论文部分内容阅读
摘要：中国电梯市场供大于求，随着市场竞争的白热化以及人们对电梯乘坐安全性和舒适度要求的提高，电梯运行的平稳性能越来越受到关注。而电梯运行的平稳性又由电梯产品质量本身和安装、保养等多种因素决定。如何鉴定电梯运行的平稳性在电梯行业有公认的测量方法和指标，通过这些方法和指标可以对电梯运行振动进行分析，本文较全面的介绍如何分析电梯振动以及导致电梯振动的原因，从而提供有效的解决措施。
关键词：电梯振动、原因、频率、频谱分析
一、电梯振动
1.1 振动加速度
频率与振幅是振动的两大属性，对于电梯振动的评价也从这两个角度出发。电梯振动会影响电梯的舒适感，一般认为振动加速度及其变化率使引起乘客感觉不适的主要因素。国标GB/T10058规定：乘客电梯轿厢运行在恒速段Z轴最大峰峰值应不大于0.30m/s2，A95值不应大于0.20 m/s2。乘客在电梯运行期间水平（X轴和Y轴）振动最大峰峰值不应大于0.20 m/s2，A95值不应大于0.15m/s2。
1.2 人体
一般情况下，人体对振动的反应随着振动的强度增加而加剧，且振动的频率与方向还影响着人的生理反应。研究表明，人体全身垂直振动在4-8HZ有一个最大的共振峰值，主要是由于胸部共振产生，对胸部影响较大;在10HZ附近还有一个较小的共振峰值，由腹部共振产生，对腹部影响比较大。人体对水平方向的振动要比不垂直方向的更加敏感，人体对1-2HZ的水平振动有较大的生理反应。因此控制轿厢的振动频率同样对提高电梯的舒适感非常重要。
1.3 影响电梯振动的原因
电梯振动是由多个因素引起的，其中最重要的原因可以从技术角度分为是机械和电气控制两个方面，机械原因占比80%，电气原因仅占20%。
1.3.1 机械原因
机械方面的原因很多，主要有以下3个方面。
（1）曳引机引起的振动。曳引轮机械间隙大、曳引轮加工和安装精度差等造成电梯运动位置产生误差，从而引起曳引轮旋转失衡，造成电梯振动。在诸多的电梯振源中，曳引轮的旋转失衡是最常见的根源之一。一旦电梯系统的某阶固有频率跟曳引电机的转动频率吻合，则会激发共振现象。
（2）轿厢曳引系统引起的振动。电梯依靠钢丝绳连接整个曳引系统，钢丝绳张力不均匀和安装扭曲都易引发电梯垂直振动。
（3）导轨引起的振动。导轨安装平直度不好、轨距偏差超标、接口不平滑、扭曲变形、工作面缺陷等都会造成电梯振动。
1.3.2 电气原因
电气造成的振动主要来自2个方面。
（1）测速干扰。电梯测速闭环系统一般采用光码盘作为速度反馈信号，测速反馈信号不正常是导致系统振动和机械谐振的重要原因之一。其主要原因都来自编码器，包括与电机连接不良，受外力冲击损坏、布线不合理信号受干扰以及遮挡盘片等。
（2）由于谐波力矩使电动機低速脉动，造成轿厢垂直振动。原因包括调节器P值过大，I值过小以及三相电压不平衡等。
二、频谱分析（FFT）分析电梯振动原理
频谱分析简单的说就是将时域信号变换为频域信号进行分析。频谱分析有助于将构成信号的各种频率成分分解开来，以便于对振源进行识别。由于各机械部件在运转过程中必定产生某一种相应的特征频率，故通过某一频率的振动烈度强弱，可判别振动来源。
目前常用的电梯振动仪（EVA-625）、或电梯专用加速度传感器采集的电梯振动信号均为时域信号，即电梯运行过程中X、Y、Z轴方向上的加速度数据，为分析电梯振动产生的原因，也需将采集到的时域信号转化为频域信号，根据各频率锁对应的谐波振动分量所具有的振幅，再结合电梯各部件运行过程中产生频率的特点，可以比较直观地分析判断振动来源。
2.1导轨方面：导轨引起的振动主要体现在水平方向上的振动，由于导轨多为5m每节，若X轴或Y轴时域曲线呈现5m的规律性变化，可判定电梯的振动主要是导轨接口台阶引起的振动。如下图所示。
2.2绳轮方面：绳轮方面引起的振动，主要指机房曳引机轮、机房导向轮、轿顶返绳轮、对重返绳轮回转引起的振动，且它们回转产生的频率分别由以下公式计算获得：
