王曉偉,于艷杰,張瑞軍,王勝春,田 艷

(山東建筑大學(xué) 山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250101)

高速曳引電梯噪聲研究綜述

王曉偉,于艷杰,張瑞軍,王勝春,田 艷

(山東建筑大學(xué) 山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250101)

隨著電梯運(yùn)行速度的不斷提高，噪聲已成為影響乘坐舒適性的重要指標(biāo)。機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲是高速曳引電梯噪聲的主要噪聲源。機(jī)械噪聲的研究主要集中在結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性以及轎廂、對(duì)重與導(dǎo)軌、鋼絲繩間的摩擦等方面；氣動(dòng)噪聲的研究主要圍繞以下三個(gè)方面：一是轎廂外形結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響,二是對(duì)不同頻段噪聲采取的降噪技術(shù)與措施,三是電梯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)綜合分析高速電梯噪聲研究的現(xiàn)狀，探討了高速曳引電梯噪聲研究領(lǐng)域存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)。

聲學(xué)；高速曳引電梯；氣動(dòng)噪聲；機(jī)械噪聲

本文通過(guò)綜述和分析高速電梯噪聲研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與進(jìn)展，指出當(dāng)前研究存在的關(guān)鍵問(wèn)題，預(yù)測(cè)電梯噪聲研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1 高速電梯噪聲激勵(lì)及其特點(diǎn)分析

根據(jù)噪聲的發(fā)生原因，噪聲分為空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)械性噪聲和電磁噪聲[3]。空氣動(dòng)力性噪聲是由于氣體擾動(dòng)產(chǎn)生渦流或發(fā)生壓力突變等情況而產(chǎn)生的；在撞擊、摩擦、交互的機(jī)械應(yīng)力作用下，軸承、齒輪或其他固體零部件發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生機(jī)械性噪聲；電磁噪聲是由于電磁場(chǎng)的脈動(dòng)、交變磁場(chǎng)力的相互作用而產(chǎn)生的噪聲。

根據(jù)曳引電梯結(jié)構(gòu)及其在井道中的運(yùn)行狀態(tài)的分析，黃友認(rèn)為電梯噪聲包括以下三類噪聲源：

1）由電梯橋廂的結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的振動(dòng)噪聲；

2）當(dāng)電梯運(yùn)動(dòng)時(shí)，井道氣流產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲；

3）機(jī)房電機(jī)產(chǎn)生的噪聲[4]。曳引電梯系統(tǒng)主要噪聲來(lái)源如圖1所示。

電梯曳引機(jī)由曳引電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速箱、曳引輪等組成。因電梯頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，而且負(fù)載變化大，從而使曳引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分發(fā)生摩擦、撞擊和共振，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械噪聲。而電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子因偏心作用產(chǎn)生的不平衡的單邊磁拉力，從而產(chǎn)生電磁噪聲[5]。當(dāng)所施加力的頻率與電機(jī)定子的模態(tài)頻率一致時(shí)，電機(jī)將產(chǎn)生高峰值噪聲[6]。如果制動(dòng)器動(dòng)平衡偏差較大，就會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，從而產(chǎn)生機(jī)械噪聲[7]。高速電梯減速箱的蝸輪蝸桿嚙合面間的摩擦也會(huì)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲。曳引機(jī)通過(guò)曳引輪與嵌掛在其上的鋼絲繩之間的曳引力將能量傳給轎廂，從而導(dǎo)致鋼絲繩與曳引輪之間出現(xiàn)滑動(dòng)，使曳引輪槽產(chǎn)生不均勻磨損，并產(chǎn)生機(jī)械噪聲[8]。

電梯轎廂由轎廂架和轎廂體兩部分組成，轎廂架由上梁、下梁和立梁組成，主要作用是固定和懸吊轎廂。如果轎廂壁板振動(dòng)頻率與系統(tǒng)振動(dòng)頻率相近，則產(chǎn)生共振；轎廂緊固件松動(dòng)或者緊固件的位置、數(shù)量不合理會(huì)引起機(jī)械噪聲；轎廂頂繩輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因摩擦產(chǎn)生很大的機(jī)械噪聲[5]。在開、關(guān)門過(guò)程中，廳門和轎門連鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)作聲、安全觸板接觸撞擊聲。

