高層高速電梯振動特性分析

于仁東　木也斯爾·木沙

摘 要：振動是電梯在運行中經常出現的問題，不僅會影響電梯的使用壽命和功能，同時也對人們的生命安全造成一定威脅，因而電梯的振動問題越來越受到人們的廣泛關注。本文首先闡述了電梯基本結構及工作原理，分析了電梯垂直方向振動特性及控制振動的措施，希望對相關研究領域提供借鑒經驗。

關鍵詞：高速電梯；振動特性

我國經濟的快速發展，促進了建筑行業的發展。電梯作為高層建筑中的重要設施，對人們的日常生活產生極大影響。隨著電梯應用比例的增加，人們對乘坐電梯的舒適度提出了更高要求。多種因素都可對電梯的舒適性產生影響，振動是最常見因素，因而需要加強對高層高速電梯振動特性的研究，明確電梯振動的機理，采取有效措施，提高電梯安全系數，減少電梯振動對人們造成的影響。

1.電梯基本結構及工作原理

隨著電梯在高層建筑中應用頻率的增加，電梯的安全問題也越來越受到高度關注，加強電梯運行中的振動特性研究十分重要。電梯設備依附于建筑物，主要由8個系統和4大空間部分組成，即曳引、導向、轎廂、門、重量平衡、電力拖動、電氣控制及安全保護系統和機房、井道與底坑、轎廂及層站部分[1]。

電梯在上下運行時，轎廂與對重是由鋼絲繩連接，在曳引電動機的作用下，曳引輪開始轉動，由于曳引繩和曳引輪之間的摩擦會產生曳引力，因而使轎廂、對重實現了相對的升降運動。曳引機、曳引鋼絲繩及導向輪等構件構成了電梯的曳引系統，鋼絲繩對動力進行傳遞，進而推動電梯上下運行。

2.電梯垂直方向振動特性

2.1電梯垂直震動機理

電梯系統較為復雜，在其垂直運動方向上，曳引繩對動力進行傳遞而產生沖擊力，進而施加給轎廂。曳引機波動、鋼絲繩與補償鏈發生擺動以及導軌產生不平衡的摩擦，都會使電梯垂直方向受到不同的阻力。另外，由于鋼絲繩具有一定收縮性，某些情況下，會產生簡諧震動。針對那些齒輪形式的電梯，由于齒輪之間產生摩擦，會對齒輪造成磨損，齒輪嚙合不穩，最終會導致電梯出現振動。通常情況下，電梯的轎廂和載荷質量都要超過3噸，而鋼絲繩的強度會隨著電梯的運行而發生改變，因而電梯振動時主要具有慣性大、參數變化快及低頻響應等特點。電梯系統較為復雜，多種因素都可以使電梯發生振動。

曳引式電梯具有結構簡單、安全系數高等優勢，因而使其成為了當前使用頻率最高的電梯類型。現階段，曳引電梯主要有兩種傳動結構類型，即 1：1和1：2，也就是單繞和復繞[2]。在對高層高速電梯振動特性進行研究時，往往需要建立起動力學方程數學模型，在實際建模研究中，需要充分考慮高層建筑高速、補償繩擺動及質量等方面的變化情況。

2.2電梯垂直動力學建模

由于電梯類型不同，其振動系統的數學建模也不同。目前在國內，在高層高速電梯通常都會選用單繞式的曳引電梯，因而下文主要對單繞式的電梯機械系統進行建模研究。電梯在垂直方向的動力學建模簡化模型如圖1所示。

圖1 電梯垂直方向的動力學建模簡化模型

可以把電梯機械的振動看成一個受到激勵的單自由度振動系統。轎廂質量M是等效剛度為K的彈性彈簧中的一段，當電梯轎廂上升時，轎廂運動速度會發生改變，進而發生振動，此時的轎廂就是一個振動體，并且會隨著電梯運行速度和機械系統的剛度的變化而發生改變。可以把電梯轎廂下超載橡膠和曳引鋼絲繩看作是一個彈簧，并把轎廂、轎廂架子及轎廂載荷質量看做M。電梯運行過程中，鋼絲剛度會隨著時間的變化而發生改變，此時彈簧剛度K也會發生變化[3]。電梯在運行過程中的加速度a（t）是曳引機的主要振動源，把曳引機的額定運行速度和電梯的運行加速度作為參照系數，可以把曳引機的運行加速度近似成轎廂的運行加速度，從而可以從理論上得到電梯的振動模型。

3.控制電梯振動幅度——優化電梯系統參數

由于曳引電梯產生的激勵源及曳引運動速度的增減，一定程度上會使電梯 振動具有一定規律性。一方面可以調整電梯系統的運行參數，從而使電梯系統的振動頻率降低，另一方面，也可以通過改變電梯自身的固有頻率，從而使電梯轎廂質量發生改變，進而減少電梯振動。在實際應用中，為了對電梯的振動情況進行控制，通常會使用優化電梯系統參數的方法。

多次實驗研究證明，如果電梯轎廂的質量增加，振動幅度也會隨之增大，而如果將電梯曳引鋼絲直徑變大，電梯的振動幅度就會減小；若改變電梯頂層高度，而此時電梯振動幅度則無明顯變化，但是當電梯處于頂層的位置時，電梯振動加速度則沒有明顯改變。由此可以判斷，電梯運行的最大加速度、變化速率等會對電梯的振動特性產生較大的影響，因而想要對電梯的振動情況進行有效控制，可以通過適當調整加速度變化率、最大加速度等參數可以改變電梯運行中激振力振動位移的大小，從而可以得到最小的振動響應。

4.結束語

電梯作為高層建筑中的重要設施，對人們的日常生活產生極大影響。隨著電梯應用比例的增加，在電梯運行過程中出現的振動問題也隨之增加，不僅對電梯的功能和使用壽命造成影響，同時也威脅著人們的生命安全。因而我們要對電梯的振動問題有足夠重視，掌握高層高速電梯振動的特性和規律，加強防范與控制，降低電梯故障率，確保電梯安全平穩運行。

參考文獻：

[1]曹智超.高層高速電梯振動特性研究與實驗[D].中南大學，2012，06（10）：18-19.

[2]尹紀財.中高速電梯曳引系統振動問題的研究[J].蘇州大學，2011，04（01）：11-12.

[3]吳慧.高速曳引電梯的動態特性研究[J].南京航空航天大學，2013，01（01）：9-10.