【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 4）、電梯液壓系統(tǒng)的 PID 控制 在對(duì)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(jí)缸筒的曲線，可以看出液壓缸 的缸筒的各級(jí)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(dòng)較大，這使得電梯不能穩(wěn)定的運(yùn)行。綜合考慮，對(duì)電梯液壓系統(tǒng)加入了 PID 控制器，以減少液壓缸速度運(yùn)行的誤差。在加入了 PID 控制器后，液壓缸缸筒在啟動(dòng)過(guò)程中的調(diào)整時(shí)間減少，速度變得平穩(wěn)，增加了電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。 第 2 章 液壓電梯的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 隨著人們生活水平的不斷提高，電梯已經(jīng)廣泛運(yùn)用于人們?nèi)粘Ｉ钪?，而液壓電梯則是電梯中的一個(gè)重要梯種，液壓電梯具有機(jī)房設(shè)置靈活、對(duì)井道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求低、運(yùn)行平穩(wěn)、載重量大 , 以及故障率低等優(yōu)點(diǎn) , 在國(guó)外中、低層建筑中的應(yīng)用已相當(dāng)普遍 , 我國(guó)對(duì)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(guó)產(chǎn)化程度不高 , 主要依靠進(jìn)口。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。另外 , 舊房改造對(duì)液壓電梯也將會(huì)有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場(chǎng)合 , 如汽車梯、船用平臺(tái)等 , 由于液壓電梯具有功率重量比大、設(shè)置安裝靈活的優(yōu)點(diǎn) , 尤其適用。對(duì)于這些大載重量電梯 , 宜采用對(duì)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) [16]。 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，運(yùn)行平穩(wěn)速度為 ， 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(shí)會(huì)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]。雙缸液壓電梯的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 21所示。電梯為四層四站 , 每 層高 3米 , 采用直頂支承方式 , 兩柱塞缸左右對(duì)稱布置 , 分別立于相應(yīng)導(dǎo)軌一側(cè) 。 1為電梯轎廂 2為支承液壓 缸 圖 21 液壓電梯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 液壓電梯中用得最多的液壓系統(tǒng)是節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。本液壓系統(tǒng)也采用節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) , 上行時(shí)為旁路節(jié)流調(diào)速 , 下行時(shí)為回油節(jié)流調(diào)速 [25], 液壓系統(tǒng)原理見圖 22。 1. 泵 2. 電機(jī) 3. 單向閥 4. 電磁溢流閥 5. 比例流量閥 6. 手動(dòng)節(jié)流閥 7, 8. 比例節(jié)流閥 9, 10. 液壓轎 11, 12. 電控單向閥 13, 14. 油缸 15. 手動(dòng)下降閥 16. 回油濾油器 17. 進(jìn)油濾油器 18. 高壓濾油器 19. 壓力表開關(guān) 20. 壓力表 21. 油箱 圖 22 液壓電梯液壓系統(tǒng)原理圖 電梯上行需由泵源驅(qū)動(dòng)。電機(jī)啟動(dòng)時(shí) ,電磁溢流閥 4 失電 ,泵卸荷 ,比例流量閥 5的開度為最大 ,而后電磁溢流閥通電 ,此時(shí)調(diào)節(jié)比例流量閥的開度即可實(shí)現(xiàn)電梯的旁路調(diào)速。系統(tǒng)的安全工作壓力為溢流閥的調(diào)定壓力。 電梯下行是靠轎廂及載荷的自重作用實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有下行召喚信號(hào)出現(xiàn)時(shí) ,打開電控單向閥 1 12,調(diào) 節(jié)比例流量閥就能實(shí)現(xiàn)電梯的回油節(jié)流調(diào)速。 雙缸的同步運(yùn)動(dòng)通過(guò)調(diào)節(jié)兩比例節(jié)流閥 8 來(lái)實(shí)現(xiàn) ,由于比例節(jié)流閥只能沿一個(gè)方向通流 ,需加液壓橋路 10, 使得電梯上、下運(yùn)行時(shí)這兩個(gè)比例閥都能正常工作。電控單向閥由普通液控單向閥改裝而成 ,電磁閥失電時(shí)像普通單向閥一樣正向通流 , 反向截流 。而當(dāng)電磁閥得電后 ,可以實(shí)現(xiàn)反向通流。由于電控單向閥不采用間隙密封 , 不會(huì)發(fā)生泄漏 , 因此可有效解決液壓電梯的自動(dòng)沉降難題。