導(dǎo)向系統(tǒng)由導(dǎo)軌、導(dǎo)靴和導(dǎo)軌支架等組成，使轎廂和對(duì)重只能沿著導(dǎo)軌作升降運(yùn)動(dòng)，轎廂和對(duì)重沿導(dǎo)軌上下運(yùn)行時(shí)因摩擦產(chǎn)生很大的機(jī)械噪聲，導(dǎo)軌安裝架不牢固或剛性不夠，使緊固件松動(dòng)，導(dǎo)軌安裝不垂直，導(dǎo)致彎曲變形，從而使轎廂、對(duì)重在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。導(dǎo)靴與導(dǎo)軌間的摩擦產(chǎn)生的噪聲，導(dǎo)靴彈簧預(yù)緊力不夠或是與導(dǎo)軌面的間隙不合理，進(jìn)而使導(dǎo)軌與導(dǎo)靴的安裝有松動(dòng)，從而產(chǎn)生機(jī)械噪聲[5]。

當(dāng)電梯在井道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，井道氣流受到壓縮，會(huì)產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪聲，在高速電梯中，隨著電梯箱體運(yùn)行速度的提高，氣體在瞬間被急劇壓縮，甚至?xí)a(chǎn)生壓力波[9]。同時(shí)箱體與通道之間的縫隙處的氣體，由于流動(dòng)面積的突然縮小，相對(duì)于箱體的流動(dòng)速度便會(huì)突然增加，因此會(huì)產(chǎn)生很大的氣動(dòng)阻力，甚至在箱體上下游處可能會(huì)出現(xiàn)分離和漩渦，這種隧道氣動(dòng)效應(yīng)直接影響到轎廂所受的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲[10，11]。

圖1 曳引電梯噪聲產(chǎn)生原因

從以上分析來(lái)看，電梯的結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的機(jī)械噪聲和井道氣流產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是電梯噪聲主要噪聲源，因此下面主要分析這兩方面的研究情況。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

高速電梯在井道中運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生很大的隧道壓差阻力、氣動(dòng)噪音等，與高速列車經(jīng)過(guò)隧道有相似之處,而對(duì)于列車穿越隧道的問(wèn)題,已經(jīng)做了大量的研究[12―14]。孫艷君等人根據(jù)氣動(dòng)噪聲的性質(zhì)介紹了高速列車的氣動(dòng)噪聲源包括結(jié)構(gòu)體表面流體產(chǎn)生的噪聲和紊流產(chǎn)生的噪聲，分析了高速列車各部位氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理[15]。在研究高速電梯的氣動(dòng)噪聲時(shí)可以從已成熟的高速列車的研究中得到借鑒，從而分析高速電梯的氣動(dòng)噪聲源達(dá)到降低電梯的氣動(dòng)噪聲的目的，但電梯是在一個(gè)封閉的空間內(nèi)運(yùn)行，與列車經(jīng)過(guò)開放的隧道還是有一定差別的，有學(xué)者就兩者間的差別進(jìn)行了研究。段穎等人認(rèn)為高速電梯的運(yùn)行狀態(tài)和物理幾何參數(shù)跟高速列車有很大差別,如電梯的阻塞比要大得多，開口比小得多，電梯轎廂有往復(fù)運(yùn)動(dòng)等，認(rèn)為高速電梯在井道中的運(yùn)行需要專門研究[16]。雖然電梯在井道中的運(yùn)動(dòng)與列車經(jīng)過(guò)隧道有相似之處，但運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還是有很大區(qū)別的，故需要建立新的試驗(yàn)設(shè)備來(lái)專門模擬研究高速電梯的運(yùn)行和氣動(dòng)特性，但還是可以從高速列車的運(yùn)行中得到借鑒和學(xué)習(xí)的。

