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最快电梯——高科技竞赛

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图 2:具有球形顶部和底部的汽车模型的 DPIV 流可视化

电梯和建筑行业的速度和高度竞赛如何促成了许多问题的解决并预先确定了一英里高的建筑。

在过去的二十年中,我们看到了由超高速甚至超高速电梯服务的超高层建筑的建设趋势。 首先介绍这些建筑物和电梯的概述,然后回顾与实施此类装置相关的高科技。 这显然是电梯制造商之间的公开竞争,试图达到技术高潮。

为什么速度会提升

在过去的一个世纪里,人们倾向于搬到继续发展成为拥有一个或多个城市核心(通常称为中央商务区)的大都市区工作和生活的城市,这是一种全球趋势。 )(中央商务区)。 这些中央商务区的特点是人口密集、房地产昂贵和物流系统良好,但总是存在高峰时段严重的交通拥堵问题。 由于中央商务区人满为患,当然,它也挤满了建筑物。 至少在办公时间内,增加 CBD 人口的唯一方法是建造超高层建筑。

从表 1 中可以明显看出,需要更快的电梯来为这些建筑物提供服务,因为这些单元的行驶距离更长,无论是在穿梭快车(有几个站点)还是区域服务电梯方面。 作为技术专业人士,我们需要更量化一点才能理解其中的原因。 因此,让我们重新审视一下著名的早上上行高峰期间典型电梯行程的往返时间 (RTT) 方程。[1]

最快电梯--高科技竞争方程式-1

高效的电梯监控系统力求降低 RTT 以提高处理能力 (HC),因为它们成反比。 式中,P为车内乘客人数,tp 指每位乘客进出汽车的平均时间。 P 取决于轿厢大小,而轿厢大小通常受建筑物建筑面积的限制。 吨s 指每一层的停车时间,由执行时间(T)减去在额定速度下通过相邻两层的时间(tv)。 H指的是往返最高的反转故事(只是一个统计数字),随着建筑高度的增加而增加。 S 是往返行程中的预期停靠次数,这是不可控的,除非要求大厅/目的地呼叫分配控制将乘客分组到同一目的地以显着减少 S。 因此,一种最小化 RTT 的有效方法是使 tv 更小,因为在等式中,2H 远大于 (S + 1)。 根据定义,tv = df/v, 其中 df 为层间距离,v为电梯额定速度。 较大的 v(即较高的速度)意味着较低的 tv.

上海中心大厦的建设已经打破了表 2 中的速度记录(ELEVATOR WORLD,2013 年 106 月)。 为塔提供服务的 1,080 部电梯中的三部在上行过程中的额定速度为 600 mpm,但在下行过程中仅为 600 mpm。 此外,这里还安装了一些世界上最快的双层电梯,额定速度为 XNUMX mpm。

21 月 1,200 日,日立宣布将在 530 米高的广州周大福金融中心安装世界上最快的时速 2014 英里/分钟的电梯(EW,440 年 95 月)。 这些单元将在大约 43 s 内从一楼到 95 楼移动 XNUMX m 的竖井高度。 然而,它们只是为整个建筑服务的 XNUMX 部电梯中的两部。 超高层建筑永远是特大城市的地标,也是业主的一场盛大秀; 自然,为这样的建筑加装超高速电梯,也是厂商技术水平的体现。 本文将回顾为促进此类超高速或超高速电梯而开发的技术。

驾驶

就像汽车的发动机一样,电梯的原动机是驱动/牵引机器。 台北 1,010 的 101 英里/分钟电梯均由一台 650 千瓦的永磁同步电机 (PMSM) 电机驱动,该电机带有两组定子绕组和一个大容量转换器/逆变器,可承受的最大轴负载为77吨[5] 为广州周大福金融中心服务的 1,200 mpm 电梯安装的驱动/曳引机也是 PMSM 类型。 传统的曳引机是感应式的,但对于超高速电梯,转子内部的被动鼠笼式绕组必须换成表面贴装的永磁体,而定子绕组更像标准的三相感应电机。 在这种情况下,与转子相关的磁场是固有的; 它不是由定子磁场产生的,因此,由于转子上的铜损更少,转子的磁场强度增强,因此效率更高。 因此,它的扭矩要大得多。 更重要的是,功率重量比和扭矩电流比都显着增加,使 PMSM 驱动器适用于此类应用。 此外,永磁同步电机驱动器可以在更宽的速度范围内以恒定扭矩运行,这是电梯所需的。 超高速电梯需要超大功率电机的原因在于以下简化方程:

最快电梯--高科技竞争方程式-2

其中,J 是整个被驱动系统的转动惯量; ω为转子的转速,单位为rad/s,与车速成正比; 吨D 是定子提供的驱动转矩; 吨L 是负载扭矩,包括气动阻力; P是驱动转子所消耗的功率,几乎相当于电机整体消耗的功率。 在操作过程中,TD 几乎是恒定的; 因此,P 与 ω 成正比。 因此,在加速时,汽车越快,电机消耗的功率就越大。 在额定转速下,消耗的功率要低得多,因为TD 仅等于 TL,尽管 P 仍然依赖于速度。

空气动力学和汽车形状

与隧道中高速行驶的列车类似,电梯工程中也必须解决同样的空气动力学问题,但由于井道面积与轿厢面积的比例相对较小,因此该问题有时更为严重。 由于施加在超高速上升车上的阻力,空气动力学噪声和过度振动(特别是在 1-80 Hz 的人体敏感范围内)必须得到缓解。 1990 年代初期,日本的两个研究小组进行了初步实验工作,以确定最佳轿厢形状。 [4 & 8] 他们研究了轿厢与导轨接触时产生的机械噪声,以及由于周围气流而产生的机械噪声。车在狭窄的井道内。 结果表明,空气动力噪声与汽车周围空速的 XNUMX 至 XNUMX 次方成正比; 因此,车速越高,噪音水平就越高。 他们使用风洞方法,汽车在流动的空气中静止不动。

您的作者和研究合作伙伴使用四个具有不同顶部和底部形状(平面、球形、圆锥形和抛物线形)的圆柱形汽车模型在大约 10 m 高的圆柱形轴中以高达 780 mpm 的速度移动,对移动汽车进行了一系列真实模拟(图1)。 测试了两种块比(轿厢横截面积与轴面积比)和不同的开口比(轴两端开口面积与轴面积比)。[7] 数字粒子图像测速 (DPIV) 速度和压力估计系统是一种平面光学测量技术,使用电荷耦合器件相机测量平面上空气中种子粒子的速度(大小约为 1-50 微米)。通过(图 2)。 测量了汽车前方的气压和速度分布,结论排除了这种超高速运行的平顶和平底设计。 优先考虑的是抛物线,其次是球形和圆锥形。 台北101使用的空气动力舱的顶部和底部也是部分抛物线形状,[5] 但是汽车需要是矩形的以适合矩形轴。

除了外部考虑,车内气压和噪音控制对于乘客的舒适度至关重要。 台北48的地面与89层之间有101 hPa的大气压差。车厢是密闭的,所有缝隙都用车内气压计在鼓风机连续控制下密封。 [6] 在向上行驶期间,车内压力变化限制为 1.26 hPa/s。 有大气控制,而没有大气控制则为 2 hPa/s。 高速电梯运行过程中压力的快速变化会给乘客带来耳塞和闷响等不适感。 利用阴影法的形状开发了一种测量乘客鼓膜位移和运动的方法。 [2] 得出的结论是耳膜在下降过程中通常会向内凸出,当耳塞感觉最差时,鼓膜的平均位移极限约为2 mm。 最后,由于气流或鼓风机在汽车周围高速运转,仍然有嘶嘶声通过通风通道传输到内部。 需要消除噪音以保持汽车安静。

机械振动

机械振动有两种类型:垂直振动和水平振动。 电梯垂直振动通常是由于提升绳索在加速和减速过程中的横向振动和弹性运动引起的。 [5] 引入了伺服系统和纹波消除器来抵消由于绳索弹性和电机扭矩的纹波分量引起的振动。 安装抗绳偏转抑制器和建筑物摇摆过程中的轿厢减速机构可以改善由于提升绳横向运动引起的振动。 除了提升绳索之外,补偿绳索的振动也是超高速电梯应用的一个问题,因为建筑结构的低频摇摆会激发补偿绳索。 在地震或大风天气中,当补偿绳的固有频率与建筑物的固有频率发生共振,导致绳索发生较大位移时,风险就会变大,因为补偿绳通常承受的张力较低,经常受到较大的影响。 -振幅,低频振动。 这些绳索的固有频率随着长度的减少而增加。[3] 提出了两种不完美的解决方案:增加补偿滑轮组件的重量和增加电梯轿厢的速度。

