丁新其 张伟刚 孙浩波
江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院
摘要：高速电梯的舒适性已经成为抑制国产电梯的瓶颈，本文通过对高速电梯水平振动特性的影响因素研究，制定了高速电梯主动优化控制策略，并经过试验验证该策略能在不同工况下对高速电梯的水平振动有较大的抑制效应，能有效提升电梯的舒适度。
关键词：高速电梯 振动 舒适性
1前言
随着近年来中国经济及城市化进程的持续增长，房地产产业已经成为中国经济的一支柱行业，为电梯行业的发展创造了良好的条件，由于中国人口密度高，且集中在一线城市，因此上海、北京、深圳等地的高层（100米以上）、超高层建筑越来越多，为了提高电梯的运送效率，节约运送时间，高层楼房对电梯的速度提出了更高的要求，然而随着电梯速度的不断提高，电梯轿厢的振动越来越大。一般来说电梯因为钢丝绳弹性、主机振动、控制方式等会引起电梯轿厢的纵向振动，研究人员目前关注的也是降低电梯的纵向振动，但是当电梯的速度超过一定的数值之后电梯轿厢的横向振动会影响乘坐的舒适性，且加速度峰值超过电梯的标准（25cm/s2），剧烈的横向振动不仅会影响电梯的工作性能，乘客舒适度，甚至会加剧电梯的失效造成事故隐患。
国内企业大多只能生产 3m/s 下的电梯，这些电梯主要重视电梯的安全性和功能性，而垂直振动和横向振动的指标只能达到电梯合格品的最低标准，有的甚至超标[1]。它们的动态性能和舒适感方面无法与进口电梯相比。虽然我国已经成为电梯生产的大国，但是我国国内电梯企业生产的中高速电梯与国外同类产品还具有一定的差距，特别是超高速电梯还是主要依靠进口。本文通过对高速电梯轿厢水平振动的影响因素进行分析，并改进其控制方式，实现降低轿厢水平振动的目的。
2 电梯水平振动影响因素
电梯轿厢的水平振动与电梯的速度有着直接的关系，而乘客对水平振动的敏感程度要大于垂直振动，正常1-2Hz的水平振动将会导致人体的不舒适感[2]。在工程实践中影响电梯轿厢的水平振动因素很多，主要有以下几点：
（1）导向系统造成的轿厢横向振动电梯。电梯的导向系统主要由导轨和导靴构成，主要为了限制轿厢和对重的垂直运动。但是因为导轨安装时存在对中误差、垂直度误差、接头不平等缺陷，使用时会产生导轨支架松动、导轨磨损、导靴、导向滚轮轴承卡死等缺陷，这些安装和使用过程中产生的缺陷都有可能会导致轿厢水平振动[3]。同时根据研究表明导轨的水平振动与导轨的长度成反比，与电梯的速度成正比，导轨水平振动的激励可分为以下几种:a导轨弹性弯曲，b导轨表面磨损，c导轨接头倾斜，d导轨接头错位。
（2）电梯主机曳引系统的主轴磨损造成的同轴度误差形成曳引轮甩动。电梯主机在使用中因使用年限，使用频率等因素造成长期高负载运行后曳引轮磨损，主轴弯曲变形，这种误差将通过钢丝绳传递给轿厢，尤其是高速电梯，这种误差将随着电梯速度的增大而被放大，从而影响乘坐的舒适度。
（3）井道中空气压力的扰动。电梯运行速度增大，会影响井道内的气压变化，而气压变化会反过来作用到轿厢上，使轿厢相当于承受一个水平压力，一旦这个水平压力产生波动都会使轿厢产生水平晃动，这种现象在轿厢经过层门地坎、对重与轿厢相遇或者是双井道中两电梯相遇时尤为明显。
（4）电梯曳引钢丝绳受交变载荷的激励。由于曳引钢丝绳为柔性体，自身的刚性受负载影响较大，电梯在启动、加速、减速、制停的运行过程中产生的加减速度变化将成为交变载荷作用在钢丝绳上，使钢丝绳产生一定的激励，如果该激励与钢丝绳固有频率一致，将会导致共振产生，甚至会发生“跳绳”、“绳体失稳”等现象[4]。
（5）电梯辅助装置等干扰因素。电梯是集机械、电控、液压一体的复杂系统，上面提到的水平振动因素多是由机械引起的，而辅助装置的干扰主要是由于电控，通信，通风设备的影响，主要有轿厢质心的偏离、安全保护装置导致负载增加、控制误差积累（如找平层）等都会导致轿厢导靴与导轨的间隙增大，导致水平振动增大，其该激励为非线性的无法简化处理。
3 电梯振动控制优化