2.1 電梯的機(jī)械噪聲

在高速電梯發(fā)展的初期，很多電梯公司采用被動(dòng)控制的方式來(lái)解決電梯高速運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲等復(fù)雜的氣動(dòng)問(wèn)題[17，18]。尹紀(jì)財(cái)認(rèn)為電梯振動(dòng)產(chǎn)生的原因包括曳引機(jī)的制造和安裝缺陷，導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和安裝誤差，電梯起動(dòng)加速、制動(dòng)減速時(shí)對(duì)電梯轎廂產(chǎn)生的沖擊載荷，曳引繩張緊力不均勻[19]。杜小強(qiáng)用時(shí)變?cè)ń⒏咚僖芬娞莸囊芬K-轎廂系統(tǒng)非線性時(shí)變動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)高速曳引電梯整個(gè)工作行程內(nèi)的非線性水平振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析[20]。陳祥認(rèn)為電梯運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因是發(fā)生共振現(xiàn)象，可通過(guò)改變曳引機(jī)的激勵(lì)頻率，使其遠(yuǎn)離曳引機(jī)的固有頻率，從而降低電梯的運(yùn)行振動(dòng)，還可通過(guò)在曳引機(jī)和電梯的連接部位采取消振方式來(lái)降低其他方式的振動(dòng)傳播[5]。曹志超對(duì)電梯運(yùn)行的加速度曲線進(jìn)行分析，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整加速度變化率、最大加速度等參數(shù)來(lái)改變電梯運(yùn)行中激勵(lì)力振動(dòng)位移的大小，從整體上反映出電梯運(yùn)行時(shí)垂直方向的振動(dòng)特性和振動(dòng)規(guī)律[21]。YU Dongmei等人認(rèn)為電梯轎廂在導(dǎo)軌上滑動(dòng)必然會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械噪聲，他們使用改進(jìn)后的非接觸軌，即使用磁懸浮制動(dòng)器來(lái)控制孔隙間隙高度，通過(guò)減少摩擦和降低噪聲，使電梯獲得較高的舒適性和速度[22]。

2.2 電梯的氣動(dòng)噪聲

隨著高速電梯運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高，單純的被動(dòng)控制方式難以滿足對(duì)減振消聲的要求，一些電梯公司，如Mitsubishi、Toshiba等，開始從空氣動(dòng)力學(xué)角度來(lái)研究問(wèn)題，開創(chuàng)了利用空氣動(dòng)力學(xué)的理論來(lái)解決有關(guān)高速電梯復(fù)雜氣動(dòng)問(wèn)題的先例[23]。Mitsubishi公司研究了電梯高速運(yùn)行所產(chǎn)生的的噪聲問(wèn)題，他們推斷出，對(duì)于高速電梯來(lái)說(shuō)，由于高速氣流及其壓力場(chǎng)的劇烈變化所引起的氣動(dòng)噪聲要比碰撞所產(chǎn)生的的振動(dòng)噪聲大的多[24]。Shi Liqun等人也認(rèn)為當(dāng)電梯到達(dá)某一速度時(shí)，井道氣流產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲成為橋廂內(nèi)部壞境噪聲的主要部分[25]。因此，如何降低氣動(dòng)噪聲也是發(fā)展高速電梯迫切需要解決的一個(gè)問(wèn)題。目前關(guān)于高速曳引電梯氣動(dòng)噪聲的研究主要圍繞以下三個(gè)方面：

（1）電梯轎廂外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

轎廂外形在氣動(dòng)特性方面的缺陷易造成電梯運(yùn)行時(shí)阻力大，產(chǎn)生振動(dòng)以及噪聲大等問(wèn)題。Matsukura等人建議在高速電梯的兩端各加一個(gè)流線的殼體，并對(duì)加裝流線型殼體的電梯模型進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表面安裝流線型殼體的電梯模型可以將噪聲降低4.1～4.3 dB[24]。李曉東和王凱發(fā)現(xiàn)了轎廂外形在氣動(dòng)特性方面的主要缺陷，并認(rèn)為在轎廂頂端和底部加裝橢圓形導(dǎo)流罩可有效地優(yōu)化電梯轎廂的外形,并改善高速電梯轎廂的氣動(dòng)特性，減小電梯運(yùn)行時(shí)的阻力、振動(dòng)和噪聲[26]。王凱應(yīng)用湍流數(shù)值模型和數(shù)值方程的離散計(jì)算分析得出電梯轎廂所受阻力與繞流阻力系數(shù)隨橢圓形導(dǎo)流罩高度的增加而減少，電梯轎廂兩端的壓差隨導(dǎo)流罩高度增大而減少，他選擇1.0 m高橢圓形導(dǎo)流罩的方案，并將其作為電梯動(dòng)態(tài)運(yùn)行模擬的轎廂模型[27]。陸志華等人根據(jù)噪聲頻率和電梯振動(dòng)特性判別噪聲源，分別從空氣傳聲和固體傳聲兩方面提出了隔聲降噪措施，通過(guò)設(shè)計(jì)隔聲罩控制空氣傳聲；通過(guò)加強(qiáng)轎廂局部剛度，減少轎廂的噪聲輻射，抑制轎廂的局部振動(dòng)和轎廂產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲[28]。Okada和Nishimura N等人介紹了開發(fā)750 m/min電梯所采用的多項(xiàng)降噪技術(shù)，包括改善轎廂減阻形式和采用雙層吸音地板[29]。Salmon JK和Yoo YS則在轎廂的上部和下部安裝空氣導(dǎo)流板，這樣可以減少井道內(nèi)的空氣湍流，轎廂在井道內(nèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣湍流被定向到井道的兩側(cè)，從而降低轎廂在井道中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)[30]。

