【正文】 目 錄第1章 緒論 1 1 國外液壓電梯的發(fā)展簡況 1 國內(nèi)液壓電梯的發(fā)展簡況 2 液壓電梯工作原理概述 2 液壓電梯的技術(shù)特點(diǎn) 4 液壓電梯的性能要求 4 液壓電梯的優(yōu)點(diǎn) 4 液壓電梯的缺點(diǎn) 5 本論文的選題意義及研究內(nèi)容 5 本論文的選題意義 5 本論文的研究內(nèi)容 6第2章 液壓電梯的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 8 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 液壓缸的設(shè)計(jì) 10 同步伸縮液壓缸的工作原理 10 同步伸縮缸的參數(shù)計(jì)算 11 缸蓋和活塞頭設(shè)計(jì) 15 柱塞缸和各級活塞缸的長度計(jì)算 18 液壓缸的密封 20 泵和電機(jī)的選擇 21 泵排量的計(jì)算 21 電機(jī)的選擇 21 液壓管路的設(shè)計(jì) 22 管路內(nèi)徑的選擇 22 管道壁厚計(jì)算 23 油箱設(shè)計(jì) 23 過濾器的設(shè)計(jì) 24 閥的選擇 24 單向閥的選擇 24 電磁溢流閥 24 節(jié)流閥 24 本章小結(jié) 25第3章 電梯液壓系統(tǒng)模型的建立 26 28 泵的數(shù)學(xué)模型 28 單向閥的數(shù)學(xué)模型 29 比例流量閥的數(shù)學(xué)模型 29 液壓橋的數(shù)學(xué)模型 31 液控單向閥的模型 32 液壓缸的數(shù)學(xué)模型 32 系統(tǒng)上行的模型 35 電梯下行的數(shù)學(xué)模型 36 本章小結(jié) 38第4章 電梯液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真 39 simulink簡介 39 40 供油子系統(tǒng)的仿真模型 41 液壓橋和液控單向閥組成調(diào)整子系統(tǒng)的仿真模型 41 三級同步液壓缸構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)的仿真模型 42 電梯上行液壓系統(tǒng)的仿真 46 電梯上行液壓缸的速度曲線 47 電梯上行液壓缸的位移仿真曲線 49 電梯上行液壓缸各級缸筒壓力仿真曲線 49 本章小結(jié) 50第5章 電梯液壓系統(tǒng)的PID控制 51 PID控制原理 52 位置PID控制算法 53 數(shù)字PID控制算法的該進(jìn) 54 液壓電梯液壓系統(tǒng)的PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真 56 PID控制器設(shè)計(jì) 56 采樣周期的確定 57 PID控制器參數(shù)整定 58 電梯液壓系統(tǒng)PID控制器仿真 58 本章小結(jié) 64結(jié)論與展望 65致 謝 67參考文獻(xiàn) 68第1章 緒論電梯的廣泛使用早已成為工業(yè)化社會的標(biāo)志之一，目前在發(fā)達(dá)國家里，電梯早已經(jīng)進(jìn)入了人們的日常生活。液壓電梯是多層建筑中安全、舒適的垂直運(yùn)輸工具，也是廠房、倉庫中最廉價(jià)的重型垂直運(yùn)輸設(shè)備。但由于水壓波動及生銹問題難以解決，不久就出現(xiàn)了油壓直接式的液壓電梯。雖然19世紀(jì)中葉倫敦金融城區(qū)內(nèi)的辦公樓就開始使用液壓電梯，但真正大規(guī)模推廣使用是從50年代末開始，60年代進(jìn)入持續(xù)穩(wěn)定增長期，70年代液壓電梯進(jìn)入迅猛發(fā)展階段，80年代液壓技術(shù)更加成熟，其市場占有率逐步增加[2]。 國內(nèi)液壓電梯的發(fā)展簡況我國液壓電梯的研制開發(fā)工作始于1977年，在當(dāng)時的第一機(jī)械部起重機(jī)械研究所主持下，試制了兩臺采用通用液壓元件的液壓電梯，但由于經(jīng)驗(yàn)不足，一些技術(shù)指標(biāo)未能達(dá)到預(yù)期的性能要求[9]。液壓電梯不僅具有運(yùn)行平穩(wěn)、舒適性好、故障率低、安裝靈活等特點(diǎn)，而且能達(dá)到整體協(xié)調(diào)、豪華和重載的要求，因此，液壓電梯首先可以用做商場、賓館、高級飯店、體育場、娛樂場等豪華建筑和古典建筑中的觀光電梯與重載電梯。這些液壓電梯市場的啟動，將推動液壓電梯生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，成本進(jìn)一步降低。液壓電梯的液壓傳動系統(tǒng)包括以下幾個主要部件:(a)、液壓泵站，即電機(jī)、油泵、油箱。(c)、油缸，動力執(zhí)行元件，將油液的壓力能轉(zhuǎn)換為與其直接聯(lián)接的轎廂運(yùn)動機(jī)械能。