机械毕业设计721高速电梯摆振控制器液压系统设计及布置优化.doc
机械毕业设计721高速电梯摆振控制器液压系统设计及布置优化
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机械毕业设计721高速电梯摆振控制器液压系统设计及布置优化,机械毕业设计论文
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第 页 2004-6-10 1 第一章 绪论 1.1 概述 电梯作为人类的代步和省力的工具，自被发明之后就获得了快速的发展，我国的电梯业也经历了从无到有从大到小的发展过程。现在我国有大小电梯生产企业三百余家，产品的结构也发生了明显的变化，老的直流电梯已被淘汰。控制系统已大量采用 PLC和微电脑控制技术，最高梯速已达到 4m/s。我国电梯已形成了设计制造安装调试，维修保养一条龙服务的一个完整行业，维护着全国 30 万台在用电梯的正常运行，新装电梯年销售额超过了 100亿人民币。但也要看到，我国电梯产品在品种，质量，性能等方面与国外产品还存在着不同程度 的差距，特别是在高速电梯产品以及中，高档产品上的差距更大。电梯的性能指标中控精度与乘坐舒适性是电梯性能的主要体现，提高这两方面的性能对于国产电梯具有十分重要的意义。 随着现代城市人口的不断增长和工商业的飞速发展，人们对空间的需求越来越大。为了更加充分地利用有限的空间资源，以缓解人们不断增长的空间需求与有限的生存空间之间的矛盾，现代城市规划者已越来越多地把目光投向了发展和建造高层，超高层建筑。目前世界上最高的大楼是马来西亚首都吉隆坡的双塔大厦，高达 88层 452 米。第二高楼是美国芝加哥的西尔摩天大楼。 1997年 ，在我国上海建成的金茂大厦，其地面以上由 88层，建筑高度420.5米，为世界第三高楼。在香港，最高的楼有 78 层 374米高。而且还在 2003年建成一座 88 层 440米的高楼。除了这些，很多建筑师已经在设想并计划建造更高的超高建筑。在我国上海将要建成一座 900 米高的高层建筑。在日本东京，已计划建造一座 840米高的高塔。在芝加哥还将建造一座 701 米高的世界贸易中心。据日本一家公司称，他们拥有建造 200层摩天大楼的技术。一家日本建筑公司还建议在东京建造一座高度达 1000 米的摩天大楼。毫无疑问，在二十一世纪，建造更多的 高层和超高层建筑将会成为有效利用空间资源的重要途径。然而，要想使超高层建筑能真正广泛地投入使用，首先必须解决超高层建筑中的运输问题。由于超高层建筑楼层高，容纳人数巨大，现有的普通电梯难以胜任超高层建筑中艰巨的运输任务。发展适合与这些超高层建筑中运行安全，舒适而且高效的超高速垂直升降电梯系统。对超高层建筑功能的发挥有着决定性的作用，特别是在发生火灾等紧急情况下，安装高速，超高速电梯，以保证能在最短的时间内完成尽可能多的运输任务，对挽救生命和财产更有着不可估量的作用。 随着超高层建筑的不断出现，现代电梯正向超高 速方向发展。在上海的金茂大厦中，观光者可以从地下一层乘坐电梯在 45秒种直达距地面 340.1米高的 88层。其电梯的平均速度达到了 7.6m/s。芝加哥西尔斯大厦的高速电梯，速度高达 548m/min(9.1m/s。 1997 年，日本三菱公司安装在东京的高 240 米的 6 层阳光大厦种的高速电梯的额定速度可达600m/min(10m/s)。 1993年， Mitsubishi公司在横滨（ Yokohama）投入使用的高速电梯的额定速度达到了 750m/min.同时，日立公司（ Hitachi）还发展了额定速度高达 810m/min（ 12.5m/s）的超高速电梯。如果按照这样的比例，当上海的 900 米高塔建成后，其使用的高速电梯的额定速度可能需要 30m/s（ 108km/h）。未来超高速电梯的额定速度将会更高。尽管 108km/h的速度对普通的地面交通工具来说并不算很高，然而电梯在其通道种以这样的高速度运行却会引起很多难以解决的摆振和噪声问题，比如：如何进行电梯的外形结构设计，以减小并尽可能地避免由于超高速电梯绕流场压力的非定常以及在高速电梯尾部大分离漩涡的周围或准周期性脱落所诱导的电梯振动。 nts 第 页 2004-6-10 2 总而言之，在高速电梯速度需要进一步大幅度提高的 21 世纪，由于电梯高速运行所引起的结构振动以及带来的强大的噪声问题严重阻碍了新型高速电梯的研制与发展。因此，研究高速，超高速电梯的摆振控制系统，并发展一套能被大多数电梯设计人员所方便使用的，应用于高速，超高速电梯液压减振系统优化设计方法，对发展 21 世纪的新型超高速电梯有着重大意义。