（机械工程专业论文）工程斜行电梯的动态特性研究.pdf

摘要 摘要 随着高层建筑的不断涌现，电梯作为一种垂直运输工具越来越体现出它的重 要性和优越性。然而，应用于不同环境和场所的特种电梯也应运而生。为了给观 光景点，位于山坡和山顶、路程较长的建筑物、因为城区面积紧张而将住宅建在 山坡上的地区提供方便以及用于维修人员和低于额定载重货物上下运输的交通设 施，客观上提出了对斜行电梯的需求。然而，与垂直升降电梯相比，斜行电梯在 设计、制造、安装和运行过程中会产生一些新的问题，电梯起动和制动时对乘客 产生的水平作用力、下侧导轨承受的下滑推力等。 本论文是基于工程实际，斜行( 弧形) 曳引电梯采用永磁同步无齿轮曳引机， 曳引钢丝绳驱动方式，用于维修人员和低于额定载重货物上下运输。其倾斜角度 9 0 。以内，弧度半径大于l o o m 。主要从以下几个方面进行研究： 第一章，绪论。阐述了论文的研究背景和意义，简单的介绍了斜行电梯的构 成及分类，并且介绍了国内外斜行电梯理研究现状和实际的应用情况，在此基础 之上，提出了本论文的主要研究内容。 第二章，电梯系统动力学模型研究。首先对三维软件p r o e n g i n e e r 进行了 简单的介绍。并运用其对电梯系统中的重要部件建立了三维模型及研究。为后面 的章节中对整个系统进行分析，并对部分参数进行优化打下了基础。 第三章，电梯系统动力分析。本章根据动力学方程，在电梯实际运动基础上， 分别建立了电梯系统竖直方向和水平方向上的振动方程，并根据实际情况进行了 求解。其次，求解出了电梯在整个运动过程中的速度与加速度，为电梯的振动现 象找出了根本原因。 第四章，导轨在制动过程中的受力变形。计算了斜行电梯电梯导轨强度及挠 度校核，并对斜行电梯的导轨截面的力学特性许用应力和变形要求进行了分析。 第五章，电梯机械系统动态优化设计。本节主要建立机械动态系统的数学模 型，并对电梯机械系统动态特性进行了优化设计。 第六章，总结和展望。对论文的主要研究工作和创新点作了总结，并对未来 的研究工作进行了展望。 关键词s 工程斜行电梯；动力学特性；结构设计；电梯优化； 山东大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w j n lt h ed e v e l o p m e n to fh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，t h ee l e v a t o r , a sak i n do fv e r t i c a l t r a n s p o r ti n c r e a s i n g l yr e f l e c t i n gi t si m p o r t a n c ea n ds u p e r i o r i t y h o w e v e r , k i n d so f s p e c i a lt y p ee l e v a t o r s a r em a n u f a c t u r e d i no r d e rt oo f f e rc o n v e n i e n tm e a n so f t r a n s p o r t a t i o nf o rt o u r i s td e s t i n a t i o n , b u i l d i n g s o ns l o p eo rh o u s e si nm o u n t a i n o u s a r e a s ，r a m pe l e v a t o ri sn e e d e dt os o l v et h i sp r o b l e m h o w e v e r , r a m pe l e v a t o rw i l lm e e t s o m en e wp r o b l e m si nt h ep e r i o do fd e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n g ，i n s t a l l i n ga n dr u n n i n g ， s u c h 邪，a c l i n i ca c t i n gf o r c ea c t e do i lp a s s e n g e ri nt h ep e r i o do fs t a r t i n ga n db r a k i n g ， d o w n s l i d et h r u s to nt h eu n d e r s i d eg u i d ew a y , e t c t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，o b l i q u el i n e s ( a r c ) t r a c t i o n e l e v a t o ra d o p t sg e a r l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e ，t r a c t i o nw i r er o p e d r i v em o d e ，u s e df o rm a i n t e n a n c e p e r s o n n e l a n db e l o wt h er a t e dl o a dc a r g o t r a n s p o r t a t i o nu pa n dd o w n i t sw i t h i n9 0 o a n g l e ，r a d i a nr a d i u si sg r e a t e rt h a n10 0 m m a i n l yf r o mt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s