（机械电子工程专业论文）新型电梯主控阀与单出杆对称液压缸的设计.pdf

摘要 摘要 节能和优良的控制性能是当前液压电梯的发展方向。变频调速式液压电梯的主控阀主要 实现液压电梯的流向和安全控制，其性能直接影响到电梯的舒适性和速度控制的实现；液压 缸是液压电梯系统中的重要动力执行单元，设计新型结构的液压缸使采用新型电梯控制系统 以提高液压电梯性能、降低系统能耗成为了可能。本课题设计的一种基于闭式变频调速的液 压电梯的主控阀和单出杆对称液压缸是液压电梯系统中的n 4 关键部件，其中，主控阀从结 构上保证了电梯的可靠启闭和液压系统的少泄漏，提高了电梯的工程实用价值；单出杆对称 液压缸的结构特点更加方便液压电梯实现高精度控制，可以实现一种新型的电梯液压配重， 对降低电梯的装机功率提供了一种实用方法，因此，具有重要的工程实践意义。 论文主要结构如下： 第l 章主要介绍液压电梯技术和液压缸的发展概况和现状。分别介绍了液压电梯的速度 控制方式的实现方案和几种典型的液压缸，对主控阀在液压电梯中的作用和单出杆对称液压 缸的应用作了详细介绍，在此基础上确定了本课题的研究方向和目标。 第2 章主要进行了新型主控阀的结构设计和静态性能计算。设计了种二级阀芯结构具 有释压作用的主控制阀，采用锥阀结构和相关密封措施基本实现了主控阀的零泄漏，采用液 压平衡结构，降低了最低控制压力要求，实现了较小的阀口压差损失，从而提高了液压电梯 的安全和控制性能。 第3 章主要建立了新型结构的主控阀的数学模型和仿真模型，并对主控阀进行了详细的 仿真分析。根据正反向不同液流流动方向就主阀芯开启前后时刻对新型结构的主控阀建立了 数学模型，分析了主阀芯的开启条件和影响启闭特性的主要参数，并用a m e s i m 软件建立了 主控阀的仿真模型，对仿真模型中的参数进行了选择和确定，就动态阻尼、弹簧刚度和控制 活塞直径的变化对主控阀启闭特性的影响和主控阀的正反向流动特性进行了仿真分析。 第4 章主要进行单出杆对称液压缸的设计、校核和缸简变形的仿真。对单出杆对称液压 缸的结构原理、设计和校核过程进行了详细论述，使用有限元分析软件a n s y s 研究了具有 密封结构的主要缸筒的变形对液压缸中使用的密封件的安装结构的影响。 第5 章对全文进行了总结和今后工作的展望。 关键词：液压电梯，主控阀，液压缸，对称，仿真，有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t h y d r a u l i ce l e v a t o ri so n eo fe l e v a t o r s , t h ek e yi n t e r e s to fw h i c hi sa i m e da tt h er e d u c t i o no f e n e - y l , g yc o n s u m p t i o na n de n h a n c i n gs p e e dc o n t r o lp e r f o m l a n e e t h em a i nc o n t r o lv a l v eo ft h e h y d r a u l i ce l e v a t o rh a st h ea b i l i t yt oe o n l x o lt h ed i r e c t i o no ff l o w 锄d t h es a f e t y , w h i c hh a sag r e a t e f f e c to nt h ec o n v e n i e n c ea r i dt h er e a l i z a t i o no fs p e e dc o n t r o lo ft h ee l e v a t o r , a l s ot h ec y l i n d e ri s a n o t h e ri m p o r t a n te l e m e n to ft h eh y d r a u l i ce l e v a t o r , w h i c hd r i v e st h el o a dd i r e c t l y t h ep a p e r c o n t e n t si n c l u d et h ed e s i g no ft h em a i nc o n t r o lv a l v ea n dt h es i n g l er o ds y m m e l r i e a lc y l i n d e r f u r t h e r m o r et h ea r t i c l ei so f g r e a tv a l u ea c a d e m i c a l l ya n d p r a c t i a l l y i nc h a p t e r1 ，t h eh i s t o r ya n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f t h eh y d r a u l i ce l e v a t o ra n dc y l i n d e ra r e i n t r o d u c e db a s