但目前国内生产的高速电梯，其动态特性指标及舒适性普遍达不到国家标准电梯技术条件（ GB10058 88）中规定的要求，由悬架钢丝绳拽引的轿箱在整个运行过程中的振动非常明显。因此，开展电梯摆振控制系统设计和研究，对于提高国内电梯产品质 量具有十分重要的意义。 1.2 电梯振动控制问题的背景介绍 电梯是随着城市高层建筑的发展而发展的，电梯作为一种重要的垂直交通工具，评价标准中，其安全性，可靠性和乘坐舒适性是评价电梯的主要因素。 电梯的振动是电梯乘坐舒适性评价的重要指标。人乘坐电梯的时间是短暂的，而电梯的振动幅值较小，在正常的情况下，不至于达到影响乘客的健康和安全的程度。但振动达到一定的量值，且振动频率在人的敏感频带时，或者电梯的起制动特性比较差时，都会使乘客有明显的不舒适感。人体是一个复杂的弹性体，人体有不少的空腔和弹性系统。据研究资料，躯干固有振动频率在 3 至 6HZ 范围内（包括胸腔和腹腔），头颈和肩膀系统的固有振动频率在 2至 30HZ 范围内，眼球的共振频率在 60至 90HZ范围内，下颚和头盖骨系统的共振频率在 100至 200HZ范围内。乘坐起来让人感觉不舒服的电梯往往是电梯的主要振动频率与人体的某一个固有频率相同。 电梯的振动是与电梯运行同时产生的。随着电梯速度的不断加快，提升高度的增加，振动问题会越来越突出。突出表现维：随着速度的加快，对导轨和导靴的加工精度和安装精度要求的提高，传统的安装方法很难保证导轨的安装精度 ;随着速度的加快，电梯轿厢 对井道内的气体的活塞效应越来越显著，由此效应而产生的轿箱上下的压力差也是导致电梯振动的原因，电梯井道中会有不平的突起物，如每层门槛，当电梯经过时会产生一个脉冲激励，当电梯的速度较高时会有很大的影响。随着提升高度的增加，钢丝绳的长度也在相应增加，如何控制钢丝绳的抖动，时控制电梯振动的又一个重要课题。此外，电梯的控制系统对电梯的振动影响也很大。 国内外对电梯的振动研究主要偏重于高速梯。正如前面所述，高速梯振动问题比较突出而且比较复杂。国外学者曾应用反馈控制轿厢的速度以避开钢丝绳的共振。控制拽引轮的速度以达到控 制轿厢振动的目的。但是拽引轮于轿厢间时钢丝绳，属于弹性元件，使得这种控制速度的方法不是理想的方法。如图 1.1所示的状态反馈控制轿厢速度的方法，可以避免采用传统的开环控制方法带来的问题。其中的 x为系统的状态。状态反馈控制需要获得所有系统的状态，这里通过 Kalman 滤波器获得。将实测的轿厢速度与参考速度的差积分后获得新的系统状态 x，这种方法可以较为有效地控制钢丝绳的共振对轿厢的影响。 为了减少导轨对轿厢水平振动的影响。有学者研究使用了一种不与导轨接触的电磁导靴。通过电磁导靴产生吸引力使轿厢保持与导轨的适当距离， 如图 1.2 所示，电磁导靴 1和 3对轿厢施加对轿厢施加 y方向的力，同样 5和 6在 x方向对轿厢施加作用力。每个电磁导靴有独立的传感器和控制器。图 1.3所示为每对电磁导靴的控制框图。这种控制需要三个传感器：一个加速度传感器测量导靴的水平加速度，一个不接触的位移传感器测量导靴与导轨之间的空气间隙的大小，和一个位于导靴上的测量空气间隙件的磁通量的线圈。内部控制回路的输入会使电磁导靴上电，产生作用力。空气间隙控制回路使导靴与导轨间的间隙保持在一个定值。随机的扰动通过绝对位置反馈回路去掉。随机的扰动产生于导轨界都或不平整，nts 第 页 2004-6-10 3 由 此产生的微小作用力会被加速度传感器探测到，并表现为导靴绝对位置的偏移，从而使输出控制回路控制电磁导靴产生对抗这个扰动的力。外部作用力会被加速度传感器探测到，输出控制回路会改变空气间隙之间的磁通量的大小以平衡外部的作用力。另外，对于轿厢的不均匀分布的载荷，输出控制回路也有同样的作用。 图 1.1 使用状态反馈控制轿厢的速度 图 1.2 不接触型电磁导靴示意图（轿厢顶） 另外由于电梯在安装时不可能完全平衡，因此空载时滚动导靴也要承受一定的力，由于滚动导靴表面材料为橡胶，当电梯载停靠较长一段时间后表面会产生一凹 入，它在较短时间内不太容易恢复，因此在开始运行时会产生较大的影响。为了解决这个问题，现在已有公司生产一种像自行车轮胎一样的导靴，在里面充气，使表面的变形可以很快的得到恢复。 nts 第 页 2004-6-10 4 图 1.3 一对电磁导靴的控制原理 还有学者改进了轿厢与轿厢架的直梁之间的橡胶减振垫，以减小轿厢水平振动。对于高速梯运行时风压的影响，有的电梯公司采用在电梯顶加装导流帽的方法减小风压的作用。目前有的观光电梯轿顶和轿底做成流线型。除了外观的造型需要外，也能减小风对电梯的激振作用。另外还有学者应用一些质量和弹性元件做成动力吸振器来降低系统 的振动，它的原理是根据对于两自由度的弹簧质量系统。