液壓電梯用限速切斷閥的設(shè)計與分析

□ 陳 健

江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

1 研究背景

隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展,電梯已經(jīng)成為特殊建筑、高層建筑中不可或缺的豎直交通運輸設(shè)備。電梯的廣泛使用,是人類社會進入工業(yè)化的重要標(biāo)志之一[1-4]。根據(jù)不同的驅(qū)動方式,可以將電梯分為三種類型:曳引驅(qū)動電梯、強制驅(qū)動電梯、液壓驅(qū)動電梯。曳引驅(qū)動電梯行駛過程中安靜平穩(wěn),并且技術(shù)較為成熟,應(yīng)用較為廣泛。曳引驅(qū)動電梯對土建要求較高,并且承載能力有限,電梯市場占有率受到限制。液壓驅(qū)動電梯不需要頂置機房,具有土建要求較低、無需對重、井道利用率高、承載質(zhì)量大、安全性高等優(yōu)點[5-6],廣泛應(yīng)用于車庫、停車場等重載場合,以及一些受原土建限制,需要增設(shè)電梯的舊房改造工程。近年來國家對老舊小區(qū)進行改造,液壓驅(qū)動電梯的需求逐漸增大,市場占有率不斷提升。

目前,針對限速切斷閥的研究主要集中在歐美。2000年,德國Blain公司設(shè)計了一種R10型限速切斷閥,采用滑閥結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,但負(fù)載下落的加速度無法人為調(diào)節(jié),并且關(guān)斷時間較長。2001年,瑞士Beringer公司設(shè)計了RSG系列液壓電梯用限速切斷閥,閥端部采用錐閥進行密封,閥關(guān)閉時反向流量泄漏量較小,但是閥芯運動過程中阻力較大,并且流量的調(diào)節(jié)范圍不如R10型限速切斷閥。在國內(nèi),秦玉彬[7]針對限速切斷閥在叉車液壓系統(tǒng)應(yīng)用過程中存在的過大液壓沖擊等問題,提出了結(jié)構(gòu)改進方案。張濤等[8]設(shè)計了一種海洋工程設(shè)備用限速切斷閥,制造出閥樣件,通過試驗研究了前、后阻尼孔尺寸對閥動態(tài)性能的影響。

對于限速切斷閥,國內(nèi)的研究資料較少,并且未見具體成品應(yīng)用于液壓驅(qū)動電梯。雖然國外進行了部分研究,但是由于國外技術(shù)保密等原因,國內(nèi)外技術(shù)水平存在一定差異。由此可見,開展液壓驅(qū)動電梯用限速切斷閥的研究工作十分重要與迫切。筆者設(shè)計了一種背包式液壓電梯用限速切斷閥,閥的關(guān)斷流量可以人為調(diào)節(jié)。通過AMESim軟件,對所設(shè)計的限速切斷閥穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能分別進行仿真研究,為同類閥的后續(xù)設(shè)計工作提供參考。

2 背包式液壓電梯工作原理

背包式液壓電梯是較為典型的機、電、液一體化產(chǎn)品[9-10],結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 背包式液壓電梯結(jié)構(gòu)

背包式液壓電梯主要由泵站系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、液壓缸、升降系統(tǒng)、轎廂、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。泵站系統(tǒng)為電梯的運行提供穩(wěn)定的動力,并存儲油液。液壓控制系統(tǒng)控制電梯的運行速度。液壓缸通過對曳引繩作用,間接帶動轎廂運動。升降系統(tǒng)主要包括滑輪組與曳引繩,通過不同的纏繞比可以得到不同的液壓缸與轎廂速比,因類似于人類的背包行為,故得名背包式液壓電梯。電氣控制系統(tǒng)主要協(xié)調(diào)各部件的工作。限速切斷閥固連于液壓缸有桿腔的油口處。在電梯正常工作時,限速切斷閥不起作用。當(dāng)由于閥后管道破裂、元件密封失效等原因造成流過限速切斷閥的流量突增、轎廂急速下墜等情況時,限速切斷閥能夠迅速關(guān)斷,防止轎廂墩底。由此可見,限速切斷閥是背包式液壓電梯安全防護的重要裝置。

3 限速切斷閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

限速切斷閥的設(shè)計準(zhǔn)則主要有三點:① 正向流通時壓力損失盡可能小;② 方向泄漏量小,密封性好;③ 關(guān)斷時間盡量短。針對上述要求,所設(shè)計的限速切斷閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 限速切斷閥結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出,限速切斷閥主要由調(diào)節(jié)桿、閥體、閥芯、彈簧等部分組成。調(diào)節(jié)桿用于調(diào)節(jié)閥芯的初始開度,對應(yīng)不同的關(guān)斷流量。限速切斷閥的pc端與液壓缸的有桿腔剛性連接,pp端連接管道,并且采用錐閥結(jié)構(gòu),從而能夠很好地保證反向密封性要求。

