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浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 摘要 电梯是一个复杂的机电一体化系统。在电梯高速运行过程中产生的机械振动和冲击 会对其曳引系统产生附加动载荷，影响电梯的工作性能，缩短电梯的使用寿命；振动及其 产生的噪音还会影响乘客的舒适感和健康等。因此，高速曳引电梯的动态舒适性问题已成 为制约电梯行业持续健康发展的一大瓶颈。本文主要从以下几个方面开展了研究工作。 第一章，阐述了本文的研究意义和背景。介绍了国内外电梯振动特性研究现状，同 时介绍了在汽车工业等领域广泛应用的噪声预测分析技术，再者介绍了电梯相关性能测试 技术的发展，提出了本文的主要研究内容。 第二章，在分析电梯系统的结构和振动特点的基础上，建立了电梯系统垂直方向1 0 自由度动力学模型，及水平方向4 自由度动力学模型，并以某电梯为例，使用m a t l a b 编程 进行了相关振动特性计算。 第三章，从电梯轿厢结构出发，建立了电梯轿厢结构有限元模型，对电梯轿厢进行 了结构模态分析。同时对轿厢内声学空腔进行了模态分析，并以轿厢结构谐响应分析结果 为轿厢声腔的边界条件，建立了轿厢声腔边界元模型，同时进行了轿厢内噪声场预测。 第四章，介绍了曳引电梯动态特性测试分析系统硬件的开发工作，完成了测试系统 硬件的方案设计、电路设计、及固件设计。 第五章，贪绍了曳引电梯动态特性测试系统分析软件的设计工作，完成了测试软件 系统规划及具体实现。 第六章，介绍了电梯动态测试的要求，以及本文所研究系统的实验方案，并对某电 梯进行了动态特性测试。 第七章，对前述工作进行了总结，并对今后工作方向进行了展望。 关键词：曳引电梯；动态特性；动力学模型；声辐射；噪声场预测；声场边界元； 测试系统 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 a b s t r a c t t h ee l e v a t o ri sac o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o ns y s t e m t h ev i b r a t i o na n ds h o c k g e n e r a t e di nt h em n n m gw i l lm a k et h ep e r f o r m a n c eo fe l e v a t o rw e a k ，a n dm a ys h o r tt h e d e v i c e sl i f e - c i r c l eb yl o a d i n gd y n a m i cf o r c eo rm o m e n t o t h e r w i s e ，t h ev i b r a t i o nn o i s ew i l l m a k ep a s s e n g e r su n c o m f o r t a b l e t h e r e f o r e ，t h ed y n a m i ca n dr i d eq u a l i t yh a sb e c o m e dak e y p r o b l e mo ft h ed e v e l o p m e n to f t h ee l e v a t o ri n d u s t r y t h et h e s i si sa l lo u t g r o w t ho ft h ea u t h o r sw o r ko nt h ed y n a m i c s ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o n ， d y n a m i cs y s t e mm o d e l i n g ，a n da c o u s t i cr a d i a t i o no ft h ee l e v a t o r t h ew o r ki n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s i nc h a p t e r1 ，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 er e s e a r c ha r ep r e s e n t e d ，t h ec u r r e n t r e s e a r c hs i t u a t i o n so ft h et h ed y n a m i c so ft r a c t i v ee l e v a t o ra r em e n t i o n e d s e c o n d l y ，t h ec a r n o i s ep r e d i c t i o na n da n a l y s i sm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d t h e n ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h