高层高速电梯振动特性分析

于仁东　木也斯尔·木沙

摘 要：振动是电梯在运行中经常出现的问题，不仅会影响电梯的使用寿命和功能，同时也对人们的生命安全造成一定威胁，因而电梯的振动问题越来越受到人们的广泛关注。本文首先阐述了电梯基本结构及工作原理，分析了电梯垂直方向振动特性及控制振动的措施，希望对相关研究领域提供借鉴经验。

关键词：高速电梯；振动特性

我国经济的快速发展，促进了建筑行业的发展。电梯作为高层建筑中的重要设施，对人们的日常生活产生极大影响。随着电梯应用比例的增加，人们对乘坐电梯的舒适度提出了更高要求。多种因素都可对电梯的舒适性产生影响，振动是最常见因素，因而需要加强对高层高速电梯振动特性的研究，明确电梯振动的机理，采取有效措施，提高电梯安全系数，减少电梯振动对人们造成的影响。

1.电梯基本结构及工作原理

随着电梯在高层建筑中应用频率的增加，电梯的安全问题也越来越受到高度关注，加强电梯运行中的振动特性研究十分重要。电梯设备依附于建筑物，主要由8个系统和4大空间部分组成，即曳引、导向、轿厢、门、重量平衡、电力拖动、电气控制及安全保护系统和机房、井道与底坑、轿厢及层站部分[1]。

电梯在上下运行时，轿厢与对重是由钢丝绳连接，在曳引电动机的作用下，曳引轮开始转动，由于曳引绳和曳引轮之间的摩擦会产生曳引力，因而使轿厢、对重实现了相对的升降运动。曳引机、曳引钢丝绳及导向轮等构件构成了电梯的曳引系统，钢丝绳对动力进行传递，进而推动电梯上下运行。

2.电梯垂直方向振动特性

2.1电梯垂直震动机理

电梯系统较为复杂，在其垂直运动方向上，曳引绳对动力进行传递而产生冲击力，进而施加给轿厢。曳引机波动、钢丝绳与补偿链发生摆动以及导轨产生不平衡的摩擦，都会使电梯垂直方向受到不同的阻力。另外，由于钢丝绳具有一定收缩性，某些情况下，会产生简谐震动。针对那些齿轮形式的电梯，由于齿轮之间产生摩擦，会对齿轮造成磨损，齿轮啮合不稳，最终会导致电梯出现振动。通常情况下，电梯的轿厢和载荷质量都要超过3吨，而钢丝绳的强度会随着电梯的运行而发生改变，因而电梯振动时主要具有惯性大、参数变化快及低频响应等特点。电梯系统较为复杂，多种因素都可以使电梯发生振动。

曳引式电梯具有结构简单、安全系数高等优势，因而使其成为了当前使用频率最高的电梯类型。现阶段，曳引电梯主要有两种传动结构类型，即 1：1和1：2，也就是单绕和复绕[2]。在对高层高速电梯振动特性进行研究时，往往需要建立起动力学方程数学模型，在实际建模研究中，需要充分考虑高层建筑高速、补偿绳摆动及质量等方面的变化情况。

2.2电梯垂直动力学建模

由于电梯类型不同，其振动系统的数学建模也不同。目前在国内，在高层高速电梯通常都会选用单绕式的曳引电梯，因而下文主要对单绕式的电梯机械系统进行建模研究。电梯在垂直方向的动力学建模简化模型如图1所示。

图1 电梯垂直方向的动力学建模简化模型

可以把电梯机械的振动看成一个受到激励的单自由度振动系统。轿厢质量M是等效刚度为K的弹性弹簧中的一段，当电梯轿厢上升时，轿厢运动速度会发生改变，进而发生振动，此时的轿厢就是一个振动体，并且会随着电梯运行速度和机械系统的刚度的变化而发生改变。可以把电梯轿厢下超载橡胶和曳引钢丝绳看作是一个弹簧，并把轿厢、轿厢架子及轿厢载荷质量看做M。电梯运行过程中，钢丝刚度会随着时间的变化而发生改变，此时弹簧刚度K也会发生变化[3]。电梯在运行过程中的加速度a（t）是曳引机的主要振动源，把曳引机的额定运行速度和电梯的运行加速度作为参照系数，可以把曳引机的运行加速度近似成轿厢的运行加速度，从而可以从理论上得到电梯的振动模型。

3.控制电梯振动幅度——优化电梯系统参数

由于曳引电梯产生的激励源及曳引运动速度的增减，一定程度上会使电梯 振动具有一定规律性。一方面可以调整电梯系统的运行参数，从而使电梯系统的振动频率降低，另一方面，也可以通过改变电梯自身的固有频率，从而使电梯轿厢质量发生改变，进而减少电梯振动。在实际应用中，为了对电梯的振动情况进行控制，通常会使用优化电梯系统参数的方法。

多次实验研究证明，如果电梯轿厢的质量增加，振动幅度也会随之增大，而如果将电梯曳引钢丝直径变大，电梯的振动幅度就会减小；若改变电梯顶层高度，而此时电梯振动幅度则无明显变化，但是当电梯处于顶层的位置时，电梯振动加速度则没有明显改变。由此可以判断，电梯运行的最大加速度、变化速率等会对电梯的振动特性产生较大的影响，因而想要对电梯的振动情况进行有效控制，可以通过适当调整加速度变化率、最大加速度等参数可以改变电梯运行中激振力振动位移的大小，从而可以得到最小的振动响应。

4.结束语

电梯作为高层建筑中的重要设施，对人们的日常生活产生极大影响。随着电梯应用比例的增加，在电梯运行过程中出现的振动问题也随之增加，不仅对电梯的功能和使用寿命造成影响，同时也威胁着人们的生命安全。因而我们要对电梯的振动问题有足够重视，掌握高层高速电梯振动的特性和规律，加强防范与控制，降低电梯故障率，确保电梯安全平稳运行。

参考文献：

[1]曹智超.高层高速电梯振动特性研究与实验[D].中南大学，2012，06（10）：18-19.

[2]尹纪财.中高速电梯曳引系统振动问题的研究[J].苏州大学，2011，04（01）：11-12.

[3]吴慧.高速曳引电梯的动态特性研究[J].南京航空航天大学，2013，01（01）：9-10.