电梯系统垂直振动分析与抑制

于 斌 中国铁路上海局集团有限公司科研所

民众对于电梯运行安全性要求极高，强调在进行电梯使用时，需要保证电梯启动、停靠平稳度，且要确保电梯乘坐体验。在运行过程中，电梯应按照指令准确停靠在相应位置，并可以按照使用者按键指示，智能展开运行。虽然电梯运行整体能耗相对较低，但因为受到机械运作等因素影响，导致电梯在运行时会出现一定程度的振动。如果电梯振动振幅、频率与人体频率较为相似，便会引发电梯和人体的共振，会使人体产生不适感，需要实施相应抑制手段。

1 现代常用振动抑制方式

1.1 动力减振器

如果电梯振源较为明显，已经产生明显不舒适乘坐体验时，会通过加装有阻尼效果动力减振器完成振动抑制处理。虽然减振器的应用无法达到将厢体振幅控制到零的效果，但却可以有效降低减振器工作振动幅值，会使厢体整体振动得到有效控制，同时因为有阻尼动力减振器成本较为低廉，所以整体抑制投入成本也相对较低。

在具体进行应用时，动力减振器会通过对振源释放振动能量进行吸收的方式，对振动能量传递形成控制，进而达到相应抑制要求。如果电梯空间允许，应尽量选用刚度高且质量大的设计结构，以实现对动力减振器自身振幅的控制，进而达到对减振器安装空间能够有效节约的效果，确保减振器工作可靠性可以得到切实增强。

1.2 桥厢减振装置

电梯垂直振动产生振源并不单一，形成原因较为复杂，但其中最为主要的振源便是曳引机所产生的多频率振源。在对此种振源进行处理时，可运用与振源相等减振垫（如图1 所示），利用减振垫固有频率，对振源频率形成干扰，进而达到有效控制振源振幅的效果。此种设计虽然无法达到完全消除垂直振幅的效果，却可对厢体振动形成有效抑制，能够切实提升乘客电梯使用舒适度。在运用此种减振抑制手段时，需要做好减振垫挑选，应保证减振垫固有频率和激振频率的相近程度，以保证减振垫作用发挥效果。

图1 曳引机减振垫

2 电梯系统垂直振动与抑制措施

为对系统垂直振动和抑制措施展开更深层次的分析，在此将以某大楼电梯为例，对电梯系统垂直振动以及相应减振措施展开详细探究。

2.1 电梯实例

某大楼电梯高度为60 m，在运行到40 m～60 m 高度时，会出现较为强烈的振感，且伴有嗡鸣声，使用户电梯使用舒适度受到了直接影响。经过调查发现，这一问题是因为多方面原因所造成的，减速厢、曳引电机以及钢丝绳等部分问题，都会引发振动振源。为妥善处理这一问题，技术人员从电梯桥厢加速度测试曲线着手，利用频谱分析技术，对电梯振动优势频率展开了分析。

2.2 垂直振动分析

（1）振动产生原因分析。

如果用X、Y、Z 分别表示桥厢前后、左右、上下加速度时间历程，在完成曲线描绘后可以清楚看出，上下方向加速度曲线最为激烈，整条曲线幅值已经超过国家标准，所以需要重点对电梯垂直方向振动问题展开处理。

经过研究发现，桥厢垂直振动优势频率在22.75 Hz 左右，和此电梯匹配曳引机转速为1 250 r/min，转动频率为21 Hz，桥厢垂直振动优势频率和曳引电机转动频率极为相近。所以推测，曳引电机旋转失衡可能是因为垂直方向产生振动所造成的。在电梯运行过程中，因为受到对重两侧钢丝绳长度以及桥厢等变化影响，系统固有频率会不断发生改变，在电梯运行至40 m～60 m 高度时，系统某阶固有频率会与曳引电机外激励频率保持较为吻合的状态，引发共振，致使桥厢共振剧烈程度明显增加。在电梯运行到其他楼层时，外激励频率和系统固有频率之间存在较大差异，所以不会出现共振问题，电梯整体运行会处于较为平稳的状态。

