دراسة حول نظام تقليل الاهتزاز لموجهات أسطوانة الرفع

تصميم يعطي الأولوية للتوافق ويحسن أدلة البكرات السلبية الحالية لتقليل مستويات الاهتزاز بتكلفة منخفضة

تم تقديم هذه الورقة لأول مرة في الندوة الحادية عشرة حول تقنيات المصاعد والسلالم المتحركة (Liftsymposium.org).

تتطلب صيانة واستبدال أدلة أسطوانة الرفع وقتًا وجهدًا. لذلك ، إذا كان من الممكن إطالة عمرهم ، فيمكن الحصول على مزايا مثل تقليل تكرار الصيانة وتقليل التكلفة والموثوقية المحسنة. في هذا البحث ، يقترح مؤلفوك أدلة الأسطوانة التي تحقق عمرًا طويلاً عن طريق تغيير مادة الأسطوانة لتوفير الراحة والمتانة أثناء القيادة. ستوضح هذه المقالة كيفية تقليل اهتزاز كابينة الرفع من خلال إنشاء نموذج تحليلي لحساب استجابة التاريخ الزمني لكابينة المصعد والتحقق من تأثير التحكم في الاهتزاز من خلال محاكاة دمج عناصر الزنبرك والتخميد بناءً على النتائج التجريبية. من خلال المناهج التحليلية والتجريبية ، سيتم اقتراح تصميم لدليل الأسطوانة مع الراحة المثلى للركوب والمتانة ضمن نطاق لوائح السلامة.

المقدمة

تزايد عدد المصاعد في السنوات الأخيرة ، بسبب الاستثمار في المرافق لبناء المباني الشاهقة من خلال إعادة التطوير في المناطق الحضرية ، والمبادرات الخالية من العوائق ، واحتياجات التحديث والاستبدال. من المرجح أن يزداد الطلب أكثر بسبب تأثير البلدان الناشئة وإعادة التنمية. تشكل أدلة الأسطوانة جزءًا من نظام توجيه إطار السيارة وخصائص التخميد المرن لحذاء دليل الأسطوانة (إطار العجلة). إذا تم تضمينها ، توفر عناصر مثبط الزنبرك الإضافية تحكمًا سلبيًا في الاهتزاز عبر آلية مثبتة بين القضيب في عمود الرفع والمقصورة التي يركب عليها الشخص ويلعب دور التحرك بسلاسة لأعلى ولأسفل ، مع قمع الاهتزاز. 

هناك نقص في الموارد البشرية المسؤولة عن صيانة المصاعد. نظرًا لأن أدلة الأسطوانة تتطلب الصيانة والاستبدال ، فمن المفيد إطالة عمر الخدمة (المتانة) لتقليل تكرار الصيانة والتكلفة والموثوقية. إذا تم تقوية البكرات لزيادة المتانة ، فسوف تتدهور الراحة والضوضاء. في هذه الدراسة ، تركزت مشكلة الاهتزاز والتآكل في أدلة الأسطوانة وتهدف إلى فحص شروط المواصفات لأدلة الأسطوانة لتحقيق كل من الراحة والمتانة. على وجه التحديد ، يتم إجراء تجارب لفحص الخصائص الميكانيكية ومتانة أدلة الأسطوانة.

أدلة الأسطوانة

يُعزى الكثير من الاهتزازات في المقصورة المتحركة إلى تشويه سكة التوجيه المثبتة في عمود الرفع. يوضح الشكل 1 هيكل الكابينة. السبب الرئيسي للتشويه هو الدقة المنخفضة أثناء التثبيت^[1] أو تشويه بسبب العمر ،^[2] والمصاعد الحالية تتطلب تجديدًا جذريًا للتحسين. ينتشر تشوه سكة التوجيه داخل المقصورة ، على طول موجهات الأسطوانة والإطار وحوامل المطاط. يوضح الشكل 2 أدلة الأسطوانة الفعلية المستخدمة في التحقيقات التجريبية والتحليلية.

