◎本报记者 王延斌
超高速电梯广泛用于摩天大楼中，轿厢在狭长、密闭且整体高度极高的井道中高速运行时，在环形空间处会引发强烈的气流扰动，致使乘客耳内有明显压迫感，轿厢振动及风啸声也较为突出。
近日，山东建筑大学何芹教授团队研发的“面向高效减阻抑振降噪的高速电梯关键技术研究及应用”破解了上述痛点。美国物理学联合会《科学之光》杂志认为，这项研究为超高速电梯在气动减阻、抑振、降噪领域的设计提供了理论指导，对导流装置和主动减振器的研发具有重要参考价值。山东大学教授冯显英、国家建筑城建机械质量监督检验中心高级工程师周贤彪、中国建筑第八工程局正高级工程师阎学军等专家认为，该项目研究成果在高速电梯气动减阻、抑振、降噪三项技术方面达到国际领先水平。
高速电梯舒适性需改进
电梯按照速度可分为低速电梯（低于1米/秒）、中速电梯（1—2米/秒）、高速电梯（2—3米/秒）、超高速电梯（高于3米/秒）四种类型。“想让电梯仅以较大的速度运行起来并不是很困难，我们只需要更大的曳引系统及更高的功率即可，真正的困难是速度提升后引发的一系列技术问题。”在何芹看来，电梯的服役环境与汽车、高铁等交通工具的服役环境截然不同。电梯在狭长井道中运行时环境相对密闭，与井道共同形成了特殊的环隙空间。在这一空间内将引发一系列流体动力学、多体动力学以及气固耦合动力学问题。这些问题主要表现在风压风阻显著加剧、多场耦合振动加剧及振动噪声效应恶化等方面。
记者了解到，目前，在7米/秒及以上的超高速电梯技术储备和市场规模方面，国外知名品牌长期处于垄断地位，而国产自主品牌高速电梯长期受制于风压风阻、多场耦合振动及振动噪声等三大问题的影响，迟迟未能在减阻抑振降噪等乘坐舒适性上做出较大突破。
“当电动机驱动电梯钢丝绳转动时，所产生的力通过钢丝绳传递到电梯的轿厢上，使得轿厢能够沿垂直方向运动。与此同时，轿厢自身的重量也会产生一个向下的力，这个力与电动机产生的力相互平衡，从而使轿厢能够稳定地升降。”何芹团队成员张路路向记者介绍，“目前，高速电梯运行过程中，如何减少阻力、振动、噪声是行业面临的主要难题。”他以电梯噪声为例，其主要表现为低频振动。建筑的刚性连接墙体为电梯振动噪声提供了传播途径。电梯噪声过大会干扰正常工作学习和生活。
三方面发力破解难题
针对高速电梯运行过程中产生的阻力、振动、噪声等问题，何芹团队首次考虑了井道气流与气固耦合振动特性，解析了井道流体、轿厢、导轨三者之间的耦合关系，研究了一种用于高速电梯运行全过程气固耦合振动的抑制技术，即电梯在“加速—恒速—减速”的运行全过程主动抑制振动，将技术拓展到超高速电梯的横纵向耦合抑振，并通过山东富士制御电梯有限公司超高速电梯实验塔实梯验证了该项技术的有效性。
同时，团队还从流体力学角度突破了高速电梯气流运动理论分析技术，把井道流场和声场有效结合起来。这为解决轿厢高速运行所诱发的井道噪声尖锐难题探索了新途径，并提出了环隙空间最优通风预测关键技术。团队研发了包括通风孔、通风动力装置在内的通风系统，找到了减少电梯噪声的突破口。山东富士制御电梯有限公司技术负责人王玉磊表示，应用上述新技术后，电梯运行噪声显著降低。
此外，电梯轿厢在上升或者下降过程中，在相对封闭的空间内会产生相当大的气流阻力。针对这个问题，该团队从火箭整流罩找到了解决问题的灵感，为电梯轿厢的上部和下部加装了自主设计的导流罩。经过数百次实验，科研人员不断调整参数，将导流罩设计成水滴状，使得电梯运行过程中的气动阻力降低25%以上。这样既能确保电梯轿厢安全，更能减少其上升和下降过程中的阻力，从而降低能耗。
记者了解到，上述研究是何芹团队与山东富士制御电梯有限公司产学研合作的成果。目前，上述成果在研发过程中已获得5项发明专利、11项实用新型专利、8项软件著作权。