（机械电子工程专业论文）基于虚拟样机技术的高速电梯系统动态特性仿真研究.pdf

硕f j 学位论文 摘要 随着中国城市化进程加快、人们生活水平的提高以及高层建筑的增加，高 速电梯在人们的生活、工作中日益发挥着重要作用。功能性、安全性和舒适性是 电梯品质的三大要素，电梯的振动是影响其舒适性最主要的因素。目前，国内外 电梯在功能性和安全性等方面的技术已经日臻完善，而舒适性要求却成为制约电 梯发展的瓶颈。长期以来，国内电梯整机的设计方法主要是以常规的静态设计为 主，动态仿真技术研究也只局限于电梯某一部件或某一功能，还没有应用于高速 电梯整机系统设计研究。 本文以广东台日电梯有限公司的“4 o m s 高速电梯系统开发研究项目为背 景，针对高速电梯系统结构设计及动态特性分析研究现状，将层次分析法与虚拟 样机技术引入到高速电梯系统整机设计与分析中，为电梯设计丌发流程提供了可 视化的手段。论文主要研究工作包括： 1 针对实际工程中井道过于狭窄，不便于电梯整机设计布局的问题，将层次 分析法与模糊偏好法引入到高速电梯整机系统设计方案评估中，对高速电梯系统 整机结构设计方案及井道空间布局方案进行评估与优选，最后确定将轿架与轿厢 成4 5 0 倾斜放置。 2 针对高速电梯系统零件繁多及轿厢、轿架结构非标准化的特点，采用三维 设计软件p r o e 代替二维设计软件a u t o c a d 进行三维建模及二维零件图纸设计， 保证了复杂零件参数化的稳定性、正确性和通用性，实现了物理样机建模的快速 性与简便性。 3 针对钢丝绳的变刚度及其力学难以模拟的问题，研究了在a d a m s 环境 中对钢丝绳进行建模的方法，采用轴套力建模方法将钢丝绳离散化为很多段圆柱 体，在相邻两段圆柱体问添加轴套力来模拟钢丝绳的力学性能。 4 基于虚拟样机技术，以a d a m s 软件为平台，通过m e c h p r o 将在三维 造型软件p r o e 中建立的高速电梯系统部分模型导入到a d a m s 中，并将钢丝绳 模型与电梯模型进行装配，对各个部件施加相应的约束和载荷，建立起高速电梯 整机系统虚拟样机模型。 5 采用理论分析与计算机仿真相结合的方法，对高速电梯整机系统动力学建 模与分析、动力学参数优化等方面进行了系统研究；对样机的水平振动与垂直振 动进行了仿真分析，实现了高速电梯在加速起动、匀速运行及减速制动过程中的 动态特性仿真，为高速电梯系统的设计提供了依据。 分析结果表明：本文建立的高速电梯虚拟样机模型和设置的仿真参数正确， i i 基十虚拟样机技术的高速咆梯整机系统动态特性仿真研究 仿真分析结果与实际工况基本相符，较真实地反映了高速电梯系统的动态特性。 本文研究成果为高速电梯整机系统分析与设计提供了有效的途径。 关键词：虚拟样机；高速电梯；a d a m s ；动态特性 i i i 硕i j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h eu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i v i n gc o n d i t i o n sa n dt h ei n c r e a s eo fh i g h - r i s eb u i l d i n g si nc h i n a ，t h eh i g h - s p e e d e l e v a t o r sh a v ep l a y e da nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nc i t i z e n l i f e t h e f u n c t i o n a l i t y ，s e c u r i t ya n dc o m f o r t a b l e n e s sa r et h et h r e ee s s e n t i a lf a c t o r sw h i c ha f f e c t a ne l e v a t o rq u a l i t ya n dt h ev i b r a t i o no fa ne l e v a t o ri st h em o s tp r i m a r yf a c t o rw h i c h a f f e c t si t sc o m f o r t a b l e n e s s a tp r e s e n t ，t h ee l e v a t o rt e c h n o l o g yi nt h ef i e l d so f f u n c t i o n a l i t ya n ds e c u r i t ye t ch a v ea l r e a d yb e c o m em o r ep e r f e c td a yb yd a y ，b u tt h e c o m f o r t a b l e n e s sd e m a n d sb e c o m et h eb o t t l e n e c kt h a tr