黃剛 郭貝

摘? 要：目前我國(guó)高速電梯振動(dòng)大、噪聲大、氣動(dòng)研究不足、轎廂結(jié)構(gòu)不夠合理。為了降低成本，大多數(shù)廠家都不愿意投入太多的研究經(jīng)費(fèi)，本文主要針對(duì)國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的高速電梯的舒適性問(wèn)題，以減輕氣流對(duì)車(chē)內(nèi)乘客的影響。為了盡快實(shí)現(xiàn)電梯高速、智能、流暢、舒適的自主電梯，電梯轎廂機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的研究?jī)r(jià)值和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高速電梯;轎廂氣動(dòng);外形設(shè)計(jì);氣動(dòng)噪聲

隨著電梯不斷向高速發(fā)展，噪聲成為衡量乘客舒適度的重要指標(biāo)。機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲是高速拖曳電梯的主要噪聲源。而在高速電梯上、下增加整流罩是控制風(fēng)噪聲的重要措施，整流罩的設(shè)計(jì)涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、噪聲等多個(gè)學(xué)科。整流罩的外形設(shè)計(jì)在降低高速電梯的振動(dòng)噪聲方面起著重要作用。從設(shè)計(jì)目標(biāo)的角度來(lái)看發(fā)動(dòng)機(jī)罩外形和相關(guān)尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減少振動(dòng)和噪音，同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)罩在其使用壽命內(nèi)能夠承受疲勞載荷，并便于維護(hù)等。為了滿(mǎn)足這些要求，結(jié)構(gòu)等方面，應(yīng)考慮整流罩的材料、成本和處理能力。

1 高速電梯轎廂氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)概述

1.1 高速電梯轎廂氣動(dòng)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)高速電梯基礎(chǔ)理論的研究尚屬空白，國(guó)內(nèi)高速電梯大多依賴(lài)進(jìn)口，國(guó)內(nèi)高速電梯生產(chǎn)企業(yè)也大多是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中外合資企業(yè)，電梯制造商的自主研發(fā)能力很少。特別是由于自主研發(fā)對(duì)資金和技術(shù)人員的需求高、耗時(shí)長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)電梯生產(chǎn)企業(yè)都采用國(guó)外電梯技術(shù)，包括井道設(shè)計(jì)、通風(fēng)規(guī)劃、罐籠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、牽引電機(jī)研發(fā)等，幾乎所有國(guó)家都照搬外國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究和優(yōu)化高速電梯罐籠結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性具有重要意義。

1.2 電梯速度現(xiàn)狀

研究學(xué)者朱小京表示，目前，我國(guó)大多數(shù)電梯生產(chǎn)企業(yè)的電梯速度都在4m-1以下。而國(guó)產(chǎn)電梯的性能和舒適性仍無(wú)法與國(guó)外進(jìn)口電梯相比，中國(guó)對(duì)電梯的速度要求V≥400m.s-1。國(guó)內(nèi)很多電梯垂直振動(dòng)只能達(dá)到國(guó)家最低標(biāo)準(zhǔn)，水平振動(dòng)水平雖然小，但由于速度低，運(yùn)輸效率很低，且轎廂結(jié)構(gòu)單一，容易受到空氣湍流的影響。而電梯提速難以避免也會(huì)造成很多問(wèn)題，如：膠囊的水平和垂直振動(dòng)、運(yùn)行噪聲等使乘客感到不適，牽引繩、電梯緩沖器和曳引機(jī)等安全裝置和儀器在膠囊內(nèi)工作異常，電梯不能準(zhǔn)確就位，停機(jī)時(shí)間短，停機(jī)率高，檢修周期短，使用壽命低，容易造成安全隱患。