其中，R--电梯曳引比;
V--电梯运行额定速度;
D导--机房导向轮直径;
D轿导--轿顶导向轮直径;
D对导--对重导向轮直径。
若电梯Z轴加速度曲线呈现明显且规律的锯齿状低频振动，且上下均存在此现象时。对其进行FFT分析，能够得到最大主频，分别计算该电梯机房曳引机轮、机房导向轮、轿顶返绳轮、对重返绳轮回转频率，其中与最大主频一致的，就能判断该振动是由于它引起的。
2.3主机方面：主机所引起的振动主要是主机转动引起振动。主机脉冲频率计算公式如下：
其中，P--电机的极数;
R--电梯曳引比;
--曳引机回转频率;
V--电机的额定速度;
--曳引机的直径。
Z轴曲线高频振动明显，X、Y轴也有明显高频出现，通过对Z轴进行FFT分析，得出振动主频，经过计算与电机的脉冲频率吻合，且X、Y轴也存在与Z轴振动主频一致的振动。由此判断该振动是主机引起的。
2.4 钢丝绳方面：
（1）曳引比为1：1的电梯系统中，钢丝绳产生振动情况分析。
在曳引比为1：1的电梯系统中。上行时随着轿厢离主机越近，轿厢与机房间钢丝绳越短，X轴振动越明显;下行时随着轿厢离主机越远，轿厢与机房间钢丝绳越长，X轴振动逐渐减弱。Z轴也有类似现象但不如X轴明显。通过对X轴进行FFT分析，频谱图的频率显现密集并逐渐增大的趋势，振动主频大，同时Y/Z也存在同一高频率的振动。由此可判断振动是由钢丝绳引起的。如下图所示。
（2）钢丝绳进入曳引轮时产生的振动。
钢丝绳是由多个股按照工艺设计的捻距捻制而成，其自身并不是一个纯圆体。当钢丝绳进入曳引轮时，也会产生轻微的周期性振动，其振动频率
其中，R--电梯曳引比;
V--钢丝绳运行的速度，即电梯的运行速度，单位为m/s;
H--为钢丝绳的捻距，一般为钢丝绳直径的6.3倍，单位为mm。
三、结语
电梯振动的方法对于电梯从业人员尤其是设计研发人员和工程问题处理人员都很实用，尤其是在目前电梯行业越来越追求高质量产品和乘坐体验的发展趋势下更显重要，本文鉴于篇幅有限，对于电气分析方面还没有深入展开论述，但分析的原理都相同，就是利用频谱分析工具确定振动频率并溯源，然后根据溯源结果进行改进并解决问题，这也是理论结合实际并形成闭环的体现。
关键词：电梯振动、原因、频率、频谱分析
一、电梯振动
1.1 振动加速度
频率与振幅是振动的两大属性，对于电梯振动的评价也从这两个角度出发。电梯振动会影响电梯的舒适感，一般认为振动加速度及其变化率使引起乘客感觉不适的主要因素。国标GB/T10058规定：乘客电梯轿厢运行在恒速段Z轴最大峰峰值应不大于0.30m/s2，A95值不应大于0.20 m/s2。乘客在电梯运行期间水平（X轴和Y轴）振动最大峰峰值不应大于0.20 m/s2，A95值不应大于0.15m/s2。
1.2 人体
一般情况下，人体对振动的反应随着振动的强度增加而加剧，且振动的频率与方向还影响着人的生理反应。研究表明，人体全身垂直振动在4-8HZ有一个最大的共振峰值，主要是由于胸部共振产生，对胸部影响较大;在10HZ附近还有一个较小的共振峰值，由腹部共振产生，对腹部影响比较大。人体对水平方向的振动要比不垂直方向的更加敏感，人体对1-2HZ的水平振动有较大的生理反应。因此控制轿厢的振动频率同样对提高电梯的舒适感非常重要。
1.3 影响电梯振动的原因
电梯振动是由多个因素引起的，其中最重要的原因可以从技术角度分为是机械和电气控制两个方面，机械原因占比80%，电气原因仅占20%。
1.3.1 机械原因
机械方面的原因很多，主要有以下3个方面。
（1）曳引机引起的振动。曳引轮机械间隙大、曳引轮加工和安装精度差等造成电梯运动位置产生误差，从而引起曳引轮旋转失衡，造成电梯振动。在诸多的电梯振源中，曳引轮的旋转失衡是最常见的根源之一。一旦电梯系统的某阶固有频率跟曳引电机的转动频率吻合，则会激发共振现象。
（2）轿厢曳引系统引起的振动。电梯依靠钢丝绳连接整个曳引系统，钢丝绳张力不均匀和安装扭曲都易引发电梯垂直振动。
