馬幸福

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，湘潭 411101)

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基于ADAMS的電梯鋼絲繩系統(tǒng)建模與仿真

馬幸福

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，湘潭 411101)

以電梯鋼絲繩提升系統(tǒng)為模擬對象，針對鋼絲繩直接建模困難的問題，利用ADAMS二次開發(fā)宏命令完成鋼絲繩離散化建模、軸套力連接及碰撞接觸力添加，成功建立電梯鋼絲繩系統(tǒng)仿真模型，并對電梯系統(tǒng)及鋼絲繩進(jìn)行運(yùn)動仿真分析.仿真結(jié)果表明電梯垂直運(yùn)動特性與鋼絲繩的運(yùn)動特性均符合實(shí)際運(yùn)動規(guī)律，驗證了建模方法的正確性，為電梯系統(tǒng)的動力學(xué)研究及舒適性的優(yōu)化提供了理論依據(jù).

電梯提升系統(tǒng)；鋼絲繩；宏命令；軸套力；振動加速度

0　前　言

電梯是城市交通中廣泛使用的垂直提升設(shè)備，其中鋼絲繩系統(tǒng)是電梯最主要的承重部件，電梯系統(tǒng)的整個重量最終全部通過鋼絲繩進(jìn)行承載,電梯提升系統(tǒng)如圖1所示.在電梯加速、減速等不同工況下，伴隨曳引機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的振動，鋼絲繩系統(tǒng)的動態(tài)張力變化很大，產(chǎn)生水平方向與垂直方向的振動，對轎廂系統(tǒng)產(chǎn)生很大的沖擊，嚴(yán)重影響電梯運(yùn)行的舒適性與安全性，同時也會對鋼絲繩本身的使用壽命造成影響.因此，對電梯鋼絲繩的動態(tài)特性進(jìn)行研究，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義.

電梯行業(yè)中對于鋼絲繩的動態(tài)性能判定方法停留在傳統(tǒng)的標(biāo)記法、振動法、彈簧稱法等[1]，而進(jìn)行鋼絲繩動態(tài)特性試驗則比較困難.目前常采用虛擬技術(shù)進(jìn)行繩索類部件仿真分析[2，3]，李濟(jì)順等[4，5]利用相對節(jié)點(diǎn)法，采用Recurdyn動力學(xué)軟件建立摩擦式提升機(jī)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行分析；肖闖[6]利用殼單元與梁單元將電纜繩索簡化為細(xì)長鋼帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬與模態(tài)測試；侯筱婷等[7]利用EON Professional動力學(xué)組件模擬塔吊鋼絲繩崩斷效果仿真；何潔等[8]利用“質(zhì)點(diǎn)—桿”模型建立空間繩系系統(tǒng)模型，研究繩系系統(tǒng)由釋放到穩(wěn)定狀態(tài)的受力特性.以上方法各有優(yōu)點(diǎn)，側(cè)重點(diǎn)各不相同.

電梯鋼絲繩屬于柔性體，本文采用多體動力學(xué)分析軟件ADAMS對電梯鋼絲繩進(jìn)行建模與運(yùn)動仿真分析.在ADAMS中難以直接對鋼絲繩進(jìn)行模擬，針對此問題，利用ADAMS宏命令程序?qū)︿摻z繩進(jìn)行離散化建模，從而分析電梯鋼絲繩及整個提升系統(tǒng)的運(yùn)動仿真.

圖1　電梯提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　ADAMS鋼絲繩建模

1.1鋼絲繩建模方法

ADAMS軟件具有強(qiáng)大的三維建模與運(yùn)動仿真功能，但是沒有專門的模塊進(jìn)行繩索類物體建模.因此，在ADAMS/View環(huán)境下，需要采用其他的方法對鋼絲繩進(jìn)行模擬.目前通常有柔性體建模方法、軸套力建模方法與旋轉(zhuǎn)副建模方法等幾種方法.

柔性體建模方法利用有限元分析軟件生成的MNF模態(tài)中性文件，再在動力學(xué)分析軟件中生成鋼絲繩柔性體，可滿足一般精度仿真要求，但不能模擬鋼絲繩反向纏繞問題，仿真精度中等.

軸套力建模方法利用軸套力連接離散化的小段鋼絲繩，可較好地模擬鋼絲繩的拉伸、彎曲、振動、纏繞動力學(xué)仿真問題，但是鋼絲繩離散化的數(shù)量和軸套力的數(shù)量影響仿真的時間，仿真速度慢，對電腦配置有一定要求，仿真精度較高.

