高速曳引式电梯振动主动控制技术研究

柴士伟

[摘 要]随着我国经济的快速发展，高速电梯在高层建筑中获得了广泛使用，本文首先对高速电梯水平振动进行了概述，分析了高速电梯水平振动的系统组成及工作原理，最后对高速电梯水平振动主动控制进行了分析。

[关键词] 高速电梯；水平振动；主动控制

中图分类号：TU976.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0253-01

一、前言

近年来，随着各种高楼大厦拔地而起，高速电梯成了穿梭高楼大厦的必备产品，电梯事故也时有发生，这给人们的生活和生命安全带来严重的威胁。对高速电梯水平振动问题的研究对提高高速电梯的运行安全和乘客的舒适度具有重要意义。我国在该方面虽然取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进。

二、高速电梯水平振动概述

电梯是高层建筑中的重要运输工具。随着城市的扩张和高层建筑的发展，电梯的速度不断提高。速度的提高使得电梯振动加剧，影响了乘坐舒适性以及电梯的使用寿命。因此，振动控制是高速电梯需要解决的重要课题。电梯的振动包括垂直振动和水平振动两方面，目前国内对电梯振动的研究主要集中于垂直振动方面，关于高速电梯水平振动的研究还处于起步阶段。其中天津大学的李立京等人建立了2自由度的电梯水平振动模型，在此基础上分析了电梯导轨对振动的影响。傅武军，朱昌明等建立了基于ADAMS的电梯虚拟样机模型，进行了轿厢水平振动的分析。国外关于电梯水平振动的研究要领先于国内，UTSUNOMIYAK等人进行了基于电磁作动器的电梯水平振动主动控制研究，日本三菱等知名电梯公司已经取得了高速电梯水平振动主动控制的技术并申请了专利保护。

三、系统组成及工作原理

电梯系统属于一个复杂的多体系统，造成电梯轿厢水平振动的因素是多方面的，其中最重要的就是导向系统。轿厢是电梯的载客部分，主要由轿厢体、轿架以及导靴系统组成。轿厢体与轿架连接在一起，导靴安装在轿架的上下两侧，中、高速电梯一般采用滚动式导靴，传统的滚动式导靴安装有减振弹簧，导轮在弹簧力作用下紧贴在T型导轨的3个工作面上，带动轿厢上上下下地运动。导轨表面的不平通过导靴系统传递给轿厢，引起轿厢的水平振动。采用主动导靴可以降低电梯的水平振动。以液压油缸为主动导靴的执行机构，液压油缸安装在导靴支架与导轮的支撑摇臂之间，替代被动导靴中的减振弹簧。

以高速开关阀作为控制阀，通过阀的开启和关闭来控制油缸内的油压。系统的控制机理为恒压力控制，当电梯沿着平直的理想导轨运行时，两个阀处于关闭状态，液压执行器的油腔为密封腔，油压值保持为初始设定值P0，导轮在预紧力F0的作用下紧贴在导轨上，电梯轿厢处于平衡状态；当导轨表面有突起的时候，导轮随之向着轿厢方向偏移，油缸内的油压升高，进油阀关闭，回油阀开启，油缸回油，压力降低，直到恢复为P0；反之，当导轨表面有凹陷时，开关阀执行相反的动作，使油缸内的油压保持为P0。这样，只要控制得当，则油缸内的油压始终恒定为P0，既保证了导轮与导轨的紧密接触，同时使电梯轿厢免受导轨不平度的影响而达到减振的目的。为了吸收及消除压力脉动，提高液压系统的性能，每一液压油缸连接了一个蓄能器。

四、高速电梯水平振动主动控制分析

1、电梯导轨对各导靴的作用力分析

高速电梯是非常复杂的多体运动系统，电梯桥厢发生水平振动的诱因有很多种，其中电梯的导向系统对电梯的水平振动影响最大。电梯的导向系统由导靴和导轨两部分组成，导靴一般安装在电梯导轨支架的两侧，高速电梯的导靴一般使用滚动式导靴。

