大型重载消防试验吊顶液压升降机械系统设计

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1、摘要 火灾伴随火的发现和利用而产生，与人类文明的发展有着密切的关系。经济社会的快速发展给人们的生产和生活方式带来了显著的变化，人员聚集场所、易燃易爆场所和超大规模与复杂建筑增多，大量新技术、新材料、新工艺和新能源的采用，增加了致灾因素与火灾风险。从国际与国内消防科技发展现状和发展趋势可以看出，为了精确而高效地研究火灾机理及灭火方案，挖掘新的耐火材料，需要进行能够完全真实再现火灾现场的实体消防实验。大空间消防试验是最重要的火灾实体试验之一，通过升降系统对试验吊顶高度的精确控制，准确模拟实际建筑设施的空间构成，辅以其他设备，可以真实再现火灾现场，从而完成一系列的火灾实体试验。本论文根据公安部天津消

2、防研究所大空间消防试验的要求，为其研制了一套消防试验吊顶液压升降机械系统，该系统可驱动面积为33mX33m、满载重量为75t试验吊顶按照一定的要求，在3米一24米高度行程范围内上下移动并停留在要求的位置，动态监测工作状态自动调整工作参数，具有运行速度比例可调和多点同步控制功能，并具有高可靠性、多功能性和高安全性，满足消防火灾实体实验的需要。本论文的主要内容可分为六章，现分述如下:第一章，综述了国内外消防试验发展趋势及升降系统相关技术研究现状，说明了进行实体消防试验的必要性，并提出了本升降系统的设计任务及研究意义。第二章，分析了负载特点和技术要求，对比了齿轮齿条、卷扬、液压三种提升方式在大型重载

3、工况下的应用特点，提出了五种整体结构布置方案，经过论证，最终确定了4液压缸侧置2:1机械配重组合的布置方案，提出了基于主从控制策略的电液比例同步方案，对升降系统关键技术进行了分析。第三章，根据设计要求，对升降机械系统的机构部分进行了设计，升降系统机构主要由顶升、配重、起吊、安全保护四部分组成，利用CAD软件SolidW0rkS对系统机构进行了集成化设计。第四章，对升降机械系统液压部分进行了设计和计算，介绍了液压部分的工作原理，并对液压元件进行了设计计算。第五章，对全文进行了工作总结及下一步展望。关键词: 液压升降 同步 机械设计abstract Fire comes into being wi

4、th the discover and use of the fire, which is bound up with the development of human civilization. The rapid development of the society has a remarkable effect on the ways of producing and life to people. With the increasing of places where have many people, dangerous and have large-scale and comple

5、x buildings, and the use of new technology, new material, new technics, and new energy sources add the factor and risk of fire. From the trend of the development of international and domestic fire science development, for studying the principle of the fire, finding new fire-resistant material, need

6、entitative fire test. Fire Test of large space is one of the most important fire tests. In order to simulate the fire scene more actually, in which doing a series of fire tests, we can use lift system to contol the height of the test ceiling accurately, simulating the ceiling height of real building

7、 facilities. Based on the request of Tianjin Fire Research Institute, have designed hydraulic lifting and descending mechanical system, this system can drive a 33 meterX33 meter and 75 tons full loading facility lifting and descending from 3 meter height to 24 meter and orientate at any height.The s

8、ystem can also control the facility real-time, has the function that the speed can be accommodated proportionally. And the system is reliable, multifunctional and secure. It can satisfy the need of entitative fire test. The content of this paper can be divided into six chapters. The summary of each

9、chapter is as follows: In chapter 1, it gives a review of develop tends of the fire test and the status-quo of the relating technology research on lift system domestic and abroad. This chapter also gives a description of the necessity having fire test in a real scene and brings out the researchs tar

10、get and meaning against the lift system. In chapter 2, the features and technical requirement of the load are analyzed. Compared with the features of gear-rack type, winch type and hydraulic type these three lifting modes in the condition of the large heavy-duty, five whole structure arrangement sch

11、emes are proposed. After demonstration, we selected an arrangement scheme that four cylinder side-arrangement, 2:1 mechanical counterweight. In this chapter, an electro-hydraulic proportional synchronization scheme is proposed based on the master-slave control policy, and the key technology of the l

