（机械电子工程专业论文）液压电梯速度控制研究.pdf

摘要 摘要 液压电梯主要用于中、低层建筑内的垂直运输交通。由电梯技术的发展历史、 国内外液压电梯的市场和技术现状，以及液压电梯的主要特点来看，液压电梯拥 有曳引电梯不能比拟的独特优势，目前在国际上发展迅速，在国内极具发展潜力。 本课题针对液压电梯技术目前存在的节能、系统控制的稳定性、鲁棒性等难 点，选择了负荷传感阀控液压电梯的节能、速度大闭环控制和无平层位置控制等 作为研究内容，建立了负荷传感阀控液压电梯的数学模型，并对系统的速度控制 和节能进行了仿真和实验研究，模型仿真和实验结果有较好的一致性。本课题还 研制了新型大位移容栅传感器，由于机械结构和电气系统的独到设计，该传感器 在防水、防尘、抗电磁干扰方面效果优良，实际应用的容栅传感器测量分辨力达 到0 0 0 1 5 度( 直线测量分辨力为0 0 6 9 m ) ，测量线速度为3 o m s ，最大量程达 到3 8 6 m ；利用该容栅传感器对液压电梯进行的无平层位置控制可以达到3 m m 的 停层精度。同时，课题研究中开发了基于容栅传感器的液压电梯微机速度测控系 统，并利用此微机实时控制系统对液压电梯进行了参数自整定寻优p i d 、单神经 元自适应p i d 和c m a c 神经网络p d 复合控制等控制算法的应用研究。实验结果表 明采用这些先进p i d 控制算法形成的液压电梯轿厢速度反馈大闭环控制，能很好 地跟踪电梯理想给定速度曲线，系统具有很好的快速响应性和控制稳定性，取得 了良好的控制效果。 论文研究表明本课题在液压电梯节能、无平层位置控制、新型速度位置检测 元件和电梯速度位置检测控制系统等方面达到了预定的目标，对于推进我国液压 电梯国产化的进程有积极意义。 关键词：液压电梯负荷传感速度控制无平层控制智能p i d 控制 a b s t r a e t h y d r a u l i ce l e v a t o r s ，a so n et y p eo fv e r t i c a lt r a n s p o r tt o o l s ，a r ew i d e l ya p p l i e di n l o w a n dm i d d l eh e i g h tb u i l d i n g s h y d r a u l i ce l e v a t o r sp o s s e s se x c e l l e n tf e a t u r e sw h i c h t r a c t i o ne l e v a t o r sd on o th a v e t h e ya r ed e v e l o p i n gr a p i d l yo v e r s e a sa n dh a v eah u g e m a r k e tr o o mi nt h en e a rf u t u r ei nd o m e s t i c e n e r g ys a v i n g , s t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so f t h es y s t e mc o n t r o l l i n ga r et o u 曲 p r o b l e m so fh y d r a u l i ce l e v a t o r s e n e r g ys a v i n g ，v e l o c i t y f e e d b a c kc o n t r o la n d n o n - l e v e l i n gd i s p l a c e m e n tc o n t r o lo ft h el o a d f e e d b a c kh y d r a u l i ce l e v a t o r a t et h e c o n t e n t si nt h i sr e s e a r c h m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na t eb o t hi m p o r t a n tf o rt h es y s t e m d e s i g n t h eu pa n dd o w nm o d e l so ft h el o a d f e e d b a c kh y d r a u l i ce l e v a t o ra r es e tu p b y t h e o r ya n a l y z i n g t h ed y n a m i ca n ds t a t i c s t a t ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r e s t u d i e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n sc o i n c i d e w i t ht h ee x p e r i m e n t s a l s oan e wt y p ec a p a c