电梯轿厢动力减振器研究

【摘 要】随着城市化的快速发展和现代城市中人口不断增长，现代城市的建筑越来越多地向高层、超高层发展。这些建筑中，电梯已成为必不可少的代步工具。随着电梯的广泛使用，人们对于电梯乘坐舒适性的要求也越来越高。本文从系统受迫振动理论出发，导出了绕绳比为1：1的装有轿厢动力减振器的电梯系统动力学模型，并从理论上证明了可以使用多个不同固有频率的减振器来抑制多个不同频率的垂直振动。

【关键词】电梯；轿厢垂直振动；动力减振器

一般来说，在曳引机输出特性不可改变的前提下，只能通过调整电梯系统的动态参数（电梯各部件的质量、连接弹簧的刚度以及阻尼系统等）来抑制轿厢振动。但是即使在电梯初始设计时，某一个或几个频率上的较大振动有时也很难通过调整系统动态参数的方法被抑制；或者在用的电梯发生了原因不明的较大的振动，现场也很难对电梯系统的动态参数进行调整，这时，只要知道主振频率，使用“轿厢动力减振器”（以下简称为“动力减振器”或“减振器”）来抑制轿厢的垂直振动是一种行之有效的方法，有比较显著的减振效果。

1.轿厢动力减振器原理

1.1动力减振器概述

以绕绳比为1：1的曳引式电梯系统为例，电梯的垂直振动系统是由部件曳引钢丝绳，、轿厢侧绳头弹簧、轿厢架及其附件、轿底减振橡胶、轿厢组成。我们关心的是轿厢的垂直振动，因为乘客乘坐在轿厢内，如果在电梯的运行过程中，轿厢的垂直振幅过大，将大大影响电梯的乘坐舒适性。电梯垂直振动的振源是曳引机的输出波动，一般采用蜗轮蜗杆传动的曳引机，输出特性与设计的齿型、加工精度、装配工艺以及运输吊装等因素有关。当曳引轮转动时的脉动不可避免时，当然可以调整电梯系统的动态参数，也就是调整轿厢架及其附件和轿厢等的质量、绳头弹簧和轿底减振橡胶等的刚度等，这些调整本质上是调整轿厢的各阶固有频率，使其避开激振频率，以免发生共振而引起轿厢过大的振幅。这些调整确实会对轿厢的垂直振动起到抑制作用，但是由于电梯本身的限制，其动态参数不可能非常自由地被调整（比如：轿厢不可能太重，绳头弹簧不可能太软），所以减振作用可能会被削弱。这时，在电梯系统上加装动力减振器可能是既经济，效果又好的选择。

1.2含有动力减振器的电梯系统动力学模型

我们可以建立含有“动力减振器”（本文仅讨论无阻尼型的动力减振器）的垂直方向动力学模型，该模型采用定常系统，模型中忽略了曳引钢丝绳和轿厢动态特性的时变因素以及弹性体的阻尼，根据振动理论，对于仅研究该“轿厢动力减振器”来说，这种简化是允许的。

1.3动力减振器的使用

虽然理论上可以使用多个具有不同固有频率的减振器抑制多个激振频率的振动，但是减振器个数的增多，也意味着轿厢在其他频率上发生共振的概率增高，并且如果两个减振器的固有频率比较接近，还可能会出现“拍频”现象。所以，在实际中，一台电梯的减振器应不多于两个。对于多优势频率成分的振源，可以加装有阻尼动力减振器，虽然理论上有阻尼动力减振器不能使轿厢的振幅减为零，但是可以保证在整个频段内，振幅受到抑制。这无疑对于频率成分较多的较大振动非常有效。当然有阻尼动力减振器的成本要远高于无阻尼动力减振器，且结构尺寸大的多。

2.轿厢动力减振器的结构设计

使用动力减振器抑制垂直振动的关键是使减振器的固有频率与激振频率相等或接近。而在实际中，为了制造和安装的方便，电梯可能并不使用由质量、弹簧系统组成的减振器，减振器的固有频率是不能简单地得到的。所以如何通过简单的结构设计就能获取所需要的固有频率的减振器，并能够方便地进行调节，使其与激振频率相等或接近，对于电梯振动的抑制（尤其是对于在装电梯）非常重要。

2.1动力减振器的结构

某种结构的减振器安装在轿厢侧绳头上方，主振臂固定在曳引钢丝绳上，质量块固定在主振臂上。曳引机的垂直振动通过曳引钢丝绳传递到轿厢侧绳头，此时，减振器和轿厢开始产生响应振动，由主振臂和重块组成的减振器能够吸收来自曳引机的垂直振动，而当减振器的固有频率与曳引机的激振频率相等或接近时，将吸收绝大部分的振动，而使得轿厢的振动被大幅抑制。

2.2动力减振器固有频率的有限元分析

由于该减振器的结构在振动理论中属于连续系统，所以其固有频率有无数个，理论上我们只关心其一阶固有频率，只要减振器的一阶固有频率与激振频率相等或接近，就能大幅抑制电梯在这一频率上的垂直振动。影响该减振器一阶固有频率的主要因素有：主振臂的材料和板厚，质量块的个数和位置等。主振臂材料的刚度越高，板厚越厚，质量块越少，其一阶固有频率就越高；反之就越低。通过网格划分和计算，可得到该模型的各阶固有频率值。改变主振臂的厚度，质量块的个数、材料的特性和尺寸，经反复比较和计算，可以得到不同固有频率减振器的理论结构尺寸。

2.3动力减振器的设计与实际应用

在设计方面，动力减振器的作用是吸收来自振源的振动能量，在保证本身固有频率不变和电梯系统允许的安装空间的条件下，应选用大质量和高刚度的结构。因为这种结构能够保证在吸收较大的振动能量时，减振器本身不会发生较大的振幅，从而保证减振器所需的安装空间最小和减振器可靠地工作。

实际应用方面，由于成本原因，减振器的规格应越少越好。而根据有限元计算和实物测试结果，可以得到以下结论：

由于主振臂板厚和质量块个数的变化对于减振器固有频率的变化是不连续且影响显著，所以可以用来对应不同的频段。而尺寸的变化对于减振器固有频率的变化是连续且影响较小，所以可以设计为可调节的结构，以获取该频段内某一需要的固有频率。比如：3. 2mm的主振臂板厚和3块质量块的减振器可以对应的较低频段的固有频率（如：20~40Hz），当该减振器的尺寸在60~30mm变化时，可以获该频段的任意固有频率。尺寸和固有频率的关系不是线性的，更好一种方法是根据试验数据绘制对于不同频段的“尺寸—固有频率”对应关系图表，在减振器的选用和安装时会更加方便。

3.结束语

从根本上说，对于电梯垂直振动的抑制，最有效的方法是从振源曳引机着手，使用高质量的电动机，提高蜗轮蜗杆的啮合精度，提高曳引轮、导向轮的制造、安装精度等措施是抑制电梯垂直振动最为有效的方法。其次应对于振动的传播路径进行优化，使用弹性和阻尼元件并选择合理的动态参数进行隔振，控制轿厢的振动响应在合适的范围内。动力减振器是在上述方法均无法有效达到抑制振动的目的，或者在用电梯发生原因不明的较大振动时而采取的方法。动力减振器的使用要占用一定的轿顶空间，会给维护保养带来不便，因此在电梯初始设计时应尽量避免使用。

【参考文献】

［１］赵玫,周海亭,陈光冶等.机械振动与噪声学［M］.北京:科学出版社.2004.

［２］朱昌明,洪致育,张惠侨.电梯与自动扶梯［M］.上海:上海交通大学出版社.1995.

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