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浙江大学硕十学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 摘要 本论文以研究曳引电梯动态特性为主要目的，结合杭州市产学研项目，积极吸收相关学 科的新思想、新理论、新技术，采用理论研究、计算机仿真与试验研究相结合的研究方法， 建立了电梯垂直方向和水平方向动力学模型，开发了电梯动态特性仿真平台，并借助该仿真 平台对电梯动态特性进行研究，分析了电梯系统参数对电梯动态特性的影响规律。最后，在 仿真结果的指导下进行电梯整体试验模态分析和屯梯减振技术研究。 第一章，阐述了本论文研究的背景和意义，详细介绍了国内外电梯动态特性的研究现状， 并对国内在用电梯进行振动性能调研和评价，提出了本学位论文的的主要研究内容。 第二章，在分析电梯系统垂直方向结构特点和振动机理的基础上，对物理模型进行合理 简化，建立了电梯垂直方向9 个自由度动力学模型；以某电梯为例，根据实物和图纸，采用 零部件实验测量、p r o e 软件等手段求得相关动力学参数，并用m a n a b 软件编程分析了电梯 垂直振动。 第三章，在分析电梯水平方向结构特点和振动机理的基础上，建立了电梯水平方向5 个自由度动力学模型；以某电梯为例，根据图纸采用实验测量、a n s y s 软件等手段求得相关 动力学参数，并用m a t l a b 软件编程分析了电梯水平振动。 第四章，分析了模态、谐响应、瞬态动力学响应的计算原理，将电梯分无阻尼系统和有 阻尼系统分别进行考虑，设计了计算电梯模态、谐响应、瞬态响应等6 种数值方法。 第五章，在电梯数值计算模块的基础上，开发了电梯动态特性仿真平台，并用来进行电 梯各种工况下模态分析、谐响应分析、瞬态动力学响应分析。在此基础上，分析电梯主要参 数对电梯动态特性的影响规律，并给出了一些有用的结论。 第六章，在仿真分析结果的指导下，进行了电梯整体试验模态分析、传递函数分析和减 振技术研究，并将试验结果和仿真结果比较分析，验证了电梯动态特性仿真平台的可靠性。 第七章，对本论文的研究工作和研究成果进行了总结，展望了未来的研究工作。 关键词：电梯，振动，动态特性，动力学模型，模态，谐响应，瞬态响应，仿真平台，试验 模态分析，减振。 浙江大学硕士学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 a b s t r a c t t h er e s e a r c ht h e m eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft r a c t i v ee l e v a t o r u n d e r t h es u p p o r to ft h ep r o j e c to fp r o d u c t i o n - s t u d y r e s e a r c ho fh a n g z h o uc i t y , t h er e s e a r c ha c t i v e l y a b s o r b st h eo r i g i n a lt h o u g h t s ，n e wt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so fc o r r e l a t i v es u b j e c t sa n dc o m b i n e s t h e o r e t i c a l s t u d yw i t hc o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n d y n a m i c sm o d e l so fv e r t i c a l d i r e c t i o na n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o nf o rt r a c t i v ee l e v a t o ra r ee s t a b l i s h e d a n dt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e p l a t f o r mo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cf o rt r a c t i v ee l e v a t o ri sd e v e l o p e d ，w h i c hi su s e dt os i m u l a t e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft r a c t i v ee l e v a t o r , a n dt oa n a l y z et h ev a r yl a wo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o ft r a c t i v ee l e v a t o rw h e ni t s p a r a m e t e r sc h a n g e d f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i