a r es t u d i e d ： i nc h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 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 ed i s s e r t a t i o na r e i n t r o d u c e d ，t h ed e v e l o p m e n tw 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 fr a m pe l e v a t o r i nt h ew o r l da r ee x p a t i a t e d ，a n dt h em a i nc o n t e n to ft 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 e l e v a t o rs y s t e md y n a m i c sm o d e lr e s e a r c h f i r s t l yt h e3 ds o f t w a r e p r o ea l s ob r i e f l yi n t r o d u c e d a n du s ei t so fe l e v a t o rs y s t e me s t a b l i s h e dt h ei m p o r t a n t c o m p o n e n t so f3 dm o d e la n dr e s e a r c h f o rl a t e rc h a p t e r so ft h ew h o l es y s t e ma r e a n a l y z e da n ds o m ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n dl a yt h ef o u n d a t i o n i nc h a p t e r3 e l e v a t o rs y s t e md y n a m i ca n a l y s i s t h i sc h a p t e ri n t h ee l e v a t o r , a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ce q u a t i o nb a s e do nt h ep r a c t i c a lm o v e m e n t ，w ee s t a b l i s h e l e v a t o rs y s t e m sv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lv i b r a t i o ne q u a t i o n , a n da c c o r d i n gt oa c t u a l c o n d i t i o na r es o l v e d s e c o n d l y ，s o l v i n go u to ft h ee l e v a t o ri nt h ew h o l em o v e m e n t s p e e da n da c c e l e r a t i o ni nt h ep r o c e s so ft h ev i b r a t i o no ft h ep h e n o m e n o no ft h e e l e v a t o ro u tr o o tc a u s e i nc h a p t e r4 t h eg u i d er a i ls t r u c t u r a ld e f o r m a t i o ni nb r a k i n gp r o c e s s c a l c u l a t i o n o fo b l i q u el i n ee l e v a t o rg u i d er a i l ，s t r e n g t ha n dd e f l e c t i o nc h e c k i n g ，a n da n a l y z e dt h e i n c l i n e dt r a v e le l e v a t o rg u i d er a i ls e c t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l l o w a b l es t r e s s a n dd e f o r m a t i o nr e q u i r e m e n t i nc h a p t e r5 e l e v a t o rm e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g n t h i s i i i 山东大学硕士学位论文 s e c t i o ni s m a i n l yb a s e dm e c h a n i c a ld y n a r n i cs y s t e mo fm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe l e v a t o rm e c h a n i c a ls y s t e mi so p t i m i z e d i n c h a p t e r6 t h ec h i e fw o r ka n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o nh a v e b e e n s u m m a r i z e d ，a n df l l r t h e rr e s e a r c hs u b jc o t sh a v eb e e np r o p o s e d k e y w o r d s ：r a m p a n da r c e l e v a t o r ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；d e s i g no f s m l c t u r e ；o p t i m i z a t i o no fe l e v a t o r 1 v c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i a b s t r a c t i i c o n t e n t s 。