e d e v e l o p m e n to ft h et e s td e v i c e si sp r e s e n t e d f i n a l l y ，t h es t u d yc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o na r e g i v e n i nc h a p t e r2 ，a10 一d o fv e r t i c a ld y n a m i cm o d e lo ft r a t i v ee l e v a t o rs y s t e ma n da4 - d o f h o r i z o n t a ld y n a m i cm o d e lo fe l e v a t o rc a ra r eb u i l d e d ，a f t e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e v a t o r s s t r u c t u r ea n dv i b r a t i o na r ea n a l y z e d t h e n ，a ne x a m p l ei sp r e s e n t e d ，a ne l e v a t o r sv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i ci sc a l c u l a t e d i nc h a p t e r3 ，t h es t r u c t m em o d a la n s l y s i so fe l e v a t o rc a ri sp e r f o r m e do nt h eb a s i so ft h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l t h ea c o u s t i cm o d a lo fc a v i t yo fe l e v a t o rc a ri sc o m p u t e d l a s t l y ，t h e a c o u s t i cb o u n d a r ye l e m e n tm o d e li sb u i l t ，a n dt h ea c o u s t i cr e s p o n s eo ft h es t r u c t r u ev i b r a t i o ni s c o m p u t e d i nc h a p t e r4a n dc h a p t e r5 ，t h ed e t a i ld e v e l o p m e n to ft e s ta n da n a l y s i ss y s t e mi sp r e s e n t e d ， i n c l u d i n gh a r d w a r e ，f i r m w a r e ，a n ds o f t w a r e i nc h a p t e r6 ，t h es t a t e dt e s tr e q u i r e m e n to fe l e v a t o rq u a l i t yi si n t r o d u c e d ，t h e ns o m et e s t s a r ep e r f o r m e du s i n gt h et e s ts y s t e mm e n t i o n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a r p t e r7 ，t h ec o n t e n ti ss u m m a r i z e d ，a n dt h er e s e a c hi nf u t u r ei sg i v e n k e y w o r d s ：t r a c t i o ne 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 y n a m i cm o d e l i n g ，a c o u s t i c r a d i a t i o n ，n o i s ep r e d i c t i o n ，b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，t e s ts y s t e m i j 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作槲：掀闷锪鳓期：脯7 月节 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 浇阁钦 导师签名： 钙班 签字日期：2 p 铲哆月钐日 签字日期：印学年7 月卯日 71 浙江大学硕士学位论文 曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 致谢 本学位论文是在导师梅德庆副教授的精心指导下完成的。