手動(dòng)節(jié)流閥 6在電梯試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)用來(lái)調(diào)整雙缸液壓管路的沿程壓力損失。手動(dòng)下降閥 15又叫應(yīng)急閥 ,當(dāng)電網(wǎng)突然斷電或液 壓系統(tǒng)因故障無(wú)法運(yùn)行時(shí) ,操縱手動(dòng)下降閥就可使電梯以安全低速 ()下降 [26]。 液壓缸的設(shè)計(jì) 在機(jī)械制造行業(yè)中，液壓傳動(dòng)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。液壓缸是液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件，它將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，使用維修方便，所以比液壓馬達(dá)，擺動(dòng)液壓馬達(dá)應(yīng)用更為廣泛。液壓缸能與各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相配合，完成復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了它的運(yùn)用范圍。作為執(zhí)行元件，液壓缸是液壓系統(tǒng)的最后一個(gè)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。所以液壓缸必須根據(jù)不同的機(jī)械系統(tǒng)和具體工況來(lái)設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)計(jì)效果。因此，做好液壓缸設(shè)計(jì)必須首先對(duì)各種形式的液壓缸的特點(diǎn)有充分的了解，做好選型工作，然后再根據(jù)具體情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 同步伸縮液壓缸的工作原理 液壓缸是這個(gè)液壓系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，由于液壓電梯的重載和穩(wěn)定運(yùn)行的特性，則需要根據(jù)具體情況來(lái)設(shè)計(jì)液壓缸。液壓電梯的液壓缸需要安裝空間不大但伸縮長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以選擇伸縮液壓缸。由于載人液壓電梯的速度不能有突變，其速度曲線必須是平滑連續(xù)的，所以需要 伸縮液壓缸的各級(jí)是同步伸出的，如果逐級(jí)伸出，那么會(huì)導(dǎo)致轎廂速度突變，并產(chǎn)生較大的振動(dòng)。因此在液壓電梯的液壓系統(tǒng)中，不能使用普通多級(jí)伸縮液壓缸，需要使用各級(jí)柱塞同時(shí)運(yùn)動(dòng)同時(shí)停止的多級(jí)同步液壓缸 [4]。與普通多級(jí)伸縮缸的最大不同之處在于同步伸縮缸的各級(jí)柱塞桿的出桿速度是相等的。 同步伸縮缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 23，從各級(jí)缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證：第三級(jí)活塞背腔環(huán)形作用面積 3A環(huán) 與第二級(jí)活塞的前腔作用面積 2A 足夠近似相等即 23AA?環(huán) ；并且溝通容腔 3olV 環(huán) 和 2olV ，即可實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行 [14]。當(dāng)三級(jí)活塞位移變化 3x 時(shí)，容腔 3olV 環(huán) 被壓縮了 33 xA?? ?環(huán) ，排出油液進(jìn)入容腔 2olV ，使二級(jí)活塞現(xiàn)對(duì)三級(jí)活塞產(chǎn)生位移2/A? ，即： 2 3 2 33//x x A A x? ? ? ? ? ?環(huán)可得： 232xx? 進(jìn)一步微分可得： 232vv? 再微分可得： 232aa? 同理可得到： 133xx? 13vv? 133aa? 從以 上分析可知：結(jié)構(gòu)上的近似相等的設(shè)計(jì)和被忽略的因素存在，多級(jí)同步伸縮缸不可能完全同步，一定存在同步誤差。右圖中，缸筒 2和缸筒 3底部活塞上來(lái)補(bǔ)油，用來(lái)消除因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和被忽略因素影響而產(chǎn)生的同步誤差，在正常工作時(shí)，由于第二級(jí)的壓力明顯高于第三級(jí)壓力，此單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)。單向閥的開啟壓力 0P 應(yīng)設(shè)計(jì)成低于第三級(jí)活塞密封件的總靜摩擦力折算的當(dāng)量壓力 fdP 。這樣系統(tǒng)壓力大于 0P 而小于 fdP 時(shí)，就開始補(bǔ)油。 同步伸縮缸的參數(shù)計(jì)算 在大多數(shù)電梯生產(chǎn)企業(yè)，他們的液壓電梯中的多級(jí)同步伸縮液壓缸大多形成型譜表，型譜表中規(guī)定了不同系列的三級(jí)同步伸縮液壓缸的各級(jí)活塞桿的外徑尺寸，有些還各級(jí)有缸頭尺寸，對(duì)本系統(tǒng)中同步液壓缸的設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值。在設(shè)計(jì)三級(jí)同步伸縮缸時(shí)，首先根據(jù)同步原理計(jì)算相關(guān)參數(shù)，然后根據(jù)實(shí)際情況參考相關(guān)產(chǎn)品的型譜圖來(lái)選擇具體的參數(shù) [15]。 