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摘 要：电梯的振动是电梯整机性能质量评價的综合指标之一，文章结合笔者多年的工作经验，对电梯运行时产生垂直振动的原因进行分析，通过钢丝绳对电梯系统产生垂直振动影响的探究，进一步提出了有效抑制电梯垂直振动的措施，并得出相关结论，以期为抑制电梯振动工作提供借鉴。
关键词：电梯振动；垂直振动；曳引系统；钢丝绳；抑制措施
高层及超高层建筑中，电梯已然成为了垂直方向上的主流代步工具，为人们的生活带来了巨大便利。作为人们在高层建筑中垂直方向运动的代步工具，电梯质量的好坏越来越受到人们的重视。原则上来说，安装于高层建筑、超高层建筑内部垂直电梯的安全性理应是得到保证的，但是其在实际运行时难免会因某些因素影响而发生电梯垂直振动，影响到电梯运行的稳定性及安全性。针对这一问题，笔者现结合电梯运行产生垂直振动的原因，对解决、抑制措施作简要探讨。
1 问题提出及工程概况
在电梯运行时会发生振动，其中不仅会有曳引机激振频率与固有频率共同发生的共振，同时还包括电气设施或其他机械引起的次机械振动。此机械振动不仅会造成使用电梯的乘客感到不适，而且还会威胁乘客的身体健康，具有较大危害。对于电梯的振动性能，GB/T15008—2009《电梯技术条件》3.3.5条款有明确的规定。乘客电梯轿厢运行在恒加速区域内的垂直（Z轴）振动的最大峰峰值不应大于0.30m/s2，A95峰峰值不应大于0.20m/s2。乘客电梯轿厢运行期间水平（X轴和Y轴）振动的最大峰峰值不应大于0.20m/s2，A95峰峰值不应大于0.15m/s2。某电梯公司在使用国产直径10mm钢丝绳在其试验塔内进行电梯井道试验过程中，发现电梯空载上行时垂直（Z轴）振动峰值超标（图1），因此认定使用国产钢丝绳是造成电梯振动的根本原因。通过钢丝绳制造商与电梯公司现场共同调查分析，最终解决了该电梯振动的问题。
图1 使用国产直径10mm钢丝绳电梯空载上行振动曲线
笔者结合此案例对电梯振动的原因和钢丝绳对电梯垂直振动的影响进行分析探讨，期望采取相应措施有助于解决现场电梯振动的问题。
2 电梯垂直振动产生的原因
在电梯系统的运行过程中，受到内外部因素的共同影响，振动的情况比较频繁，电梯振动主要是指轿厢振动，其振动形式有：垂直振动、水平晃动和共振。其中，垂直振动是一个需要得到重点关注的重点类型，这种振动在正常情况下，不会影响乘客的健康和安全，但当振动达到一定值，振动频率与人体频率相接近，就会引起人体与电梯共振，使乘坐人员产生身体不适，当振动幅度较大时，还会引发安全事故，因此必须要给予重视，重点进行研究。
2.1 电梯振动原理
电梯在运行过程中，其自身结构系统会形成一个弹性系统，具有自身的固有振动频率。而曳引机作为振源，在电梯运行时，会产生激振频率，当两者的频率相等或接近时，系统便会发生共振现象。电梯振动系统分为曳引机和承重梁系统以及轿厢和曳引钢丝绳系统，其中任何一方的固有频率与曳引机的激振频率一致时，就会使电梯系统发生共振现象。振动由曳引机的曳引轮通过曳引钢丝绳传递到轿厢绳头弹簧，再传递至轿厢架、轿厢，使人感觉到在电梯轿厢内的垂直振动。
2.2 影响电梯振动的因素
电梯振动是由多种因素造成的，其中最主要的原因是机械和电气控制。机械原因占比80%，电气原因仅占10%。
2.2.1 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。曳引轮机械间隙过大、曳引轮加工和安装精度差等造成电梯运行位置产生误差，从而引起曳引电机旋转失衡，造成电梯振动。在诸多的电梯振源中，曳引电机的旋转失衡是最常见的振源之一。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起电梯垂直振动。
（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。
2.2.2 电气原因
电气造成的振动主要来自2个方面。