12、ift system is also analyzed. In chapter 3, based on design requirements, the mechanism of lift system have been designed, which consists of lift-up, balance weight, lifting and safeguard. With CAD software Solidworks, an integrated design of the system mechanism is accomplished. In chapter 4,the hyd

13、raulic part of lift system has been designed and calculated and its working principle is introduced. Hydraulic components are also designed and calculated. In chapter 5,the summary of the whole work and the prospect in the future are proposed.Keywords: Hydraulic lifting and descending, synchronizati

14、on, mechanical design 目录第一章 绪论31.1实体火灾研究及大空间消防试验吊顶升降系统发展现状31.2大型重载升降技术4齿轮齿条升降技术5卷扬技术5液压升降技术6液压同步提升技术91.3设计任务111.4研究意义13第二章 升降机械系统总体方案设计及关键技术分析142.1技术要求142.2技术难点142.3升降系统总体方案分析及选择15总体布置方案15顶升原理19液压系统工作原理20升降系统同步控制方案222.4升降系统关键技术分析24升降系统的同步及偏载问题24土建要求272.5本章小节28第三章 升降机械系统机构设计293.1升降机械系统机构组成293.2升降机械系统

15、高度确定333.3提升部分设计33钢丝绳333.3.2 吊点343.4 顶升部分设计35下底座的设计36支撑柱设计36球头连接设计37顶升滑轮组件的设计383.5配重部分设计47配重导靴的设计49配重架的设计50配重滑轮组设计503.6安全保护部分设计543.7本章小节55第四章 升降机械系统液压部分设计计算564.1液压系统工作原理及主要参数设计564.2负载分析及系统工作压力的确定574.3液压缸主要参数的确定58液压柱塞缸的静载计算58系统压力及柱塞的受压强度校核58系统流量计算594.4液压泵与电机参数的确定594.5控制阀的参数选择604.6油箱的设计604.7管道直径的确定604.

16、8本章小节61第五章 总结与展望625.1.论文总结625.2.工作展望62参考文献64致谢65第一章 绪论1.1实体火灾研究及大空间消防试验吊顶升降系统发展现状 火灾伴随火的发现和利用而产生，与人类文明的发展有着密切的关系。火灾给人类带来的损失是巨大的、可怕的和不可估量的。据统计，1993-2002年我国发生火灾近128万起，死亡25249人，伤43458人，经济损失高达134亿元。经济社会的快速发展给人们的生产和生活方式带来了显著的变化，人员聚集场所、易燃易爆场所和超大规模与复杂建筑增多，大量新技术、新材料、新工艺和新能源的采用，增加了致灾因素与火灾风险。人类的生命与健康、经济的繁荣与发展

17、，以及由此不断扩大的消防安全需求，是火灾科学和消防技术发展创新的直接向导和原始动力。为了精确而高效地研究火灾，挖掘新的有效的耐火材料并验证其在实际建筑中的有效性，需要进行能够真实再现火灾现场的消防实验，所以进行大量的火灾实体实验研究就显得非常必要。从国际上和我国消防科学技术的发展现状和发展趋势可以看出，火灾实体实验在消防标准化，产品检测，火灾理论，建筑耐火性能与防火技术、建立完善的火灾数据库等方面具有重要的意义。大空间消防试验吊顶系统是一种大范围的实体火灾实验设备，通过对试验吊顶高度的控制，可以准确模拟实际建筑设施的空间构成，辅以其他设备，可以真实再现火灾现场，从而可以完成一系列的火灾实体试验

18、。目前拥有大空间实验室的有美国的FM公司、美国的UL公司、日本的报知机，国内有中国科技大学和南京消防器材股份有限公司，上述几家单位只有部分拥有大空间消防试验吊顶升降系统。 图1.1美国UL公司的消防吊顶升降系统 试验吊顶的长度、宽度、提升高度、满载重量是衡量大空间消防试验吊顶升阶系统的几个主要指标。已知如下几家公司试验吊顶相应参数为:1.FM公司，试验吊顶的长度和宽度均为25米，试验吊顶的高度调节范围为4米20米。2.UL公司，试验吊顶的长度和宽度为33米，试验吊顶的高度调节范围为2米16米。 图1.2空间网架结构试验吊顶本论文所设计的这套大空间消防试验吊顶升降系统，试验吊顶的相应指标参数为：