sa n d v i b r a t i o nr e d u c i n gt e c h n o l o g yo f a ne l e v a t o ra r er e s e a r c h e db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s i nc h a p t e rl ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e d i s s e r t a t i o na r ei n t r o d u c e d ，t h e d e v e l o p m e n tt r e n da n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fe l e v a t o r si nt h e w o r l da r ee x p a t i a t e d ，a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ep r o p o s e d i nc h a p t e r2 ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dv e r t i c a lv i b r a t i o nm e c h a n i s mo f e l e v a t o r s ，a9 - d e g r e e - o f - f r e e d o md y n a m i c sm o d e lo fv e r t i c a ld i r e c t i o n f o rt r a c t i v ee l e v a t o r si s e s t a b l i s h e db ys i m p l i f y i n gt h ep h y s i c sm o d e lr e a s o n a b l y r e g a r d i n gat r a c t i v ee l e v a t o ra se x a m p l e ， a c c o r d i n gt ot h ed r a w i n ga n dm e a s u r e m e n to fi t sp a r t s ，a n dc o m p u t i n gw i t hp r o es o f t w a r ea n ds o o n ，i t sd y n a m i cp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，w h i c ha r eu s e dt oa n a l y z ev e r t i c a ld i r e c t i o nv i b r a t i o no f e l e v a t o r sw i t hm a t l a b i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h es t r u c t u r ea n dh o r i z o n t a lv i b r a t i o nm e c h a n i s mo fe l e v a t o r s ，a 5 - d e g r e e - o f - f r e e d o md y n a m i cm o d e lo fh o r i z o n t a ld i r e c t i o nf o rt r a c t i v ee l e v a t o r si se s t a b l i s h e d r e g a r d i n gat r a c t i v ee l e v a t o ra se x a m p l e ，a c c o r d i n gt ot h ed r a w i n ga n dm e a s u r e m e n to fi t sp a r t s ， a n dc o m p u t i n gw i t ha n s y s ，i t sd y n a m i cp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，w h i c ha r eu s e di na n a l y s i so f h o r i z o n t a ld i r e c t i o nv i b r a t i o nw i t hm a t l a b i n c h a p t e r4 ，a f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p a lo fm o d a l ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n dt r a n s i e n t r e s p o n s e ，s i xk i n d so fd i f f e r e n tc o m p u t i n gm e t h o d sa r ed e s i g n e d i nc h a p t e r5 ，b a s e do nt h ec o m p u t i n gm o d u