Ausgabe 5/2004
09/01/04
Die Entwicklung aktiver Schwingungsdämpfer für superschnelle Aufzüge
Kiyoshi Funai, Hiroko Katayama, Jun-Ichi Higaki, Kenji Utsunomiya und Shinji Nakashima *)
Durch den Bau sehr hoher Gebäude hat sich in den letzten Jahren der Bedarf an Hochgeschwindigkeitsaufzügen verstärkt. Für derartige superschnelle Aufzüge ist eine Reduzierung der seitlichen Kabinenschwingung während der Fahrt ausschlaggebend für einen guten Fahrkomfort. In diesem Aufsatz wird die Entwicklung aktiver Schwingungsdämpfer beschrieben, mit denen sich ein verbesserter Fahrkomfort erzielen lässt. Die Eigenschaften und Leistung der beiden aktiven Schwingungsdämpfertypen werden beschrieben. Bei einem der Typen handelt es sich um eine aktiv gesteuerte Führungsrolle und beim anderen um einen aktiv gesteuerten elektromagnetischen Dämpfer, der zwischen Tragrahmen und Kabinenboden installiert wird.
Kategorie: Fachaufsaetze Ausgabe 5/2004
Erstellt von: Editor
In den letzten Jahren wurde der Trend zum Bau sehr hoher Gebäude immer ausgeprägter. Dadurch erhöht sich der Druck auf die Entwicklung und Verbesserung der Leistung und des Fahrkomforts der Aufzüge, die in diesen Gebäuden den vertikalen Transport versehen. Da die Aufzugskabine verhältnismäßig klein und geschlossen ist, ist es unumgänglich, dass die Geräuschkulisse und die Schwingungen innerhalb der Kabine so gering wie möglich gehalten werden, damit die Fahrgäste sich während der Fahrt wohl und ungestört fühlen. Die Seitenschwingung übt während der Fahrt der Kabine im Schacht den größten Einfluss auf den Fahrkomfort aus. Deshalb kommt man um technische Entwicklungen zur Reduzierung der Seitenschwingungen insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsaufzügen mit ihrer äußerst anspruchsvollen Technik nicht mehr herum.
Die Seitenschwingung wird überwiegend durch Verformungen der Führungsschienen und durch Luftdruckstörungen um die fahrende Kabine herum verursacht. Je höher die Gebäude und je schneller die Aufzüge werden, desto stärker werden die Schwingungen auf Grund der dadurch immer stärker werdenden Erregerkräfte. Um diese Schwingungen verringern und einen guten Fahrkomfort gewährleisten zu können, wurden Öldämpfer und andere passive Vorrichtungen am Führungsschuh oder zwischen der Aufzugskabine und dem Tragrahmen vorgesehen. Darüber hinaus wurde mit größter Sorgfalt darauf geachtet, die Präzision der Führungsschienen während der Bearbeitung und die Ausrichtungsgenauigkeit während der Montage zu verbessern, um die störenden Kräfte zu minimieren. Diese passiven Maßnahmen reichen jedoch nicht aus, um die Leistung derart zu erhöhen, dass die Schwingungen der superschnellen Aufzüge in den hohen Gebäuden sich reduzieren lassen.
Um dieses Problem lösen zu können, wurden verschiedene aktive Schwingungsdämpfer untersucht. Zum Beispiel eine Methode, bei der Stellglieder für Führungsrollen (Utsunomiya et al. 2002) angewendet werden, eine Methode mit Stellgliedern zwischen Tragrahmen und Kabinenboden (Kato und Higaki 2002) und ein aktives Massendämpfungssystem (Teshima et al. 2002). Es gibt aber anscheinend nur ganz wenige Berichte über die Leistung und Eigenschaften dieser Methoden, die eine Bewertung des am besten geeigneten Systems für die derzeitigen Aufzüge erlaubt (Funai et al. 2002).
In diesem Aufsatz möchten wir die systematischen Eigenschaften der zwei von uns entwickelten typischen aktiven Dämpfungssysteme beschreiben: die Methode, bei der Stellglieder für die Führungsrollen zum Einsatz kommen, und die Methode mit Stellgliedern zwischen dem Tragrahmen und dem Kabinenboden.
Schwingungen der Kabine
Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Aufzugskabine. Gefederte Führungsrollen stützen die Kabine und verhindern, dass Störkräfte verursacht durch die Verformung oder den Versatz der Führungsschienen übertragen werden. Die Gummipuffer des Kabinenbodens sind zwischen der Kabine und dem Tragrahmen angebracht, um die Schwingungen zu isolieren.