i t i v et r a n s d u c e ri sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i st r a n s d u c e rh a sal o ta d v a n t a g e ss u c ha si nw a t e r p r o o f , d u s t p r o o fa n d e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c er e s i s t a n c eb e c a u s eo fi t ss p e c i a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n d e l e c t r i c a lc i r c u i t s t h er e s o l u t i o no ft h ep r o d u c tr e a c h e so 0 0 1 5d e g r e e s ( 1 i n e a rv a l u e i s0 0 6 7 m m ) w i t ht h em a x i m u mv e l o c i t yt o3 m s ，a n dt h ed i s p l a c e m e n tr a n g et e n d st o 3 8 6 m h e n c eav e l o c i t yd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h eh y d r a u l i ce l e v a t o r b a s e do nt h i sc a p a c i t i v et r a n s d u c e ra n dm i c r o c o m p u t e ri sd e s i g n e d s i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sr e s e a r c hi n d i c a t et h a tt h ea l g o r i t h m sa sp a r a m e t e r ss e l f - t u n i n go p t i m i z i n g p i d ，s i n g l en e u r a le l e m e n ta d a p t i n gp i d ，a n dc o m p o u n dc o n t r o l l i n go fc m a c a n d p i d ，a p p l y i n g t ot h er e a lt i m ev e l o c i t yc o n t r o ls y s t e my i e l dq u i c k l yr e s p o n s i b i l i t ya n d g r e a ts t a b i l i t yo f t h es y s t e m i n g e n e r a l ，t a r g e t so ft h i sp r o j e c t h a v eb e e n c o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y t h e l o a d f e e d b a c kh y d r a u l i ce l e v a t o re n e r g ys a v i n g ，n e wt y p eo fc a p a c i t i v et r a n s d u c e r , n o - l e v e l i n gd i s p l a c e m e n tc o n t r o la n dt h ea l g o r i t h m so fn e u r a ln e t w o r k sr e a l t i m e a d a p t i v ec o n t r o lm e t h o da r ei n v e n t i v er e s e a r c h e s a l lr e s e a r c h e sa n dc o n c l u s i o n s d r a w ni nt h i sp a p e ra r es i g n i f i c a n tf o r t h ed o m e s t i ch y d r a u l i ce l e v a t o rd e v e l o p i n g k e y w o r d s ：h y d r a u l i ce l e v a t o r , l o a d f e e d b a c k ，v e l o c i t yc o n t r o l ， n o - l e v e l i n g c o n t r o l ，i n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：力知 阳6 年 月卯目 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月目年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：辛如 w 。