探析超高速电梯井道的特殊设计

杨华林

广州广日电梯工业有限公司511447

摘要：超高速电梯运行时，井道内的高速气流对轿厢会产生风阻噪声和横向振动等两个不利因素，不但影响电梯乘坐舒适度，还可能会缩短部件的使用寿命。由于轿厢是在封闭狭窄的井道中运行，要想避免“活塞风”产生的振动，使轿厢平稳运行，就需要对超高速电梯的井道进行特殊设计。所述方法均经过具体项目实践检验，证明是切实可行的。

关键词：超高速电梯；井道；振动；噪声

引言

随着人类的不断进步，高层建筑大量涌现，高楼必备的垂直交通工具——电梯技术也得到飞速发展。由于国家标准规定电梯从最底层到最高层的运行时间不能超过30秒，因此，随着楼高的不断攀升，电梯速度也在不断增加。本文所谓的超高速电梯指的是速度超过6.0m/s的电梯与水平交通工具相似，一般来说，当电梯速度过低时，空气阻力对轿厢运行的影响可以忽略不计。但是当电梯的运行速度过高时，此影响就会成为决定轿厢运行平稳的重要因素，需要进行减小及排除处理。由于轿厢运行在狭长的井道内，速度过高时，运行前方的空气会被急剧压缩，产生压力波。另一方面，一般轿厢与井道之间的间隙在850mm左右，相对较小。电梯运行时，此间隙间的气体会被急速摩擦，在垂直方向产生较大阻力，同时由于轿厢周围间隙不均，高压气体对轿厢水平方向的平衡也会产生冲击。对乘坐的舒适性及运行安全性都会产生较大影响。

那么，如何避免及解决超高速电梯运行时的气动问题，是一项非常具有现实意义的课题。

一.超高速电梯运行中的气动问题

目前超高速电梯的制造、安装和验收没有严格的国家标准，各种速度的电梯标准一样。一般来说，判断电梯的好坏，噪声和振动两个指标非常重要。超高速电梯运行时，轿厢内噪声≤60dB，垂直方向的振动加速度≤25cm/s2，水平方向振动加速度≤15cm/s2。

目前行业上对超高速电梯减振减噪的研究有两个方向：电梯本身的机械系统及轿厢周围气动影响，一般来说电梯本身机械系统的改进由相应的生产企业完成，此类研究成果较多，成果应用相对成熟。由于气动方面的研究需要投入大量的物力精力，一般企业不会进行相应的研究，只能由科研院校来承担完成。因此，此类研究成果相对较少。只是随着电梯速度的不断提升，气动问题的影响在最近几年才受到重视，也取得了相应的一些研究成果，但是还远远不能满足实际需要。

电梯运行时，从空间及气压大小两方面考虑，可以将井道分为四个部分，如图1所示。第一部分为截面D-D之上与截面A-A之下，此空间内的空气可认为不受轿厢运行的影响。第二部分为截面A-A与截面B-B之间的空间，由于轿厢运行时的诱导风压，这部分空间的气体速度会较快上升。第三部分为截面B-B与截面C-C之间的空间，电梯运行时，两个截面之间的气体从轿厢的前侧通过轿厢与井道的间隙绕到轿厢的后侧。第四部分为截面C-C与截面D-D之间的空间，该空间内的气体速度会沿着运行方向逐渐减小。

根据前文分析，井道内的高速气流会对轿厢会产生风阻噪声和横向振动等两个不利因素，会严重影响轿厢的乘坐舒适度及运行的安全性，同时也会降低产品的使用寿命。

（1）产生风阻噪声

根据图一所示，当电梯在井道里超高速运行时，轿厢前被急剧压缩的气体以及轿厢与井道之间缝隙处的气体都会对轿厢产生较大影响。尤其是缝隙中的气体影响更大，该气体受到井道壁空间的限制，在运行时，会与井道壁以及轿厢壁快速摩擦，产生类似于气缸活塞运动引发的空气流动，称之为活塞风。此类风会产生很大的风阻，这些阻力与轿厢作用，就产生风阻噪声。同时气流在厢体尾部会生产很大分离和不连续的漩涡，轿厢尾部会形成一段时间的“空穴”，由轿厢尾周围的空气就近补充，这个过程也会产生涡流噪声。

如对气压不进行任何控制，瞬间的快速上升或下降会造成轿厢内的气压发生急剧变化，而使轿厢发生抖动，甚至会产生共振现象，轿厢内的乘客很难适应。另外，高速气流也会破坏井道内的部件，例如会使选层器叶片、随行电缆等发生振动，与其他部件或井道壁发生碰撞，严重缩短其使用寿命。