e s t r a i n st h ed e v e l o p m e n to f e l e v a t o r sa th o m ea n da b r o a d f o ral o n gt i m e ，t h ed e s i g nm e t h o do fe l e v a t o r si ss t a t i c d e s i g n ，a n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nr e s e a r c hi sl i m i t e dt os o m ep a r t so rf u n c t i o n so f a ne l e v a t o r ，b u ti th a sn o tb e e na p p l i e dt ot h eh i g h s p e e de l e v a t o rs y s t e m t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c to f “t h er e s e a r c ho f4 o m s h i g h - s p e e d e l e v a t o r ”h e l db yg u a n g d o n gt a i r ie l e v a t o rl i m i t e dc o m p a n y b a s e d0 nt h es t a t u s q u oo ft h eh i g h - s p e e de l e v a t o r s s t r u c t u r a ld e s i g na n dd y n a m i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h ， t h et h e s i si n t r o d u c e st h ea n a l y t i c a lh i e r a r c h i c a lp r o c e s sa n dt h ev i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yi n t ot h ed e s i g na n da n a l y s i so fh i g h - s p e e de l e v a t o rs y s t e m ，t h u sp r o v i d e sa m e a n so fv i s u a l i z a t i o no ft h ed e s i g np r o c e s so fe l e v a t o r s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h et h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 。a i m e da tt h ep r o b l e mt h a tt h el i f tw e l li st o on a r r o wi nt h ep r o j e c ts ot h a ti ti s d i f f i c u l tt om a k eal a y o u tf o rt h ee l e v a t o rs y s t e ma n di no r d e rt og e tt h eo p t i m i z a t i o n o ft h es t r u c t u r ed e s i g ns h a f t sa n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fh i g h - s p e e de l e v a t o r s y s t e m ，b o t ht h ea n a l y t i c a lh i e r a r c h i c a lp r o c e s sa n dt h ef u z z yp r e f e r e n c ep r o c e s sa r e a p p l i e dt oe v a l u a t et h ed e s i g ns c h e m eo ft h eh i g h - s p e e de l e v a t o rs y s t e m ，i nt h i sw a y ， t h ea n g l eo ft h ec a rf r a m ea n dt h ec a rp l a t f o r ms i l li sf i x e do n4 5d e g r e e s 2 a i m e da tt h ep r o b l e mt h a tt h ep a r t so fh i g h s p e e de l e v a t o rs y s t e mi sn u m e r o u s ， m o r e