【文章內容簡介】 于經(jīng)驗不足，一些技術指標未能達到預期的性能要求 [9]。 1984 年浙江大學流體與控制研究所與天津電梯研究所合作，成功研制出兩臺采用流量反饋電液比例控制的液壓電梯，性能指標均達到了設計要求，并于 1985 年通過了浙江省鑒定。近年來， 我國液壓電梯的研究、開發(fā)和使用發(fā)展很快，國產液壓電梯新產品不斷涌現(xiàn)，相繼投放市場。目前，許多電梯廠家都已能生產各種液壓電梯，并正努力提高液壓電梯的國產化水平，產品性能和產品質量都得到了進一步的提高 [6]。 液壓電梯不僅具有運行平穩(wěn)、舒適性好、故障率低、安裝靈活等特點，而且能達到整體協(xié)調、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。隨著人們居住條件的不斷改善，在一些舊房改建中需增設電梯的場合，不需頂層機房的液壓電梯將具有很大優(yōu)勢， 特別是一些需要保證外觀及內在建筑風格的古典建筑中安裝電梯，液壓電梯更是由于安裝方便、性能良好及較低的故障率成為用戶的最佳的通常也是唯一的選擇。另外是一些特殊使用場合，如車用電梯、船用平臺等，由于液壓電梯具有功率重量比大、安裝靈活等特點，將會使液壓電梯壟斷這一領域 [10]。對于辦公樓、圖書館、醫(yī)院、實驗樓、地下工程等建筑中使用的電梯，這類電梯雖然己有少量定貨，但還有待于進一步開發(fā)。這些液壓電梯市場的啟動，將推動液壓電梯生產規(guī)模的進一步擴大，成本進一步降低。促使更多的資金投入研究，從而提高其性能，形成一種良性循 環(huán)。 液壓電梯工作原理概述 液壓電梯作為除電動電梯之外的另外一個電梯種類，其工作原理和曳引電梯有很大的不同。液壓電梯是通過電力驅動的泵傳遞液壓油到油缸，柱塞 (或者活塞 )通過直接或間接的方式作用于轎廂，實現(xiàn)轎廂上行 :通過載荷和轎廂重力的作用使油缸中的液壓油流回到油箱，實現(xiàn)轎廂下行 [13]。 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、油泵、油箱。油泵是將電動機輸入的機械能轉化為流動油液的壓力能。油箱包括控溫元件、濾油器、消音器及油管等輔件，以保證液壓系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、持久的工 作 。 (b)、控制閥，它是由多種閥組合而成的控制閥塊，控制液壓油的流向、速度及加減速度，從而使轎廂達到良好的運行性能 。 (c)、油缸，動力執(zhí)行元件，將油液的壓力能轉換為與其直接聯(lián)接的轎廂運動機械能。 (d)、牽引裝置，液壓缸的運動，通過牽引裝置來牽引電梯轎廂的運動。 轎廂的運動是由電力驅動的泵使具有壓力的液壓油通過控制閥和管路從油箱流入液壓缸，或從液壓缸流回油箱來實現(xiàn)的?？刂崎y及油泵電機靠機房內的控制柜來控制。 液壓電梯的控制系統(tǒng)是一個速度控制系統(tǒng)。其工作過程是這樣的 :當液壓電梯上行時，電機帶動油泵迫使一 部分油液進入油缸，推動柱塞以一定的加速度伸出油缸 。接著油泵輸出的油液全部進入油缸，轎廂以額定速度運行 。當轎廂接近所選層站時，液壓電梯捕捉到井道中的減速信號，通過控制系統(tǒng)進入油缸的油液減少，使轎廂以平層速度運行，通常在 。當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)關閉所有的上行閥，隨后油泵電機停止工作，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。為了使轎廂下行，電器操縱的下行閥打開，靠轎廂重力及載荷使油液通過控制閥以一定的流量流回油箱 ，柱塞縮回到油缸中，從而實現(xiàn)轎廂下行，其加減速度與上行時基本相同 [22]。 液壓電梯與電動電梯相比，由于技術實現(xiàn)上完全不同，因此具有其本身的一些特點：液壓系統(tǒng)功率重量比大，而且傳送距離長，因此機房面積小且設置靈活；一般不帶配重，因此減小了井道尺寸 。載重可通過油缸直接作用在地基上，因此載重量大，而且井道不受力，降低了建筑費用。上述特點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、機場等等，或者在古典建筑、舊房中增設電梯。因此，盡管液壓電梯存在著提升高度低、速度低 等局限性而受到曳引電梯的巨大挑戰(zhàn)，但上述優(yōu)勢使得液壓電梯依然在市場中占有可觀的份額，而且技術的進步使其依然具有很好的發(fā)展前景。 液壓電梯的技術特點 液壓電梯的性能要求 電梯工業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，在電梯制造與安裝安全規(guī)范、電梯技術條件、電梯試驗方法、電梯鋼絲繩、電梯轎廂、井道、轎廂等各方面都已形成各種嚴格的技術要求和安裝規(guī)范，己形成統(tǒng)一的國家標準 [11]。