速度不斷提高，人們對電梯運(yùn)行速度和舒適度提出了更高要求[1]。電梯設(shè)備會因曳引力不足、電氣控制系統(tǒng)故障、制動裝置故障等原因發(fā)生超速、墜落事故，嚴(yán)重威脅乘客的安全。曳引電梯在工作中是依靠鋼絲繩與曳引輪直接接觸，通過接觸形成的摩擦力來實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)行。因此，電梯曳引系統(tǒng)的摩擦傳動穩(wěn)定性與電梯的安全運(yùn)行密切相關(guān)，開展不同沖擊工況下電梯曳引系統(tǒng)的摩擦傳動可靠性及平穩(wěn)性研究，建立電梯曳引系統(tǒng)傳動性能與電梯運(yùn)行參數(shù)的相關(guān)性模型，并通過對各種因素的分析找到影響電梯摩擦傳動性能的因素，以求出最佳提升負(fù)荷和操作參數(shù)，從而保障電梯的摩擦傳動可靠性和驅(qū)動平穩(wěn)性，對豐富提升鋼索摩擦傳動機(jī)理，改善電梯曳引系統(tǒng)摩擦傳動性能，提高電梯曳引系統(tǒng)安全性具有重要的理論意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者都開展了提升鋼絲繩動力學(xué)方面的研究。郭永波[2]從電梯傳動的平穩(wěn)性、鋼絲繩的動力和摩擦傳動性能等出發(fā)，就撓性鋼絲繩的動態(tài)摩擦驅(qū)動問題進(jìn)行了探討；張鵬等人[3]通過在周期激勵(lì)下鋼絲繩縱向和側(cè)向振動，對鋼絲繩周期激勵(lì)的動態(tài)反應(yīng)進(jìn)行研究，可以有效地探測出結(jié)構(gòu)的簡諧激勵(lì)反應(yīng)機(jī)制，并能有效抑制整體的振動；王文等人[4-5]研究了在不同因素作用下電梯和軌道之間的周期性激勵(lì)，從轎廂與導(dǎo)靴、導(dǎo)靴與導(dǎo)軌、導(dǎo)軌與導(dǎo)軌之間的接觸關(guān)系出發(fā)，導(dǎo)出了接觸剛度系數(shù)，并對導(dǎo)靴和導(dǎo)軌之間的耦合振動進(jìn)行了較為實(shí)際的分析，得到了導(dǎo)向輪導(dǎo)靴與導(dǎo)軌之間的橫向振動響應(yīng)；曹智超[6]通過在垂直方向上添加激勵(lì)源來研究電梯的振動機(jī)理，建立了電梯垂直振動的動力學(xué)模型，并根據(jù)電梯的實(shí)際運(yùn)行情況將電梯曳引系統(tǒng)簡化為彈簧質(zhì)量模型；郭永波等人[7]采用循環(huán)激勵(lì)方法，對不同周期的激振頻率進(jìn)行了縱向激勵(lì)試驗(yàn)，對摩擦力提升系統(tǒng)的非線性動態(tài)反應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，橫向振動屬于強(qiáng)迫振動，而縱向振動屬于非規(guī)律性的復(fù)合振動。

由上文所述可知，各專家學(xué)者對高速電梯沖擊工況研究較少，對于緊急制動工況下鋼絲繩張力以及滑移速度等的變化也鮮有報(bào)道。因此，本文通過對電梯曳引系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，對曳引輪施加力、對轎廂施加外部激勵(lì)來模擬沖擊工況，研究在沖擊工況下高速電梯鋼絲繩的摩擦傳動行為。

1" " 電梯系統(tǒng)模型

為研究電梯曳引系統(tǒng)的動力摩擦驅(qū)動特性，將其與電梯曳引系統(tǒng)的摩擦性能、安全可靠度相結(jié)合，對電梯曳引系統(tǒng)的動力響應(yīng)狀態(tài)、動力摩擦驅(qū)動可靠性及穩(wěn)定性進(jìn)行研究，選擇某電梯曳引系統(tǒng)進(jìn)行建模。

1.1" " 實(shí)際電梯系統(tǒng)

選擇的某電梯曳引提升系統(tǒng)為曳引式1：1電梯結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

電梯總提升高度為24 m，表1列出了該電梯曳引提升系統(tǒng)的一些主要參數(shù)。

1.2" " 電梯系統(tǒng)仿真模型

1.2.1" " 模型簡化

采用Adams/Cable對該電梯進(jìn)行了動態(tài)模擬，該模型將提升側(cè)和下行側(cè)的鋼絲繩動力，鋼絲繩與曳引輪、導(dǎo)向輪的耦合作為一個(gè)整體進(jìn)行了建模。導(dǎo)向輪和曳引輪采用統(tǒng)一材質(zhì)，繩槽形狀符合要求，不存在圓度偏差；實(shí)際的電梯曳引系統(tǒng)是由6根鋼絲繩聯(lián)合支撐，在模型中僅設(shè)置一條鋼絲繩，其承載力為原負(fù)載的1/6，如圖2所示。