تتكون أدلة الأسطوانة التي يتم التعامل معها هنا من نوابض لولبية وذراع تحكم وأسطوانة دائرية. مادة جزء الأسطوانة عبارة عن مطاط طبيعي ، لكنها تتشقق وتتقشر في النهاية بسبب التآكل. من الشائع تنفيذ الاستبدال الوقائي بدقة لزيادة الصلابة والمتانة كإجراء مضاد.

يركز هذا البحث على مشاكل الاهتزاز والمتانة في دليل الأسطوانة. بعد استبدال مادة جزء الأسطوانة لضمان المتانة ، يتم فحص شروط مواصفات دليل الأسطوانة المتوافق مع راحة الركوب. يمكن إنشاء تصميم دليل الأسطوانة الذي يحقق الراحة المثلى للركوب والمتانة ، مع تلبية لوائح السلامة ، من خلال العمليات التحليلية والتجريبية. أدلة البكرات النشطة فعالة في قمع الاهتزازات بشكل ملحوظ. يقوم المصنعون بتطوير مثل هذه الأدلة ، لكنها مكلفة ويصعب تعديلها.^[3]

في هذه الدراسة ، تم تطوير نظام توجيه الأسطوانة الذي يعطي الأولوية للتوافق ويحسن أدلة الأسطوانة السلبية الحالية لتقليل مستويات الاهتزاز بتكلفة منخفضة. في البحث ، مستوى الاهتزاز الذي لا يشعر الركاب عنده بعدم الارتياح هو تسارع جذر متوسط ​​التربيع (RMS) بمقدار 0.1 م / ث².^[4] كما أنه يحدد الإزاحة صغيرة قدر الإمكان دون الاتصال بالبنى الأخرى كحد مسموح به. أدلة الأسطوانة المستخدمة في هذه الدراسة لها تسطيح منخفض (الشكل 2). نظرًا لأنه من المتوقع حدوث تغيير في الخصائص الميكانيكية بسبب الإزاحة ، فقد تم إجراء اختبار تحميل باستخدام مشغل هيدروليكي مؤازر. علاوة على ذلك ، فإن أسطوانة الاستومر المصنوعة من اليوريثان مع صلابة معيار JIS-A 95 ° تتميز بمقاومة تآكل ممتازة. (تُستخدم هذه المادة أيضًا في أدلة الأسطوانة لمسارات السكك الحديدية لنظام النقل العام ، وأنظمة عبور المسار الإرشادي الآلي والوقايات الدوارة.) تم تصميم هذه الأسطوانة ، وتم إجراء نفس التجربة.

تحليل اهتزاز السيارة

نموذج تحليلي

تم إنشاء نموذج تحليلي يقلد آلة ركوب فعلية تتسع لستة أشخاص لحساب الاهتزاز الجانبي للمصعد الجاري.^[5] في هذا النموذج ، ينتقل الاهتزاز من خشونة السكة إلى المقصورة عبر دليل الأسطوانة ، ونابض الملف ، والإطار وحوامل المطاط^[6] محسوبة. تم إنشاء نموذج تحليلي بثماني درجات حرية (8-DOF) لحساب الحركة الأفقية للبكرات الأربع والحركة الأفقية ودوران الإطار والمقصورة. مركز الدوران هو نفسه بالنسبة للإطار والمقصورة. يتم إدخال موجات من نفس الشكل الموجي إلى البكرات العلوية والسفلية بفارق زمني. لم يتم تضمين تسارع / تباطؤ المصعد. يوضح الشكل 3 النموذج التحليلي 8-DOF. تم استخدام MATLAB2020a للتحليل. يوضح الشكل 4 نظرة عامة على النموذج.