如图 1.4所示，当合理调整 k2 和 m2,可以使 m2的振动为零。 图 1.4 动力吸振器原理图 1.3 本次设计任务及主要内容 本次设计的任务为： a了解高速电梯水平振动的控制器的设计原则； b设计控制器液压系统； c调整液压系统的布置方式，并进行优化； d对高速开关阀特性进行实验研究。 全篇论文通过三章内容对高速电梯摆振控制器液压系统设计及其结构优化进行了详细的叙述和讨论。 在第一章概论里，着重介绍了当今全球电梯行业发展的一个概况，随着现代城 市人口的不断增长和工商业的飞速发展，人们对空间的需求越来越大。为了更加充分地利用有限的空nts 第 页 2004-6-10 5 间资源，以缓解人们不断增长的空间需求与有限的生存空间之间的矛盾，现代城市规划者已越来越多地把目光投向了发展和建造高层，超高层建筑。这就电梯向着高速的方向发展。与此同时，人们对乘坐电梯时的舒适性要求也日渐高，这就迫切要求高速电梯的振动问题能尽早得到解决。为此，对高速电梯减振的研究也逐渐成为一个电梯行业研究的一个热点问题。 在第一章里，还简要地介绍了电梯振动控制问题的背景。通过对电梯在不同振动平率时对乘客身体造成的不同影响的 研究，引出了如何通过控制电梯的振动频率来达到提高乘坐舒适性目的的研究。这章里，简单介绍了国内外学者对振动控制问题研究的一些成果。最后，列出了本次设计的任务和主要内容。 在第二章里，详细叙述了液压系统的设计与元件的选型。首先，介绍了液压作动器在振动主控系统中的重要作用。在作动器中最为重要的又是液压控制阀。接着专门介绍了一种新型的液压控制阀高速开关阀。由于其具有价格低廉、快速响应性好、抗污染能力强、易于实现数字控制等优点，使其得到了很大的发展。鉴于其在控制系统中的重要作用，在接下来的第三章里还将对其作专门 的讨论。 接下来对液压作动器的总体方案进行了设计。分别阐述了作动器的技术性能要求 、 组成和工作原理、关键技术等。 最后，分别对组成系统所需元件：液压缸、高速开关阀、压力传感器、液压泵和驱动电机、畜能器、溢流阀、单向阀、压力表、过滤器、空气滤清器、液位计、油箱、集成块、油管和工作液体等的选型进行了分析，并给出了最终选择的结果。并在最后给出了液压站的总装配设计图 ,以及进行了结构优化后的装配设计图。 在第三章里特别针对高速开关阀的动态特性进行了实验。通过控制器每隔 2s 使高速开关阀开启 10ms，相当于输入一个阶跃信号 ，通过测试液压缸内油液压力，得到高速开关阀在三个不同初始备压压力下阶跃信号响应。最后得出占空比越小，压力控制的稳定性越好，但压力梯度较小，增大占空比，尽管压力梯度随之增大，但压力稳定性明显降低，发生了比较明显的压力振荡的结论。并可以看出 50%占空比的 PWM控制信号也许是一个比较好的选择。 在文章末尾的第四章里，对全文进行了总结，还展望了未来高速电梯控制系统的发展趋势。同时，表达了在整个设计过程中对我给予很大帮助的两位老师的诚挚的谢意。通过他们对我近一个学期的精心培养，我在本科学习的最后阶段又有了一个新的飞跃 。我相信在今后的人生旅程中我都会因这次设计，受益匪浅！ 1.4 课题来源 本课题来源于上海交通大学车辆研究所和富士达（ Fujitec）有限公司的合作项目，由车辆研究所的老师提供理论上的知识和原始的资料。同时还进行了全方面的指导，特别对系统的工作原理和布置优化方案给予了很详细的教导。 1.5 本课题研究的目的和意义 通过本次毕业设计，不仅可以熟悉对 UG,Autocad 等工程软件的使用，并可以通过对液压系统建模整个过程的掌握和对液压系统结构布置的优化设计，对整个液压系统建模有了完整的认识。此外，还能通过到工厂里 的实践，看到了书本上无法了解的装配和调试中的实际问题，以及在今后设计中需要非常注意的问题。 1 6 原始数据 nts 第 页 2004-6-10 6 1. 对象电梯规格 spec No A B 基本与 JR货物 9 16相同 额定速度 m/min 420 360 假定上限 600m/min 程度 轿箱质量 kg 5000 4160 - 额定负载 kg 1600 1600 - w mm 2400 2400 - h mm 4000 4000 - hG mm 500 500 轿箱地板基准 ；重心高度 hB mm 2000 2000 轿箱地板基準 ； 轿箱下 RG位置 hT mm 5000 5000 轿箱地板基準 ；轿箱上 RG位置 Ix kgm2 4600 3800 假定重心起 1500mm的集中质量 Iy kgm2 4600 3800 假定重心起 500mm 的集中质量 Iz kgm2 3770 3120 - kx N/m 1.1 105 8.8 104 4处导向轮总和（计算值） 1 105 ky N/m 2.2 105 1.76 104 4处导向轮总和（计算值） 1 105 cx Ns/m 2 103 2 103 - cy Ns/m 2 103 2 103 4处导向轮总和 （据減衰波形推定） 图 1.5 电梯原始数据 下图为表中参数示意图 图 1.6 参数示意图 2.