[01639251]高速曳引电梯多场耦合振动机理研究及稳健优化设计

①课题来源与背景; 电梯是随着高层建筑的兴起而发展起来的一种运输工具,被称为“垂直运动的汽车” ,发达国家每天乘电梯的人次多于乘其它交通工具的人数。我国在 2009 年已成为世界上最大的电梯使用国,截止2015年底,我国电梯保有量总数已超过 400 万台。目前,电梯的使用量已成为衡量国家现代化程度的标志之一。 功能性、安全性和舒适性是高速电梯品质的三大要素。随着电梯不断向高速方向发展,电梯振动越发加剧,保持较高的动态舒适性愈发困难;在高速运行过程中产生的机械振动和冲击会对柔性提升系统产生附加动载荷,从而缩短电梯的使用寿命;强烈的振动还会影响电梯轿厢上仪器仪表的正常工作,缩短精密仪器的寿命,甚至导致安全事故发生,除此之外高频振动还会影响乘客的舒适感和身体健康,所以,要实现高速电梯功能性、安全性和舒适性三方面的最佳结合不能仅局限于电梯设备的前期质量监督与电梯设备的后期运营和维护,更要着重于高质量的理论设计与分析技术研究。 提升系统动力学响应建模与可靠性稳健设计是高速曳引电梯开发的重要环节,是提高其功能性、安全性和舒适性的关键。提升系统运动过程中井道内温度、流体冲击形成的热-流-固多场耦合的服役环境,以及多场耦合和动力学响应建模中各设计变量与预设计变量的不确定性,都严重影响着电梯动态特性和综合性能。然而多场耦合复杂服役环境使得高速电梯提升系统的系统动力学响应建模、可靠性稳健设计和安全评估尤为困难,如何构建基于不确定性理论的多场耦合动力学响应模型和可靠性稳健设计模型尚缺少足够的理论依据。因此,开展基于不确定性理论多场耦合作用下的高速曳引电梯提升系统的动态性能分析与可靠性稳健设计研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 ②技术原理及性能指标; 1. 高速曳引电梯多场耦合振动机理研究 针对多场耦合振动,综合考虑轮轨耦合特性、曳引绳时变特性和流固耦合特性等多场耦合特性,构建了多场耦合动力学模型;针对高速电梯非线性复合随机振动、轮轨耦合振动和气动激励振动等复杂耦合振动,分别对各参数进行灵敏度分析,建立耦合振动参数的响应分析体系。该研究建立了扎实的理论体系和系统的研究方法,为电梯提升系统振动分析和后续优化设计提供了坚实基础。 2. 高速曳引电梯稳健优化设计 针对高速曳引电梯的关键环节,提出了多场耦合模型参数优化设计、最优井道通风和轿厢导流罩设计、轿厢主动减振控制策略设计等稳健优化设计方法;基于模糊评价和灰度评价等方法,构建提升系统安全公理评价指标体系。该研究构建了多种有突破性的优化设计方法,充分提升了高速电梯减阻减振降噪性能,填补了国内高速电梯领域内的技术空白,并通过安全评价指标体系确保了整体系统的可靠性。 ③技术的创造性与先进性; 1)建立多场耦合工作环境下高速曳引电梯提升系统非线性动力学模型 全面考虑高速曳引电梯高速运动过程中速度、能量、热、力、流体等多场交互耦合强作用的形成机制, 以高速曳引电梯高速运行时提升系统横向-纵向耦合振动的理论与实验研究为基础,提出将曳引绳时变特性、滚动导靴-导轨耦合特性、变长度柔性提升系统横向-纵向受迫耦合振动特性等非线性因素融合到曳引系统模型中,建立多场耦合作用下高速曳引电梯曳引系统动力学模型。 2)基于谐响应分析提升系统的可靠性稳健优化设计方法 结合可靠性设计理论和稳健优化设计理论,把多激励下的谐响应作为目标函数,通过对目标函数和约束条件进行灵敏度分析,生成目标函数和约束函数的灵敏度附加项,建立基于灵敏度附加目标函数的可靠性稳健优化设计模型,为新型高速曳引电梯提升系统奠定技术基础。 3)实梯实验验证结果的 客观性与准确性 与企业合作,设计、建立高速电梯柔性提升系统实梯实验台,由于现实条件和环境的客观性与多样性,使实验结果间出现变化的可能性增加。与仿真实验相比所建立的柔性提升系统实验平台更加接近高速电梯实际系统的工作状况,所得到的实验结果更加接近于实际结果,更具有说服力。