تُظهر المعادلات من 1 إلى 8 معادلة الحركة لهذا النموذج. المتغيرات المستخدمة هي:

• Un: إزاحة المدخلات

• KRN: تصلب الأسطوانة

• CRN: معامل التخميد للبكرة

• mr: كتلة الأسطوانة

• xrn: إزاحة الأسطوانة

• n: كل ​​رقم (1-4)

• ks: صلابة لفائف الربيع

• cs: معامل التخميد المرتبط بزنبرك الملف

• k1: صلابة جبل المطاط العلوي

• c1: معامل التخميد من جبل المطاط العلوي

• k2: صلابة الجزء السفلي من المطاط

• c2: معامل التخميد للحامل المطاطي السفلي

• m: كتلة الإطار

• xf: إزاحة الإطار

• f: دوران الإطار

• Jf: لحظة من الجمود في الإطار

• w1 و w2: عرض الإطار

• h1 و h2: ارتفاع الإطار

• M: كتلة المقصورة

• x: إزاحة المقصورة

• θ: دوران الكابينة

• J: لحظة من الجمود في المقصورة

• W1 و W2: عرض الكابينة

• H1 و H2: ارتفاع الكابينة

في تحليل الاستجابة الفعلية ، يتم استبدال المتغيرات التالية بالمتغيرات المذكورة أعلاه: م = 1200 كجم ، عرض 1 = 0.9 م ، عرض 2 = 0.9 م ، ح 1 = 1.5 م ، ح 2 = 1.5 م ، م = 1000 كجم ، عرض 1 = 0.75 م ، W2 = 0.75 م ، H1 = 1.25 م ، H2 = 1.25 مم ، k1 = 400 نيوتن / مم ، ك 2 = 400 نيوتن / مم ، k2z = 2000 نيوتن / مم ، c1 = 400 نيوتن / مم ، و c2 = 400 نيوتن / مم.

النمذجة دليل الأسطوانة الخصائص الميكانيكية 

تم التحقق من إزاحة الاستجابة للأسطوانة المطاطية الشائعة الاستخدام وأسطوانة اليوريثان النموذجية مع زيادة الصلابة والصلابة واعتماد معامل التخميد على تردد الاهتزاز والإزاحة في التجارب التالية. الخصائص الميكانيكية لأدلة الأسطوانة في تجربة التحميل^{[7 و 8]} باستخدام مشغل مؤازر هيدروليكي يتم فحصها ، ويتم تقييم اختبار التشغيل باستخدام جهاز اختبار مصغر. الشكلان 5 و 6 يظهران النتائج. تبلغ معاملات الصلابة والتخميد لأسطوانة اليوريتان حوالي ثلاثة أضعاف تلك الموجودة في الأسطوانة المطاطية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تأكيد الاعتماد على السعة ، وهو سمة من سمات المطاط الصناعي اليوريثاني مع صلابة معيار JIS-A 95 درجة. 

تم الحصول على وظائف التبعية للخصائص الميكانيكية لأدلة الأسطوانة في تبعية السعة والاعتماد على التردد من نتائج التجربة. مكافئ. يوضح الشكل 9-12 الخصائص الميكانيكية لأدلة الأسطوانة. تُشتق هذه الصيغ من تبعية السعة والاعتماد على التردد التي تم الحصول عليها من اختبار تحميل دليل الأسطوانة. لذلك ، في هذه الصيغة ، إذا تم استبدال التردد والسعة التعسفيين كمتغيرات ، يتم حساب معامل الصلابة والتخميد في ظل ظروف عشوائية. هنا، xi = إزاحة موجة الإدخال بالملليمتر ، و fi = تردد الاهتزاز بالهرتز.

نتيجة تحليلية

يتم التحقق من تأثير تقليل اهتزاز الكابينة باستخدام النموذج التحليلي المقدم أعلاه. على الرغم من أن سرعة الجري مضبوطة على أن تكون عشوائية في النموذج التحليلي ، فقد تم ضبطها هذه المرة على 105 م / دقيقة كسرعة متوسطة. تؤثر سرعة الجري على انحناءات السكك الحديدية وفاصل الفجوة. يوضح الشكل 7 شكل موجة الإدخال. 

