基于壓力流量復(fù)合閥的電梯液壓系統(tǒng)

劉 忠， 霍沅明， 張 凱， 鄒 宇

(1.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500； 2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000;3.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

?

基于壓力流量復(fù)合閥的電梯液壓系統(tǒng)

劉 忠1， 霍沅明2， 張 凱3， 鄒 宇3

(1.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500； 2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000;3.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

針對(duì)目前液壓電梯定壓式節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)在低負(fù)載時(shí)高能耗的問題，開發(fā)了液壓電梯系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)。將壓力流量復(fù)合閥作為液壓電梯上行控制的主控閥，電梯下行由比例調(diào)速閥進(jìn)行速度控制，對(duì)液壓電梯的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。運(yùn)用AMESim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓電梯系統(tǒng)進(jìn)行了低負(fù)載上行的仿真實(shí)驗(yàn)分析。仿真結(jié)果表明，在低負(fù)載上行時(shí)采用復(fù)合閥的液壓系統(tǒng)可以降低泵的輸出功率，減小了溢流損失，與定壓式節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)相比具有節(jié)能的效果。

液壓電梯; 壓力流量復(fù)合閥; 仿真; 節(jié)能

0 引 言

液壓電梯與曳引電梯相比具有負(fù)載能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)、對(duì)建筑物的承載能力要求低等特點(diǎn),被人們所接受。目前,由于我國針對(duì)液壓電梯研究的機(jī)構(gòu)較少，阻礙了液壓電梯技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致我國液壓電梯市場占有率與國外相比有一定的差距。本文針對(duì)液壓電梯節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)能耗問題，提出基于比例壓力流量復(fù)合閥的液壓系統(tǒng)方案作為電梯上行速度控制主控閥，以達(dá)到節(jié)能目的，并通過AMESim軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

1 液壓電梯系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式

液壓電梯系統(tǒng)中控制液壓電梯運(yùn)行速度的形式主要有容積調(diào)速和節(jié)流調(diào)速兩種方式。節(jié)流調(diào)速液壓電梯控制系統(tǒng)相對(duì)容積調(diào)速系統(tǒng)的成本低，可調(diào)節(jié)速度范圍較大，但是能量損失會(huì)較高一些。

液壓電梯液壓系統(tǒng)的容積調(diào)速主要是通過改變泵的轉(zhuǎn)速來控制泵的輸出流量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行速度的控制[1-2]。在調(diào)節(jié)電梯運(yùn)行速度時(shí)，泵輸出流量大小直接與電梯轎廂速度所需要的流量大小相匹配，減小了溢流造成的損失，提高了液壓系統(tǒng)的效率[3]。但是,此種調(diào)速方式的系統(tǒng)較為復(fù)雜、流量脈動(dòng)大、頻響低，增加了控制電梯運(yùn)行速度的難度，而且價(jià)格昂貴。

液壓電梯采用節(jié)流調(diào)速進(jìn)行速度控制的方式是改變節(jié)流閥的開口大小，對(duì)進(jìn)入柱塞缸的流量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了轎廂速度的變化。在液壓電梯中節(jié)流調(diào)速有進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速和旁油路節(jié)流調(diào)速兩種方式，每種方式各有自身的特點(diǎn)。進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)又可稱為定壓式閥控液壓系統(tǒng)，此種控制方式的電梯速度與節(jié)流閥的通流面積成正比，調(diào)速范圍大且液壓油流經(jīng)節(jié)流閥后直接進(jìn)入油缸腔，系統(tǒng)的剛度大，可減少啟動(dòng)時(shí)的沖擊。

旁油路節(jié)流調(diào)速與進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速相比能耗損失較小，但系統(tǒng)本身存在一定的缺陷，尤其是在液壓電梯調(diào)速范圍較大的系統(tǒng)中。由于調(diào)速系統(tǒng)無背壓，影響了電梯速度的調(diào)節(jié)，使其調(diào)速不夠平穩(wěn)。而且系統(tǒng)的最大負(fù)載能力會(huì)隨著節(jié)流閥開口的增大有所下降，即電梯低速運(yùn)行時(shí)，承載能力弱，調(diào)速范圍小[4]。

