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，軌道系統的偶然激勵將嚴重影響提升安全和舒適性。現通過模擬仿真的方法研究了電梯系統在沖擊工況下的振動與傳動力學行為特性。結果表明，在電梯緊急制動工況下，鋼絲繩的張力發生大幅跌落，橫向振動幅值增大，摩擦力減弱，滑移速度增大，電梯曳引系統摩擦傳動的穩定性下降。

關鍵詞：電梯；鋼絲繩；沖擊；摩擦傳動

中圖分類號：TU857" " 文獻標志碼：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，人們對電梯運行速度和舒適度提出了更高要求[1]。電梯設備會因曳引力不足、電氣控制系統故障、制動裝置故障等原因發生超速、墜落事故，嚴重威脅乘客的安全。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現上下運行。因此，電梯曳引系統的摩擦傳動穩定性與電梯的安全運行密切相關，開展不同沖擊工況下電梯曳引系統的摩擦傳動可靠性及平穩性研究，建立電梯曳引系統傳動性能與電梯運行參數的相關性模型，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，以求出最佳提升負荷和操作參數，從而保障電梯的摩擦傳動可靠性和驅動平穩性，對豐富提升鋼索摩擦傳動機理，改善電梯曳引系統摩擦傳動性能，提高電梯曳引系統安全性具有重要的理論意義。

國內外許多學者都開展了提升鋼絲繩動力學方面的研究。郭永波[2]從電梯傳動的平穩性、鋼絲繩的動力和摩擦傳動性能等出發，就撓性鋼絲繩的動態摩擦驅動問題進行了探討；張鵬等人[3]通過在周期激勵下鋼絲繩縱向和側向振動，對鋼絲繩周期激勵的動態反應進行研究，可以有效地探測出結構的簡諧激勵反應機制，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，從轎廂與導靴、導靴與導軌、導軌與導軌之間的接觸關系出發，導出了接觸剛度系數，并對導靴和導軌之間的耦合振動進行了較為實際的分析，得到了導向輪導靴與導軌之間的橫向振動響應；曹智超[6]通過在垂直方向上添加激勵源來研究電梯的振動機理，建立了電梯垂直振動的動力學模型，并根據電梯的實際運行情況將電梯曳引系統簡化為彈簧質量模型；郭永波等人[7]采用循環激勵方法，對不同周期的激振頻率進行了縱向激勵試驗，對摩擦力提升系統的非線性動態反應進行了研究，結果表明，橫向振動屬于強迫振動，而縱向振動屬于非規律性的復合振動。

由上文所述可知，各專家學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道。因此，本文通過對電梯曳引系統進行建模仿真，對曳引輪施加力、對轎廂施加外部激勵來模擬沖擊工況，研究在沖擊工況下高速電梯鋼絲繩的摩擦傳動行為。

1" " 電梯系統模型

為研究電梯曳引系統的動力摩擦驅動特性，將其與電梯曳引系統的摩擦性能、安全可靠度相結合，對電梯曳引系統的動力響應狀態、動力摩擦驅動可靠性及穩定性進行研究，選擇某電梯曳引系統進行建模。

1.1" " 實際電梯系統

選擇的某電梯曳引提升系統為曳引式1：1電梯結構，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的一些主要參數。

1.2" " 電梯系統仿真模型

1.2.1" " 模型簡化

采用Adams/Cable對該電梯進行了動態模擬，該模型將提升側和下行側的鋼絲繩動力，鋼絲繩與曳引輪、導向輪的耦合作為一個整體進行了建模。導向輪和曳引輪采用統一材質，繩槽形狀符合要求，不存在圓度偏差；實際的電梯曳引系統是由6根鋼絲繩聯合支撐，在模型中僅設置一條鋼絲繩，其承載力為原負載的1/6，如圖2所示。

1.2.2" " 參數設置

電梯曳引提升系統中曳引輪與導向輪相關參數如表2所示。

2" " 結果分析

在電梯曳引提升系統緊急制動過程中，由抱閘機構向曳引輪施加力使其迅速停止，為模擬制動工況，添加驅動函數，在勻速階段使曳引系統迅速停止。

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，制動發生在電梯提升的第8秒，制動時間共用時為1 s，其速度從2 m/s迅速降為0 m/s。

從圖中可以看出，當曳引輪突然停止運動時，鋼絲繩的張力發生跌落，其跌落幅值為8 900 N，達到制動前平均張力的47.98%，小幅波動后發生回彈，增幅較大，達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示出了不同制動時間下鋼絲繩與曳引輪之間的滑移速度，可以看出，制動時繩輪間產生明顯的打滑，制動時間越短，滑移速度峰值越大。摩擦式提升系統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生在加速段，最大滑移值為0.03 m/s，而制動時滑移速度可達正常值的32～33倍。制動沖擊過后鋼絲繩與摩擦輪滑移速度恢復原始狀態值，說明鋼絲繩與摩擦輪沒有發生持續滑動，表明摩擦系數足夠，制動有效。

圖5示出了不同制動時間下鋼絲繩的橫、縱向振動。通過對比可以看出，隨著制動時間的增加，制動越發平穩，制動時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致鋼絲繩與曳引輪之間出現打滑現象，進而影響電梯運行的穩定性。

3" " 結束語

鋼絲繩的離散建模對電梯曳引系統的摩擦傳動穩定性的研究有著重要影響，本文建立了曳引比為1：1的動力學振動模型，對電梯曳引系統的虛擬模型的摩擦傳動特性進行了分析。通過對電梯曳引系統的制動工況進行仿真分析，得到了電梯曳引系統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的摩擦傳動行為規律，從而為提高電梯曳引系統的摩擦傳動穩定性提供了基礎。

[參考文獻]

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

[2] 郭永波.柔性鋼絲繩的動態摩擦傳動理論建模及實驗研究[D].徐州：中國礦業大學，2018.

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

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

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

[6] 曹智超.高層高速電梯振動特性研究與實驗[D].長沙：中南大學，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。