l e ，a ns i m u l a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mo fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cf o rt r a c t i v ee l e v a t o ri sd e v e l o p e d ，w h i c hi su s e dt oa n a l y z em o d a l ，h a r m o n i c r e s p o n s ea n dt r a n s i e n tr e s p o n s eo ft r a c t i v ee l e v a t o ri nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s f u r t h e r m o r e ，s o m e l a w so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft r a c t i v ee l e v a t o r sw i t ht h ek e yp a r a m e t e r so fa l le l e v a t o r c h a n g i n ga n ds o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r ed r a w no u t i nc h a p t e r6 ，u n d e rt h ei n s t r u c t i o no fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em o d a le x p e r i m e n ta n dv i b r a t i o n r e d u c t i o nf o rt r a c t i v ee l e v a t o r s a r ep e r f o r m e d t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mi sp r o v e dt ob e l l 浙江大学硕+ 学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 r e l i a b l eb yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s i nc h a p t e r7 ，t h es t u d yc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d ，a n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r k sa r ef o r e c a s t e d k e yw o r d s ：e l e v a t o r ，v i b r a t i o n ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，d y n a m i cm o d e l ，m o d a l ，h a r m o n i c r e s p o n s e ，t r a n s i e n tr e s p o n s e ，s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，v i b r a t i o nr e d u c t i o n i i i 浙江大学硕士学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 第一章绪论 【本章提要】本章从高速、高品质电梯发展的需要出发，阐述了研究电梯动态特性的重要意义； 介绍了国内外电梯动态特性的研究现状；对国内在用电梯进行振动性能调研和评价；在此基础 上，提出了本学位论文的主要研究内容。 1 1 概述 1 1 1 电梯构成 电梯( e l e v a t o r , l i f i ) 是服务于固定楼层的固定升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两 列垂直的倾斜角小于1 5 0 的刚性导轨之间。它适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货 物的垂直提升设备的交通工具。电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种运输t 具，其 地位相当于“垂直运动的汽车”。据统计，美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人 数。当今世界，电梯的使用量己成为衡量现代化程度的标志之一。 电梯是一种较为复杂的机电一体化设备，其机械部分好比人的躯体，电梯电气部分相当于 圈i l 电梯结构图 人的神经，微机控制部分相当于人多大 脑。它由许多机械构件和电子、电气、 大规模集成电路组成的微型计算机系 统及声、光控制等部件所组成。许多高 科技产品如网络技术、光纤通信技术、 遥控技术等都已在电梯上得到广泛应 用。