2 壓力流量復(fù)合閥的工作機(jī)理

壓力流量復(fù)合閥的原理如圖1所示，它是由先導(dǎo)比例溢流閥與比例節(jié)流閥組成的一個(gè)復(fù)合閥。先導(dǎo)比例溢流閥的主閥在復(fù)合閥中兼作三通壓力補(bǔ)償器的作用，對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償,使復(fù)合閥的進(jìn)油口和出口端的壓力差保持為某一定值，保證了通過節(jié)流閥的流量具有較好的穩(wěn)定性[5]。復(fù)合閥的進(jìn)油口壓力會(huì)根據(jù)負(fù)載壓力的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，使泵的輸出功率與負(fù)載所需功率相匹配，是一種低能耗具有節(jié)能作用的復(fù)合閥。

在比例壓力流量復(fù)合閥沒有輸入任何信號(hào)時(shí)，液壓泵輸出的油液通過主溢流閥卸流回油箱。采用此復(fù)合閥的液壓系統(tǒng)無需在液壓泵的出油口另設(shè)溢流閥。

1-比例節(jié)流,2-主溢流閥,3-比例溢流閥,4-安全閥

圖1 比例壓力流量復(fù)合閥原理圖

3 液壓電梯液壓系統(tǒng)原理

考慮到進(jìn)油節(jié)流調(diào)速控制方式的液壓電梯在進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的穩(wěn)定性，所以確定以此種方式作為電梯的速度控制。一般節(jié)流閥控系統(tǒng)屬于定量液壓系統(tǒng)，在對(duì)電梯運(yùn)行速度進(jìn)行控制時(shí)，必然會(huì)造成溢流損失,即P1=psq1。式中:P1為溢流損失的功率；ps為系統(tǒng)的泵出口壓力；q1為溢流量。溢流量的大小為定量泵的輸出流量與液壓電梯速度所需流量的差值，所以速度已經(jīng)確定的液壓電梯溢流量是不可改變的[6-7]。因此，為了減少系統(tǒng)的溢流能量損耗，需在滿足工況需求的功率前提下，減少系統(tǒng)的壓力以降低泵的輸出功率。但是在定壓式液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)的壓力根據(jù)額定負(fù)載的大小已經(jīng)確定，不會(huì)隨著負(fù)載的變化而改變；這就造成了負(fù)載較低工況下溢流功率損失嚴(yán)重，尤其是負(fù)載變化大的液壓系統(tǒng)中[8-11]。在液壓電梯下行過程中，利用轎廂的自重實(shí)現(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)，因此不需要泵提供驅(qū)動(dòng)能量，此時(shí)泵停止工作。

為了解決定壓式閥控液壓電梯系統(tǒng)在較低負(fù)載工況下能量損失大、效率較低的問題，提出了一種以比例壓力流量復(fù)合閥為電梯上行主控閥的液壓系統(tǒng)方案，而下行采用比例調(diào)速閥對(duì)電梯的速度進(jìn)行控制。

液壓系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。電梯在接收到上行命令時(shí)，電動(dòng)機(jī)3啟動(dòng)，同時(shí)壓力傳感器11檢測比例壓力流量復(fù)合閥與負(fù)載端之間的壓力，對(duì)比例壓力流量復(fù)合閥的壓力信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使該復(fù)合閥調(diào)節(jié)的壓力高于系統(tǒng)壓力一個(gè)很小的值，當(dāng)定量泵2的出口壓力達(dá)到負(fù)載壓力時(shí)，單向閥6被打開，油液經(jīng)過限速切斷閥流入柱塞缸，使電梯上行。通過調(diào)節(jié)復(fù)合閥控制流量的信號(hào)，控制流入柱塞缸的油液流量，多余的流量經(jīng)過復(fù)合閥的主溢流閥返回到油箱中，從而達(dá)到控制電梯轎廂速度的目的。當(dāng)電梯到達(dá)停層位置時(shí)，控制壓力-流量復(fù)合閥的兩路信號(hào)sig1、sig2不在有任何信號(hào)輸入，液壓泵的輸出油液通過復(fù)合閥的主溢流閥流回油箱，油泵處于卸載狀態(tài)。