Die Aufzugskabine wird als ein Mehrkörper-Schwingungssystem betrachtet, das aus Elementen der Masse sowie aus elastischen und Dämpfungselementen besteht. Abbildung 2 zeigt die Modalformen der Schwingung (nur in horizontaler Richtung) eines typischen Hochgeschwindigkeitsaufzugs. Es gibt eine Phasengleichheit von Kabine und Tragrahmen zwischen 1 und 3 Hz und eine Phasenungleichheit zwischen 4 und 6 Hz.
Aktive Führungsrolle
Abbildung 3 zeigt die von uns entwickelte aktive Führungsrolle. Diese Vorrichtung regelt den Anpressdruck der Rollen gegen die Schienen mit Hilfe von Stellgliedern und verringert so die durch die Verformung der Führungsschienen hervorgerufenen Störkräfte. Ein Stellglied pro Rolle erzeugt den Anpressdruck gegen die Führungsschiene.
In der Nähe der Führungsrollen sind drei Beschleunigungsmesser befestigt, die die horizontalen Schwingungen erfassen. Wir haben zwei Satz aktive Führungsrollen unter der Kabine installiert, weil diese untere Anordnung am wirksamsten die Schwingungen des Kabinenbodens verringert. Sie regeln die Kraft von drei Freiheitsgraden in einer horizontalen Ebene (von hinten nach vorne, von Seite zu Seite und Drehung) der Kabine.
Da die aktive Führungsrolle einfach durch den Austausch der normalen Führungsrolle einsetzbar ist, bietet diese Lösung den Vorteil, dass sie nicht nur bei neu installierten Aufzügen, sondern auch bei der Modernisierung älterer Aufzüge Verwendung finden kann.
Für die Steuerung der aktiven Rolle wird eine Skyhook-Dämpfungsregelung eingesetzt. Diese erzeugt virtuell den Eindruck, dass die Kabine an einem absolut festen Punkt am Firmament aufgehängt ist. Abbildung 4 zeigt ein Blockschaltbild der aktiven Schwingungsregelung.
Aktive Schwingungsdämpfer unterhalb der Kabine
Abbildung 5 ist eine schematische Darstellung des unter der Kabine angebrachten aktiven Schwingungsdämpfers und zeigt eine Abbildung des eingesetzten elektromagnetischen Stellglieds. Es werden zwei Satz elektromagnetische Stellglieder vorgesehen, die aus unterhalb der Kabine befestigten Spulen und aus am Tragrahmen befestigten Jochs bestehen. Jeder Satz Elektromagnete ist entlang der Achse hinten/vorne und Seite/Seite angeordnet. Sie reduzieren die horizontale Schwingung der Kabine durch Regelung der elektromagnetischen Kraft. Da dieses System sich unterhalb der Kabine befindet, bietet es den Vorteil, dass man größere Vorrichtungen unterbringen kann, um eine hohe Antriebskraft zu erzeugen.
Für die Steuerung des Stellglieds wird bei diesem System eine Skyhook-Dämpfungsregelung und eine Skyhook-Federsteuerung eingesetzt. Ist die äußere Störkraft oder die mechanische Dämpfung des Systems sehr groß, ist es manchmal schwierig, die Schwingungen mit nur einer Skyhook-Dämpfungsregelung ausreichend zu dämpfen. Bei einem derartigen System kann man die Schwingungen wirksam mit der Skyhook-Federsteuerung dämpfen, weil diese Steuerung wegen der Rückkopplung des Verstellweges eine hohe Steifigkeit bietet.
Abbildung 6 zeigt ein Blockschaltbild des Reglers. Da das Stellglied dieses Systems die elektromagnetische Anziehungskraft nutzt, gestaltet sich die Regelung auf Grund der Nichtlinearität der elektromagnetischen Anziehungskraft, die vom Abstand zwischen der Spule und dem Joch abhängt, schwierig. Für dieses System haben wir den Linearisierungsfilter entwickelt, indem wir den elektrischen Strom durch Messung des Abstands zwischen Spule und Joch mit Hilfe eines Wirbelstrom-Spaltsensors kompensieren.
Vergleich der Regeleigenschaften
Um die Eigenschaften der beiden aktiven Dämpfer vergleichen zu können, haben wir ein einfaches Modell mit zwei Freiheitsgraden verwendet, um die horizontale Schwingung der Aufzugskabine und des Tragrahmens zu demonstrieren (Abbildung 7). In diesem Modell stehen m1, m2, k1, k2, c1, c2, x0, x1, x2 für die Masse des Tragrahmens, die Masse der Kabine, die Federsteifigkeit der Führungsrolle, die Federsteifigkeit des Kabinenboden-Gummipuffers, den Dämpfungsbeiwert der Führungsrolle, den Dämpfungsbeiwert des Kabinenboden-Gummipuffers, den Versatz der Führungsschiene, des Tragrahmens bzw. der Kabine.
