限速器导致电梯轿厢共振的传递路径分析

0引言

随着现代高层建筑的高度不断提升,电梯作为垂直运输的重要工具,其运行质量和舒适性备受关注。电梯轿厢的异常振动是一种常见但又不能忽视的问题,它不仅暗示着电梯系统存在潜在风险,还会给乘客带来不适感,而对振动传递路径的深入研究是解决这一问题的关键手段。

1 电梯系统的主要构成及工作原理

电梯作为楼宇的垂直运输工具,主要由以下几个系统组成:曳引系统、轿厢和对重系统、导向系统、门系统、安全保护系统、控制系统。

曳引系统主要考虑曳引机和曳引媒介(钢丝绳)的相互作用,需要满足装载、滞留和紧急制动工况。

轿厢与对重系统中轿厢是用来承载人的一个载体,而对重是发挥节能平衡的作用。如果单独用电机直接拽拉电梯轿厢,能源消耗会很大。所以考虑到节能的 目的,出现了对重系统用来平衡电机两侧的力差,平衡的基准为轿厢的重量加上轿厢的载重的一半。

导向系统是采用导轨等部件实现对轿厢和对重运行的引导。

门系统主要实现电梯平层后轿厢轿门和厅门的配合开关过程。

安全保护系统是电梯安全的保障,轿厢下行超速时有限速器联动安全钳保障,当轿厢上行超速时,主机的制动器会触发。当电梯跨越顶层或底层时,控制系统会强迫电梯减速和急停。同时,轿厢和对重下方都有缓冲器,该装置为控制系统失效时的被动安全保护装置。

2可能导致电梯轿厢异常振动的因素和分析流程

可能引起电梯异常振动的原因有很多,简单的原因分析和计算如下:

1)曳引机相关的问题。

曳引机动平衡差、轴承损坏、曳引轮绳槽有瑕疵、制动盘有凸起等均会引起轿厢振动。主机转动频率计算:

_f1=n×1 000×V/(π×d₁)  (1)

式中:f1为主机转动频率(Hz);n为曳引比;V为电梯的垂直运行速度(m/s);d₁为曳引轮的公称直径(mm)。

2)曳引钢丝绳的问题。钢丝绳捻距频率计算:

f2=n×1 000×V/h (2)

式中:f2为钢丝绳捻距频率(Hz);n为曳引比;V为电梯的垂直运行速度(m/s);h为钢丝绳捻距(mm)。

3)导轨凸起或变形问题。

导轨在接头处的X方向和Y方向有凸起,轿厢运行到此处会发生水平方向的振动。如果导轨变形弯曲,人乘坐在轿厢里会感到明显的晃动。

4)轿厢相关结构和旋转问题。

轿厢部件安装不牢,或存在松动部件等产生异响共振。而对于引起的振动,旋转部件有轿厢反绳轮、滚轮导靴、限速器轮等。轿厢反绳轮、滚轮导靴、限速器轮频率计算:

f=1 000×V/(π×d2)  (3)

式中:f为轿厢反绳轮、滚轮导靴、限速器轮频率(Hz);V为电梯的垂直运行速度(m/s);d₂为轿厢反绳轮、滚轮导靴、限速器轮公称直径(mm)。

5)其他部件的异常和其他频率引起的振动。

如涨紧轮、补偿链等的故障。还有如曳引机磁场旋转频率,定子槽运行频率,轴承滚动体,轴承内、外圈频率,这些频率也有可能通过结构传递引起电梯轿厢的振动。

因此,在准备分析一台电梯的振动问题时需要根据轿厢内的振动数据,确定电梯轿厢振动所在位置、速度、时间以及相应的频谱、振幅等。通过频谱的对比分析,确定振动贡献最大的一个或几个频率点,然后与计算频率进行比对,如果和某个部件计算频率或多倍频一致,那么就需要重点查看该部件是否有缺陷,或者是否有异物卡阻等。

3 实际案例振动传递路径分析

本文以一台载重为800kg、速度为1.75m/s、曳引比为2的钢带电梯作为实例进行分析。现场投诉该电梯轿厢有脚麻振动异常的感觉。通过加速度传感器测得轿厢频率为89 Hz时振幅最大,贡献最大,如图1所示。