液壓電梯的控制系統(tǒng)是一個速度控制系統(tǒng)。當(dāng)轎廂與所選層站水平時，電梯又捕捉到井道中的停止信號，控制系統(tǒng)關(guān)閉所有的上行閥，隨后油泵電機(jī)停止工作，電梯停在所選層站，同時液壓控制系統(tǒng)中的單向閥阻止油液流回油箱，轎廂保持靜止。上述特點(diǎn)使得液壓電梯適合于中低層建筑(40m)、大載重 (1t)、舊屋改造等場合，如倉庫、停車場、機(jī)場等等，或者在古典建筑、舊房中增設(shè)電梯。2）、經(jīng)濟(jì)性液壓電梯結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，維護(hù)費(fèi)用低廉，是其保持強(qiáng)有力的市場競爭的根本。液壓電梯靠油管傳遞動力，因此，機(jī)房位置可設(shè)置在離井道周圍20m的范圍內(nèi)，且機(jī)房面積僅45m，再也不需要用傳統(tǒng)方式將機(jī)房設(shè)置在井道上部，可使建筑結(jié)構(gòu)簡化。一般液壓電梯不設(shè)置對重裝置，故可提高井道面積的利用率。 液壓電梯的缺點(diǎn)由于輸入功率、控制及結(jié)構(gòu)等條件的限制，一般液壓電梯的升程有限(40m)，速度不高(lm/s以下)。溫度及載荷變化對液壓電梯的起制動、加減速有一定的影響。由于我國對液壓電梯的研制、開發(fā)起步較晚, 雖已有一些單位開展研究、生產(chǎn), 但國產(chǎn)化程度不高, 主要依靠進(jìn)口。對于這些大載重量電梯, 宜采用對稱布置的雙缸直頂支承方式, 可使轎廂處于相當(dāng)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。本論文在對液壓電梯的具體工作情況做了詳細(xì)分析后，設(shè)計(jì)了一個較優(yōu)化的電梯液壓系統(tǒng)，然后根據(jù)轎廂的載重和計(jì)劃運(yùn)行速度，對各個液壓元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，最后結(jié)合實(shí)際情況對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，得出系統(tǒng)運(yùn)行的曲線。本論文中采用雙缸支承電梯轎廂如圖11，這種方式在電梯運(yùn)行時，兩個液壓缸同時對轎廂提供牽引力，這樣不僅節(jié)約了在電梯運(yùn)行時液壓缸的行程，降低了液壓缸的制造成本和安裝空間，而且保證了電梯運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性和安全性。這種建模方法不僅降低了建模的復(fù)雜程度，節(jié)省了建模的時間，而且這種模型在出現(xiàn)問題時更利于改進(jìn)。4）、電梯液壓系統(tǒng)的PID控制在對電梯液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真后，得到了液壓缸運(yùn)行的速度、壓力和位移曲線，分析各級缸筒的曲線，可以看出液壓缸的缸筒的各級速度曲線總體運(yùn)行都符合設(shè)計(jì)要求，但是缸筒速度的振動較大，這使得電梯不能穩(wěn)定的運(yùn)行。隨著今后人民生活水平的日益提高, 多層建筑也將安裝電梯, 而液壓電梯則是最適宜的機(jī)種。根據(jù)實(shí)際情況和參照相關(guān)電梯承載的參數(shù)，我設(shè)定液壓電梯的總負(fù)載（包括電梯本身自重）為3000Kg，電梯行程為12m，由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大, 綜合結(jié)構(gòu)剛度較差, 若采用單缸承重, 偏載較大時會嚴(yán)重影響電梯的運(yùn)行平衡性, 加劇導(dǎo)軌的磨損, 因此宜采用雙缸支承[23]。本液壓系統(tǒng)也采用節(jié)流調(diào)速系統(tǒng), 上行時為旁路節(jié)流調(diào)速, 下行時為回油節(jié)流調(diào)速[25], 液壓系統(tǒng)原理見圖22。電梯下行是靠轎廂及載荷的自重作用實(shí)現(xiàn)的。而當(dāng)電磁閥得電后,可以實(shí)現(xiàn)反向通流。 液壓缸的設(shè)計(jì)在機(jī)械制造行業(yè)中，液壓傳動已成為必不可少的一門技術(shù)而普遍地應(yīng)用于各種機(jī)械、機(jī)床和設(shè)備中，發(fā)揮著獨(dú)特地、極為重要地作用。作為執(zhí)行元件，液壓缸是液壓系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，液壓缸性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)械系統(tǒng)的工作性能。