o v e r , t h ec a rp l a t f o r ms i l la n dt h ec a rf r a m ea r en o n s t a n d a r ds t r u c t u r a le l e m e n t s ， t h i st h e s i su s e s t h r e e d i m e n s i o n a l d e s i g n s o f t w a r ep r o e s u b s t i t u t i n g f o r t w o d i m e n s i o ns o f t w a r ea u t o c a dt ob u i l dt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e la n dt h e t w o - d i m e n s i o n a ld r a w i n g s ，t h u si tc a ne n s u r e st h a tt h ep a r a m e t e r i z a t i o n so fc o m p l e x p a r t sa r es t a b l e ，a c c u r a t ea n du n i v e r s a la n dm a k et h ep r o c e s so fb u il d i n gp h y s i c a l m o d e lf a s ta n de a s y 3 a i m e da tt h ep r o b l e mt h a tt h es t e e lr o p ei so fv a r i a b l es t i f f n e s sa n dt h e i v 基于虚拟样机技术的商速i u 梯棒机系统动态特件仿真研究 d y n a m i c a lp e r f o r m a n c ei sd if f i c u l tt ob es i m u l a t e d ，t h i st h e s i ss t u d i e st h em e t h o do f b u i l d i n gs t e e lr o p ew i t ht h eb u s h i n gi na d a m s s o f t w a r e t h em e t h o ds i m u l a t e st h e d y n a m i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es t e e lr o p eb ys e p a r a t i n gar o p ei n t ol o t so fc y l i n d e r s a n da d d i n gb u s h i n gf o r c eb e t w e e ne a c ha d j a c e n t i n t e rc y l i n d e r 4 a i m e da tt h et e c h n i q u eo fv i r t u a lp r o t o t y p ea n dt h ep l a t f o r mo fs o f t w a r eo f a d a m s ，t h i st h e s i se x p o r t sp a r t so ft h em o d e l so fh i g h s p e e de l e v a t o rs y s t e mc r e a t e d i nt h et h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o et ot h es o f t w a r eo fa d a msb yt h es o f t w a r eo f m e c h p r oa n dt h e na s s e m b l e st h em o d e l so fs t e e l r o p e st ot h ee l e v a t o rs y s t e m ， f i n a l l yt h ec o r r e s p o n d i n gr e s t r i c t i o n sa n dl o a da r ei m p o s e do nv a r i o u sr e s p e c t i v e c o m p o n e n t s ，t h u st h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo fh i g h - s p e e de l e v a t o rs y s t e mi s e s t a b l i s h e d 5 t h ed y n a m i cm o d e la n da n a l y s i sm e t h o d so fh i g h s p e