電梯內置減震裝置隔震方法的仿真研究

宇文旋 安澤偉 吳曉燕

（長安大學工程機械學院，陜西 西安710018）

0 引言

電梯隨著城市高層建筑的發展而發展，電梯作為一種重要的垂直交通工具，舒適性是其評價標準中的主要因素之一。

電梯的震動是電梯乘坐舒適的重要指標。正常情況下，乘坐時間短且震動幅值小，不會影響乘客安全。但振動到達一定值，且頻率在人的敏感帶時，或者電梯起制動特性差，都會使乘客感到明顯不適。這種情況尤其表現在高速電梯以及身體條件差的乘客上。為減小電梯的振動與沖擊，工程技術人員一方面從控制角度出發，提出理想電梯運行曲線的方法對電梯運行速度進行優化控制。另一方面從緩沖與減振角度出發，提出加裝減振器的方法來減小轎廂振動與沖擊。

本文就特殊敏感人群提出在廂內設計隔振緩沖裝置的方法，并對簡化力學模型進行了分析和仿真

1 減震系統的動力學模型

1.1 動力學模型

為研究方便，將人體、隔離裝置、電梯組成的系統進行簡化，建立減震器與彈簧并聯的動力學模型。

1.2 系統輸入分析

1.2.1 理想的電梯運行曲線

電梯的速度是電梯運行規律的決定因素，它直接影響電梯的舒適性。常見的理想速度曲線中拋物線一直線綜合速度曲線因算法快速，結構靈活，實現起來更容易滿足電梯速度控制的各項要求，最為常見，其起動加速和減速制動段速度曲線為拋物線型，穩速運行階段為直線型。

1.2.2 實際的電梯運行曲線

實際的電梯運行曲線除了與電梯的運行速度和加速度有關外，還受到電梯曳引系統的轉動慣量、隨機因素等多方面因素的影響，因此有必要對電梯的實際運行曲線進行測量。選擇某型號電梯作為研究對象，對其運行加速度進行測量，由結果可知加速度曲線與拋物線—直線綜合性理想曲線較為吻合，且存在隨機波動，這種隨機波動同樣會對電梯的舒適性造成影響，因此再分別研究以正弦振動函數、正弦半波沖擊函數、理想速度控制曲線函數作為輸入時的系統的輸出特性。

2 仿真分析

ADAMS軟件是目前應用廣泛且具權威的機械系統動力學仿真分析軟件，它使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。

2.1 仿真模型的建立

所建立的系統仿真模型如圖1所示。仿真模型主要由人體、隔離裝置、電梯及它們之間的約束關系和作用力組成。其中建模方法是：將電梯的位移激勵s分為兩部分，一部分是理想曲線，另一部分為振動。

2.2 仿真實驗方案

以上述實驗電梯作為仿真對象，對上行階段進行仿真試驗。隔振元件暫取減振器，其剛度K=1891.2N／m。以CATIA人機工程模塊中國（臺灣）80%人體質量(m=73.803kg)作為人體仿真質量。

為探究裝置對隨機波動的隔離作用，仿真試驗中，以不同頻率（1Hz、5Hz和10Hz）振幅為10mm的正弦信號作為激勵，測量人體的位移響應和加速度響應作為電梯舒適性的評價指標。同時隨機波動中含有沖擊成分，實驗中以沖擊信號激勵系統，以人體位移響應的峰值作為評價指標。

人體對于加速度的變化比較敏感，所以除了應做到給定速度數值連續、加速度數值連續外，還應做到加速度的變化率沒有突變。為探究隔離裝置對理想曲線的影響，以理想曲線作為輸入計算人體的響應。將電梯的運動學參數代入模型，得到電梯加速度曲線方程。用ADAMS進行編譯，并將其輸入圖中滑動副作為電梯激勵，測量人體加速度和加速度變化率。

2.3 正弦激勵分析

當頻率為1Hz時，人體的位移響應和加速度響應均大于相應的位移激勵和加速度激勵。因為此頻率接近隔離裝置的固有頻率（0.87），產生共振現象。而當頻率為5Hz和10Hz時，人體的位移響應和加速度響應均小于相應的位移激勵和加速度激勵。且隔振裝置對頻率為10Hz的激勵阻隔效果更加明顯。

為進一步探究隔振裝置對不同頻率激勵的阻隔效果，用ADAMS對裝置的幅頻特性進行計算，由計算結果可知隔離裝置對低于固有頻率（0.87）的激勵阻隔作用不明顯，且當激勵源的頻率接近固有頻率（0.87）時，不僅起不到隔振作用，反而會因為共振現象使振動加強；當激勵源的頻率大于1Hz時，隨著頻率的增加，隔離效果會增強。資料表明，人體對振動的敏感頻率為4—8Hz。因此，隔離裝置可以對處于人體敏感頻段的振動有效隔離。

2.4 正弦半波位移沖擊分析

系統輸入為正弦半波位移激勵，其方程為：

仿真結果顯示隔振裝置能夠有效緩和電梯的位移沖擊，可將沖擊波峰值將為原來的16%。對由于電梯運行不穩引起的沖擊有很好的緩和作用，可有效提高使用者的抗沖擊能力。

2.5 理想運行曲線激勵

由理想運行曲線作為系統輸入的仿真結果，可知以拋物線—直線型理想速度曲線運行的電梯在由二次曲線和比例曲線相互過渡及電梯起動和制動時，加速度曲線連續，但其變化率產生了跳變，影響了電梯的舒適性。而緩沖減振裝置上人體速度響應曲線的加速度及其加速度變化率時刻保持連續，因此其舒適性優于以拋物線—直線型理想速度曲線運行的電梯。同時，隔振裝置會使加速度曲線和加速度變化率曲線的峰值增加，這有可能會影響其隔離效果。

3 結論

與通信技術、網絡技術、計算機技術以及控制技術相結合的產物，能夠方便地實現企業內部、行業內部、甚至更大范圍的診斷數據和知識的共享，用車企業界則可以利用它為生產企業研究機構提供寶貴的現場數據，能夠有效地組織異地專家會診等，這樣既解決了車輛使用企業技術力量不足和技術水平提高的問題又有利于研發機構更準確、更有效的獲得車輛運行的第一手資料，通過檢測、分析、性能評估等，為車輛修改結構、優化設計、合理制造及生產過程提供數據和信息，充實理論和技術研究。

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