e do nal o to f t h ep u b l i c a t i o n sa n dc o n f e r e n c , ep a p e r s t h ev e l o c i t yc o n t r o lt e c h n o l o g y o ft l i eh y d r a u l i ce l e v a t o ra n ds o m ek i n d so fc y l i n d e r s 黜m e n t i o n e d , a n dt h ef u n c t i o no ft h em a i n c o n t r o lv a l v ea n ds i n g l er o ds y m m e t r i c a lc y l i n d e ri sm a i n l yd e s c r i b e d t h er e s e a r c ha i ma n d s i g n i f i c a n c ea r ed e s c r i b e d i nc h a p t e r2 ，t h es m l e t u r eo f t h em a i nc o n t r o lv a l v ei sd e s i g n e d , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f s t a t i c p r o p e r t yi se a l e u l a t e a t h em a i nc o n t r o lv a l v ei sd e s i g n e d ，w h i c ha i m e d 缸l o w e r i n gt h ei n e s s u r e r i p p l eo f t h ee l e v a l d rh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ev a l v ep l e s s u r el o s e , t h e r e f o r er a i s i n gt h er e l i a b i l i t y a n dc o n t r o lp r o p e r t yo f t h eh y d r a u l i ce l e v a t o r i nc h a p t e r3 t h ed y n a m i ce q u a t i o no f t h em a i nc o n t r o lv a l v ea n ds i m u l a t i o nm o d e l 黜s e tu p t h ee f f e c t so fc l y n a m i eh y d r a u l i cl 鹳- i s t a n c e , s p r i n gr a t e ，c o n t r o lp i s t o nd i a m e t e ro nt h es t a r t - s h u t c h a r a c t e r i s t i co ft h em a i nc o n l r o lv a l v ea n db o t ht h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ef l o wc h a r a c t e r i s t i ca r e a n a l y z e du s i n gt h es o f t w a r eo f a m e s i m i nc h a p t e r4 ，t h es i n g l er o ds y m m e t r i c a lc y l i n d e ri sd e s i g n e db a s e do ns t a b i l i t ya n ds u a i n a n a l y s i so f t h ec y l i n d e rt u b e t h es t n l e t u r ep r i n c i p l eo f t h en e wt y p ec y l i n d e ri sa n a l y z e d , t h ec o u i s e o ft h ec y l i n d e rd e s i g ni sm a i n l yd e s c r i b e d , a n dt h es t r a i no f t h ec y l i n d e rt u b ei sa n a l y z e du s i n gt h e t m i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fa n s y s ，c o n f i r m i n gt h et u b es t r a i nw i t h i nt h ei n s t a l l a t i o nd i m e n s i o n s p e r m i s s i o no f s e a l i n ge l e m e n