19、1.长度为33米;2.宽度为33米;3.试验吊顶垂直运动，提升高度范围为3米24米(净行程为21米);4.满载重量为75吨。综上所述，可知本套大空间消防试验吊顶升降系统的各个性能指标与国外及国内同类相比是处于领先地位的。1.2大型重载升降技术对于消防试验吊顶升降系统，其核心技术是该系统的提升设备及升降技术，我们所设计的这套消防试验吊顶升降系统，其试验吊顶长度为33米，宽度为33米，提升高度范围为3米24米，满载重量为75吨，系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而作为消防试验平台，可靠性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活。目前对于类似大型重载工况，应用较多的升降方案有:齿轮齿

20、条升降技术齿轮齿条升一降技术是一种机械传动方一式，传动准确一可靠，依靠齿轮齿条传递动力和进行控制，其优点是:操作简单、维护方便和传动效率高等。但对于长距离大行程传动较困难，加工精度要求高，结构比较复杂，成本高。目前在大型重载升降系统中的典型应用有:以德国尼德芬诺为代表的齿轮齿梯爬升式升船机等。卷扬技术卷扬升降系统多采用电力拖动，电力传动是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制。主要优点是:能量传递方便;信号传递迅速;标准化程度高;易于实现自动化等。缺点是:运动平稳性差，易受外界负载的影响;惯性大，起动及换向慢;成本较高;受温度、湿度、振动、腐蚀等环境影响较大。卷扬需耗用大量的钢丝绳，受到

21、卷扬机绳容量的限制，如果采用多台卷扬机，多台卷扬机的同步问题需要解决。为了改善其传动性能，往往与机械或液压传动结合使用。卷扬技术在大型重载工况中的应用有起重设备和升一船机等。卷扬提升型升船机采用对称安装在塔柱顶部的多台卷扬机，通过卷筒上的钢丝绳使承船厢做升降运行，为保证各卷筒的同步运行，在各卷筒之间加设闭环刚性同步轴。平衡重系统分别设置为重力平衡重和转矩平衡重。重力平衡重的钢丝绳通过塔柱顶端定滑轮与承船厢相连;转矩平衡重的钢丝绳与卷筒相连，和提升钢丝绳的出绳方向相反，形成力矩平衡。 图1.3卷扬式升船机 与齿轮齿梯爬升型结构型式相比:卷扬提升型式结构简单，制造安装技术更加适应我国目前的工艺水平

22、，同时国内亦有类似的设备研制经验供借鉴。液压升降技术液压传动有其独特的优点1)单位功率的重量轻，即能以较轻的设备重量获得较大的力和力矩。2)由于体积小、重量轻，因而惯性小，起动、制动迅速。3)在运行过程中能方便地进行无级调速;调速范围大，而且低速性能好。4)易于实现自动化。5)易于实现过载保护，工作安全可靠。6)液压系统的各种元件可随设备的需要任意安排，可以把液压马达或液压缸安置在远离原动机的任意位置，不需中间的机械传动环节。7)液体工作介质具有弹性和吸振能力，使液压传动运转平稳、可靠。8)易于实现标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。鉴于以上特点，液压升降技术得到了广泛的应用。

23、液压电梯是液压升降技术的最典型应用。液压电梯是由液压传动的电梯，通过液压动力源(泵站)把油压入油缸，使柱塞运动，直接或间接的作用在轿厢上，使轿厢上升;轿厢的下降一般靠轿厢自重使油缸内的油返回到油箱中。液压电梯的支承方式是指液压油缸与轿厢之间的连接方式，按有无钢丝绳分类(l)有钢丝绳液压电梯(2)直顶式液压电梯;按液压缸形式分类:(l)直顶式支承方式是油缸与轿厢直接连接，由单个油缸柱塞的往复运动直接带动轿厢动力，因此两者速比为1:1，这种支承方式按柱塞与轿厢连接点位置的不同分为平衡型直顶式和不平衡直顶式。平衡型直顶式柱塞承受较小的倾覆力矩，可以承受较大的载荷，但是这种支承方式需要为油缸缸筒挖一个