电梯一般是由其所依附的建筑物和 八个系统组成，电梯所依附的建筑物有 机房和井道。其八个系统为：曳引系统、 导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系 统、电力拖动系统、电气控制系统和安 全保护系统。其中曳引系统由曳引机、 曳引钢丝绳、导向轮、反绳轮等构成， 输出与传递动力，驱动电梯运行；导向 系统由轿厢的导轨、对重的导轨及其导 轨架组成，用来限制轿厢和对重的活动 自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作 上下运动；重量平衡系统由对重和补偿 装置等组成，用来相对平衡轿厢质量以 浙江大学硕士学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 及补偿高层电梯中曳引绳长度的影响”1 。 人们通常将电梯从功能角度分为电梯机房( m a c h i n e r o o m ) 、电梯井道( h o i s t w a y ) 、电梯轿 厢( l i f tc a r ) 和电梯层站( l a n d i n gh a l l ) 。电梯机房( 或称控制间) 一般被设置在电梯井道顶部( 机 房上置式) 。机房内安装有曳引机( t r a c t i o nm a c h i n e ) 、导向轮( g u i d e w h e e l ) 、控制屏( c o n t r o l c a b i n e t ) 、限速器( r u n a w a y g o v e r n o r ) 、极限开关( f i n a ll i m i ts w i t c h ) 、总电源控制盒( m a s t e r p o w e rs w i t c h ) 等主要设备。电梯井道是指电梯上行、f 行的空间，在此间布置了导轨( g u i d e r a i l ) 、导靴( g u i d es h o e ，安装在电梯轿厢上) 、缓冲器( b u f f e r ) 、随行电缆( t r a v e l i n g c a b l e ) 、 补偿装置( c o m p e n s a t i n gd e v i c e ) 、限速张紧装置( g o v e r n o rt e n s i o nd e v i c e ) 、隔磁板( 平层板) 、 对重装置( c o u n t e r w e i g h t d e v i c e ) 。电梯轿厢是电梯中装载乘客或货物的金属结构体，有上下四 组导靴导向沿导轨作垂直升降运动。它由轿厢架( c a r f r a m e ) 、轿厢体( 包括轿厢底c a r p l a t f o r m 、 轿厢壁c a r w a l l 、轿厢顶c a r r o o f 、轿f q c a r d o o r 1 轿厢操纵面板c a r o p e r a t i o n p a n e l ) 、自动开门 ( d o o ro p e r a t o r ) 、安全钳装置( s a f e t yd e v i c e ) 、平层感应装置( l e v e l i n gi n d u c t o rd e v i c e ) 和超载与 称载装置( o v e r l o a da n d w e i g h t i n g d e v i c e ) 等几部分组成。电梯的层站部分位于电梯各层厅外， 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) 。 1 1 2 电梯分类 电梯的分类方法有多种，常见的有按电梯用途分类、按拖动方式分类、按驱动系统分类、 按曳引机有无减速箱分类、按电梯额定速度分类等。按用途分类，电梯可分为客梯、货梯、观 光、自动扶梯、自动人行道、无机房电梯、医用电梯、液压电梯、汽车电梯、杂物梯等；若按 运行速度又可分为低速电梯、快速电梯、高速电梯、超高速电梯；按拖动方式分有直流电梯、 交流电梯、液压电梯和直线电机驱动电梯。现以两种典型的分类进行说明。 ( 1 ) 有齿轮电梯与无齿轮电梯 电梯按曳引系统有无减速箱，可以分为有齿轮电梯和无齿轮电梯两类。有齿轮电梯曳引轮 的转速与电动机的转速不相等( 电动机转速 曳引轮转速) ，中间有蜗轮蜗杆减速箱或齿轮减速 箱( 行星齿轮、斜齿轮) 。一般是用在电梯额定速度v 一 一2 m s 。近年来，随着永磁材料和永磁电 机技术的进步以及电子技术和控制技术的发展，开发和生产永磁同步无齿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有齿轮曳引电梯相比，具有以 下特点【4 l ：( 1 ) 结构简单紧凑；( 2 ) 节省能最、效率高；( 3 ) 噪声低；( 4 ) 性能价格比高；( 5 ) 安全 可靠性高。因此有理由相信，永磁同步电机驱动无齿轮电梯将成为电梯发展的主流。本文研究 对象正是针对永磁同步电机驱动的无齿轮曳引电梯。 ( 2 ) 中低速电梯与( 超) 高速电梯 电梯按速度分类可以分为低速电梯、快速电梯( 中速电梯) 、高速电梯、超高速电梯四类： 浙江大学硕士学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 ( 】) 低速电梯：电梯的运行速度v l m s ，货梯的运行速度多在这个速度区间内。 ( 2 ) 快速电梯：电梯运行速度1 m s v 2 州s ，多层( 15 层以内) 客梯及住宅电梯运行度多在 此速度区间内。 ( 3 ) 高速电梯：电梯运行速度2 r i l ，s v 4 l t l s ，一般高层写字楼中，又分单、双层或高、低区 的电梯运行速度大多在此区域内。 ( 4 ) 超高速电梯：电梯运行速度v 4 m s ，如果电梯提升高度大于5 0 m 以上，对大厦内的电梯 又进行了分区控制，如从首层直达1 5 层甚至2 0 层以上者，只有这样，才可以充分发挥超高速 电梯的作用。 电梯的运行速度选择与电梯在大楼内的提升高度密切相关，电梯速度与楼层高度参考数据 如表1 1 所示。本论文研究的电梯速度为1 7 5 m s 、2 5 m s 。 表1 1电梯速度与楼层高度的选择关系 楼层高度( m )电梯速度( r r d s l 7 5 9 0 1 1 0 1 3 0 1 3 0 1 7 5 2 5 30 4 0 4 0 1 1 3 世界三大主流电梯技术 电梯经过一百多年的发展，逐渐形成了三大系列电梯技术：美国技术、欧洲技术和亚洲技 术。 美国电梯技术是以o t i s 为主的电梯技术，其中包括加拿大。美国技术始终保留先进技术， 却从来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，欧洲电梯技术以电梯耐用而著称， 一般电梯寿命为2 5 年。加上欧洲人比美国人市场先导性好，所以在全球进行合资合作，使欧洲 电梯技术成为国际通用技术之先锋，同时欧洲电梯标准也为国际电梯标准。 亚洲电梯技术是以日本为主导的电梯技术。而日本由于对用户心理掌握好，电梯以舒适性 好而闻名。但是日本为了自身长远利益考虑，电梯寿命只有欧洲电梯的6 0 ，使用寿命只有1 5 年。 1 2 课题研究的背景和意义 电梯振动是电梯乘坐舒适性的重要指标。在正常情况下，虽然电梯振动不至于达到影响乘 客的健康和安全，但是当电梯振动达到一定的幅值且振动频率在人的敏感频带内时，会使乘客 浙江大学硕十学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 有明显的不舒适感。人体是一个复杂的弹性体，有不少空腔和弹性系统。据资料研究，躯干固 有频率在3 6h z 内( 包括胸腔和腹腔) ，头颈和肩膀系统的周有频率在2 0 3 0 h z 内，眼球的 固有频率在6 0 9 0 h z 内，卜颌和头盖骨系统固有频率在1 0 0 2 0 0 h z 内。乘坐舒适性差的电梯 往往是电梯共振频率与人体的某一个固有频率相近造成的。 随着高层超高层建筑的涌现，电梯不断向高扬程、高速方向发展。电梯振动是与电梯运行 同时产生的，随着电梯速度的不断加快、提升高度的增加，振动问题变得越来越来突出”1 。电 梯在整个运行过程中产生过大的机械振动和冲击不仅会影响电梯的t 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；而且强烈的振动还会影响电梯轿厢上仪器仪表的正 常工作，缩短精密仪器的寿命且严重影响其精度，使电梯不能平层到位，导致安全事故发生等； 同时振动以及振动产生的噪音还会影响乘客的舒适感和健康，从而影响电梯的品牌和信誉”1 。 欧美电梯运行速度已达6 8 m s ，日本日立公司已研制出1 35 m s 的超高速电梯，瑞典通力 电梯公司研制出1 7 m s 超高速电梯。上海金茂大厦安装了两台速度为9 m s 超高速电梯，是我国 目前速度晟高的电梯，为进口电梯。而国产电梯速度一般在2 ，5 m s 咀下，由此可以看出，国产 与国外电梯水平差距比较大，加快电梯动态特性的研究是开发国产高速、超高速电梯和提高电 梯乘坐舒适性的必要条件。 国内没有专门的电梯研究机构，各大电梯公司对电梯振动还不够重视，电梯动态特性研究 势力非常薄弱，所有这些因素都会严重地制约国产向高速、高品质等方面的发展。目前我国大 多数电梯公司的生产模式是大多数零部件外购，少部分自己生产，然后自己组装，然而电梯零 部件品牌很多，它们的性能参数也各有不同。怎样选择适合自己的电梯零部件，如何使自己生 产的电梯既经济又有良好的整体动态性能是各电梯公司做系统配置的一个难点1 7 j ，也是电梯系统 设计必须考虑的因素。如果能开发出电梯动态特性仿真平台，从定性和定量两个角度分析电梯 动态特性，进行电梯参数优化设计，对开发高速、高品质的电梯，提高电梯的乘坐舒适性等都 有非常重要的意义。 从现有资料来看，我国电梯动态特性研究主要存在以下几个问题p j ： ( 1 ) 国内对曳引电梯缺乏系统性研究，没有建立电梯动态特性研究体系，而且研究与应用 严重脱节。 ( 2 ) 多以电梯的垂直方向动力学建模、仿真、减振为主，且模型简单、算法单一，水平振 动研究相对较少，而随着电梯速度的提高，电梯的水平振动将会显著增加： ( 3 ) 没有充分考虑曳引轮、轿顶轮等激励环节对电梯垂直振动的影响，导轨表面特征、导 轨接头等激励环节对电梯水平振动的影响； ( 4 ) 国内尚没有成熟的电梯动态特性仿真分析平台，大部分用m a t l a b 编制的数值仿真程 序为某一具体问题而设计，以单一算法为主，缺乏可靠性和适应性； ( 5 ) 缺乏电梯系统参数变化对电梯动态特性影响规律方面的研究。 ( 6 ) 没有用试验模态分析方法对电梯整体性能进行研究，缺乏理论研究与试验研究相结合。 4 浙江大学硕士学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真甲台开发 因此深入地研究电梯系统的动态特性，对于提高我国电梯理论研究水平，提高国产电梯知 名度和影响力都是非常关键的。