(2)電梯不同頻段噪聲的降噪研究

因聲音都不是單一頻率的純聲，而是包括很多不同頻率成分的復(fù)音，有些學(xué)者通過(guò)區(qū)分不同頻段的噪聲來(lái)達(dá)到分別降噪。杜小強(qiáng)根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分析建模方法建立高速曳引電梯轎廂SEA模型，通過(guò)換轎廂內(nèi)裝飾材料來(lái)提高轎廂內(nèi)吸聲系數(shù)來(lái)降低轎廂內(nèi)所有頻段的噪聲級(jí)；增加轎門框架阻尼層和增加轎頂板厚度可有效改善轎廂內(nèi)中低頻段的噪聲級(jí)，但對(duì)高頻段噪聲級(jí)影響不大[20]。Landaluze等人采用主動(dòng)噪聲控制（Active Noise Cancellation，ANC）技術(shù)來(lái)降低轎廂內(nèi)部的低頻噪聲[31]。馬登華和何永勝認(rèn)為電梯的導(dǎo)軌噪聲屬于低頻振動(dòng)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，確定采用一種電梯導(dǎo)軌減振降噪裝置，對(duì)電梯的導(dǎo)軌進(jìn)行了減振綜合治理，經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，在電梯高速運(yùn)行下降噪效果依然明顯[32]。

(3)電梯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

電梯轎廂動(dòng)力學(xué)模型的建立關(guān)系到轎廂內(nèi)外部聲場(chǎng)的研究，與噪聲源的確定有密切的關(guān)系。李奇，隋洪濤利用聲學(xué)分析軟件ACTRAN，建立模擬高速電梯轎廂氣動(dòng)噪聲影響分析流程，根據(jù)電梯井道以及轎廂的幾何形式，分析結(jié)果涵蓋了井道內(nèi)電梯轎廂的外部聲場(chǎng)分布、電梯結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)以及轎廂內(nèi)部的聲場(chǎng)分布[33]。黃友，李奇分析了井道內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲對(duì)橋廂內(nèi)部的影響,他們經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噪聲源主要分布在橋廂附近，而橋廂壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部多孔材料與空腔有很好的消聲作用，橋廂壁面縫隙的漏聲效果明顯[4]。杜海軍根據(jù)活塞風(fēng)形成的機(jī)理，以及通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)高速運(yùn)行的列車和礦井內(nèi)提升設(shè)備氣動(dòng)模型的比較研究，建立了基于仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上的氣體擾動(dòng)力模型，并以此修正了高速、超高速電梯運(yùn)行過(guò)程垂直方向和水平方向上的動(dòng)力學(xué)模型[34]。

3 研究總結(jié)與研究趨勢(shì)預(yù)測(cè)

隨著人們生活水平的不斷提高及土地資源的日趨緊缺,高層建筑成為我國(guó)城鎮(zhèn)化的主要選擇，高速電梯作為高層建筑的重要服務(wù)設(shè)施，由于振動(dòng)的加劇和氣流壓力場(chǎng)的劇烈變化而使得轎廂噪聲問(wèn)題突出，已成為影響乘坐舒適性的重要指標(biāo)。