值此论文完成之际，我要 深深地感谢导师梅德庆副教授在我两年多的学习和生活中所给予的谆谆教诲和悉心关怀。 在课题研究和论文撰写的整个过程中，自始至终得到了导师的精心指导和热情帮助，凝聚 着导师的智慧和汗水。 感谢何闻教授、傅建中教授、王文副教授等老师在学习和课题研究中给予我的帮助 和指导。 感谢课题组杜小涅、孔天荣、李欣、黄严峻、汪延成、姚晶赫等博士生给予我的支 持和帮助。感谢蔡立挺、乔华伟硕士生，邵雨良硕士的帮助。 感谢浙江大学，在浙大求学的两年是收获的两年，浙大求是创新的校训深深地影响 了我，在以后的学习工作中我将铭记求是创新的精神。 感谢父母对我的养育之恩，在学习和生活上对我无私的支持和关心，是他们的关怀 与帮助，使得我的学业能够顺利完成。 感谢所有帮助、关心、理解和支持我的亲人、师长、同学及朋友。 最后，谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者致以最诚挚的谢意。 张国欣 2 0 0 8 年6 月于求是园 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的丌发 1 绪论 1 1 论文的研究背景和意义 电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种运输工具，其地位相当于“垂直运动 的汽车”。发达国家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 使用量已成为衡量现代化程度的标志之一【。 我国电梯行业的发展虽起步较晚，但改革开放的不断深入促进了我国电梯行业的高 速发展。现在无论是在电梯的制造还是使用上，我国已成为世界上的电梯大国，仅2 0 0 5 年一年我国就生产了1 3 5 万台电梯，年产量超过了全世界生产总量的三分之一。尽管如此， 我国的电梯现用量远未达到饱和的程度。如果按每1 0 0 0 人拥有1 台电梯的世界目前平均拥 有量来计算，我国电梯拥有量将在1 3 0 万台以上。此外，在达到这个拥有量的基础上，每 年仅报废更新就需要6 万台。如此庞大的市场需求为我国的电梯行业创造了广阔的舞台! 然而与电梯产量不断扩大相比，我国拥有自主知识产权的电梯品牌的运行品质和速度并没 有获得太大提高，我国电梯行业的整体技术水平与国外仍存在很大差距。目前国内电梯制 造厂家大多只能生产低于3 m s 0 9 电梯，且在动态性能和舒适感等方面均无法与进口电梯相 比。国内电梯行业要实现从量到质的飞跃，就必须尽快提升自主品牌电梯( 尤其是高速梯) 的品质。 电梯主要分为曳引电梯和液压电梯两大类，按速度分类可以分为低速电梯( v l m s ) 、 中速电梯( 1 m s 曳引轮转速) ，中间有蜗轮一蜗杆减速箱 或齿轮减速箱( 行星齿轮、斜齿轮) 无齿轮电梯曳引轮转速与电动机转速相等，中间无 蜗轮一蜗杆减速箱或齿轮减速箱。对于这类电梯，要求电动机具有提供低转速、大转矩的 能力。 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，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 同传统的有齿轮曳引电梯相比，具有结构简单紧凑，低能耗、高效率，噪声低，性能价格 比高，安全可靠性高等优点【引。 ( 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、中速电梯、高速电梯、超高速电梯四类卜3 】： 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间内。 2 ) 中速电梯：电梯运行速度l m s v 3 m s ，用于实行了分区控制的高层大厦。 1 3 电梯动态特性国内外研究现状 1 3 1 电梯振动特性国内外研究现状 电梯是一个复杂的机电系统，由于设计制造，安装调试，以及运行损耗、磨损等方 面的原因，往往会造成系统运行的不平稳，即产生振动现象。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( 如电磁导靴) 等。国外学者对电梯振动控制研究比 4 浙i r 大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 较多；国内主要是电梯系统研究和工程减振方面的，比较零散且少，目前还没有电梯主动 控制方面的应用。 轿厢是运送乘客和货物的载体，它的运行状况直接反映了电梯的质量水平，所以通 常所说的电梯振动一般是指轿厢的振动，而把电梯系统中其它部件的振动看作是轿厢振动 的激励源。按方向分，轿厢的振动可分为垂直振动和水平振动。造成振动的主要原因如图 1 3 1 所示2 1 。 图1 3 1 轿厢振动的原因 电梯的振动直接影响到乘坐的舒适性，当振动达到某一较大程度时，还会引发安全 事故。因此，深入分析电梯振动的机理，掌握振动产生的原因，并对其加以控制己成为电 梯研究领域的一个重要研究课题。 