本论文通过建立电梯系统垂直方向和水平方向准确的动力学模 型，设计电梯动态特性仿真的可靠算法，开发出电梯动态特性仿真分析平台，不仅可以用来分 析电梯的动态特性，而且还可以分析出电梯动态特性随某些参数( 如刚度、阻尼) 的变化规律，为 电梯的研究开发和工程减振提供一种有用t 具。最后，用试验模态分析法对仿真平台进行验证， 并成功用于指导工程减振。研究成果对降低电梯研发成本、减小电梯开发难度和强度、改善电 梯运行品质、缩短工期等方面都将大有裨益。 1 3 国内外电梯动态特性研究现状 电梯动态特性指电梯垂直振动和水平振动。研究内容主要包括电梯系统研究、激励源研究、 钢丝绳刚度和波动、振动主动控制、控制算法研究、主动导靴( p n 电磁导靴) 等。国外学者对电梯 振动控制研究比较多；国内主要是电梯系统研究和1 程减振方面的，比较零散且少，目前还没 有电梯主动控制方面的应用。 1 ，3 1 电梯振动研究 ( 1 ) 垂直振动研究 湖南大学的陈炳炎、于德介等人”1 利用拉格朗日 方程建立了1 ：1 电梯系统7 自由度振动模型如图1 2 所 示，针对电梯动力学模型参数为时变参数的特点，提出 了一种基于实测系统固有频率的电梯动力学模型修正方 法，对湖南益阳电梯总厂生产的t k j t l 0 0 0 1 6 j x p c 型 电梯进行了动力学建模与修正，取得了令人满意地结果。 在此基础之上，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，并编制了响应 的f o r t r a n 计算程序。浙江工业大学的张聚等人1 在1 ：1 电梯系统7 自由度振动模型的基础上对电梯的整个行 程进行离散，把原来的时变系统模型转化为一系列时不 变的瞬时系统进行数值求解。上海交通大学王印辉等“1 人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 u a b 平台分析电梯系统模型的频率特性 以及频率特性与电梯参数之间的关系；用已知的一些激 励以及电梯的运行速度作为输入，进一步分析电梯参数 变化对外激励响应的影响。北京科技大学的雷鹏等人“ 图l2 电梯系统垂直振动力学模 根据建立的电梯实验台，应用m a t l a b 仿真软件对电梯系统进行建模与仿真，研究通过调整控制 浙江大学硕上学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 系统来改进电梯动态性能的方法。上海交通大学的郑延军等人1 。”i 建立了一般电梯1 ：1 系统的垂 直振动模型和水平振动模型，在此基础上利用c 语言开发一个电梯动态性能分析软件，并利用 该软件对上海三菱某型号电梯进行了分析计算和电梯动态性能评价，从而可以提出改进电梯动 态性能的具体措施。 英国的k n a i 等人”，”】认为一个高速电梯的动力学系统如图1 3 所示，可以分为互相耦台 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 ( 包括曳引绳、平衡链) 以及通过它们连接的质量( 转动惯量) 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间的隔振系统。绳索( 包括曳引绳、 平衡链) 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 同频率成分的振动激励的传递率。建立这一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 此建立一个1 0 自由度离散质量模型如图1 4 所示，并推导了系统的动力学方程。实际电梯实验 测试证明了该模型的有效性。 图13 高速电梯系统模型图l4 高速电梯动力学模型 ( 2 ) 水平振动研究 目前国内外学者对电梯垂直振动的研究较多，机械系统动力学模型的建立也较多，为电梯 机械系统设计与改造提供了有效的理论依据；而对于电梯轿厢水平振动模型的研究则相对较少。 6 浙江大学硕 ：学位论文：曳引电梯动态特性研究及j 仿真平台开发 天津人学李立京等人”1 建立了电梯水平振动2 自由度模型如幽1 5 所示，将导靴系统简化 为弹簧阻尼系统，考虑导轨正弦激励，用m a t l a b 计算 n 轿厢加速度响应。 倒1 5 电梯水平振动模型 对于高速、高扬程电梯还应该考虑由于曳引绳波动而引起的电梯横向振动，使系统的波动 频率避开曳引轮的扰动频率。在图1 6 所示的电梯水平振动的波动模型中，( a ) 为l 占l 定曳引绳波 动模型，( b ) 为运动曳引绳波动模型。w d z h u 等人 2 0 1 分别建立了这两个模型在x y 平面内自 由振动控制方程及边值条件。 弋 ( a ) 固定曳引绳( b ) 运动曳引绳 图1 6 电梯水平振动的波动模型 k e n i c h io k a m o t o 等人分析了三种可能的导轨扰动模式，即正弦波激励、三角波激励和 阶跃激励。 1 3 2 电梯振动控制 电梯的加减速特性和振动是影响乘客舒适性的主要因素，如何通过经济的技术手段降低电 梯的振动水平，提高电梯品质，已成为当今各大电梯公司竞相追逐的目标。