t i nc h a p t e r5 s o m ec o n c l u s i o n s 勰g i v e na n ds o m en e wv i e w s 雠p u tf o r w a r di nt h ef u t u r e k e y w o r c l s ：h y d r a u l i ce l e v a t o r , m a i nc o n t r o lv a l v e , , c y l i n d e r , s y m m e t r i e a ks i m u l a t i o n , t h ef i n i t e e l e m e n t l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：翁屯z 簪 签字日期：易叻6 年月，p 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：翁j ；荡 签字同期：、彬 月f o 日 导师签名： 签字f 1 期：2 彳年 第l 章绪论 第1 章绪论 【摘要】本章概要介绍了液压电梯的发展状况，速度控制实现方案及相关集成阀的设计原则以及单出杆对 称液压缸介绍，最后介绍了本课题的研究背景和研究内容。 1 1 液压电梯简述 目前应用最为广泛的电梯根据传动结构形式的不同，可分为两大类：一种是曳引电动机 直接驱动的曳引电梯，电梯轿厢的升降靠钢丝绳与曳引轮之间产生的摩擦力驱动；另一种是 液压传动的液压电梯，利用油缸直顶支撑轿厢，或者侧置支撑轿厢( 需要借助钢丝绳通过滑 轮组与轿厢连接) ，通过油缸柱塞( 活塞) 杆的伸缩来驱动轿厢的升降。 1 1 1 国内外发展状况 1 8 6 7 年在巴黎的万国博览会上，首次展出手动钢丝绳操纵的水压间接式的液压电梯。不 久，油压直接式的液压电梯也问世了，并且从1 8 7 0 年始，到1 9 世纪末逐步得到发展。在2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代，欧美一些发达国家涌现了很多专门致力于电梯液压控制系统生产制 造的电梯公司，例如意大利的g m v 和m o r i s 公司，德国的a l g i 和b l a i n 公司，美国的 m a x t o n 和e s c o 公司，瑞士的b e r i n g e r 公司等等。这些公司经过数十年的发展，目前 已经世界闻名。在这些液压电梯公司及其工程师的努力下，液压电梯实现了大规模的工业化 生产，同时液压电梯的结构和种类也有了很大发展。如直顶式，侧顶式，单节缸、多级缸， 侧置绕绳式，拉缸式，带配重式等，这些不同形式的液压电梯可以适用于各种不同的井道结 构，满足不同的建筑需要。各类液压元件的不断成熟和完善，一些新型液压元件很快被应用 到液压电梯速度控制系统中，提高了液压电梯的控制性能。液压电梯的机械开关阀调速范围 变宽，精度提高。诞生于2 0 世纪6 0 年代末的电液比例技术，在7 0 年代初就被应用到液压电 梯上，使电梯的动态响应、稳定性和控制精度都有了进一步提高，应用于乘客电梯，乘坐舒 适感良好。近些年来，液压电梯变转速容积调速技术日渐成熟，并获得实际应用，不仅提高 了液压电梯的性能，而且降低了能耗。液压电梯的这些技术发展进步使得它能够与曳引电梯 在低层建筑应用领域保持竞争力，并得到大规模的推广使用。自第二次世界大战结束，液压 电梯重新崛起后，其在欧美发达地区就一直占据着较高的市场份额，在某些地区，液压电梯 每年的市场需求量一度达到8 0 以上。到了8 0 年代液压电梯发展势头依然迅猛，并逐渐完 成了系列化，到了9 0 年代，液压电梯市场需求的增长幅度虽然放缓，但装机总量仍逐年递增。 应该说不断的技术进步加上其固有的一些优势使液压电梯在电梯工业中占据了重要位置和份 第l 章绪论 裂1 羽。 我国的电梯行业起步偏晚，发展较为缓慢。从1 9 4 9 年建国之初到1 9 7 9 年也才累计生 产电梯一万余台。进入2 0 世纪8 0 年代后，电梯行业取得了突飞猛进的发展，到如今几乎每 个省、市都有电梯整机厂、配件厂，乡镇企业也很活跃，出现了一批质量过硬、经济效益突 出的厂家。目前中国已经成为全球最大的电梯销售市场，同时也是第三大电梯生产国。然而 中国液压梯市场还远未得到充分开发。人民生活水平、发展晚以及国产化等问题使得液压电 梯的市场份额低于3 ，远远低于欧洲( 3 0 ) 。目前中国的液压电梯总装机量也不过几千台， 与美国5 0 万台的数目相比较，我国潜在的液压电梯市场十分庞大盼埘。 1 1 2 液压电梯的基本原理 液压电梯作为除电动电梯之外的一个电梯种类，其工作原理和电动电梯有很大的不同。 液压电梯是通过电力驱动的液压泵传递液压油到液压缸，柱塞( 或者活塞) 通过直接或间接 的方式作用于轿厢，实现轿厢上行；通过载荷和轿厢重力的作用使液压缸中的液压油流回到 油箱或同样通过电力驱动的液压泵从油缸传递液压油到油箱( 闭式回路) ，实现轿厢下行杜悯。 液压电梯的液压传动系统包括以下几个主要部件： 1 ) 液压泵站即电机、油泵、油箱。油泵是将电动机输入的机械能转化为流动油液的压力能。 