24、较深的细长孔，使施工强度、难度和工程造价有较大的增加;在不平衡型直顶式中，轿厢受到较大的倾覆力矩，需要通过由导轨提供反向力矩来达到平衡。这样导轨就受到较大反作用力作用，摩擦严重。(2)侧置式支承，液压电梯侧置式支承包括侧置2:1、侧置4:2等形式。由于长行程液压缸随着长度的增加，制造难度和成本急剧上升，因此当电梯提升高度要求较高时，可通过滑轮组改变液压缸和轿厢的行程比，用较短的液压缸来达到较大的轿厢行程。侧置2:1结构如图所示，它利用动滑轮原理来驱动轿厢。当油缸的柱塞向上或向下运动距离为I后，轿厢的位移量为21，因此油缸速度与轿厢速度之比为1:2，被放大了一倍，但油缸上承受的力也相应放大了。这

25、类支承也有相应的倾覆力矩存在。侧置4:2，结构与侧置2:1类似，但其安装结构较复杂，需5个较大直径的滑轮，并且建筑井道要承受反作用力，其侧向倾覆力较小，承载较大，但是钢丝绳索较长，占用空间较大，从控制角度看，由于液压系统属于低阻尼系统，采用较长的曳引绳索时，使系统阻尼进一步降低，不利于系统稳定，需要在控制系统中引入增加系统阻尼的控制策略。 图1.4直顶式、侧置2:1支承方式结构图 图1.5侧置2:1原理图(3)多缸式支承，多缸式支承是指采用一个以上的油缸来驱动单个轿厢。承载较大。在提升高度较低时用单级油缸直顶驱动;当提升高度较大时，采用多级同步伸缩缸直顶驱动或者间接式2:1驱动。通常需要对称布

26、置来防止侧向倾覆力。目前液压电梯双缸同步采用的是机械式刚性连接强制同步方案，结构简单，不需附加控制装置，成本低，工作可靠，适用于液压缸相互靠近且偏载较小的场合。但其同步精度较差，机械式刚性连接强制同步使得同步误差被导轨补偿，结果导致导轨磨损严重、寿命降低，因此需要安装过程中尽量使多个缸工作条件一致。 图1.6多缸侧置式支承结构图(4)拉缸式结构，直顶式和侧置式及多缸式承重结构中，存在能耗大的问题，因为无配重装置，这些浪费的能量几乎都转化为热能，产生液压系统的温升问题。而“拉缸”结构这种机械方式可以解决这个问题。虽然与能量回收式系统相比，侧置配重式支承方式节能效率略低一些，但是在一些负载变化幅度

27、较小的系统中，如果配重设计与系统参数匹配，则节能效率可达50%一70%。 图1.7拉缸式支承原理图液压同步提升技术液压同步提升技术是一项新颖的建筑施工安装技术。它采用柔性钢丝绳或刚性立柱承重、液压油缸集群作业、计算机实时控制和液压同步提升新原理，结合现代化施工方法，将大吨位的构件在地面拼装后，整体提升到预定高度安装就位。安装过程既简便快捷，又安全可靠。在国外，液压提升技术很早就得到了应用，英国的JGP公司大约在三十年前就开始了这方面的研究，现己经将该技术广泛应用于大型构件的提升和下降、平移、桥梁的竖转以及定位等。英国的赛以钢公司也在进行这方而的研究和应用。美国实用动力有限公司在数年前研制出同步

28、提升系统。在我国这项技术从80年代末开始，先后成功地应用于上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆整体提升、北京西客站主站房钢门楼整体提升以及上海大剧院钢房架整体提升等一系列重大建设工程。这些工程都有超大型构件的超高、特重、大跨、大面积等施工特点，采用传统的施工方法和设备，无论从安全性，可靠性，先进性和经济性等各方面来看，都不能满足要求，甚至有难以解决的问题。比如，用卷扬机滑轮组提升，势必耗用大量的钢丝绳，受到卷扬机绳容量的限制，如果采用多台卷扬机，多台卷扬机的同步问题难以解决大型构件液压同步提升系统的核心是一套液压提升设备，它主要由柔性钢绞线或刚性支架承重系统福油缸执行机构系统、电液比例液压控制系统

