曳引式电梯主机噪声成因分析与改进措施

2018-12-03李德锋

机电工程技术 2018年11期

曹杰，刘磊，李德锋

（江苏省特种设备安全监督研究院，江苏常州 213000）

0 引言

电梯已成为人们日常生活中不可或缺的角色。运行良好的电梯给生活带来方便舒适，而状态不好的电梯除了存在安全隐患外，也会让人乘坐过程胆战心惊。电梯运行过程会产生各种噪声，其产生机理是复杂的。本文作者着重分析曳引式电梯主机噪声的产生原因，并针对其提出改进措施。

1 曳引式电梯主机噪声的影响及相关标准

电梯主机是曳引式电梯运行的动力源，一般由电动机、制动器、联轴器、减速箱、曳引轮、机架和导向轮及附属盘车手轮等组成。有机房电梯主机安装在机房中，电梯一旦运行，主机噪声就可能从机房传播出去。由于建筑设计及材料隔音问题，加上电梯安装过程与建筑的连接，电梯主机噪声会传入用户家中，靠近机房的住户极有可能受到噪声的影响。电梯的噪声主要以低频振动为主。科学研究表明电梯产生的频率低于200Hz的低频噪声会严重损害人们的内脏，其中对人体影响较为明显的是3～50Hz的频率范围。

目前与电梯噪声相关的标准主要有三类[1-5]：一是电梯本身的制造与安装标准，主要包括《电梯技术条件》、《电梯制造与安装安全规范》等；二是建筑方面的标准，主要包括《住宅设计规范》、《民用建筑设计隔声设计规范》；三是环保方面的标准，主要包括《声环境质量标准》等。这三类标准对于电梯运行噪声的限值略有不同：制造与安装标准规定在额定速度不大于2.5 m/s的情况下，机房平均噪声不得高于80 dB，运行中轿厢的声音不得高于55 dB；建筑设计标准规定住宅内卧室允许噪声不得高于50 dB，起居室不得高于45 dB；环保标准则规定白天不得高于40 dB，晚上不得高于30 dB。

电梯噪声的影响与整改已经成为现代生活的话题，相关检测机构对受噪声困扰的用户提供检测与防治措施的服务[6]。

2 常见曳引式电梯主机噪声成因分析

曳引式电梯是日常生活中最常见的梯型，其主机可分为有齿轮和无齿轮两种。有齿轮主机主要是蜗轮蜗杆主机，电动机的动力通过减速箱传递到曳引轮上，速度一般不快，多用于货梯；而无齿轮主机的动力则不通过减速箱直接传递到曳引轮上，重量轻，结构紧凑，效率高，多用于客梯。如图1所示为常见的有齿轮蜗轮蜗杆主机和无齿轮永磁同步主机。随着科技进步，电梯拖动方式已发生翻天覆地的改变，以往的技术例如PLC控制、交流双速电梯等如今已所剩不多，只有少量的老电梯仍在使用。如今曳引式电梯主机常用的拖动方式是变频调压调速（简称VVVF），已经能满足大部分日常使用场所，如办公楼、厂房等。变频电梯应用变频控制原理，由旋转编码器脉冲计算、负载检测等实现无级变速控制。这类电梯是目前市场上的主流产品，使用率较高。近些年常见的永磁电机则是新材料使用方面的突破，通过无齿轮永磁恒定力矩特性可以实现直接使电梯运行或停止。

图1 蜗轮蜗杆主机与永磁同步主机Fig.1 Worm Gearand PermanentMagnetSynchronous Host

以这两类主机为研究对象，综合分析其产生噪声的原因。除去控制柜接触的吸合噪声，有齿轮主机的运行噪声主要来自：电机转动和电流噪声、减速箱运转齿轮撞击与啮合噪声、电梯停车抱闸吸合噪声，而永磁电机的噪声比传统的蜗轮蜗杆主机低很多。

2.1 安装调试不当引起的噪声

电梯主机噪声很大部分来自安装调试不到位。以制动器为例[7]，电梯刹车都需要磁力器的频繁启动，因此磁力器的稳定性很大程度上制约着制动系统的工作状态。出厂调试好的磁力器，到了现场运行后会莫名出现卡阻、噪声大、动作不同步等现象，其中主要由于现场调试过程没有到位。

常见的鼓式磁力器通常由两组电磁铁芯组成，通电后，铁芯在套筒内移动，克服弹簧的压缩力，抱闸打开，电梯运行。长时间的动作，如果铁芯与套筒调试不好，定位不准，就会出现上述现象，从而发出噪声。蜗轮蜗杆主机的制动系统通常还包括制动臂、制动弹簧、闸瓦、转动轴等部件，部件之间都采用活连接，故存在一定的连接间隙。制动和松闸过程都会对制动系统施加正反方向的作用力，时间一长则会使间隙变大，从而产生噪声。