當(dāng)前高速曳引電梯噪聲研究主要集中在機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲兩方面，研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題如圖2所示。

機(jī)械噪聲的研究主要集中在結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性以及轎廂、對(duì)重與導(dǎo)軌、鋼絲繩間的摩擦等方面，研究相對(duì)成熟。

氣動(dòng)噪聲的研究主要圍繞以下三個(gè)方面：一是轎廂外形結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響,轎廂外形在氣動(dòng)特性方面的缺陷易造成電梯運(yùn)行時(shí)阻力大，產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲大等問(wèn)題，并且目前對(duì)轎廂外形的假設(shè)較單一；二是對(duì)不同頻段噪聲采取的降噪技術(shù)與措施,噪聲有不同的頻段，而不同頻段的抑制噪聲的方法有所不同，并且目前對(duì)噪聲的頻段分析較為粗范，有一定的盲區(qū)，無(wú)法達(dá)到更好降噪的要求；三是電梯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，電梯轎廂動(dòng)力學(xué)模型的建立關(guān)系到轎廂內(nèi)部聲場(chǎng)的研究，與噪聲源的確定有密切的關(guān)系，故電梯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立在電梯噪聲的分析中有著不可或缺的作用。

因此，可以預(yù)測(cè)高速曳引電梯噪聲研究將集中在以下幾個(gè)方面：

(1)通過(guò)優(yōu)化轎廂外形和結(jié)構(gòu)，最大限度降低電梯的氣動(dòng)噪聲；

(2)通過(guò)細(xì)化分析電梯噪聲的頻譜特點(diǎn)，研究針對(duì)各個(gè)頻段特性的轎廂噪聲抑制措施；

(3)系統(tǒng)研究電梯動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行高速運(yùn)行狀態(tài)下的仿真分析和噪聲預(yù)測(cè)，為電梯降噪設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

(4)重點(diǎn)解決轎廂系統(tǒng)的流—固—聲耦合或聲-固耦合的分析與控制。

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Summary of the Noise Research of High-speed Traction Elevators

WANG Xiao-wei,YU Yan-jie,ZHANG Rui-jun, WANG Sheng-chun,TIANYan

(Shandong Key Laboratory of Mechanical Engineering Innovative Technology, Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)

With the continuous raising of traction elevator speed,noise has become an important index of ride comfort.Mechanical noise and aerodynamic noise are the main sources of elevator noise.Research of mechanical noise reduction is mainly focused on the reduction of the resonance，the friction between elevator cars and counterweight and guide rails and wire rope.Researches of aerodynamic noise reduction mainly include three aspects:effects of the elevator car’s shape on aerodynamic noise;noise reduction technique for the noise in different frequency bands;and optimal design of elevator system dynamics model.Based on the analysis above,the research trends of the high-speed traction elevator noise are discussed.

acoustics;high-speed traction elevator;aerodynamic noise;mechanical noise

1006-1355(2014)03-0001-05

TU976＋.3；TU112.3

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.03.001

電梯作為主要的建筑服務(wù)設(shè)施之一，伴隨建筑物高度和利用率的不斷提高，其運(yùn)行速度也由中低速（＜2 m/s）向高速（＞2 m/s）和超高速發(fā)展（＞5 m/s），特別是高度在300 m及以上的大樓，電梯運(yùn)行速度甚至已超過(guò)16 m/s，速度的提高導(dǎo)致電梯噪聲與振動(dòng)問(wèn)題日益突出[1]?！禛B/T 10058電梯技術(shù)條件》對(duì)電梯噪聲提出了嚴(yán)格的要求。雖然我國(guó)電梯行業(yè)近10年來(lái)的年均增長(zhǎng)率一直保持在20%以上，2012年電梯銷量首次突破50萬(wàn)臺(tái)[2]，但在低噪音、高舒適性的高端電梯領(lǐng)域，我們與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有比較大的差距，特別是減振降噪等核心技術(shù)方面。

2013-08-12

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（基金編號(hào)：J12LB60）；山東建筑大學(xué)博士科研基金項(xiàng)目（基金編號(hào)：XNBS1244）

王曉偉（1971-），男，山東濟(jì)南人，博士，目前從事綠色設(shè)計(jì)與制造、工程機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

E-mail:wxw221@163.com