6 年r 月 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 液压电梯的发展概况 1 1 1 电梯的起源 电梯是高层宾馆、高层商店、高层公寓、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺 少的垂直方向的交通运输工具。 人类历史上最早的电梯雏形可以追溯到公元前。据我国考古学的研究和记 载，公元前2 0 0 0 年我国就发明并使用“桔槔”、“辘轳”等人力升降机。公元前 2 3 6 年，古希腊著名科学家阿基米德首先制成具有绳和鼓轮的升降机械，安装于 妮罗宫殿里，借助人力达到升降的目的。第一次工业革命时期，随着瓦特蒸汽 机的发明，以蒸汽动力替代人力、畜力的各项应用技术在生产实践中迅速发展 起来，蒸汽动力卷扬升降机就是其在物料运输方面的积极应用。十九世纪中期， 工业发达地区大型蒸汽机通过长达数公里的城市地下管道输送高压水，为“电” 梯提供动力，那时的“电”梯只能设置在这种高压动力水网能到达的范围内。 电动机发明后，电能的远距离传输使得在远离城市中心的地区安装电梯成为可 能。工业革命不仅促进了电梯在生产应用方面的发展，同时还促进了城市住宅 电梯的兴起，美洲的o t i s 公司那时就开始为6 层以下的住宅配置标准电梯，初 步显示出日后产业界翘楚的风范。这个时期的电梯多为滚筒卷扬式和水压式两 种结构，一般由当地的机械厂生产制造，由于受当时交通和通讯条件的限制， 各地按照自己的工厂规定组织生产，各种厂规千差万别，没有形成统一的电梯 安全标准和规范。二次世界大战后，随着高层建筑标准化程度的加强，电梯的 规格也逐步实现标准化。2 0 世纪中期，电力电子技术迅速发展，电梯的各项性 能指标因此不断提高，电梯品种也不断增加，开始步入大量使用阶段“12 、“”。 1 1 2 液压电梯的发展与现状 液压电梯技术的发展始于1 9 世纪中叶。1 7 1 8 世纪液压传动理论的发展， 为液压技术步入应用领域奠定了坚实的基础。正是由于人们掌握水压传动的技 术比电力技术早且成熟，故液压电梯的出现先于电力驱动电梯。据文献记载， 第一台液压电梯是英国人威廉汤姆逊在1 8 4 5 年制造的，采用水作为介质。与 第1 章绪论 当时的蒸汽动力梯相比，液压电梯在造价和动力传递方面有明显的优势。而且 由于蒸汽动力梯采用强制驱动方式，其卷简的宽度限制了电梯行程和牵引绳的 根数，所以液压电梯得以发展。早期使用的液压电梯以水作为介质，水箱置于 井道顶部，水通过管道引入液压缸工作，系统压力一般低于3 5 b a r ，液压缸体 积很大，电梯速度也很低。1 9 世纪末期，随着液压技术的发展，液压电梯的工 作压力和速度都有所提高，提升高度可达3 0 层：而当时蒸汽驱动卷扬升降机由 于受卷筒宽度的限制，提升高度、载重量和速度都不及液压电梯，在1 8 8 0 年到 1 9 0 0 年间，液压电梯几乎占据了1 0 2 0 层建筑物的所有市场，并保持了多年的 优越性“、7 、“”1 。 随着1 8 7 1 年交流发电机的发明和1 8 8 5 年多相异步电动机的发明，人类进入 了以电动机为中心的时代。1 8 8 9 年奥的斯公司推出了第一台电力驱动蜗轮蜗杆 减速装置传动电梯，在纽约市的马累特大厦安装成功。1 9 0 3 年，奥的斯公司又 将鼓轮式( 卷筒式) 驱动方式改进为曳引式( 槽轮式) 驱动，使得电梯的提升 高度和安全性都得到大幅提高。随着电力生产和电力传输的发展，曳引电梯的 使用和造价开始低于液压电梯，液压电梯的发展一度停滞不前。但在低层建筑 中，液压电梯仍是一种比较便宜的垂直运输方式。 二次大战后，由于军事需要而发展起来的液压传动和液压控制技术逐步转向 工业民用领域，液压电梯控制系统的性能和种类也得到很大发展。 2 0 世纪5 0 、6 0 年代，以机械开关阀为控制核心的液压电梯开始步入市场。 意大利的g m v 公司，o m a r l i f t 公司( 德国w i t t u r 集团的下属公司) 在2 0 世纪 6 0 年代初开发制造了各自有专利保护的机械开关集成控制阀：美国的e e c o 、 e s c o 、m a x t o n 和d o v e r 在2 0 世纪中期进入液压电梯领域，产品为机械开关阀系 统；随后德国的a l g i 、b l a i n 、l e i s t r i z 等公司也开始生产此类产品；之后， 日本的k a w a s a k i 、t a i y o 、m i t s u b i s h i 等公司通过引进技术和自主开发也进入 液压电梯控制系统的研究领域，主要产品也是机械丌关阎系统“”“、“、“、”1 。 1 9 7 3 年瑞士的b e r i n g e r 公司推出了液压电梯专用电子控制阀，该集成阀带 有高精度流量传感器，具有反馈控制功能，直接对影响轿厢速度的液压缸流量 进行闭环控制，电梯速度控制性能良好，因而一经推出便迅速占领了液压电梯 的高端市场。