电梯机械系统动态特性研究

1、电梯机械系统动态特性研究摘要：随着高层建筑的涌现，电梯在人们的日常生活中发 挥着越来越重要的作用。然而，随着电梯运行速度的提高， 其在运行过程中所受到的垂直和横向气体扰动力也随之增 大。本文主要对电梯机械系统动态特性进行研究分析。关键词：电梯机械系统；动态特性；建模中图分类号：tu857文献标识码：a电梯机械系统电梯机械系统的工作原理电梯的升降分别为自动运行与检修操作两个工作状态， 升降机械的电动机带动曳引轮，牵引曳引钢绳，曳引绳的两 端分别连着轿厢与对重，减速器曳引电动机发生变速，进而 引发曳引轮的转动，曳引轮和曳引绳之间相互摩擦发生的牵 引力实现轿厢与对重的升降运动，达到运输目的。拖动轿厢

2、 和对重做相对运动，当轿厢下降时，对重上升，反之，轿厢 上升而对重下降，因此就实现了轿厢在井道的上下来回的运 行。在电梯自动运行的状况下，升降机也可以根据要求将一 层的物品或是乘客传送到另一层，再自动返回下一到达点。在自动运行时要求升降机能够将一层楼的产品自动的 传送到另外一层楼的生产输送带上，同时自动返回到出发点 进行下一个工作周期，通过电梯机械系统的自动控制，电梯 可以根据顺序传送运行，随时对本身安全保护，防止发生安 全事故。电梯机械系统的组成分类电梯由电气与机械两大部分构成，包含导向系统、驱动 系统、轿箱和对重装置、层轿门与开关门系统等一些机械系 统。其中曳引式电梯是垂直电梯交通运输中最

3、普遍的方式， 曳引系统主要由曳引钢丝绳曳引机与部分组成，电动机制动 器曳引轮组成电梯运行的动力源，导向系统是由导轨、导靴、 导轨架组成，导向系统控制轿厢只能做导轨的升降运动，进 而限制了轿厢的活动范围，导轨和导靴相互配合，服从导向 系统的安排，经受运动控制的轿厢是电梯中运送乘客物件的 必要工具，轿厢架承受轿厢体，通过承载一定的重量运行到 不同的高度。机械安全保护系统是由限速器、缓冲器与超速保护装置 组成，起保护各部件的作用。重量平衡系统由对重与重量补 偿器组成，对重平衡轿厢部分部件的重量，重量补偿器补偿 轿厢对电梯钢丝绳索产生的重量不平衡。电梯机械系统动力学建模电梯垂直方向振动建模电梯垂直方向

4、振动主要是经过曳引绳经轿厢架传递到 轿厢的。垂直方向激励源主要是曳引机输出转速或力矩的波 动、反绳轮、导向轮、曳引轮等的偏心。钢丝绳是分布质量弹性体，可能会发生自激振动。针对有齿轮电梯，可能还有 由齿轮箱中齿轮啮合发生的振动。电梯的载荷轿厢轿架与的 质量很大（通常在2000kg之上），然而钢丝绳的弹性模量比 较偏小，再加上电梯运行时钢丝绳长度发生变化，所以电梯 系统振动的主要特征是变参数、低频响、大惯性。在电梯动力学建模时，把电梯的对重和轿厢等效为质量，把电梯系统的曳引绳等效为弹簧,把电梯系统作为弹簧一质量模型。当前很多电梯垂直振动的研究者们，很多都 将电梯系统称作7自由度的弹簧一质量系统（曳