液壓電梯的液壓缸需要安裝空間不大但伸縮長度較長，所以選擇伸縮液壓缸。同步伸縮缸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖23，從各級缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證：第三級活塞背腔環(huán)形作用面積與第二級活塞的前腔作用面積足夠近似相等即；并且溝通容腔和，即可實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行[14]。這樣系統(tǒng)壓力大于而小于時，就開始補(bǔ)油。簡圖如圖24，根據(jù)方程組21可推得如下方程： （22）化簡為： （23）由于各級的相對速度想等，即，所以得如下方程組： （24）即等于： （25）圖24 液壓缸缸筒簡圖獲得以上公式后，可以根據(jù)電梯工作情況的要求，按照上面的公式來計(jì)算同步液壓缸的具體尺寸，但是實(shí)際設(shè)計(jì)中由于密封件和鋼管材料規(guī)格的限制，和不可能取得計(jì)算數(shù)值，而制作符合計(jì)算數(shù)值精度的密封件具有一定難度且價(jià)格過高，所以只能根據(jù)現(xiàn)有密封件和缸筒材料，在滿足電梯液壓系統(tǒng)運(yùn)行條件的情況下，選擇接近計(jì)算數(shù)值的尺寸。表22 選定參數(shù)85125170150230所以可以綜合列出液壓缸設(shè)計(jì)的綜合參數(shù)如下表：表23 基本參數(shù)表名稱（參數(shù)）值同步缸級數(shù)3活塞桿直徑（mm）85125170包括轎廂總負(fù)載（Kg）：Q3000行程（m）：L12轎廂速度（m/s）：v電梯支承方式：直頂式要使三級活塞上下運(yùn)動的速度基本相同，行程也相同，這要求第三級活塞環(huán)形面積等于第二級活塞下腔面積，以此類推，根據(jù)這個原理來計(jì)算液壓缸的相關(guān)尺寸。密封裝置的優(yōu)劣將直接影響液壓缸的工作性能。密封效果決定了液壓缸的容積效率。密封件的材料和系統(tǒng)采用的工作介質(zhì)要有相容性。其最高工作壓力為4OMPa，溫度30100。 泵和電機(jī)的選擇 泵排量的計(jì)算排量為液壓泵主軸旋轉(zhuǎn)一周所排出的液體體積，又因?yàn)椋ㄆ渲袨楦骷壔钊麠U的相對速度），那么可以知道。通過以上計(jì)算液壓泵站需要使用40kw電動機(jī)，GR608M 600液壓泵，流量集成閥。 管路內(nèi)徑的選擇管路內(nèi)徑應(yīng)與要求的通流相適應(yīng)，管徑太小則流速將增高，這不僅使壓力損失降低，而且可能產(chǎn)生振動和噪聲；管徑過大，則難于彎曲和安裝，而且將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，所以必須合理選擇管徑。油箱體積小時，占用空間少，成本降低，但散熱條件不足?！?jīng)驗(yàn)系數(shù)。本系統(tǒng)中取4min，其中,那么 取 過濾器的設(shè)計(jì)該液壓系統(tǒng)在回油路上設(shè)置過濾器，在系統(tǒng)油液流回油箱之前，過濾器將外界侵入系統(tǒng)的和系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的污染物濾除，為系統(tǒng)提供清潔的油液。 電磁溢流閥電磁溢流閥由小規(guī)格電磁換向閥與溢流閥符合而形成，它具有溢流閥的全部作用且可通過電磁閥的通斷電來控制，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的卸荷或多級壓力控制。 本章小結(jié)本章主要對液壓電梯的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，先根據(jù)實(shí)際的情況確定電梯的背景和工作情況，然后根據(jù)具體要求確定其液壓系統(tǒng)原理圖。第3章 電梯液壓系統(tǒng)模型的建立在完成液壓系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)和液壓元件初步選擇之后，需要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析。而建立一個較精確的描述液壓系統(tǒng)動態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型又是仿真的前提和關(guān)鍵，是為了提高動態(tài)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確程度。