當(dāng)電梯接收到下行命令時(shí)，電動(dòng)機(jī)3停止轉(zhuǎn)動(dòng)，利用轎廂的自重和負(fù)載驅(qū)動(dòng)電梯下行。此時(shí)，控制液控單向閥8的電磁閥得電，使油液反方向流通單向閥；通過控制比例節(jié)流閥7的信號(hào)控制流量大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯下行速度大小的控制。當(dāng)電梯到達(dá)停層位置時(shí)，控制液控單向閥的電磁閥失電，油液反向流通截止；比例調(diào)速閥沒有信號(hào)輸入，節(jié)流閥開口關(guān)閉，不在有油液流過閥體，電梯停止運(yùn)行。

1,10-過濾器,2-定量泵,3-電動(dòng)機(jī),4,6-單向閥,5-比例壓力流量復(fù)合閥,7-比例調(diào)速閥,8-液控單向閥,9-散熱器,11-壓力傳感器,12-安全閥,13-手動(dòng)下降閥,14-限速切斷閥,15-柱塞缸

圖2 液壓電梯系統(tǒng)原理

4 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

為了分析液壓電梯采用壓力流量復(fù)合閥的液壓系統(tǒng)在低負(fù)載時(shí)的節(jié)能效果，以定壓式閥控液壓系統(tǒng)作對(duì)比，通過計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析[12-14]。

4.1 系統(tǒng)建模

根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的液壓電梯系統(tǒng)原理在AMESim軟件[15]中建模，由于壓力流量復(fù)合閥在AMESim中的液壓元件庫中沒有現(xiàn)成的模型，所以需要根據(jù)復(fù)合閥的結(jié)構(gòu)運(yùn)用HCD中基本元件進(jìn)行搭建，其他元件可以在液壓元件庫中直接調(diào)用，搭建的模型如圖3所示。定壓式閥控液壓電梯系統(tǒng)在AMESim軟件中所建模型如圖4所示。

圖3 壓力流量復(fù)合閥控制液壓電梯系統(tǒng)模型

4.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)作者實(shí)驗(yàn)室所搭建的液壓電梯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際

圖4 定壓式節(jié)流調(diào)速液壓電梯系統(tǒng)模型

參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,具體參數(shù)如下:電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min,定量泵額定排量93.6 mL/r,柱塞缸的速度0～0.4 m/s,柱塞缸的最大加0.4 m/s2,柱塞缸的行程2.7 m,柱塞缸的直徑80 mm,轎廂額定載荷850 kg,轎廂空載重量800 kg,復(fù)合閥進(jìn)出口壓差0.7 MPa。

電梯系統(tǒng)的額定壓力為：

式中:F為電梯滿載時(shí)所需油缸的驅(qū)動(dòng)力;d為柱塞缸的直徑。經(jīng)計(jì)算,電梯在滿載工況上行時(shí)所需系統(tǒng)的壓力為3.3 MPa。根據(jù)電梯滿載情況的需求，定壓式節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置的系統(tǒng)壓力應(yīng)高于3.3 MPa，這里設(shè)置為4.3 MPa；仿真時(shí)間設(shè)置9.8 s，時(shí)間間隔0.1 s。系統(tǒng)中其他參數(shù)，如油液的溫度、流量系數(shù)等參數(shù)是在常規(guī)條件下考慮的，所以默認(rèn)AMESim軟件中初始設(shè)置的參數(shù)來進(jìn)行仿真。

