摘要：超高速电梯的运行中，因电梯运行速度很快，导致井道内部气流的相对速度最大可以达到30m/s以上(以10m/s的高速电梯为例)，相当于电梯以108Km/h的速度在狭窄的井道内运行，而且在运行过程中，轿厢会在井道中间位置与相对行驶的对重交汇。在如此的高速运行状态下，电梯运行产生的气动阻力、脉动侧向压力、气动噪声等问题都不容忽视，这些因素会对电梯运行的安全性、可靠性、舒适性产生巨大影响，因此高速电梯研发过程中的一个重要环节就是对高速电梯气动特性进行分析研究。本文结合前人的研究成果就高速电梯气动特性优化与乘运性能评价方法进行了简要的研究。
关键词：高速电梯；气动特性；优化；乘运性能；评价方法
1高速电梯桥厢外缘流线气动特性研究现状
1.1高速电梯气动力学性能研究现状
高速电梯在井道内运动时，由于井道结构狭窄、电梯轿厢外部结构和对重结构复杂、轿厢与对重相对运动剧烈等一系列原因，导致高速电梯井道内部的气流运动极为复杂。电梯运行过程中产生的气动阻力、轿厢与对重交汇时的气流冲击、轿厢运动尾部的较大的空气负压等等问题，都对高速电梯的安全、平稳、舒适的运行产生较大影响闭，并且有较多学者对此进行相关研究。
1.2高速电梯气动声学性能研究现状
高速电梯在运行过程中由于井道的封闭性，会使轿厢周围产生较大速度的气流，而且此时气流的流速变化非常剧烈，尤其当轿厢与对重交汇时气流流速变化尤为剧烈，此时也会产生相应的气动噪声问题。计算气动声学问题时常采用的方法为有限差分法、有限体积法、有限元法和谱元法等。目前在工程领域应用最为广泛的计算声学方法为有限差分法。当前对高速电梯气动特性的研究主要集中于气动力学方面，很少有人涉及高速电梯气动声学问题的研究，当前学者的气动声学研究主要集中于汽车、高铁、飞机等领域。
2高速电梯乘运性能评价方法研究现状
随着电梯速度的提高，电梯的乘运舒适性会越来越差，而当今社会人们对电梯的要求越来越高，不舒适的电梯在市场上将不具有竞争力。舒适性是一种综合的感觉、思维和行为状态，包括人们对外界或自我刺激的心理反应，以及伴随这种心理反应而产生的生理反应。在产品开发过程中，如果能够测量用户使用产品过程中的舒适度，了解用户体验，就可以改善产品功能并提高产品质量，更好的满足用户的需求。然而具有好的舒适性评价方法则是进行高速电梯舒适设计的前提，然而目前的电梯舒适性评价方法并不能满足设计者的要求。例如，目前对于噪声的评价方法主要分为主观评价、客观评价两种。近年来，神经科学、脑科学、心理学和认知科学的研究表明，许多人的心理活动与认知行为和神经激励密切相关，通过脑电波频域谱的变动可以推测脑部情绪感受、认知改变等活动。脑电信号(EEG)由于它具有非伪装和实时差异性的优点，逐渐被引入感性工程领域，并在设计领域得到了广泛的关注和应用。脑电技术通过波幅、频率、潜伏期和电位或电流的空间分布等指标来提供大脑工作过程的信息。
3基于自由变形技术的高速电梯轿厢外缘流线减阻降噪优化
影响高速电梯气动性能的因素是多方面的，包括对重一轿厢横向间距，电梯运行速度，电梯导流罩外形等因素。因在高速电梯设计制造过程中，电梯的速度、井道大小、载重量都是基本确定的，因此在高速电梯设计过程中能够给予设计者较大设计自由度的只有高速电梯本身的外缘流线优化设计。高速电梯轿厢外缘流线将直接决定高速电梯气动性能，好的高速电梯轿厢外缘流线应该能够做到低的气动阻力、低的气动噪声、较优的空气流场分布；因为轿厢能量损耗值，是气动阻力、气动噪声的唯一能量来源，且成正相关关系，因此较优的导流罩外形，其能量损耗一定较低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆之前有众多学者对高速电梯轿厢外缘流线及相关部件进行设计，但是其设计结果并不能满足最优的气动阻力和气动噪声要求。