對(duì)重上拋與回落的過(guò)程探析

張丙印

（上海現(xiàn)代電梯制造有限公司，上海201716）

0 引言

當(dāng)電梯轎廂下行至壓縮轎廂緩沖器時(shí)，對(duì)重會(huì)經(jīng)歷上拋與回落的過(guò)程。而回落過(guò)程中由于沖擊的原因，作用在曳引輪兩側(cè)鋼絲繩的張力與正常運(yùn)行運(yùn)動(dòng)工況有較大的差別。本文主要在力學(xué)建模的基礎(chǔ)上對(duì)對(duì)重回落過(guò)程中作用在曳引輪兩側(cè)鋼絲繩的最大張力進(jìn)行探析，以便為設(shè)計(jì)曳引機(jī)、承重機(jī)架等提供技術(shù)依據(jù)。

以下為解決上述問(wèn)題而進(jìn)行的理論建模及求解過(guò)程，旨在求出由于此過(guò)程產(chǎn)生的曳引輪兩側(cè)的最大張力。

1 求解鋼絲繩的等效質(zhì)量

將鋼絲繩看做一彈簧，如圖1所示，使彈簧一端固定，另一端以速度V運(yùn)動(dòng)，假設(shè)彈簧總質(zhì)量為m，原始長(zhǎng)度為l0，勁度系數(shù)為k，在距離固定端r處取微段dr，微段質(zhì)量dm=mdr/l0，當(dāng)彈簧向下產(chǎn)生位移x時(shí)，該質(zhì)元dm相應(yīng)的位移設(shè)為u，則有x/l0=u/r，即u=rx/l0。

對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得到質(zhì)元dm的速度：

所以質(zhì)元的動(dòng)能dEK為：

因此，該結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量為m/3。

2 轎廂壓縮緩沖器后對(duì)重的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

現(xiàn)以曳引比為1:1，帶補(bǔ)償繩張緊裝置的電梯為模型進(jìn)行分析。轎廂壓縮緩沖器后對(duì)重的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示，此過(guò)程可分為3個(gè)運(yùn)動(dòng)工況。

圖中，P+L為轎廂自重加載重的重力；TC為隨行電纜內(nèi)部張力；Rh為轎廂側(cè)主鋼絲繩重力；VS為轎廂撞擊緩沖器時(shí)的速度；T2為轎廂側(cè)作用在曳引輪上的主鋼絲繩內(nèi)張力；T1為對(duì)重側(cè)作用在曳引輪上的主鋼絲繩內(nèi)張力；W為對(duì)重自重的重力；aW為運(yùn)動(dòng)工況1時(shí)，對(duì)重上行減速時(shí)的減速度；Sa為運(yùn)動(dòng)工況1時(shí)，對(duì)重向上的減速距離；VF為運(yùn)動(dòng)工況1時(shí)，對(duì)重回落后，在拉直（或沖擊）鋼絲繩時(shí)的臨界速度；V0為運(yùn)動(dòng)工況2時(shí)，對(duì)重回落后，在拉動(dòng)轎廂運(yùn)動(dòng)前，此時(shí)對(duì)重的運(yùn)行速度；δ為運(yùn)動(dòng)工況2時(shí)，對(duì)重回落后，在拉動(dòng)轎廂運(yùn)動(dòng)前鋼絲繩的延伸量；x1為運(yùn)動(dòng)工況3時(shí)，對(duì)重的下行移動(dòng)距離；x2為運(yùn)動(dòng)工況3時(shí)，轎廂的上行移動(dòng)距離；RC為對(duì)重側(cè)補(bǔ)償繩的重力；w為補(bǔ)償繩張緊裝置的重力。

圖1 將鋼絲繩簡(jiǎn)化為彈簧

圖2 轎廂壓縮緩沖器后對(duì)重的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

運(yùn)動(dòng)工況1：轎廂壓縮緩沖器后對(duì)重向上減速運(yùn)行，直至速度降低為0 m/s，然后對(duì)重回落至拉直（或沖擊）鋼絲繩時(shí)的狀態(tài)。