油箱包括控温元件、滤油器、消音器及油管等辅件以保证液压系统可靠、稳定、持久的工作； 2 ) 控制阀它是由多种阀组合而成的控制阀块，控制液压油的流向、速度及加减速度，从而 使轿厢达到良好的运行性能( 节流调速电梯) ；或仅对液压油的流向、启闭特性进行控制( 容 积调速电梯) ； 3 ) 液压缸动力执行元件，将油液的压力能转换为与其直接联接的轿厢运动机械能早期液 压电梯使用的液压缸主要是柱塞缸和多级同步伸缩缸，随着电梯技术的发展，近年来活塞缸 也在液压电梯中得到了应用。 1 1 3 液压电梯的性能要求 电梯工业经过多年的发展，在电梯制造与安装安全规范、电梯技术条件、电梯试验方法、 电梯钢丝绳、电梯轿厢、井道、轿厢等各方面都已形成各种严格的技术要求和安装规范，已 形成统一的国家标准。液压电梯除了要满足这些要求外，在电梯性能方面，追求以下几项指 标： 1 ) 安全可靠性、稳定性 液压电梯作为一种载人的交通工具，安全性要求十分重要，电梯要求故障率小，应急设 施齐全，在任何正常工况( 负载变化、油温变化、电网扰动) 下，均能按要求的运行曲线反 2 第1 章绪论 复保持可靠地运行，不得有漏油现象。 2 ) 经济性 液压电梯结构简单，装拆方便，维护费用低廉，是其保持强有力的市场竞争的基础。 3 ) 舒适性 对于乘客液压电梯，其舒适性的好坏至关重要。人们常常将上浮感、下沉感、不稳定感 等统称为不舒适感，产生这种不舒适感的主要原因是人对垂直运动往往比较敏感，尤其是在 电梯的加速或者减速段。通过分析我们已经知道，上浮感由向下的加速度产生，下沉感则是 由向上的加速度所产生不稳定感是由振动、振荡等引起。为此，电梯标准中规定，电梯起、 制动加、减速度的最大值不得大于1 s m s 2 。为满足良好的舒适感要求，电梯在运行过程中还 应满足换速无冲击，运行波动小，噪声低等项要求，此外，轿厢加加速度也不能大于某一限 度，一般小于1 5 州d 。另外，人们总是希望路面平坦无坎，液压电梯停靠得越准确越好，一 般平层误差要低于l o m m 才不会使人注意。 液压电梯与电动电梯相比，由于技术实现上完全不同，因此具有其本身的一些特点：液 压系统功率重量比大，而且传送距离长，因此机房面积小且设置灵活；一般不带配重，因此 减小了并道尺寸；载重可通过液压缸直接作用在地基上，因此载重量大，而且并道不受力， 降低了建筑费用。上述特点使液压电梯适合于中低层建筑( 高度小于4 0 m ) 、大载重( 载重大 于1 0 0 0 k g ) 、旧屋改造等使用场合，如仓库、停车场、机场等，或在古典建筑、旧房中增设 电梯i l 习。因此，尽管液压电梯存在着提升高度低、速度低、装机功率大、能耗大、效率低等 局限性而受到曳引电梯的巨大挑战，但上述优势使液压电梯依然在电梯市场中占有可观的份 额，而且不断的技术进步使其依然具有很好的发展前景。 1 2 液压电梯集成阀概述 液压电梯的集成阀是液压传动部分的各种控制阀的组合，是液压电梯的液压传动系统的 主要部分之一，其与电梯速度控制系统的实现方案密切相关。一般可做成整体式、分离式两 种，以便于系统集成为原则。对于节流调速液压电梯，集成阀控制液压油的流向、速度及加 减速度，是液压电梯速度控制实现方案的关键部分；对于容积调速液压电梯，集成阀不起速 度调节作用，主要控制液压油的流向，是电梯液压控制部分的关键，承担着控制上行与下行 转换；截断油路以保证电梯可靠停层；设定系统安全压力；在出现紧急情况时能使电梯安全、 平稳停靠底层等功能；同时还有为满足下行运行的防吸空设计。手动下降阀作为液压电梯标 准配置，是电梯液压系统中的一个必需的安全保护装置，液压电梯在某些情况下需要用人工 的方法将电梯轿厢下放到相应楼层，或者底坑的缓冲器上。例如：供电系统因故障而停止供 电的情况，或者电梯控制系统出现故障的情况，或者液压电梯进行安装调试以及维修保养的 第1 章绪论 情况。 1 2 1 液压电梯速度控制实现方案1 1 1 。1 6 1 液压电梯速度控制系统有两大类控制方案：一是通过改变液压泵的排量或转速进行容积 调速，另一种是通过节流阀实现节流调速。这两种方案又各有多种实现方法，各种方法从舒 适性、经济性、节能性等各方面考察都有各自的优缺点。 泵，马达 图1 1 节流调速的液压电梯系统 图1 2 变转速容积调速的液压电梯系统 图1 3 普通阀控节流调速的液压电梯 上行过程能耗示意图 图i 4 变转速容积调速的液压电梯 上行过程能耗示意图 节流调速的液压电梯( 图1 1 ) 为了保证电梯上行过程中节流调速功能的正常实现，必须 引入一定的能量损失。节流调速的液压电梯采用的是定量泵，为了保证系统能达到的最大速 度，应根据系统最大运行速度时所需的流量，再加上必要的损耗及一定的流量余量，来选择 能达到这个流量的某类型的定量泵。电梯低速运行( 加速、减速及平层过程) 时，只有一部 分流量进入液压缸，大部分通过旁路阀流走，从而造成较大的能量损失，这是定量泵系统不 可避免的。这部分能量损失不仅与加速、减速时间，平层时间长短有关，同时由于损耗的流 量是一定压力下溢流的，因此还与负载大小有关。节流调速的液压电梯是靠自重完成下行过 程，轿厢负载的全部势能最终全部转化为热量而耗散掉，这也是目前节流调速的液压电梯能 量消耗严重的主要原因。 