i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2o b l i q u ec o m p o s i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n 2 1 3r e s e a r c ha b r o a d 6 1 4t h em a i nr e s e a r c h 7 1 5s u m m a r y 。9 c h a p t e r2e l e v a t o rs y s t e md y n a m i c s m o d e l 10 2 1i n t r o d u c t i o n 1 0 2 21 飞r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o e n g i n e e r i n t r o d u c t i o n 11 2 3e l e v a t o rs y s t e md y n a m i c sm o d e l 1 2 2 4w h o l el a d d e rm o d e l 1 4 2 5s u m m a r y 1 5 c h a p t e r 3d y n a m i ca n a l y s i so fe l e v a t o rs y s t e m - 1 6 3 1v e r t i c a le l e v a t o rs y s t e md y n a m i c sm o d e l 1 6 3 2e l e v a t o rs y s t e md y n a m i c sm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g 17 3 3e l e v a t o rm o t i o nc u r v ei nt h ee l e v a t o ra p p l i c a t i o nm o d e l 2 0 3 4v e r t i c a lv i b r a t i o ns u p p r e s s i o ne l e v a t o rs y s t e m 2 1 3 5h o r i z o n t a le l e v a t o rs y s t e md y n a m i c sm o d e l 。，。2 2 3 6h o r i z o n t a le l e v a t o rs y s t e md y n a m i c sm o d e l i n g 2 4 3 7t h eu s eo fp r o es o f t w a r ef o rk i n e m a t i ca n a l y s i so f t h ee l e v a t o rs y s t e m 2 5 3 8e l e v a t o rs y s t e md y n a m i c sp r i n c i p l e sa n dm e t h o d st os o l v e 2 9 3 9s u m m a r y 3 0 c h a p t e r4 r a i ld u r i n gb r a k i n go ft h ef o r c e - d e f o r m a t i o n 3 1 4 ig u i d ed e s c r i b e st h ei n s t a l l a t i o nr e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c s 3 2 山东大学硕士学位论文 4 2m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fe l e v a t o rg u i d er a i la n ds t r e n g t h ，d e f l e c t i o nc h e c k i n g c a l c u l a t i o n 3 4 4 3e l e v a t o rg u i d er a i lp r o em o d e l i n ga n dd e f o r m a t i o na n a l y s i so f r a i l 4 5 4 4s u m m a r y 6 0 c h a p t e r5e l e v a t o rm e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c so p t i m i z a t i o n 6 1 5 1i n t r o d u c t i o n 6 1 5 2m e c h a n i c a ld y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p t i m i z a f i o n 6 2 5 3e l e v a t o rm e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c so p t i m i z a t i o n 6 4 5 4s u m m a r y 6 7 c h a p t e r 6s u m m a r ya n do u t l o o k 6 8 r e f e r e n c e s 7 0 t h a n k s 7 j 4 i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 随着高层建筑的不断涌现，电梯作为一种垂直运输工具越来越体现出它的重 要性和优越性。