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高速电梯悬挂系统动态性能的理论与实验研究

张鹏  
【摘要】: 在电梯驱动技术不断发展的条件下,电梯的提升高度以及行驶速度有了很大的提高,但也因此对电梯自身的安全性和乘客的乘坐舒适性提出了更高的要求。要解决这种矛盾,首先就要对电梯悬挂系统本身的动态性能特点进行深入而详细的了解。 由曳引轮、钢丝绳、轿厢/重平衡系统等主要部件组成的曳引电梯悬挂提升系统,是一种典型的柔性传动提升系统。在这种系统中,通过曳引绳在曳引轮槽内缠绕而产生的摩擦力提供提升的直接动力,由柔性的曳引绳(主要是钢丝绳)来引导轿厢/平衡重量的运动。根据柔性系统的特点,在运动条件下,系统本身的弹性变形可能引发非常复杂的动态性能。尤其是在高速运动状态或存在外界干扰的时候,这种复杂的局部或全局的动态性能,可能会对整个电梯系统的安全性和乘坐舒适性产生不可忽视的影响。 本文采用理论分析与真实实验相结合的研究方法,以高速电梯乘坐的舒适性和运行的安全性为基本出发点和最终的实现目标,分别从局部和整体的角度,深入讨论和研究了高速电梯柔性曳引提升系统在各种结构参数及运动参数下的典型动态性能表现,分析了高速电梯在行驶过程中某些异常动态性能产生的原因和影响因素。 从乘坐舒适性方面考虑,以柔性悬挂系统动态稳定性的考察为基础,将电梯柔性悬挂系统抽象为一种一端附加有一定质量的张紧的轴向运动弦线的力学模型,采用弹性力学理论和分布式建模方法,建立了柔性提升系统横向-纵向耦合振动的运动方程和能量方程,并通过自行设计和建立的柔性提升系统动态性能测试实验台,对理论模型进行了实验验证;通过各种结构参数和运动参数下的仿真计算,再现和分析了高速电梯柔性悬挂系统运行过程中的耦合振动状况及其影响因素,研究结果表明:高速电梯在上行阶段更容易发生剧烈的振动从而影响乘坐的舒适性;以包括轿厢在内的柔性悬挂系统的横向振动的整体建模为基础,研究了电梯轿厢对于导轨不平度的水平振动响应,研究结果表明:高速电梯轿厢的水平振动会受到系统本身的柔性特性和导轨不平度因素的共同影响。 从运行安全性方面考虑,以高速电梯曳引能力的评估和保证为基础,采用多体动力学理论和离散系统建模方法,建立了曳引绳在曳引轮槽内缠绕运动的动态仿真模型,研究了由于电梯的速度提升而引起的曳引绳在轮槽内特殊的接触、滑移和脱离等局部动态特性;进行了钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦系数以及非正常工况下曳引能力的实验研究,提出了一种摩擦系数测试与分析方法,并研究了摩擦系数在各种影响因素下的变化;在实际井道中对电梯在非正常运行状况下的曳引能力及动态性能进行了实验研究,并利用测量结果对曳引绳绕行模型在这方面应用的有效性进行了验证。研究结果表明:仿真模型可以很好地模拟这些动态行为,为电梯曳引能力的相关研究提供了有利的工具。 本文对高速电梯悬挂系统的典型动态特性进行了深入的理论和实验研究,着重揭示了由于速度的提升而带给电梯悬挂系统的特殊动态特性产生的原因、现象和影响,探索和分析了曳引能力、耦合振动等电梯特有物理现象的存在机理和本质表现。本文的研究成果为电梯舒适性和安全性的相关研究提供了分析思路和理论基础,为更加深入地认识高速电梯悬挂系统的动态特性本质提供了方法和途径,为下一步系统振动抑制与控制方法的研究提供了对象与工具。


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