曹 杰,劉 磊,李德鋒
(江蘇省特種設備安全監(jiān)督研究院,江蘇常州 213000)
電梯已成為人們日常生活中不可或缺的角色。運行良好的電梯給生活帶來方便舒適,而狀態(tài)不好的電梯除了存在安全隱患外,也會讓人乘坐過程膽戰(zhàn)心驚。電梯運行過程會產(chǎn)生各種噪聲,其產(chǎn)生機理是復雜的。本文作者著重分析曳引式電梯主機噪聲的產(chǎn)生原因,并針對其提出改進措施。
電梯主機是曳引式電梯運行的動力源,一般由電動機、制動器、聯(lián)軸器、減速箱、曳引輪、機架和導向輪及附屬盤車手輪等組成。有機房電梯主機安裝在機房中,電梯一旦運行,主機噪聲就可能從機房傳播出去。由于建筑設計及材料隔音問題,加上電梯安裝過程與建筑的連接,電梯主機噪聲會傳入用戶家中,靠近機房的住戶極有可能受到噪聲的影響。電梯的噪聲主要以低頻振動為主??茖W研究表明電梯產(chǎn)生的頻率低于200Hz的低頻噪聲會嚴重損害人們的內臟,其中對人體影響較為明顯的是3~50Hz的頻率范圍。
目前與電梯噪聲相關的標準主要有三類[1-5]:一是電梯本身的制造與安裝標準,主要包括《電梯技術條件》、《電梯制造與安裝安全規(guī)范》等;二是建筑方面的標準,主要包括《住宅設計規(guī)范》、《民用建筑設計隔聲設計規(guī)范》;三是環(huán)保方面的標準,主要包括《聲環(huán)境質量標準》等。這三類標準對于電梯運行噪聲的限值略有不同:制造與安裝標準規(guī)定在額定速度不大于2.5 m/s的情況下,機房平均噪聲不得高于80 dB,運行中轎廂的聲音不得高于55 dB;建筑設計標準規(guī)定住宅內臥室允許噪聲不得高于50 dB,起居室不得高于45 dB;環(huán)保標準則規(guī)定白天不得高于40 dB,晚上不得高于30 dB。
電梯噪聲的影響與整改已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的話題,相關檢測機構對受噪聲困擾的用戶提供檢測與防治措施的服務[6]。
曳引式電梯是日常生活中最常見的梯型,其主機可分為有齒輪和無齒輪兩種。有齒輪主機主要是蝸輪蝸桿主機,電動機的動力通過減速箱傳遞到曳引輪上,速度一般不快,多用于貨梯;而無齒輪主機的動力則不通過減速箱直接傳遞到曳引輪上,重量輕,結構緊湊,效率高,多用于客梯。如圖1所示為常見的有齒輪蝸輪蝸桿主機和無齒輪永磁同步主機。隨著科技進步,電梯拖動方式已發(fā)生翻天覆地的改變,以往的技術例如PLC控制、交流雙速電梯等如今已所剩不多,只有少量的老電梯仍在使用。如今曳引式電梯主機常用的拖動方式是變頻調壓調速(簡稱VVVF),已經(jīng)能滿足大部分日常使用場所,如辦公樓、廠房等。變頻電梯應用變頻控制原理,由旋轉編碼器脈沖計算、負載檢測等實現(xiàn)無級變速控制。這類電梯是目前市場上的主流產(chǎn)品,使用率較高。近些年常見的永磁電機則是新材料使用方面的突破,通過無齒輪永磁恒定力矩特性可以實現(xiàn)直接使電梯運行或停止。
圖1 蝸輪蝸桿主機與永磁同步主機Fig.1 Worm Gearand PermanentMagnetSynchronous Host
以這兩類主機為研究對象,綜合分析其產(chǎn)生噪聲的原因。除去控制柜接觸的吸合噪聲,有齒輪主機的運行噪聲主要來自:電機轉動和電流噪聲、減速箱運轉齒輪撞擊與嚙合噪聲、電梯停車抱閘吸合噪聲,而永磁電機的噪聲比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿主機低很多。
電梯主機噪聲很大部分來自安裝調試不到位。以制動器為例[7],電梯剎車都需要磁力器的頻繁啟動,因此磁力器的穩(wěn)定性很大程度上制約著制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)。出廠調試好的磁力器,到了現(xiàn)場運行后會莫名出現(xiàn)卡阻、噪聲大、動作不同步等現(xiàn)象,其中主要由于現(xiàn)場調試過程沒有到位。
常見的鼓式磁力器通常由兩組電磁鐵芯組成,通電后,鐵芯在套筒內移動,克服彈簧的壓縮力,抱閘打開,電梯運行。長時間的動作,如果鐵芯與套筒調試不好,定位不準,就會出現(xiàn)上述現(xiàn)象,從而發(fā)出噪聲。蝸輪蝸桿主機的制動系統(tǒng)通常還包括制動臂、制動彈簧、閘瓦、轉動軸等部件,部件之間都采用活連接,故存在一定的連接間隙。制動和松閘過程都會對制動系統(tǒng)施加正反方向的作用力,時間一長則會使間隙變大,從而產(chǎn)生噪聲。
有齒輪主機由于通過蝸輪蝸桿傳遞動力,齒輪件之間存在一定間隙,如果電梯長期運行在負載較大的狀態(tài)下,齒輪磨損會使間隙加大,從而引起運轉噪聲的加劇。