5、引比为1 ： l）o7自由度电梯模型在某个程度上表现了电梯系统的动力学特征，但是它忽视了很多重要信息。电梯是一个多耦合 的机电产品，其动力学系统可划分为互相耦合的三个部分： 第一部分是电气驱动系统，主要指的是曳引轮转速的闭环控 制系统；第二部分是绳索（包含补偿绳/链、曳引绳）与经 过它们连接的质量（转动惯量）系统，这一系统的力学特点 依靠于在井道中电梯的详细位置；最后一部分是轿架和轿厢 之间的隔振系统。绳索（包含补偿绳/链、曳引绳）就整个 电梯动力学特性来说，他起着非常重要的作用，由于它严重 地制约到对不同频率成分激振力的传递率与电梯的共振特 性。建立这一高速电梯系统的动力学模型的困难主要体现

6、 在，绳索的质量是不容忽视的，同时各部分的刚度与质量随 电梯在井道中详细位置而发生改变。轿厢水平振动系统建模图1为高速电梯轿厢横向振动系统示意图。通过支撑橡 胶座将厢体落在轿架上，在轿架上安装的四个导靴指引电梯 沿着在井道中固定的导轨上下运动，同时支撑橡胶和导靴一 起起着减振作用。电梯轿厢是一个极其复杂的多自由度振动 系统。电梯轿厢垂直振动是一个非线性时变的振动系统，不 仅轿厢载重是变化的，对重与轿厢两侧钢丝绳的长度也在改 变的；而只有轿厢负载在轿厢横向振动中是变化。因为与轿 厢的自重相比，载荷比较接近，所以一定要考虑载荷对系统 性能的影响。与电梯系统的垂直振动相比，其水平振动通常 不存在的显

7、著的谐波性，这是由于电梯系统的水平振动主要 是由于导向系统的随机偏差引起的。导轨不平顺是高速电梯 轿厢横向振动的主要扰动源，在厢体上直接作用的空气扰动 对超高速、高速、电梯的影响也是不能忽视的。图1轿厢系统示意图电梯的水平振动与垂直振动耦合性比较弱，并且主要决 定于轿厢/轿架的惯性特征、轿底橡胶和橡胶卡垫（电梯轿 厢上部两侧与轿架的联接橡胶）的弹性和阻尼特征，电梯的 各部分之间的拓扑几何特征，以及各种载荷特征。实际上，电梯轿厢与轿架之间是通过橡胶卡垫、轿底橡 胶垫等柔性介质联接起来的，尤其是刚度比较小的橡胶卡 垫，它们对轿厢的水平振动存在非常大的影响。安装误差与 导轨的变形除外，滚动导靴（针对

8、高速电梯通常使用滚动导 靴）补偿链/绳、滚轮的圆度偏差与随行电缆等的长度变化 对电梯轿厢的水平振动也是起着非常重要的影响，另外随着 电梯速度的加快，由电梯两侧气体扰动所发生的水平方向的 力矩、气动力也会对水平振动特性起着极大地影响。电梯参数灵敏度分析减小电梯中的振动频率就要改变电梯曳引机的转动频 率，避免和电梯系统产生共振现象，所以有必要研究电梯的 结构参数和电梯运行的振动频率。电梯参数的变化会影响电 梯振动的固有频率，电梯的固有频率与参数变化大小的比值 就是电梯参数的灵敏度，用3表示电梯的固有频率，s为电 梯的参数，两者求出的偏导数就为电梯的灵敏度。通过所设 计参数的矩阵排列，分析了受电梯振

9、动影响的灵敏度参数， 如表1和表2。随着刚度的变化，电梯运行到不同的位置也 会发生变化，简单的电梯多自由度系统的振动都是对称的， 在电梯运行过程中，电梯的质量矩阵是不变的。从数据上分 析，kl、k2. k3. k5的灵敏度较大，大多数的参数值较小的 数值多对应的灵敏度都偏高，电梯的第四阶段产生的频率跟 电梯的固有频率接近，所以应当在电梯的第四环节加强对电 梯的减振措施，也可以通过调整灵敏度比较高的刚度参数来 改变电梯固有频率，是减少电梯振动的有效途径。电梯机械系统动态优化设计(一)电梯机械系统垂直方向动态特性优化设计在载荷作用下 高速电梯机械系统的振动对乘客的舒适 性与安全性有很大影响，在分析

