楊亦林 郭永波 鐘 星 欒子萱 彭英建

（1.江蘇師范大學科文學院，徐州 221000；2.江蘇師范大學，徐州 221000）

隨著城市垂直運輸?shù)哪芰Σ粩嗵岣?，現(xiàn)代大型建筑不斷發(fā)展，促使高層和高速電梯發(fā)揮著越來越重要的作用。于是，高速電梯的安全性和可靠性逐漸成為人們關注的重點。電梯提升系統(tǒng)的懸垂鋼絲繩的振動和彈性變形及轎廂振動，是影響提升系統(tǒng)安全性和可靠性的主要因素。因此，研究鋼絲繩的振動情況、影響鋼絲繩彈性變形的因素以及改善轎廂的振動問題，對改善電梯的舒適性和安全性具有重要作用。

近年來，相關學者針對電梯動力學模型建立方法展開了豐富的研究。大部分學者通過仿真軟件建立模型研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。丁振興[1]等利用ADAMS對柔索的虛擬建模做了相關研究，并提出了利用bushing建立柔索的方法。韓莉莉[2]等分別采用ADAMS軟件開發(fā)的Cable模塊進行工程機械等領域柔索驅(qū)動的振動特性研究，取得了一定成果。吳虎城[3]通過機械系統(tǒng)動力學自動分析（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS） 建 模仿真，驗證了基于柔性體彈性變形理論建立的提升系統(tǒng)的可行性。它的縱向振動模型可靠性較高，可較好地反映轎廂的振動特性。郭永波[4-5]等利用ADAMS/Cable建立了摩擦提升系統(tǒng)仿真模型，在鋼絲繩張力橫向及縱向振動3個方面驗證了模型，獲得了鋼絲繩卷繞摩擦輪過程中的振動特征和圍包角鋼絲繩各點在任意時間內(nèi)與摩擦輪的接觸摩擦特性，進一步證明了ADAMS建模方法的可行性。以上研究證明了利用ADAMS建立高速電梯模型進行動力學分析的可行性?？紤]仿真精度和建模時間等問題，本文利用ADAMA/Cable模塊構(gòu)建鋼絲繩曳引系統(tǒng)，建立高速電梯運動模型，并對運動工況進行了仿真。

1 高速電梯動力學模型構(gòu)建

1.1 電梯動力學模型構(gòu)建流程

以高層高速電梯為研究對象，利用SolidWorks軟件和ADAMS軟件建立高速電梯模型。高速電梯模型構(gòu)建流程圖如圖1所示。

圖1 高速電梯模型構(gòu)建流程圖

2 建立提升系統(tǒng)仿真模型

2.1 建立實體模型

電梯基本構(gòu)件由轎廂、曳引系統(tǒng)、轎廂導軌以及對重等組成，在不影響模型質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量以及仿真精度的前提下，根據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸進行簡化設計，以減少仿真時間和計算量。

2.2 將實體和柔性體模型導入ADAMS軟件

通過SolidWorks建立的整機實體模型以“x_t”格式導入ADAMS生成剛性體高速電梯模型，但是電梯的模型數(shù)據(jù)將會發(fā)生改變，如構(gòu)件的質(zhì)量、材料以及密度等，因此需要對構(gòu)建的屬性參數(shù)進行重新定義。超高速電梯模型建立后需要在構(gòu)件與大地、構(gòu)件與構(gòu)件之間施加對應的約束副，主要包括轉(zhuǎn)動副、移動副以及固定副等。此外，需要根據(jù)曳引機運動在對應約束副施加驅(qū)動函數(shù)。高速電梯系統(tǒng)模型如圖2所示。動力學仿真模型如圖3所示。

圖2 高速電梯系統(tǒng)模型

圖3 動力學仿真模型

2.3 曳引提升系統(tǒng)的搭建

利用ADAMS參數(shù)化集成模塊Cable建立高速電梯的曳引提升系統(tǒng)模型的步驟如下。首先，建立繩索的起始端點。繩索的首尾分別連接轎廂與對重，因此需要設立兩個錨點。第一個錨點與轎廂相連接，第二個錨點名稱為與對重相連接。其次，建立滑輪。高速電梯動力學模型中的繩需含有兩個滑輪，分別為曳引輪和導向輪，因此帶輪個數(shù)設置為2，并在布局中填入之前建立的橫截面屬性名稱。材料頁面可以定義滑輪的質(zhì)量屬性，連接頁面中可以定義滑輪運動副。最后，建立繩子的屬性及纏繞順序。纏繞順序選型可以改變繞線的方向。繩索建立方式如圖4所示。

圖4 建立繩索

3 電梯提升系統(tǒng)工況仿真

以某高速電梯為例，高速電梯在整個提升運動過程中采用梯形加速度加減速運行方式，將其提升過程分為7個階段，即加速度由零增至最大、保持不變、減至零值、勻速、加速度減至最大、保持不變以及增至零值。通過定義每個階段的時長，設定提升過程最大加速度為1 m·s-2，最大速度為3 m·s-1，最大提升距離為25 m。利用ADAMS軟件可獲得電梯提升上行過程的運行狀態(tài)曲線，如圖5～圖7所示。

圖5 電梯運行時間-速度圖

圖6 電梯曳引輪運行時間-加速度圖

由圖7可知，電梯提升過程中，在勻速運行階段，曳引鋼絲繩的水平振動加速度幅值較為平緩，因此轎廂運動平穩(wěn)。曳引鋼絲繩的水平振動加速度幅值出現(xiàn)兩次較大波動，分別是電梯初始加速階段和電梯減速階段。由圖7可以看出，減速階段的振動響應更為明顯。通過分析電梯的運動行程可知，電梯在提升過程中，曳引側(cè)的鋼絲繩長度逐漸減短，導致振動能量增加，直至電梯制動停止。

圖7 鋼絲繩水平振動的加速度時程曲線

4 結(jié)語

本文以高速電梯為建模對象，詳述了高速電梯模型的建立過程，充分發(fā)揮了多剛體動力學和有限元的優(yōu)勢，通過SolidWorks軟件實體建模節(jié)省了大量的建模時間。利用ADAMS/cable模塊建立繩索并對其進行仿真，得到了復雜運動中的鋼絲繩的振動、彈性變形、轎廂的振動等動力學參數(shù)曲線，準確反映了系統(tǒng)運動過程和運動規(guī)律，提高了計算精度和準確度，為快速、準確搭建高速電梯模型提供了依據(jù)。