【正文】 D control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。液壓電梯是由液壓傳動的電梯，通過液壓動力源(液壓泵)把液壓油壓入液壓缸，使柱塞向上運(yùn)動，直接或間接地作用在轎廂上，使轎廂上升。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。 國外液壓電梯的發(fā)展簡況世界上第一臺液壓電梯起源于19世紀(jì)。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。但是早期的液壓電梯功能較簡單，主要用于運(yùn)送貨物。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]。近年來，由于曳引電梯技術(shù)的進(jìn)步，對液壓電梯市場產(chǎn)生了強(qiáng)有力的沖擊，尤其是無機(jī)房曳引電梯的面世【芬蘭通力公司(KONE)的MONOSAPCETM和瑞士迅達(dá)公司(SCHINDELRMOBIELTM)、LMC公司的GENESIS方案、VESTNER公司的自支撐電梯方案、HRIO公司的無機(jī)房方案等】，使得液壓電梯在機(jī)房設(shè)置方面的優(yōu)勢不復(fù)存在[5]。 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(shí)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]。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(chǎn)液壓電梯新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，相繼投放市場。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。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(diǎn)，將會使液壓電梯壟斷這一領(lǐng)域[10]。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。 液壓電梯工作原理概述液壓電梯作為除電動電梯之外的另外一個(gè)電梯種類，其工作原理和曳引電梯有很大的不同。液壓電梯的液壓傳動系統(tǒng)包括以下幾個(gè)主要部件:(a)、液壓泵站，即電機(jī)、油泵、油箱。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。(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。轎廂的運(yùn)動是由電力驅(qū)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(shí)現(xiàn)的。液壓電梯的控制系統(tǒng)是一個(gè)速度控制系統(tǒng)。接著油泵輸出的油液全部進(jìn)入油缸，轎廂以額定速度運(yùn)行。當(dāng)轎廂與所選層站水平時(shí)，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(shí)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。液壓電梯與電動電梯相比，由于技術(shù)實(shí)現(xiàn)上完全不同，因此具有其本身的一些特點(diǎn)：液壓系統(tǒng)功率重量比大，而且傳送距離長，因此機(jī)房面積小且設(shè)置靈活；一般不帶配重，因此減小了井道尺寸。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。 液壓電梯的技術(shù)特點(diǎn) 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(shù)條件、電梯試驗(yàn)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(yán)格的技術(shù)要求和安裝規(guī)范，己形成統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)[11]。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。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(chǎn)生這種不舒適感的主要原因是人對垂直運(yùn)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。因液壓電梯轎廂自重及載重等垂直負(fù)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。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。4）、結(jié)構(gòu)緊湊。 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)。因?yàn)橐簤弘娞莶辉O(shè)配重，在額定載重量、額定速度及提升高度相同的情況下，因?yàn)橐簤弘娞菖涮椎膭恿﹄娐啡萘勘纫芬娞荽?。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。由于溫度的變化和泄漏等因素的影響，當(dāng)轎廂較長時(shí)間停在某層站時(shí)會下沉，因此必須采取措施防止轎廂下沉[12]。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。另外, 舊房改造對液壓電梯也將會有大量而迫切的需要。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)。為適應(yīng)國內(nèi)這種形勢，最重要的是利用現(xiàn)有技術(shù)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(jìn)的計(jì)算機(jī)處理方法來對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。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(gè)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(gè)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。針對電梯在啟動和平穩(wěn)運(yùn)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(yùn)行的速度振動，增強(qiáng)了電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。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(shí)，兩個(gè)液壓缸同時(shí)對轎廂提供牽引力，這樣不僅節(jié)約了在電梯運(yùn)行時(shí)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。由于液壓電梯液壓系統(tǒng)具有長行程、變負(fù)載、變液容以及由于油溫變化引起變泄漏的特點(diǎn)，直接由其機(jī)理推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜。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(shí)間，而且這種模型在出現(xiàn)問題時(shí)更利于改進(jìn)。本文中采用MATLAB中的Simulink來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并且把整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)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(gè)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。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。在加入了PID控制器后，液壓缸缸筒在啟動過程中的調(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。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。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(shè)置安裝靈活的優(yōu)點(diǎn), 尤其適用。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(shí)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]。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(yīng)導(dǎo)軌一側(cè)。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。電機(jī)啟動時(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。電梯下行是靠轎廂及載荷的自重作用實(shí)現(xiàn)的。雙缸的同步運(yùn)動通過調(diào)節(jié)兩比例節(jié)流閥8 來實(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。而當(dāng)電磁閥得電后,可以實(shí)現(xiàn)反向通流。手動節(jié)流閥6在電梯試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)用來調(diào)整雙缸液壓管路的沿程壓力損失。 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。液壓缸結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，使用維修方便，所以比液壓馬達(dá)，擺動液壓馬達(dá)應(yīng)用更為廣泛。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。因此，做好液壓缸設(shè)計(jì)必須首先對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)具體情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。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。因此在液壓電梯的液壓系統(tǒng)中，不能使用普通多級伸縮液壓缸，需要使用各級柱塞同時(shí)運(yùn)動同時(shí)停止的多級同步液壓缸[4]。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]。右圖中，缸筒2和缸筒3底部活塞上來補(bǔ)油，用來消除因結(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)，由于第二級的壓力明顯高于第三級壓力，此單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)。這樣系統(tǒng)壓力大于而小于時(shí)，就開始補(bǔ)油。在設(shè)計(jì)三級同步伸縮缸時(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)品的型譜圖來選擇具體的參數(shù)[15]。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)算值對照密封件和鋼管材料所取得實(shí)際各級缸筒的內(nèi)徑和外徑，速度比反映了同步誤差大小。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(gè)原理來計(jì)算液壓缸的相關(guān)尺寸。質(zhì)量計(jì)算比較常見，所以省略計(jì)算過程，計(jì)算結(jié)果如下： 缸蓋和活塞頭設(shè)計(jì)Ⅰ（1）壓力計(jì)算最大靜壓力： 工作壓力： （2）螺釘連接設(shè)計(jì) 6個(gè)