一方面由于受到专利的保护，另一方面也由于其独有的精良制造 技术的保证，这种电子控制阀一直只有b e r i n g e r 公司制造：2 0 世纪9 0 年代以 后，日本的k a w a s a k i 公司和t a i y o 公司，欧洲的g m v 、e l a i n 、a l g i 公司也相 第1 章绪论 继推出带反馈的电子控制阀产品“。”2 0 。 液压电梯在十九世纪应用非常普遍，中问受曳引电梯冲击，经历过一段停滞 期，在二十世纪中、后期，随着液压技术的进步，液压电梯实现了新的发展， 在欧洲、北美、日本等经济发达的国家和地区液压电梯产量呈持续稳定增长的 态势。二十世纪8 0 年代末至9 0 年代初，欧州一些国家液压电梯的年平均装机 数量占电梯总装机数量的百分比如表1 1 所示。图1 1 则为日本在上世纪7 0 年 代中期至本世纪初期的液压电梯年装机数量。图1 2 则为美国在上世纪末期的 2 0 余年中液压电梯和其他电梯市场销售量和销售额的对照。从这些图表可以看 出，在2 0 世纪的8 0 至9 0 年代中后期，液压电梯都是以一种非常良好的态势稳 步发展“2 “2 “”。不过进入本世纪以来，液压电梯市场有萎缩的迹象，这 一方面是无机房曳引电梯技术迅速发展造成的冲击，另一方面也受各国经济发 展大环境的影响。 表1 1 欧洲各国液压电梯的年平均装机量占总量的百分比 国家所占百分比( ) 瑞士4 0 英国 5 5 德国6 0 北欧诸国 8 0 9 0 图1 1 同本1 9 7 6 2 0 0 3 午液压客梯安装台数 第1 章绪论 图l - 2 ( a ) 美国1 9 8 0 年- - 1 9 9 9 年各种电梯年装机量 图1 2 ( b ) 美国1 9 8 0 年- - 1 9 9 9 年各种电梯年销售额 1 1 3 我国液压电梯发展状况及前景 我国液压电梯的开发始于二十世纪七十年代，相继有一机部起重机械研究 所、浙江大学、天津电梯研究所、同济大学、长沙建筑机械研究所等单位研制 开发液压电梯控制系统“。2 “”、3 ”。 1 9 7 2 年，在当时的一机部起重机械研究所主持，试制了两台采用通用液压 元件的液压电梯，由于经验不足，一些技术指标未能达到预期的设计与性能要 第1 章绪论 求。 1 9 8 4 年，浙江大学流体传动与控制研究所和天津电梯研究所合作研制成功 两台采用流量反馈电液比例控制的液压电梯，性能指标都达到了设计要求，于 1 9 8 5 年通过浙江省省级鉴定。 1 9 8 7 年，同济大学与上海轻达电梯厂合作，研制了一台微机控制的客货两 用液压电梯，并在上海豫园商厦得到成功应用。 此后研制、生产液压电梯的单位逐渐增多，据统计总数已近二十家。 我国目前的液压电梯市场，与发达国家有着明显的不同。当前我国建筑行业 致力于发展中高层建筑，因此曳引电梯勿庸置疑是电梯市场的主力军。但是， 随着经济的发展，生活水平不断提高，住宅电梯正在兴起，而且，国内一些大 城市的发展水平也与国外很相似，以上海为例，据统计，1 3 0 0 多万人口的上海 市已有6 0 岁以上的老人2 0 0 多万，按国际标准已进入老龄化社会，因此，液压 电梯的潜在市场不容忽视。随着国内生活舒适、交通便利的大规模现代化小区 的迅速推广，低层住宅配置电梯逐渐增加，如北京某住宅小区一次性定购西子 奥的斯2 8 台液压电梯；各种大型公用事业建筑对液压电梯的需求初现规模，如 广州地铁安装了4 0 台广州日立产液压电梯，上海浦东国际机场安装了约3 0 台 s c h i n d l e r 和o t i s 的液压电梯，等等。图i 3 为中国电梯协会统计的二十世纪 九十年代末我国液压电梯的产量，呈逐年上升趋势“”、。虽然从各种报道 来看，2 0 0 0 年以后我国液压电梯市场也受各种影响出现暂时的萎缩迹象，不过 业界权威人士分析液压电梯在我国仍然有很大的潜在市场。 图1 31 9 9 4 年- 2 0 0 0 年中国液压电梯产量 第1 章绪论 由于国内建筑市场以及经济发展的特点，国内一些有实力的电梯厂商受利益 的驱使，忙于追逐曳引电梯市场的大订单，对液压电梯的市场潜力没有充分认 识，因此造成国内电梯液压技术研究投入的资金与人才严重不足。国内液压电 梯行业如何摆脱对国外产品的依赖，生产出有市场竞争力的产品，从事液压电 梯技术研究的科技人员和生产制造商都任重而道远。 i 1 4 无机房曳引电梯对液压电梯的影响 液压电梯自从在市场上出现以来，就以其固有的一些优点，如机房布置灵活 方便、建筑物结构受力小等，使得其与相同规格的曳引电梯相比，价格便宜， 调试维修方便。在西方发达国家七层以下建筑内购买和使用液压电梯的总费用 ( 包括成本、运输和安装、维修保养等) 比曳引电梯低1 0 左右，因此应用非 常广泛，在欧美发达国家和地区占据了相当大的标准乘客电梯市场份额。 近年来，由于特种结构的电机( 如永磁同步电机) 的出现，无机房电梯迅速 发展起来，对液压电梯的市场构成很大的威胁。