Die Abbildungen 8 und 9 zeigen die Kennlinien der Schwingungsdämpfung der aktiven Führungsrolle und des aktiven Dämpfers unterhalb der Kabine beim o.g. Modell. In diesen Abbildungen zeigt die gestrichelte Linie den ungeregelten und die durchgehende Linie den geregelten Fall. Bei dieser Bewertung kommt nur die Skyhook-Dämpfungsregelung für den Vergleich der Leistung beider Systeme zum Einsatz.
Abbildung 8 zeigt die Kennlinien der Schwingungsdämpfung im Falle eines Versatzes der Führungsschienen, d.h. die Regelkreiskennlinie Führungsschienenversatz zur Kabinenbeschleunigung. In dieser Abbildung zeigt die aktive Führungsrolle eine verhältnismäßig gute Dämpfungsleistung beim ersten Schwingungstyp (Phasengleichheit), wogegen der aktive Dämpfer unterhalb der Kabine eine gute Leistung beim zweiten Schwingungstyp (Phasenungleichheit) verzeichnet. Das hat folgenden Grund: da die Beschleunigung der aktiven Führungsrolle am Tragrahmen erfasst wird und die geregelte Kraft auf den Tragrahmen wirkt, kann der phasengleiche Schwingungstyp leichter gedämpft werden. Andererseits lässt sich der phasenungleiche Schwingungstyp wegen der nur auf dem Tragrahmen wirkenden Antriebskraft nicht so leicht dämpfen. Weil die Beschleunigung der Kabine auf der Kabine erfasst wird und die Antriebskraft zwischen Kabine und Tragrahmen wirkt, lässt sich beim aktiven Dämpfer unterhalb der Kabine der phasenungleiche Schwingungstyp leichter dämpfen.
Anschließend haben wir die Leistung für den Betriebsfall bewertet, wo die durch den Luftdruck um die Kabine herum erzeugte Störkraft direkt auf die Kabine wirkt. Abbildung 9 zeigt die Kennlinien der Schwingungsdämpfung, wenn die äußere Kraft auf die Kabine einwirkt, d.h. die Regelkreiskennlinie Kabinenstörkraft zu Kabinenbeschleunigung.
Abbildung 9 zeigt, dass die aktive Führungsrolle den zweiten Schwingungstyp nicht ausreichend dämpft, während der aktive Dämpfer unterhalb der Kabine die beiden Schwingungstypen gleich gut dämpft.
Der Unterschied in den Kennlinien ergibt sich aus den unterschiedlichen Positionen der Stellglieder und Beschleunigungssensoren.
Experimentell ermittelte Ergebnisse
Um die Leistung der beiden aktiven Dämpfer zu bewerten, haben wir praktische Versuche mit echten Aufzügen in unserem Versuchsturm durchgeführt.
Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse für die aktive Führungsrolle und Abbildung 11 die Ergebnisse für den aktiven Dämpfer unterhalb der Kabine. Die Geschwindigkeit der Aufzüge betrug 5 m/s bei der aktiven Führungsrolle und 3 m/s beim aktiven Dämpfer unterhalb der Kabine. Bei beiden Versuchen wurde das Schwingungsniveau durch eine absichtliche Verstärkung der Verformung am Stoß der Führungsschiene übertrieben erhöht, um die Auswirkungen der Regelung zu verdeutlichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass beide aktive Dämpfer bei der durch die Verformung der Führungsschiene hervorgerufenen Störkraft die von uns erwartete Dämpfungsleistung erbringen. Beide Vorrichtungen verfügen über eine ausreichende Dämpfungsleistung, weil die dominierende Frequenz der Führungsschienenverformung geringer ist als 1 Hz und die Regler hierfür über eine ausreichende Dämpfungsleistung verfügen (siehe Abb. 8).
Die Frequenz der Führungsschienenverformung ist abhängig von der Führungsschienenlänge und der Geschwindigkeit der Aufzugskabine (Utsunomiya et al. 2002).
Aerodynamische Simulation
Bei Hochgeschwindigkeitsaufzügen darf man die durch den Luftdruck um die Kabine herum erzeugten Störungen hervorgerufen durch eine andere Kabine, die nebenan im gleichen Schacht betrieben wird, nicht ignorieren. Wir haben also die Leistung der Schwingungsdämpfung bei aerodynamischen Störungen quantitativ bewertet. Zuerst führten wir eine aerodynamische Simulation durch, um einschätzen zu können, wie sich die Luftdruckverteilung um die Kabine herum während der Fahrt darstellt.
