基于ADAMS/Cable的電梯動力學(xué)仿真研究

楊亦林 郭永波 鐘 星 欒子萱 彭英建

（1.江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，徐州 221000；2.江蘇師范大學(xué)，徐州 221000）

隨著城市垂直運(yùn)輸?shù)哪芰Σ粩嗵岣撸F(xiàn)代大型建筑不斷發(fā)展，促使高層和高速電梯發(fā)揮著越來越重要的作用。于是，高速電梯的安全性和可靠性逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。電梯提升系統(tǒng)的懸垂鋼絲繩的振動和彈性變形及轎廂振動，是影響提升系統(tǒng)安全性和可靠性的主要因素。因此，研究鋼絲繩的振動情況、影響鋼絲繩彈性變形的因素以及改善轎廂的振動問題，對改善電梯的舒適性和安全性具有重要作用。

近年來，相關(guān)學(xué)者針對電梯動力學(xué)模型建立方法展開了豐富的研究。大部分學(xué)者通過仿真軟件建立模型研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。丁振興[1]等利用ADAMS對柔索的虛擬建模做了相關(guān)研究，并提出了利用bushing建立柔索的方法。韓莉莉[2]等分別采用ADAMS軟件開發(fā)的Cable模塊進(jìn)行工程機(jī)械等領(lǐng)域柔索驅(qū)動的振動特性研究，取得了一定成果。吳虎城[3]通過機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS） 建 模仿真，驗證了基于柔性體彈性變形理論建立的提升系統(tǒng)的可行性。它的縱向振動模型可靠性較高，可較好地反映轎廂的振動特性。郭永波[4-5]等利用ADAMS/Cable建立了摩擦提升系統(tǒng)仿真模型，在鋼絲繩張力橫向及縱向振動3個方面驗證了模型，獲得了鋼絲繩卷繞摩擦輪過程中的振動特征和圍包角鋼絲繩各點(diǎn)在任意時間內(nèi)與摩擦輪的接觸摩擦特性，進(jìn)一步證明了ADAMS建模方法的可行性。以上研究證明了利用ADAMS建立高速電梯模型進(jìn)行動力學(xué)分析的可行性。考慮仿真精度和建模時間等問題，本文利用ADAMA/Cable模塊構(gòu)建鋼絲繩曳引系統(tǒng)，建立高速電梯運(yùn)動模型，并對運(yùn)動工況進(jìn)行了仿真。

1 高速電梯動力學(xué)模型構(gòu)建

1.1 電梯動力學(xué)模型構(gòu)建流程

以高層高速電梯為研究對象，利用SolidWorks軟件和ADAMS軟件建立高速電梯模型。高速電梯模型構(gòu)建流程圖如圖1所示。

圖1 高速電梯模型構(gòu)建流程圖

2 建立提升系統(tǒng)仿真模型

2.1 建立實(shí)體模型

電梯基本構(gòu)件由轎廂、曳引系統(tǒng)、轎廂導(dǎo)軌以及對重等組成，在不影響模型質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量以及仿真精度的前提下，根據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行簡化設(shè)計，以減少仿真時間和計算量。

2.2 將實(shí)體和柔性體模型導(dǎo)入ADAMS軟件

通過SolidWorks建立的整機(jī)實(shí)體模型以“x_t”格式導(dǎo)入ADAMS生成剛性體高速電梯模型，但是電梯的模型數(shù)據(jù)將會發(fā)生改變，如構(gòu)件的質(zhì)量、材料以及密度等，因此需要對構(gòu)建的屬性參數(shù)進(jìn)行重新定義。超高速電梯模型建立后需要在構(gòu)件與大地、構(gòu)件與構(gòu)件之間施加對應(yīng)的約束副，主要包括轉(zhuǎn)動副、移動副以及固定副等。此外，需要根據(jù)曳引機(jī)運(yùn)動在對應(yīng)約束副施加驅(qū)動函數(shù)。高速電梯系統(tǒng)模型如圖2所示。動力學(xué)仿真模型如圖3所示。

圖2 高速電梯系統(tǒng)模型

圖3 動力學(xué)仿真模型

2.3 曳引提升系統(tǒng)的搭建

利用ADAMS參數(shù)化集成模塊Cable建立高速電梯的曳引提升系統(tǒng)模型的步驟如下。首先，建立繩索的起始端點(diǎn)。繩索的首尾分別連接轎廂與對重，因此需要設(shè)立兩個錨點(diǎn)。第一個錨點(diǎn)與轎廂相連接，第二個錨點(diǎn)名稱為與對重相連接。其次，建立滑輪。高速電梯動力學(xué)模型中的繩需含有兩個滑輪，分別為曳引輪和導(dǎo)向輪，因此帶輪個數(shù)設(shè)置為2，并在布局中填入之前建立的橫截面屬性名稱。材料頁面可以定義滑輪的質(zhì)量屬性，連接頁面中可以定義滑輪運(yùn)動副。最后，建立繩子的屬性及纏繞順序。纏繞順序選型可以改變繞線的方向。繩索建立方式如圖4所示。

圖4 建立繩索

3 電梯提升系統(tǒng)工況仿真

以某高速電梯為例，高速電梯在整個提升運(yùn)動過程中采用梯形加速度加減速運(yùn)行方式，將其提升過程分為7個階段，即加速度由零增至最大、保持不變、減至零值、勻速、加速度減至最大、保持不變以及增至零值。通過定義每個階段的時長，設(shè)定提升過程最大加速度為1 m·s-2，最大速度為3 m·s-1，最大提升距離為25 m。利用ADAMS軟件可獲得電梯提升上行過程的運(yùn)行狀態(tài)曲線，如圖5～圖7所示。

圖5 電梯運(yùn)行時間-速度圖

圖6 電梯曳引輪運(yùn)行時間-加速度圖

由圖7可知，電梯提升過程中，在勻速運(yùn)行階段，曳引鋼絲繩的水平振動加速度幅值較為平緩，因此轎廂運(yùn)動平穩(wěn)。曳引鋼絲繩的水平振動加速度幅值出現(xiàn)兩次較大波動，分別是電梯初始加速階段和電梯減速階段。由圖7可以看出，減速階段的振動響應(yīng)更為明顯。通過分析電梯的運(yùn)動行程可知，電梯在提升過程中，曳引側(cè)的鋼絲繩長度逐漸減短，導(dǎo)致振動能量增加，直至電梯制動停止。

圖7 鋼絲繩水平振動的加速度時程曲線

4 結(jié)語

本文以高速電梯為建模對象，詳述了高速電梯模型的建立過程，充分發(fā)揮了多剛體動力學(xué)和有限元的優(yōu)勢，通過SolidWorks軟件實(shí)體建模節(jié)省了大量的建模時間。利用ADAMS/cable模塊建立繩索并對其進(jìn)行仿真，得到了復(fù)雜運(yùn)動中的鋼絲繩的振動、彈性變形、轎廂的振動等動力學(xué)參數(shù)曲線，準(zhǔn)確反映了系統(tǒng)運(yùn)動過程和運(yùn)動規(guī)律，提高了計算精度和準(zhǔn)確度，為快速、準(zhǔn)確搭建高速電梯模型提供了依據(jù)。