主機噪聲往往是發(fā)生故障的前兆,在所有電機故障中,軸承故障占40%以上[8]。軸承故障包括外圈、內圈、滾珠缺陷、保持架缺陷,這些都是機器振動的主要原因。電梯運行不可避免造成軸承的磨損,軸承常受到疲勞、環(huán)境機械振動、過載、軸心錯位、污染、腐蝕以及不恰當?shù)臐櫥扔绊?,這些因素開始只是導致邊緣缺陷,然后這些缺陷會在軸承內圈、外圈和滾珠組件中傳遞并擴散增大。一段時間過后,缺陷變得顯著,便會產(chǎn)生機械振動從而引起噪聲。
電磁振動導致電磁噪聲,電機氣隙磁場與電機鐵芯產(chǎn)生的電磁力相互作用,由此產(chǎn)生電磁振動,而定轉子繞組磁動勢和氣隙磁導又共同影響電機氣隙磁場。氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力是一個旋轉力波,在徑向和切向兩個方向存在分量。徑向分量使定子和轉子發(fā)生徑向變形和周期性振動,是電磁噪聲的主要來源;切向分量是與電磁轉矩相對應的作用力矩,它使齒對其根部彎曲,并產(chǎn)生局部振動變形,是電磁噪聲的次要來源。還有另外一些原因也會造成電磁噪聲的增加,如鐵芯飽和的影響、電網(wǎng)中的諧波分量、異步電動機斷條、裝配氣隙不均勻等。
電磁噪聲的大小與電機氣隙內的諧波磁場及由此產(chǎn)生的力波的幅值、頻率和磁極數(shù)有關,也同定子的固有頻率、阻尼系數(shù)等密切相關。
電梯是機電類產(chǎn)品,使用過程中須經(jīng)常巡查保養(yǎng),現(xiàn)實中常存在一些保養(yǎng)不當,也從另一方面導致了主機噪聲的產(chǎn)生。例如,編碼器更換后安裝不到位,主機運轉過程會產(chǎn)生抖動;制動器保養(yǎng)不到位,甚至存在帶閘運行的情況,一方面加快了閘瓦的磨損速度,另一方面也導致制動過程產(chǎn)生異響;鋼絲繩保養(yǎng)不到位或者疏于檢查,一些受張力不均而擠壓的鋼絲繩,與曳引輪之間的摩擦不均勻,一段時間過后鋼絲繩與曳引輪也將產(chǎn)生噪聲;另外,主機機座減振橡膠墊長期在交變載荷沖擊下失效,也將起不到應有的緩沖效果,從而將主機振動和噪聲傳播到臨近的住戶家中。
在有齒輪主機設計制造階段,優(yōu)化齒輪參數(shù)[7],如變位系數(shù)、齒高系數(shù)、壓力角、中心距,使嚙入沖擊速度降至最小,嚙出沖擊速度與嚙入沖擊速度的比值處于某一數(shù)值范圍,減小或避免嚙合節(jié)圓沖擊,以此降低蝸輪蝸桿主機減速箱的運行噪聲。減速箱所用的潤滑油或密封劑,為保障潤滑效果,須選用適用類型的,也可以使用特殊類型,在部件上形成惰性材料薄膜,以減少磨損,延長齒輪使用壽命,降低運行噪聲。
無齒輪主機本身的運行噪聲就比有齒輪主機小,但是兩者的電磁噪聲卻無法消除,改進的措施是調整定轉子槽配合、選擇合適的繞組等。未來新材料的使用,也可能從本質上解決電磁噪聲這一問題。
對于主機噪聲,理論方面可采取的方法有:消除振源法和隔振減振法[10]。消除振源法的目的是去除振動(或噪聲)的根源,或是破壞產(chǎn)生系統(tǒng)共振的條件。但卻存在相當?shù)募夹g難度,并且施工過程需要改動的東西較多,造價往往不菲。現(xiàn)實中多個振源共同產(chǎn)生噪聲,也就導致這種方法實施起來不切實際。因此現(xiàn)實改進措施中常常采用隔振減振法,即根據(jù)具體情況,有針對地在相應部位采取相應的措施,例如采用特殊隔振裝置最大限度降低電梯主機噪聲的傳播[11],在實際中產(chǎn)生了較強的應用價值。
電梯主機運轉狀態(tài)與維保質量息息相關。因而提高維保質量,也能及時發(fā)現(xiàn)主機存在的問題與隱患,從而降低主機噪聲。維保過程應認真查看主機運轉狀態(tài),使用方管理人員也應及時跟進了解,與維保人員共同配合,切實解決主機運轉噪聲問題。對于一些易損件,更換后須保證其良好的互換性,以避免更換后使用狀態(tài)不理想而導致部件整體更換的浪費。
當前我國電梯維保市場普遍存在人機比失調情況,不少維保公司人員嚴重緊缺,以修代保,保養(yǎng)質量讓人堪憂。要想改變這種情況,還需要從體制上做出改變,提高維保人員準入門檻和待遇福利,讓高質量的維保得到高回報,而不是采用降低維保費用的惡意競爭來攪亂整個電梯維保行業(yè)。監(jiān)管機構也要發(fā)揮其監(jiān)管角色,對于保養(yǎng)質量起到督促作用。
如今人們越來越關注電梯的舒適性,因此主機運行噪聲也越來越受到小區(qū)住戶的重視。本文作者分析電梯主機噪聲的成因,并就其提出相應的整改措施。這些措施在當前環(huán)境下能起到一定的效果,但仍需要依賴技術和經(jīng)驗的不斷完善。相信今后針對主機運行噪聲的整改措施將更加有效,人們居住的環(huán)境將更加良好。