2.2 磨损、故障引起的噪声

有齿轮主机由于通过蜗轮蜗杆传递动力，齿轮件之间存在一定间隙，如果电梯长期运行在负载较大的状态下，齿轮磨损会使间隙加大，从而引起运转噪声的加剧。

主机噪声往往是发生故障的前兆，在所有电机故障中，轴承故障占40%以上[8]。轴承故障包括外圈、内圈、滚珠缺陷、保持架缺陷，这些都是机器振动的主要原因。电梯运行不可避免造成轴承的磨损，轴承常受到疲劳、环境机械振动、过载、轴心错位、污染、腐蚀以及不恰当的润滑等影响，这些因素开始只是导致边缘缺陷，然后这些缺陷会在轴承内圈、外圈和滚珠组件中传递并扩散增大。一段时间过后，缺陷变得显著，便会产生机械振动从而引起噪声。

2.3 电磁噪声[9]

电磁振动导致电磁噪声，电机气隙磁场与电机铁芯产生的电磁力相互作用，由此产生电磁振动，而定转子绕组磁动势和气隙磁导又共同影响电机气隙磁场。气隙磁场产生的电磁力是一个旋转力波，在径向和切向两个方向存在分量。径向分量使定子和转子发生径向变形和周期性振动，是电磁噪声的主要来源；切向分量是与电磁转矩相对应的作用力矩，它使齿对其根部弯曲，并产生局部振动变形，是电磁噪声的次要来源。还有另外一些原因也会造成电磁噪声的增加，如铁芯饱和的影响、电网中的谐波分量、异步电动机断条、装配气隙不均匀等。

电磁噪声的大小与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的力波的幅值、频率和磁极数有关，也同定子的固有频率、阻尼系数等密切相关。

2.4 保养不当引起的噪声

电梯是机电类产品，使用过程中须经常巡查保养，现实中常存在一些保养不当，也从另一方面导致了主机噪声的产生。例如，编码器更换后安装不到位，主机运转过程会产生抖动；制动器保养不到位，甚至存在带闸运行的情况，一方面加快了闸瓦的磨损速度，另一方面也导致制动过程产生异响；钢丝绳保养不到位或者疏于检查，一些受张力不均而挤压的钢丝绳，与曳引轮之间的摩擦不均匀，一段时间过后钢丝绳与曳引轮也将产生噪声；另外，主机机座减振橡胶垫长期在交变载荷冲击下失效，也将起不到应有的缓冲效果，从而将主机振动和噪声传播到临近的住户家中。

3 降低主机噪声的措施

3.1 优化机械设计参数与材料

在有齿轮主机设计制造阶段，优化齿轮参数[7]，如变位系数、齿高系数、压力角、中心距，使啮入冲击速度降至最小，啮出冲击速度与啮入冲击速度的比值处于某一数值范围，减小或避免啮合节圆冲击，以此降低蜗轮蜗杆主机减速箱的运行噪声。减速箱所用的润滑油或密封剂，为保障润滑效果，须选用适用类型的，也可以使用特殊类型，在部件上形成惰性材料薄膜，以减少磨损，延长齿轮使用寿命，降低运行噪声。

无齿轮主机本身的运行噪声就比有齿轮主机小，但是两者的电磁噪声却无法消除，改进的措施是调整定转子槽配合、选择合适的绕组等。未来新材料的使用，也可能从本质上解决电磁噪声这一问题。

3.2 采用隔音降噪材料阻隔噪声

对于主机噪声，理论方面可采取的方法有：消除振源法和隔振减振法[10]。消除振源法的目的是去除振动（或噪声）的根源，或是破坏产生系统共振的条件。但却存在相当的技术难度，并且施工过程需要改动的东西较多，造价往往不菲。现实中多个振源共同产生噪声，也就导致这种方法实施起来不切实际。因此现实改进措施中常常采用隔振减振法，即根据具体情况，有针对地在相应部位采取相应的措施，例如采用特殊隔振装置最大限度降低电梯主机噪声的传播[11]，在实际中产生了较强的应用价值。

3.3 提高维护保养质量

电梯主机运转状态与维保质量息息相关。因而提高维保质量，也能及时发现主机存在的问题与隐患，从而降低主机噪声。维保过程应认真查看主机运转状态，使用方管理人员也应及时跟进了解，与维保人员共同配合，切实解决主机运转噪声问题。对于一些易损件，更换后须保证其良好的互换性，以避免更换后使用状态不理想而导致部件整体更换的浪费。

当前我国电梯维保市场普遍存在人机比失调情况，不少维保公司人员严重紧缺，以修代保，保养质量让人堪忧。要想改变这种情况，还需要从体制上做出改变，提高维保人员准入门槛和待遇福利，让高质量的维保得到高回报，而不是采用降低维保费用的恶意竞争来搅乱整个电梯维保行业。监管机构也要发挥其监管角色，对于保养质量起到督促作用。