29、、计算机控制系统及传感器检测系统组成。 大型构件液压同步提升技术的特点: 1.提升构件的重量和提升高度不受限制; 2.自动化程度高，整套提升设备采用计算机控制; 3.设备体积小，起重/自重比大; 4.安全可靠性好; 5.适应性、通用性强。1.3设计任务 对于大空间消防试验吊顶升降系统来说，其核心技术是该系统的提升设备及采用的升降技术，液压升降系统功率重量比大、易实现无级调速、同步精度高、结构简单、重量轻、而且操作方便，安全可靠。本大空间消防试验吊顶升降系统负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而作为消防试验平台，可靠性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活，与液压升降技术的特点是相适应的，所

30、以该系统选用液压升降系统作为其提升设备。采用液压升降技术的提升设备，主要功能是驱动试验吊顶按要求在全行程范围内上下移动并停留在要求的高度上，具有运行速度比例可调和多点同步控制功能，并具有较高的可靠性和安全性。本课题主要任务包括大空间消防试验吊顶液压机械升降系统总体方案设计及其机构设计、载荷平衡系统研究、液压系统研究、控制系统研究。通过调研文献资料并参照借鉴液压电梯技术和同步提升技术，从而完成该消防试验吊顶升降系统的总体方案设计及机构设计，在对设计方案进行论证并证明其可行性的基础上，研制一套大空间消防火灾试验吊顶的提升设备，该设备可驱动面积为33米x33米、满载重量为75吨的消防火灾试验吊顶按照

31、一定的要求，在3米一24米行程范围内上下移动并停留在要求的高度上，动态监测工作状态自动调整工作参数，具有运行速度比例可调和多点同步控制功能，并具有高可靠性、多功能性和高安全性。而且工艺技术简单、成本低，可以适应消防火灾实验的需要。具体包含内容为:1.大空间消防试验吊顶升降机械系统总体方案:涉及整机可靠性分析、总体运动学和动力学分析、整机的机械电子液压系统的整体布局设计、整机的环境适应性研究等。2.升降系统节能型液压系统:涉及提升设备提升点在重载下的同步稳定，涉及液压系统能耗与温升计算、液压泵站结构设计、液压系统管网布局设计、液压缸结构设计与强度验算、长行程液压执行器固装结构优化设计等。3.升降

32、系统提升过程液压监测与控制系统:涉及液压动力系统的监测与故障诊断模式分析、提升同步控制原理、提升速度与速度比例调节方法、过载保护及事故紧急处理方法与手段。4.升降系统提升机构及载荷平衡系统:钢丝绳及滑轮系统疲劳分析仿真和实验方法、各关键部件的强度校核、涉及机械与试验吊顶连接方案优化设计、执行机构固装方法与结构、执行部件的导向装置设计。平衡配重系统结构设计及强度刚度分析校核及滑轮组的设计和寿命评估。1.4研究意义随着经济社会发展和人类生活方式的改变，火灾的发生呈现出一定的变化规律和特征，人员聚集场所、易燃易爆场所和超大规模与复杂建筑增多，大量新技术、新材料、新工艺和新能源的采用，增加了致灾因素与

33、火灾风险。为了精确而高效地研究火灾，挖掘新的有效的耐火材料并验证其在现实建筑中的有效性，保障人类的生命与健康、经济的繁荣与发展，需要进行能够真实再现火灾现场的消防实验，进行大量的火灾实体实验研究就显得非常必要。从现代消防科学技术的发展现状和发展趋势可以看出，实体实验在消防标准化，产品检测，火灾理论建筑耐火性能与防火技术、建立完善的火灾数据库等方面具有重要的意义。而大空间消防试验吊顶升降系统作为实体实验最重要的实验设备同样具有重要的意义。本课题参照借鉴液压电梯技术和同步提升技术，通过对大空间消防试验吊顶升降机械系统总体方案设计极其机构设计、载荷平衡系统研究、液压系统研究、控制系统的研究，研制一套

