電梯曳引機是電梯的動力設備，又稱電梯主機。功能是輸送與傳遞動力使電梯運行。它由電動機、制動器、聯軸器、減速箱、曳引輪、機架和導向輪及附屬盤車手輪等組成。導向輪一般裝在機架或機架下的承重樑上。盤車手輪有的固定在電機軸上，也有平時掛在附近牆上，使用時再套在電機軸上。
摘要：爲了探究不同曳引速度下加裝橢圓導流罩超高速電梯的振動和噪聲狀況，通過ANSYS Fluent軟件開展了曳引速度分別爲6 m/s、12 m/s和18 m/s時加裝橢圓導流罩電梯的空氣動力學分析，揭示了曳引速度對電梯轎廂受到空氣阻力、轎廂表面靜壓和速度分佈的影響規律。結果表明，電梯轎廂表面靜壓隨曳引速度的增加成平方倍增加，轎廂表面空氣流速與曳引速度成正比關係;當電梯速度較小時，加裝橢圓導流罩對改善氣動特性效果較好，而當電梯速度達到10 m/s以上時，橢圓導流罩未能使電梯氣動性能達到較優效果。
關鍵詞：超高速電梯;曳引速度;數值模擬;空氣動力學;橢圓導流罩
引言
隨着中國經濟的發展和城市建設的推進，城市人口分佈也越來越密集，高層、超高層建築在各大、中城市拔地而起，而高速(V>2 m/s)和超高速(V>5 m/s)電梯是必不可少的垂直運輸設備[1]，例如828 m迪拜塔電梯速度高達17.4 m/s;632 m上海中心大廈電梯速度高達18 m/s。然而，隨着電梯運行速度的提高，振動以及噪聲也同時加劇，極大地影響了乘客的舒適感。其中，較爲重要的影響因素之一是電梯氣體動力學(氣動)問題[2，3]。由於普通電梯運行速度較低，井道內氣流對轎廂的影響較小，因此電梯的氣動問題一直沒能得到人們的重視。但隨着高速、超高速電梯的出現，電梯的運行速度迅速提高。當電梯在狹長的井道內高速上下運行時，氣體瞬間被急劇壓縮，同時轎廂與井道間的狹縫處氣體流動面積突然減小，因此氣體與轎廂間相互作用產生氣動噪聲[4];另外在轎廂的底部附近由於轎廂的遮擋，空氣流速很小，氣流會形成渦流區，該渦流區在轎廂底部呈週期性的擺動和脫落，直接影響到廂體的振動和受到的氣動阻力。所以，這些氣動引起的噪聲和轎廂振動不但影響到乘坐舒適感，而且對電梯運行安全造成嚴重威脅[5]。
近年來，國內外學者開展了高速電梯的空氣動力學研究。針對氣流對電梯噪聲和振動的影響方面，Nai和Forsythe[6]提到電梯氣動噪聲的大小與繞過電梯表面氣流速度的5次到6次方成正比;So等[7]建立了井道內高速電梯的繞流場數學模型，通過理論建模分析了井道內氣壓的變化對電梯轎廂內噪音的影響;Zhu等[8]建立了運動纜繩的線性橫向動力學模型，分析了不同提升工況下氣流對纜繩受力的影響。在噪聲控制方面，Landaluze等[9]採用主動噪聲控制方法降低了電梯內大部分區域的低頻噪聲;In-Hyung等[10]採用改良的主動噪聲控制方法在降低轎廂內頻率低於500Hz的噪音取得顯著效果。陸志華和王水來[11]從空氣傳聲和固體傳聲兩方面探討了隔聲降噪的措施。爲解決電梯氣動問題，國內外學者對電梯的結構外形進行了優化。段穎等[12]設計建成一套簡化高速電梯氣動特性實驗設備，實現多種狀態下的實驗模擬，獲得了繞箱體存在複雜非定常的渦流動，頭部基本不分離，不同形狀的影響不大;尾部分離情況不同，平頭與其它形狀有明顯區別的結論;楊小峯[13]等通過計算流體力學方法發現橢圓形的前後緣結構設計能夠降低抑制氣動噪聲。 李曉東和王凱[5]採用數值計算模擬方法，對單井道電梯進行數值計算和優化，得出1 m和1.4 m高的橢圓型導流罩對於轎廂氣動特性的優化有突出效果。然而，目前針對不同曳引速度下加裝導流罩電梯轎廂的氣動性能研究尚未見報道。
因此，本文利用計算流體力學軟件Fluent模擬對比分析了加裝橢圓形導流罩前後超高速電梯的空氣動力學特性，探討了不同曳引速度(6 m/s、12 m/s和18 m/s)對帶橢圓形導流罩電梯氣動性能的影響規律。
一、電梯氣體動力學建模