导轨不平的统计数据 X Y 波形 正弦波 周期 (m) 6 或者 8 假定 4m导轨 7.5 或者 10 假定 5m导轨 nts 第 页 2004-6-10 7 振幅 2mm 2deg 平均为提示量的一半程度 X, Y,的振幅、正負的方向虽没有相互依存性 、但周期的变动接近于同 期。（依存于导轨的長、导轨） 另外、对面的导轨（右导轨、左导轨）之间的相互关系也同样。 图 1.7 导轨不平的数据统计 第二章 液压系统设计与元件的选型 XY从 导轨上方观察 nts 第 页 2004-6-10 8 2.1 引言 电梯运行速度越来越高 ,电梯的振动问题越来越突出 ,成为影响乘梯舒适性甚至安全性的因素。因此如何抑制电梯的振动成为当前国内工业界越来越迫切的问题 ,因为这直接关系到产品的市场竞争力。电梯的振动问题主要分为两类 ,既垂直振动和水平振动。但在国内关于电梯振动的研究较少 ,特别是水平振动。 一般来说 ,导致水平振动的因素有导轨交接处的突起、导轨表面的高低不平、导轨的弯曲以及导轮自身的缺陷等因素。因此制造平直的导轨以及安装导轨时尽量使两根导轨对直 ,这将大大减少电梯的水平振动。不过 ,这会大大提高安装和制造成本。另外一种可以取代的方法是用控制手段来抑制水平振动。 2.2 电梯系统振动分析 李立京 4等介绍了一个研究水平振动的简单的 2自由度的电梯模型 ,如图 2.1： 图 2.1 电梯水平振动模型 其振动微分方程为： （ 2-1） 从而可以解得系统的两个固有频率： nts 第 页 2004-6-10 9 （ 2-2） Roberts5介绍了在导轮上的位移和外力系到质心力系的转换原则。 KenlchiOkamoto6等，则分析了 3种可能存在的导轨扰动模式。但是关于空间 5自由度的电梯水平振动模型研究并不多见。 这里首先借鉴和引用上海交通大学傅武军 8等老师建立的模型。他们建立了一个空间 5自由度的电梯水平振动的模型 ,导出位移和力系在全局坐标系和局部坐标系之间转换矩阵 ,并建立了系统的动态微分方程组。利用所建模型得出了某一实际电梯水平振动的固有频率 ,然后分析了导轨激励的特点 ,并求出了在假设激励条件下电梯的水平振动加速度响应。 模型如下图所示： 图 2.2 电梯系统轿箱部分结构图 nts 第 页 2004-6-10 10 图 2.3 电梯系统水平振动动态模型 由此得到了电梯系统水平振动的微分方程： + + = (2-3) 其中 =diag , , , , 为质量矩阵 ; 和 分别为对称的 5 5阻尼矩阵和刚度矩阵 ,且有 : nts 第 页 2004-6-10 11 另外 是质心的外力矩阵 ; , , , ,分别为质 心方向质量 ,质心方向质量 ,绕轴的转动惯量 ,绕轴的转动惯量 ,绕轴的转动惯量。 1和 1为导轮或导靴方向刚度和阻尼 , 2和 2为导轮或导靴方向刚度和阻尼。 接着，得出了在下述初始条件下系统的固有频率： 电梯的参数为 :质心的主质量 = =1350、 =1800.74 ,=1900.67、 =455.295 ,导轮的刚度 1=125000 / , 2=125000 /阻尼因子取 =0.03,质心的位置是 : 1=2.2506 , 2=1.5494 , 3=0.761 , 4=0.761 , 5=0。 人对 0.5 20的水平振动的模态频率特别敏感 ,如果这些频率被激起将严重影响乘坐的舒适性 ,因此应尽量抑制在这个频率范围内的振动加速度值。 通过微分方程组得出在几种典型导轨激励 (见图 2.4)下电梯系统的水平振动的加速度响应，如图 2.5所示。其中阶跃模式导轨激励将引起较大的质心水平振动加速度。 nts 第 页 2004-6-10 12 图 2.4 典型导轨位移激励信号（位移时间） 图 2.5 由典型扰动引起电梯质心水平方向振动响应（加速度时间） nts 第 页 2004-6-10 13 2.3 液压作动器的总体方案设计 作动器是振动主动控制 系统中的重要元件之一，其作用是向系统施加控制信号，以按照所需方式改变系统的响应。作动器的主要类型有液压作动器、气动作动器、电磁作动器、压电作动器、形状记忆合金作动器和磁 制 伸缩作动器。其中液压作动器能在相对较小的结构尺寸下产生较大的位移和较大的作用力，在车辆主动悬挂和直升飞机机舱的振动主动控制中已得到很好的应用，但在电梯减振方面的应用尚未见有报道。 