1 3 1 1 电梯垂直振动研究 湖南大学的陈炳炎、于德介等a t l 3 - 1 7 】利用拉格朗日方程建立了l ：l 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，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 i 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l 均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【1 7 - 2 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。上海交通大学的王印辉掣2 2 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 t l 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1 2 3 噜艮据建立的电梯实验台，) 蝴m a t l a b 仿真软件对电梯 s 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的歼发 系统进行建模与仿真，研究通过调整控制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【2 4 2 5 1 建立了曳引电梯l ：1 系统垂直振s h i 劳和水平振动比较简单的模型，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。 英国的k n a i 等人【2 6 之7 】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( 如图1 3 2 所示) ：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、补偿绳链) 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、补偿绳链) 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激励不同频率成分的振动的传递率。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 3 3 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。 s f 姗m 咖r l 翱瑚研麟嘲狮懒 图1 3 - 2 高速电梯系统模型 1 3 1 2 电梯水平振动研究 图1 3 - 3 高速电梯系统动力学模型 电梯系统的垂直振动和水平振动都是影响电梯动态舒适性的重要因素，但国内外对 于水平振动的研究却相对较少一方面，是因为电梯系统水平振动与电梯的传动型式、结 6 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 构和运动参数、导向系统特性等都有密切的关系，振动机理比较复杂，建模困难；另一方 面，对于应用比较广的中低速电梯，水平振动对电梯动态舒适性的影响远没有垂直振动大。 但随着电梯运行速度的提高，水平振动对于电梯性能的影响越来越显著。研究表明，电梯 系统的水平振动正比于电梯的运行速度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 8 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) ，导轨刚度随导靴 位置与导轨支架之间距离的变化。 天津大学的李立京等人【2 9 1 把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( 平行轿厢门) 与摆动的2 自由度水平振动模型，如图所1 3 - 4 所示；他们将导轨简 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，计算了电梯轿厢的振动加速 度响应。 图1 3 - 4 电梯轿厢水平振动模型 r o b e r t s 3 0 1 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 i o k a m o t o 等人1 3 1 1 分析了三种可能存在的导轨扰动模式。傅武军等人【3 2 】在r o b e r t s 和k e n l c h i o k a m o t o 等人的工作基础之上，同样把轿厢一轿架之间视为刚性联接，以坐标变换为基础， 建立了轿厢除垂直移动以外的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：在靠近支架的位置刚度比较大，而在远离支架的 地方刚度则小得多。n a k a o 等人【3 3 1 等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，通过理论分析和仿真计算发现，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，轿厢就会发生剧烈的振 动。 7 浙江大学硕士学位论文 曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 对于高速、高扬程电梯，曳引绳的波动对电梯系统的水平振动具有重要的影响。