在无机房曳引电梯的开发方面， 以芬兰通力公司的m o n o s p a c e 和瑞士迅达公司的s c h i n d l e r m o b i l e 无机房曳引 电梯方案最先进入市场，迄今为止几乎所有的大电梯厂商都已有自己的无机房 电梯产品。无机房曳引电梯的出现使得液压电梯在机房设置方面的优势不复存 在，对液压电梯的市场份额也造成一定影响3 “”1 。 然而，液压电梯并未就此被淘汰出局，较高的性能价格比和独特的结构承载 方式使得液压电梯作为一个电梯品种还在继续发展，这可从近年来欧洲、北美 和日本等发达地区和国家的电梯市场中液压电梯所占的市场份额窥见一斑。据 最新数据显示，近年来无机房液压电梯的发展也非常迅速，取消为驱动装置单 独设置机房的发展趋势很明显。瑞士b e r i n g e r 公司的m a r s 型号产品是整个动 力泵站系统和电气控制单元均设置在一面墙壁的凹处，而n e p t u n 型号产品是动 力泵站单独放置在电梯井道内的。德国l e i s t r i t z 公司在一次电梯展览会上推 出了无机房液压电梯方案，v v v f 控制，干式泵站；意大利g m v 公司的无机房液 压电梯方案是把控制柜和驱动装置( 曳引机或液压泵站) 都集中在一个箱柜中， 放在合适的地方。l m c 公司研制的g e n e i s 方案是通用的无机房方案，既适用于 曳引电梯，也适用于液压电梯，与g m v 公司的结构相似“。、。不过无机房液压 电梯对电梯产业的影响并不如无机房曳引电梯那样广泛。 虽然近年来无机房曳引电梯发展势头迅猛，但业界人士也意识到无机房曳引 第1 章绪论 电梯与生俱来的缺陷，主要表现在维修困难、难以做到大吨位这两个方面。这 是因为无机房曳引电梯控制器件布置在井道中，人员检修进出困难，另外电梯 中途发生故障时停层困难，需增、减配重加以解决：至于吨位受限主要是因为 大功率电机成本太高等原因。因此，虽然液压电梯受无机房曳引电梯冲击，在 小吨位( 1 0 0 0 1 6 0 0 公斤) 的市场份额大幅下滑，但在大吨位梯种方面，液压 电梯仍然有绝对的市场份额和技术优势。广大液压电梯研究人员和制造商都清 醒地认识到，进一步提高液压电梯的乘坐舒适性和降低能耗，进而提高液压电 梯的市场竞争力，才是保持液压电梯可持续发展的有效途径。 1 2 液压电梯的基本组成和主要特点 1 2 1 液压电梯的基本组成及其主要特点 液压电梯集机械、液压、电气、电子、控制等技术于一体，是一种典型的机 电一体化产品，基本结构如图1 4 所示。不论何种类型的液压电梯，都可以看 成是由多个既相互独立又相互协调配合的子系统组成的复合系统，其基本组成 主要包括以下方面“11 “： 1 、泵站系统 组成电动机、液压泵、油箱及附件等组成。 功能为液压缸提供稳定的动力源，储存油液。 2 、液压控制系统 组成由集成阀块、止回阀、液压系统控制电路等组成。 功能控制电梯的运行速度，接收输入信号并操纵电梯的起动、运行、停止。 3 、承重升降系统 组成由液压缸、钢丝绳滑轮系统等组成。 功能直接带动轿厢的运动。 4 、导向系统 组成由导轨、导靴和导轨架组成。 功能限制轿厢的运动自由度，使轿厢只能沿着轨道作升降运动。 5 、轿厢 组成由轿厢架和轿厢体组成。 功能用于直接装载运送乘客或货物。 6 、门系统 第1 章绪论 组成由轿厢门、层门、开门机、门锁装置等组成。 功能按照电气控制系统的指令封闭或开启层站入口和轿厢入口。 图1 4 液压电梯结构简图 7 、电气控制系统 组成由控制柜、操纵装置、位置显示装置等组成。 功能控制电梯的运行，协调各部件的工作，并显示电梯运行状况。 8 、安全保护系统 组成由限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置等组成。 功能确保电梯安全正常工作。 液压电梯的基本组成和控制信号流向如图1 5 所示。 雪 图1 5 液压电梯基本组成和控制信号流图 第1 章绪论 液压电梯与曳引电梯等其他驱动形式的垂直运输工具相比，具有许多特点。 1 建筑结构 1 ) 不需要在井道上方设立要求和造价都高的机房，顶房可与屋顶平齐。 2 ) 机房设置灵活。液压传动系统是依靠油管来传递动力，因此机房位 置可设置在离井道2 0 m 内的范围内，且机房占地面积较小，仅4 5 m 。 3 ) 井道利用率高。通常液压电梯不设置对重装置，故可提高井道面积 利用率。 4 ) 井道结构强度要求低。由于液压电梯轿厢自重及载荷等垂直负荷， 均通过液压缸全部作用于井道地基上，对井道的墙体及顶部的建筑性能要求 低。 2 技术性能 1 ) 运行平衡、乘坐舒适。液压系统传递动力均匀平稳，且比例阀能实 现无级调速，电梯运行速度曲线变化平缓，因此舒适感不亚于曳引式电梯。 2 ) 安全性好，可靠性高，易于维修。液压电梯不仅装备有普通曳引式 电梯具备的安全装置，还设有防止系统压力过高的溢流阀，发生电源故障时 可使轿厢下降到最近楼层位置的应急手动阀可操纵手动液压泵，以提供应急 油源，对于直顶式液压电梯设有防止液压系统管路破裂导致轿厢失速下降的 管路破裂阀，液压油箱设有油温和液位报警器等。 3 ) 噪声低。电梯液压系统常采用低噪声螺杆泵，且泵、电机可设计成 一个整体的潜油式结构，从而大大降低液压泵站噪声。 3 使用维修 1 ) 故障率低。