e de l e v a t o rs y s t e ma r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e so fd y n a m i c sp a r a m e t e r sa r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yb yc o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n b ym a k i n g s i m u l a t i o ns t u d y i n go ft h eh o r i z o n t a lv i b r a t i o na n dv e r t i c a lv i b r a t i o no ft h ev i r t u a l p r o t o t y p e ，t h et h e s i sa c h i e v e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e de l e v a t o r s y s t e md u r i n g i t sa c c e l e r a t e dm o t i o n ，c o n s t a n tv e l o c i t ym o t i o na n dd e c e l e r a t e d m o t i o n ，w h i c hc a np r o v i d eab a s i sf o rt h ed e s i g no ft h eh i g h s p e e de l e v a t o rc o m p l e t e m a c h i n es y s t e m a n a l y t i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e la n dt h es i m u l a t i o n p a r a m e t e r s a r er e a s o n a b l ei nt h i st h e s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l ta c c o r d sw i t ht h e p r a c t i c ea p p r o x i m a t e l y ，w h i c hr e f l e c t st h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - s p e e d e l e v a t o rs y s t e mt r u l y t h er e s e a r c hp r o v i d e sau s e f u lw a yo ft h ea n a l y s i sa n dd e s i g n f o rh i g h - s p e e de l e v a t o rc o m p l e t em a c h i n es y s t e m s k e yw o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p i n g ；h i g h s p e e de l e v a t o r ；a d a m s ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：靴日期：力刁年厂月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：靴 刷帷呵& r z , ，1 1 1 日期：y 勺年r 月缈日 日期2 加7 年，日y 日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着经济社会的高度发展，城市人口的分布也变得越来越密集，人们对空间 的需求也越来越大，但是城市的生存空间十分有限。为了更加充分地利用有限的 空间资源，现代城市规划者已经越来越多地把目光投向建造高层、超高层建筑。 目前，许多国家计划建造超高层建筑，即指1o o 层( 高4 5 0 m ) 左右，甚至是5 0 0 m 以上的高楼。电梯毫无疑问成为其工程最理想的运输工具。作为垂直运输交通工 具的电梯不仅是人们代步的工具，同时也是人类物质文明发展的一种标志。据资 料统计，世界各国电梯年增长量19 9 6 年为13 5 ) j 台，而l9 9 8 年竞达到了2 1 6 万台。 目前，世界各国拥有的电梯数量已经达至u 6 4 3 1 台百万人。在城市化水平越高， 高层、超高层建筑分布越稠密的地区，电梯的使用频率越高。当今世界，电梯的 使用量已成为衡量现代化程度的标志之一心1 。随着超高层建筑的增多，对电梯各 种性能，特别是对其速度、容量等提出了更高的要求。 据统计，美国每天乘坐电梯的人次多于乘坐其它交通工具的人数。