4 孓 第l 章绪论 容积调速的液压电梯( 图1 2 ) 无溢流损失和节流损失，能够实现流量匹配，同时工作压 力随负载变化而变化，由此可见容积调速液压电梯的能量输入是“自适应”的，即负载需要 多少能量，则电机输出多少能量；是一种负载压力和流量敏感系统，实际上也就是“功率敏 感”系统，具有功率损耗小、效率高、系统发热量4 w - 博点。 图1 3 和图1 4 分别是电梯上行工况阀控节流调速液压电梯和容积调速液压电梯的能耗示 意图。图中的空白面积是系统的有效能耗，而深色阴影面积是系统额外的能量损耗。从图中 可以看出，阀控液压电梯在加速段和减速段、平层段的能量损失很大，效率极低，而容积调 速液压电梯克服了这缺陷。所以容积调速液压电梯的能量损失比节流调速液压电梯小得多。 目前，实现容积调速一般有两种方法：变排量容积调速和变转速容积。 1 变排量容积调速是一项比较成熟的液压技术，通过改变回路中变量泵或变量马达的排量来 调节执行元件速度，从机械反馈式到液压反馈式及电气反馈式，性能不断提高。液压电梯早 期曾应用过变排量容积调速，并取得一定的节能效果，但目前变排量容积调速在液压电梯中 应用并不多，这是因为符合液压电梯大流量要求的变量泵只有轴向柱塞式变量泵，其输出流 量脉动大，噪声高，影响电梯运行的平稳性，而且变量机构动态响应慢，难以满足电梯上行 起动时对泵流量变化的要求，同时柱塞泵一般设计在高压下使用，在液压电梯这一类低压系 统中效率偏低。 2 变转速容积调速技术实际就是改变驱动液压泵的电动机的转速来改变泵的输出流量。交流 电动机的调速方法有多种，其中变压变频调速( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i b l ef i e q u e n c y , w v f ) 技 术在2 0 世纪8 0 年代随着电力电子技术、计算机技术的飞速发展而日趋成熟，是目前最为优 异的一种调速技术，在众多工业领域获得应用。 在2 0 世纪8 0 年代初期日本的工程师就开发研制出了、，v 、僵曳引式电梯，并很快投入使 用，迄今为止，w 、，f 电梯正逐步取代其它曳引驱动类型的电梯，成为电梯的主流产品。瑞 士的b e r i n g e r 公司也对、n ，、，f 液压电梯进行了大量研究，最早研制的s a t u r ni f , 系统实际是 一种变频调速技术和阀控节流调速技术相结合的液压电梯控制系统。它以高品质的动态双向 流量传感器作为反馈元器件来实现闭环控制。电梯的上行过程采用变频驱动的控制方式，而 在下降的起始加速段和减速停层段采用比例电磁阀控制，其它阶段仍采用变频驱动的控制方 式。此技术中的电液比例流量阀加工精度要求较高，且对于系统下行回路的最低压力有要求， 限制了降低轿厢重量的技术努力。 国内的变转速容积调速技术的研究也一直与液压电梯密不可分，浙江大学流体传动及控 制国家重点实验室于2 0 世纪9 0 年代初就开展了对w 、，f 液压电梯控制系统的研究。首先研 究了变频一阀控相结合的控制系统。在此基础上，采用轿厢速度直接反馈方案，在上、下行 程都为变频容积调速的全程闭环v 、，、，f 液压电梯控制系统方面取得技术突破，并针对大闭环 变频控制系统存在的惯性大、系统响应慢、死区及非线性问题，对多种智能控制算法在v v 、，f 液压电梯上的应用进行了研究，获得了良好的控制性能，量化分析了v w f 液压电梯节能效 第l 章绪论 果，进行了能耗特性研究。 1 2 2 液压电梯集成阀设计概述 集成阀实际上是一个液压系统或是液压系统的一部分，因此集成阀的设计应该放到液压 系统的设计中进行，和液压系统的每个步骤结合在一起。 集成阀块的各油孔按液压原理图的通路在钻纵、横孔道进行连通，其内部就会形成各种 各样的油孔网络，从而构成所需要的各种油路，使得集成块的内部结构复杂，油孔和安装元 件的孔数目繁多，且交错纷乱，这样对绘制集成阀块生产图纸带来很多的困难和麻烦，故在 设计集成阀是必须有一定的层次有序j 眭。通常根据选定好的标准液压元件或设计好的专用元 件在方块上标出元部件进、出、回油口的大致位置，并根据液压油路的连通关系将这些油口 互相连接，出于对阀块安装和油管连接方便等的考虑，阀块的外接油口可以在各个面上灵活 设置；在阀块和阀块之间或者阀块和其它过渡块、盖板等之间的盖合面上，一般都设有连通 油路，也是设置液阻比较方便的地方；为了方便外接压力表等，阀块侧面上往往要设置一定 数量的压力引出孔或者遥控口等；另外，要考虑一些元部件的特殊安装要求，如竖立、横放 等。然后由阀块的某一边界面开始建立阀块的层次构造，各层之间的距离应根据各层中元部 件的尺寸来确定。在每一层中按照油口的连通关系建立层内流道构造，得到每个层的流道构 造图。 由于实际的阀块设计涉及到比较多的因素，用手工设计更是繁琐，而且容易返工出错， 建议使用三维绘图软件进行立体造型。目前流行的有id e a s 、u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等高 度集成化的c a d c a e c a m 一体化的软件工列”。 1 2 3 本课题主控f 困研究背景 2 0 世纪9 0 年代初，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开始了对变转速容积调速 液压电梯的研究，经过十几年的发展，在液压电梯节能控制技术方面取得了一批重要的科研 成果。