z h u 等人f 3 4 。5 1 等人基于波动理论分别建立了固定曳引绳和运动曳引绳电梯轿厢振动的边值问 题，并讨论了系统固有振动和响应的分析方法。 目前国内外对于电梯系统水平振动的研究大多还处于理论和仿真研究阶段，还没有 形成一套成熟的理论体系和分析方法。 1 3 2 噪声预测与控制国内外研究现状 电梯噪声的研究报道相对振动方面要少得多。目前可见的国内文献大多是针对电梯 噪声影响因素的定性分析及相应控制策略，其中，陆志华等人的研究比较具有代表性，他 们通过噪声传递路径模型分析了电梯系统中的噪声传递，分别从空气传声和固体传声两方 面提出了隔声降噪措施【3 6 1 。 国外学者对电梯噪声做了一定程度的深入研究，有学者分析了轿厢内噪声( 主要是 空气动力噪声) 的产生原因，展示了以轿厢顶部和底部安装罩子作为解决空气动力噪声方 法的效果3 7 1 。奥的斯公司采用主动噪声控制技术，采用与噪声相位相反的人工声- 9 噪声进 行合成，从而消除噪声【3 8 1 。 目前尚未见到系统分析电梯噪声来源，并建立电梯噪声预测模型的相关研究报道， 而在其它领域如汽车、轨道、航空等，噪声预测已成为结构c a e 的重要部分。 目前噪声预测控制的主要方法有： ( 1 ) 有限元法f e m 1 9 6 6 年g l a d w e l l 和z i m m e r m a n n 建立了一种关于结构一声学理论的能量公式，把声音 视为连续介质的弹性体，用余能定理导出板的振动与声、薄膜振动与声祸合的理论表达式， 但仅限于简单几何形状的物体。7 0 年代初期，a c r a g g s 和t s h u k u 等人开始研究如何利用 有限单元方法分析任意形状房间内声场特性和声学模态的方法【3 叫1 1 。在国内，沈壕，孙洪 生【4 2 1 应用有限元法求解波动方程，计算出了不规则形状房间的简正频率，通过二维模型的 计算，证明了房间的不规则性对室内扩散声场没有影响。 ( 2 ) 边界元法b e m 7 0 年代开始，学者开始应用边界元方法进行声场分析。通过边界积分方程在边界上 离散进行求解的边界元方法，具有计算精度高，数据准备简单等特点，而且它能使问题的 维数降低一维；且只须边界离散化，而不像有限元法需将区域离散化，可大大减少单元， 减少了数据量和计算时间。此外b e m 方法比f e m 方法更多地应用了解析分析结果，所以其 计算精度也比f e m 方法高。最早将边界积分方程方法应用到声学中的是c h e n l 4 3 1 与 r 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 s c h w e i k e r t i 删，通过任意形状物体的表面速度分布来对其进行声辐射预测，随后众多学者 对其进行了研究。针对普通边界元不能计算具有随机边界条件的结构声辐射问题，刘钊、 陈心昭【4 5 j 提出了一种将边界元法与统计方法相结合的统计边界元方法，并导出了求解随机 振动物体辐射噪声声场的计算公式，统计边界元方法是对普通边界元法的改进。 ( 3 ) 统计能量法s e a 有限元法和边界元法适用于低频范围，在高频范围，由于模态十分密集，很难得到 精确、清晰的模态，因而基于模态贡献的分析方法就失效了。6 0 年代初，r h l y o n 和g m a i d a n i k - 等几位美国科学家创立并发展了统计能量分析方法( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ， 简记作s e a ) ，并将其用于解决复杂系统( 含声子系统和结构子系统) 在中、高频段的动 响应问题以及声振耦合问题。统计能量分析方法是一种用于较宽频率范围内的随机噪声的 统计方法。它从统计的角度分析统计密集模态平均的振动能量传递水平，因而模态愈是密 集，统计精度就愈高，振动响应分析的精度也就愈高。这种方法适用于中高频振动分析， 其适用的分析频带较有限单元法宽得多。 朱桂华m 】等应用统计能量分析方法以车辆驾驶室为研究对象，研究板件结构驾驶室 的振动能量及固体声的传递，分析了该结构的振动功率流的特点，并计算了板件振动向室 内辐射的噪声。西安交通大学丁谓平博士和同济大学叶武平【4 7 1 博士用统计能量分析法进行 了车内噪声预测与控制的研究。 1 4 电梯动态特性测试技术的发展 1 4 1电梯振动测试的意义 电梯系统的振动是影响电梯舒适性的主要因素【8 】，也是电梯厂商在生产、安装、维护 重点关注的问题。一般认为，振动加速度( 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 e r 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 na s j e r k ) 是人们感到不适的主要因素【13 1 。 对电梯振动的评价不能仅仅局限在振动加速度和加速度变化率的指标上，还应该充 分考虑人体生理对振动的反应1 4 8 - 5 4 1 。