此时已知限速器轮直径为200 mm,有8个棘轮。根据式(3)计算可得限速器轮频率为2.785 Hz,每个棘爪频率为2.785× 8≈22.3 Hz。而棘爪的4倍频和限速器轮的32倍频即为89 Hz。所以,此时需要重点寻找限速器轮或棘轮是否有异物存在。经检查,限速器有2个问题点:1)在棘轮表面有一些橡胶老化的粘连物,该粘连物为机构轮橡胶圈因长期在棘轮表面滚动疲劳而出现的剥离橡胶,如图2所示;2)限速器轮槽内出现锈蚀,有铁锈附着在上面,如图3所示。

为此,使用工具清理棘轮粘连物和限速器轮槽铁锈,重新进行测量,发现轿厢振动无明显改善。此时,有理由怀疑可能是限速器的这个频率引起了轿厢的共振。

为了验证这样的猜想,需要进行传递路径分析(Transfer Path Analysis,TPA)。为此需要确定从限速器到轿厢的振动传递路径。从结构上,限速器通过限速器钢丝绳连接,通过限速器连接杆连接到安全钳连杆,安全钳连杆通过保持弹簧与安全钳连板连接,而安全钳连板与轿厢下梁连接,轿厢地板固定在下梁上。如此可以看出,振动的传递路径为:限速器→安全钳连杆→安全钳连板→轿厢下梁→轿厢底板。需要验证在该传递路径中是否存在共振现象,因此须在该路径上测量各部位的振动信息。传感器测点位置如图4~6所示,测点定义如表1所示。

由于异常振动点为89 Hz,所以传递路径各部件的频谱选取范围暂定为80~100 Hz,A~G共计7个测点频谱图依次从上到下排列,如图7所示。

从图中可以明显看出,A点振幅最大为44 mg,B点振幅约为22 mg。钢丝绳为多股钢丝捻合而成,具有一定的阻尼和弹性,经过钢丝绳后,振动通过钢丝绳传递,钢丝绳会发生摩擦和弹性变形,从而吸收振动能量,这就导致C点和D点振幅下降明显,分别为12mg和6 mg。而F点振动正常,约为3 mg。但是E点和G点的振幅明显被放大,约为22 mg和23 mg。这一异常表现更加重了限速器引起E点所在轿厢下梁X方向共振的怀疑。

为了确认这样的猜想,需要用锤击法进一步做轿厢下梁X方向的频率响应测试。因此,在下梁薄板的中间位置、两端各1/3位置,一共布置3个测点,如图8所示。

需要对这3个测点进行多次锤击以减少测试误差,本次测试采用敲击4次的方法,如图9所示。

通常,锤头越硬,能够激发的频率范围就越广;锤头越软,激发的频率范围就越窄。由于本次主要关注89 Hz,同时该下梁为薄板件,因此力锤锤头选用橡胶头。3个测点频率响应测试如图10~12所示。

从上面3个测点的数据可以看出,这3个位置在89 Hz这个频率点附近都存在相位的跃变,并且相干函数值都趋向于1(都大于0.8),因此可以判断轿厢下梁在89 Hz存在共振频率点。

为了解决这个问题,在轿厢底板和下梁之间增加了橡胶垫^[1—2],并对传递路径进行了复测,如图13所示。

由图13可以发现'轿厢下梁X方向和轿厢底板Z方向的89 Hz振幅明显下降,说明增加橡胶垫对振动的隔绝效果明显。同时进行轿厢内振动测试,轿厢振幅明显降低,89 Hz的振动高点也消失了,测试数据如图14所示。

4结束语

本文通过对电梯轿厢振动的分析计算和一般流程梳理以及限速器传递路径的深入分析,明确了振动产生和传递的影响因素,通过完备的计算比对辅以测试分析就能够找到振动产生的方向。值得注意的是,部件设计需要充分考虑潜在的振动风险,降本的同时应该采取可能的措施减少共振的发生。另外,还应持续优化电梯系统,以满足人们高品质的乘梯需求。

[参考文献]

[1]严济宽.机械振动隔离技术[M].上海:上海科学技术文献出版社,1986.

[2]季文美,方同,陈松淇.机械振动[M].北京:科学出版社,1985.

2025年第2期第9篇