例如有研究对四分之一圆柱形和半椭球形的导流罩气动力学进行了分析，其得出的结论为三面导流的半椭球形导流罩气动特性更好。但是并没有对半椭球形进行优化设计，无法确定什么参数条件下的半椭球形会获得最优的导流性能，并且由于半椭球形导流罩下方的接口为半圆，而目前大多数高速电梯外形为方形，因此椭球形的导流罩并不适用于目前的大多数高速电梯导流方案。还有研究用不同的方法对椭圆形导流罩进行了参数优化，其优化方法为对椭圆形导流罩进行参数化，通过使用优化软件和CFD软件进行优化分析，得出在给定条件下的最优的导流罩外形尺寸。作者所做的工作只是在导流外形为椭球面、两面导流的情况下的最优的导流罩外形。而作者并没有考虑当导流罩导流方向为左、右、后三个面时，是不是仍然是当前的导流方向最优。而从其他相关分析可以看出，受到井道内部尺寸的限制，两面导流的导流罩会使井道内部轿厢周边的气压极不稳定(左右气压大于前后气压)，由于压差的作用在轿厢行驶过后，井道内部气流会产生较大的内部压力扰动，因此两面导流罩并不是最优的导流罩设计方案，最优的导流罩是属于三面导流的，但是导流罩向轿厢后侧的分流量应该控制达到最优，以至于在和对重相遇前后轿厢受到的侧向力不会产生较大差距，进而造成轿厢的不稳定。从上文分析可以看出，满足要求的导流罩外形并不是一个曲面函数可以表达的，可能是由众多曲面拼接在一起的，之前学者通过先构造相关曲面函数，然后再跟据曲面函数对导流罩进行优化的方法将不再适用，因此作者提出利用自由变形曲面技术对高速电梯的外缘流线进行气动特性优化设计。
4基于感性意象的高速电梯轿厢乘运性能神经认知评价
定制产品的性能表现作为外部刺激引发用户基于记忆、联想和感受的人脑反应形成良好的感性意象，进而产生的各种情感，决定了产品是否能够满足用户的高层次情感需求。因此，感性意象，作为一种面向情感感受、深层次影响定制产品性能设计的因素，在设计过程中体现出前所未有的重要性。国内外学者对产品性能的评价方法开展了相关研究，分为主观评价法和客观评价法。客观评价法是目前使用最广泛的评价方法，主要表现为各种性能指标和标准，例如用于评价产品噪声等级的A计权声压级和评价振动性能的频率加权加速度振动评价法等。主观评价方法，可以将人的情感不同程度的融入产品评价过程中，目前使用较为广泛的评价法为：等级评分法、排序法、语义细分法等。近年来，神经科学、脑科学、心理学和认知科学研究表明，人的很多心理活动和认知行为与神经激活紧密关联，通过脑电波频域谱的变动可以推测脑部情绪感受、认知改变等活动。脑电信号(EEG)由于其不可伪装性和实时差异性的优点，逐渐被引入感性工学领域，并且在设计领域得到了广泛的关注与应用。脑电技术通过波幅、频率、潜伏期和电位或电流的空间分布等指标来提供大脑工作过程的信号。针对现有产品性能评价方法不能充分乘客感性意象认知状态的不足，结合EEG信号的优势，进行了面向性能的定制产品感性意象评价方法的研究。以用户自身的EEG信号为依据，结合主、客观评价方法，更加精确、全面的反应用户对产品性能的感性意象评价结果；探究传统评价方法的神经认知过程，通过神经科学的方法打开了用户大脑认知的“黑箱”，为探究用户使用产品时的认知状态和产品的设计、验证与优化提供了一个全新的视角。
参考文献
[1]曾俊峰.超高速电梯关键部件气动特性分析与优化设计[D].浙江大学,2014.
[2]郑有木.高速电梯轿厢动力学参数对平稳性的影响分析及设计优化[D].浙江大学,2015.
[3]曾天.通井道高速电梯多运行工况气动特性优化设计及其应用研究[D].浙江大学,2018.
论文作者:刘勇 张冠
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/16
标签：电梯论文; 评价论文; 方法论文; 椭球论文; 性能论文; 外缘论文; 认知论文; 《中国电业》2019年第12期论文;