根據(jù)同步原理可得下面方程組： 1 1 2 22 2 3v A v Av A v A??? ??環(huán)3環(huán) （ 21） 方程組 21中都是相對(duì)速度而不是絕對(duì)速度，就是說(shuō) 1v 是柱塞桿Ⅰ相對(duì)于柱塞Ⅱ的現(xiàn)對(duì)速度， 2v 是柱塞桿Ⅱ相對(duì)于柱塞桿Ⅲ的相對(duì)速度， 3v 是柱塞桿Ⅲ相對(duì)于缸筒Ⅳ的相對(duì)速度 [14]。簡(jiǎn)圖如圖 24，根據(jù)方程組 21可推得如下方程： 2 2 21 1 2 2 22 2 22 2 3 3 3()44()44v d v D dv D v D d????? ?????? ???? （ 22） 化簡(jiǎn)為： 221 2 2221221 2 2221v D dvdv D dvd? ????? ?? ??? （ 23） 由于各級(jí)的相對(duì)速度想等，即 1 2 3v v v??，所以得如下方程組： 222 1 2223 2 3D d dD D d? ???????? （ 24） 即等于： 222 1 22 2 23 1 2 3D d dD d d d? ????? ? ??? （ 25） 圖 24 液壓缸缸筒簡(jiǎn)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(lái)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， id 和 iD 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(guò)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。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和查閱各種密封件規(guī)格資料，并結(jié)合實(shí)際 情況參考同類產(chǎn)品規(guī)格，確定如下表 21所示的三級(jí)同步伸縮液壓缸的型譜計(jì)算表 [20]。表 21中，計(jì)算值是指按照 24方程組計(jì)算所得數(shù)值，實(shí)際值是參照計(jì)算值對(duì)照密封件和鋼管材料所取得實(shí)際各級(jí)缸筒的內(nèi)徑和外徑，速度比反映了同步誤差大小。 表 21 液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算型譜表 1d 2d 3d 2D計(jì) 算 2D實(shí) 際 3D計(jì) 算 3D實(shí) 際 12/vv 23/vv 13/vv 35 55 75 65 100 40 60 90 72 115 50 75 100 90 135 63 85 120 105 160 75 105 140 130 190 85 125 170 150 230 100 150 210 180 280 125 170 240 210 320 150 200 280 250 250 380 1 實(shí)際設(shè)計(jì)的三級(jí)同步伸縮液壓缸時(shí)，綜合考慮實(shí)際情況并參考三菱電梯的相關(guān)參數(shù)，取如下參數(shù)為同步伸縮缸的實(shí)際尺寸。 表 22 選定參數(shù) 1d 2d 3d 2D 3D 85 125 170 150 230 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(jí)數(shù) 3 活塞桿直徑（ mm） 1d 85 2d 125 3d 170 包括轎廂總負(fù)載（ Kg）： Q 3000 行程（ m）： L 12 轎廂速度（ m/s）： v 電梯支承方式： 直頂式 要使三級(jí)活塞上下運(yùn)動(dòng)的速度基本相同，行程也相同，這要求第三級(jí)活塞環(huán)形面積等于第二級(jí)活塞下腔面積，以此類推，根據(jù)這個(gè)原理來(lái)計(jì)算液壓缸的相關(guān)尺寸。 根據(jù)前面得到的方程組（ 24）可知： 222 1 22 2 23 1 2 3D d dD d d d? ????? ? ??? 由基本參數(shù)可知： 1 85d mm? 2 125d mm? 3 170d mm? 解方程組得： 2 150D mm? 2 230D mm? 令 1 105D mm? 4 260d mm? 得到壁厚： 1 2 12 3 23 4 31 ( ) 1 021 ( ) 1 021 ( ) 1 52d D m md D m md D m m???? ? ?? ? ?? ? ? 檢驗(yàn) 1 2 3,v v v 之比： 將以上數(shù)據(jù)帶入方程組（ 22）得： 22221 2 22122331 3 3221 3 31 2 3. . 25: : : : 4 25 : 5 : 1Ddv v vdDdv v vDv v vv v v??????? ? ??? 從以上計(jì)算可得各級(jí)參數(shù)值如下： 1 1 12 2 23 3 3485 , 105 , 10125 , 150 , 10170 , 230 , 15260d mm D mm mmd mm D mm mmd mm D mm mmd mm???? ? ?? ? ?? ? ?? 知道了缸筒的內(nèi)徑、外徑，材料選用 20無(wú)縫鋼管，可以計(jì)算各級(jí)缸筒的質(zhì)量，由于活塞的質(zhì)量對(duì)三級(jí)同步伸縮缸的影響是很小的，可以將缸筒作為一根長(zhǎng)的圓筒質(zhì)量來(lái)計(jì)算，缸筒長(zhǎng)度可取行程長(zhǎng)度。質(zhì)量計(jì)算比較常見，所以省略計(jì)算過(guò)程，計(jì)算結(jié)果如下： 112233M V kgM V kgM V kg????????? 缸蓋和活塞頭 設(shè)計(jì) Ⅰ