据2 0 0 2 年 统计，我国已成为世界电梯最大的生产和需求国。2 0 6 6 年度报检新梯16 8 万台， 2 0 0 7 年度报检新梯数2 1 7 万台。2 0 0 6 年起，电梯出口首次超过进口，2 0 0 6 年度进 口电梯5 2 6 9 台，出口电梯2 2 4 3 7 台。至2 0 0 7 年底，国内共有电梯生产厂家4 7 9 家， 其中奥的斯、三菱、同立、东芝、蒂森、通力等约十来家( 行内统称一线品牌) 均为国外进口品牌，其共性为国外控股、投资规模大、设备先进，占领了国内电 梯市场约四分之三，其余约五万多台被国内4 0 0 多家电梯厂分享，平均每个厂家的 年市场份额也就10 0 多台，出口数量也是上述十来个进口品牌占据了绝大部分。 功能性、安全性和舒适性是电梯品质的三大要素，电梯的振动是影响其舒适 性最主要的因素。目前，国内外电梯在功能性和安全性等方面的技术已经日益完 善，而舒适性要求却成为制约电梯发展的技术难题。早在6 0 年代，世界上最大的 电梯公司一美国o t i s 电梯公司就开发出了8 m s 的高速电梯。到目前为止，o t i s 公司、日本三菱公司等都已生产出了l o m s 以上的超高速电梯。2 0 0 3 年1 1 月，东 芝电梯公司在台北l o l 大楼安装了运行速度达1 6 8 m s 的高速电梯。而国内4 0 0 多家电梯厂家都没有超过2 5 m s 的电梯推出市场，也无人进行高速电梯方面的研 究工作，电梯产品在动态性能、舒适感等方面都无法与进口电梯相比。国内生产 厂家生产一台1 7 5 m s 运行速度，2 0 2 0 2 0 层站的电梯市场价格也就2 0 万左右， 台4 0 4 0 4 0 层站，运行速度4 0 m s 的进口电梯，售价达2 0 0 万元左右，而成本增 拱十j 疆拟样机技术的，岛速j 【l 梯搀机系统动态特性仿真研究 加也不会超过中低速电梯的一倍。目前国内由于土地资源枯竭，3 0 层以上的建筑 越来越多，高速电梯的市场需求量也愈来愈大。因此丌展高速电梯的研究，铸造 民族品牌的高速电梯已成为目前国内电梯行业亟待解决的问题。事实上，国内对 于中高档电梯的需求，多是依赖进口。 2 0 0 4 年春季，课题组曾对沪杭地区2 0 0 余家使用单位的4 6 台电梯进行了动态特 性测试，测试对象覆盖了上海三菱、上海东芝、广州同立、广州通力、天津奥的 斯、苏州迅达等主要品牌的不同载重、不同速度的电梯。通过调查发现，国内企 业主要重视电梯的安全性和功能性，生产的电梯在动态特性方面与国外同类电梯 相比，还具有比较大的差距。在垂直振动方面，很多电梯的垂直振动加速度值超 标或者只能达到国标要求的最低标准；由于国内电梯的运行速度普遍比较低，水 平振动加速度值一般都比较低，符合电梯行业标准。 高速电梯系统在运行的过程中主要受到钢丝绳的牵引力、导轨接头冲击等激 励的作用。轿厢、轿架等部件在激励下发生横向与纵向的振动，极大地影响电梯 的舒适性，严重时会造成电梯运行失效，对安全性能构成威胁。目前，国内行业 在电梯结构安全设计时，大多依据五种强度理论进行静强度计算。这种设计方法 将载荷、材料寿命、应力分布特别是应力集中全包含在一个数字安全系数中，导 致设计的产品可能出现宏观保守而局部危险。从动态观点看，强度失效与疲劳断 裂都是与整个载荷时间历程相关联的。随着高速电梯的发展，动态特性研究已经 提到同程上来。通过动态性能分析，合理选择结构参数，可以保证高速电梯在激 励作用下运行平稳可靠。 目前，国内学者对于电梯动态特性的研究多侧重于低速、中速电梯，且研究 对象多为电梯系统中某个部件或针对于某一功能，没有作过高速电梯系统的整机 动态特性分析；电梯在高速运行过程中产生过大的机械振动和冲击会影响电梯的 工作性能，对其曳引系统产生附加动载荷，从而缩短电梯的使用寿命；强烈的振 动还会影响电梯轿厢上仪器仪表的j 下常工作，缩短精密仪器的寿命，严重影响其 精度，使电梯不能平层到位，导致安全事故发生；振动以及振动产生的噪音还会 影响乘客的舒适感和健康，从而影响电梯企业的品牌和信誉。国内电梯生产厂家 多依赖于进口，或零部件组装，在电梯理论分析上，也都停留在保守的经验设计 上，更谈不上对高速、超高速电梯整机系统进行动态特性分析。国外高档电梯如： 三菱、日立、奥的斯等知名品牌，对高速、超高速电梯的动态特性作了深入的分 析，但出于技术保护，其核心技术一直未曾对外公布。 电梯主要分为曳引电梯和液压电梯两大类。液压电梯由于受提升高度的制约， 在高层、超高层建筑中的应用受到很大限制；曳引电梯是目前国内外高层建筑中 采用的主要梯型。因此，本文针对曳引电梯进行动力学建模与仿真分析、在此基 础上进行电梯动态优化设计，研究工作对于提高电梯的动态性能和品质具有重要 硕f j 学位论文 的意义。 1 2电梯概述 1 2 1电梯的发展历程 电梯技术的发展可分为两个阶段：第一阶段是电梯技术发展的雏形阶段，第 二阶段是现代电梯技术的高速发展阶段。 追溯电梯发展的起源，在我国及国外历史中都能找到其雏形。如我国古代出 现的桔槔、辘轳，是一种用于提水或提升重物的升降装置。在古代希腊出现的阿 基米德绞车，是一种提升重物的升降装置。