34、大空间消防火灾试验吊顶的提升设备，该设备可驱动面积为33米x33米、满载重量为75吨消防火灾实验模拟吊顶按照一定的要求，在3米一24米行程范围内上下移动并停留在要求的高度上，动态监测工作状态自动调整工作参数，具有运行速度比例可调和多点同步控制功能，并具有高可靠性、多功能性和高安全性。而且工艺技术简单、成本低，完全可以满足消防火灾实体实验的需求。该系统完成后，预期为国际先进水平。且该技术对于其他负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活的类似工况同样适用，具有广阔的推广应用前景。第二章 升降机械系统总体方案设计及关键技术分析2.1技术要求本课题主要任务

35、是研制一套大空间消防试验吊顶升降机械系统，该系统可在大负载、长行程、负载空间结构大的工况下，在行程范围内控制试验吊顶上下移动并停留在要求的高度上，动态监测工作状态自动调整工作参数，具有运行速度比例可调和多点同步控制功能，并具有高可靠性、多功能性和高安全性。该系统完成后，在同类试验设备中，预期为国际先进水平。主要技术指标有:1.试验吊顶满载重量:75ton;2.试验吊顶面积:1089(33mX33m);3.升降范围:3m24m，净行程2lm;4.升降速度:0.05m/s(速度可调);5.液压系统的技术要求:符合标准JG50711996;6.系统监控与故障诊断功能;其他要求:1.升降高度在行程范围

36、内任意设定;2.液压驱动系统最大绝对同步精度须满足设计要求;3.采用计算机进行系统控制;4.试验区试验时有烟雾、水雾和高温，需要较好的环境适应性;2.2技术难点本升降系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活。其技术难点主要有:1.系统整体结构布置。试验吊顶是结构件，结构件设计通常只考虑其就位后的应力状态，因此在提升过程中，不允许产生额外的应力和变形，试验吊顶长33米，宽度为33米，就位后通过数个吊点提升，网架整体提升吊点就设在准备就位的这几个吊点卜，所以升降系统总体布置要均衡，不应产生偏载和倾覆力矩;2.升降系统机械部分的强度、可靠性及

37、抗偏载能力。负载重量达到75吨以上，跨度也在33米以上，对机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力都提出了很高的要求。3.提升设备各提升点的同步问题。试验吊顶面积在33米X33米以上，如何精确控制各起吊点在重载大跨度下的同步，是关系到该设备功能实现和性能稳定的最关键因素。4.提升设备提升过程的控制策略。精确控制提升需要合适的控制策略。5.提升设备提升速度及传动比的选择。合理的提升速度可以提高效率，节约能源;根据传动比确定合适的传动方式。2.3升降系统总体方案分析及选择总体布置方案本系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活。本系统根据负载特点及

38、上建要求，不采用齿轮齿条式和卷扬式提升方案，而采用液压提升方案。具体设计一了以下五种总体布置方案:第一种:多缸直顶方案 图2.18 缸直顶式支承结构图该方案的特点是结构简单，油缸直接与吊顶连接，考虑到行程问题，可以采用多级缸，当然成本会有所增加，此外对土建也有所要求，需要深挖坑，另外该系统同步精度相对较低，对导轨依赖性较强，当安装精度得不到保证时，偏载较严重，系统效率较低。第二种:多缸拉缸带配重提升方案拉缸式提升一油缸受力条件好，稳定性好，目采用带配重方案，效率高，但整体结构稍显复杂，另外需要一设置上承力点，在大型重载情况下，对土建也提出了较高的要求。 图2.2多缸拉缸带配重提升方案第三种:4

39、缸侧置2:1方案方案中采用了双边双缸共4套液压缸驱动结构，即用液压阀(带良好的起动和停止缓冲功能)控制高性能液压缸，保证了系统性能优越而成本适中，结构紧凑美观。双边双缸共4套液压缸对称布置于试验吊顶两侧，总共4个吊点，布置均衡，不会使试验吊顶这种结构件产生额外偏载和倾覆力矩，按照一个j砰面三点定位的原则，使吊顶上下运动时始终保持水平状态，并使吊顶停留在要求的高度上，而且三个控制点不会产生互相干涉现象。设计中还着重考虑了可靠性和安全性要求，都设置了缸和负载双重导向装置、液压缸油口防爆限速切断阀组和负载的四周液压缓冲器等。采用机械导轨强制负载同步以及液压分配器或串联液压缸同步技术。 图2.34缸侧

