高速曳引电梯提升系统纵向时变特性研究

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电梯作为“垂直运动汽车”,已成为我们日常生活中不可缺少的一个交通工具,其安全性、舒适性成为人们对电梯的基本要求。电梯提升钢丝绳具有一定的时变特性,随着电梯的上下运行,提升钢丝绳的质量、刚度、阻尼在不断发生变化。高层、超高层建筑的不断兴起推动着电梯向着大行程、高速度的方向发展,速度的提升使电梯提升钢丝绳的时变特性愈发明显,严重影响着电梯的动态性能,尤其会恶化电梯的纵向动态性能指标。此外,提升钢丝绳的时变还会使提升钢丝绳的张力产生动态变化,影响电梯安全性。因此,有必要对高速电梯提升系统运行过程中的纵向时变特性进行深入研究,掌握其作用机理,指导高速电梯的减振设计,进而提高电梯安全性和舒适性。本文采用理论分析、数值仿真相结合的方法,对高速电梯提升系统纵向时变影响进行了系统研究。  首先考虑高速电梯补偿绳重量以及张紧系统提供的预紧力的影响,基于轴向弦线理论,将高速电梯提升钢丝绳简化为上下运动并受轴向预紧力的弦线,结合能量法和广义Hamilton原理,构建了高速电梯提升系统纵向时变偏微分方程,针对偏微分方程中部分参数难于确定问题,采用五次多项式拟合了电梯实际运行状态参数,并对钢丝绳弹性模量取值进行了分析。  针对偏微分控制方程的无穷多个自由度以及求解困难问题,首先采用加权余量法中的Galerkin法将方程无限自由度连续的偏微分方程转化为有限自由度的常微分方程,其次,考虑模型的时变特性以及数值算法的精确性,提出高速电梯纵向时变模型的精细积分法,对转化后的常微分动力学方程进行求解。  其次针对高速电梯提升系统由于制造和安装误差导致的参数随机问题,采用随机摄动理论推导高速电梯提升系统纵向加速度响应确定部分与随机部分表达式,通过求解随机响应表达式推导了随机参数位移、速度、加速度灵敏度表达式,进而分析了各随机参数对电梯提升系统纵向振动位移、速度、加速度响应的影响程度,结果表明,提升钢丝绳线密度的灵敏度最大,其次是提升质量,提升钢丝绳的弹性模量灵敏度最小,且提升质量、提升钢丝绳弹性模量和钢丝绳线密度三个随机参数对振动加速度响应的灵敏度最大,其次是振动速度响应,对振动位移响应的灵敏度最小。  结合构建的高速电梯提升系统纵向常微分控制方程,分析电梯上行和下行过程中的动态特性,以及不同结构参数对电梯提升系统动力学特性的影响,发现电梯提升钢丝绳越短,电梯纵向振动频率越大,电梯纵向振动加速度响应峰值与电梯提升钢丝绳长度、丝绳提升质量、钢丝绳线型号、钢丝绳弹性模量呈负相关关系,与张紧系统提供的预紧力呈现正相关关系。  最后考虑高速电梯提升系统补偿绳、预紧力以及井道风阻的影响,构建了高速电梯提升钢丝绳时变张力模型,以五次多项式拟合的电梯运行参数作为输入,运行精细积分法对时变张力进行了仿真,并分析了部分参数对时变张力的影响,发现提升钢丝绳时变张力峰值和变化范围与提升钢丝绳型号大小成负相关关系;与电梯的提升额定质量、电梯预紧力成正相关关系。
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