من الصعب قياس خشونة السكة. وبدلاً من ذلك ، تم استخدام الموجة الاصطناعية لمحاكاة مخالفات مختلفة للخشونة على القضيب. نظرًا لأن المكون الرئيسي لشكل الموجة هو 5 هرتز على اليسار و 2 هرتز على اليمين ، المعلمة fi التي تؤثر على صلابة وتخميد الأسطوانة يتم ضبطها على هذه الترددات السائدة. المعلمة xi يتغير لحظة بلحظة حسب إزاحة المدخلات. أقصى إزاحة لخشونة السكة هي 0.1 مم. تدخل الموجة إلى البكرات العلوية والسفلية واليسرى واليمنى. علاوة على ذلك ، تم تصنيع موجة جيبية تحاكي أقصى تشوه للسكك الحديدية يبلغ 3 مم على جانب واحد ، وتم تصنيع فجوة 0.5 مم على كلا الجانبين. التسارع على أرضية المقصورة ، الإزاحة، xوالتناوب , الكابينة من خلال تحليل الاستجابة. 

يوضح الشكل 8 شكل موجة الاهتزاز عند تثبيت بكرة مطاطية وبكرة يوريتان. يعمل تركيب بكرات اليوريثان على تحسين القوة أكثر من البكرات المطاطية ، لكن راحة الركوب قد تتدهور ، لذلك من الضروري مراعاة مفهوم التخميد للنظام بأكمله. التقلبات الدورية للإزاحة والدوران هي آثار تشويه السكك الحديدية. في الخطوة التالية ، يتم تثبيت زنبرك ملفي بين الأسطوانة والمقصورة لتقليل اهتزاز الاستجابة. 

يوضح الشكلان 9 و 10 التحقق من الخصائص الميكانيكية المثلى وشكل موجة الاهتزاز بمرور الوقت. تم ضبط أقصى استجابة لصلابة زنبرك الملف لتكون أقل من صلابة الأسطوانة. في ظل هذه الحالة ، الصلابة التي ترضي تسارع RMS البالغ 0.1 م / ث² في حدود 800 نيوتن / مم. تمت محاولة تقليل الاهتزاز عن طريق إضافة التخميد بشكل كبير إلى زنبرك الملف. نتيجة لذلك ، تم تأكيد تقليل تسارع RMS بنسبة التخميد 7.5٪. يقارن الجدول 1 RMS والتسارع الأقصى تحت كل حالة. تم ضبط تسريع RMS عند استخدام الأسطوانة المطاطية على 100٪ وتم التعبير عنه بمستوى تقليل الاهتزاز. نتيجة لذلك ، تم تقليل تسريع RMS بنسبة تصل إلى 60٪ عن طريق إضافة زنبرك الملف في ظل ظروف التحليل في هذا الوقت.

تجربة القيادة باستخدام نظام اختبار مصغر 

تجربة استخدام المصعد الفعلي باهظة الثمن وتستغرق وقتًا طويلاً ، وليس من الواقعي تكرار اختبار المتانة. في هذه الدراسة ، تم إجراء اختبار التخفيض لأدلة الأسطوانة ، وتم إجراء اختبار التشغيل. تتكون معدات التجربة من قرص يقلد خشونة السكة ولوحة حديدية تحاكي المقصورة. حجم هذا الجهاز 1129 × 930 × 710 مم. يتم التحقق من الاهتزاز الأفقي للكابينة ومتانة الأسطوانة عن طريق ربط دليل الأسطوانة بالقرص وتشغيله. يوضح الشكل 12 نظرة عامة على معدات التجربة. يتم محاكاة انتقال الاهتزاز عند التغلب على الإسقاط من خلال ربط شريط شيم بعرض 10 مم بالقرص وتشغيله. سمك قطعة واحدة من شريط الرقائق 0.1 مم ، ويمكن تكديس أي عدد منها. يمكن أن تدور المقصورة بحرية في الاتجاهات الأفقية والدورانية عن طريق أدلة ومحامل خطية. تم توصيل مقياس التسارع (KYOWA AS2GB) ومسجل البيانات (TEAC es8) في وسط المقصورة ، وتم إجراء التسجيل بتردد أخذ العينات يبلغ 1000 هرتز. النموذج التحليلي هو مزيج من إطار وكابينة النموذج المقدم في "النموذج التحليلي" أعلاه. المعادلات من (1) إلى (4) هي نفس النموذج المقدم في هذا القسم ، لكن معادلة الجزء الكتلي مختلفة. يوضح الشكل 11 النموذج التحليلي 6-DOF. 