10、灵敏度的前提下，对电梯轿 厢加速度响应进行优化，用振动加速度均方根值的大小相似 值对厢体质心的振动加速度响应进行模拟，从而得出在各个 时间段上的有效值，电梯机械系统垂直方向的动态特性优化 设计目标函数表达为：式中，各个时间段上电梯轿厢的振动加速度指的是ai。 由灵敏度分析能够得出设计变量是：轿架和轿厢之间超载橡胶垫的刚度炸、钢丝绳的抗拉刚度ea、轿顶轮和轿架 之间弹簧的刚度k3。按照设计变量的调节范围，设计约束条件:电梯的动态性能优化问题则化成为设计变量x二k 3 , kp , eat,致使目标函数f (x)非常小同时符合约束条件的 优化问题。采用复合形法，运用mat lab软件进行编程，设计

11、变量初值为：经过12次迭代，优化设计变量的值为：目标函数值由0. 0052 m / s2下降到5. 5*10-4m/s2,轿 厢运行时最大加速度幅值由0. 3080 m / s2下降到0. 1261 m / s2o国标gb 10058电梯技术条件规定，乘客电梯轿厢 运行时垂直振动加速度值合格品w0. 25 m / s2； 一等品 w0.15m/s2；优等品则w0.07m/s2。由此可见，电梯 在优化前的最大加速度值不满足国际标准。与优化前相比， 优化后的电梯最大振动加速度幅值降低了 60%,达到了国标 gb 10058-88对电梯合格品的要求。优化前的结果如图2所示：图2电梯垂直方向上轿厢的加

12、速度曲线优化后的结果如图3所示：图3优化后电梯垂直方向上轿厢的加速度曲线电梯水平方向动态特性优化设计和电梯垂直方向的动态特性优化设计相同，文章首先建 立电梯机械系统水平方向的动态特性优化设计目标函数表 达式为：1、电梯轿厢在前后x方向动态优化设计分析灵敏度得知，在x方向导轮与橡胶垫块的刚度对电 梯轿厢x方向的振动加速度响应的影响非常大。在优化电梯 轿厢x方向的设计中，优化参数选择导轮在x方向的刚度 kdxl,与橡胶垫块在x方向的刚度kxl,为设计变量，按照 设计变量的调节范围，约束条件设置为：优化电梯的动态性能问题则转化成设计变量x = k xl、 kdxlt,致使目标函数f (x)非常小同时

13、符合约束条件的优 化问题。同理采用复合形法，运用matlab软件进行编程，设计 变量的初值取为：经过优化，变量的值为：电梯轿厢x方向在优化前的加速度曲线如图4所示：图4电梯水平前后方向上轿厢在正弦激励下的加速度 响应优化后的电梯加速度曲线如图5：图5优化后电梯水平前后方向上轿厢在正弦激励下的 加速度响应从图4和图5中可以明显的看到电梯的加速度最大值从 原来的0. 2887 m/s2下降到0. 1079 m/s2,可以看出，电梯 的最大加速度值下降了 53% o电梯轿厢在左右y方向动态优化设计电梯轿厢y方向的优化设计思路与电梯轿厢x方向的优 化设计思路相同，进行优化电梯轿厢的y方向的振动加速度。 分析灵敏度可得，电梯导轮的刚度kdyl与橡胶垫的刚度kxl 当做优化设计变量，取初值是：x = 6. 13*105 n/m, 3 . 15*105t图6为加速度响应曲线：图6电梯水平左右方向上轿厢在正弦激励下的加速度响应优化之后的变量值是：x = 1.31*105n/m, 2. 15*105t图7为加速度响应曲线：图7优化后电梯水平左右方向上轿厢在正弦激励下的 加速度响应电梯优化前的加速度的最大值为0. 9445m/s2,优化后的 加速度的最大值为0. 2206m/s2o可以看出，电梯的最大加速 度的值下降了 76%。有