电梯内置减震装置隔震方法的仿真研究

宇文旋 安泽伟 吴晓燕

（长安大学工程机械学院，陕西 西安710018）

0 引言

电梯随着城市高层建筑的发展而发展，电梯作为一种重要的垂直交通工具，舒适性是其评价标准中的主要因素之一。

电梯的震动是电梯乘坐舒适的重要指标。正常情况下，乘坐时间短且震动幅值小，不会影响乘客安全。但振动到达一定值，且频率在人的敏感带时，或者电梯起制动特性差，都会使乘客感到明显不适。这种情况尤其表现在高速电梯以及身体条件差的乘客上。为减小电梯的振动与冲击，工程技术人员一方面从控制角度出发，提出理想电梯运行曲线的方法对电梯运行速度进行优化控制。另一方面从缓冲与减振角度出发，提出加装减振器的方法来减小轿厢振动与冲击。

本文就特殊敏感人群提出在厢内设计隔振缓冲装置的方法，并对简化力学模型进行了分析和仿真

1 减震系统的动力学模型

1.1 动力学模型

为研究方便，将人体、隔离装置、电梯组成的系统进行简化，建立减震器与弹簧并联的动力学模型。

1.2 系统输入分析

1.2.1 理想的电梯运行曲线

电梯的速度是电梯运行规律的决定因素，它直接影响电梯的舒适性。常见的理想速度曲线中抛物线一直线综合速度曲线因算法快速，结构灵活，实现起来更容易满足电梯速度控制的各项要求，最为常见，其起动加速和减速制动段速度曲线为抛物线型，稳速运行阶段为直线型。

1.2.2 实际的电梯运行曲线

实际的电梯运行曲线除了与电梯的运行速度和加速度有关外，还受到电梯曳引系统的转动惯量、随机因素等多方面因素的影响，因此有必要对电梯的实际运行曲线进行测量。选择某型号电梯作为研究对象，对其运行加速度进行测量，由结果可知加速度曲线与抛物线—直线综合性理想曲线较为吻合，且存在随机波动，这种随机波动同样会对电梯的舒适性造成影响，因此再分别研究以正弦振动函数、正弦半波冲击函数、理想速度控制曲线函数作为输入时的系统的输出特性。

2 仿真分析

ADAMS软件是目前应用广泛且具权威的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

2.1 仿真模型的建立

所建立的系统仿真模型如图1所示。仿真模型主要由人体、隔离装置、电梯及它们之间的约束关系和作用力组成。其中建模方法是：将电梯的位移激励s分为两部分，一部分是理想曲线，另一部分为振动。

2.2 仿真实验方案

以上述实验电梯作为仿真对象，对上行阶段进行仿真试验。隔振元件暂取减振器，其刚度K=1891.2N／m。以CATIA人机工程模块中国（台湾）80%人体质量(m=73.803kg)作为人体仿真质量。

为探究装置对随机波动的隔离作用，仿真试验中，以不同频率（1Hz、5Hz和10Hz）振幅为10mm的正弦信号作为激励，测量人体的位移响应和加速度响应作为电梯舒适性的评价指标。同时随机波动中含有冲击成分，实验中以冲击信号激励系统，以人体位移响应的峰值作为评价指标。

人体对于加速度的变化比较敏感，所以除了应做到给定速度数值连续、加速度数值连续外，还应做到加速度的变化率没有突变。为探究隔离装置对理想曲线的影响，以理想曲线作为输入计算人体的响应。将电梯的运动学参数代入模型，得到电梯加速度曲线方程。用ADAMS进行编译，并将其输入图中滑动副作为电梯激励，测量人体加速度和加速度变化率。

2.3 正弦激励分析

当频率为1Hz时，人体的位移响应和加速度响应均大于相应的位移激励和加速度激励。因为此频率接近隔离装置的固有频率（0.87），产生共振现象。而当频率为5Hz和10Hz时，人体的位移响应和加速度响应均小于相应的位移激励和加速度激励。且隔振装置对频率为10Hz的激励阻隔效果更加明显。

为进一步探究隔振装置对不同频率激励的阻隔效果，用ADAMS对装置的幅频特性进行计算，由计算结果可知隔离装置对低于固有频率（0.87）的激励阻隔作用不明显，且当激励源的频率接近固有频率（0.87）时，不仅起不到隔振作用，反而会因为共振现象使振动加强；当激励源的频率大于1Hz时，随着频率的增加，隔离效果会增强。资料表明，人体对振动的敏感频率为4—8Hz。因此，隔离装置可以对处于人体敏感频段的振动有效隔离。

2.4 正弦半波位移冲击分析

系统输入为正弦半波位移激励，其方程为：

仿真结果显示隔振装置能够有效缓和电梯的位移冲击，可将冲击波峰值将为原来的16%。对由于电梯运行不稳引起的冲击有很好的缓和作用，可有效提高使用者的抗冲击能力。

2.5 理想运行曲线激励

由理想运行曲线作为系统输入的仿真结果，可知以抛物线—直线型理想速度曲线运行的电梯在由二次曲线和比例曲线相互过渡及电梯起动和制动时，加速度曲线连续，但其变化率产生了跳变，影响了电梯的舒适性。而缓冲减振装置上人体速度响应曲线的加速度及其加速度变化率时刻保持连续，因此其舒适性优于以抛物线—直线型理想速度曲线运行的电梯。同时，隔振装置会使加速度曲线和加速度变化率曲线的峰值增加，这有可能会影响其隔离效果。

3 结论

与通信技术、网络技术、计算机技术以及控制技术相结合的产物，能够方便地实现企业内部、行业内部、甚至更大范围的诊断数据和知识的共享，用车企业界则可以利用它为生产企业研究机构提供宝贵的现场数据，能够有效地组织异地专家会诊等，这样既解决了车辆使用企业技术力量不足和技术水平提高的问题又有利于研发机构更准确、更有效的获得车辆运行的第一手资料，通过检测、分析、性能评估等，为车辆修改结构、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息，充实理论和技术研究。

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