电梯的振动控制必 须熏点关注电梯在人体敏感频率段内的振动，以提高舒适性为目的：电梯的振动控制必须建立 7 浙江大学硕士学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 在深入研究其激励源，定量分析各冈素、各参数对电梯振动的影响方式及敏感度的基础上，从 振动的振源、传递路径、被控对象三个角度加以考虑。电梯振动控制可分为被动控制和主动控 制。目前国内的振动控制绝大部分采用被动控制，而主动控制尚处于理论研究阶段。 国内电梯振动控制主要是下面儿种方法：( 1 ) 使电梯的同有频率远离曳引系统的激励频率； ( 2 ) 加装动力吸振器：( 3 ) 隔振材料。通过合理地抑制振源、被动隔振，可以有效降低轿厢内 的振动水平，对于一般的中低速( 、 2 m s ) 电梯可以达到相应的舒适性要求。但对丁高速电梯、 超高速电梯，还必须采用主动隔振技术才能达到舒适性的要求。主动隔振的思想是根据被控对 象的振动规律，实时地施加一作动力来抵消系统激振力对被控对象的影响，减小甚至消除被控 对象的振动。主动隔振系统包括三个关键部分：振动信号测量、实时控制器、作动器( 致动器) 。 主动隔振的效果比较好，但成本也比较高。半主动隔振则是根据电梯的振动状态实时地调整系 统的控制参数、刚度阻尼参数。 国外电梯振动主动控制研究相对比较深入，主要侧重非线性研究，并且也投入生产，取得 了良好的控制效果。a t s u s h i 等人t 2 2 】研究了一种用于电梯垂直振动控制的变结构控制器如图1 7 所示，包括多个线性控制器，每一个线性控制器都用h 一控制方法设计。所有的线性控制器都 根据电梯的不同位置进行实时地切换。仿真分析表明，该控制器在电梯运行过程中可以抑制电 梯轿厢5 0 的垂直振动。 图17电梯变结构参数控制器框图 日立公司的i n a b a 等人1 2 目分析了电梯在乘客上下梯、运行时的横向振动的机理，基于电磁 导靴提出了电梯横向振动的加速度反馈控制方法，如图1 8 所示。全比倒试验表明，该装置及控 制方法具有很好的工作性能。 浙江大学硕士学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 ( c ) p r o p o s e dm a g n e l l cq u 习em e t h o dw i t hr o l l e rg u i d e s 图1 8 基于电磁导靴的高速电梯轿厢及导向系统 1 4 国内在用电梯振动性能调研及评价 目前电梯乘坐舒适+ 性( r i d eq u a l i 吼r i d ec o m f o r t ) 已经成为评价现代电梯系统品质的一项重 要指标口”，是电梯厂商在生产、安装、维护三个领域竞相追逐的目标。一般认为，加速度 ( a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o n ) 和加速度变化率( t h er a t eo f c h a n g eo f a c c e l e r a t i o n ，c o m m o n l yk n o w n a sj e r k ) 是人们感到不适的主要因素j 。2 0 0 2 年国际标准化组织制定了一项新的通用标准i s o 18 7 3 8l i f t ( e l e v a t o r ) m e a s u r e m e n to f l i f tr i d eq u a l i t ya 由于加速度容易测量并正比于惯性力，电梯的振动水平一般通过两个加速度指标来衡量， 即振动加速度的峰一峰值( p e a k - t o - p e a k ) 和a 9 5 值。两种指标均是当电梯从距离电梯行程一端 0 5 m 处开始直接以额定速度运行到距离行程另一端o 5 m 处这一过程的测量值。峰一峰值是这 一过程中振动加速度最大波峰与波谷之间的差值；a 9 5 值是这样一个加速度带宽值，使得9 5 的波峰与波谷落在这一带宽内。二者基本单位均为m g ( 1 0 4 m s 2 ) 。电梯的振动水平是直接与电梯 的设计制造、安装和维护水平相联系的。u t s u n o m i y a 口”认为对于现代电梯而言，虽大可以接受 的振动水平应该是峰一峰值不超过1 2 m g ，a 9 5 值不超过峰一峰的- 7 。 h a r r i s o n 2 7 】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。他提出把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 l 0 0 5 8 - - 8 8 电梯技术条件规定电梯起、制动加、减速度对最大值不大丁1 5 m s 2 ， 额定速度l m s v 一 2 m s 的电梯平均加减速 度应不小于0 7 m s 2 ；乘客电梯与病床电梯的轿厢运行时的水平方向与竖直方向振动加速度应符 合表1 2 规定。 9 浙江大学硕士学位论文：曳弓 电梯动态特性研究及其仿真平台开发 表1 2 国标对不刚档次电梯加速度要求 日本三菱电梯公司的渡边英纪渊认为，对高速、高扬程电梯的动态特性及舒适性指标应控制如 表1 3 。 表1 3 高速电梯舒适性指标 对电梯振动评价不能仅仅局限在振动加速度s u 3 n ) m 速度的指标上，还应该充分考虑人体生 理对振动的反应上。人体对振动的反应不但取决于振动的强度( 振动的能量) ，还与振动的频率 和振动方向有关。研究表明”，人体全身垂直振动在4 8 h z 有一个最大的共振峰，主要由胸部 共振产生。