液壓電梯除了要滿足這些要求外，在電梯性能方面，也需要滿足以下幾項指標： 1）、安全可靠性、穩(wěn)定性 液壓電梯作為一種載人的交通工具，安全性 要求十分重要，電梯要求故障率小，應急設施齊全，在任何正常工況 (負載變化、油溫變化、電網(wǎng)擾動 )下，均能按要求的運行曲線反復保持可靠地運行，不得有漏油現(xiàn)象。 2）、經(jīng)濟性 液壓電梯結構簡單，裝拆方便，維護費用低廉，是其保持強有力的市場競爭的根本。 3）、舒適性 特別對于乘客液壓電梯，其舒適性的好壞至關重要。人們常常將上浮感、下沉感、不穩(wěn)定感等統(tǒng)稱為不舒適感，產生這種不舒適感的主要原因是人對垂直運動往往比較敏感，尤其是在電梯的加速或者減速段。 液壓電梯的優(yōu)點 液壓電梯與其它驅動方式 (如曳引電梯 )的垂直 運輸工具相比，具有以下優(yōu)點 [12]: 1）、機房設置靈活。液壓電梯靠油管傳遞動力，因此，機房位置可設置在離井道周圍 20m 的范圍內，且機房面積僅 45m，再也不需要用傳統(tǒng)方式將機房設置在井道上部，可使建筑結構簡化。 2）、井道結構強度要求較低。因液壓電梯轎廂自重及載重等垂直負荷均通過液壓缸全部作用于地基上，對井道墻及頂部的建筑性能要求低。 3）、井道利用率高。一般液壓電梯不設置對重裝置，故可提高井道面積的利用率。相同規(guī)格的液壓電梯要比曳引電梯的井道面積少 12%。 4）、結構緊湊。在相同主參數(shù)情況下，液壓傳動 系統(tǒng)比曳引驅動系統(tǒng)的體積小、重量輕。 液壓電梯的缺點 由于輸入功率、控制及結構等條件的限制，一般液壓電梯的升程有限 (40m)，速度不高 (lm/s 以下 )。 需要輸入的功率大。因為液壓電梯不設配重，在額定載重量、額定速度及提升高度相同的情況下，液壓電梯所需要的電機功率是曳引電梯的 倍，因為液壓電梯配套的動力電路容量比曳引電梯大。盡管液壓電梯電機只在上行時工作，但其能量消耗至少為同等曳引電梯的 2倍左右。 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。液壓電梯的動態(tài)速度模型隨著環(huán)境的變化 會有所變化，增加了控制難度。 由于溫度的變化和泄漏等因素的影響，當轎廂較長時間停在某層站時會下沉，因此必須采取措施防止轎廂下沉 [12]。 本論文的選題意義及研究內容 本論文的選題意義 由于液壓電梯具有機房設置靈活、對井道結構強度要求低、運行平穩(wěn)、載重量大 , 以及故障率低等優(yōu)點 , 在國外中、低層建筑中的應用已相當普遍 。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 , 但國產化程度不高 , 主要依靠進口。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種。另外 , 舊房改造對液壓電梯也將會有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場合 , 如汽車梯、船用平臺等 , 由于液壓電梯具有功率重量比大、設置安裝靈活的優(yōu)點 , 尤其適用。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 , 可使轎廂處于相當平穩(wěn)的運行狀態(tài)。目前國內對此類液壓電梯的研制還比較少，而且研究水平還處在一個較低的水平。 為適應國內這種形勢，最重要的是利用現(xiàn)有技術力量，投入必要的資金，開展液壓電梯的研發(fā)，選擇適用的控制策略，采用先進的計算機處理方法來對液壓系統(tǒng)進行控制。為徹底解決國產 化問題，并將液壓電梯迅速推向市場，必須優(yōu)化液壓系統(tǒng)設計，設計合理的控制系統(tǒng)，使得電梯的運行性能達到國際水平的前提下，大幅度降低造價，以促進液壓電梯在國內大規(guī)模的廣泛使用。 本論文在對液壓電梯的具體工作情況做了詳細分析后，設計了一個較優(yōu)化的電梯 液壓系統(tǒng)，然后根據(jù)轎廂的載重和計劃運行速度，對各個液壓元件進行了設計計算，最后結合實際情況對液壓系統(tǒng)進行了建模和仿真，得出系統(tǒng)運行的曲線。這樣更直觀的模擬出了電梯在運行過程中的速度、壓力和位移的曲線的變化。針對電梯在啟動和平穩(wěn)運行過程中速度的振動較大的情況，本文中在液壓 系統(tǒng)中加入了 PID 控制算法，從而有效降低了系統(tǒng)的誤差，減少了電梯運行的速度振動，增強了電梯運行的平穩(wěn)性和舒適性。 本論文的研究內容 1）、電梯液壓系統(tǒng)的設計 在以前的液壓電梯系統(tǒng)中，很多都采用單缸支承， 由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大 , 綜合結構剛度較差， 這種支承方式 偏載較大時會嚴重影響電梯的運行平衡性 , 加劇導軌的磨損。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 證了電梯運行過程中的平穩(wěn)性和安全性。 1為電梯轎廂 2為支承液壓缸 圖 11 液壓電梯結構簡圖 2）、電梯液壓系統(tǒng)的建模 在完成液壓系統(tǒng)的設計和相關計算后，需要確立系統(tǒng)合適的控制策略，那么首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。