其中有代表性的是陈钢博士所作的变转速容积一比例复合控制电梯液压系统研凳“， 冉隆林博士所作的采用蓄能器作为压力油源的比例阀控液压电梯系统研究i ”，张健民博士所 作的变频驱动液压电梯速度控制系统控制策略的研究网，孙威、周晨硕士所作的能量回馈型 全程变频驱动液压电梯控制系统研究【2 l - 2 2 1 ，徐兵博士所作的配置蓄能器的变频驱动液压电梯 节能控制系统研究嘲。林建杰博士对本课题组所掌握的一些液压电梯节能关键技术，其中关 键是电梯的液压配重技术、变频驱动技术、轿厢活塞拉缸提升技术，加以综合运用，提出了 一种闭式回路变频调速节能型液压电梯结构，不仅结构和工作方式发生了变化，更重要的是 系统的性能较以前有了极大提高刚。这种新系统能够最大限度降低装机功率( 达到曳引电梯 6 第1 章绪论 的水平) ，极大降低能量消耗而且用油量少。 闭式回路变频调速节能型液压电梯( 图1 5 ) 工作原理及电梯的运行过程分析如下：微机 控制器根据电梯运行指令信号以及电梯位置信息，一方面控制主控制阀1 和主控制阀2 的通 断状态，另一方面向变频器输出转向和转速指令。变频器则按照此转向和转速指令向主电动 机输出一定相序，经过调频、调压的三相交流电，驱动控制主电动机及液压泵马达的转向和 转速，向活塞缸输入，或使活塞缸输出期望流量的液压油，从而使电梯轿厢按照理想速度运 行。电梯上行时液压油的流通路径为蓄能器一主控制阀1 一液压泵马达一主控制阀2 一活塞 缸；电梯下行时液压油的流通路径与上行相反。在电梯上行和下行过程中，电梯的各部分元 件的工作状态有一定差别，下面分别进行说明。 图1 5 闭式回路结构的节能型液压电梯系统原理图 1 在电梯重载条件下，变频器需要向电动机提供正向驱动转矩( 电动机工作在电磁驱动状 态) ，蓄能器回路以及电动机共同向电动机轴系提供驱动力矩，其中蓄能器通过住控制阀l 供油至泵，主油路烈马达输出的液压油压力逐渐升高顶开主控阀中住控制阀2 进入活塞缸并 推动活塞杆下行( 电梯轿厢上行) 。 2 在电梯轻载条件下，蓄能器回路向电动机轴系提供的附加力矩足够大，此时交频器需要向 电动机提供反向驱动转矩( 电动机工作在电磁制动状态) 。蓄能器回路向电动机轴系提供的 力矩克服电动机制动力矩驱动主油路泵，马达转动，进而推动活塞杆下行。 3 在电梯轻载条件下，蓄能器回路向电动机轴系提供的附加阻力矩过大，电梯仅依靠轿厢及 7 第l 章绪论 其载重自身重量无法实现下行，此时变频器需要向电动机提供反向驱动转矩( 电动机工作在 电磁驱动状态) 。活塞缸压力油通过主控阀后对主油路泵马达上产生的力矩，以及电动机驱 动力矩共同克服蓄能器回路压力油产生的阻力矩，使主油路泵马达反转，输出的压力油回充 到蓄能器中，实现活塞杆的向外拉伸( 电梯下行) 。 4 在电梯重载条件下，活塞缸内液压油压力足够大，此时变频器需要向电动机提供正向驱动 转矩( 电动机工作在电磁制动状态) ，活塞缸压力油对主油路泵马达上产生的力矩，克服蓄 能器回路和电动机在电动机轴系上产生的阻力矩和，使主油路泵冯达反转，实现电梯下行。 为了满足系统控制功能要求文献确定了主控制阀的多种结构方案，本文列出两种主要方 案。如图1 6 所示，图中只给出满足管路流道通断功能的主控制阀的类型以及联接形式。图1 6 ( a ) 中采用螺纹插装式电磁座阀控制主油路的通断。此类型的阀具有良好的双向截止密封功 能，阀工作时不会产生外泄漏，而且采用螺纹插装阀也会使整个阀组的结构非常简单。但是 螺纹插装阀的通径一般只适用于中小流量的液压系统中。目前市场上螺纹插装式电磁换向阀 的通径一般都在1 0 以下。当系统的流量达到1 0 0l m i n 时，电磁换向阀上造成的压力损失很大。 图1 6 ( b ) 所示的结构方案中，选用液控单向阀代替图1 6 ( a ) 中的电磁座阀，液控单向阀主 阀的控制油路用二位三通电磁球阀控制。与电磁座阀相比，液控单向阀通径的选择余地大得 多，根据系统的最大流量，选用2 0 通径的液控单向阀。考虑到方案l 的压力损失过大，难以满 足节能要求，而方案2 比较适合，该闭式回路系统最终选择了图1 6 ( b ) 所示的方案。 至活塞缸 至蓄能器 ( a ) 方案l 达 至蓄能器 ( b ) 方案2 图1 6 主控制阀的结构方案 液控单向阀2 液控单向阀1 尽管文献1 2 4 1 所作的闭式回路变频调速节能型液压电梯控制系统具有了传统液压电梯上 所采用的各种安全装置，但是由于它是一种新型的液压电梯，整个液压回路的结构与现有的 各种液压电梯有很大不同，在对该系统进行安全性分析后发现了此系统安全性的存在一些问 题。此安全冗余度不足主要针对主控制阀为液控单向阀的液压阀组，即图1 6 ( b ) 所示的主 控制阀的结构。 8 第l 章绪论 所谓液压回路的安全性问题，主要是指当两个液控单向阀其中之一发生故障后，系统可 能出现的危险情况。如图1 7 所示，电梯停靠后变频器会停止对电动机供电，电动机转子停 转并失去力矩。如果此时由于某个液控单向阀发生故障而未完全关闭，贝q 轿厢可能产生上冲 或下坠的危险。从故障概率上讲，两个和两个以上的液压阀同时出现故障的可能性极小，因 此本课题仅对单个液压阀出现故障后可能出现的危险情况进行分析。 