然后根據(jù)液壓系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)特征將液壓元件子系統(tǒng)模型組合成液壓大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在利用拓?fù)浼夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的建模時，可以更方便的對整個系統(tǒng)模型進(jìn)行分析和調(diào)整，減少了系統(tǒng)分析的時間，提高了工作效率?！壤髁块y，由減壓閥和節(jié)流閥組合而成，用于調(diào)速。、—三級同步液壓缸。電梯上行的時候，電機(jī)拖動液壓泵正常供油，調(diào)節(jié)比例流量閥進(jìn)行旁路節(jié)流調(diào)速，來控制電梯啟動上行的速度，使得電梯轎廂進(jìn)行勻加速運(yùn)動，保證電梯運(yùn)行平穩(wěn)。 泵的數(shù)學(xué)模型用液壓泵的型號為GR608M 600，轉(zhuǎn)速為1500r/min，油泵的模型簡圖如下圖31所示，設(shè)進(jìn)口油壓為，出油口的壓力，考慮到油液的泄露量和可壓縮性，可以建立如下的子模型[33]：其中：—液壓泵的實(shí)際流量。—油液體積彈性模量。而比例流量閥是由定差減壓閥在負(fù)載變化時，對節(jié)流閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償，使節(jié)流閥前后壓力差在負(fù)載變化時保持不變[24]。建立液壓橋的模型可以分開看成兩個單向閥和一個比例流量閥組成的。那么 、—液控單向閥的進(jìn)出口壓力那么，液控單向閥的模型可以寫成： 液壓缸的數(shù)學(xué)模型Ⅲ環(huán)節(jié)①從彈性液體流量連續(xù)性方程，可以得到泵輸出流量到缸的壓力變化過程的動態(tài)微分方程式:上式中的容腔包括兩個部分:一是基本固定不變的管路容腔容積。在電梯下行過程中，電控單向閥得電后反向通流，相當(dāng)于一個通流的油管，所以此處可以不考慮液控單向閥的模型。所以，可以得到電梯下行時候系統(tǒng)的總模型： 本章小結(jié)本章對己經(jīng)設(shè)計(jì)完成的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，該液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以分為液壓電梯上行階段和下行階段，本章中詳細(xì)分析了液壓電梯上行過程中的具體情況，并建立了其具體的數(shù)學(xué)模型。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。（3）以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理 。（7）使用定步長或變步長運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型 。總體來說，simulink有兩個明顯的功能:仿真和連接，即在Simulink環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。在電梯上行的過程中，我們根據(jù)上一章建立的液壓系統(tǒng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以把整個系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：液壓泵、單向閥和調(diào)速閥組成供子油系統(tǒng)；液壓橋和液控單向閥組成調(diào)整子系統(tǒng)；三級同步液壓缸構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)，下面對三個子系統(tǒng)分別建立仿真模型，然后再組成系統(tǒng)的總體仿真模型，進(jìn)行仿真，這樣具有很強(qiáng)的可觀性和內(nèi)部可移植性，給程序調(diào)試和設(shè)計(jì)帶來很大方便[28]。這個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Subsystem數(shù)學(xué)模型如下:消去系統(tǒng)模型中的過渡部分，可以得其仿真模型框圖Subsystem3如圖41： 圖41 供油子系統(tǒng)的仿真框圖 液壓橋和液控單向閥組成調(diào)整子系統(tǒng)的仿真模型液壓油由供油子系統(tǒng)提供，依次流經(jīng)液壓橋的單向閥、比例節(jié)流閥、單向閥和液控單向閥[32]。而液壓缸是三級同步液壓缸，故在研究液壓缸活塞運(yùn)動時需要討論液壓缸的每一級柱塞的運(yùn)動的速度、位移和壓力，才能更好的分析電梯液壓系統(tǒng)的運(yùn)行效果并作出合理改進(jìn)。為此我們將在下一章討論改進(jìn)系統(tǒng)使速度運(yùn)動平穩(wěn)。圖412 各級液壓缸的位移曲線 電梯上行液壓缸各級缸筒壓力仿真曲線電梯的運(yùn)動過程中，電梯載重是不斷變化的，在本系統(tǒng)的仿真過程中，我