由于液壓電梯液壓系統(tǒng)具有長行程、變負載、變液容以及由于油溫變化引起變泄漏的特點，直接由其機理推導出數(shù)學模型相當復雜。本論文中采 用拓撲原理建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，即先根據(jù)系統(tǒng)的總體結構建立液壓系統(tǒng)的拓撲結構圖，將系統(tǒng)分成若干個可以獨立的子系統(tǒng)，然后再分別建立每個子系統(tǒng)的數(shù)學模型，最后再 根據(jù)拓撲結構組合成整個大系統(tǒng)的數(shù)學模型。這種建模方法不僅降低了建模的復雜程度，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。 3）、電梯液壓系統(tǒng)的仿真 建立起電梯液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型后，就需要對根據(jù)數(shù)學模型來建立系統(tǒng)的仿真模型。本文中采用 MATLAB 中的 Simulink 來對系統(tǒng)進行仿真，并且把整個系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：液壓泵、單向閥和調速閥組成供子油系統(tǒng)；液壓橋和液控單向閥組成調整子系統(tǒng)；三級同步液壓缸構成運行系統(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，進行仿真，這樣具有很強的 可觀性和內部可移植性，給程序調試和設計帶來很大方便。在對系統(tǒng)仿真過程中，對系統(tǒng)輸入了階躍的流量信號和一個調速信號，系統(tǒng)輸出為液壓缸的速度、壓力和位移曲線。 4）、電梯液壓系統(tǒng)的 PID 控制 在對電梯液壓系統(tǒng)進行了仿真后，得到了液壓缸運行的速度、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行都符合設計要求，但是缸筒速度的振動較大，這使得電梯不能穩(wěn)定的運行。綜合考慮，對電梯液壓系統(tǒng)加入了 PID 控制器，以減少液壓缸速度運行的誤差。在加入了 PID 控制器后，液壓缸缸筒在啟動過程中的調整時 間減少，速度變得平穩(wěn)，增加了電梯運行的平穩(wěn)性和舒適性。 第 2 章 液壓電梯的液壓系統(tǒng)設計 隨著人們生活水平的不斷提高，電梯已經(jīng)廣泛運用于人們日常生活中，而液壓電梯則是電梯中的一個重要梯種，液壓電梯具有機房設置靈活、對井道結構強度要求低、運行平穩(wěn)、載重量大 , 以及故障率低等優(yōu)點 , 在國外中、低層建筑中的應用已相當普遍 , 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 , 但國產化程度不高 , 主要依靠進口。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種。另外 , 舊房改造對液壓電梯也將會有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場合 , 如汽車梯、船用平臺等 , 由于液壓電梯具有功率重量比大、設置安裝靈活的優(yōu)點 , 尤其適用。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 , 可使轎廂處于相當平穩(wěn)的運行狀態(tài) [16]。 根據(jù)實際情況和參照相關電梯承載的參數(shù)，我設定液壓電梯的總負載（包括電梯本身自重）為 3000Kg，電梯行程為 12m，運行平穩(wěn)速度為 ， 由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大 , 綜合結構剛度 較差 , 若采用單缸承重 , 偏載較大時會嚴重影響電梯的運行平衡性 , 加劇導軌的磨損 , 因此宜采用雙缸支承 [23]。雙缸液壓電梯的結構簡圖如圖 21所示。電梯為四層四站 , 每 層高 3米 , 采用直頂支承方式 , 兩柱塞缸左右對稱布置 , 分別立于相應導軌一側 。 1為電梯轎廂 2為支承液壓缸 圖 21 液壓電梯結構簡圖 液壓系統(tǒng)設計 液壓電梯中用得最多的液壓系統(tǒng)是節(jié)流調速系統(tǒng)。本液壓系統(tǒng)也采用節(jié)流調速系統(tǒng) , 上行時為旁路節(jié)流調速 , 下行時為回油節(jié)流調速 [25], 液壓系統(tǒng)原理見圖 22。 1. 泵 2. 電機 3. 單向閥 4. 電磁溢流閥 5. 比例流量閥 6. 手動節(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. 手動下降閥 16. 回油濾油器 17. 進油濾油器 18. 高壓濾油器 19. 壓力表開關 20. 壓力表 21. 油箱