（1）测速干扰。在电梯测速的闭环系统中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荡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灰尘遮挡盘片等。
（2）由于谐波力矩使电动机低速脉动，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。
3 钢丝绳对电梯固有振动频率的影响
钢丝绳与曳引机、轿厢、对重和绳头弹簧等构成一个联动的曳引系统。钢丝绳本身是一种柔性体，本文中近似地看成弹簧体进行分析。为了方便分析钢丝绳对曳引系统振动频率的影响，此处忽略其他因素的影响，把曳引系统简化为由几根钢丝绳吊挂轿厢的弹性系统，如图2所示。
图2 简化的曳引系统示意图
3.1 曳引系统固有振动频率
在固体物理学中，弹簧体的固有振动周期
，（1）
式（1）中：T为固有振动周期，s；m为单位质量，kg；k为刚度系数，N/m。
弹簧体的固有振动频率
，（2）
式（2）中：f0为固有频率，Hz。
对于钢丝绳来说，通常检测其弹性模量，其值和刚度系数的换算关系
，（3）
式（3）中：A为钢丝绳金属截面积，mm2；E为钢丝绳弹性模量，MPa；L为钢丝绳长度，mm。
因此，钢丝绳曳引系统的固有振动频率可由公式（2）转换为
。（4） 在轿厢侧，多根性能相同的钢丝绳共同承受着轿厢的拉力，随着轿厢空载和满载的变化，其所受拉力也相应变化。公式（4）中m值为单根钢丝绳所承受的轿厢质量，则公式（4）可变化为
，（5）
式（5）中：mc
为轿厢质量，kg；n为钢丝绳根数；c为曳引比。
电梯运行过程中，钢丝绳振动频率是多阶的，而多阶频率的影响因素及其变化趋势和固有频率是基本一致的。因此，结合公式（5）仅分析各种因素对曳引系统固有振动频率的影响。
3.2 影响曳引系统固有振动频率的因素
3.2.1 钢丝绳直径和结构
随着钢丝绳直径的增大，其金属截面积A相应增大，曳引系统振动频率f0相应增大；反之亦然。
在直径相同的情况下，钢芯结构钢丝绳比麻芯结构钢丝绳的金属截面积A大，因此钢芯钢丝绳曳引系统的固有振动频率f0大于麻芯钢丝绳的。
3.2.2 钢丝绳长度
随着钢丝绳长度L的增加，曳引系统固有振动频率f0相应减小；反之亦然。在现场的反馈中，此理论结果也得到了印证。在电梯运行过程中，电梯越靠近顶层，其振动趋势越明显。
3.2.3 钢丝绳弹性模量
钢丝绳的弹性模量E取决于材料成分和结构设计。不同的电梯公司，根据自身电梯设计和使用条件的要求，都规定了钢丝绳弹性模量E的范围。在钢丝绳生产制造过程中，一般都采用实测的方式进行检查。
随着钢丝绳弹性模量E的增加，曳引系统固有振动频率f0相应增大；反之亦然。
3.2.4 钢丝绳根数
钢丝绳根数n增加，曳引系统固有振动频率f0相应增大；反之亦然。
3.2.5 轿厢质量
轿厢质量mc对曳引系统固有振动频率的影响非常明显。轿厢质量mc增大，曳引系统固有振动频率f0相应减小；反之亦然。
3.2.6 曳引方式
曳引方式对曳引系统固有振动频率也有影响。2：1曳引方式比1：1曳引方式的曳引系统固有振动频率f0要高得多，故2：1曳引方式电梯比普通1：1曳引方式电梯更容易出现振动。
3.2.7 钢丝绳张力
钢丝绳张力不均也是造成电梯垂直振动的一个主要原因。当钢丝绳受力不均匀时，导致曳引轮各槽比压不同，有的钢丝绳在曳引轮槽之间打滑，有的钢丝绳不打滑。钢丝绳张紧不均匀，引起各绳槽不均匀磨损，形成各槽的节圆直径差，造成运行不平稳，从而带动轿厢抖动。
3.2.8 钢丝绳安装质量
钢丝绳安装过程中，如果出现扭曲情况，也会导致电梯出现垂直振动。不管是反向扭曲，还是正向扭曲，都会导致钢丝绳结构破坏。
3.2.9 绳头弹簧
在实际应用过程中，绳头弹簧和钢丝绳串联在一起构成一个弹性体，而且绳头弹簧对曳引系统固有振动频率的影响比钢丝绳更明显。此时公式（2）中的k值为
，（6）
式（6）中：ks为绳头弹簧刚度系数；kr为钢丝绳刚度系数。
随着绳头弹簧刚度系数ks增大，k值相应增大，曳引系统固有振动频率f0增大；反之亦然。
3.2.10 钢丝绳捻距和运行速度
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的振动，其振动频率