3.1 消除振动源
前文所述导向系统的制造及安装精度对电梯的横向振动有着直接的影响，因此提高导轨和导向系统的制造及安全精度可以有效的消除电梯的振动源，提高电梯的舒适度，但是精度的提高会导致电梯安装的费用及周期的延长。
3.2被动控制减振
被动控制减振是通过采用吸振效率高的弹簧或者橡胶等来支撑电梯轿厢，同时可以通过模态分析法来寻找电梯导轨及轿厢的固有频率，在选择电梯导向轮支撑构件时，避开导轨及轿厢的固有频率，降低共振导致的电梯轿厢振动；也可以在导向轮上油液阻尼器来降低电梯运行时的共振峰值，但油液阻尼器在增加电梯导向系统成本的同时也会加剧电梯高频振动。
3.3优化控制主动减振
优化控制主动减振方案是，基于轨道不平度的假设，然后通过控制对导轨的不平度进行补偿的措施。在电梯安装完成后调试的过程中，控制系统能自动记录电梯导轨的相对不平顺位置，以及电梯的相对位置，然后采用PID控制方式，对电梯导轨的不平度进行补偿。由于在电梯运行过程中其速度、加速度和位移值较容易获得，因此PID控制主要通过这三个参数来进行反馈和控制。通过试验表明PID控制一方面可以有效地降低高速电梯的横向振动强度及频率，提升高速电梯的舒适性；另一方面也可以通过补偿控制电梯的偏载，使电梯在运行过程中绝大部分时间处于井道的中心，防止偏载带来的轿厢的摆动。
4 振动测试及分析
本文选择7m/s的高速电梯作为实验对象，使用EVA-625振动测试仪监测不同载荷、不同速度、不同运行方向时电梯的振动值，对比未经过优化控制主动减振及经过优化控制主动减振的运行模式下水平振动参数。
4.1 不同载重工况下的振动加速度测试
由于电梯在运行时，因人流变化其载荷经常改变，本文设计电梯空载、半载和满载三种工况下的高速电梯水平振动测试模型，来测试轿厢在未经优化时不同载荷下水平方向振动特性以及优化后不同载荷下水平方向振动特性。
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4.2 不同运行速度下振动加速度测试
电梯的运行速度是高速电梯中影响电梯横向水平振动的主要因素，本文设计了电梯在3.0 m/s、5.0 m/s、7.0 m/s三种不同速度运行下，来测试轿厢在未经优化时不同速度的水平方向振动特性以及优化后不同速度的水平方向振动特性。
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4.3 不同运行方向下振动加速度测试
电梯主机、驱动装置、张紧装置等电梯部件在电梯结构中所处的位置不同会导致电梯在不同运行方向下振动特性不同的特点。本文通过对电梯空载正常速度运行下电梯分别从基站向上运行至顶站，又已正常速度从顶站运行至基站，测得未经优化的电梯水平方向振动特性以及优化后电梯水平方向振动特性。对比发现电梯主机对电梯振动影响很大，向上运行时随着楼层的升高水平振动越来越大，顶站时振动最大；向下运行时，随着楼层降低水平振动越来越小。同时优化控制主动减振后对电梯在向上和向下运行时的水平振动值有很大的抑制作用。
5 小结
高速电梯的乘运质量是电梯厂家、使用单位都关注的要素，本文通过对影响高速电梯的水平振动特性主要因素进行分析，并制定了优化控制主动减振策略。通过对三种工况下高速电梯的水平振动特性进行了现场测试发现通过优化控制主动减振能有效的降低电梯的振动值，提升电梯乘坐舒适性，尤其在电梯载荷变化时优化控制主动减振能降振性能得到很好的发挥，希望给高速电梯的制造厂家一定的参考。
参考文献：
[1]程之春.概述超高层建筑及电梯[J].上海电梯,2015(6):6-7.
[2]郑伟峰,蒋淑恋,聂泳忠.基于加速速度传感技术的电梯拖动与制动性能健康监测系统[J].厦门科技,2015,(3):53-56.
[3]刚宪约,丁立强.主要品牌电梯运行品质测试与分析报告[J].浙江大学现代制造工厂研究所,2004,(5):4-6.
[4]傅武军.超高速电梯轿厢横向振动控制研究[D].上海:上海交通学,2007.15.