40、置2:1方案效果图 图2.44缸侧置2:1方案效果图(拆除土建)第四种8缸侧置2:1方案该方案采用了双边四缸共八套液压缸驱动结构，同样液压阀(带良好的起动和停止缓冲功能)控制高性能液压缸，保证了系统性能优越而价格适中，结构紧凑美观。系统设有8个吊点，载荷平均，设训中还着重考虑了可靠性和安全性要求，设置了缸和负载双重导向装置、液压缸油口防爆限速切断阀组和负载的四周液压缓冲器等。采用机械导轨强制负载同步以及电液比例同步或串联液压缸同步技术。 图2.58缸侧置2:1方案效果图 图2.68缸侧置2:1方案效果图(拆除土建)第五种 4缸侧置2:1机械配重组合方案本系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构

41、大，容易失稳，而可靠性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活。为了保证效率，拟取提升的速度为0.05m/s，则全程21m的动作时间将在10min之内。考虑到负载的特点与技术要求，该设计方案借鉴了液压电梯和液压同步技术的结构和控制方式，利用目前已经相当成熟的专业技术，参照载客电梯的欧洲安全标准设计，技术上不但完全可行而且没有风险。采用液压控制系统，结合电液比例控制技术和现代控制理论，自行开发控制软件，切实有效地解决多缸同步问题。方案中负载与驱动液压缸组件之间采用柔性连接，而且使负载(试验吊顶)运动导轨只起限位作用而不需要精确的导向，避免了严重不同步时或失控状态下对设备本身或设备周边设施有可能造成的

42、危害，使设备具有较高的安全性，并使运动导轨的成本大幅降低。设计了机械配重一滑轮式配重机构，使吊顶的部分重量(50%左右)由机械配重平衡，降低了驱动液压缸的负载，提高了效率。 图2.74缸侧置2:1机械配重组合方案效果图经过反复论证，最终确定采用电液比例控制、4缸2:1机械配重组合的结构方案，并采用计算机自动控制。该方案的特点有:1.系统整体结构布置合理匀称。试验吊顶是结构件，结构件设计通常只考虑其就位后的应力状态，因此在提升过程中，不允许产生额外的应力和变形，吊顶长33米，宽度为33米，就位后通过8个吊点提升，网架整体提升吊点就设在准备就位的这8个吊点上，所以升降系统总体布置均衡，不应产生额外

43、偏载和倾覆力矩;2.升降系统机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力高。负载重量达到75吨以上，跨度也33米以上，对机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力都提出了很高的要求。该方案将导轨与土建紧紧结合在一起，且与定载配重相结合，整体机构强度和刚度都得到了很好的保障，系统可靠性较高，抗偏载能力强。3.提升设备各提升点的同步精度高。试验试验吊顶面积在33米x33米以上，如何精确控制各起吊点在重载大跨度下的同步，是关系到该设备功能实现和性能的最关键因素。该方案采用电液比例闭环同步控制，控制精度高，系统响应速度快。4.液压提升与机械配重相结合，系统稳定，效率高;5.侧置2:1提升方式，无需深挖坑，对基建要求低，

44、液压缸所需行程减半为10.5m，则所需行程也减半，缸径和流量都大幅度下降，损失降低;6.升降系统提升速度及传动比选择合理。合理的提升速度可以提高效率，节约能源;顶升原理四套液压缸都是柱塞缸类型，如图2.8所示。图中第1、4、6、7号为驱动液压缸，其中6和7号2套缸为同一控制点，它们组成三个控制点，与计算机和电液比例伺服阀组一起实现电液比例位置闭环(反馈)同步控制方案，分别由三套比例方向阀组进行控制，按照一个平面三点定位的原则，使吊顶上下运动时始终保持水平状态(同步)，并使吊顶停留在要求的高度上，而且三个控制点不会产生互相干涉现象。驱动液压缸由泵站供油，并由比例压力阀进行调压，既节能，又可实现远