تُظهر المعادلتان (13) و (14) معادلة الحركة في الجزء الكتلي. المعلمات المستخدمة هي: m = 15 كجم w1 = 0.125 م ، w2 = 0.125 م ، h1 = 0.115 م و h2 = 0.115 م:

يوضح الشكل 13 شكل موجة الإدخال والتحليل ونتائج الاختبار. تم وضع الشكل الموجي الذي أعاد إنتاج النتوء في برنامج التحليل للجهاز الفعلي ومقارنته بنتائج الاختبار. عند مقارنة نتائج التجربة والتحليل ، يتم إزاحة فترات ذروة الموجة. ربما يكون هذا بسبب دوران القرص غير مستقر بسبب عدم كفاية عزم دوران المحرك التعريفي على الجهاز. على الرغم من وجود اختلافات أخرى في مستويات التسارع التي يُعتقد أنها ترجع إلى طريقة تركيب الرقائق ، إلا أن قابلية التكاثر جيدة بشكل عام ، ويمكن استخدامها لتطوير عناصر مثل البكرات والينابيع. في المستقبل ، يؤخذ في الاعتبار إجراء تجربة تحقق للتحقق من القيمة المثلى المحسوبة باستخدام نموذج التحليل وإجراء اختبار المتانة لأدلة الأسطوانة المصنوعة من مواد مختلفة.

خاتمة

تم إجراء تحليل محاكاة باستخدام نموذج تحليل 8-DOF لتحسين متانة أدلة الأسطوانة وتعزيز تأثير تقليل الاهتزاز. نتيجة لذلك ، تم التأكيد على أنه يمكن تقليل الاهتزاز بشكل كافٍ إلى 87.7٪ كحد أقصى باستخدام زنبرك الملف والتخميد ، حتى لو تم استخدام الأسطوانة المقواة لتعزيز المتانة. التسارع في هذا الوقت أقل بكثير من 0.1 م / ث²، ويُعتقد أنه يمكن تحقيق رحلة مريحة للركاب.

هذه المرة ، تم حساب صلابة نوابض الملف في نطاق أقل من 800 نيوتن / مم. بشكل عام ، يكون وزن المقصورة أخف ، والاستجابة تميل إلى أن تكون أكبر عندما يكون عدد الركاب أصغر ، مقابل عندما يكون المصعد ممتلئًا. تسارع RMS أقل من 0.1 m / s القياسي²، حتى في حالة عدم وجود حمولة. النقطة الأساسية لتقليل الاهتزاز عند استخدام بكرة يوريثان مع تحسين المتانة هي ضبط زنبرك الملف. أيضًا ، من خلال إضافة التخميد ، من الممكن منع تسارع RMS مع الحفاظ على نفس التسارع الأقصى. في المصعد الفعلي ، تكون ضربة نوابض الملف محدودة ، لأن الإطار لا يتصل بالهياكل الأخرى. نظرًا لانحراف موضع الركوب والاضطراب مثل الزلزال ، يتم تعيين الصلابة لتكون أكبر من القيمة التي يمكن أن تمنع الاهتزاز في التحليل إلى أقصى حد. بالإضافة إلى ذلك ، فإن شكل الموجة المستخدم في المحاكاة أسوأ قليلاً من المتوقع في الجهاز الفعلي ، ولكنه يمكن أن يرضي راحة الركوب بشكل كافٍ.

أيضًا ، تم تصنيع جهاز اختبار التخفيض لموجهات الأسطوانة من أجل اختبار المتانة. هنا ، تم استنساخ خشونة السكة ، بما في ذلك النتوءات ، عن طريق وضع الحشوات على سطح الجهاز. بمقارنة نتائج اختبار التشغيل بنتائج محاكاة النموذج التحليلي ، تكون قابلية التكرار جيدة بشكل عام ، ويمكن استخدامها لتطوير عناصر مثل البكرات والينابيع.