液压作动器的关键元件是液压控制阀。传统的开关型控制阀上限频率为 3 20Hz，不能满足快速性的要求，而技术先进的比例阀和伺服阀尽管上限频率均超过 150Hz，但由于对 油液污染较敏感，且价格较贵，限制了它们的广泛应用。近几年，一种新型的液压控制阀 高速开关阀获得很大发展，同伺服阀、比例阀相比，它具有价格低廉、快速响应性好、抗污染能力强、易于实现数字控制等优点，在越来越多的电液控制系统得到应用。高速开关阀由于自身结构限制，允许的流量较小，一般最大为 10L/min，不能直接用于大流量控制系统中，但对本系统完全满足要求。另外，液压作动器需专门的液压站供油，容易产生噪声，并且在控制阀输人电压和液压缸的力或位移输出之间产生非线性和滞后，这是在研究中必须重点考虑的问题。 2.3.1 液压作动器的技术性能要求 （ 1）满足系统的压力和流量要求，最高工作压力为 5Mpa,流量至少满足频率为 4Hz 外负载激励的要求。 （ 2）保证油液的清洁度，过滤精度至少达到 10 m，保护各种液压元件，延长使用寿命，提高系统工作可靠性； （ 3）防止空气混入，油液中空气含量不得超过 2%，以保证系统工作稳定性和动作的快速性； （ 4）减小液压泵输出流量的脉动和压力脉动，以提高控制精度，可选择高性能的液压泵或增设蓄能器； （ 5）各种液压元件均不允许有外泄漏，保证使用环境的清洁。系统的正常工作噪声不大于40分贝； （ 6）整 体结构紧凑，布局合理，外表美观，便于安装，符合人机工程学。 2.3.2 液压作动器的组成和工作原理 如图 2.7 示，液压作动器由液压站和执行装置两部分组成。液压站负责为系统提供油高速开 关阀 液压缸 控制器 压力传感器 液压油源 液压站 液压油 液压油 反馈信号 控制信号 图 2.6 功能模块图 Fig. 2.1 Diagram of module nts 第 页 2004-6-10 14 源，并实现控制和保护。它主要包括电动机 1、液压泵 2、过滤器 3、单向阀 4、蓄能器 5、压力表 6、溢流阀 7；高速开关阀 8、 9、压力传感器 10 以及油箱、空气滤清器、液位计等附件；执行装置安装在电梯导靴上，给轿厢提供阻尼力，它包括四套液压缸 11 和蓄能器 12，分别通过 4根高压软管并联在液压站的排油口，工作状态互不影 响。 图 2.7 液压作动器工作原理 1-电动机； 2-液压泵； 3-过滤器； 4-单向阀； 5-蓄能器； 6-压力表； 7-溢流阀； 8， 9-高速开关阀； 10-压力传感器； 11-液压缸； 12-蓄能器 液压作动器工作时，液压泵 2在电动机 1驱动下从油箱吸油，输出的高压油液经过滤器3 过滤后进入蓄能器 5，蓄能器可减小液压泵输出油液的流量和压力脉动。系统输出油液的压力由溢流阀 7调定，可由压力表 6测出并指示，单向阀 4可避免蓄能器的油液冲击过滤器和液压泵。高速开关阀 8、 9接收控制器输出的数字信号分别控制进入和流出液压缸的油液，实现对液压缸内油液压力的调节。液压缸内油液压力通过压力传感器 10 实时检测并输入控制器以实现反馈控制。蓄能器 12 可减小由外负载引起的液压缸内油液压力的高频振荡，有利于提高系统的控制精度。 图 2.7，由高速开关阀 8、 9 的排油口、压力传感器 10 的进油口、液压缸 11、蓄能器12 及它们之间的连接管路所形成的封闭容腔，就是我们所要控制的压力区。该压力区中的压力可用式（ 2-4）表达： V VEp e(2-4) 式中： V-压力区的总容积； V-压力区油液的体积增量； Ee-有效体积弹性模量。 工作液体的有效体积弹性模量可用式（ 2-5）近似计算： gglce EVVEEE1111 （ 2-5） 式中 : Ec-管道等形成压力区的固定容器的弹性模量； nts 第 页 2004-6-10 15 El-液体体积弹性模量物理值； Vg-油液中所含气体容积； Eg-气体的绝热弹性模量， Eg=1.4p 固定容器的体积弹性模量难以精确计算，常以起决定作用的管壁的弹性模量代替，即 pc EDTE （ 2-6） 式中： Ep-油管材料弹性模量 T -油管壁厚 D-油管内径 根据上述公式，设工作油压为 2.5MPa，工作液体含有 1%空气，可计算得有效体积弹性模量Ee为 255MPa。系统中 V=1.86mL， V=250mL，如不施加主动控制可知 p为 1.9MPa。 2.3.3 液压作动 器的关键技术 （ 1）高速开关阀脉宽调制（ PWM）控制 图 2.8工作原理 本系统选用的高速开关阀采用脉冲流量控制方式，开关阀直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作 ,在出口输出一系列的脉冲流。