1.2.2" " 參數(shù)設(shè)置

電梯曳引提升系統(tǒng)中曳引輪與導(dǎo)向輪相關(guān)參數(shù)如表2所示。

2" " 結(jié)果分析

在電梯曳引提升系統(tǒng)緊急制動過程中，由抱閘機(jī)構(gòu)向曳引輪施加力使其迅速停止，為模擬制動工況，添加驅(qū)動函數(shù)，在勻速階段使曳引系統(tǒng)迅速停止。

圖3為距離轎廂上方10 m處鋼絲繩橫向、縱向振動及張力值，制動發(fā)生在電梯提升的第8秒，制動時(shí)間共用時(shí)為1 s，其速度從2 m/s迅速降為0 m/s。

從圖中可以看出，當(dāng)曳引輪突然停止運(yùn)動時(shí)，鋼絲繩的張力發(fā)生跌落，其跌落幅值為8 900 N，達(dá)到制動前平均張力的47.98%，小幅波動后發(fā)生回彈，增幅較大，達(dá)10 159 N，對鋼絲繩造成較大沖擊。從橫縱振動可以看出，制動使橫向振動幅值增大至-8～7 m/s2，較勻速段有所增大。

圖4示出了不同制動時(shí)間下鋼絲繩與曳引輪之間的滑移速度，可以看出，制動時(shí)繩輪間產(chǎn)生明顯的打滑，制動時(shí)間越短，滑移速度峰值越大。摩擦式提升系統(tǒng)摩擦輪和繩索間一直存在正常滑移，本文中正常提升過程最大滑移發(fā)生在加速段，最大滑移值為0.03 m/s，而制動時(shí)滑移速度可達(dá)正常值的32～33倍。制動沖擊過后鋼絲繩與摩擦輪滑移速度恢復(fù)原始狀態(tài)值，說明鋼絲繩與摩擦輪沒有發(fā)生持續(xù)滑動，表明摩擦系數(shù)足夠，制動有效。

圖5示出了不同制動時(shí)間下鋼絲繩的橫、縱向振動。通過對比可以看出，隨著制動時(shí)間的增加，制動越發(fā)平穩(wěn)，制動時(shí)間會通過影響鋼絲繩的橫向和縱向振動頻率和轎廂與曳引輪之間的摩擦力影響滑移速度，過大的滑移速度會導(dǎo)致鋼絲繩與曳引輪之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，進(jìn)而影響電梯運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3" " 結(jié)束語

鋼絲繩的離散建模對電梯曳引系統(tǒng)的摩擦傳動穩(wěn)定性的研究有著重要影響，本文建立了曳引比為1：1的動力學(xué)振動模型，對電梯曳引系統(tǒng)的虛擬模型的摩擦傳動特性進(jìn)行了分析。通過對電梯曳引系統(tǒng)的制動工況進(jìn)行仿真分析，得到了電梯曳引系統(tǒng)中鋼絲纜繩與曳引輪的滑移速度、鋼絲繩張力、摩擦等性能，分析得到電梯曳引系統(tǒng)的摩擦傳動行為規(guī)律，從而為提高電梯曳引系統(tǒng)的摩擦傳動穩(wěn)定性提供了基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李彬.電梯安裝工程質(zhì)量控制和安全管理探析[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2021（5）：59-60.

[2] 郭永波.柔性鋼絲繩的動態(tài)摩擦傳動理論建模及實(shí)驗(yàn)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2018.

[3] 張鵬，朱昌明，張梁娟.變長度柔性提升系統(tǒng)縱向-橫向受迫耦合振動分析[J].工程力學(xué)，2008，25（12）：202-207.

[4] 王文，錢江.電梯懸掛系統(tǒng)在建筑搖晃引起位移激勵(lì)下橫向振動分析[J].振動與沖擊，2013，32（7）：70-73.

[5] 王文，錢江，張安莉.電梯轎廂-導(dǎo)靴-導(dǎo)軌耦合振動建模與仿真分析[J].力學(xué)季刊，2018，39（1）：107-116.

[6] 曹智超.高層高速電梯振動特性研究與實(shí)驗(yàn)[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[7] GUO Y B，ZHANG D K，CHEN K，et al.Longitudinal dynamic characteristics of steel wire rope in a friction hoisting system and its coupling effect with friction transmission[J].Tribology Interna-tional，2018，119：731-743.

收稿日期：2023-03-27

作者簡介：趙淑琳（2001—），女，山西晉中人，研究方向：車輛工程。