研究表明高速电梯的水平振动幅度和电梯的速度成正比例关系，并且在高速电梯中导轨的激励状态是影响电梯振动的关键因素之一。高速电梯中导轨对电梯桥厢的激励主要受电梯导轨的弯曲程度、施工工艺误差和接头间隔距离等因素影响。在对高速电梯的水平振动问题进行仿真时，一般会在电梯桥厢上加上短脉冲、阶跃、三角等激励，这种仿真方式有较高的仿真效果，但是依然存在很多问题需要改进。本文针对现阶段高速电梯水平振动仿真存在的问题同时兼顾模型的实用性，将电梯系统中的导靴、桥架、导轨的弯曲和不平整度等因素考虑在内，并且将导轨激励引入到电梯水平振动的模型中，这样缩小了各种类型激励对电梯水平振动的影响，建立起比较完善的电梯桥厢水平振动模型。因为高速电梯采用滚动导靴，因此高速电梯的导轨和滚动导靴属于滚动接触并且两者之间会产生Herta接触力。根据Kaler博士提出的三维接触滚动理论可知，电梯的导轨和导靴接触点的位移值和该点受到的力的方向有关，从而可以建立导轨和导靴的接触模型

，高速电梯的导靴受力方向是沿着z方向的，并且电梯导轨和导靴之间的接触面上单位长度所受到的力可通过下式（1）计算出来

P=F/L （1）

上式（1）中L代表圆柱体轴线方向的长度，F代表圆柱体上受到的总负荷。

2、高速电梯水平振动主动电气控制设计

根据上文中高速电梯导靴和导轨接触的模型，本文设计了基于液压作动器的电梯主动导靴，然后采用模糊控制实现对电梯的主动电气控制达到降低高速电梯水平振动的目的，以液压油缸为主动导靴的执行机构，液压油缸安装在导靴支架与导轮的支撑摇臂之间，替代被动导靴中的减振弹簧。以高速开关阀作为控制阀，通过阀的开启和关闭来控制油缸内的油压。系统的控制机理为恒压力控制，当电梯沿着平直的理想导轨运行时，可以通过液压装置保证导轮与导轨的紧密接触，同时使电梯轿厢免受导轨不平度的影响而达到减振的目的。为了吸收及消除压力脉动，提高液压系统的性能，每一液压油缸连接了一个蓄能器。

本文在采用液压主动导靴减缓高速电梯振动的基础上采用模糊控制算法对液压系统进行电气控制从而进一步减低电梯水平振动程度。因为液压控制系统属于非线性的控制系统，一般的控制方法不能取得较好的效果，而模糊算法可以实现输入和输出变量的模糊化，并且具有良好的鲁棒性能可以实现对液压系统的有效控制。

3、控制仿真分析

本文采用matlab软件液压主动导靴及其模糊控制模型进行仿真，在进行仿真时将电梯的速度设定为3.5m/s并且将电梯桥厢底部中心的水平振动加速度作为观测值。通过仿真对比可以发现，采用被动导靴控制时振动平均加速度为0.277m/s2，方均根值为0.091m/s2，而采用主动导靴控制时振动的平均加速度为0.157m/s2，方均根值为0.052m/s2，与被动控制相比平均加速度降低了43.7%。

通过对比可知采用主动控制策略能够有效降低高速电梯的水平振动。

五、结束语

通过对高速电梯水平振动主动控制问题的分析，进一步明确了研究高速电梯水平振动主动控制的重要性。因此，在高层楼宇后续的建设中，我们要加强对高速电梯水平振动主动控制问题的重视，确保电梯的稳定运行。

参考文献

[1]李立新.高速曳引式电梯振动主动控制技术研究[J].振动与冲击，2015（4）：56-59.

[2]周志翔.超高速电梯发展中存在的问题与研究方向[J].控制工程，2014（5）：87-89.

[3]杨小锋.超高速电梯气动特性及其优化的数值模拟研究[硕士学位论文].北京：北京航空航天大学，2014（12）：23-25.

[4]李醒飞，张晨阳，李立京.电梯导轨对轿厢振动的影响[J].中国机械工程，2015（2）：115-122.

[5]李立京.电梯综合测试系统与故障诊断技术的研究[硕士学位论文].天津：天津大学，2015（6）：69-72.