图 2.8工作原理图。脉宽调制器将输入的控制信号与载波信号比较后 ,转化为周期为的脉宽调制信号。如 ( )图中的为计算机计算输出的控制信号 ,通过将该信号与也是计算机输出的一系列作载波信号的锯齿波信号进行比较 ,如果在某一时刻的值大于锯齿波的值 ,则要求阀开 ,否则要求阀关。随后得到 ( )图中所示的一系列控制指令 ,将这一系列控制指令施加到阀的线圈上，在有控制指令电压的时间阀通路打开 ,有流量通过 ,其余的时间内则无流量通过。高速开关阀采用脉宽调制原理来控制其平均流量 ,由于时间非常小 ,常为 0.005 0.15 ,因此 ,可用平均流量来表示这一时间内阀的输出流量。 pACqd 2 （ 2-7） 式中：表示流量系数 ,表示阀口的开口面积 ,表示时间 Ton 与时间之比 , p 表示油的压差 ,表示油的密度。上式表明 ,高速开关阀的流量与时间 Ton与时间之比脉宽占空比成正比。脉宽占空比越大 ,通过高速开关阀的平均流量越大。由于脉宽调制 ( )信号可直接由计算机输出 ,高速开关阀能够直接以数字的方式进行控制 ,不必经 /转换 ,计算机可以根据控制要求发出的脉宽调制信号 ,控制电 机械转换器电磁铁动作 ,从而带动nts 第 页 2004-6-10 16 高速开关阀开或关 ,以控制液压缸进出油液的流量。 高速开关阀采用 PWM控制， PWM控制信号的载波相当于给开关阀增加了一个颤振信号，该颤振信号有助于消除电磁阻尼和库仑阻尼，这样一方面减小了开关阀死区影响，另一方面也消除了阀 控流量的非线性。脉宽调制式液压系统虽然具有较好的性能，但却存在压力波动，大惯量负载时尤为严重。 脉宽调制系统压力波动的来源有两个：其一是阀开关信号本身的谐波分量在输出的体现。该谐波分量对实际系统输出的影响非常小以至在实验中测量不到，故可以忽略；其二是由于开关阀只以全开和全闭两状态动作，系统消除大误差时阀长时间全开可使负载（包括活塞）速度和动能响应到最大，在负载接近期望位置而关闭开关阀时，负载所获得的动能就会与液压缸容腔所形成的液压弹簧及负载弹簧之势能相互转化，这种转化过程使得负载在平衡位置附近波动，直到负载 动能被消耗掉为止，我们称这种波动为系统弹性波动。本系统在认真分析和实验研究的基础上，采用了蓄能器以减小系统波动，并通过系统参数匹配以满足所要求的控制精度。 （ 2）隔振降噪技术 作为主要噪声源的液压泵安装在油箱的液面以下，既可隔声也有助于散热； 采用高压软管连接执行装置，减小液压缸中油液的压力脉动，也可阻止机械振动的传递； 在产生油液压力脉动的源头处采用蓄能器，以吸收压力脉动； 液压缸上安装消声器，降低活塞杆快速移动引起的噪声。 2.4 液压作动器的选型设计 2.4.1 液压缸 液压缸是液压作动器的执 行元件，它的作用时将液体的压力能转变为运动部件的机械能，使运动部件实现往复直线运动或摆动。其性能不仅影响了作动器的响应速度，而且对压力稳定性起着决定作用。受导靴上安装位置限制，其外形尺寸必须专门设计。 图 2.9单杆活塞缸原理图。其活塞的一侧有伸出杆，两腔的有效工作面积不相等。当向缸两腔分别供油，且供油压力和流量相同时，活塞 （或缸体）在两个方向的推力和运动速度不相等。 图 2.9 塞缸 当无杆腔进压力油，有杆腔回油（图 2.9）时，活塞推力 F1和运动速度 v1 分别为 F1=A1p= /4D2p (2-8) 当有杆腔进油压力油，无杆腔回油（图 2.9）时，活塞推力 F2和运动速度 v2分别为 v1=q/A1=4q/ D2 (2-9) nts 第 页 2004-6-10 17 式中 A1缸无杆腔有效工作面积； A2腔有杆腔有效工作面积。 比较上面公式可知： v1F2。即无杆腔进压力油工作时，推力大，速度低；有杆腔进压力 油工作时，推力小，速度高。因此，单杆活塞缸常用于一个方向有较大负载但运行速度较低，另一个方向为空载快速退回运动的设备。 根据振动控制基本理论，液压缸所施加的阻尼力为： maAPFc 22 （ 2-10） 式中： -液压缸内油液压力， MPa： A-液压缸活塞面积， m2； m-电梯轿厢与轿架质量， Kg； a-电梯轿厢振动加速度； m/s2。 所以液压缸内油液压力为 aac MPPAmaP 5.210*5.210*1.3*2 2.0*76002 64 液压缸内油液压力控制目标设定为 acm MPP 05.05.2 经过调研，委托曾为日本企业配套生产 JIS标准小型液压缸的中国烟台未来自动装备有限公司完成非标加工。 该液压缸结构紧凑，体积小，外形美观。由于采用德国 busak+shamban（宝色霞板）公司的星形密封圈，启动压力不大于 0.3Mpa，活塞杆腔油口还装有消声器。