，（7）
式（7）中：fr为钢丝绳振动频率，Hz；H为钢丝绳捻距，mm；vr为钢丝绳运行速度，m/s。
由公式（7）可以看出，随着电梯运行速度的增加，钢丝绳运行速度增大，在曳引轮上的振动频率相应增大；随着钢丝绳捻距增大，其振动频率相应减小。
4 抑制电梯垂直振动的措施
曳引机的振动频率f与其转速v相关， 。
有齿曳引机的振动频率大多为20～30Hz，无齿曳引机的振动频率大多在2～5Hz。要避免电梯垂直振动，就要避免电梯的振动频率与上述频率重合或接近。对于一般电梯来说，曳引机的输出频率都是固定的，要改变激励频率很困难。因此，对于机械原因引起的电梯振动主要是通过调整电梯系统的动态参数来减轻。针对曳引系统，笔者建议可以采取如下措施进行改善。
（1）选用适合的绳头弹簧，在满足系统要求的情况下，其刚度可以适当低一些。
（2）轿厢不能设计得过轻，同时在电梯验收时要检查其实际质量是否符合设计要求。
（3）定期检查曳引轮，磨损量或同心度超标的要及时更换。
（4）电梯设计时，尽可能增加顶层高度，避免轿顶距离曳引机过近。
（5）钢丝绳安装过程中要特别注意防止扭曲，运行期间应定期调整钢丝绳张力，并保持均匀一致。
（6）对于高层电梯应尽量使用补偿钢丝绳代替补偿链，低层电梯可选用弹性模量较低的钢丝绳。
6 结论
总之，电梯系统的振动将会影响电梯的使用效果，同时，也會给电梯的运行带来巨大的不安全隐患。电梯运行时产生振动的原因是多方面的，通常是系统综合因素共同作用的结果。通过全面的测试、分析振动产生的原因并采取相对应的抑制措施是改善电梯舒适感的有力保障。综上，本文就电梯系统振动的原因进行了较为详尽的论述，并提出了相应的抑制措施，具有一定的参考价值。今后，还要更加深入的分析电梯系统的垂直振动情况，提出更为有效的抑制措施，以实现对系统相关参数的及时调整，保证电梯安全、平稳、舒适地运行。
参考文献
[1]梁永乐.浅谈电梯振动的影响因素[J].科技与企业，2012（11）：294-294.
[2]姚勇，彭业程.浅谈电梯的振动分析[J].工业c，2015（6）：00059-00060.
[3]宋继光.浅谈电梯系统垂直振动分析与抑制[J].科技与企业，2014（2）：281-281.
关键词：电梯振动；垂直振动；曳引系统；钢丝绳；抑制措施
高层及超高层建筑中，电梯已然成为了垂直方向上的主流代步工具，为人们的生活带来了巨大便利。作为人们在高层建筑中垂直方向运动的代步工具，电梯质量的好坏越来越受到人们的重视。原则上来说，安装于高层建筑、超高层建筑内部垂直电梯的安全性理应是得到保证的，但是其在实际运行时难免会因某些因素影响而发生电梯垂直振动，影响到电梯运行的稳定性及安全性。针对这一问题，笔者现结合电梯运行产生垂直振动的原因，对解决、抑制措施作简要探讨。
1 问题提出及工程概况
在电梯运行时会发生振动，其中不仅会有曳引机激振频率与固有频率共同发生的共振，同时还包括电气设施或其他机械引起的次机械振动。此机械振动不仅会造成使用电梯的乘客感到不适，而且还会威胁乘客的身体健康，具有较大危害。对于电梯的振动性能，GB/T15008—2009《电梯技术条件》3.3.5条款有明确的规定。乘客电梯轿厢运行在恒加速区域内的垂直（Z轴）振动的最大峰峰值不应大于0.30m/s2，A95峰峰值不应大于0.20m/s2。乘客电梯轿厢运行期间水平（X轴和Y轴）振动的最大峰峰值不应大于0.20m/s2，A95峰峰值不应大于0.15m/s2。某电梯公司在使用国产直径10mm钢丝绳在其试验塔内进行电梯井道试验过程中，发现电梯空载上行时垂直（Z轴）振动峰值超标（图1），因此认定使用国产钢丝绳是造成电梯振动的根本原因。通过钢丝绳制造商与电梯公司现场共同调查分析，最终解决了该电梯振动的问题。
图1 使用国产直径10mm钢丝绳电梯空载上行振动曲线
笔者结合此案例对电梯振动的原因和钢丝绳对电梯垂直振动的影响进行分析探讨，期望采取相应措施有助于解决现场电梯振动的问题。
2 电梯垂直振动产生的原因
