CN104876097B - 电梯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电梯系统，其包括电梯轿厢(18)、配重(20)、在第一端被附接到所述电梯轿厢(18)和在第二端被附接到所述配重(20)的补偿绳索(16)，以及补偿绳轮(14)，所述补偿绳索缠绕着所述补偿绳轮(14)，其中牵引绳轮(40)驱动着支撑所述电梯轿厢(18)和配重(20)的至少一个支撑装置(19)，所述牵引绳轮(40)被设置有张力装置(44，42)用于引起所述补偿绳索(16)的张力变化。
Description
技术领域
本发明涉及一般情况下的电梯系统并且特别是涉及主动控制张力构件的固有频率。
背景技术
张力构件或者例如绳索和缆绳的装置会受到振荡。这些部件可以由外力如风力而被激发。如果该激发的力的频率匹配所述张力构件的固有频率，则该张力构件将会发生共振。
高速的大风会造成建筑物来回摇摆。建筑物摇摆的频率可能匹配导致共振的电梯固有频率。在共振时，该振荡的振幅会增大，除非由于某种形式的衰减而被限制。这种共振可以导致电梯系统以及其结构的显著损伤。
两大主要问题给配置有长的曳引绳索和相当长的补偿绳索的电梯造成高风险。这些绳索由于绳索伸长而摇摆和再平层。绳索的摇摆特别是补偿绳索的摇摆对于高层建筑来说是大问题。
周期信号的基础频率(也被称为固有频率)是音节周期长度。该音节周期反过来说是信号的最小重复单元。定义音节周期为最小重复单元的重要性可以通过两个或多个串联的音节周期形成信号中的重复节拍而被意思到。在机械应用中，张力构件例如悬吊钢绳，其一端被固定并且具有另一端连接到负重，是一维度的自由振荡器。一旦开始运动，它会以固有频率进行振荡。针对自由振荡器的单一维度，由单个坐标描述运动的系统，其固有频率取决于系统的两个特性：质量和刚度。衰减对于无论是有意产生的或者是固有的系统来说是任意影响，其趋于减小振荡系统的振荡幅度。
由于补偿绳轮的质量轻，补偿绳索缠绕着所述补偿绳轮，该补偿绳索的固有频率很低并且通常介于0.05Hz和1Hz之间。下面的等式(等式1)可以以Hz来计算补偿绳索的固有频率：
其中g＝9.81m/s2为重力加速度，n表示振动模数，nC是绳索的数量，L是绳索的长度(米)，M表示补偿绳轮组件的质量(千克)，并且m是绳轮的单位长度的质量(千克/米)。
众所周知高层建筑物在刮风期间会摇摆。建筑摇摆的频率通常介于0.05和1Hz之间。由于补偿绳索的固有振动频率非常接近于建筑物的固有振动频率，共振经常发生。补偿绳索共振会导致绳索敲击墙壁和电梯门造成损害以及使乘客受到惊吓。
US8123002 B2公开的系统和方法通过使用伺服致动器改变补偿绳索固有振动频率来最小化补偿绳索摇摆。该绳索摇摆被最小化是通过移动补偿绳索的补偿绳轮来调整所述补偿绳索的张力或调整补偿绳索的终止位置从而引起结构位置上的变化。
发明内容
本发明寻求提供最小化绳索摇摆的经济有效的方式，从而避免绳索共振。
因而，提供了包含“电梯系统，包括电梯轿厢、配重、在第一端被附接到所述电梯轿厢和在第二端被附接到所述配重的补偿绳索，以及补偿绳轮，所述补偿绳索缠绕着所述补偿绳轮，其中牵引绳轮驱动着支撑所述电梯轿厢和配重的至少一个支撑装置，所述牵引绳轮被设置有张力装置用于引起所述补偿绳索的张力变化；其特征在于，所述张力装置包括至少一个第一伺服致动器，其适于调整所述牵引绳轮的位置”的特征的电梯系统。本发明提供了最小化补偿绳索摇摆的高效且可靠的手段，通过提供设置有张力构件的牵引绳轮来引起该补偿绳索的张力的变化，从而防止了补偿绳索共振效应。有益的，根据本发明，绳索摇摆可以被最小化而不必操纵在轴的下部所设置的补偿绳轮。在牵引绳轮被同轴地连接到所述升降马达的轴的情况下，设置根据本发明的作用在升降电机上的张力装置(如在下文将进一步详述的伺服致动器)是可行的。落在被设置有张力装置的牵引绳轮的表述里也是可以理解的。而且，升降马达本身可以构成补偿绳索的张力手段，例如通过提供用于牵引绳轮的振动运动，这将在下面进行详细描述。