对胸部内脏影响最大；在1 0 h z 附近还有一个较小的共振峰，由腹部共振产生，对腹 部内脏影响较大。人体对于水平振动要比垂直振动更敏感些，影响比较火的振动成分为1 2 h z 。 为了对我国目前在用电梯的振动性能有比较全面的了解，课题组重点对杭州市在用品牌电 梯进行调研，对1 0 0 余台典型电梯进行振动性能测试分析。调查发现电梯的速度为l m s 2 5 m s ， 绝大部分楼高在1 0 0 m 以下，一般高档宾馆、酒店、办公楼等大多采用进口电梯( 如日本三菱) ， 运行品质比较高，但价格昂贵。大部分单位采用上海三菱电梯、广州日立电梯、杭州西子奥的 斯电梯，运行品质受莠不齐，即使是同一品牌、同一幢楼的新电梯差别也比较大”“1 。 电梯振动测试采用电梯行业通用的测试仪p m t ，并结合配套软件e v a 6 2 5 对现场数据进行分 析处理。随机抽取某进口电梯与国产电梯为例进行振动性能比较。根据国际标准i s 0 9 0 0 0 对原 始数据滤波，分析x 、y 、z 三向振动曲线及频谱图后得到表1 4 。从表1 4 中可以看出国产电 梯的各项振动指标均大于进口电梯，特别是z 方向，其指标为进口电梯的3 4 倍，峰峰值达到 2 6 5 m g 。如果假定两台电梯运行速度相同，国产电梯振动指标将会更高，因为同样的电梯，速 度越大，振动越剧烈。特别是进口电梯能将z 向a 9 5 值控制在5 m g 以下，这是非常了不起的。 从乘坐舒适性指标中的最大冲击指标来看，进口电梯仅为o 9 m s 3 、国产电梯为1 5m s 3 ，两者 差距比较大。这个表进口电梯振动性能远远好于国产电梯，同时也能充分的反应出国内电梯振 动研究水平大大落后于国外同类水平。因此，国内开展该领域的系统性研究迫在眉睫。 1 0 浙江人学硕学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 表1 4 某进u 电梯与某国产电梯振动指标 时域频域 xyzxyz 蝰i i 墨峰峰峰峰晟大冲击最大昂大 最大 值a 9 5 钒)值 a 9 5 ( m g ) 值 a 9 5 ( m 鸯 f n s 1 峰值峰值峰值 ( r a g ) ( m g )( m g )【m 曲( r a g )( m g ) 进口电梯 53336 94 18 64 90 90 3 5 30 5 9 90 6 7 4 ( 25 m s ) 国产电梯 7 84 51 1 47 82 6 51 591504 1 407 7 229 6 2 ( 2 m s ) 1 5 论文研究思路和主要研究内容 1 5 1 论文研究思路 研究系统整体动态特性的一般方法是：首先根据实物建立物理模型，由物理模型进行简化 得到系统的动力学模型，再根据动力学模型确定系统的质量、阻尼、刚度矩阵，并进一步找出 系统激励源，借助m a t l a b 等仿真软件或设计准确可靠的数值方法，进行模态分析、谐响应分析、 瞬态动力学响应分析、参数分析等，从时域和频域两个角度研究系统动态特性。 本论文在对典型曳引电梯振动性能调研、现场测试、试验的基础上，建立电梯垂直、水平 方向动力学模型；用c 十十语言开发模态、谐响应、瞬态响应计算模块，在此基础上用v s n e t 平 台开发电梯动态特性仿真平台( e d a s ) ；最后用e d a s 进行电梯动态特性仿真分析，并指导电梯 试验模态分析及现场减振。 1 5 2 主要研究内容 本论文以曳引电梯作为研究对象。首先对国内外电梯如日本三菱、日本目立、上海三菱、 广州日立、杭州西子奥的斯等电梯进行振动性能调研，现场测试1 0 0 余台国内外台电梯，并进 行数据分析与处理。然后根据电梯的结构特点，建立了垂直方向9 个自由度，水平方向5 个自 由度的动力学模型。参考典型动力学数值计算和有限单元法等，用c + + 语言开发模态、谐响 应、瞬态响应计算分析模块，为了保证计算准确性和适应性，每个模块提供两种计算方法，能 有效的处理病态矩阵。在此基础上用v s n e t 开发环境开发出具有广泛适用性的电梯动态特性仿 真分析平台( e d a s ) ，为电梯新产品的研究开发和减振提供工具。借助e d a s 仿真平台，研究不 同配置电梯在不同工况下的动态特性，分析关键部件参数对电梯动态特性的影响规律，用试验 模态分析方法对电梯进行整体测试，并检验e d a s 仿真分析平台的可靠性，最后借助e d a s 仿 真平台现场减振。 1 1 浙江大学硕+ 学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真甲台开发 本论文结构如图1 9 所示。 图1 9 本论文的总体结构框图 1 2 浙江大学顿+ 学位论文：曳引电梯动态特性研究及其仿真平台开发 第二章电梯垂直方向动力学模型研究 【本章提要】本章在分析电梯系统垂直方向结构特点和振动机理的基础上，对物理模型进行合 理简化，建立了电梯垂直方向9 个自由度动力学模型；并以某电梯为例，根据实物和图纸，采 用零部件实验测量、p r o e 软件等手段求得相关动力学参数，用m a t l a b 软件编程分析电梯垂直 振动。 2 1 引言 电梯垂直振动是评价电梯乘坐舒适性的重要指标。由于系统设计不合理、零部件制造质量 差、导轨安装精度低、钢丝绳抖动、控制器精度不高等原因，都往往容易导致电梯垂直振动发 生。而且电梯垂直振动的频率一般比较低，和人体的敏感频率接近，给人造成不舒服的感觉， 严重时还会影响仪器仪表正常工作，降低电