在电梯系统的运行过程中，受到内外部因素的共同影响，振动的情况比较频繁，电梯振动主要是指轿厢振动，其振动形式有：垂直振动、水平晃动和共振。其中，垂直振动是一个需要得到重点关注的重点类型，这种振动在正常情况下，不会影响乘客的健康和安全，但当振动达到一定值，振动频率与人体频率相接近，就会引起人体与电梯共振，使乘坐人员产生身体不适，当振动幅度较大时，还会引发安全事故，因此必须要给予重视，重点进行研究。
2.1 电梯振动原理
电梯在运行过程中，其自身结构系统会形成一个弹性系统，具有自身的固有振动频率。而曳引机作为振源，在电梯运行时，会产生激振频率，当两者的频率相等或接近时，系统便会发生共振现象。电梯振动系统分为曳引机和承重梁系统以及轿厢和曳引钢丝绳系统，其中任何一方的固有频率与曳引机的激振频率一致时，就会使电梯系统发生共振现象。振动由曳引机的曳引轮通过曳引钢丝绳传递到轿厢绳头弹簧，再传递至轿厢架、轿厢，使人感觉到在电梯轿厢内的垂直振动。
2.2 影响电梯振动的因素
电梯振动是由多种因素造成的，其中最主要的原因是机械和电气控制。机械原因占比80%，电气原因仅占10%。
2.2.1 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。曳引轮机械间隙过大、曳引轮加工和安装精度差等造成电梯运行位置产生误差，从而引起曳引电机旋转失衡，造成电梯振动。在诸多的电梯振源中，曳引电机的旋转失衡是最常见的振源之一。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起电梯垂直振动。
（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。
2.2.2 电气原因
电气造成的振动主要来自2个方面。
（1）测速干扰。在电梯测速的闭环系统中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荡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灰尘遮挡盘片等。
（2）由于谐波力矩使电动机低速脉动，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。
3 钢丝绳对电梯固有振动频率的影响
钢丝绳与曳引机、轿厢、对重和绳头弹簧等构成一个联动的曳引系统。钢丝绳本身是一种柔性体，本文中近似地看成弹簧体进行分析。为了方便分析钢丝绳对曳引系统振动频率的影响，此处忽略其他因素的影响，把曳引系统简化为由几根钢丝绳吊挂轿厢的弹性系统，如图2所示。
图2 简化的曳引系统示意图
3.1 曳引系统固有振动频率
在固体物理学中，弹簧体的固有振动周期
，（1）
式（1）中：T为固有振动周期，s；m为单位质量，kg；k为刚度系数，N/m。
弹簧体的固有振动频率
，（2）
式（2）中：f0为固有频率，Hz。
对于钢丝绳来说，通常检测其弹性模量，其值和刚度系数的换算关系
，（3）
式（3）中：A为钢丝绳金属截面积，mm2；E为钢丝绳弹性模量，MPa；L为钢丝绳长度，mm。
因此，钢丝绳曳引系统的固有振动频率可由公式（2）转换为
。（4） 在轿厢侧，多根性能相同的钢丝绳共同承受着轿厢的拉力，随着轿厢空载和满载的变化，其所受拉力也相应变化。公式（4）中m值为单根钢丝绳所承受的轿厢质量，则公式（4）可变化为
，（5）
式（5）中：mc
为轿厢质量，kg；n为钢丝绳根数；c为曳引比。
电梯运行过程中，钢丝绳振动频率是多阶的，而多阶频率的影响因素及其变化趋势和固有频率是基本一致的。因此，结合公式（5）仅分析各种因素对曳引系统固有振动频率的影响。
3.2 影响曳引系统固有振动频率的因素
3.2.1 钢丝绳直径和结构
随着钢丝绳直径的增大，其金属截面积A相应增大，曳引系统振动频率f0相应增大；反之亦然。
在直径相同的情况下，钢芯结构钢丝绳比麻芯结构钢丝绳的金属截面积A大，因此钢芯钢丝绳曳引系统的固有振动频率f0大于麻芯钢丝绳的。
3.2.2 钢丝绳长度
随着钢丝绳长度L的增加，曳引系统固有振动频率f0相应减小；反之亦然。在现场的反馈中，此理论结果也得到了印证。在电梯运行过程中，电梯越靠近顶层，其振动趋势越明显。