1 8 5 4 年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙格 雷夫斯奥的斯第一次向世人展示了他的发明一历史上第一部安全升降梯。从那 以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。随着现代化城市的高速发展，电梯 承担着大量人流和物流的输送任务，已经成为人们日常生活中不可或缺的垂直交 通工具，也被誉为人类现代物质文明的标志之一【1 1 。 近年来中国电梯工业飞速发展，2 0 0 7 年中国电梯产销量达到了2 1 6 万台，超 过了全世界电梯产量的一半，电梯的生产能力跃居世界第一。2 0 0 7 年，新安装验 收电梯1 4 6 9 9 9 万台，同比增长2 4 。截至2 0 0 7 年底，全国在用电梯达9 1 7 3 1 3 万台。中国已经成为全球最大的电梯市场。2 0 0 8 年中国电梯产量达2 5 万台。到 2 0 1 0 年底，我们国家已经成为最大的电梯市场，中国电梯的产量已经超过了全球 产量的一半。目前我国正在运行的电梯约1 6 3 万台，且每年以2 0 左右的速度在 增长，这是中国电梯行业发展的又一里程碑。 生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。电梯的使用量已成为衡量现代化 程度的标志之一。自2 0 0 0 年以来，在观光景点、电视塔以及因为城市面积紧张而 将住宅建在山区后，以及用于维修人员和低于额定载重货物上下运输。逐渐出现 了斜行升降电梯，斜行电梯己被认为是长行程、输送能力强的坡道运输工具。它 是随着社会进步生活水平的提高，人们对舒适生活环境的追求愿望，也加速了斜 行电梯走进市场的。 斜行电梯的轿厢沿着倾斜的导轨运行，从表面看来好像与普通垂直电梯并无 本质区别，普通电梯上所有的部件均可在斜行电梯上找到其影子，但其结构和功 能却发生了很大变化。首先，垂直电梯的轿厢架由上梁、下梁和立梁组成，主要 起固定和承重轿厢的作用，斜行电梯是由安装在轿厢下部的滑车完成这些作用； 其次，垂直电梯的导轨主要起导向作用，而斜行电梯的导轨不仅起导向作用，还 需要承载轿厢和配重的作用力，以及牵引钢丝绳因为重力作用产生的悬垂和松弛 导致的下滑作用力，还有随行电缆自重作用力等。 山东大学硕士学位论文 ! i ma舅量曹蔓皇曼詈曼曼曼璺曼皇曼量曼量罾量量曼皇量皇量鼍曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼量暮量鼍曼蔓置曼舅 此外，斜行( 弧形) 曳引电梯采用永磁同步无齿轮曳引机，曳引钢丝绳驱动 方式，其倾斜角度9 0 。以内，弧度半径大于l o o m 。当斜行电梯导轨与垂直面的 倾斜角度大于7 。时，因下侧的导轨要承受较大的负载而会产生水平方向的运动， 所以加、减速度只能到0 5 m s 2 ，实际上只适用于l m s 以下的电梯，超过1 0 。时 无论加、减速度或者额定速度都必须进一步下降，这就限制了斜行电梯的应用。 功能性、安全性和舒适性是电梯品质的三大要素。电梯不断向高扬程，高速 度发展，振动的问题越来越突出，成为影响电梯三大要素的主要因素。电梯在运 行过程中，会产生垂直和水平两个方向的振动。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工作性能，对曳引系统产生的附加载荷，将 缩短电梯的寿命，而且会缩短仪器仪表寿命并影响其精度，使电梯不能平层到位， 导致安全事故的发生，影响电梯的安全性；一些对振动要求很小的病床电梯等，过 大的振动使电梯的功能性受到很大的制约；振动所产生的噪声对乘客的健康有一 定的危害，降低了电梯的舒适性。然而。国内外企业在研究斜行电梯的动态性能 研究方面比较欠缺。加快斜行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。 因此，国内有很多的生产厂家也开始加大了对斜行电梯特性研究和结构优化 的投资力度。因此，研究斜行电梯动态特性和机构优化上面对于提高斜行电梯的 运行速度、改善乘坐舒适性有着重要的意义。 1 2 斜行电梯的构成与分类 1 2 1 斜行电梯的构成 斜行电梯主要由曳引机( 绞车) 、导轨、对重装置、安全装置( 如限速器、安 全钳和缓冲器等) 、信号操纵装置、轿厢和轿门等组成。这些部分分别安装在建筑 物的井道和机房中。通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连 接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢斜行升降。 1 2 1 1 斜行电梯的轿厢和轿门 在本文中设计分析时，轿厢采用3 0 4 不锈钢轿顶，轿壁，轿门，轿底为防滑花 纹碳钢板。轿厢壁三面设扶手和隐蔽式爬梯，轿厢顶部设向上开启安全窗和安全 护栏。 2 第1 章绪论 ! _ 一 。i i m i i 鼍量曼量量量量量曼皇曼曼曼量量量皇曼皇曼曼量曼皇曼鼍量鼍| 门机为平移自动门，轿门为有透视窗，有防夹人安全触板和防止运行时门自动 打开措施。本文中设计分析时轿厢尺定位1 4 0 0 1 1 0 0 2 2 0 0 ，轿门尺寸1 0 0 0 x 2 1 0 0 。 