背包式液壓電梯正常工作時,油液流經(jīng)限速切斷閥,閥芯兩端產(chǎn)生壓差,并且這一壓差不足以克服彈簧作用力,閥芯保持不動,限速切斷閥不工作。當(dāng)閥后管道由于破裂或者元件密封失效而導(dǎo)致過閥流量突增、轎廂急速下墜時,油液流經(jīng)限速切斷閥在閥芯兩端產(chǎn)生的壓差足以克服彈簧作用力,閥芯動作,及時關(guān)斷油路,防止轎廂墩底,從而有效保障乘員的生命安全。

油液流經(jīng)限速切斷閥產(chǎn)生的壓力損失主要由兩方面組成:流經(jīng)閥內(nèi)流道的壓力損失與流經(jīng)閥口的壓力損失。

流經(jīng)閥內(nèi)流道的壓力損失主要包括沿程壓力損失Δpλ、局部壓差Δpξ。沿程壓力損失Δpλ為:

(1)

式中:λ為沿程阻力因數(shù);lg為流道長度;dg為流道直徑;ρ為油液密度;v為油液流速。

由式(1)可以看出,沿程壓力損失與流道長度成正比,而限速切斷閥的流道長度很小,因此可以忽略這一壓力損失。

由于限速切斷閥直接固連于液壓缸,因此局部壓差Δpξ亦很小,可以忽略不計。

綜上所述,油液流經(jīng)限速切斷閥產(chǎn)生的壓差主要與閥口節(jié)流作用有關(guān)。關(guān)于限速切斷閥的有效通流面積A0,很多文獻已經(jīng)給出了詳細(xì)推導(dǎo)過程,筆者不再贅述。有效通流面積A0為:

A0=πxvsinα(dp-xvsinαcosα)

(2)

式中:xv為閥口開度;α為半錐角;dp為閥座直徑。

由式(2)可以看出,閥口開度與有效通流面積呈拋物線關(guān)系。在實際選取閥口開度時,需要使閥口處的油液流速大于閥座孔道處的油液流速,即滿足:

(3)

式中:q為油液流量。

將物理量代入式(2),可以得到閥芯最大開度xvmax為:

(4)

根據(jù)閥口壓差流量公式,限速切斷閥兩端的壓差Δp為:

(5)

式中:Cd為流量因數(shù)。

在額定流量條件下,一般要求限速切斷閥所產(chǎn)生的壓力損失在0.1～0.2 MPa之間,從而有:

(6)

式中:qn為額定流量。

考慮限速切斷閥閥芯處穩(wěn)態(tài)液動力的影響,油液對閥芯的總作用力F為:

(7)

式中:pc為閥口處油液壓力;r0為閥芯半徑;F′為穩(wěn)態(tài)液動力;K為彈簧剛度;x0為彈簧預(yù)壓縮量。

代入各物理量,油液對閥芯的總作用力F為:

(8)

式中:φ為限速切斷閥閥口處流速與水平方向夾角;r1為閥座半徑。

由式(8)可知,臨界狀態(tài)時油液對限速切斷閥閥芯的總作用力為零,此時作用在閥芯上的力相互平衡,對應(yīng)的流量即為限速切斷閥的關(guān)斷流量。閥芯半徑取20 mm,半錐角取30°,閥座直徑取30 mm,最大閥口開度取16.5 mm,流量因數(shù)取0.6,油液密度取880 kg/m3,可以得到限速切斷閥在額定流量條件下所產(chǎn)生的壓差約為0.19 MPa,基本符合設(shè)計要求。彈簧剛度為8 N/mm,對應(yīng)的限速切斷閥關(guān)斷流量為560 L/min。

4 仿真分析

4.1 穩(wěn)態(tài)性能

限速切斷閥的穩(wěn)態(tài)性能指限速切斷閥不工作且閥芯處于最大開口時,限速切斷閥的過閥流量與過閥壓差的關(guān)系,在一定程度上可以反映限速切斷閥性能的優(yōu)劣。限速切斷閥穩(wěn)態(tài)仿真模型如圖3所示。在進行仿真之前,筆者給出穩(wěn)態(tài)工況下AMESim軟件使用的各仿真參數(shù),限速切斷閥最大初始開口為16.5 mm,閥芯直徑為40 mm,閥芯質(zhì)量為0.2 kg,彈簧剛度為8 N/mm,彈簧預(yù)緊力為130 N,壓力油源為2 MPa,比例閥開啟時間為10 s。其余參數(shù)選用軟件默認(rèn)參數(shù)即可。

圖3 限速切斷閥穩(wěn)態(tài)仿真模型

通過仿真,過閥壓差流量曲線、過閥時間流量曲線分別如圖4、圖5所示,t為時間。當(dāng)限速切斷閥處于最大開口時,限速切斷閥的過閥壓差隨著過閥流量的增大而增大。當(dāng)過閥流量達到切斷流量560 L/min時,過閥壓差僅為0.2 MPa左右。

圖4 過閥壓差流量曲線

圖5 過閥時間流量曲線

對限速切斷閥穩(wěn)態(tài)性能的研究,也就是對影響限速切斷閥關(guān)斷流量的因素進行分析。

(1) 閥前壓力對關(guān)斷流量的影響。分別設(shè)定閥前壓力為2 MPa、4 MPa、6 MPa,對應(yīng)的閥前壓力關(guān)斷流量關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 閥前壓力關(guān)斷流量關(guān)系曲線

