浅谈电梯系统中的振动及垂直振动

摘 要：电梯生理上的舒适感主要是与电梯起、制动时的加减速度及轿厢运行中的水平和垂直方向的振动加速度有关。本文依据笔者多年工作经验，重点对垂直方向的振动-振动的自由度，机械方面影响垂直振动的因素及其改善的措施进行探讨。

关键词：电梯；垂直振动；振动自由度；曳引机

前言：

电梯起、制动时的加减速度（或加加速度）主要取决于控制系统的完善程度；而水平振动加速度主要取决于导执的制造安装精度及轿厢在导轨上的运行状况；垂直振动加速度则主要与曳引机曳引轮的绳糟节径差及曳引机的振动（一般振动和曳引轮的扭振）有关。在国家标准中规定：起、制动加减速度不大于1.5m/s2，水平振动加速度不大于15cm/s2，垂直振动加速度不大于25cm/s2，曳引轮上的扭转振动速度有效值：一等品客梯为4.5mm/s，货梯为6mms。

据了解，目前国内中小电梯企业所生产的电梯，对变压调速和变频、变压等调速电梯一般都可以按照预先给定的速度（加速度）曲线将加减速度控制在较舒适，运行效率又较高的适当范围（一般为1～1.2m/s左右）。水平振动加速度一般可达到10cm/s2，甚至可达到5cm/s2。垂直振动加速度一般可达到15cm/s2，有些可达到10cm/s2.甚至达到5cm/s2。曳引轮上的扭转振动速度客梯一般可达到4mm/s，有些能达到2mm/s。因此按目前国内电梯的生产水平，国家标准的有关要求还是比较容易达到的。但问题是要生产出要求更高，舒适感更好的电梯就必须在标准要求的基础上或目前已达到的水平基础上进一步提高。

因加减速度不属振动问题，而且可以通过控制系统的完善得到较好的解决，而水平振动加速度虽属振动问题，但因其比较容易解决，故本文均不作具体讨论。

一、电梯垂直方向振动的一般概念

1.影响电梯垂直方向振动的要是曳引机的振动

曳引机的振动包括一般机械振动和扭转振动两大部分。两部分的振动叠加产生电梯垂直方向的振动。

曳引机一般的机械振动主要是其高速旋转件的不平衡量产生的激振力产生的，而曳引轮上的扭转振动则往往是曳引机零部件的制造安装精度不高所致。如安装中的箱体变形，轴承精度不高，蜗轮的制造装配精度等。如蜗轮齿圈的径向跳动，以蜗轮一转为一个周期，使蜗轮的周节和侧隙周期性变化，从而导致被啮合轮齿超前或滞后旋转，这相当于蜗杆在每一转中激振被啮合蜗轮一次，从而引起频率与转速一致的振动。此外齿形和齿距误差也会使蜗轮付产生动荷载。在有误差的情况下，就会有使蜗轮副产生受迫振动的激振力，而使蜗轮振动。显然制造装配误差越大，产生的激振力越大，引起的振动也越大。然而在一般有齿曳引机结构中曳引轮与蜗轮在同一传动轴上，因此对蜗轮的激振就产生在曳引轮上的扭振。

2.影响振动大小的两个方面

激振力的大小将直接决定振动的大小，但这只是一个方面，并不等于说激振力大的，振动一定大。因为在一定频率的激振力作用下的振动，可以利用振动学中的隔振原理把振动减少或部分隔振或完全隔振。隔振原理就是在挠性的振动系统中，当振动体的固有频率大大小于激振频率时，就能将振动隔离而使振动减至所希望的范围内，否则如果振动体的固有频率接近或等于激振频率时就会发生共振现象，使系统的振动变得无穷大，甚至使系统遭到破坏。当然由于系统中必然有不同形式的阻尼存在，会遏止在共振时的无穷大的振动。但这在设计中还是要尽量避免的。

二、电梯系统垂直方向振动的自由度

电梯是一个多自由度的振动系统这是毫无疑问的。除了水平方向两个自由度（X方向，Y方向外，在垂直方向至少还有三个或四个自由度。是三个自由度，还是四个自由度在电梯设计中可由设计人员选择决定。

笔者提出的振动模型如图一所示，将轿底下的称量橡胶用压力传感器代替并将轿底与轿厢轿架联成一体后的三个自由度系统。

应该说明的是在三个自由度系统中作为最终振动体的轿厢（包括轿架和轿底）的弹性体的刚度是绳头弹簧与钢丝绳串联的组合刚度，因此轿厢的固有频率除随载重量变化外，还随钢丝绳的长度（不同楼层位置）而变，因此变化范围很大。在底层满载时其固有频率最小，而在最高层空载时固有频率最大。因此设计中必需考虑到在最高层空载时的最大固有频率要等于或小于满足舒适感要求的最小频率要求。而四个自由度的终端振动体是轿底，其固有频率只随载重量变化而变化，而与钢丝绳的长度无关，因此有些问题好处理一些。

三、减少垂直方向的振动，提高电梯舒适感的措施

在不考虑其它影响因素时，振动大小与激振力成正比。因此要减小振动就要尽量减小激振力。电梯系统的激振力是具有较高转速的转动件（如电动机转子、蜗杆轴、联轴器制动轮等）由于材料组织的不均匀、零件外形的误差、装配误差、轴承精度及结构形状局部不对称等原因，使通过转动件重心的主惯性轴与旋转轴线不重合，因此旋转时，产生不平衡的离心力所造成的，因此从减小振动的角度可以采取如下四个措施：

（1）对有齿曳引机提高蜗轮付的加工，装配精度是关键。一般，货梯可按GB10089的7-D级精度制造，客梯则按5-6D级精度制造。

（2）提高高速转动件的平衡精度。电动机转子，蜗杆轴要作动平衡，联轴器，制动轮要作静平衡。电动机转子，按GB9293的G2.5级精度平衡，其它可按G6.3级精度平衡。

（3）提高轴承精度，按GB/T272蜗杆轴承，货梯可取6级精度，客梯取5级精度；蜗轮轴承，货梯可取0级精度，客梯取6级精度。

（4）提高曳引轮各绳槽的节径差精度，尽量使其小于0.10mm。电梯速度高则要求更高。

最后还要说明的是以上所述都是从机械的角度对垂直振动的探讨，而实际上，传动电机的内部结构如永磁同步电机永久磁铁的形状等等会使电机的转矩脉动增大及变频调速中的变频载波频率及PID等运行参数的调整不当和编码器性能不好、安装不良及外界干扰等因素，都会引起电梯振动，因而使电梯振动情况更加复杂。牵涉到激振频率及曳引机，对重、轿厢、轿底的质量及其弹性体刚度的选择和互相匹配的问题，选择匹配方案可以很多，但最终目的是为减少振动。因此在新产品试制时或振动状态不佳的电梯要进行调整。在某些情况下，可以选择最方便、最有效的结构参数进行调整。调整效果要求越高，就需要越加精细的调整。

四、结束语

综上所述，在电梯调试过程中要得到较小的振动，就必须对结构参数（如各振动体的质量及其弹性体的刚度等）和变频器的运行参数同时进行适当的调整。