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【4 9 5 0 5 6 1 ，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l o 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，影响比较大的水平振动成分为1 、2 h z 。评价振动对人体的影响可以参照国际标 9 浙江大学硕士学位论文 曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 准化组织制定的“人体承受全身振动的评价指南( i s o2 6 3 1 ) 【5 6 】和西德工程师协会修订 的“机械振动对人体影响的评定标准”( v d1 2 0 5 7 ) i s 7 。 从上节分析的电梯的构成中，电梯轿厢的振动主要来源于曳引机运转产生的振动， 曳引轮绳槽的误差，导向轮的偏差，钢丝绳直径偏差与各曳引绳张力不均匀，导轨质量及 其安装误差，导靴形状与安装偏差，空轿厢自身不平衡，或与轿厢固有频率引起共振等， 但这些振动源的振动频率是不全相同的。 根据对振动信号的的频谱分析，可以发现振源所在，及对人体影响敏感的振动成分， 从而采取有效措施，例如：更换曳引绳绳头组合件中弹性元件；更换轿厢与轿架间弹性元 件等。 1 4 2电梯动态特性测试技术的发展 电梯运行的加速度特性是电梯乘坐舒适性的重要指标，也是电梯测试的重点。早期， 日本g r a p h t e c 公司开发了模拟式测量系统一一w r 7 3 0 0 f 型热笔记录式加速度仪，随着 半导体微处理器的发展，基于微处理器的数字式测量系统出现了，如中科院的d t 2 型、 d t 2 j 型电梯加速度测试仪1 5 8 1 。随着电梯技术的发展，对电梯的测试也提出更高要求。对 电梯加速度测量后，除了需要对电梯运行参数进行是否超标的判断，还需寻找出振源、预 报故障、及时修复，因此测量系统应该具备对电梯振动测量信号作进一步分析处理的能力。 功能强大的电梯加速度测量系统已有较多的商品化仪器，如美国p m t 公司( p h y s i c a l m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e s ，i n c ) 开发的e v a 一6 2 5 电梯品质检测分析仪，它能够记录和分析 电梯和自动扶梯的振动情况。简单地说，将e v a 6 2 5 放在一台电梯内，与其随行，便能记 录电梯的运行状态和噪音随时间变化的全面情况。随后将记录的信息下载至p c 机，使用随 机提供的电梯振动分析工具软件进行分析【5 9 1 。再如，tt lv 南德意志集团的电梯诊断系统 a d i a s y s t e m ，a d i a s y s t e m 是一套运用计算机对电梯和自动扶梯进行测量并对测试 结果进行适当记录的系统方法。全套工具包括测量仪器和专用的软件工具。通过笔记本电 脑和专门开发的电子传感器各种相关的安全方面在现场直接被记录下来】。 电梯曳引机是引起电梯振动的主要原因之一，它的振动测试一直是电梯测试的重要 组成。目前曳引机振动测量仪的开发国内外均有报道( 例如北京振通检测技术研究所开发 出9 11 k t d e 梯曳引机专用振动测试分析仪i 刚1 ) ，测量仪器可以完成曳引机振动测量，对振 动信号进行频谱分析，并根据振动信号进行故障诊断。电梯导轨的形位误差也是影响电梯 动态特性的关键因素之一，天津大学研制开发出一套基于激光准直技术的电梯导轨自动检 测装置，为电梯导轨的品质保障提供了一种快速、高精度、高效率的综合质量检测手段【6 2 1 。 1 0 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的丌发 随着现代测试技术与电梯行业的发展，电梯动态特性测试系统只有不断改进与完善 才能为电梯技术的发展提供配套的优质服务。 1 5 论文主要内容 本论文依托浙江省科技计划重大机电装备专项“高速高舒适性曳引电梯关键技术研 究与产业化开发”( 项目编号：2 0 0 6 c 1l1 4 1 ) ，结合目前国内电梯制造企业实际情况，分 析电梯动态特性，通过对曳引电梯垂直和水平方向的动力学建模，识别电梯振动模态特性， 同时对电梯轿厢内噪声场进行研究与预测，从理论上指导电梯的设计；并开发了一套便携 式的电梯动态特性测试与分析系统，为电梯制造安装及后期检测提供帮助。如图1 5 1 为论 文的总体框架。 理 论 研 究 与 指 导 图1 5 - 1 论文总体构架 测 试 系 统 开 发 与 应 用 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的丌发 2 曳引电梯振动特性的研究 机械系统的动态分析方法己成为产品设计研究的重要手段【6 3 粕】，本章对曳引电梯系 统的动态特性进行研究，建立电梯动力学模型，为电梯的系统设计、安装调试、振动测试 与分析、故障诊断等提供理论依据和指导。 2 1 曳引电梯垂直方向动力学模型研究 2 1 1 曳引电梯系统原型结构 曳引电梯是当今世界应用最为广泛的梯型，具有安全可靠、提升高度大、结构紧凑 等优点 4 1 。曳引电梯最常用的传动结构型式主要有l ：l 和2 ：1 两种，其它结构的电梯相对较 少。