电梯液压系统的运动部件都浸润在液压油中，润滑条件 好，元件寿命长，故障率低。 2 ) 维修简单。液压电梯传动件简洁，装拆方便，便于维修。 1 2 2 液压电梯的分类“、2 7 ”、“”“1 1 直接作用式液压电梯 直接作用式液压电梯的液压缸柱塞直接联接在轿厢的底面、上面、侧面( 或 后面) ，并且液压缸垂直安装在井道中。 根据液压缸的受力形式，直接作用式液压电梯可分为压力式和拉力式。 1 ) 压力式液压电梯的液压缸固定在井道底部且承受压力，根据液压缸与轿厢的 第1 章绪论 作用位置，压力式液压电梯可分为直顶式液压电梯和侧项式液压电梯。 直项式液压电梯的液压缸柱塞直接作用在轿厢底梁的中心处，液压缸置入底 坑下的地孔里，如图1 6 所示。早期的液压电梯均为直顶式，置入地下的液压 缸及油管易受潮或化学腐蚀，导致油管或缸筒漏油甚至发生部断裂，引起电梯 下沉或坠落，漏油也会造成对环境的污染，因此必须防止埋入地下的液压传动 部件发生腐蚀。最常用的方法是将置入地下的金属部分进行特殊的表面处理， 也可以将液压缸装入塑料或绝缘的充填物组成的简中，以防它们受到腐蚀破坏。 对单级液压缸，地孔的深度与电梯的提升高度大致相等。为了减小地孔深度 或增大电梯的提升高度可采用伸缩套筒液压缸，不过这相对增加了设备成本， 而且增加了速度控制的难度，除非采用昂贵的等容伸缩多级液压缸。另外，伸 缩套筒液压缸需较多的密封圈及密封垫，密封圈、密封垫损耗造成泄漏的机会 也增多。因此，常用的直顶式液压电梯提升高度约l o m 左右。 侧项式液压电梯的液压缸柱塞直接作用在轿厢的侧面或后面，如图1 7 所 示。当电梯的提升高度大于4 m ( 2 层站) 时，液压缸通常置于底坑地面上，而 不需置入地孔里：当提升高度大于6 m ( 3 层站) 时，液压缸可置入较浅的地孔 中或较深的底坑中：如果采用多级伸缩液压缸则可以满足更高的提升高度。 图1 6 直顶式液压电梯 渊 卜 峰多 谭 = ：1 j ，。 i 。f 图1 7 侧顶式液压电梯 i 一轿厢2 一液压缸3 一地孔4 一油管5 一油箱i 一轿厢2 一柱塞3 一液压缸密封4 一缸体 6 一电机7 一油泵8 一控制柜9 一控制阀块 因为侧顶式液压电梯空轿厢及其附件的重力作用线与柱塞和轿厢上梁的作 用点不重合，并且载荷几乎作用在轿底中心，所以需要轿厢导靴与导轨之间的 第1 章绪论 水平力来平衡偏载产生的力矩。这种侧顶式液压电梯的金属结构的设计与直顶 式液压电梯大不相同。 2 ) 拉力作用式液压电梯由于拉力液压缸成本高，建筑物上受力点亦受拉力， 结构成本亦高，故比较少用。 3 ) 对于重载及轿厢面积较大的液压电梯，可以采用多缸直接作用式布置，具体 结构与单缸直接作用式类似。 2 间接作用式液压电梯 间接作用式液压电梯液压缸与轿厢之间没有直接联接，而是借助于悬挂钢丝 绳( 或链条) 和滑轮( 链轮) 使轿厢实现垂直运动。 目前的间接作用式液压电梯一般悬挂钢丝绳索直接绕过柱塞( 活塞杆) 顶架 上的滑轮，钢丝绳的一端与轿厢底梁( 或上梁) 联接，另一端固定在液压缸底 部的支座上( 或井道顶) ，通过这种绕绳布置，可以得到2 ：1 的倍率，即轿厢 行程与速度是柱塞( 活塞杆) 行程与速度的2 倍。现在的绕绳倍率通常为2 ：l ， 这是因为如果绕绳倍率再增大，那么将很难得到平稳、精确的控制来满足现代 人们对舒适感和平层精确度的要求。间接作用式液压电梯的轿厢上应备有安全 钳，当电梯超速下行或悬挂钢丝绳或链条断裂时，安全钳会自动夹持在导轨上 使轿厢减速直至停止。由于间接作用式液压电梯液压缸与轿厢通过中间环节联 接，因此它的布置形式比直接作用式液压电梯灵活性大，结构形式较多。这里 简单介绍根据液压缸受力形式和液压缸布置形式的不同而进行的分类。 1 ) 根据液压缸的受力形式，间接作用式液压电梯可分为压力式和拉力式两种。 间接作用拉力式液压电梯采用活塞式液压缸，活塞杆受拉力；同时液压缸也 将相应的拉力传递给建筑物。如图1 i8 ( a ) 所示，在采用配重系统时配重安装在 活塞杆上，使用相同的导轨系统导向，因此结构简单；如图1 8 ( b ) 所示，在采 用倍率大于2 ：1 的绕绳系统时，这种结构安排易于实现。如前所述，拉力作用 式液压电梯成本高，很少采用。 间接作用压力式液压电梯如图1 9 所示，采用柱塞式液压缸，柱塞受压力， 此压力传递给地基。因为柱塞缸加工较容易，成本低，维修方便，所以间接作 用压力式液压电梯常采用柱塞缸。目前它是间接作用式液压电梯的常用形式。 2 ) 根据液压缸的布置形式，间接作用式液压电梯可分为平置式和侧置式两种。 平置式液压电梯如图1 1 0 所示，将液压缸水平固定在井道底部或周围空间。它 第1 章绪论 曾用于轻载、井道尺寸相对较小和提升高度小的客、货梯。不过目前己很少使 用。 ( a )( b ) 图1 8 拉力侧置式液压电梯 l 一项部导向轮2 一轿厢3 一悬挂绳索4 一滑轮5 一配重 6 一液压缸密封7 一液压缸8 一活塞密封9 一活塞头滑轮 图1l o ( a ) 压力平置式液压电梯 1 一顶部导向轮2 一轿厢3 一悬挂绳索 4 一底部导向轮5 一液压缸6 一柱塞头滑轮 7 一液压缸固定架 图1 9 压力侧置式液压电梯 1 一轿厢2 一滑轮3 一液压缸4 一油管 5 一悬挂绳索6 一液压缸固定架 图1 1 0 ( b ) 拉力平置式液压电梯 1 一顶部导向轮2 一悬挂绳索3 一轿厢4 一固定滑轮 5 一活塞头滑轮6 一液压缸密封7 一活塞密封 8 一液压缸9 一液压缸固定架 侧置式液压电梯有液压缸垂直安装在轿厢的侧面和后面两种布置方案。