基于ADAMS/Cable的电梯动力学仿真研究

杨亦林 郭永波 钟 星 栾子萱 彭英建

（1.江苏师范大学科文学院，徐州 221000；2.江苏师范大学，徐州 221000）

随着城市垂直运输的能力不断提高，现代大型建筑不断发展，促使高层和高速电梯发挥着越来越重要的作用。于是，高速电梯的安全性和可靠性逐渐成为人们关注的重点。电梯提升系统的悬垂钢丝绳的振动和弹性变形及轿厢振动，是影响提升系统安全性和可靠性的主要因素。因此，研究钢丝绳的振动情况、影响钢丝绳弹性变形的因素以及改善轿厢的振动问题，对改善电梯的舒适性和安全性具有重要作用。

近年来，相关学者针对电梯动力学模型建立方法展开了丰富的研究。大部分学者通过仿真软件建立模型研究结构动态特性。丁振兴[1]等利用ADAMS对柔索的虚拟建模做了相关研究，并提出了利用bushing建立柔索的方法。韩莉莉[2]等分别采用ADAMS软件开发的Cable模块进行工程机械等领域柔索驱动的振动特性研究，取得了一定成果。吴虎城[3]通过机械系统动力学自动分析（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS） 建 模仿真，验证了基于柔性体弹性变形理论建立的提升系统的可行性。它的纵向振动模型可靠性较高，可较好地反映轿厢的振动特性。郭永波[4-5]等利用ADAMS/Cable建立了摩擦提升系统仿真模型，在钢丝绳张力横向及纵向振动3个方面验证了模型，获得了钢丝绳卷绕摩擦轮过程中的振动特征和围包角钢丝绳各点在任意时间内与摩擦轮的接触摩擦特性，进一步证明了ADAMS建模方法的可行性。以上研究证明了利用ADAMS建立高速电梯模型进行动力学分析的可行性。考虑仿真精度和建模时间等问题，本文利用ADAMA/Cable模块构建钢丝绳曳引系统，建立高速电梯运动模型，并对运动工况进行了仿真。

1 高速电梯动力学模型构建

1.1 电梯动力学模型构建流程

以高层高速电梯为研究对象，利用SolidWorks软件和ADAMS软件建立高速电梯模型。高速电梯模型构建流程图如图1所示。

图1 高速电梯模型构建流程图

2 建立提升系统仿真模型

2.1 建立实体模型

电梯基本构件由轿厢、曳引系统、轿厢导轨以及对重等组成，在不影响模型质心、转动惯量以及仿真精度的前提下，根据构件结构尺寸进行简化设计，以减少仿真时间和计算量。

2.2 将实体和柔性体模型导入ADAMS软件

通过SolidWorks建立的整机实体模型以“x_t”格式导入ADAMS生成刚性体高速电梯模型，但是电梯的模型数据将会发生改变，如构件的质量、材料以及密度等，因此需要对构建的属性参数进行重新定义。超高速电梯模型建立后需要在构件与大地、构件与构件之间施加对应的约束副，主要包括转动副、移动副以及固定副等。此外，需要根据曳引机运动在对应约束副施加驱动函数。高速电梯系统模型如图2所示。动力学仿真模型如图3所示。

图2 高速电梯系统模型

图3 动力学仿真模型

2.3 曳引提升系统的搭建

利用ADAMS参数化集成模块Cable建立高速电梯的曳引提升系统模型的步骤如下。首先，建立绳索的起始端点。绳索的首尾分别连接轿厢与对重，因此需要设立两个锚点。第一个锚点与轿厢相连接，第二个锚点名称为与对重相连接。其次，建立滑轮。高速电梯动力学模型中的绳需含有两个滑轮，分别为曳引轮和导向轮，因此带轮个数设置为2，并在布局中填入之前建立的横截面属性名称。材料页面可以定义滑轮的质量属性，连接页面中可以定义滑轮运动副。最后，建立绳子的属性及缠绕顺序。缠绕顺序选型可以改变绕线的方向。绳索建立方式如图4所示。

图4 建立绳索

3 电梯提升系统工况仿真

以某高速电梯为例，高速电梯在整个提升运动过程中采用梯形加速度加减速运行方式，将其提升过程分为7个阶段，即加速度由零增至最大、保持不变、减至零值、匀速、加速度减至最大、保持不变以及增至零值。通过定义每个阶段的时长，设定提升过程最大加速度为1 m·s-2，最大速度为3 m·s-1，最大提升距离为25 m。利用ADAMS软件可获得电梯提升上行过程的运行状态曲线，如图5～图7所示。

图5 电梯运行时间-速度图

图6 电梯曳引轮运行时间-加速度图

由图7可知，电梯提升过程中，在匀速运行阶段，曳引钢丝绳的水平振动加速度幅值较为平缓，因此轿厢运动平稳。曳引钢丝绳的水平振动加速度幅值出现两次较大波动，分别是电梯初始加速阶段和电梯减速阶段。由图7可以看出，减速阶段的振动响应更为明显。通过分析电梯的运动行程可知，电梯在提升过程中，曳引侧的钢丝绳长度逐渐减短，导致振动能量增加，直至电梯制动停止。

图7 钢丝绳水平振动的加速度时程曲线

4 结语

本文以高速电梯为建模对象，详述了高速电梯模型的建立过程，充分发挥了多刚体动力学和有限元的优势，通过SolidWorks软件实体建模节省了大量的建模时间。利用ADAMS/cable模块建立绳索并对其进行仿真，得到了复杂运动中的钢丝绳的振动、弹性变形、轿厢的振动等动力学参数曲线，准确反映了系统运动过程和运动规律，提高了计算精度和准确度，为快速、准确搭建高速电梯模型提供了依据。