电梯垂直振动动力学系统可以看作由承重梁、曳引机底座橡胶、等效曳引轮( 包括曳 引机、变速箱、曳引轮和导向轮等) 、曳引绳、轿架、轿厢、轿底橡胶、橡胶卡垫( 防晃 橡胶) 、补偿绳链、张紧系统、对重、对重轮、轿顶轮、轿顶轮弹簧、绳头弹簧等组成。 在大多数2 ：1 电梯系统中，对重轮与对重之间为刚性联接。对于不同的电梯配置方案，在 建立其具体的动力学模型和方程时，还需要注意以下两点： 1 ) 对于中低速电梯，一般采用补偿链进行重量的平衡调节，也不存在张紧系统；对 于高速电梯、超高速电梯采用补偿绳和张紧系统； 2 ) 补偿绳和补偿链在建模时的区别在于引、偿绳需要同时考虑其质量、刚度和阻尼， 而补偿链只需要考虑其质量特性。 不失普遍性，本文在建模时考虑了张紧系统和补偿绳，当个别系统没有张紧系统、 补偿绳或者补偿链时，只需将张紧系统和补偿绳的相关参数置零，并去掉相应参数矩阵的 行和列即可。根据以上描述，可建立2 ：1 电梯系统的物理模型，如图2 1 1 所示。 1 2 浙汀大学硕士学位论文 曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 底座 绳头 对重 补偿 张紧 头弹簧 曳引绳 轮弹簧 胶卡垫 图2 1 - l2 ：l 曳引电梯系统 电梯是一个复杂的多自由度非线性振动系统，垂直方向振动主要是通过曳引绳传递 到轿厢的。垂直方向振动的主要影响因素有【6 7 1 ：速度传感器和电机转子的同轴度，绳头弹 簧，钢丝绳的张力，曳引轮线槽磨损，轿厢与轿架之间的减振装置，电梯启动、制动加速 度等。 2 1 22 ：1 曳引电梯垂直方向动力学建模 电梯在运行过程中，乘坐人数的不同和电梯运行高度的不同都将影响到电梯系统的 状态，因此电梯是一个时变模型。但是我们可以做时域离散化，假设各个时间段内的电梯 参数是不变的。同时对其他如轿底橡胶垫等进行等效简化，并且不考虑钢丝绳重量的影响， 建立如图2 1 2 所示的电梯垂直方向10 自由度动力学模型。 1 3 浙江大学硕士学位论文 曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的丌发 血：，c ： k r i ，c 订 ，3 ，r 3 图2 1 - 22 ：l 电梯系统垂直方向动力学模型 图2 1 2 中各个物理参数意义如下： 所一，j ，r l 一一曳引机及导向轮的等效质量、转动惯量和曳引轮绳槽半径； 包，q一一承重梁和减振垫的刚度和阻尼； 尼r ，c r一一曳引轮的转动刚度和阻尼； 7 ：，：，尺：一一张紧系统等效质量，转动惯量和张紧轮绳槽半径； 良：，c ： 一一张紧系统阻尼器的刚度和阻尼； 撇，j ，r ，一一轿顶轮的质量、转动惯量和线槽半径； 朋。，。，r 。一一对重和对重轮质量和、对重轮转动惯量、对重轮线槽半径； 聊，聊。 一一轿架及其附件质量、轿厢及载荷质量； 也，c ，一一轿顶轮弹簧的刚度和阻尼； 1 4 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 k p ，c p 一一轿底橡胶的刚度和阻尼； ”格一一2 纂 亿， k = 格，铲寰 亿心， 旦f 要卜一o t + i o d + 一o u ( 2 2 1 - 4 ) l i 一+ + = 口：1 d tl 苏，j o x f 甜jo x f ” 、 丁2 妒+ 甲1 名+ 净甲1 菇+ 扣 亿m ， + 吉，拜+ 兰，：彰+ 三1 ，劣+ 三，。劣 。 1 5 浙江大学硕士学位论文曳引电梯动态特性研究及其测试分析系统的开发 c = = d = 丢c p ( k 5 - x 6 ) 2 + 吉c ，( k 3 - x s ) 2 + 吉c 。( k 3 + r 3 九) 2 + 丢。 ( x l + r l 晓) 一( x 3 - r 3 讧) 2 + j 1c 2 + 互l 白巍2 + 丢。l 【( 量。+ 凡九) 一( j 。一尺。巍) 】2 + 三q ：( i 4 - 尺。咖) 2 + 1 g 2 ( x 2 - - r 2 晚) - k 4 2 + 吉c 2 x 2 2 - 1 - 扣阮唯：岖删2 系统总势能为： ( 2 i 一6 ) u = 三七p ( 屯一x 。) 2 + 丢七，( t x ，) 2 + 丢七卅( x ，+ 尺，伤) 2 + 丢“【( 而+ 尺隅) 一( 黾- r 3 仍) 】2 + 扣年+ 扣仍2 + 【( x 4 + r 4 仍) 七。咄埘+ 拉x - r 4 + l 2 k 2 ( x 2 - r 2 仍) 一x 4 】2 + i k 2 x 2 2 + l k 如一( x 2 + r 2 仍) 】2 根据拉格朗日第二类方程，可以确定系统振动方程( 2 1 3 ) 中的各矩阵和向量： c i + 2 c r 0 一c ，i cr i o 0 o 0 c ，l r3 一f r ir4 0 0 0 0 一c ， cp 0 0 0 o x = 一，工2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ，x 6 ，仍，仍，仍，红) 7 m = d i a g m l ，m 2 ，m 3 ，m 4 ，m 5 ，m 6 ，i l ，1 2 ，1 3 ，1 4 ) 0 c2 +cfi+cc2 0 一c f2 一c f i o o ccj r2 一