高速电梯提升系统动力学建模及振动控制方法研究

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电梯作为高层建筑垂直运输的交通工具,在日常生活中的作用越来越不可忽视,平稳安全无疑是人们对其性能的基本要求。然而,由于设计、制造以及安装等方面的缺陷,电梯在运行过程中,不可避免地会产生各种各样的振动现象,其中很大一部分与电梯的提升系统有关。另外,随着电梯运行速度和提升高度的增加,提升系统在运行时对外界干扰更加敏感,异常的振动更容易发生,其后果会加剧钢丝绳的磨损和疲劳,缩短钢丝绳的使用寿命,同时,轿厢内可能产生噪声,其结果会使轿厢内的乘客感到不适,影响电梯的使用寿命以及乘坐舒适性。加之,随着城市化进程的快速发展,人们对电梯提升系统的安全性和舒适性提出了更高的需求。而要解决这种矛盾,就需要对电梯提升系统在运行过程中所表现出的动力学行为进行深入而详细的了解,以掌握其特点和规律,同时采取可行的控制策略对其振动进行控制。本文采用理论、分析与实验相结合的研究方法,系统研究了电梯提升系统动力学特性,并设计了振动控制器,为电梯提升系统的安全可靠运行提供了理论与技术支持。本文首先基于多体动力学理论,考虑变形产生的几何非线性因素对提升系统的影响,应用广义Hamliton原理建立了提升系统纵向-横向-侧向空间耦合自由振动模型。同时,考虑提升系统顶端横向外界激励,建立了提升系统受迫振动理论模型,给出了其数学模型的详细数值求解方法,并采用自行设计的提升系统测试实验台,验证了数学模型的正确性。其次基于提升系统纵向-横向耦合振动模型,从三个方面分析了提升系统的参数振动特性,一方面建立了电梯运行时提升系统的振动能量表达式,基于该能量方程,应用Lyapunov第二法关于稳定性的理论,分析了提升系统在运行过程中的瞬态稳定性特性;一方面推导出了提升系统的固有频率计算公式,并对提升系统的固有频率特性进行了分析;一方面从电梯结构参数和运行状态参数分析研究了影响提升系统参数振动特性的效果及其因素。为了掌握高速电梯提升系统在外界激励作用下的振动特性,基于电梯提升系统振动模型,以高速电梯提升系统为例,从导轨不平顺激励、曳引系统横向激励以及参数激励三个方面对提升系统的振动特性进行了深入分析,结果表明:提升系统的外界激励源主要来自于导向系统和曳引系统等因素,且这些因素对提升系统的横向振动影响较大;提升系统是一个典型的参变系统,当运行状态参数有小的简谐干扰时,提升系统会发生参数共振现象,参数共振对提升系统的纵向振动影响较大。为了抑制高速电梯提升系统的振动,提出了增加张紧钢丝绳装置的被动控制方法以及以耗散提升系统能量为目的的主动控制方法来抑制提升系统的振动。并结合算例对两种控制方法的效果进行了数值仿真分析,结果表明两种方法均能达到抑制提升系统振动的目的。最后建立了电梯轿厢-轿厢架-导轨耦合系统动力学模型,该模型可以较好地模拟导靴与导轨之间的接触和脱离关系,从而为电梯轿厢系统的动态特性的深入研究提供了一个较全面的数学模型基础。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重要的理论基础,也为高速电梯提升系统的动力学行为以及振动控制的深入分析提供了途径和方法。
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