葛欣

摘 要：隨著電梯運(yùn)行速度的提高，由導(dǎo)軌或井道空氣激勵(lì)引起的電梯轎廂橫向振動(dòng)也越來(lái)越大，大大降低了電梯乘坐的舒適性。本文介紹了國(guó)內(nèi)外超高速電梯橫向振動(dòng)的一些控制方式。綜合對(duì)比分析后提出，考慮主被動(dòng)控制的耦合性，采用多目標(biāo)、系統(tǒng)級(jí)的集成設(shè)計(jì)方法，對(duì)主被動(dòng)控制方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可能取得較為滿意的控制效果。

關(guān)鍵詞：超高速電梯； 轎廂橫向振動(dòng)； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

The Discuss of the control methods of car lateral vibration for super high-speed elevator

Ge Xin

Abstract： The car lateral vibration caused by the unevenness of the guide-rails and air disturbance has become more considerations， as the running speed of elevators becomes faster， and it also cant satisfy the general requirements of the riding comfort. The paper introduces the control methods of the car lateral vibration. It also presents the integrated design of systematic and multi-objective which the couplings between the passive and active controls are taken into consideration could achieve good results.

Key words： Super high-speed elevator； Car lateral vibration； The integrated design

1.前言

電梯是隨著高層建筑的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的一種垂直運(yùn)輸工具，是現(xiàn)代生活必不可少的交通工具[1]。由于亞洲的人口密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)歐美，因此對(duì)高層和超高層建筑有著一定的需求。為了節(jié)省運(yùn)送乘客的時(shí)間和提高電梯運(yùn)送乘客的效率，有效地解決高層和超高層建筑內(nèi)的交通問(wèn)題，客觀上提出了對(duì)超高速電梯的需求。目前，習(xí)慣上將速度高于5.0m/s的電梯稱為超高速梯[2]。

但是電梯速度的提高，使得其橫向振動(dòng)隨之加劇。強(qiáng)烈的振動(dòng)不僅會(huì)減短精密儀器儀表的壽命，影響電梯的工作性能，甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生；即使電梯有可能承受這樣的振動(dòng)，也會(huì)大大降低電梯乘坐的舒適性，影響電梯企業(yè)的信譽(yù)，削弱其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)電梯企業(yè)生產(chǎn)的超高速電梯與國(guó)外同類產(chǎn)品相比存在較大的差距。

2.轎廂橫向振動(dòng)原因分析

由于設(shè)計(jì)、制造和安裝方面的缺陷，電梯轎廂在運(yùn)行中總會(huì)出現(xiàn)不同程度的橫向振動(dòng)。電梯是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，造成轎廂橫向振動(dòng)的原因是多方面的。在正常情況下，造成橫向振動(dòng)的原因主要可以歸納為兩個(gè)方面：

2.1 導(dǎo)向系統(tǒng)

電梯導(dǎo)向系統(tǒng)由導(dǎo)軌和導(dǎo)靴等部件組成，其作用是限制轎廂與對(duì)重的運(yùn)動(dòng)自由度，使轎廂和對(duì)重只能沿著導(dǎo)軌作升降運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌由一系列按一定間距分布的導(dǎo)軌支架支撐著，在導(dǎo)軌支架直接支撐的地方導(dǎo)軌彎曲剛度相對(duì)較強(qiáng)，而導(dǎo)軌支架之間的部分彎曲剛度則明顯較弱，這意味著導(dǎo)軌的彎曲剛度在高度方向上呈周期性變化，這也會(huì)導(dǎo)致轎廂產(chǎn)生振動(dòng)。此外，導(dǎo)軌本身的安裝缺陷，可能引起轎廂的水平振動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，導(dǎo)軌擾動(dòng)可以分為彈性彎曲，接頭階躍，接頭傾斜和表面磨損四種形態(tài)，如圖1所示。Utsunomiya[3]對(duì)導(dǎo)軌的功率譜分析表明，軌道擾動(dòng)主要集中在低頻區(qū)；并且存在一個(gè)主要的擾動(dòng)頻率，該頻率與電梯運(yùn)行速度成正比，與導(dǎo)軌的長(zhǎng)度成反比。天津大學(xué)的李醒飛和李立京[4]等通過(guò)導(dǎo)軌直線度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了轎廂橫向振動(dòng)特性，研究結(jié)果表明，轎廂橫向振動(dòng)理論結(jié)果的頻譜特征與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

2.2 空氣壓力擾動(dòng)

隨著電梯運(yùn)行速度的提高，井道內(nèi)氣壓變化會(huì)對(duì)轎廂產(chǎn)生波動(dòng)。朱昌明[2]等通過(guò)對(duì)井道中運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試得出，額定速度7m/s，額定載重量1600Kg單電梯運(yùn)行過(guò)程中井道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生平均12.5m/s的風(fēng)速。這種壓力波動(dòng)會(huì)使轎廂產(chǎn)生振動(dòng)。