Simulationsmodell
Wir erstellten ein zweidimensionales aerodynamisches Analysemodell der Hochgeschwindigkeitsaufzüge. Mit Hilfe des Modells bewerteten wir die Luftdruckverteilung, wenn zwei Kabinen in einem Schacht nebeneinander her und aneinander vorbei fahren. Abbildung 12 zeigt ein in der Simulation verwendetes Kabinenmodell. Eine sehr lange und spitz zulaufende stromlinienförmige Verkleidung wird oben und unten an der Kabine befestigt. Da die Verkleidung am Tragrahmen befestigt ist, wirkt der Luftdruck getrennt auf die Verkleidung und auf die Kabine. Die Kabinengeschwindigkeit für die Simulation beträgt 18 m/s.
Ergebnisse der Analyse
Abbildung 13 zeigt zwei Ergebnisse der mit Hilfe der Simulation errechneten Luftdruckverteilung. Die Abbildung zeigt für beide Fälle, wie das Schwingungsphänomen der Luftdruckverteilung um die Kabine herum durch eine andere Kabine beeinflusst wird.
Abbildung 14 zeigt die auf Grund der Störung des Luftstroms erzeugten und auf die Kabine einwirkenden Kraftschwankungen. Sie werden im nächsten Kapitel als auf die Kabine wirkende externe Störkräfte bei Schwingungssimulationen verwendet. Die in der Abbildung aufgeführten Frequenzen sind die dominierenden Schwingungsfrequenzen des Luftdrucks. Die Frequenz wird durch die Geschwindigkeit und den Querschnittsbereich des Luftstroms beeinflusst.
Abbildung 14(a) zeigt die Luftdruckschwankung bei nebeneinander herlaufenden Kabinen. Am Beginn der Berechnung gibt es einen schnellen stufenartigen Kraftwechsel. Für die Schwingungsanalyse im nächsten Abschnitt haben wir einen stabilen Teil (2–4 Sekunden) gewählt, da der Anfangsteil lediglich ein Einschwingvorgang ist, der nur in der Simulation auftritt.
Abbildung 14(b) zeigt die Luftdruckschwankung bei aneinander vorbeilaufenden Kabinen. Sobald sich die Kabinen nähern, wirkt eine Abstoßkraft auf sie ein. Nachdem die Kabinen aneinander vorbeigelaufen sind, werden instabile Wirbelströmungen hinter den Kabinen erzeugt. Danach wird eine große Anziehungskraft erzeugt.
Da es sich um ein zweidimensionales Simulationsmodell handelt, sollte berücksichtigt werden, dass die Amplitude und die Frequenz der Schwingung der echten Aufzüge nur halb so groß sind wie bei den Simulationsergebnissen.
Schwingungssimulation
Zur Feststellung der Leistungsfähigkeit im Zusammenhang mit der Schwingungsdämpfung durch die beiden aktiven Dämpfer bei Störkräften, die durch Luftdruck hervorgerufen werden, haben wir mit Hilfe der Ergebnisse aus der Luftdrucksimulation das Zeitverhalten berechnet. Abbildung 15 zeigt ein Simulationsmodell der Aufzugskabine bei Seitenschwingungen. Das Modell ist dreidimensional mit 24 Freiheitsgraden. Abbildung 16 zeigt die Simulationsergebnisse für Kabinenschwingungen, wenn die beiden Kabinen nebeneinander herlaufen und aneinander vorbeilaufen. In der Simulation haben wir die gleiche Regelverstärkung für beide aktive Regelsysteme verwendet. Die Störkraft wird nur durch die Störung der Luftströmung erzeugt (keine Störkraft durch die Führungsschiene).
In Abbildung 16(a) mit nebeneinander herlaufenden Kabinen konnte die aktive Führungsrolle die Schwingung nicht dämpfen und hat sogar die Amplitude im Vergleich zum ungeregelten Fall noch erhöht. Dieses Phänomen trat auf, weil die dominierende Frequenz der Luftdruckschwingung (3,7 Hz) genau die Frequenz ist, bei der die Verstärkung der Schwingungsdämpfung größer ist als beim ungeregelten Fall aus Abbildung 9. Der aktive Dämpfer unterhalb der Kabine dämpft die Schwingungen erwartungsgemäß auf fast unter 10 cm/s2.