運(yùn)動(dòng)工況2：對(duì)重繼續(xù)下行，主鋼絲繩延伸，在拉動(dòng)轎廂運(yùn)動(dòng)前，此時(shí)對(duì)重運(yùn)行速度為V0。

運(yùn)動(dòng)工況3：對(duì)重繼續(xù)下行距離x1，拉動(dòng)轎廂上行的距離為x2。

3 力學(xué)建模分析

3.1 運(yùn)動(dòng)工況1分析

使用整體法求解，因∑F=a∑M，所以對(duì)重側(cè)的減速度為：

式中，a為曳引系數(shù)。

從對(duì)重減速度的表達(dá)式來(lái)看，鋼絲繩越重，該減速度就越小，換言之對(duì)重的沖程就越大。因此，對(duì)重向上的減速距離為：

最終主鋼絲繩松弛部分的長(zhǎng)度為：

式中，SL為主鋼絲繩松弛部分的長(zhǎng)度；h為轎廂緩沖器的壓縮行程。

所以對(duì)重回落后，在拉直（或沖擊）鋼絲繩時(shí)的臨界速度為：

3.2 運(yùn)動(dòng)工況2分析

直到拉動(dòng)轎廂為止，鋼絲繩將持續(xù)被拉伸，此時(shí)拉動(dòng)轎廂的力為：

此時(shí)，鋼絲繩的延伸量為：

式中，k為主鋼絲繩的彈性系數(shù)。

當(dāng)鋼絲繩延伸結(jié)束時(shí)，墜落的對(duì)重的速度將從VF減小至V0，當(dāng)速度達(dá)到V0后鋼絲繩張力進(jìn)一步增加將會(huì)拉動(dòng)轎廂向上運(yùn)動(dòng)。且該過(guò)程中由于彈性產(chǎn)生的勢(shì)能是不能被忽略的，假設(shè)上梁與轎廂繩頭是剛性連接，則對(duì)重的動(dòng)能變化為：

重力勢(shì)能：

彈性勢(shì)能：

由于鋼絲繩在曳引輪上被拖拽產(chǎn)生位移，因此會(huì)有能量損失，摩擦能為：

將彈性勢(shì)能與摩擦能合計(jì)為U′：

將式（2）與式（3）代入式（6）得：

化簡(jiǎn)得：

因在測(cè)試鋼絲繩最大張力過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩的質(zhì)量相對(duì)最大張力不是同一數(shù)量級(jí)，影響很小，因此略去上式中鋼絲繩自重部分得摩擦能：

在運(yùn)動(dòng)工況2開始與結(jié)束的過(guò)程中，能量守恒，則可得：

將式（4）（5）（7）代入式（8）得：

化簡(jiǎn)得：

3.3 運(yùn)動(dòng)工況3分析

對(duì)重繼續(xù)下行距離x1，拉動(dòng)轎廂上行的距離為x2。

主鋼絲繩的張力為：

對(duì)重側(cè)的力學(xué)平衡方程為：

轎廂側(cè)的力學(xué)平衡方程為：

由式（10）得：

由式（10）～（13）可得微分方程：

得到T2的通解式為：

其中：

邊界條件求解：

取邊界條件t=0代入式（14）得：

所以：

根據(jù)式（10）得：

根據(jù)式（14）得：

令：

根據(jù)式（17）～（20），且取t=0，得：

所以：

根據(jù)式（14）得：

其中：

所以：

根據(jù)式（15）（16）（21）（22）（23），即可求得在對(duì)重回落過(guò)程中作用在曳引輪兩側(cè)鋼絲繩的最大張力。

在設(shè)計(jì)曳引機(jī)、承重機(jī)架、鋼絲繩等的過(guò)程中進(jìn)行選型和計(jì)算時(shí)，將上述求得的最大張力作為計(jì)算的條件之一，即可得出所需合適的部件。

4 結(jié)語(yǔ)

本文嘗試?yán)美碚摿W(xué)知識(shí)將由復(fù)雜的轎廂壓縮緩沖器而產(chǎn)生的對(duì)重上拋、停止及回落的過(guò)程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的力學(xué)模型，旨在求出由此產(chǎn)生的鋼絲繩的最大張力，從而為相關(guān)部件的設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)，保證設(shè)計(jì)的合理性。