3.2.3 钢丝绳弹性模量
钢丝绳的弹性模量E取决于材料成分和结构设计。不同的电梯公司，根据自身电梯设计和使用条件的要求，都规定了钢丝绳弹性模量E的范围。在钢丝绳生产制造过程中，一般都采用实测的方式进行检查。
随着钢丝绳弹性模量E的增加，曳引系统固有振动频率f0相应增大；反之亦然。
3.2.4 钢丝绳根数
钢丝绳根数n增加，曳引系统固有振动频率f0相应增大；反之亦然。
3.2.5 轿厢质量
轿厢质量mc对曳引系统固有振动频率的影响非常明显。轿厢质量mc增大，曳引系统固有振动频率f0相应减小；反之亦然。
3.2.6 曳引方式
曳引方式对曳引系统固有振动频率也有影响。2：1曳引方式比1：1曳引方式的曳引系统固有振动频率f0要高得多，故2：1曳引方式电梯比普通1：1曳引方式电梯更容易出现振动。
3.2.7 钢丝绳张力
钢丝绳张力不均也是造成电梯垂直振动的一个主要原因。当钢丝绳受力不均匀时，导致曳引轮各槽比压不同，有的钢丝绳在曳引轮槽之间打滑，有的钢丝绳不打滑。钢丝绳张紧不均匀，引起各绳槽不均匀磨损，形成各槽的节圆直径差，造成运行不平稳，从而带动轿厢抖动。
3.2.8 钢丝绳安装质量
钢丝绳安装过程中，如果出现扭曲情况，也会导致电梯出现垂直振动。不管是反向扭曲，还是正向扭曲，都会导致钢丝绳结构破坏。
3.2.9 绳头弹簧
在实际应用过程中，绳头弹簧和钢丝绳串联在一起构成一个弹性体，而且绳头弹簧对曳引系统固有振动频率的影响比钢丝绳更明显。此时公式（2）中的k值为
，（6）
式（6）中：ks为绳头弹簧刚度系数；kr为钢丝绳刚度系数。
随着绳头弹簧刚度系数ks增大，k值相应增大，曳引系统固有振动频率f0增大；反之亦然。
3.2.10 钢丝绳捻距和运行速度
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的振动，其振动频率
，（7）
式（7）中：fr为钢丝绳振动频率，Hz；H为钢丝绳捻距，mm；vr为钢丝绳运行速度，m/s。
由公式（7）可以看出，随着电梯运行速度的增加，钢丝绳运行速度增大，在曳引轮上的振动频率相应增大；随着钢丝绳捻距增大，其振动频率相应减小。
4 抑制电梯垂直振动的措施
曳引机的振动频率f与其转速v相关， 。
有齿曳引机的振动频率大多为20～30Hz，无齿曳引机的振动频率大多在2～5Hz。要避免电梯垂直振动，就要避免电梯的振动频率与上述频率重合或接近。对于一般电梯来说，曳引机的输出频率都是固定的，要改变激励频率很困难。因此，对于机械原因引起的电梯振动主要是通过调整电梯系统的动态参数来减轻。针对曳引系统，笔者建议可以采取如下措施进行改善。
（1）选用适合的绳头弹簧，在满足系统要求的情况下，其刚度可以适当低一些。
（2）轿厢不能设计得过轻，同时在电梯验收时要检查其实际质量是否符合设计要求。
（3）定期检查曳引轮，磨损量或同心度超标的要及时更换。
（4）电梯设计时，尽可能增加顶层高度，避免轿顶距离曳引机过近。
（5）钢丝绳安装过程中要特别注意防止扭曲，运行期间应定期调整钢丝绳张力，并保持均匀一致。
（6）对于高层电梯应尽量使用补偿钢丝绳代替补偿链，低层电梯可选用弹性模量较低的钢丝绳。
6 结论
总之，电梯系统的振动将会影响电梯的使用效果，同时，也會给电梯的运行带来巨大的不安全隐患。电梯运行时产生振动的原因是多方面的，通常是系统综合因素共同作用的结果。通过全面的测试、分析振动产生的原因并采取相对应的抑制措施是改善电梯舒适感的有力保障。综上，本文就电梯系统振动的原因进行了较为详尽的论述，并提出了相应的抑制措施，具有一定的参考价值。今后，还要更加深入的分析电梯系统的垂直振动情况，提出更为有效的抑制措施，以实现对系统相关参数的及时调整，保证电梯安全、平稳、舒适地运行。
参考文献
[1]梁永乐.浅谈电梯振动的影响因素[J].科技与企业，2012（11）：294-294.
[2]姚勇，彭业程.浅谈电梯的振动分析[J].工业c，2015（6）：00059-00060.
[3]宋继光.浅谈电梯系统垂直振动分析与抑制[J].科技与企业，2014（2）：281-281.