In Abbildung 16(b) mit aneinander vorbeilaufenden Kabinen verfügt der aktive Dämpfer unterhalb der Kabine (bodenaktiver Dämpfer) über eine ausreichende Leistung zur Dämpfung der durch die schnellen Luftdruckwechsel hervorgerufenen Schwingungen. Andererseits ist die Leistung der aktiven Führungsrolle geringer als die des aktiven Dämpfers unterhalb der Kabine. Das liegt darin begründet, dass die dominierende Frequenz die 2,2 Hz Frequenz ist, deren Schwingungsform dem phasenungleichen Schwingungstyp der Kabine und des Tragrahmens sehr nahe kommt. Die Dämpfungsleistung beim phasenungleichen Schwingungstyp der aktiven Führungsrolle reicht nicht aus (siehe Abbildung 9).
Es ergaben sich also folgende Ergebnisse:
• In den beiden Fällen, in denen die Kabinen nebeneinander herlaufen und aneinander vorbeilaufen, ist der aktive Dämpfer unterhalb der Kabine in der Lage, die Seitenschwingungen der Kabine im erwarteten Umfang zu dämpfen.
• Die aktive Führungsrolle bringt im Vergleich zum aktiven Dämpfer unterhalb der Kabine eine geringere Dämpfungsleistung, weil die Frequenz der Luftdruckstörung höher ist als die durch den Versatz in den Führungsschienen hervorgerufene Störfrequenz. Und weil die geregelte Kraft der aktiven Führungsrolle nicht unmittelbar auf die Kabine, sondern auf den Tragrahmen wirkt, reicht die Leistung verglichen mit dem aktiven Dämpfer unterhalb der Kabine, dessen Kraft direkt auf die Kabine wirkt, nicht aus.
Schlussfolgerung
Die von beiden aktiven Schwingungsdämpfern erbrachte Leistung wird bei einem Versatz der Führungsschiene und bei Luftdruckstörungen bewertet. Die Bewertung ergab folgende Ergebnisse:
• Beide aktiven Dämpfer bieten bei einer Verformung oder fehlerhaften Ausrichtung der Führungsschiene eine gute Dämpfung gegen Schwingungen.
• Bei den durch Luftdruck hervorgerufenen Störungen bietet der aktive Dämpfer unter der Kabine im Vergleich zur aktiven Führungsrolle eine hervorragende Dämpfungsleistung, weil die dominierende Frequenz der Luftstromstörungen vergleichbar höher ist und nahe an den phasenungleichen Schwingungstyp der Kabinen- und Tragrahmenschwingung herankommt.
Aus diesen Ergebnissen haben wir die Schlussfolgerung gezogen, dass die aktive Führungsrolle sich für Aufzüge mit mittleren und hohen Geschwindigkeiten eignet, bei denen sich die Verformung der Führungsschiene stärker auswirkt als die Luftdruckstörungen. Andererseits eignet sich der aktive Dämpfer unterhalb der Kabine für die superschnellen Aufzüge, die sehr stark von Luftdruckstörungen betroffen sind.
Zu den Autoren:
Kiyoshi Funai stieß 1979 zu Mitsubishi Electric Corporation. Er leitet derzeit die Entwicklungsabteilung für Aufzugsantriebe im Werk Inazawa, Japan.
Hiroko Katayama kam 2002 zu Mitsubishi Electric Corporation. Sie ist derzeit als Maschinenbauingenieur in der Entwicklungsabteilung für Aufzugsantriebe im Werk Inazawa, Japan, tätig.
Jun-Ichi Higaki ist seit 1990 für Mitsubishi Electric Corporation tätig. Er arbeitet derzeit als Maschinenbauingenieur in der Abteilung Mechanical Dynamics im Forschungs- und Entwicklungszentrum für fortschrittliche Technologien in Japan.
Kenji Utsunomiya nahm 1997 seine Tätigkeit bei Mitsubishi Electric Corporation auf. Er ist derzeit als Maschinenbauingenieur in der Abteilung Mechatronik im Forschungs- und Entwicklungszentrum für fortschrittliche Technologien in Japan tätig.
Shinji Nakashima arbeitet seit 1988 für Mitsubishi Electric Corporation. Er leitet derzeit die Compound Structure Technology Group im Zentrum für Fertigungstechnik in Japan.
Nachdruck von IAEE – The International Association of Elevator Engineers in Elevator Technology 14, Tagungsband der Elevcon 2004 beim 14. internationalen Kongress der Aufzugstechnologien, vom 27.–29. April 2004 in Istanbul, Türkei.
*) Mitsubishi Electric Corporation, Japan
5/2004