其主要技术参数如下： 油缸内径 20mm 最高使用压力 7MPa 最低启动压力 0.3MPa 耐压力 10.5MPa 行程范围 0-30mm 使用速度范围 10-300mm/sec 使用温度范围 -10 -+80 2.4.2 高速开关阀 高速开关阀是液压作动器的关键控制元件，它接受控制器发出的数字信号，对液压缸内油液的压力进行控制，因此其性能直接决定了作动器的响应速度和控制精度。选用中国贵航集团红林机械公司与美国 BKM公司联合研制、生产的 HSV系列高速开关阀。该系列产品结构紧凑、体积小、重量轻、响应快速、动作准确、重复性好、内泄漏小、抗污染能力强、可靠性高 。其性能参数为： 结构 螺纹插装式 材料 不锈钢 额定压力 5MPa 额定流量 4L/min 驱动电压 24V 工作方式 脉冲宽度调制 脉宽范围 20%-80% 工作频率 最大工作频率不小于 200Hz 动态响应时间 开启时间 2.5ms，关闭时间 3.5ms nts 第 页 2004-6-10 18 重复精度 0.05ms 温度范围 -40 -+135 使用寿命 不小于 109次 2.4.3 压力传感器 压力传感器是液压作动器的检测元件，它对液压缸内油液压力的进行实时检测，然后将压力信号快速反馈给控制器，因此要求反应时间短、精度高、稳定性好。选用德国Hydrotechnik（海德泰尼克）公司的 HT-PD系列 3403-21-C3.37型压力传感器，其技术参数为： 测量原理 WSG薄膜 /相对压力原理 测量信号输出 4-20mA（ 2线） 供电电压 10-30VDC 过载保护 最大 35VDC 电流消耗 12mA 非线性及滞后 0.5% 误差 温度在 -40 -+100范围内为 1.5% 重复性 0.1% 机械超载能力 1.5公称压力 爆破压力 3公称压力 工作温度 -40 -+100 介质温度 -40 -+130 长期稳定性 0.1%/年 防护等级 IP40-IP69K 疲 劳寿命 10 107个循环 频率响应 从 DC 到大于 1kHz 反应时间 1ms 绝缘性能 最小 100M 材料 不锈钢 2.4.4 液压泵和驱动电机 液压泵是液压系统的动力元件，它是将输入的机械能转换为液体的压力能的能量转换装置。液压泵的作用是在电动机的驱动下从油箱吸油，为整个液压作动器提供压力油源，要求其结构紧凑，噪声小，输出油液流量稳定，工作可靠，使用寿命长。驱动电机要求启动力矩大，并能承受频繁启 动。 液压泵的工作原理如图 2.10。偏心轮 6 在原动机的带动下旋转时，柱塞 5 在缸体 4 内上下移动。当柱塞向下移动时，缸体内的密封工作容积 a增大，其内压力降低，单向阀 3 关闭；当其压力降低到低于大气压时，形成真空，油箱内的油液在大气压力的作用下顶开单向阀 )进入缸体内，实现了吸油。当柱塞向上移动时，工作腔 a 的容积逐渐减小，油液受到柱塞的挤压后压力升高，单向阀 1关闭；当压力升高到一定数值时，单向阀 3被打开，油液进入液压系统，实现了压油。这样液压泵就将原动机输入的机械能转换成为液体的压力能。由上述可知，液压 泵是通过密封容积的变化完成吸油和压油的。 nts 第 页 2004-6-10 19 图 2.10 压泵工作原理 根据液压传动的知识，每个液压缸所需油液流量为 vAQc （ 2-11） 式中： v -液压缸活塞运动速度， v =3.6cm/s； A-液压缸活塞面积， A=3.1cm2； 液压泵所需提供的流量为 vcp QQ 4（ 2-12） 式中： v-综合考虑各种泄漏引入的容积效率，v=0.8。 泵的输入功率 Pi 原动机对泵的输出功率即为泵的输入功率，它表现为原动机输出转矩 T 与泵输入轴转速 ( =2 m)的乘积。即 Pi=2 nT (2-13) 现在已选定了泵为单向定量泵，并计算出了所需泵的容积效率，则可用公式 计算泵所需要的输入功率。 液压泵驱动电机的功率为 ppQP （ 2-14） 式中： p -液压泵的工作压力， p =5MPa； -液压泵的机械效率， =0.9 经过计算，液压泵流量 =3348mL/min，驱动电机功率 P=310W，选用意大利 lamborghini（兰博希尼）公司生产的 HLPD/L0513D型齿轮泵，其排量为 1.3mL/r，最高使用压力 20MPa，最高转速 3500r/min。驱动电机选用中国上海金陵有限公司生产的 220V/550W/2800rpm 立式单相电容起动交流异步电机，该电机起动转矩大，应用广泛。驱动电机和液压泵之间的联轴器委托中国上海敏泰科 技有限公司加工。 nts 第 页 2004-6-10 20 2.4.5 蓄能器 蓄能器是液压系统中的贮能元件。它能贮存一定量的压力油，并在需要时迅速地或适量地释放出来，供系统使用。