1 危险情况1 电梯到达层站而停止运行，电梯轿门会自动打开。这时如果液控单向阀1 因故障而未完 全关闭，蓄能器内的高压油，就会通过液控单向阀l 和失去电动机力矩驱动的液压泵作用于 液控单向阀2 的a 油口，如果轿厢内负载较小，或者人或货物进出轿厢造成负载工况由重载 变为轻载，高压油就会项开液控单向阀2 的阀芯进入液压缸，从而使电梯轿厢失去控制地上 冲，这就可能危及正在进出轿厢的乘客的人身安全。 2 危险情况2 电梯到达层站丽停止运行，电梯轿门会自动打开。这肘如果液控单向阀2 因故障而未完 全关闭，活塞缸内的高压油，就会通过液控单向阀2 和失去电动机力矩驱动的液压泵作用于 液控单向阀l 的a 油口，如果轿厢内负载较大，或者人或货物进出轿厢造成负载工况由轻载 变为重载，高压油就会顶开液控单向阀1 的阀芯进入蓄能器，从而使电梯轿厢失去控制地下 坠，这也就可能危及正在进出轿厢的乘客的人身安全。 图1 7 方案2 存在问题 以上两种情况都是液压回路安全性的冗余度不够造成的。受环境以及人为因素等影响， 以上这两种情况确实可能存在。例如液控单向阀主锥阀阀芯被颗粒性污物卡住，或先导控制 阀不能有效复位、先导控制阀被堵塞、换向阀电磁铁线圈烧毁等，这些故障的发生都可能导 致以上两种危险情况的发生。 针对系统的冗余度不足的情况， 林建杰博士提出了一些提高系统安全性的结构设计方 9 第l 章绪论 法，对液压回路提出了在回路中增加冗余的二位四通电磁换向阀，由于该阀结构尺寸很大， 难以与其它液压阀集成，所以方案的工程实用性较差；对此提出了一种新型结构的主控阀， 不仅具有良好的密封性，而且具有很高的安全性，但文中只是指出了一个原理，并为进行深 入的研究，本文在其基础上，对容积调速型液压电梯的主控阀进行了一定的研究。 1 3 液压缸概述 液压缸是液压系统中最重要的执行元件之一，它将液压能转变为机械能，可以实现直线 往复运动。液压缸结构简单，配置灵活，使用维修方便，所以比液压马达、摆动液压马达等 执行元件应用更广泛。液压缸能与各种传动机构相配合，完成复杂的机械运动，从而进一步 扩大了它的应用范围。为了适应主机的需要，液压缸的规格、品种正日趋齐全，结构在不断 改进。作为执行元件，液压缸是液压系统的最后一个环节，液压缸性能的优劣，直接影响整 机的工作性能。在液压传动中，无论其它液压元件设计制造得多么精密，回路系统安排得多 么合理，只要液压缸设计得不好，就将会事倍功半，得不到良好效果。所以说，液压缸设计 在液压传动中占有很重要得地位。从应用角度来看，设计液压缸比设计其它液压元件的机会 多。因为泵、阀之类得液压元件绝大部分是标准元件，由专业厂家生产，而液压缸必须适应 各种不同机械的要求，根据实际情况进行设计，所以，牢固地掌握液压缸设计知识，就显得 更有必要。液压缸的结构形式很多，要做好液压缸设计，必须首先对各种形式液压缸的结构 特点有充分的了解，根据需要做好选型工作，然后再进行具体的设计计算。 1 3 1 液压缸的分类与特点瞄l 1 单作用液压缸 单作用液压缸主要有活塞液压缸、柱塞液压缸、伸缩式套筒液压缸三种型式。这种液压 缸是最简单的一种，它只能向活塞一侧供给压力油，输出单方向的作用力。反方向运动则依 靠负载外力、弹簧力、柱塞杆或活塞杆及负载的自重等作用来完成，即反向没有液压作用力。 它的优点是节省液压动力，简化油路，单其反方向运动速度和力的大小都不能控制。驱动活 塞杆或柱塞杆返回运动的自重力、负载力、弹簧力必须大于背压力和液压缸各部位的摩擦阻 力之和。弹簧复位的液压缸，弹簧有作用空间，其体积变大。单作用液压缸在机床的定位夹 紧、自卸翻斗汽车的举升、船舶起货吊杆等场合应用较多。 大多数单作用液压缸为柱塞液压缸，其结构简单，制造、维修方便，柱塞缸的柱塞粗、 大、重，刚性比活塞杆好，因此在大行程的液压缸中，采用这种液压缸比较好。由于它的刚 体内壁与柱塞不接触，而只靠导向套与柱塞接触导向，缸体内壁可以不加工或者只进行粗加 工，工艺性能好，加工成本低。柱塞缸的体积、重量都比较大，水平安装时柱塞压向一边， 1 0 第1 章绪论 容易造成密封件和导向套的单边磨损，因而，柱塞缸最适宜垂直安装使用。电梯属于垂直升 降机械，在液压电梯中主要使用柱塞缸作为执行部件推动轿厢上行。由于柱塞存在压杆稳定 性问题，限制了系统的工作压力范围，所以采用柱塞缸的液压电梯一般都属于低压大流量系 统。系统最大工作压力很少超过6m p a ，这与液压传动的高压化发展方向不符。 2 双作用液压缸 这种液压缸比单作用液压缸应用广泛的多。压力油可以交替向活塞两侧供给，驱动活塞 往复运动，其推、拉两个方向上的运动速度和供油压力都能控制，但控制系统比单作用液压 缸复杂。双作用液压缸有单活塞杆和双活塞杆之分。单活塞杆双作用液压缸比双活塞杆双作 用液压缸的应用要普遍。机床工作台的往复运动液压缸、工程机械中的各种动作液压缸都采 用单活塞双作用液压缸。 单活塞杆液压缸只在活塞的一侧有活塞杆，活塞两侧的有效作用面积不相等。活塞杆直 径越大，活塞两侧的有效作用面积相差越大，在供油压力相等的情况下，无活塞杆侧产生的 推力比有活塞杆侧产生的拉力要大；在流量相等的情况下，无活塞杆侧通入压力油使活塞杆 伸出的速度比有活塞杆侧通入压力油使活塞杆缩回的速度要馒。