1.1 無導流罩電梯氣體動力學模型
選取典型的電梯井道參數和轎廂參數，如表1所示。電梯包括轎廂、曳引系統、對重系統、導軌導靴、轎架等，爲簡化結構建模和網格劃分，僅保留轎廂關鍵部件，忽略其他次要結構，構建井道中電梯轎廂的空氣動力學模型，如圖1所示。在實際運行過程中，轎廂在井道中上、下運動，爲模擬計算方便，將電梯轎廂靜止在井道中某位置處，空氣以轎廂運行速度按照與轎廂運動相反方向流動，該方法僅影響空氣與井道壁的相對流動，而對轎廂和空氣之間的氣動作用影響不大[5]。
1.2 氣體動力學模型驗證
當無導流罩電梯向上運行速度爲6 m/s時，通過空氣動力學分析能夠得到電梯的靜壓力和速度分佈圖以及沿井筒方向(Z向)受力情況。爲研究方便，獲得轎廂的XZ、YZ對稱面靜壓力和速度分佈，如圖2所示。由圖2a和b可知，轎廂表面靜壓沿XZ面呈對稱分佈。當氣流到達轎廂頂部時受到阻滯，造成轎廂頂部呈半圓狀分佈的高靜壓區，而且越靠近轎廂頂壁處靜壓越大，貼近轎廂頂壁處靜壓可達179 Pa;當氣流剛進入轎廂與井道間狹縫處時，等壓線分佈較密集，靜壓下降很快;狹小的轎廂-井道間隙和空氣的粘滯作用使得空氣得不到足夠迴流[4]，進而導致導致轎廂側面及底部區域的負壓區，最大負壓可達-181 Pa。轎廂頂部高正壓區和轎廂底部低負壓區導致轎廂上下的靜壓差，進而導致轎廂的壓差阻力[2，12]。沿Z向的轎廂壓差阻力和粘滯阻力分別爲429.26 N和22 N，故轎廂主要受到壓差阻力的作用。
由圖2c和d發現，在轎廂頂部中間位置，氣流因受到阻滯作用流速幾乎爲零;而當氣流剛進入轎廂與井道狹縫處時，氣流流速迅速增加;在轎廂底部，存在較大渦流區，這是因爲氣流由較高速度從電梯轎廂與井道壁間的狹縫裏射出，而電梯轎廂底部附近區域由於受到轎廂的阻擋，空氣流速很小，便形成了渦流區[5]。該渦流區將呈週期性的擺動，輕微振動的電梯結構會與氣流相互作用並從中吸收能量，從而使電梯振動的幅度不斷被放大，進而影響電梯的乘坐舒適性及其安全可靠性[4]。轎廂周圍氣流最大流速爲19.3 m/s，且速度和靜壓沿XZ面呈對稱分佈，在空氣剛進入轎廂與井道間狹縫處等壓線分佈密集、速度迅速增加，這些結果與前人研究獲得的結果一致[5]，說明所建空氣動力學模型的有效性。
1.3 帶橢圓導流罩電梯轎廂氣體動力學行爲
通過對無導流罩電梯的模擬計算，發現電梯運行時轎廂上下存在靜壓差導致轎廂Z向受到較大阻力，且轎廂底部存在較大渦流區，這對電梯乘坐的舒適性及安全性有較大影響，因此需對電梯轎廂的外形進行優化，加裝橢圓導流罩可以使氣流經過轎廂表面更爲順暢，從而減小轎廂上下靜壓差以及轎廂底部渦流區，是一種有效的電梯減振降噪優化方式[5，13，14]。構建帶橢圓形導流罩電梯轎廂空氣動力學模型，如圖3所示。導流罩爲兩個截面爲半橢圓形、軸線互相垂直的柱體相交部分，柱體方程別爲x2/0.64 +z2/0.36=1、x2/0.5625+z2/0.36=1，其中z≥0。
圖4爲運行速度6 m/s時帶橢圓導流罩電梯轎廂XZ對稱面的靜壓力、速度分佈圖。由圖4a發現，加裝橢圓導流罩後電梯轎廂表面最大靜壓由183 Pa降至140 Pa;與無導流罩轎廂相比，底部負壓區不再有明顯負壓區且轎廂表面最大負壓有-181 Pa降至-22.7 Pa，而且轎廂上、下表面的靜壓差有效減小，沿Z向轎廂總阻力由451 N降至120 N。由圖4b發現，加裝橢圓導流罩轎廂表面氣流流速最大爲15.1 m/s，較未加導流罩情況最大氣流流速低4.2 m/s，依據電梯氣動噪聲與繞過電梯表面氣流速度的5次到6次方成正比[6]，可知加裝橢圓導流罩能夠有效地改善電梯的氣動噪聲;同時，加裝橢圓導流罩後轎廂底部不再有明顯的渦流區，提高了電梯的穩定性[4]。所以，在電梯轎廂上加裝橢圓導流罩，不但能有效降低電梯的氣動噪聲，而且能夠提高電梯運行的穩定性和舒適性。