常用 的侧置式液压电梯的提升高度不超过3 0 m ，如果采用伸缩套筒液压缸则可以得到 更高的提升高度。 12 毽覆 第1 章绪论 根据液压缸固定在井道中的位置，侧置式液压电梯主要是底部侧置式。底部 侧置式液压电梯的液压缸固定在井道底部，主要垂直载荷由地基承受，由于它 不需要地孔并且具有结构紧凑及建筑物受载荷小等优点，因此它是侧置式液压 电梯的常用形式。 压力侧置式液压电梯是当今电梯界广泛采用的形式，如图1 9 所示。它的受 力状况与直接作用侧顶式液压电梯基本相同，它们都需要轿厢导靴和导轨来限 制轿厢的倾斜。由于从整体结构上看很象人在背包，因此常将侧置式和侧顶式 通称为“背包式”液压电梯。 重载式液压电梯，可以采用双缸或多缸间接式布置，如图1 1 l 所示。 轿厢 图1 1 1 侧置式双缸液压电梯 1 2 3 液压电梯的速度位置检测控制方式 为了满足乘客乘坐舒适性的要求，一般电梯按给定的理想速度曲线运行。为 了产生理想速度给定曲线及实时控制的需要，必须对电梯运行速度和运行距离 ( 也用以表示轿厢在井道中的位置) 进行检测，从而实现对液压电梯运行速度 和停层位置的准确控制。液压电梯中的速度检测控制方式”“”、“”、”1 主要 有电机轴端转速反馈控制、液压缸流量反馈控制和轿厢速度直接反馈控制这三 种类型，其中，电机轴端转速反馈是对电动机输出轴的转速进行检测，通过换 算得到轿厢的运行速度，从而实现对电梯运行速度的反馈控制：液压缸流量反 馈控制是通过对进入液压缸的流量进行检测，通过换算计算出轿厢的运行速度， 从而实现对电梯运行速度的控制；轿厢速度直接反馈控制是指对电梯轿厢的运 行速度进行直接检测，从而实现对电梯运行速度和位置的控制。对液压电梯停 层位置的控制主要是在速度控制的基础之上辅助以位置捡测装置实现的。 囟 一悱 滑一 泣一 第1 章绪论 一、电机轴端转速反馈速度控制方式 电机轴端转速反馈液压电梯速度控制通常是通过对电动机输出轴的转速进 行检测，然后通过换算得到电梯轿厢的速度，从而实现对电梯轿厢速度的控制。 显然这种速度控制方式只适用于容积式调速控制系统。对于确定的曳引机构， 其换算常数一般比较稳定，因此通过这种间接式测量得到的电梯轿厢运行速度 和运行距离能够满足一般控制精度的需求。电机输出轴转速测量常用的检测元 件有测速发电机和旋转编码器两大类。 光电式编码器没有触点磨损，运行转速高，精度好，缺点是结构复杂，价格 贵。根据光脉冲计数形式的不同，光电式编码器有增量式编码器和绝对值编码 器之分。由于绝对值光电编码器的码盘结构复杂，制造成本较增量式光电编码 器高得多，一个绝对值光电编码器市场零售价格大概为同等精度的增量式光电 编码器的1 0 倍左右。因此，实际应用中大量采用增量式光电编码器 对于采用旋转编码器进行测量的电梯轿厢的运行距离可以表示为 开n s ：二= = 二n = k ni i l f f i1 1 b r f 式中s 一轿厢运行距离，f i l m ； 一总的脉冲个数； d 一曳引轮直径，m i l l ： b 一电动机每转光电脉冲发生器发出的脉冲个数； r 一钢丝绳曳引比，1 ：1 时，r = 1 ，1 ：2 时，r = 2 ； i 一传速比： 一n 足一距离脉冲当量，置= 型，表示一个脉冲对应的运行距离； b 冠f 轿厢的运行速度可以通过对运行距离求取一阶微分得到。 对于液压电梯而言，由于从电动机输出轴转速到轿厢运动速度之间传输环节 有较多非线性环节，且液压系统受温度等因素影响，显然采取电机轴端速度反 馈控制方式实现速度闭环控制很难达到较好的控制精度。 二、液压缸流量反馈速度控制方式 采用节流式调速系统的液压电梯或者复合式调速系统的液压电梯显然无法 通过电机轴端转速反馈实现对液压电梯的速度控制，因此，这类系统常通过对 进入液压缸的流量进行检测，并实现控制，从而达到对液压电梯运行速度进行 控制的目的。 第1 章绪论 液压电梯轿厢运行速度可以通过下式计算得到 0 ：a 1 6 6 7 q 1 2 a 式中u 一液压电梯轿厢运行速度，m s ； 口侧置式液压电梯速度系数，对于2 ：1 和4 ：2 悬挂形式，取值为 2 ；对于4 ：1 悬挂形式，取值为4 ： q 一进入液压缸流量，l m i n ： a 一柱塞液压缸柱塞截面积，m m 2 。 液压缸流量速度控制方式的典型代表是b e r i n g e r 公司的l r v 电子阀控系列 产品，如图1 1 2 所示。这种系统由于采取了对进出液压缸的流量进行闭环控制 的方式，因此可以达到较好的速度控制性能。但是，该系统中价格昂贵的高频 响的动态流量传感器使系统成本急剧上升，而且这种闭环控制只是种小闭环 控制，仍然无法克服轿厢悬挂运动系统等因素对轿厢速度控制带来的不利影响。 图1 1 2b e r i n g e r 公司的l r v 系统 三、轿厢直接反馈速度控制方式 轿厢速度直接反馈控制是指对电梯轿厢的运行速度进行直接检测，从而实现 对电梯运行速度和位置的控制。