1 高速電梯轎廂汽動(dòng)對(duì)噪聲的分析

1.3 高速電梯轎廂氣動(dòng)的分析

轎廂對(duì)電梯的額定速度有重要影響，因此應(yīng)優(yōu)化轎廂結(jié)構(gòu)，以降低轎廂產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和振動(dòng)及噪聲。為了研究汽車(chē)在井中行駛時(shí)的氣動(dòng)力，有必要確認(rèn)汽車(chē)在井中的內(nèi)收通常是由黏性阻尼完成的。保持架向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流運(yùn)動(dòng)主要包括：由于活塞效應(yīng)，一部分風(fēng)向流過(guò)軸形成活塞風(fēng)，另一部分風(fēng)在保持架底部向下推動(dòng)并向上運(yùn)動(dòng)。電梯井道壁和罐籠壁設(shè)置為絕熱壁，電梯井道兩端的通風(fēng)口設(shè)置為隨壓力變化的自由通風(fēng)口，在保持架動(dòng)力學(xué)模型圖中，軸中的空氣被視為可壓縮的理想流體。

1.4 電梯氣動(dòng)噪聲分析

我國(guó)大多數(shù)電梯產(chǎn)品都是根據(jù)低速電梯噪聲源的特點(diǎn)進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)的。未來(lái)，隨著電梯速度的提高，空氣動(dòng)力噪聲源的影響將越來(lái)越大，為了避免聲共振，有必要研究噪聲源的空間聲學(xué)模式和頻譜特性。

電梯轎廂底部有兩個(gè)渦流區(qū)，主要原因是氣流以高速?gòu)霓I廂和井壁之間的間隙流出，并以高速向下移動(dòng)。然而，電梯轎廂底部附近的流速很小，因此形成了不穩(wěn)定的漩渦，此時(shí)，電梯轎廂周?chē)目諝饫字Z數(shù)相對(duì)較大，因此轎廂附近的高壓不足以將邊界層推到轎廂后部，非定常渦的持續(xù)脫落和演化會(huì)使流場(chǎng)中的壓力分布劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致下游阻力和轎廂表面的橫向升力發(fā)生周期性或非周期性變化，導(dǎo)致無(wú)序，對(duì)于非周期流體動(dòng)力學(xué)，由于結(jié)構(gòu)阻尼和空氣動(dòng)力阻尼的共同作用，周期流體動(dòng)力學(xué)將被緩慢消耗。但流體動(dòng)力的周期性變化是負(fù)阻尼的本質(zhì)，體現(xiàn)在膠囊結(jié)構(gòu)與井內(nèi)流體的相互作用中，為了吸收能量，而不是浪費(fèi)能量，使原本輕微振動(dòng)的膠囊結(jié)構(gòu)振幅得以放大，尤其是當(dāng)漩渦脫落頻率和系統(tǒng)鏈的振動(dòng)頻率結(jié)合在一起時(shí)，會(huì)使電梯產(chǎn)生共振。

1.5 轎廂整體劉罩分析

對(duì)運(yùn)行速度為8m/s、額定載荷為1000kg的單井高速電梯進(jìn)行了研究和計(jì)算。電梯井道橫截面為2200mm×2100mm矩形，轎廂橫截面為1600mm×1400mm矩形，轎廂高度為2500 mm。為了分析通過(guò)保持架壁的流速和壓力分布，應(yīng)將電梯井的內(nèi)表面、保持架的外表面和整流罩封閉在一個(gè)完整的計(jì)算域中。為了避免氣流方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響，只選擇局部區(qū)域的速度和壓力分布。通過(guò)仿真分析，將幾何模型簡(jiǎn)化為：風(fēng)道系統(tǒng)具有良好的密封性能，除進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口外無(wú)漏氣;空氣是一種不可壓縮的流體，其密度是恒定的。由于需要獲得通過(guò)罐壁外側(cè)的氣流速度和沿罐壁外側(cè)的壓力分布，在閉合后，使用預(yù)處理軟件ICEM對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格化，并將剛體視為柔性體。首先，進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)造以檢查幾何誤差，同時(shí)生成特征線(xiàn)以創(chuàng)建外部域（計(jì)算域），這是流體操作的空間。Z是2200/1600=1.375，X是2100/1400=1.5，Y是2。然后，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，劃分剛體-柔性網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Fluent求解器進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.6 轎廂氣動(dòng)阻力和側(cè)向壓力分析