سيتم إجراء تجربة متانة دليل الأسطوانة باستخدام جهاز اختبار الاختزال والتحقق من تأثير تقليل الاهتزاز لنوابض الملف مع التخميد في المستقبل. من خلال تثبيت الزنبرك ، يمكن توقع تقليل كل من التسارع والإزاحة بشكل كبير. يجب أن تكون فعالة بشكل خاص في المواقف التي يكون فيها خشونة السكة سيئة (خشنة) كما تم التحقق من ذلك عن طريق المحاكاة. أيضًا ، سيتم التحقيق في الاستجابة في عملية القيادة من بدء التشغيل إلى التوقف ، بما في ذلك زيادة / تقليل الحمل / الانحراف.

شكر وتقدير

تم إنشاء النموذج التحليلي 8-DOF المستخدم في المقالة بالتعاون مع Yuya Tase و Reoya Namiki من جامعة طوكيو دينكي. تم إنتاج أسطوانة اليوريثان المستخدمة بواسطة شركة Ohtsu Chemical Co.، Ltd.. تم إنتاج أداة اختبار التخفيض لأدلة الأسطوانة المستخدمة بواسطة SEC Elevator Co.، Ltd. ويود المؤلفون التعبير عن تقديرهم للدعم.

مراجع حسابات

[1] ساتوشي فوجيتا ، هيروشي كاميكي ، موتو شيمواكي ، كيسوكي ميناغاوا. هندسة المصاعد والسلالم المتحركة، ص. 156-160 ، (2019).

[2] نوبويوشي موتوه ، كينكيشي كاجوميا ، توشياكي كوروساوا ، ماساهيرو كونيا وتاكيي أندوه. "طريقة إخماد الاهتزاز الأفقي المناسبة للمصاعد فائقة السرعة ،" المعاملات في الهندسة الكهربائية والإلكترونية، المجلد. 118-D ، رقم 3 (1998).

[3] Naoaki Noguchi و Atsushi Arakawa و Koichi Miyata و Takuya Yoshimura و Seiichi Shin. "دراسة حول التحكم النشط في الاهتزاز للمصاعد عالية السرعة ،" مجلة تصميم النظام وديناميكياته، المجلد. 5 ، رقم 1 ، ص. 164-179 (2011).

[4] كيوشي فوناي. "تقنيات السلامة وراحة القيادة للمصاعد ،" الرابطة الدولية لعلوم المرور والسلامة، المجلد. 27 ، رقم 2 ، ص. 31-39 (2002).

[5] هيرويوكي كيمورا وميمبي موريشيتا وشيجيو ناكاجاكي. "تقنيات المحاكاة للمصاعد ،" مراجعة توشيبا، المجلد. 58 ، ص. 42-45 (2003).

[6] أريتومو ناكانو. "أنواع وخصائص المواد المضادة للاهتزاز" مجلة هندسة الحفاظ على البيئة، المجلد. 20 ، رقم 6 ، ص. 400-402 (1991).

[7] كازوهيتو ميساجي وهيديكي كاتو وكويتشي شيباتا. "تحليل الاهتزاز لعوازل اهتزاز المطاط للمركبة باستخدام نموذج قوة الاستعادة لنوع وظيفة الطاقة ،" سلسلة معاملات الجمعية اليابانية للمهندسين الميكانيكيين، المجلد. 60 ، رقم 578 ، ص. 679-685 (1994).

[8] ساتوشي فوجيتا ، وأوسامو فوريا ، ويوجي سويزو ، وياسوهيرو كاساهارا ، وتاكايوكي تيراموتو ، وهارويوكي كيتامورا ، "التحكم في الاهتزاز للمباني الشاهقة باستخدام المثبط المطاطي عالي التخميد (التقرير الثاني ، اختبارات التحميل وصيغة تصميم الأسطوانة العالية - التخميد المطاط المثبط) ، " سلسلة معاملات الجمعية اليابانية للمهندسين الميكانيكيين، المجلد. 61 ، رقم 585 ، ص. 1885-1890 (1995).

يوسوكي شيما طالبة ماجستير في الهندسة الميكانيكية في جامعة طوكيو دينكي. إنه يبحث في تقليل اهتزاز كابينة الرفع.