理论上采用轿厢直接速度反馈控制方式对克服 液压系统的油温变化以及轿厢悬挂运动系统等因素引起的轿厢速度不稳定有很 强的抑制能力，但实际产品若试图通过对轿厢速度的精确检测而实现对液压电 梯速度和位置的准确控制，在检测元件及控制系统方面仍然有许多问题亟待研 究，具体表现在高速、大行程、高精度位置传感器及其测控系统的研制等方面。 目前电梯市场上尚无采用轿厢速度直接反馈控制技术的液压电梯产品。 第1 章绪论 四、电梯位置检测装置 在电梯运行过程中，为完成对电梯的控制，还需要设置许多电子开关、机械 开关和检测装置。通过这些装置测出控制电梯运行并且影响电梯性能的一些重 要控制信号n 、“、“1 ，如：强迫换速、急停、门机控制、检修与照明、层站显 示、门厅呼梯、校正、换速与平层等。其中换速平层信号用于调速装置的控制， 有着严格的时间和空间关系，是影响电梯性能的最重要信号之一。 目前电梯换速平层装置中常用的传感器有干簧管和双稳态磁开关。前者使用 隔磁板( 也称桥板) 进行隔磁，后者使用圆形永久磁铁( 也称磁豆) 进行触发。 两者都属于非接触式传感器。干簧管传感器与隔磁板的位置见图1 1 3 。隔磁板 通过支架固定在导轨上。当轿厢运动时，安装在轿厢项部的干簧管u 形槽恰好 使隔磁板通过，从而引起干簧管的触点切换。双稳态磁开关由位于轿顶上的双 稳态开关和位于井道的圆柱形永久磁铁( 以下简称磁豆) 构成，见图1 1 4 。在 电梯在上下运行中，当双稳态开关接近或路过磁豆时，磁豆n 极和s 极之间的 磁场与两只方块磁铁构成的磁场相叠加的结果，才能使开关主体的触点翻转变 态，以此控制相关电路。双稳态磁开关对方块磁铁、开关主体和磁豆的安装位 置以及尺寸等的质量要求都比较严格。 图1 1 3 干簧管传感器与隔磁板的位置 l 一平层装置2 一传感器3 一隔磁板4 一支架 5 一导轨6 一接线软管7 一轿厢项 图1 1 4 双稳态开关换速平层装置 1 一双稳态开关座板固定架2 一磁豆固定横粱 3 一双稳态开关4 一磁豆固定塑料架5 一磁甄 6 一双稳态开关座扳 通常电梯运行时按照以时间原则设计的给定理想速度曲线运行，由位置传感 器控制平层切换，进入平层段后以一较小速度慢速停层。显然，这些位置传感 器对电梯井道的复杂性和安装成本都有一定程度的影响。 第1 章绪论 1 3 本研究课题概况 1 3 1 本论文的选题意义 液压电梯作为电梯的一个品种，从诞生至今，始终以其不可替代的特点占据 电梯市场的一角，虽然近年来受到无机房曳引电梯的冲击，市场份额受到一定 影响，但在低层住宅电梯尤其是旧房改造住宅、汽车电梯、医用电梯，以及其 他重载场合，仍然有良好的应用前景，其市场潜力不容忽视。 针对液压电梯现状进行分析发现，从市场的角度来看，液压电梯要提高竞 争力关键在于降低成本，这其中包括一次性的制造成本，也包含使用维护的后 期成本。由前述可知，在发达国家和地区低层建筑中液压电梯的占有率达到6 0 7 0 ，除了液压电梯的某些特点在一些发达国家和地区较受青睐以外，恐 怕最主要的原因还是因为低层建筑中选用液压电梯比曳引电梯大约成本能降低 1 0 2 0 。而我国的液压电梯市场一直远远低于发达国家和地区的市场占有 率，一个很重要的原因就是我国液压电梯多采用价格昂贵的进口元件，相对于 曳引电梯在价格上竞争力很微弱，有的甚至高于同规格的曳引电梯。 从技术层面来看，电梯的乘坐舒适性是用户选择电梯的主要指标之一，受 到生产厂家和研究人员的高度关注。电梯的舒适性主要由轿厢运动的速度、加 速度和加速度变化率来评定。由于人的生理特点，人们对于垂直起动和制动阶 段的速度变化比较敏感，特别是对于电梯的起动，当电梯起动产生抖动时，人 会感到明显的不舒适。由于液压电梯系统中液压控制元件存在着死区、摩擦等 非线性环节，以及电梯本身的低阻尼特性，使得电梯在运行的起动和制动阶段 容易产生轿厢抖动。目前，国内外液压电梯产品在对液压电梯速度进行控制时， 还较少采用闭环控制的策略，虽然闭环控制可以获得较高的速度控制精度。 节约能源一直是当今社会关注的热点问题，液压电梯在全球广泛应用，故 液压电梯的节能问题也是当前研究的重点问题。当前液压电梯的节能控制系统 主要发展方向有：采用微机系统控制的无平层技术是阀控液压电梯节能和提高 运行效率的重要发展方向之一；降低液压电梯装机功率和能耗的方案需要综合 考虑液压电梯在建筑结构上的优势；电梯速度稳定性控制方法是节能的一个重 要手段；采用可降解的生物油、纯水等环境友善的传动介质也是液压电梯节能 的发展方向。 目前，国内电梯行业对液压电梯的开发研究重视不够，资金和人力的投入 第1 章绪论 不足；虽有专门致力于液压电梯生产的厂家开始出现，但由于批量小，无法在 价格上与曳引电梯竞争，从而使得国内液压电梯的价格竟然比曳引电梯高。因 此，对液压电梯进行速度闭环控制和节能研究，开发研制成本低性能好的国产 液压电梯，具有巨大的社会经济效益。在解决液压电梯速度控制中，一般采用 增量式的编码器，获得速度信息，若要对液压电梯进行无平层停靠控制，目前 多采用绝对式编码器，价格极其昂贵，阻碍了液压电梯无平层停靠技术的发展。 因