4.3 仿真結(jié)果分析

在電梯滿載和空載兩種工況下，采用壓力流量復(fù)合閥的液壓系統(tǒng)負(fù)載端的壓力與泵的輸出壓力如圖5所示。由于電梯的運(yùn)行速度是變化的，由加速段、勻速段和減速段組成，所以系統(tǒng)的壓力會(huì)有所變化。從仿真結(jié)果來看，采用壓力流量復(fù)合閥液壓系統(tǒng)的泵出口壓力隨負(fù)載端的壓力變化而發(fā)生改變，且根據(jù)載荷情況的不同產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的壓力變化，始終比負(fù)載端的壓力高出0.7 MPa?？蛰d工況下負(fù)載端的壓力值1.6 MPa，泵出口壓力2.3 MPa；滿載工況下負(fù)載端的壓力值3.3 MPa，泵的出口壓力值4.0 MPa。

定壓式閥控液壓電梯的系統(tǒng)壓力變化如圖6所示。在滿載和空載兩種不同工況下，泵的輸出壓力曲線重合，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的最高壓力設(shè)置4.3 MPa，泵的出口壓力保持在4.3 MPa不會(huì)隨著負(fù)載的大小而發(fā)生變化?？蛰d工況負(fù)載端的壓力1.6 MPa；滿載工況負(fù)載端的壓力3.3 MPa。

對(duì)電梯空載和滿載兩種工況上行時(shí)，采用兩種不同控制方式的泵輸出端功率進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如圖7、8所示。

圖5 壓力流量復(fù)合閥系統(tǒng)壓力

圖6 定壓式閥控系統(tǒng)壓力

圖7 空載時(shí)液壓泵的輸出功率

圖8 滿載時(shí)液壓泵的輸出功率

從仿真結(jié)果可見，在電梯負(fù)載不同情況下，定壓式閥控液壓系統(tǒng)泵的輸出功率不會(huì)根據(jù)負(fù)載變化發(fā)生改變，保持在12.1 kW。但是采用了壓力流量復(fù)合閥的液壓電梯系統(tǒng)由于泵出口壓力根據(jù)負(fù)載大小發(fā)生變化，因此改變了泵的輸出功率；滿載上行時(shí)泵的輸出功率為11 kW左右，空載時(shí)泵的輸出功率為6.8 kW。系統(tǒng)中溢流損失的功率為泵輸出功率曲線與電梯上行所需功率曲線之間的那部分區(qū)域，定壓閥控系統(tǒng)在電梯較低負(fù)載運(yùn)行時(shí)溢流損耗與壓力流量復(fù)合閥液壓系統(tǒng)相比較大。由此可見，采用壓力流量復(fù)合閥控制液壓系統(tǒng)的方法可以降低在低負(fù)載時(shí)泵的輸出功率，減小了低負(fù)載時(shí)系統(tǒng)的功率損失，具有良好的節(jié)能效果。

5 結(jié) 語

在滿足液壓電梯運(yùn)行平穩(wěn)的情況下，根據(jù)比例壓力流量復(fù)合閥的功能特點(diǎn)，將此復(fù)合閥引入到液壓電梯控制系統(tǒng)中，作為電梯上行的主控閥。通過AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明,采用壓力流量復(fù)合閥的液壓系統(tǒng)泵的輸出壓力根據(jù)負(fù)載大小變化，使得電梯在低負(fù)載時(shí)與現(xiàn)存的定壓式閥控液壓電梯系統(tǒng)相比具有良好的節(jié)能作用，降低了低負(fù)載時(shí)泵的輸出功率，減少了溢流能量損失。以此液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)液壓電梯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為液壓電梯技術(shù)的研究提供技術(shù)支撐，驗(yàn)證液壓電梯系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的可行性。

[1] 徐 冰，楊華勇.液壓電梯的節(jié)能方法[J]. 中國電梯，2000(3)：16-17.