（2）模态分析。

为验证上述推测，将运用数学建模手段展开模态分析。电梯系统在竖直方向弹性环节主要有曳引系统与基础横梁和支撑橡胶、桥厢底和桥厢架间超载橡胶垫等内容，集中质量主要包括导向轮、桥厢底以及桥厢架等，其中因为补偿链、提升钢丝绳等分布质量要远远轻于集中质量，整体影响程度相对较小，所以本次建模计算可以对此忽略不计。同时因为弹性环节间存在一定阻尼，对系统固有频率求解并不会产生明显影响，所以也可以忽略不计。

本次电梯系统力学模型如图2 所示。其中电梯对重和上方动滑轮质量与线位移、桥厢底与桥厢架、桥顶轮以及桥厢架、曳引系统等，分别由mi、xi（i=1,2,3,4,5）进行表示；桥顶轮和对重侧动滑轮转动惯量和角位移，由Ji,θi(i=3,5)表示；绳头弹簧刚度、对重上方滑动轮两侧钢丝绳等刚度，由k 相关量表示。

图2 系统力学模型

按照力学模型以及拉格朗日方程或牛顿第二定理，可以得出，电梯系统动力学方程为：

[M]{X″}+[K]{X}=0

方程中[M],[K]表示系统质量矩阵、刚度矩阵；{X″}表示系统加速度向量；{X}表示系统加速度位移向量。

在刚度矩阵内，R 表示桥顶轮和对重上方动滑轮半径。根据分析得出，钢丝绳刚度k，计算公式为：

k=EA/L

其中E表示钢丝绳弹性模量；A表示钢丝绳横截面积；L表示钢丝绳长度。

（3）动态性分析。

经过建模分析发现，电梯系统固有频率具有三种特征：①虽然低阶固有频率会随着载荷增加而出现逐渐缩小的趋势，但高阶固有频率却不会受到载荷的较大影响，不会出现明显变化；②低阶频率对电梯位置敏感度相对较差，在电梯运行时，其数值变化范围会逐渐缩小，而高阶频率对电梯位置较为敏感，会随着电梯位置的变化而发生改变，数值差异相对较大；③除第5 阶固有频率，其他所有频率不会因为电梯载荷、位置改变而发生变化，各阶固有频率与曳引电机转动频率数值差异较大。第5 阶频率在电梯运行到40 m～60 m 高度范围时，其频率和曳引电机转动频率极为相似，会使电梯产生异常振动状况，所以可以判定，系统第5 阶固有频率处理是本次系统处理关键所在。

2.3 振动抑制建议

通过对电梯系统振动机理的分析可以发现，本次电梯振动主要是因为曳引机旋转失衡所造成的，在电梯运行到40 m～60 m 高度时，系统第5 阶固有频率与曳引机转动频率极为相似是造成电梯振动加剧的主要原因，也是共振问题产生根本影响因素。鉴于此，建议从以下几点入手，对振动问题展开抑制处理：①更换曳引机电机，保证电机动态性能；②对电梯系统某些弹性环节刚度系数展开调整，并要对系统固有频率进行改变，应防止出现固有频率和曳引机转动频率较为接近的状况，以将共振问题发生可能性控制在最低；③在电梯桥厢顶轮位置安装动力减振器，对系统振动能量进行消耗，以达到预期减振效果。多种抑制处理方式均有一定优势与不足，在进行减振方案编制时，需要做好综合分析，要按照电梯系统整体运行情况以及方案执行难易程度，对振动措施进行选择，进而达到理想化振动处理效果。

因为本次电梯系统是正在服役且较为笨重的系统，更换弹性元件、电机操作难度相对较大，所以建议运用安装动力减振器方式，展开电梯垂直振动抑制处理。本次所使用振动减振器是由紧固螺栓、悬臂梁以及质量快等内容所组成的，应用之后对电梯振动问题形成了有效控制。

3 结束语

通过本文对电梯垂直振动问题与抑制方式相关内容的论述，使我们对电梯垂直振动问题产生原因以及具体调节方式有了更加清晰的认知。有关部门应明确认识到电梯垂直振动对电梯使用所产生的负面影响，应进一步加强对该问题的重视程度，并要在对问题产生根本原因展开深度分析的基础上，按照电梯综合环境以及具体条件，制定出可行性较强的振动抑制措施，从而在对振动问题展开有效处理的同时，不断提高电梯系统运行可靠性能，进而实现理想化电梯运行效果，确保乘客可以获得更加舒适、安全的电梯乘坐体验。