（2）产生横向振动

如图2所示由于轿厢四面到井道壁的距离不同，且相差较大。水平来看，电梯在井道中呈现不对称放置，电梯四周的气体量不同，在轿厢四周产生的气压也不同，此时电梯在运行时会受到侧向力及倾覆力矩，使轿厢产生横向振动。

二.气动噪声的解决方法

由于轿厢是在封闭狭窄的井道中运行，要想避免“活塞风”现象的产生，使轿厢平稳运行，就需要对超高速电梯的井道进行特殊设计。根据一些学者的理论模拟计算及笔者的实际工作经验，提出以下几点改良措施，以供探讨。

（1）尽量避免单井道

对于同时使用多台超高速电梯的楼宇，要尽量避免使用单井道设计，而是尽可能的采用通井道的形式，如图2所示。

对于单井道而言，电梯轿厢在一个完全密封的空间内运行，与打气筒类似。轿厢运行时，其周围的受迫气体不能及时外排，形成高速气流，与井道壁及轿厢壁激烈摩擦，产生风阻噪声。

通井道至少有一面没有墙壁，轿厢运行时，气体环流顺畅，能够较好的避免活塞风的产生，轿厢运行平稳。

(2）增加井道面积

该方法可以有效减小风压对电梯运行效果的影响，但是却相应增加了建筑及电梯生产制造成本。因此，需找到一个临界点，即在最小成本下，设计井道尺寸，使其满足超高速电梯的运行要求。那么对于一台额定载重量一定的超高速电梯，井道尺寸应该取多少才是合适的呢？根据理论模拟计算及实际设计经验，对于速度大于6m/s的超高速电梯，其井道布置主要参数一般做如下定义：A≥300mm，B≥150mm，C≥100mm，如图2（a）所示，其中A：轿厢外壁到井道内壁距离；B：轿厢外壁到对重相邻面的距离；C：对重面到井道内壁距离。

（3）在井道特定处对外做自由通风处理

为了避免风阻噪声的产生，可以在井道特定地方设置相应的卸风孔，将高速气流引走，可以有效降低风压及减少活塞效应。

①层门处开风压窗口

层门门头是突出于井道壁的，即当电梯轿厢运行至层门时，轿厢与井道壁的间隙突然减小，等于高速气流再次遇阻，此时会产生更大的风阻噪声，同时也会对门头部件产生破坏作用。为了避免该现象的产生，设计井道时，一般在层门的上方开对外的通风窗口（如图3所示），以使高速气体向外排放，减小气压。

（4）井道内相关部件的特殊设计

井道内安装有大量的机械及电气部件，轿厢运行时产生的高速气流会对这些部件产生相应的破坏作用，从而导致电梯故障的产生。需对一些部件进行相应的特殊设计。

①选层器叶片设计

选层器叶片厚度要加厚一般由普通电梯的1.0mm增加到1.5mm。同时选层器叶片的安装支架由原来的一个增加为两个。以上两个改进可以有效防止电梯运行产生的风压引起叶片震动，从而较少噪音，防止部件损坏。

②随行电缆防护装置设计

由于电梯的随行电缆是挂在轿厢的下边，随轿厢一起运行。超高速电梯一般用在运行高度较大的大楼内，随行电缆比较长，运行时会左右晃动，甚至有可能钩住井道内的其它部件，造成电梯故障的产生。因此需要进行相应的特殊设计。

采用开放式线槽，可以防止随行电缆摆动。尤其采用通井道时，可以有效避免其进入相邻的井道，避免勾住井道部件的危险。

在线槽上面固定磁铁，可以随时吸附随行电缆，防止其左右摆动。

三.结束语；

由于超高速电梯在国内还处于起步阶段，其运行的安全性、舒适性等很多难题尚待解决。本文所述方法都是经过具体项目实践检验过，是切实可行的。但是这些方法只能尽量减小噪音和振动，不能从根本上避免二者的产生。希望国内专家学者及工程人员共同努力，加快国产超高速电梯的发展。

参考文献；

［1］梅尚先---浅析超高速电梯的关键技术及应用---2015

［2］付朝学---浅析超高速电梯的噪声和振动控制---2016

［3］周志翔---刘剑---超高速电梯发展中存在的问题与研究方向---2016

［4］李晓冬---王凯---高速电梯气动特性研究与优化---2015