在高速電梯垂直提升過(guò)程中，轎廂和對(duì)重以相同的速度移動(dòng)，導(dǎo)致豎井內(nèi)氣流劇烈。氣流的運(yùn)動(dòng)在汽車(chē)表面產(chǎn)生巨大的垂直氣壓，這被稱(chēng)為氣動(dòng)阻力。井內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力不僅對(duì)汽車(chē)產(chǎn)生縱向壓力，而且對(duì)汽車(chē)的橫向產(chǎn)生一定的力。由于氣流的運(yùn)動(dòng)，將觸發(fā)拖曳鋼絲繩的巨大牽引力。同時(shí)，橫向上籠導(dǎo)軌將與導(dǎo)靴產(chǎn)生劇烈摩擦。隨著轎廂速度的增加，氣流會(huì)加強(qiáng)，轎廂外壁上的壓力會(huì)增加，轎廂提升的穩(wěn)定性會(huì)減弱。

2 小結(jié)與展望

在豎井內(nèi)高速電梯垂直提升過(guò)程中，轎廂和對(duì)重以相同的速度移動(dòng)，導(dǎo)致豎井內(nèi)氣流劇烈。氣流的運(yùn)動(dòng)在汽車(chē)表面產(chǎn)生巨大的垂直氣壓，這被稱(chēng)為氣動(dòng)阻力。井內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力不僅對(duì)汽車(chē)產(chǎn)生縱向壓力，而且對(duì)汽車(chē)的橫向產(chǎn)生一定的力，由于氣流的運(yùn)動(dòng)，將觸發(fā)拖曳鋼絲繩的巨大牽引力，同時(shí)，橫向上籠導(dǎo)軌將與導(dǎo)靴產(chǎn)生劇烈摩擦。隨著轎廂速度的增加，氣流會(huì)加強(qiáng)，轎廂外壁上的壓力會(huì)增加，轎廂提升的穩(wěn)定性會(huì)減弱。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳晨. 考慮參數(shù)不確定性的高速電梯轎廂系統(tǒng)水平振動(dòng)魯棒控制研究[D].山東建筑大學(xué)，2021.

[2]崔瀚文. 高速電梯轎廂交會(huì)過(guò)程氣動(dòng)特性及參數(shù)影響研究[D].山東建筑大學(xué)，2021.

[3]朱小京，甘春標(biāo). 基于相空間重構(gòu)和向量夾角的高速電梯轎廂振動(dòng)故障診斷方法研究[A]. 中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)動(dòng)力學(xué)與控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)非線(xiàn)性振動(dòng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì).第十八屆全國(guó)非線(xiàn)性振動(dòng)暨第十五屆全國(guó)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會(huì)議（NVND2021）摘要集[C].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)動(dòng)力學(xué)與控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)非線(xiàn)性振動(dòng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)：中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)，2021：388.

[4]張利春，婁文謙，俞誠(chéng)，裘樂(lè)淼. 高速電梯轎廂氣壓變化調(diào)節(jié)技術(shù)[J]. 輕工機(jī)械，2020，38（06）：77-81.

[5]陳李桃，劉亞俊，余昆，姜長(zhǎng)城，張青. 轎廂框架結(jié)構(gòu)對(duì)高速電梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程氣動(dòng)特性影響研究[J]. 液壓與氣動(dòng)，2020，（02）：151-154.

[6]郭天水. 高速曳引式電梯振動(dòng)與噪聲分析[D].貴州大學(xué)，2019.

[7]余明，陳新會(huì)，付西偉，付年庚，王帥. 高速電梯井道氣動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)方案探討[J]. 中國(guó)電梯，2019，30（07）：10-14+17.

[8]王緒鵬. 高速電梯氣動(dòng)特性?xún)?yōu)化與乘運(yùn)性能評(píng)價(jià)方法研究[D].浙江大學(xué)，2019.

[9]曾天. 通井道高速電梯多運(yùn)行工況氣動(dòng)特性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[D].浙江大學(xué)，2018.