关于超高速电梯横向振动控制策略的讨论

葛欣

摘 要：随着电梯运行速度的提高，由导轨或井道空气激励引起的电梯轿厢横向振动也越来越大，大大降低了电梯乘坐的舒适性。本文介绍了国内外超高速电梯横向振动的一些控制方式。综合对比分析后提出，考虑主被动控制的耦合性，采用多目标、系统级的集成设计方法，对主被动控制方法进行优化设计，可能取得较为满意的控制效果。

关键词：超高速电梯； 轿厢横向振动； 优化设计

The Discuss of the control methods of car lateral vibration for super high-speed elevator

Ge Xin

Abstract： The car lateral vibration caused by the unevenness of the guide-rails and air disturbance has become more considerations， as the running speed of elevators becomes faster， and it also cant satisfy the general requirements of the riding comfort. The paper introduces the control methods of the car lateral vibration. It also presents the integrated design of systematic and multi-objective which the couplings between the passive and active controls are taken into consideration could achieve good results.

Key words： Super high-speed elevator； Car lateral vibration； The integrated design

1.前言

電梯是随着高层建筑的出现而发展起来的一种垂直运输工具，是现代生活必不可少的交通工具[1]。由于亚洲的人口密度远远超过欧美，因此对高层和超高层建筑有着一定的需求。为了节省运送乘客的时间和提高电梯运送乘客的效率，有效地解决高层和超高层建筑内的交通问题，客观上提出了对超高速电梯的需求。目前，习惯上将速度高于5.0m/s的电梯称为超高速梯[2]。

但是电梯速度的提高，使得其横向振动随之加剧。强烈的振动不仅会减短精密仪器仪表的寿命，影响电梯的工作性能，甚至导致安全事故的发生；即使电梯有可能承受这样的振动，也会大大降低电梯乘坐的舒适性，影响电梯企业的信誉，削弱其市场竞争力。目前，我国国内电梯企业生产的超高速电梯与国外同类产品相比存在较大的差距。

2.轿厢横向振动原因分析

由于设计、制造和安装方面的缺陷，电梯轿厢在运行中总会出现不同程度的横向振动。电梯是一个复杂的系统，造成轿厢横向振动的原因是多方面的。在正常情况下，造成横向振动的原因主要可以归纳为两个方面：

2.1 导向系统

电梯导向系统由导轨和导靴等部件组成，其作用是限制轿厢与对重的运动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导轨由一系列按一定间距分布的导轨支架支撑着，在导轨支架直接支撑的地方导轨弯曲刚度相对较强，而导轨支架之间的部分弯曲刚度则明显较弱，这意味着导轨的弯曲刚度在高度方向上呈周期性变化，这也会导致轿厢产生振动。此外，导轨本身的安装缺陷，可能引起轿厢的水平振动。总的来说，导轨扰动可以分为弹性弯曲，接头阶跃，接头倾斜和表面磨损四种形态，如图1所示。Utsunomiya[3]对导轨的功率谱分析表明，轨道扰动主要集中在低频区；并且存在一个主要的扰动频率，该频率与电梯运行速度成正比，与导轨的长度成反比。天津大学的李醒飞和李立京[4]等通过导轨直线度实测数据分析了轿厢横向振动特性，研究结果表明，轿厢横向振动理论结果的频谱特征与实测结果基本一致。

2.2 空气压力扰动

随着电梯运行速度的提高，井道内气压变化会对轿厢产生波动。朱昌明[2]等通过对井道中运行过程中进行风速测试得出，额定速度7m/s，额定载重量1600Kg单电梯运行过程中井道内会产生平均12.5m/s的风速。这种压力波动会使轿厢产生振动。

3.横向振动控制方式

根据轿厢横向振动的形成原因，目前采用的控制方式主要分为三类：①减少振源；②被动控制；③主动控制。

3.1 减少振源

设计开发新型导靴和轿厢可以有效地降低振动传递和减少电梯运行中所受到的气压波动。

日本三菱电机Okamoto[5]设计了一种新型导靴来降低振动的传递，试验表明该新型导靴与传统的滑动导靴相比可以降低43%的轿厢横向振动幅度。斯皮勒[6]采用流线型的轿厢外形可以减少超高速电梯在运行中由于气体湍流而引起的轿厢横向振动。