由于活塞杆伸出时能产生较 大的推力，返回时又有较快的运动速度，所以很适合用于一个方向上承受负载而空载快速退 回的场合。活塞杆越租，推力和拉力、慢速和快速就相差越大。液压刨床工作台的慢速迸给 和快速退回，就是利用单活塞杆液压缸的性能实现的。 双活塞杆液压缸两侧都有活塞杆，当两活塞杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞 往复运动速度和作用力也都相等。由于它有两根活塞杆，其刚性和稳定性较好，但工作时占 用空间范围大，其运动范围约等于有效行程的3 倍。磨床工作台液压缸大多采用这种形式。 液压电梯中一般很少采用活塞缸，一方面因为活塞缸式的提升机构将使电梯井道壁或井 道顶部承受一定的作用力( 井道墙壁不受力是柱塞缸式液压电梯的优点之一) ，另一方面因为 长行程活塞缸的加工精度难以保证、价格较高等。但随着油缸技术的发展、机械制造水平的 提高，长行程活塞缸的加工已经不再是技术难题，其价格与柱塞缸没有太大差别。这为活塞 缸在液压电梯上的推广应用扫除了一个重要障碍。活塞缸的活塞杆可以承受拉力，无压杆稳 定性问题，因此油缸的工作压力等级可以提高，系统的效率也就得到提高。负载不变的情况 下，压力等级的提高意味着油缸有效工作面积的减小，降低了系统的流量。这也为液压电梯 减小用油量创造了条件。 1 3 2 液压缸的设计概述 液压缸是液压传动中较早采用的液压元件之一。在生产使用过程中液压缸已得到了很大 的发展。这不仅表现在液压缸工作性能的提高、工作范围的扩大、品种规格的增多和结构的 改进，而且还表现在对液压缸的研究正在逐步深化，设计、计算的理论正在逐步完善。设计 第l 章绪论 简单地液压缸，仅需做粗略的计算，凭借一般专业基础知识即可。但是在特定的条件下，特 别是在满足特定场合需要时，必须合理设计液压缸，使之既有良好的工作性能和工艺性，又 尽量降低制造成本，这就需要进行比较复杂而精确的计算，也就需要较深的专业知识和丰富 的实践经验1 2 5 1 。 液压液压缸的一般设计步骤可归纳如下： 1 掌握原始资料和设计依据，主要包括：主机的用途和工作条件；工作机构的结构特点、负 载状况、行程大小和动作要求；液压系统所选定的工作压力和流量；材料、配件和加工工艺 的现实状况；有关的国家标准和技术规范等； 2 根据主机的动作要求选择液压缸的类型和结构形式； 3 根据液压缸所承受的外部载荷作用力，如重力、外部机构运动磨擦力、惯性力和工作载荷， 确定液压缸在行程各阶段上负载的变化规律以及必须提供的动力数值； 4 根据液压缸的工作负载和选定的油液工作压力，确定活塞和活塞杆的直径； 5 根据液压缸的运动速度、活塞和活塞杆的直径，确定液压泵的流量； 6 选择缸筒材料，计算外径； 7 选择缸盖的结构形式，计算缸盖与缸筒的连接强度； 8 根据工作行程要求，确定液压缸的最大工作长度l ，通常l = d ，d 为活塞杆直径。由于活 塞杆细长，应进行纵向弯曲强度校核和液压缸的稳定性计算； 9 必要时设计缓冲、排气和防尘等装置； 1 0 绘制液压缸装配图和零件图； 1 1 整理设计计算书，审定图样及其它技术文件。 液压缸设计中需要重点考虑其稳定性、强度和局部应力，以及运动特性和缓冲理论、液 压缸的寿命等问题。近几年，国外很多厂家已采取了匀减速平稳制动的缓冲结构，如抛物线 环隙节流、阶梯环隙节流、笛孔节流缓冲装置等。此外，如何在保证使用性能的前提下，提 高效率、节省能源，避免污染、减少噪声、降低成本以及提高可靠性等方面也是液压缸研究 中的重要课题。 1 3 3 单出杆对称液压缸概述 单出杆液压缸比双出杆液压缸有很多优点，如工作空间小，构造简单等，因而得到广泛 应用。但由对称阀控制所构成的液压系统在运动方向发生变化时，其特性是不对称的，特别 是速度特性，往复运动时差异很大，且动态特性也变化较大，尤其是非线性变参数系统，通 过常规补偿方法改变系统特性的措施由于补偿环节的参数不可调而不能满足系统随机控制要 求。为实现系统高精度控制，为了在满足系统稳态精度要求的静提下提高系统的动态性能， 为了对系统参数变化、非线性等具有自适应能力和鲁棒性，需要在已建立的适用模型条件下 第1 章绪论 研究自适应控制方法的应用，实现在线实时控制，以求得最优控制结果。另一种方法就是用 非对称阀开控制常见的单出杆液压缸，但非对称阀需要订做，成本昂贵，互换性差 2 6 - 2 7 1 。 图1 8 六自由度平台图1 9 液压抽油机 图1 1 0 新型节能液压抽油机系统液压结构原理图 第1 章绪论 双出杆液压缸虽然不存在这个问题，但在一些特殊场合，如六自由度平台( 图1 8 ) 等领 域却无法使用。液压抽油机( 图1 9 ) 不仅容易实现抽油机的长冲程、低冲次，可使抽油机的 整机重量和占地面积都大大降低，而且其参数调节方便，容易实现无级调速，能很好地适应 矿井的变化。近年来，随着我国油田越来越多地需要长冲程、低冲次的抽油机来提高产液量， 已研究开发出了多种节能型液压抽油机，这些抽油机在改善抽油机的运行参数，提高抽油机 的效率方面有了一定的进步，但始终存在装机功率大、能耗高、自适应能力差等缺点。为此， 人们设计了一种参数对称的单出杆液压缸，也有人叫活塞柱塞式液压缸，其结构特点是具有 类似双出杆对称液压缸的结构参数，可以满足六自由