有利的是，引起补偿绳索的绳索张力变化的装置包括至少一个伺服致动器，其适于调整牵引绳轮的位置。特别是，在电梯竖井内适应或者控制牵引绳轮的垂直位置是可能的。例如，通过在电梯竖井中提高牵引绳轮的位置，电梯轿厢和配重将被相应地升高。由此，在所述轴的下部缠绕补偿绳轮的补偿绳索将被拉紧。在电梯竖井中调节牵引绳轮的水平位置是可以想到的。
有利的是，张力的装置包括用于改变牵引绳轮的角速度和/或提供所述牵引绳轮的振动运动的装置。正如所描述的，这些装置可以被电梯系统的升降马达来具体实施，该升降马达驱动牵引绳轮。
便利地，所述电梯系统包括控制器，其适于将建筑物结构的固有频率与补偿绳索的固有频率进行比较，电梯系统被设置在该建筑物结构里，并且如果所比较的频率是基本相似的，特别是如果所确定的频率间的差小于预定的阈值，所述控制器适于指示伺服致动器来调整牵引绳轮的位置。这对于在什么时间需要评估补偿绳索的张力的变化提供了可靠的标准。
根据另一个优选实施例，引起补偿绳索的绳索张力变化的装置可以包括用于调整所述牵引绳轮的角位置和/或角速度的装置。例如，通过引入牵引绳轮的振动或振荡运动，位于补偿绳轮与电梯轿厢之间(以及相应地位于补偿绳轮和配重之间)的补偿绳索的长度可被轻微变化导致补偿绳索的张力的改变，由此绳索的摇摆可以被有效地阻止。
根据另一个优选实施例，该补偿绳轮被以可移动的方式进行设置，其中，至少一个伺服致动器被设置特别是在垂直和/或水平位置上调整补偿绳轮的位置。在此，设置了通过改变补偿绳索的固有频率以最小化绳索摇摆的额外的补偿装置。特别是，基于如下观测结果，即第一和第二振动模式是最大问题的模式，如上所述，第一模式可以由牵引绳轮(和/或升降马达)来抵消，特别是通过调整牵引绳轮的位置，该牵引绳轮被设置有用于引起补偿绳索张力变化的张力装置，并且第二模式也可以通过调整补偿绳轮的位置，或者反之亦然。
有利的是，设置有牵引绳轮的装置被提供有至少一个伺服致动器，该牵引绳轮用来诱发补偿绳索的绳索张力的变化。
有利的是，用于调整牵引绳轮的位置的至少一个伺服致动器和/或用于调整补偿绳轮位置的至少一个伺服致动器，适于在所定义的范围内分别调整牵引绳轮和补偿绳轮的位置。这种调整可以被实现以确保补偿绳索的固有频率充分地不同于建筑物结构的固有频率，电梯系统被设置在建筑物结构内。
本发明的有益的实施例现在将参照附图进行描述。应该理解的是本发明并不限于所示的清晰构造。特别是，在附图上下文所示的和/或参照优选的实施方案所描述的各个特征应被视为由其自身所公开或者与其它特征的任何其它可行的组合所公开。
本发明的进一步的优点和实施方案将由于该描述和所附的附图而变得显而易见。
应当指出的是在不脱离本发明的范围内，在后要进一步描述的前述所提到的特征和功能不仅在各个所示的组合中，而且在进一步的组合或单独应用中是可用的。
附图说明
图1示出了根据本发明的电梯系统的第一优选实施方式；
图2示出了PID控制器的优选实施方式，其可以与图1中的电梯系统连接使用；
图3示出了根据本发明的的电梯系统的第二优选实施方式。
具体实施方式
参照图1，电梯系统10的常规设计被示出。其包括电梯轿厢18和对重20，两者经由构成悬挂(支撑)装置的曳引绳索19而被彼此连接起来。很显然，该悬挂装置可以被具体实施为多个曳引绳索或皮带。
曳引绳索19缠绕着牵引绳轮40，其由升降马达42驱动，这被纯粹示意性地示出了。特别是升降马达42可以相对于牵引绳轮40的轴40a被同轴地设置，例如在图1的视图中处于牵引绳轮的后面。
电梯系统10包括与牵引绳轮40相互作用的一个或多个伺服致动器44。在牵引绳轮和升降马达的同轴布置的情况下，伺服致动器可以与升降马达相互作用。该伺服致动器44被配置以在预定的范围u1(t)内垂直地移动牵引绳轮。这样的垂直运动必须在合适的频率和幅度下被执行，最好根据合适的反馈控制算法。