新型导靴和轿厢设计、制造成本较为高昂，无法得到广泛地推广、应用。

3.2 被动控制

除了减少振源的措施外，也可以通过优化电梯轿厢支撑弹簧和橡胶等参数来降低轿厢振动。Sissals[7]采用模态分析法来优化电梯滚动导靴支撑弹簧的刚度，他通过改变滚动导轮支撑弹簧刚度来优化轿厢横向振动的固有频率，使轿厢横向振动共振频率避开导轨振动主频，从而达到抑制和降低轿厢振动的目的。Okada[8]通过在导轮上安装摩擦和油液阻尼器的方式来增大系统阻尼，抑制轿厢横向振动。试验表明，通过增加阻尼器可以降低20%振动幅度。

上述方法虽然费用低廉、可靠性好，但无法取得较好的控制效果。

3.3 主动控制

当被动控制效果不能满足电梯横向振动控制的要求时，需要采用主动控制装置。目前，研究人员已经设计出一些轿厢横向振动主动控制方法，例如预存导轨不平度、加速度反馈和位移反馈等。Utsunomiya[9]采用基于轿架速度反馈和sky-hook阻尼策略控制器的电梯主动滚动导靴进行横向振动控制，对5m/s和7m/s的电梯试验结果表明，即使在存在偏载的情况下，该方法仍然能够降低50%以上的轿厢厢体横向振动加速度。Skalski[10]提出采用预存导轨不平度的补偿方法，即在电梯正式运行前，先记录电梯导轨不平顺度与轿厢垂直位置之间的关系。在运行过程中根据电梯轿厢所处位置求出需要对导轨进行补偿的位移值，从而调整滚动导轮的位置以减少轿厢横向振动的大小。

上述主动控制系统方法效果明显，但都是在给定某一结构参数情况下进行设计的，这种采用单输入单输出系统（Single Input Single Output； SISO）模型来设计的主动控制系统，可能会导致各个局部控制力之间的冲突，无法得到最优化的效果。

4.讨论

Fathy[11]通过使用电机提升重物的试验证明了主被动控制系统之间往往存在耦合关系。此外，由于轿厢横向振动控制中主被动控制往往同时存在于一个系统中。那么，在电梯横向振动控制系统中也可以考虑到主被动控制之间的耦合性，采用集成设计方法，对二者同时进行优化设计，可能可以得到较为满意的控制效果。

5.結论与展望

采用多目标、系统级的集成设计方法，考虑到主被动控制的耦合性，对电梯轿厢横向振动的主被动控制进行优化设计，可能可以取得较为满意的控制效果。

参考文献

[1]任天笑.中国电梯市场状况与发展趋势（C）. IFEX2005会议论文集，2005：4-8

[2]朱昌明、洪致育、张惠桥.电梯与自动扶梯-原理结构安装调试[M].上海：上海交大出版社，2000

[3]UTSUNOMIYA K， OKAMOTO K， YUMURA T.Active roller guide system for High-speed elevators[J]，Elevator World，2002，50（4）：86-92

[4]李立京、李醒飞.电梯轿厢水平振动模型[J].起重运输机械，2002（5）：3-5

[5]OKAMOTO K，YUMURA T，KURAOKA H.A new slide guide shoe to suppress elevator vibration[J].Life Report，2001（4）：44-47

[6]于尔格-斯皮勒、于尔根-克斯特莱、亚历克斯-奥贝伦.降低高速运行的电梯轿厢的风燥声和振动装置：中国专利，CN1245137A[P].2000

[7]SISSALS M，HEIMOLA T，OTALA M. Optimization of lift car vibration behavior by modal analysis[J].Elevator World，1985，33（6）：39-43

[8]OKADA K，NISHIMURA N. Noise and vibration reduction techniques for 750m/min elevators[J].Elevator World，2000，48（11）：76-78

[9] UTSUNOMIYA K， OKAMOTO K， YUMURA T， et al. Active roller guide system for high-speed elevators， Elevator World，2002，50（4），86-92

[10] SKALSKI C A，ROBERTS R K. Elevator ride Quality[C].United States Patent，1994

[11] FATHY H K， REYER J A， PAPALAMBROS P Y， et al. On the coupling between the plant and controller optimization problems In Proceedings of the American Control Conference. Piscataway， NJ：IEEE. 2001，1864-1869

【文章编号】1627-6868（2016）11-0079-02