旋轉(zhuǎn)副建模方法利用旋轉(zhuǎn)副連接離散化的小段鋼絲繩，與軸套力建模方法相類似，但是不能模擬鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)、反向纏繞問題，仿真精度中等.

本文采用第二種方法即軸套力建模方法對鋼絲繩系統(tǒng)進(jìn)行建模.

1.2參數(shù)設(shè)置

為了模擬鋼絲繩的實(shí)際動態(tài)特性，設(shè)定鋼絲繩的剛度系數(shù)：拉伸剛度系數(shù)K11=EA/L、剪切剛度系數(shù)K22=K33=GA/L、扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)K44=Gπd4/32及彎曲剛度系數(shù)K55=K66=Eπd4/(64L).其中E為鋼絲繩彈性模量，取E=200 GPa；G為鋼絲繩剪切模量，取G=800 GPa；d、A分為鋼絲繩直徑與橫截面積，取d=10 mm、A=78.5 mm2；L為離散化鋼絲繩長度，取L=100 mm.

鋼絲繩與曳引機(jī)的碰撞接觸力只能依據(jù)經(jīng)驗或?qū)嶒灁?shù)據(jù)確定.接觸剛度系數(shù)如果過低，會導(dǎo)致鋼絲繩嵌入曳引機(jī)，難以有效反應(yīng)出鋼絲繩的力學(xué)性能；接觸剛度系數(shù)如果過高，由于曳引機(jī)轉(zhuǎn)速很快，容易導(dǎo)致鋼絲繩從曳引機(jī)上彈飛.參閱資料，取接觸剛度系數(shù)為1×104N/mm、非線性指數(shù)取1.5.

根據(jù)鋼絲繩的材料參數(shù)，計算出軸套力各個剛性

系數(shù).拉伸阻尼系數(shù)和扭轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)都分別設(shè)定為10 N·s/mm和10 N·mm·s/(°)[9].

1.3宏命令建模

電梯鋼絲繩長度通常在幾十米以上，離散化過程中如果手動一段段建模，再手動添加軸套力與接觸力，既費(fèi)時又易出錯.而采用ADAMS二次開發(fā)宏命令可以輕松完成離散段鋼絲繩的復(fù)制與連接、離散段鋼絲繩之間添加軸套力、離散段鋼絲繩與輪子之間添加接觸力與碰撞力等建模問題.為減小計算工作量，取1000段離散化小段鋼絲繩進(jìn)行模擬，每段鋼絲繩長50 mm，鋼絲繩的運(yùn)動學(xué)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)以及物理參數(shù)盡量與實(shí)際鋼絲繩相似，部分宏命令語句如下：

variable create variable_name=num & integer_value=1

while condition=(num<999)

marker create &

marker_name = (eval(".model_1.part_"http://num//"&

.MARKER_1"http://num+1000)) &

location = 720,(eval(-1063.895-128.61*num)),0.0 &

orientation = 0d, 90d, 90d

由于交通要適應(yīng)社會的發(fā)展?fàn)顩r，隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，世界上的城市交通理論有了很大的變化。我國的城市交通理念也有著飛速的發(fā)展，我國近代大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)給城市交通規(guī)劃理論帶來了很多的動力。隨著我國大數(shù)據(jù)的興起，出現(xiàn)了越來越多的大數(shù)據(jù)職業(yè)。大數(shù)據(jù)是近代新興的職業(yè)，雖然現(xiàn)在大數(shù)據(jù)的技術(shù)還不是很完善，但在城市交通規(guī)劃理論的變革方面有很大的促進(jìn)作用。

marker create &

marker_name = (eval(".model_1.part_"http://num+1&

//".MARKER_1"http://num+2000)) &

location = 720,(eval(-1063.895-128.61*num)),0.0 &

orientation = 0d, 90d, 90d

force create element_like bushing &

bushing_name = (eval(".model_1.bushing_"http://num)) &

adams_id = (eval(num)) &

i_marker_name = (eval(".model_1.part_"http://num//"&

.MARKER_1"http://num+1000)) &

j_marker_name = (eval(".model_1.part_"http://num+1//"&

.MARKER_1"http://num+2000)) &

damping = 8, 8, 8 &

stiffness = 7.032e4, 7.032e4, 1.758e5 &

force_preload=0,0,19750 &

tdamping = 1,1,1 &

tstiffness =1.582,1.582,1.266

variable modify variable_name=num integer_value=(eval(num+1))

end!while

variable delete variable_name=num

采用軸套力建模方法，離散化的小段鋼絲繩由軸套力連成一根完整的鋼絲繩，較真實(shí)地反映出鋼絲繩拉伸力學(xué)特性，與曳引機(jī)纏繞的效果圖如圖2所示.