所以，借助于升降马达42，在正常操作条件下，其用于以一定角度方向旋转牵引绳轮40经过一段时间足以输送电梯轿厢18例如从第一着陆点到第二着陆着点，该牵引绳轮40可以进行旋转振荡运动。这由双箭头46所标示。这种振动运动必须在合适的频率和幅度下被执行，其再次根据合适的反馈控制算法。取决于具体的运行条件，通常会有不同的频率和角位移。例如，当电梯轿厢在移动时，绳索的长度连续变化，这将导致其固有频率相应地连续变化。因而，在该运动期间，对于绳索位移没有时间让其随着共振而增加。
然而，当电梯轿厢停止移动时，即处在固定位置，该绳索的长度以及由此的固有频率将是恒定的，并且位移幅度将能够增加。因此，在电梯轿厢运动的情况下，更小的补偿频率以及牵引绳轮的角位移将是足够大的，而较大的补偿频率和角位移将在电梯轿厢静止情况下是有利的。
电梯轿厢18和配重20借助于补偿绳索16也被连接起来，该补偿绳索在电梯竖井的下部缠绕着补偿绳轮14。该补偿绳索16在第一端被固定在电梯轿厢18的下侧，并且在第二端被固定到所述配重20的下侧。
补偿绳索16借助于例如在美国专利US8162110中所描述的绳索张力平衡器可以被附接在电梯18和/或配重20上。任何合适的绳索，如芳族聚酰胺绳索或钢丝绳，可以根据在此所描述的实施方式而被使用。在一个实施方式中，具有相对高的固有频率的绳索可以被采用。
补偿绳索16相对于建筑物的位置也是决定共振是否发生的因素。再次参考图1，补偿绳索16可以附接到分别与第一可移动滑架30和第二可移动滑架32相连接的电梯轿厢18和/或配重20的底部上的端部。在一个方案中，该第一和第二可移动滑架在从前到后方向(X)和从一侧到另一侧的方向(Y)上是可移动的。被附接到滑架上的是伺服致动器34，36，其在X和Y方向上驱动第一和第二可移动滑架。补偿绳索16的终止位置的运动通过改变补偿绳索16的频率有助于防止电梯系统10随着建筑物进入共振。
在图1所示的电梯系统10的实施方式中，如上所描述的一个或多个伺服致动器44被调制以响应于控制算法，该控制算法借助于对牵引绳轮40的操作通过改变补偿绳索的张力来主动衰减该绳索的振荡。在此连接中的术语“钢筋束控制”是指积极调整张力构件或补偿绳索的张力或有效抑制以改变所述张力构件的固有频率。
伺服致动器44可以是伺服电机、伺服机构，或者任何合适的自动设备，该自动设备采用反馈回路来调整在调节钢筋束控制的机制的性能。致动器可以是液压活塞和气缸，滚珠丝杠致动器，或者常规的被用在机床行业的致动器。特别是，该伺服致动器44可以被配置得通过产生在通常向上或向下的方向上推动所述牵引绳轮40的机械力来控制所述牵引绳轮40沿着垂直轴的机械位置。机械力可以借助于电动马达、液压、气动和/或通过使用磁原理来实现。
在一个实施方式中，该伺服致动器44以负反馈的原理运行，其中所述补偿绳索16的固有频率与通过任何合适的转换器或传感器所测量的建筑物的固有振动频率相比较。与伺服致动器44相连的控制器(未示出)可以被设置有算法来计算补偿绳索16的固有频率与该建筑物的固有频率之间的差。如果这些频率之间的差处于预先确定的范围内，则控制器可以指示伺服致动器44调整牵引绳轮14的位置以及由此例如补偿绳索16的张力，使得该绳索上的任何摇摆运动被主动衰减。应当理解的是任何合适的反馈控制理论可以被应用到在此所描述的实施方式中。
在一个实施方式中，为了测量建筑物的固有振动频率，加速度计被定位在电梯机房或任何其它合适的位置，例如在电梯竖井里，并且该加速度计的输出被二次积分以产生位移。在高风速期间，建筑物会摇摆。该加速度计的二次积分输出可以被用来确定该机械室从其正常位置的位移。
几个控制策略可以被应用以影响钢筋束控制例如双线性控制、正整数力反馈、指数稳定、比例、积分和微分(PID)反馈，以及模糊逻辑控制。任何合适的控制装置可以与控制器相连以调制补偿绳索16的固有频率。任何合适的主动振动控制(AVC)技术可以被利用，该些技术涉及采用致动器以产生力并将其施加到结构上以便于降低其动态响应。
