超高速電梯廣泛用于摩天大樓中，轎廂在狹長、密閉且整體高度極高的井道中高速運行時，在環(huán)形空間處會引發(fā)強烈的氣流擾動，致使乘客耳內(nèi)有明顯壓迫感，轎廂振動及風嘯聲也較為突出。
近日，山東建筑大學何芹教授團隊研發(fā)的“面向高效減阻抑振降噪的高速電梯關鍵技術研究及應用”破解了上述痛點。美國物理學聯(lián)合會《科學之光》雜志認為，這項研究為超高速電梯在氣動減阻、抑振、降噪領域的設計提供了理論指導，對導流裝置和主動減振器的研發(fā)具有重要參考價值。山東大學教授馮顯英、國家建筑城建機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心高級工程師周賢彪、中國建筑第八工程局正高級工程師閻學軍等專家認為，該項目研究成果在高速電梯氣動減阻、抑振、降噪三項技術方面達到國際領先水平。
高速電梯舒適性需改進
電梯按照速度可分為低速電梯（低于1米/秒）、中速電梯（1—2米/秒）、高速電梯（2—3米/秒）、超高速電梯（高于3米/秒）四種類型。“想讓電梯僅以較大的速度運行起來并不是很困難，我們只需要更大的曳引系統(tǒng)及更高的功率即可，真正的困難是速度提升后引發(fā)的一系列技術問題。”在何芹看來，電梯的服役環(huán)境與汽車、高鐵等交通工具的服役環(huán)境截然不同。電梯在狹長井道中運行時環(huán)境相對密閉，與井道共同形成了特殊的環(huán)隙空間。在這一空間內(nèi)將引發(fā)一系列流體動力學、多體動力學以及氣固耦合動力學問題。這些問題主要表現(xiàn)在風壓風阻顯著加劇、多場耦合振動加劇及振動噪聲效應惡化等方面。
記者了解到，目前，在7米/秒及以上的超高速電梯技術儲備和市場規(guī)模方面，國外知名品牌長期處于壟斷地位，而國產(chǎn)自主品牌高速電梯長期受制于風壓風阻、多場耦合振動及振動噪聲等三大問題的影響，遲遲未能在減阻抑振降噪等乘坐舒適性上做出較大突破。
“當電動機驅(qū)動電梯鋼絲繩轉(zhuǎn)動時，所產(chǎn)生的力通過鋼絲繩傳遞到電梯的轎廂上，使得轎廂能夠沿垂直方向運動。與此同時，轎廂自身的重量也會產(chǎn)生一個向下的力，這個力與電動機產(chǎn)生的力相互平衡，從而使轎廂能夠穩(wěn)定地升降。”何芹團隊成員張路路向記者介紹，“目前，高速電梯運行過程中，如何減少阻力、振動、噪聲是行業(yè)面臨的主要難題。”他以電梯噪聲為例，其主要表現(xiàn)為低頻振動。建筑的剛性連接墻體為電梯振動噪聲提供了傳播途徑。電梯噪聲過大會干擾正常工作學習和生活。
三方面發(fā)力破解難題
針對高速電梯運行過程中產(chǎn)生的阻力、振動、噪聲等問題，何芹團隊首次考慮了井道氣流與氣固耦合振動特性，解析了井道流體、轎廂、導軌三者之間的耦合關系，研究了一種用于高速電梯運行全過程氣固耦合振動的抑制技術，即電梯在“加速—恒速—減速”的運行全過程主動抑制振動，將技術拓展到超高速電梯的橫縱向耦合抑振，并通過山東富士制御電梯有限公司超高速電梯實驗塔實梯驗證了該項技術的有效性。
同時，團隊還從流體力學角度突破了高速電梯氣流運動理論分析技術，把井道流場和聲場有效結合起來。這為解決轎廂高速運行所誘發(fā)的井道噪聲尖銳難題探索了新途徑，并提出了環(huán)隙空間最優(yōu)通風預測關鍵技術。團隊研發(fā)了包括通風孔、通風動力裝置在內(nèi)的通風系統(tǒng)，找到了減少電梯噪聲的突破口。山東富士制御電梯有限公司技術負責人王玉磊表示，應用上述新技術后，電梯運行噪聲顯著降低。
此外，電梯轎廂在上升或者下降過程中，在相對封閉的空間內(nèi)會產(chǎn)生相當大的氣流阻力。針對這個問題，該團隊從火箭整流罩找到了解決問題的靈感，為電梯轎廂的上部和下部加裝了自主設計的導流罩。經(jīng)過數(shù)百次實驗，科研人員不斷調(diào)整參數(shù)，將導流罩設計成水滴狀，使得電梯運行過程中的氣動阻力降低25%以上。這樣既能確保電梯轎廂安全，更能減少其上升和下降過程中的阻力，從而降低能耗。
記者了解到，上述研究是何芹團隊與山東富士制御電梯有限公司產(chǎn)學研合作的成果。目前，上述成果在研發(fā)過程中已獲得5項發(fā)明專利、11項實用新型專利、8項軟件著作權。