圖2　鋼絲繩與曳引機(jī)接觸模型

2　電梯提升系統(tǒng)建模

電梯的垂直升降運(yùn)動是依靠曳引機(jī)與鋼絲繩之間的摩擦力來拉動轎廂與對重上下運(yùn)行的.利用STEP(time,0,0,4,33.33)+STEP(time,4,0,5,0)+STEP(time,5,0,9,-33.33)語句給曳引機(jī)施加驅(qū)動力，設(shè)定電梯勻速運(yùn)行額定速度為4m/s、最大角速度7 deg/s.曳引機(jī)的轉(zhuǎn)動加速度以及鋼絲繩在提升過程中的剛度變化對電梯轎廂在垂直方向運(yùn)動產(chǎn)生振動激勵.

電梯轎廂導(dǎo)靴與導(dǎo)軌滑動裝配，限制了轎廂水平的自由度，防止轎廂左右劇烈偏擺.為模擬電梯的水平振動特性，將導(dǎo)靴簡化為彈簧系統(tǒng)，同時以Rand函數(shù)產(chǎn)生一組[-1，1]之間的隨機(jī)數(shù)來模擬導(dǎo)軌垂直方向的不平順度.導(dǎo)軌表面的不平順度將會給轎廂水平方向產(chǎn)生作用力，導(dǎo)軌—導(dǎo)靴系統(tǒng)構(gòu)成了電梯水平振動的激勵來源.

為了便于電梯提升系統(tǒng)建模，對提升系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化：(1)將曳引機(jī)用一個圓柱體施加驅(qū)動力進(jìn)行模擬；(2)鋼絲繩兩端的轎廂、對重分別簡化為兩個立方體進(jìn)行模擬；(3)電梯系統(tǒng)5條鋼絲繩簡化成1條鋼絲繩，按5倍的質(zhì)量—剛度系統(tǒng)進(jìn)行模擬；(4)將機(jī)座橡膠、轎底橡膠、導(dǎo)靴及橡膠卡塊等彈性部件簡化為彈簧系統(tǒng).建立電梯提升系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示.

圖3　電梯鋼絲繩系統(tǒng)仿真模型圖

3　運(yùn)動仿真分析

電梯系統(tǒng)的運(yùn)動特性主要是電梯的垂直運(yùn)動加速度特性、轎廂的垂直振動加速度特性與轎廂的水平振動加速度特性，這3個運(yùn)動特性直接關(guān)系著電梯乘坐的舒適性.仿真得到電梯系統(tǒng)的垂直振動加速度曲線圖、垂直振動加加速度曲線圖與水平振動加加速度曲線圖分別如圖4～圖6所示.

圖4　電梯垂直運(yùn)動加速度特性圖

圖5　轎廂垂直振動加速度特性圖

圖6　轎廂水平振動加速度特性圖

圖4反映了電梯在曳引機(jī)驅(qū)動力下垂直運(yùn)行的加速起動、勻速運(yùn)動與減速制動的加速度情況，是一條剛彈耦合的振動曲線；圖5反映了轎廂在曳引機(jī)—鋼絲繩系統(tǒng)垂直激勵下的垂直振動加速度特性；圖6反映了轎廂在導(dǎo)軌—導(dǎo)靴系統(tǒng)水平激勵下的水平振動加速度特性.根據(jù)國家相關(guān)電梯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對于運(yùn)行速度低于6.0 m/s的電梯，轎廂垂直振動加速度不得超過0.35 m/s2，轎廂水平振動加速度不得超過0.2 m/s2.仿真結(jié)果表明，轎廂垂直振動最大加速度值為0.33 m/s2，轎廂水平振動最大加速度值為0.12 m/s2，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.

分別取相近的3個軸套力連接點(diǎn)作比較，軸套力連接點(diǎn)水平位移特性如圖7所示.由圖可知3個軸套力連接點(diǎn)動態(tài)特性趨勢總體相同，最大位移0.022 mm，說明離散化的小段鋼絲繩整體動態(tài)特性良好，保證了整條鋼絲繩的連續(xù)性.但是軸套力連接點(diǎn)存在波動差，這是由于鋼絲繩是一個變剛度的柔性體，加之導(dǎo)軌表面不平順度的橫向激勵沖擊，使得鋼絲繩發(fā)生水平方向位移跳動現(xiàn)象，電梯運(yùn)行速度越快，跳動越為激烈.