由圖6可以看出,在閥口開度一定的條件下,關(guān)斷流量隨著閥前壓力的增大而增大,這主要和油液的壓縮性有關(guān)。油液的彈性模量β為:

β=-ΔpV/ΔV

(9)

式中:ΔV為油液體積變化量;V為油液初始體積。

由式(9)可知,閥前壓力越大,閥前油液的壓縮量越大,在限速切斷閥工作時對應(yīng)的過閥流量越大,關(guān)斷流量也越大。

(2) 比例閥開啟時間對關(guān)斷流量的影響。通過緩調(diào)閥后,比例閥的開口可以使限速切斷閥的過閥流量逐漸增大,從而實現(xiàn)對限速切斷閥的穩(wěn)態(tài)性能進行仿真分析。設(shè)定閥前壓力為2 MPa,比例閥開啟時間分別為10 s、15 s、20 s,對應(yīng)的比例閥開啟時間關(guān)斷流量關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 比例閥開啟時間關(guān)斷流量關(guān)系曲線

由圖7可以看出,在閥口開度一定的條件下,關(guān)斷流量隨著調(diào)節(jié)時間的增加而減小,這同樣可以用油液的壓縮性來解釋。調(diào)節(jié)時間越長,過閥壓差越小,關(guān)斷流量也越小。

4.2 瞬態(tài)性能

限速切斷閥的瞬態(tài)性能指當(dāng)由于閥后管道破裂、元件密封失效等原因造成流過限速切斷閥的流量突增、轎廂急速下墜時限速切斷閥的瞬態(tài)關(guān)閉性能,限速切斷閥的瞬態(tài)性能同樣是評價背包式液壓電梯安全與否的重要指標(biāo)。限速切斷閥瞬態(tài)仿真模型如圖8所示。液壓缸缸徑為80 mm,柱塞直徑為45 mm,轎廂自身質(zhì)量為1 250 kg,承載質(zhì)量為0～1 000 kg,限速切斷閥閥芯處于最大開口,仿真時間設(shè)置為1 s,其余參數(shù)選用軟件默認(rèn)參數(shù)即可。

圖8 限速切斷閥瞬態(tài)仿真模型

限速切斷閥閥芯處于最大開口狀態(tài)下,限速切斷閥的切斷流量仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出,限速切斷閥從1.93 s開始動作,在1.99 s左右時將流量關(guān)斷,關(guān)斷時間約為0.06 s,遠(yuǎn)短于德國Blain公司設(shè)計的R10型限速切斷閥的關(guān)斷時間。

圖9 限速切斷閥切斷流量仿真結(jié)果

以下分析背包式液壓電梯瞬態(tài)工況下不同承載質(zhì)量對缸內(nèi)油壓、轎廂速度、轎廂位移的影響。以三層三站、每層高度2.7 m為例,原點選在底層位置,轎廂初始位置設(shè)置在頂層,通過轎廂的自由落體運動來模擬由于閥后管道破裂、元件密封失效等原因造成的流過限速切斷閥流量突增、轎廂急速下墜情況。缸內(nèi)油壓p、轎廂速度vj、轎廂位移xj、轎廂加速度a仿真曲線依次如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖10 缸內(nèi)油壓仿真曲線

圖11 轎廂速度仿真曲線

圖12 轎廂位移仿真曲線

圖13 轎廂加速度仿真曲線

由圖10可以看出,缸內(nèi)油壓的峰值隨著承載質(zhì)量的增大而增大,最大瞬態(tài)壓力可以達到55 MPa,所以在設(shè)計液壓缸時,應(yīng)盡可能選用高強度材料,并且滿載工況下缸內(nèi)壓力的波動程度要大于空載及半載。由圖11可以看出,在滿載工況下,轎廂速度的波動同樣大于空載及半載。由圖12可以看出,轎廂的位移隨著承載質(zhì)量的增大而增大,滿載時轎廂最終會停在3.4 m左右的高度,下落距離約2 m,這主要是由于背包式液壓電梯采用了1∶2布局形式。由圖13可以看出,轎廂下降的加速度波動在滿載工況下大于空載及半載,舒適性較差。仿真結(jié)果表明,筆者所設(shè)計的限速切斷閥即使在轎廂滿載時仍然能夠很好地切斷油路,阻止轎廂下墜。

5 結(jié)束語

為了提升液壓驅(qū)動電梯的被動安全性能,筆者對背包式液壓電梯用限速切斷閥的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,并通過AMESim軟件對限速切斷閥的穩(wěn)態(tài)性能與瞬態(tài)性能進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明:穩(wěn)態(tài)工況下過閥流量達到切斷流量時,過閥壓差很小,僅為0.2 MPa;瞬態(tài)工況下過閥流量達到切斷流量時,切斷動作時間很短,僅為0.06 s左右;即使在轎廂滿載工況下,限速切斷閥仍然能夠很好地切斷油路,防止轎廂墩底。