超高速電梯廣泛用于摩天大樓中，轎廂在狹長、密閉且整體高度極高的井道中高速運行時，在環(huán)形空間處會引發(fā)強烈的氣流擾動，致使乘客耳內(nèi)有明顯壓迫感，轎廂振動及風嘯聲也較為突出。
近日，山東建筑大學何芹教授團隊研發(fā)的“面向高效減阻抑振降噪的高速電梯關鍵技術研究及應用”破解了上述痛點。美國物理學聯(lián)合會《科學之光》雜志認為，這項研究為超高速電梯在氣動減阻、抑振、降噪領域的設計提供了理論指導，對導流裝置和主動減振器的研發(fā)具有重要參考價值。山東大學教授馮顯英、國家建筑城建機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心高級工程師周賢彪、中國建筑第八工程局正高級工程師閻學軍等專家認為，該項目研究成果在高速電梯氣動減阻、抑振、降噪三項技術方面達到國際領先水平。
高速電梯舒適性需改進
電梯按照速度可分為低速電梯（低于1米/秒）、中速電梯（1—2米/秒）、高速電梯（2—3米/秒）、超高速電梯（高于3米/秒）四種類型。“想讓電梯僅以較大的速度運行起來并不是很困難，我們只需要更大的曳引系統(tǒng)及更高的功率即可，真正的困難是速度提升后引發(fā)的一系列技術問題。”在何芹看來，電梯的服役環(huán)境與汽車、高鐵等交通工具的服役環(huán)境截然不同。電梯在狹長井道中運行時環(huán)境相對密閉，與井道共同形成了特殊的環(huán)隙空間。在這一空間內(nèi)將引發(fā)一系列流體動力學、多體動力學以及氣固耦合動力學問題。這些問題主要表現(xiàn)在風壓風阻顯著加劇、多場耦合振動加劇及振動噪聲效應惡化等方面。
記者了解到，目前，在7米/秒及以上的超高速電梯技術儲備和市場規(guī)模方面，國外知名品牌長期處于壟斷地位，而國產(chǎn)自主品牌高速電梯長期受制于風壓風阻、多場耦合振動及振動噪聲等三大問題的影響，遲遲未能在減阻抑振降噪等乘坐舒適性上做出較大突破。
“當電動機驅(qū)動電梯鋼絲繩轉(zhuǎn)動時，所產(chǎn)生的力通過鋼絲繩傳遞到電梯的轎廂上，使得轎廂能夠沿垂直方向運動。與此同時，轎廂自身的重量也會產(chǎn)生一個向下的力，這個力與電動機產(chǎn)生的力相互平衡，從而使轎廂能夠穩(wěn)定地升降。”何芹團隊成員張路路向記者介紹，“目前，高速電梯運行過程中，如何減少阻力、振動、噪聲是行業(yè)面臨的主要難題。”他以電梯噪聲為例，其主要表現(xiàn)為低頻振動。建筑的剛性連接墻體為電梯振動噪聲提供了傳播途徑。電梯噪聲過大會干擾正常工作學習和生活。
三方面發(fā)力破解難題
針對高速電梯運行過程中產(chǎn)生的阻力、振動、噪聲等問題，何芹團隊首次考慮了井道氣流與氣固耦合振動特性，解析了井道流體、轎廂、導軌三者之間的耦合關系，研究了一種用于高速電梯運行全過程氣固耦合振動的抑制技術，即電梯在“加速—恒速—減速”的運行全過程主動抑制振動，將技術拓展到超高速電梯的橫縱向耦合抑振，并通過山東富士制御電梯有限公司超高速電梯實驗塔實梯驗證了該項技術的有效性。
同時，團隊還從流體力學角度突破了高速電梯氣流運動理論分析技術，把井道流場和聲場有效結合起來。這為解決轎廂高速運行所誘發(fā)的井道噪聲尖銳難題探索了新途徑，并提出了環(huán)隙空間最優(yōu)通風預測關鍵技術。團隊研發(fā)了包括通風孔、通風動力裝置在內(nèi)的通風系統(tǒng)，找到了減少電梯噪聲的突破口。山東富士制御電梯有限公司技術負責人王玉磊表示，應用上述新技術后，電梯運行噪聲顯著降低。
此外，電梯轎廂在上升或者下降過程中，在相對封閉的空間內(nèi)會產(chǎn)生相當大的氣流阻力。針對這個問題，該團隊從火箭整流罩找到了解決問題的靈感，為電梯轎廂的上部和下部加裝了自主設計的導流罩。經(jīng)過數(shù)百次實驗，科研人員不斷調(diào)整參數(shù)，將導流罩設計成水滴狀，使得電梯運行過程中的氣動阻力降低25%以上。這樣既能確保電梯轎廂安全，更能減少其上升和下降過程中的阻力，從而降低能耗。
記者了解到，上述研究是何芹團隊與山東富士制御電梯有限公司產(chǎn)學研合作的成果。目前，上述成果在研發(fā)過程中已獲得5項發(fā)明專利、11項實用新型專利、8項軟件著作權。
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