古埃及为了建筑当时的金字塔，曾使 用过由人力驱动的升降机械进行材料运输n 1 。这些古老的、最简单的升降机械构 件的共同特点是都是由支架、卷筒、绳索、摇杆等部件组成，靠人力或畜力驱动 在很低速度下运行。 现代电梯技术得以快速发展的根本原因在于采用了电力作为动力驱动。l8 5 8 年美国制造商奥的斯发明了安全装置和以蒸汽机为动力的载人升降机。18 8 0 年德 国最早出现了用电力拖动的升降机。o t i s 电梯公司19 0 3 年推出曳引式电梯，曳引 式电梯克服了提升高度、载重方面的限制和安全运行方面的缺陷，为现代电梯的 发展奠定了基础。自19 0 7 年美国奥的斯公司在上海安装我国的第一台电梯以来， 至2 0 0 2 年中国已发展到拥有各种外资、中资整机生产公司2 0 0 多家，以及大量的电 梯配件生产企业，年产量在6 万台以上1 。 电梯技术经过一百多年的发展，逐渐形成了世界三大系列电梯技术：美国技 术、欧洲技术和亚洲技术。美国电梯技术以o t i s 电梯技术为主，美国技术始终处 于世界领先水平，但它对这些先进技术采取保守态度，只将中、上等水平技术推 广于世，从没有将最先进的电梯技术在世界各国应用。欧洲电梯技术是国际上应 用最广的电梯技术。在全球范围内，欧洲电梯技术以其电梯耐用而著称，电梯寿 命一般为2 5 年：加上欧洲人比美国人市场先导性强，所以在全球进行技术合资合 作，使欧洲电梯技术成为国际通用技术的主导，同时欧洲电梯标准也成为国际电 梯行业标准。亚洲电梯技术是以日本为主导的电梯技术。由于对用户心理掌握得 比较好，日本电梯以其舒适性好而闻名于世。但是日本电梯企业同样出于自身利 益考虑，缩减成本、追求利益最大化，虽然电梯舒适感好，但电梯寿命只有欧洲 电梯寿命的6 0 ，保证使用寿命也只有1 5 年。 根据资料分析，未来电梯将向高速化、智能化、人性化和舒适化方向发展h 1 。 1 2 2 电梯的构成与分类 电梯( e l e v a t o r ，l i f t ) 是服务于固定楼层的固定升降设备。由位于楼层顶部 的曳引机通过钢丝绳提升轿厢，来达到垂直运送乘客的目的，而曳引机另一侧的 桀一j ：虚拟样机技术的门速l u 梯整机系统功态特性仿真研究 对重则起到了平衡轿厢的作用。导轨和导轮一方面为轿厢和对重垂直运动起导向 作用，另一方面限制轿厢和对重在水平方向的移动，减少由于轿厢偏载而产生的 倾斜。为了提高乘客电梯舒适性，在轿厢、轿架和钢丝绳之间，以及曳引机和底 座之间都装有弹性元件，以达到减少振动的目的。轿厢和轿架之间用橡胶块连接； 钢丝绳则通过绳头弹簧与轿架相连。曳引机与底座之间也嵌有橡胶块，用来隔离 曳引机的振动。轿架和导轨之间通过滑动或滚动导靴连接，导轮或导靴利用弹簧 紧贴在导轨上，使轿厢沿着导轨在电梯并道上下运行。 1 电梯结构的构成 电梯是一种较为复杂的机电一体化设备。它由众多机械构件，电子、电气元 件、大规模集成电路组成的微型计算机系统，以及声、光控制部件等组成。许多 高科技产品都在电梯上得到广泛应用。人们通常将电梯从功能角度分为电梯机房、 电梯井道、电梯轿厢和电梯层站等四大部分。电梯系统结构如图1 1 所示。 t 一乏陡一二二： l li 左秘圆心逻、 飞 夸藤迪嗡删逸、 j k 气蛰湃偷下谰 6 一一目3 辚髅吲以 b 多fl k 越 l 饥 房 p ，o 。= ：= = 一。：j ；k辩嘏 燎l 、裂 予 氅骧 ， 、，7 d l ： 1 、 弦 ( 一j ， 、 _ 苣 f ， j 、 蹄南r 墨 i l s - i 。 o 一。、1 朦i l 。， i ，一，一一、 、 l i ：、l ! 嚆 l 埘 镐 髟 m 矿 一 戋 2 6 卜菲夕 萝乡 6 一 一一一2 5 二 井。4 _ ? 墨 酉 圹 绣 迮 ! ， ! 层 趁矿 洁i 一 譬 ； ，删- 一夕 _ 型 一， 砻i 1 9 爿罐墅1 】，：i f 。盛 硕i ：学位论史 图中各部件为：1 减速箱；2 曳引轮；3 曳引机底座；4 导向轮：5 一限速器； 6 一 机座；7 导轨支架；8 曳引钢丝绳；9 开关碰铁；1 0 一紧急终端开关；1 1 导靴；1 2 轿架：1 3 一轿门；1 4 安全钳；1 5 导轨：1 6 绳头组合；1 7 对重；1 8 一补偿链；1 9 一 补偿链导轮；2 0 张紧装置；2 1 缓冲器；2 2 一底坑；2 3 层门；2 4 一呼梯盒；2 5 层楼 指示灯；2 6 一随行电缆；2 7 轿壁；2 8 轿内操纵箱；2 9 开门机；3 0 井道传感器； 3 1 电源开关；3 2 控制柜；3 3 曳引电机；3 4 制动器 电梯机房一般都设置在电梯井道顶部。机房内安有曳引机、导向轮、极限开 关、电源控制盒等主要设备。 电梯井道是指电梯上行、下行的空间，在此间命置了导轨、导靴、缓冲器、 随行电缆、补偿装置、限速张紧装置、隔磁板、对重装置等主要部件。 电梯轿厢是电梯中装载乘客或货物的金属结构体，由上下四组导靴导向沿导 轨作垂直升降运动。它由轿架、轿厢体( 包括轿厢底、轿厢壁、轿厢顶、轿门和 轿厢操纵面板) 、自动开门机、安全钳装置、平层感应装置和超载与称重装置等部 件组成。 