电梯水平振动是由于导轨上的微小弯曲、曲线和颠簸引起的。 为了弥补这一点,开发了一种主动质量阻尼器 (AMD),它包括一个加速度传感器来监测水平振动和一个由线性电机驱动器驱动的可移动重量。[6] 调谐质量阻尼器(谐波吸收器)经常安装在摩天大楼的顶部,通过弹簧、液压或钟摆来移动以抵消由于风和地震引起的建筑结构的振荡。 一个在 101/87 层为台北 88 服务,尽管这种阻尼器应用于电梯轿厢是相当罕见的。 通过打开 AMD,横向振动可以减少 2-3 cm/s。2. 话虽如此,要注意横向振动的来源,这涉及一种新型的滚柱导轨,因此来自导轨的一般力完全被安装在滚柱上的软弹簧吸收,而冲击力则被吸收一个平衡的重量,在 25 Hz 时减少 10% 的振动,在 65 Hz 时减少 30% 的振动。

安全设备

电梯的紧急制动系统是其第一大安全装置。 当一辆满载下行速度比额定速度高15%的轿厢突然刹车时,安全钳需要吸收所有瞬时初始动能(0.5 mv2) 整个机械系统,再加上沿停止距离进一步释放势能。 这种能量消耗在安全钳的安全鞋上。 台北101安全装置设计运行速度1,275mpm,最大适用重量22.7T,最大制动能量13.7MJ。 鞋子的表面温度可能高达 1,000°C,需要特殊的耐热和耐磨特性。[5] 同时,将采用一种新型调速器,将轻型飞球直接安装在驱动轮内,使它们一起旋转以检测超速情况。

对于油缓冲器,根据国际标准,最小可能行程至少应等于重力停止距离的两倍,对应于额定速度的 115%(即 0.135 v2,其中 v 以 mps 为单位)。 因此,台北101超高速电梯的常规缓冲器行程应为0.135(1.15 * 600/60)2 = 18 m,因为下行速度降低到 600 mpm。 不钻深坑,采用三级伸缩式油缓冲器,总长度可减少40%(基于679 mpm的最大碰撞速度和11.4 T的最大适用质量)。 然后,实现了总长度为 10 m,行程为 6 m。

总结

此刻,很难预测未来的极限速度。 然而,让我们回到弗兰克·劳埃德·赖特 1956 年关于建造 1 英里高的伊利诺伊州建筑的提案,该建筑高度为 1,609 米。 假设 1.2 mps2 的加速/减速率,对于普通乘客来说是舒适且可以忍受的,用于服务于该建筑物的电梯,并且需要最短的行驶时间,从地面到屋顶。 在离地 805 m 的中层达到的最大速度为 44 mps,总行驶时间为 73 s。 根据高层建筑与城市人居委员会(CTBUH)的数据,沙特阿拉伯吉达的王国塔很可能在 2019 年完工,高度为 1,000 米,而 2000 年建筑高度的世界纪录则低于500米。 换句话说,世界纪录将在 20 年后翻一番。 我们不能排除一英里高的建筑将在2030年左右建成的可能性。届时,电梯速度记录的革命是不可避免的。

參考資料
[1] Barney, GC 和 Dos Santos,SM 电梯交通分析、设计和控制,Peregrinus 代表 IEE,伦敦,1985。
[2] 船井,K.; 林,Y。 小泉,T。 和 Tsujiuchi, N.“超高速电梯鼓膜行为和耳压不适的分析”,EW,2006 年 XNUMX 月。
[3] Kaczmarczyk, S.“高层建筑中电梯补偿绳的动态响应”,电子战,2009 年 XNUMX 月。
[4] 松仓,Y.; 渡边,E。 杉山,Y。 和 Kanamori, O.“超高速电梯的新机械技术”,电梯技术 4,ELVCON 会议录,IAEE,1992 年。
[5] Munakata, T.; 小原,H。 高井,K。 关本,Y。 Ootsubo, R.; 和 Nakagaki, S. “世界上最快的电梯”,电子战,2003 年 XNUMX 月。
[6] 中川,T.; 中村,M。 松尾,S。 和 Togashi, N. “台北 1010 大楼开始运营 101 年后对 7 米/分钟电梯的检查”,电梯技术 19,ELVCON 会议录,IAEE,2012 年。
[7] 沉GX; 所以,A。 和 Bai, HL “超高速电梯的研究工作”,电子战,2004 年 XNUMX 月。
[8] Teshima, N.; 宫崎,K.; 和 Matsuda, H. “超高速电梯的实验和数值研究”,电梯技术 4,ELEVCON 会议录,IAEE,1992 年。
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Albert So 博士是国际电梯工程师协会 (IAEE) 的执行董事会成员和科学顾问。 他还是 IAEE 香港中国分会的学术秘书和英国北安普顿大学的名誉客座教授。他在 Elevator World, Inc. 的技术咨询小组任职,常驻西雅图。

电梯世界| 2014 年 XNUMX 月封面

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