任取一段離散鋼絲繩作分析，其水平振動特性如圖8所示.鋼絲繩的振動來源于水平、垂直和側(cè)向三個方向的激勵，而且由于上端的曳引機(jī)與下端的轎廂返繩輪同時轉(zhuǎn)動，鋼絲繩上下端同時被激發(fā)振動，振動波形在鋼絲繩中間區(qū)段疊加，振動現(xiàn)象明顯.圖中鋼絲繩水平振動位移最大峰值為3.0 mm，發(fā)生在整個行程的中間時間段，與實(shí)際情況吻合.

圖7　軸套力連接點(diǎn)水平位移特性圖

圖8　鋼絲繩水平振動特性圖

4　結(jié)語

在電梯鋼絲繩提升系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)仿真與分析中，通過ADAMS宏命令實(shí)現(xiàn)離散化鋼絲繩的建模、軸套力的添加及碰撞接觸力的設(shè)置.仿真分析結(jié)果表明，電梯系統(tǒng)的振動特性與鋼絲繩的振動特性均符合實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，驗證了建模方案的可行性.由于在仿真過程中對相關(guān)部件進(jìn)行了等效簡化，以及依靠經(jīng)驗值進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，所以對實(shí)際仿真結(jié)果會有所影響，但本模型建立及仿真過程對于電梯提升系統(tǒng)的運(yùn)行舒適性研究具有一定的參考意義.

[1] 王增才，邵海燕，高峰．多繩摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測方法分析[J]．煤礦機(jī)械，2002(5)：72-74.

[2] 李春明．彈性繩系統(tǒng)的動力學(xué)建模與計算機(jī)仿真[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20(1): 62-64，168.

[3] 徐杰．基于ADAMS的岸邊集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真研究[D]．武漢:武漢理工大學(xué)， 2010．

[4] 李菁，李濟(jì)順，劉義,等．虛擬樣機(jī)技術(shù)在摩擦式提升機(jī)動力學(xué)分析中應(yīng)用[J]．機(jī)械設(shè)計與制造，2014,(9): 238-241.

[5] 劉義，陳國定，李濟(jì)順,等．摩擦提升機(jī)的虛擬樣機(jī)研究[J]．計算機(jī)仿真，2009,26(11)：272-277.

[6] 肖闖，殷智宏．三維隨行電纜簡化模型有限元建模與模態(tài)實(shí)驗[J]．中國機(jī)械工程，2012，23(16): 1934-1938.

[7] 侯筱婷，李昌華．虛擬施工系統(tǒng)中虛擬塔吊動力學(xué)建模與仿真[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33(2): 189-193.

[8] 何潔，鄭飛．空間繩系系統(tǒng)的運(yùn)動仿真[J]．機(jī)械設(shè)計與研究，2014，30(5): 50-52.

[9] 李俊文，卜長根，王龍．ADAMS宏命令在鋼絲繩式?jīng)_擊鉆機(jī)虛擬樣機(jī)建模中的應(yīng)用[J]．機(jī)床與液壓，2011，39(23)：150 -153．

Modeling and Simulation Based on ADAMS for Elevator Wire Rope System

MA Xing-fu

(Mechanical Department,Hunan Electrical College of Technology， Xiangtan 411101， China)

The elevator wire rope system is researched as an object. In order to resolve the difficulty of building the modeling of ropes, the macro command in the secondary development functions of ADAMS is adopted. At first, the discrete modeling of wire ropes is built, and the bushing is connected, and the impact force is added. At last, the simulation model of the elevator wire rope system is successfully built, and the dynamic characteristics of elevator system and wire rope are simulated. The results show that the elevator vertical motion characteristics and kinematics rope laws are conform to the actual movement and the method is available, which provides a theoretical basis for the dynamic study and comfort of the elevator system.

elevator hoisting system；wire rope；macro command；bushing；vibration acceleration

2016-03-15

湖南省職業(yè)教育“十二五”省級重點(diǎn)建設(shè)項目 (湘教通[2014]176號).

馬幸福(1983-)，男，碩士，講師，工程師，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué).

TP 391.9

A

1671-119X(2016)03-0032-05