参照图2，绳索摇摆可以例如由监控补偿绳索16和建筑物的固有频率的PID控制器进行调制以防止共振。以所披露的方式调制所述补偿绳索16的固有振动频率允许该张力构件被积极地衰减。图2示出了比例-积分-微分控制器或者“PID控制器”的一个实施方式的示意图，其被用于积极地衰减张力构件。该PID控制器可以在可编程逻辑控制器(PLCs)或者作为面板安装的数字控制器中以软件的方式加以实现。可替代地，该PID控制器可以是由固态或者真空管放大器、电容器和电阻制成电子模拟控制器。应当理解的是任何合适的控制器可以被并入，其中，实施方案可以只使用一个或两个模式以提供适当的系统控制。例如通过将不希望的控制输出的增益设定为零来产生PI、PD、P或I控制器来实现。
应当理解的是对PID控制器的任何适当的修改可以包括例如提供具有输出死区的PID回路，以减少实际输出的激活的频率。在这种方式下，PID控制器将保持其输出稳定，如果变化是小的以至于其处于所定义的死区范围内。这样的死区范围对于积极衰减张力构件可以是特别有效的，其无需精确的设定值。该PID控制器可以通过其它方法如PID增益调度或模糊逻辑被修改或增强。
现在参照图3，本发明的进一步的优选实施方式被示出了，其包括结合图1所描述的可调整的牵引绳轮40被设置在电梯竖井的下部，以及可调整的补偿绳轮14。
该实施方式不同于图1所示实施方式的地方仅在于补偿绳轮14借助于至少一个伺服致动器12也是可移动的。因此，已经参照图1所描述的部分被设置有相同的附图标记。该伺服致动器12被配置得在预先确定的范围u2(t)内垂直地移动补偿绳轮14。水平地移动所述补偿绳轮14也是可能的。
相对于牵引绳轮40前述做出的所有观测都适用于补偿绳轮14。特别是，致动器12可以被调制响应于积极衰减补偿绳索振荡的控制算法。这里再次，伺服致动器12可以是伺服电机、伺服机构或使用反馈回路调整调制钢筋束控制里的机制的性能的任何其它合适的自动设备。再次，该致动器可以是液压活塞和气缸，或者前述所描述的任何其它实施方式。如上所述，该伺服致动器12也可以以负反馈原理运行。
特别是，设置与所述伺服致动器44和12相连的控制器是有益的可行的，并且如上所述设置具有算法的控制器来计算补偿绳索16的固有频率与该建筑物的固有频率之间的差。
所描述的牵引绳轮和补偿绳轮的调整可以有利地被被结合起来，例如该牵引绳轮的调整用于处理由补偿绳索构成的第一振动以及补偿绳轮的调整用于处理第二振动模式，或者反之亦然。
Claims (5)
1.电梯系统，包括电梯轿厢(18)、配重(20)、在第一端被附接到所述电梯轿厢(18)和在第二端被附接到所述配重(20)的补偿绳索(16)，以及补偿绳轮(14)，所述补偿绳索缠绕着所述补偿绳轮(14)，其中牵引绳轮(40)驱动着支撑所述电梯轿厢(18)和配重(20)的至少一个支撑装置(19)，所述牵引绳轮(40)被设置有张力装置(44，42)用于引起所述补偿绳索(16)的张力变化；
其特征在于，所述张力装置包括至少一个第一伺服致动器(44)，其适于调整所述牵引绳轮(40)的位置。
2.根据权利要求1所述的电梯系统，其特征在于，所述张力装置包括用于改变所述牵引绳轮(40)角速度和/或提供该牵引绳轮(40)振荡角运动的装置(42)。
3.根据前述任意一项权利要求所述的电梯系统，其特征在于，所述电梯系统包括控制器，其中，所述控制器适于比较建筑物结构的固有频率与所述补偿绳索(16)的固有频率，所述电梯系统被设置在该建筑物结构内，并且如果所确定的频率之差小于预定的阈值，所述控制器适于指示所述第一伺服致动器(44)调整所述牵引绳轮(40)的位置。
4.根据权利要求1或2所述的电梯系统，其特征在于，所述电梯系统包括第二伺服致动器(12)，其适于调整补偿绳轮(14)的位置。
5.根据前述权利要求4所述的电梯系统，其特征在于，所述第一伺服致动器(44)和/或所述第二伺服致动器(12)被设置为在定义的范围内调整牵引绳轮和/或补偿绳轮的位置。
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