垂直电梯的钢丝绳悬挂在轿厢上梁或通过导向轮兜在上、下梁上，为保证轿厢 的舒适性，轿厢是通过减震垫或弹簧、防晃器等间接与上、下梁固定。斜行电梯 的轿厢没有类似的轿架，钢丝绳拖动安装在轿厢侧边或底部的滑车使电梯沿斜坡 上下移动，轿厢固定在下部滑车上。 1 2 1 2 斜行电梯的导轨 斜行电梯的导轨与垂直电梯的导轨一样要起导向作用，但斜行电梯的导轨还要 起承载轿厢和对重的作用。 斜行电梯在运行过程中，其轿厢和对重的支撑是由导轨来完成的，当然有一部 分力由钢丝绳承担了。斜行电梯的导轨面上承受的压力与轿厢或对重重量及导轨 角度有关。因此斜行电梯的导轨不能采用普通电梯所用导轨，而要依据导轨面上 所承受的压力推算出导轨抗剪能力等等，单独设计制造。 1 2 1 3 斜行电梯的电缆 斜行电梯轿厢内的电源、呼梯信号、门机信号、光幕信号、称重信号等等与垂 直电梯一样，都要通过随行电缆把信号和电源传送到机房控制系统。但斜行电梯 的电缆由于重力的作用，会掉出斜向井道( 区间) 外，与井道钢架或导轨等产生干 涉，影响运行和美观。 因此对于传送动力和信号的控制电缆必须要有专用的导向系统，具体方案是在 随行电缆的运动部分( 下半段) 采用紧固措施，可以设计一个随动轮，随缆挂在随 动轮上，随动轮通过钢丝绳挂在轿厢底部，调节随动轮对随缆的拉伸作用，其上 行由轿厢带动运行，下行由其自身重力作用运行。随动轮在其专用导轨中运行。 如图1 1 所示。 由于随动轮自身重量的作用，可将随缆撑直，避免掉出井道。随缆选用圆形结 构，其运行方式就像钢丝绳在导向轮上一样，只是这个轮是运动的。 3 山东大学硕士学位论文 圈l - l 随行电缆处理不慈图 1 2 1 4 斜行电梯的导靴 斜行电梯的导靴与垂直电梯中使用的滚轮导靴有诸多相似之处，但由于功能的 不完全等同，故结构上有显著区别。 斜行电梯的滚轮导靴与垂直梯的滚轮导靴都是起导向作用，并防止轿厢左右前 后晃动。故导轨项部三端面均有滚轮与导轨面接触，但由于受力不同，斜行电梯 的滚轮导靴三个方向的滚轮数远比普通导靴要多，其中承受轿厢重量的上滚轮要 有数个之多，而防止左右晃动、向上跳动的滚轮一般也有2 个，这也是因为轿厢 或对重本身的重量和运行方式与普通电梯的区别决定的，其承载上述滚轮的钢板 强度、滚轮、滚轮轴强度一定要计算好，并留有足够余量。 1 2 1 5 曳引机( 绞车) 曳引机是电梯的动力设备。功能是输送与传递动力使电梯运行。它由电动机、 制动器、联轴器、减速箱、曳引轮、机架和导向轮及附属盘车手轮等组成。导向 轮一般装在机架或机架下的承重梁上。盘车手轮有的固定在电机轴上，也有平时 挂在附近墙上，使用时再套在电机轴上。 在斜行电梯中才用高效节能、驱动系统动态性能好多极低速直接驱动的永磁同 步无齿轮曳引机，如图1 2 所示。 4 第l 章绪论 爹气醚_ | 器：o j 。豢 洛 鼯joo警 图1 - 2 永磁同步无齿轮曳引机 永磁同步无齿轮曳引机具有无需庞大的机械传动效率仅为7 0 左右的蜗轮、 蜗杆减速齿轮箱；与感应电动机相比，无需从电网汲取无功电流，因而功率因数 高；因没有激磁绕组没有激磁损耗，故发热小，因而无需风扇、无风摩耗，效率 高：采用磁场定向矢量变换控制，具有和直流电动机一样优良的转矩控制特性，起、 制动电流明显低于感应电动机，所需电动机功率和变频器容量都得到减小；节省 建筑空间：无庞大减速齿轮箱、无激磁绕组、采用高性能钕铁硼永磁材料，故电 机体积小，重量轻，可缩小机房或无需机房；使用寿命长、安全可靠：电机无需 电刷和集电环，故使用寿命长，且无齿轮箱的油气，对环境污染少；运行维护费 用少且无刷、无减速箱，维护简单。 1 2 2 斜行电梯分类 广义的电梯概念包括载人( 货) 电梯、自动扶梯、自动人行道等，是指动驱动， 利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运动的梯级( 踏步) ，进行升或者平行 运送人、货物的机电设备。狭义的电梯( 美e l e v a t o r ，英l i f t ) 是指服于规定楼层、 有轿厢的垂直或倾斜升降设备，不包括自动扶梯、自动人行道。动扶梯( e s c a l a t o r ) 是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定力驱动设备。自动人 行道( p a s s e n g e rc o n v e y o r ) 是带有循环运行( 板式或带式走道，用于水平或微倾 斜角输送乘客的固定电力驱动设备。 斜行电梯是一种轿厢沿着倾斜的导轨升降运行，用于维修人员和低于额定载重 货物上下运输以及观光和运输于一体的输设备。 5 。气，函 、一 。涵冁 山东大学硕士学位论文 1 2 2 1 按运行速度分类 电梯按速度分类可以分为低速电梯、快速电梯、高速电梯、超高速电梯四类。 ( 1 ) 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内。 ( 2 ) 快速电梯：电梯的运行速度为l 州s v 2 毗，多层( 1 5 层以内) 客及 住宅电梯运行速度多在此速度区间内。 ( 3 ) 高速电梯：电梯运行速度为2 m s r 6 m s 。 目前使用的斜行电梯因为水平作用力对乘客的影响，安装使用的都是运行度 v l m s 的低速电梯，本论文将设计一种可变角度倾斜机构，减小这种水平作力， 使得斜行电梯的运行速度达到2 5 m s 2 ，则曳引绳最末 端必定是质点，可以将其质量直接叠加到邻近的惯性部件上去。 埘， 2 n 图2 3 曳引绳的离散化 山东大学硕士学位论文 i,!i li i i 鼍曹置鲁曼量舅皇皇曼曼鲁曼量量曼量量| 曼葛 2 4 整梯模型 曳引式斜弧行电梯机械传动系统主要由曳引机系统、曳引轮、导向轮、张紧 轮、轿厢、平衡重、曳引绳、张紧绳等组成。当斜弧行电梯与水平面夹角较大时， 振动模型与垂直电梯相似；当斜弧行电梯与水平面夹角较小时，主要振动为沿导