3.橫向振動(dòng)控制方式

根據(jù)轎廂橫向振動(dòng)的形成原因，目前采用的控制方式主要分為三類：①減少振源；②被動(dòng)控制；③主動(dòng)控制。

3.1 減少振源

設(shè)計(jì)開發(fā)新型導(dǎo)靴和轎廂可以有效地降低振動(dòng)傳遞和減少電梯運(yùn)行中所受到的氣壓波動(dòng)。

日本三菱電機(jī)Okamoto[5]設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)靴來(lái)降低振動(dòng)的傳遞，試驗(yàn)表明該新型導(dǎo)靴與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)靴相比可以降低43%的轎廂橫向振動(dòng)幅度。斯皮勒[6]采用流線型的轎廂外形可以減少超高速電梯在運(yùn)行中由于氣體湍流而引起的轎廂橫向振動(dòng)。

新型導(dǎo)靴和轎廂設(shè)計(jì)、制造成本較為高昂，無(wú)法得到廣泛地推廣、應(yīng)用。

3.2 被動(dòng)控制

除了減少振源的措施外，也可以通過(guò)優(yōu)化電梯轎廂支撐彈簧和橡膠等參數(shù)來(lái)降低轎廂振動(dòng)。Sissals[7]采用模態(tài)分析法來(lái)優(yōu)化電梯滾動(dòng)導(dǎo)靴支撐彈簧的剛度，他通過(guò)改變滾動(dòng)導(dǎo)輪支撐彈簧剛度來(lái)優(yōu)化轎廂橫向振動(dòng)的固有頻率，使轎廂橫向振動(dòng)共振頻率避開導(dǎo)軌振動(dòng)主頻，從而達(dá)到抑制和降低轎廂振動(dòng)的目的。Okada[8]通過(guò)在導(dǎo)輪上安裝摩擦和油液阻尼器的方式來(lái)增大系統(tǒng)阻尼，抑制轎廂橫向振動(dòng)。試驗(yàn)表明，通過(guò)增加阻尼器可以降低20%振動(dòng)幅度。

上述方法雖然費(fèi)用低廉、可靠性好，但無(wú)法取得較好的控制效果。

3.3 主動(dòng)控制

當(dāng)被動(dòng)控制效果不能滿足電梯橫向振動(dòng)控制的要求時(shí)，需要采用主動(dòng)控制裝置。目前，研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出一些轎廂橫向振動(dòng)主動(dòng)控制方法，例如預(yù)存導(dǎo)軌不平度、加速度反饋和位移反饋等。Utsunomiya[9]采用基于轎架速度反饋和sky-hook阻尼策略控制器的電梯主動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)靴進(jìn)行橫向振動(dòng)控制，對(duì)5m/s和7m/s的電梯試驗(yàn)結(jié)果表明，即使在存在偏載的情況下，該方法仍然能夠降低50%以上的轎廂廂體橫向振動(dòng)加速度。Skalski[10]提出采用預(yù)存導(dǎo)軌不平度的補(bǔ)償方法，即在電梯正式運(yùn)行前，先記錄電梯導(dǎo)軌不平順度與轎廂垂直位置之間的關(guān)系。在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)電梯轎廂所處位置求出需要對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行補(bǔ)償?shù)奈灰浦?，從而調(diào)整滾動(dòng)導(dǎo)輪的位置以減少轎廂橫向振動(dòng)的大小。

上述主動(dòng)控制系統(tǒng)方法效果明顯，但都是在給定某一結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這種采用單輸入單輸出系統(tǒng)（Single Input Single Output； SISO）模型來(lái)設(shè)計(jì)的主動(dòng)控制系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)致各個(gè)局部控制力之間的沖突，無(wú)法得到最優(yōu)化的效果。

4.討論

Fathy[11]通過(guò)使用電機(jī)提升重物的試驗(yàn)證明了主被動(dòng)控制系統(tǒng)之間往往存在耦合關(guān)系。此外，由于轎廂橫向振動(dòng)控制中主被動(dòng)控制往往同時(shí)存在于一個(gè)系統(tǒng)中。那么，在電梯橫向振動(dòng)控制系統(tǒng)中也可以考慮到主被動(dòng)控制之間的耦合性，采用集成設(shè)計(jì)方法，對(duì)二者同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可能可以得到較為滿意的控制效果。

5.結(jié)論與展望

采用多目標(biāo)、系統(tǒng)級(jí)的集成設(shè)計(jì)方法，考慮到主被動(dòng)控制的耦合性，對(duì)電梯轎廂橫向振動(dòng)的主被動(dòng)控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可能可以取得較為滿意的控制效果。

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【文章編號(hào)】1627-6868（2016）11-0079-02