随着液压传动技术向高压化、高性能化发展，蓄能器在节能、补偿压力、吸收压力脉动、缓和冲击、提供应急动力、输送特殊液体方面所发挥的作用会越来越大。在液压系统中，蓄能器主要起贮存和释放压力能的作用，还可吸收及消除压力脉动，其结构形式主要有活塞式、皮囊式、隔膜式三种。与前两种相比，隔膜式蓄能器具有体积小、重量轻、响应快等诸多优点。根据液压作动器消除压力脉动的需要，我们选用德国 Hydak（贺德克）公司生产的 SBO210-0.32E1112A9-210AK隔膜式蓄能器，最大允许工作压力为 21MPa。该蓄能器具有以下特点： （ 1）质量可靠，外壳经过 0-33MPa交变冲击 100万次，爆破压力 100MPa以上； （ 2）使用寿命长，正确使用和维护的情况下，使用寿命可达 15 - 20年。 （ 3）通过几乎所有世界权威机构的认证，如欧盟认证、 TV 安全认证、中国劳动部安全使用许可证等。 （ 4）应用范围广，通过特有的塑料防腐或其他化学镀镍的方法，可应用于化工等领域。 （ 5）效率高，气密性好，无泄漏。 （ 6）可直接与管路连接，省去支承抱箍。 畜能器在安装和使用时应注意一下问题： （ 1）蓄能器是压力容器，搬运和装拆时应先将充气阀打开，排出充入的气体，以免因振动或碰撞而发生意外事故。 （ 2）蓄能器应将油口向下竖直安装，且应有牢固的固定装置。 （ 3）液压泵与蓄能器之间应设置单向阀，以防止停泵时，蓄能器的压力油向泵倒流。蓄能器与液压系统连接处应设置截止阀，供充气、调整或维修时使用。 （ 4）用于吸收液压冲击和脉动的蓄能器，应尽可能地装在冲击源或脉动源附近，并便于检修。 （ 5）蓄能器的充气压力应在系统最低工作压力的 90和系统最高工作压力的 25之间选取。蓄能器的容量，则应根据其用途不同而用不同的方法确定。 2.4.6 溢流阀、单向阀和压力表 （ 1）溢流阀 溢流阀是利用作用于阀芯上的液体压力和弹簧力相平衡的原理来进行工作的。溢流阀的作用是维持液压泵的输出压力，兼有过载保护的功能。常用的溢流阀有直动式和先导式两种。直动式溢流阀是依靠系统中的压力油直接作用在阀芯上与弹簧力相平衡，以控制阀芯的启闭动作的溢流阀。图 为一低压直动式溢流阀。进油口 P的压力油经阀芯 3上的阻尼孔 a通入阀芯底部，当进油压力较小时，阀芯在弹簧 2的作用下处 于下端位置，将进油口 P和与油箱连通的出油口 T隔开，即不溢流。当进油压力升高，阀芯所受的油压推力超过弹簧的压紧力Fs 时，阀芯抬起，将油口 P和 T连通，使多余的油液排回油箱，即溢流。阻尼孔 a 的作用是减小油压的脉动，提高阀工作的平稳性。弹簧的压紧力可通过调整螺母 1调整。 nts 第 页 2004-6-10 21 图 2.11 直动式溢流阀 1调整螺母 2弹簧 3阀芯 当通过溢流阀的流量变化时，阀口的开度也随之改变，但在弹簧压紧力 Fs 调好以后作用于阀芯上的液压力 p Fs/A（ A为阀芯的有效作用面积）。因而，当不考虑阀芯自重、摩擦力和液动力的影响时 ，可以认为溢流阀进口处的压力 p基本保持为定值。故调整弹簧的压紧力 Fs，也就调整了溢流阀的工作压力 p。 在液压作动器中选用台湾朝田（ KOMPASS）公司的 DG-02型直动溢流阀，其性能指标为： 最高使用压力 25MPa 压力调整范围 1-7MPa 最大流量 16L/min 该溢流阀的性能曲线如图 2.12、 2.13所示。 图 2.12 最低调节压力 -流量曲线 nts 第 页 2004-6-10 22 图 2.13 压力 -流量曲线 （ 2）单向阀 单向阀在液压作动器中的作用是防止蓄能器里的压力油向液压泵回 流，要求正向开启压力小，反向密封可靠。选用中国上海立新液压件厂的 S6A1.0/2型单向阀，其技术参数如下： 通径 6mm 额定流量 125L/min 最高使用压力 21MPa 开启压力 0.4MPa （ 3）压力表 压力表在液压作动器中的作用是指示液压泵输出油液的压力。选用中国上海天川压力表厂生产符合 GB/T1226-2001标准的 Y-60型压力表。其性能参数为： 公称直径 60mm 测量范围 0-6MPa 精度等级 2.5级 2.4.7 过滤器、空气滤清器和液位计 （ 1）过滤器 过滤器的功用是清除油液中的各种杂质，以免其划伤、磨损、甚至卡死有相对运动的零件，或堵塞零件上的小孔及缝隙，影响系统的正常工作，降低液压元件的寿命，甚至造成液压系统的故障。用过滤器对油液进行过滤是十分重要的。 选用过滤器的基本要求： （一） 应有适当的过滤精度 （二） 有足够的过滤能力 （三）
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