电梯层站部分位于各层厅外，包括电梯层门、召唤按钮、楼层显示和消防开 关( 一般设在消防电梯的基站) 等部件组成。 2 电梯的分类 电梯的分类方法有多种，常见的有按电梯用途分类、按曳引机电动机的供电 电源分类、按有无蜗轮减速器分类、按驱动方式分类、按曳引机房的位置分类、 按拖动方式分类和按运行速度分类。对于本文研究对象高速电梯而言，主要按有 无蜗轮减速器和按运行速度分类。 有蜗轮减速器的电梯，曳引轮的转速与电动机的转速不相等，中间有蜗轮一 蜗杆减速箱或齿轮减速箱。对于这类电梯，要求电动机有提供低转速、大转矩的 能力。近年来由于永磁材料和永磁电机技术的进步以及电子技术和控制技术的发 展，永磁同步无齿轮曳引电梯越来越受到国内外电梯行业的普遍重视。永磁同步 无齿轮曳引电梯同传统的电梯相比，具有结构简单紧凑、低能耗、低噪声、安全 可靠等优点。 电梯按运行速度分类可分为低速电梯、中速电梯、高速电梯、超高速电梯四 类。 ( 1 ) 低速电梯：电梯运行速度v l m s ，货梯的运行速度多在这个速度区间。 ( 2 ) 中速电梯：电梯运行速度l m s v 2 m s ，多层( 15 层以内) 客梯及住 宅电梯运行速度多在此速度区间内。 ( 3 ) 高速电梯：电梯运行速度2 m s v 4 m s ，一般用于高层写字楼。 ( 4 ) 超高速电梯：电梯运行速度v 4 m s ，用于实行了分区控制的高层建筑。 基十虚拟样机技术的，：i 速i u 梯整机系统动态特障仿真研究 电梯的运行速度选择与电梯在大楼内的提升高度有密切关联，针对写字楼使 用的电梯，电梯速度参考数据如表1 1 所示睛6 。： 表1 1 电梯运行速度选择与提升高度的关系 提升高度( m )电梯速度( m s ) 7 5 9 0 1 1 0 1 3 0 1 3 0 1 7 5 2 5 3 0 4 0 4 0 1 3 电梯动力学研究现状 类似汽车的平面运动，电梯是一个机电一体化垂直运动的运载设备。电梯的 振动主要是电梯轿厢沿井道方向的垂直振动和沿水平平面上的横向振动。电梯系 统的振动与机房控制系统、曳引系统、导向系统、质量补偿系统以及电梯的载荷 分布等有着密切的关系。对电梯的运行过程进行整机动态特性分析研究是保证电 梯平稳运行的关键。目前国内厂家生产运行速度2 0 m s 以下的电梯，都是按部件 设计生产出厂，现场组装的产品，未对电梯整机进行系统的研究设计，更没有对 其进行动态特性分析研究，大多数国内厂家甚至连系统研究( 整机设计) 和动态 设计的概念都不知道或不清楚。在零部件技术水平的提高和市场国际化的大环境 下，这类中低速产品尚可维持基本的使用要求，但运行速度上升至2 0 m s 以上时， 系统整机研究设计和动态特性分析就成为电梯产品设计中的关键技术。为保证电 梯运行效率，我国电梯行业标准规定( 等同予欧洲标准) ，起动加速和制动减速 过程中平均加速度、减速度不应小于0 4 8 m s 2 。如果不对高速电梯进行整机系统 研究和动态特性分析，电梯在高速起动、制动和匀速运行状态下将产生剧烈的振 动、抖动和噪声，严重影响电梯的整体舒适性。 国内一线品牌和国外大型的电梯企业都具有自己独立的科研机构，产品不断 更新。另一方面，只要是他们推出市场的产品，都经过产品系统设计研究( 整机 设计研究) 一图纸设计一动态特性分析模型制造一试验塔调试一调整设计参数 一再试验，直到作为定型产品推出市场这样一个过程。在这个过程中进行动态特 性分析对容易出现故障的零部件进行改进，有效地提高了产品的可靠性，大大降 低了产品的故障率，这也是为什么一线品牌和进口电梯性能稳定、可靠性高的主 要原因。 顾十学位论文 1 3 1 电梯的垂直振动分析研究 电梯系统垂直方向的振动主要是通过曳引绳( 钢丝绳或钢带) 向轿厢传递的， 曳引机输出力矩的波动，以及曳引轮、轿顶轮、对重轮和张紧轮的偏心是垂直振 动的主要振源。实际测试表明盯1 ，电梯的垂直振动具有很强的谐波性，与电梯系 统的某些低阶固有振动具有密切的联系。目前国内外科技工作者对电梯的垂直振 动建模与分析方法研究比较多，已形成了许多成熟的理论和实际应用成果。 湖南大学的于德介、陈炳炎等人阳叫利用拉格朗同方程建立了1 ：l 的电梯系 统7 自由度振动模型，针对电梯动力学模型参数为时变参数的特点，采用运动弹性 动力学方法分析计算电梯动力学响应，并提出了一种基于实测系统固有频率的电 梯动力学模型修j 下方法，对湖南益阳电梯总厂生产的t k j t l0 0 0 1 6 - j x p c 型电梯 进行了动力学建模、修正与动力学响应分析，取得了令人满意的结果。在此基础 上，他们还提出了一种以降低轿厢最大振动加速度幅值为目标的动态特性优化方 法，并编制了f o r t r a n 计算程序。浙江工业大学的张聚、杨庆华等人n 2 叫副在l ：l 电 梯系统7 自由度振动模型的基础上，对电梯的整个运行过程进行离散化分析，把原 来的时变系统模型转化为一系列的时不变瞬时系统进行数值求解，取得了理想效 果。上海交大的王印辉等人n 刚针对杭州西子电梯的2 ：1 曳引系统建立了8 自由度 振动模型，应用m a t l a b 平台分析电梯系统模型的频率特性及频率特性与电梯参数 之间的关系。