[2] 林建杰，徐 冰.液壓電梯裝機(jī)功率研究[J].機(jī)床與液壓，2005(1)：59-62.

[3] 胡東明，徐 兵，楊華勇.變頻驅(qū)動(dòng)的閉式回路節(jié)能型液壓升降系統(tǒng)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,42(2)：209-214.

[4] 陳繼文，李志紅，楊紅娟.調(diào)速閥式旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性理論及試驗(yàn)研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,35(2)：56-60.

[5] 林 暉，盧華杰.高性能電液比例壓力流量復(fù)合閥在注塑機(jī)中的應(yīng)用和維護(hù)[J].液壓與氣動(dòng)，2001(4)：28-29.

[6] 李 晶，蕭子淵.負(fù)荷傳感技術(shù)在液壓電梯系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32(4)：517-519.

[7] 鄧先智，李 晶.新型閥控液壓電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，2003(10)：9-11.

[8] 吳軍強(qiáng)，廖 敏.基于二次調(diào)節(jié)的液壓電梯調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(7)：17-19.

[9] PARISI R E. Higher productivity in oil output through hydraulic drive[J]. Rexroth Information Quarterly，1998(1)：16-18.

[10] 楊恢先，蔡炎平，楊心力.基于GA整定PID的液壓電梯速度控制研究[J].控制工程，2012，19(2)：203-205.

[11] 周玉海，陳偉俊.電液比例溢流調(diào)速閥在大型液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2013,41(16)：119-121.

[12] 張新未，張 宏.PQ閥控液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模擬[J].機(jī)電工程，2011,28(1)：47-50.

[13] 蔣 丹，楊 平，王叢嶺.AMESim在《液壓傳動(dòng)》實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012,10(2)：48-49.

[14] 劉 軍，劉軍營，譚志峰.基于AMESim的注塑機(jī)電液比例壓力-流量系統(tǒng)仿真分析[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,26(1)：85-88.

[15] 付永領(lǐng).LMS Imagine. Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

Research of Elevator Hydraulic System Based on Pressure-Flow Compound Valve

LIUZhong1，HUOYuan-ming2，ZHANGKai3，ZOUYu3

(1. Mechanical Engineering College, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China;2. Mechanical and Electrical Engineering College, Soochow University, Suzhou 215000, China；3. Mechanical and Electrical Engineering College, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221000, China)

Facing on the problem that hydraulic elevator speed control system of constant pressure throttling has high energy consumption in the low load, a solution is put forward. An experiment platform of the hydraulic elevator system is developed. By analysis and research of the working principle of the proportional pressure-flow compounded valve, we found that the valve can control the flow rate of hydraulic system has good stability, is sensitive for the load, and saves the energy. Therefore, the pressure-flow compounded valve is set as the main control valve of hydraulic elevator uplink control, the downlink speed of the elevator is controlled by the proportional control valve, and the hydraulic system of the hydraulic elevator is redesigned. The simulation analysis of the hydraulic elevator system under the low load and running up condition is carried out through AMESim software. The results show that hydraulic system with composite valve can reduce the output power of the pump and the loss of overflow, moreover can save energy compared with the constant pressure throttling speed control system when the elevator is running up in low load.

hydraulic elevator； pressure-flow compounded valve； simulation； energy saving

2014-12-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275060)；蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SYG201325)；常熟理工學(xué)院自制教學(xué)儀器設(shè)備項(xiàng)目(CG201411)

劉 忠(1968-)，男，湖南長沙人，博士后，教授，現(xiàn)主要從事機(jī)電液系統(tǒng)集成與節(jié)能技術(shù)、流體系統(tǒng)仿真與優(yōu)化方向的研究工作。Tel.：13862307436；E-mail：liuzhong678@sina.com

TP 391.9；TH 137.32

A

1006-7167(2015)10-0051-04