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。
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。”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，而电梯噪声过大，则会干扰正常的工作学习和生活。
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。经试验，应用上述新技术的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，该团队受火箭整流罩启发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。