北京科技大学的雷鹏等人n 7 1 根据建立的电梯实验台，应用m a t l a b 软 件对电梯系统进行建模与仿真，研究通过其幅值谱特性来调整控制系统，达到改 进电梯动态性能的目的。上海交大的郑延军等人n8 1 9 1 建立了曳引电梯1 ：1 的系统 垂直振动和水平振动模型，在此基础上利用c 语言开发了一个电梯动态性能分析 软件，并利用该软件对三菱公司某型号电梯进行了分析计算和动态性能评价。 英国k n a i 心叽川等人认为一个高速电梯的动力学系统可以分为互相耦合的三 个部分：第一部分是电气驱动系统，主要是曳引轮转速的闭环控制系统；第二部 分是绳索( 曳引绳、补偿绳) 以及通过它们连接的质量系统，这一系统的力学特 性依赖于电梯在井道中的具体位置；最后一部分是轿厢与轿架之问的隔振系统。 绳索对于整个电梯动力学特性是至关重要的，因为它极大地影响到电梯的共振特 性和对不同频率成分的振动的传递率。建立高速电梯系统的动力学模型的难点在 于，绳索的质量是不可忽略的，并且各部分的质量和刚度随电梯在井道中的具体 位置而变化。k n a i 等人据此建立了一个10 自由度力学模型，推导了系统的动力 学方程，并以实际实验证明了该模型的有效性。 从国内外的现有文献资料来看，大多数研究工作主要是针对某一特定型号电 梯作特定的研究分析，没有系统地考虑不同结构形式的电梯在建模时的差异，也 没有建立完善的整机模型进行分析；国内的研究工作者都没有考虑曳引绳、补偿 堆十虚拟样机技术的高速j u 梯格机系统动态特性仿真究 系统的质量与弹性特性，这可能与我国电梯运行速度较低、提升高度不大有关。 1 3 2 电梯的水平振动分析研究 电梯系统的水平振动和垂直振动都是影响电梯动念舒适性的重要因素。目f j ， 国内外对于电梯系统振动的研究多侧重于其垂直振动，而对于水平振动的研究却 相对较少。这一方面是因为电梯系统水平振动与电梯的传动形式、结构和运动参 数、导向系统特性有密切关系，水平振动机理比较复杂，建模比较困难；另一方 面，对于应用比较广泛的中速、低速电梯，水平振动对电梯动态特性的影响远远 没有垂直振动的影响大，在某种程度上可以不对其水平振动进行分析。不过随着 电梯运行速度的提高，水平振动对于电梯性能的影u 向越来越显著。因此，对于高 速、超高速电梯，电梯系统的水平振动是不容忽视的。 导轨是电梯系统水平振动的主要激励源2 1 。导轨对电梯的激励主要来自两个 方面：导轨的位置误差及变形( 主要包括导轨变形、导轨倾斜和接头误差等) 、 导轨刚度变化( 导轨刚度随导靴位置与导轨支架之间的距离变化而变化) 。 天津大学的李立京他3 1 等人将导靴系统简化为线性弹簧一阻尼系统，建立了考 虑轿厢水平移动与摆的二自由度水平振动模型，将导轨简化为一系列刚性圆弧的 连接，并将其横向挠度作为激励输入，计算了电梯轿厢的水平振动加速度响应。 r o b e r t s 心们研究了在导轮上的位移和外力系到电梯轿厢质心力系的转换原则。 k e n i c h io k a m o t o 心朝等人分析了三种可能存在的导轨扰动模式。傅武军心叫等人在 k e n i c h io k a m o t o 等人工作基础上，将轿厢一轿架视为刚性连接，以坐标变换为 基础，建立了轿厢除垂直振动以外的5 自由度水平振动模型；并研究了在导轨正弦、 三角、脉冲和阶跃等模式的扰动下，电梯轿厢的加速度响应。导轨的刚度在不同 位置是不同的：在靠近支架位置的刚度比较大，而在远离支架的地方刚度则小得 多。n a k a o 等口钉人研究了由于导轨刚度变化引起的电梯水平方向参数振动，导轨 刚度周期性的变化也会激起轿厢在水平方向的振动，特别是当导轨刚度变化的频 率接近轿厢固有频率的2 倍时，轿厢就会发生剧烈振动。 对于高速电梯系统的水平振动，国内外的研究大多处于初步的理论分析和仿 真计算阶段，还没有形成一套成熟的理论体系和分析方法。 1 3 3 电梯的振动评价研究现状 电梯系统的振动是影响电梯舒适性的主要因素心刚，也是电梯生产厂商在生 产、安装、维护过程中重点关注的问题。一般认为，振动加速度和加速度变化率 ( 加加速度) 是人们感到不适的主要因素，电梯质量检测中以这两项指标为主要 检测对象。 由于加速度指标有专用仪器测量并正比于惯性力，因此电梯的振动状况般 通过加速度指标来衡量，即振动加速度的最大峰一峰值( p e a k t o p e a k ) 。这种指标 硕i ：学位论文 是当电梯从距离行程一端o 5 m ( 适用于低速电梯) 处开始直接以额定速度运行到 距离行程另一端0 5 聊处这一过程的测量值，基本单位为m g ( 1 m g 1 0 。2m s 2 ) 。 l o r s b a c h 比刚认为对于现代电梯而言，最大可以接受的振动水平应该是最大振动加 速度峰一峰值不超过1 2 m g 。h a r r i s o n 比们认为振动加速度的峰一峰值具有一定的随 机性，不适合于作为衡量电梯振动水平的指标。他提出将振动加速度的标准偏差 作为指标，可以有效消除测量过程的影响、环境噪声的干扰和坐标系选择的影响。 国标g b t 1 0 0 5 8