高速电梯轿厢气动外形设计对气动噪声的影响

黄刚 郭贝

摘  要：目前我国高速电梯振动大、噪声大、气动研究不足、轿厢结构不够合理。为了降低成本，大多数厂家都不愿意投入太多的研究经费，本文主要针对国内厂家生产的高速电梯的舒适性问题，以减轻气流对车内乘客的影响。为了尽快实现电梯高速、智能、流畅、舒适的自主电梯，电梯轿厢机械结构的优化设计具有十分重要的研究价值和参考价值。

关键词：高速电梯;轿厢气动;外形设计;气动噪声

随着电梯不断向高速发展，噪声成为衡量乘客舒适度的重要指标。机械噪声和气动噪声是高速拖曳电梯的主要噪声源。而在高速电梯上、下增加整流罩是控制风噪声的重要措施，整流罩的设计涉及到空气动力学、结构动力学、噪声等多个学科。整流罩的外形设计在降低高速电梯的振动噪声方面起着重要作用。从设计目标的角度来看发动机罩外形和相关尺寸的设计应尽可能减少振动和噪音，同时考虑到发动机罩在其使用寿命内能够承受疲劳载荷，并便于维护等。为了满足这些要求，结构等方面，应考虑整流罩的材料、成本和处理能力。

1 高速电梯轿厢气动外形设计概述

1.1 高速电梯轿厢气动现状

目前，国内对高速电梯基础理论的研究尚属空白，国内高速电梯大多依赖进口，国内高速电梯生产企业也大多是具有自主知识产权的中外合资企业，电梯制造商的自主研发能力很少。特别是由于自主研发对资金和技术人员的需求高、耗时长，国内大多数电梯生产企业都采用国外电梯技术，包括井道设计、通风规划、罐籠结构设计、牵引电机研发等，几乎所有国家都照搬外国标准。因此，研究和优化高速电梯罐笼结构的气动特性具有重要意义。

1.2 电梯速度现状

研究学者朱小京表示，目前，我国大多数电梯生产企业的电梯速度都在4m-1以下。而国产电梯的性能和舒适性仍无法与国外进口电梯相比，中国对电梯的速度要求V≥400m.s-1。国内很多电梯垂直振动只能达到国家最低标准，水平振动水平虽然小，但由于速度低，运输效率很低，且轿厢结构单一，容易受到空气湍流的影响。而电梯提速难以避免也会造成很多问题，如：胶囊的水平和垂直振动、运行噪声等使乘客感到不适，牵引绳、电梯缓冲器和曳引机等安全装置和仪器在胶囊内工作异常，电梯不能准确就位，停机时间短，停机率高，检修周期短，使用寿命低，容易造成安全隐患。

1 高速电梯轿厢汽动对噪声的分析

1.3 高速电梯轿厢气动的分析

轿厢对电梯的额定速度有重要影响，因此应优化轿厢结构，以降低轿厢产生的剪切应力和振动及噪声。为了研究汽车在井中行驶时的气动力，有必要确认汽车在井中的内收通常是由黏性阻尼完成的。保持架向上运动产生的气流运动主要包括：由于活塞效应，一部分风向流过轴形成活塞风，另一部分风在保持架底部向下推动并向上运动。电梯井道壁和罐笼壁设置为绝热壁，电梯井道两端的通风口设置为随压力变化的自由通风口，在保持架动力学模型图中，轴中的空气被视为可压缩的理想流体。

1.4 电梯气动噪声分析

我国大多数电梯产品都是根据低速电梯噪声源的特点进行声学设计的。未来，随着电梯速度的提高，空气动力噪声源的影响将越来越大，为了避免声共振，有必要研究噪声源的空间声学模式和频谱特性。

电梯轿厢底部有两个涡流区，主要原因是气流以高速从轿厢和井壁之间的间隙流出，并以高速向下移动。然而，电梯轿厢底部附近的流速很小，因此形成了不稳定的漩涡，此时，电梯轿厢周围的空气雷诺数相对较大，因此轿厢附近的高压不足以将边界层推到轿厢后部，非定常涡的持续脱落和演化会使流场中的压力分布剧烈波动，导致下游阻力和轿厢表面的横向升力发生周期性或非周期性变化，导致无序，对于非周期流体动力学，由于结构阻尼和空气动力阻尼的共同作用，周期流体动力学将被缓慢消耗。但流体动力的周期性变化是负阻尼的本质，体现在胶囊结构与井内流体的相互作用中，为了吸收能量，而不是浪费能量，使原本轻微振动的胶囊结构振幅得以放大，尤其是当漩涡脱落频率和系统链的振动频率结合在一起时，会使电梯产生共振。

1.5 轿厢整体刘罩分析

对运行速度为8m/s、额定载荷为1000kg的单井高速电梯进行了研究和计算。电梯井道横截面为2200mm×2100mm矩形，轿厢横截面为1600mm×1400mm矩形，轿厢高度为2500 mm。为了分析通过保持架壁的流速和压力分布，应将电梯井的内表面、保持架的外表面和整流罩封闭在一个完整的计算域中。为了避免气流方向对计算结果的影响，只选择局部区域的速度和压力分布。通过仿真分析，将几何模型简化为：风道系统具有良好的密封性能，除进风口和出风口外无漏气;空气是一种不可压缩的流体，其密度是恒定的。由于需要获得通过罐壁外侧的气流速度和沿罐壁外侧的压力分布，在闭合后，使用预处理软件ICEM对整个计算域进行网格化，并将刚体视为柔性体。首先，进行拓扑构造以检查几何误差，同时生成特征线以创建外部域（计算域），这是流体操作的空间。Z是2200/1600=1.375，X是2100/1400=1.5，Y是2。然后，设置网络参数，划分刚体-柔性网格，最后导入Fluent求解器进行仿真计算。

1.6 轿厢气动阻力和侧向压力分析

在高速电梯垂直提升过程中，轿厢和对重以相同的速度移动，导致竖井内气流剧烈。气流的运动在汽车表面产生巨大的垂直气压，这被称为气动阻力。井内气流运动产生的气动阻力不仅对汽车产生纵向压力，而且对汽车的横向产生一定的力。由于气流的运动，将触发拖曳钢丝绳的巨大牵引力。同时，横向上笼导轨将与导靴产生剧烈摩擦。随着轿厢速度的增加，气流会加强，轿厢外壁上的压力会增加，轿厢提升的稳定性会减弱。

2 小结与展望

在竖井内高速电梯垂直提升过程中，轿厢和对重以相同的速度移动，导致竖井内气流剧烈。气流的运动在汽车表面产生巨大的垂直气压，这被称为气动阻力。井内气流运动产生的气动阻力不仅对汽车产生纵向压力，而且对汽车的横向产生一定的力，由于气流的运动，将触发拖曳钢丝绳的巨大牵引力，同时，横向上笼导轨将与导靴产生剧烈摩擦。随着轿厢速度的增加，气流会加强，轿厢外壁上的压力会增加，轿厢提升的稳定性会减弱。

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