（3）导轨引起的振动。导轨安装平直度不好、轨距偏差超标、接口不平滑、扭曲变形、工作面缺陷等都会造成电梯振动。
1.3.2 电气原因
电气造成的振动主要来自2个方面。
（1）测速干扰。电梯测速闭环系统一般采用光码盘作为速度反馈信号，测速反馈信号不正常是导致系统振动和机械谐振的重要原因之一。其主要原因都来自编码器，包括与电机连接不良，受外力冲击损坏、布线不合理信号受干扰以及遮挡盘片等。
（2）由于谐波力矩使电动機低速脉动，造成轿厢垂直振动。原因包括调节器P值过大，I值过小以及三相电压不平衡等。
二、频谱分析（FFT）分析电梯振动原理
频谱分析简单的说就是将时域信号变换为频域信号进行分析。频谱分析有助于将构成信号的各种频率成分分解开来，以便于对振源进行识别。由于各机械部件在运转过程中必定产生某一种相应的特征频率，故通过某一频率的振动烈度强弱，可判别振动来源。
目前常用的电梯振动仪（EVA-625）、或电梯专用加速度传感器采集的电梯振动信号均为时域信号，即电梯运行过程中X、Y、Z轴方向上的加速度数据，为分析电梯振动产生的原因，也需将采集到的时域信号转化为频域信号，根据各频率锁对应的谐波振动分量所具有的振幅，再结合电梯各部件运行过程中产生频率的特点，可以比较直观地分析判断振动来源。
2.1导轨方面：导轨引起的振动主要体现在水平方向上的振动，由于导轨多为5m每节，若X轴或Y轴时域曲线呈现5m的规律性变化，可判定电梯的振动主要是导轨接口台阶引起的振动。如下图所示。
2.2绳轮方面：绳轮方面引起的振动，主要指机房曳引机轮、机房导向轮、轿顶返绳轮、对重返绳轮回转引起的振动，且它们回转产生的频率分别由以下公式计算获得：
其中，R--电梯曳引比;
V--电梯运行额定速度;
D导--机房导向轮直径;
D轿导--轿顶导向轮直径;
D对导--对重导向轮直径。
若电梯Z轴加速度曲线呈现明显且规律的锯齿状低频振动，且上下均存在此现象时。对其进行FFT分析，能够得到最大主频，分别计算该电梯机房曳引机轮、机房导向轮、轿顶返绳轮、对重返绳轮回转频率，其中与最大主频一致的，就能判断该振动是由于它引起的。
2.3主机方面：主机所引起的振动主要是主机转动引起振动。主机脉冲频率计算公式如下：
其中，P--电机的极数;
R--电梯曳引比;
--曳引机回转频率;
V--电机的额定速度;
--曳引机的直径。
Z轴曲线高频振动明显，X、Y轴也有明显高频出现，通过对Z轴进行FFT分析，得出振动主频，经过计算与电机的脉冲频率吻合，且X、Y轴也存在与Z轴振动主频一致的振动。由此判断该振动是主机引起的。
2.4 钢丝绳方面：
（1）曳引比为1：1的电梯系统中，钢丝绳产生振动情况分析。
在曳引比为1：1的电梯系统中。上行时随着轿厢离主机越近，轿厢与机房间钢丝绳越短，X轴振动越明显;下行时随着轿厢离主机越远，轿厢与机房间钢丝绳越长，X轴振动逐渐减弱。Z轴也有类似现象但不如X轴明显。通过对X轴进行FFT分析，频谱图的频率显现密集并逐渐增大的趋势，振动主频大，同时Y/Z也存在同一高频率的振动。由此可判断振动是由钢丝绳引起的。如下图所示。
（2）钢丝绳进入曳引轮时产生的振动。
钢丝绳是由多个股按照工艺设计的捻距捻制而成，其自身并不是一个纯圆体。当钢丝绳进入曳引轮时，也会产生轻微的周期性振动，其振动频率
其中，R--电梯曳引比;
V--钢丝绳运行的速度，即电梯的运行速度，单位为m/s;
H--为钢丝绳的捻距，一般为钢丝绳直径的6.3倍，单位为mm。
三、结语
电梯振动的方法对于电梯从业人员尤其是设计研发人员和工程问题处理人员都很实用，尤其是在目前电梯行业越来越追求高质量产品和乘坐体验的发展趋势下更显重要，本文鉴于篇幅有限，对于电气分析方面还没有深入展开论述，但分析的原理都相同，就是利用频谱分析工具确定振动频率并溯源，然后根据溯源结果进行改进并解决问题，这也是理论结合实际并形成闭环的体现。