45、程调节。第2、3、5、8号为4组机械配重。机械配重的主要功能是平衡吊顶的重量，减轻驱动缸的负载，并始终跟随驱动缸的位置运动。配重支柱的高度是固定不变的，也不具有定位作用，滑轮组始终处于其最高的位置上。机械配重用钢丝绳经滑轮组与试验吊顶相连，平衡试验吊顶一半左右的重量。对于顶升过程，从机械运动的角度来考虑其基本原理的话，则如图2.9所示:泵站提供动力，使液压缸按照一定的运动规律运动，液压缸的运动带动顶升滑轮组的运动，而试验吊顶是通过钢丝绳经滑轮组与地面承力墩上相应机构相连接，这样就构成了传动比为2:1的侧置式滑轮组机构，对试验吊顶提升一定的高度，液压缸所需行程只有吊顶提升高度的一半。 图2.8液

46、压缸、配重布置图 图2.9顶升原理说明液压系统工作原理液压系统是大空间消防试验吊顶升降机械系统的重要组成部分，液压系统主要由动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件组成。工作原理将在第五章详细介绍。具体组成如下图所示: 图2.10液压系统原理图2.3.4升降系统同步控制方案采用主从位置同步控制，以并联两缸作为主令缸，其输出为理想输出，另外两个柱塞缸受到控制来跟踪主令缸的理想输出并达到同步驱动。柱塞的位移由油缸上的位移传感器反馈到可编程序控制器中，由可编程序控制器判断各从令缸的位移是否与主令缸的位移一致，即由可编程序控制器的判断信一号确定各从令缸的位移是大于还是小于主令缸的位移。如果从令缸的位移大

47、于主令缸的位移，则由可编程序控制器发出控制信号调小控制该从令缸的比例伺服阀的开度大小;反之，如果从令缸的位移小于主令缸的位移，则调大相应比例伺服阀的开度。如果从令缸的开度达到了极限值，可以通过调节主令缸对应的比例伺服阀开度进行纠偏;通过连续调节，逐步实现多缸的同步顶升。当主令缸柱塞达到极限位置或达到既定高度时，可编程序控制器发出控制信号，油缸停止运动。这样就购成一个实时的闭环同步控制系统，实现主从令缸的同步运动。当液压系统或其它机构发生故障，位置误差达到某一设定值时由可编程序控制器发出控制信号，启动电气报警装置发出报警信号。当位置误差达到极限值时，可编程序控制器向电气系统发出停机信号，紧急停机

48、。控制系统软硬件组成试验吊顶控制系统选用西门子PLC作为控制器，实现控制平台的同步运动控制。显示界面采用西门子组态软件wincc编写，以研华工业控制计算机加上触摸屏作为主机实现良好的人机操作界面。 图2.11控制系统实物图 图2.12控制流程图2.4升降系统关键技术分析本提升设备的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活。其关键瓶颈问题主要有:2.4.1升降系统的同步及偏载问题普通多缸升降系统不同步的原因有:1.在液压电梯中，两节流阀特性不同，由于升降系统工作时节流阀是与调速阀联动的，流量增益不同，起始工作电流不同，线性工作区有差异，使得调速

49、阀在某一开度时流过各流量阀的流量不同，从而使双杠运动时产生高差;2.升降负载的制造和安装存在偏差，各油缸承受负载不同，承载大的液压缸较承载小的缸运行慢;3.各油缸运动副摩擦力不同。由于各油缸的制造精度不同，安装时运动副的配合间隙不同，使得运动副摩擦力也不相等，摩擦大的液压缸运行慢;4.各侧导轨、导靴间的摩擦力不同。由于各侧导轨、导靴的安装精度不一样，它们之间的间隙就不相等，又由于偏载使得两侧正压力也不同，导致摩擦力不同。5.油管长度和弯头数目的不同将造成双缸沿程阻力的不等;6.长时间的运行使液压缸的工作特性发生变化，各油缸的工作特性变化是不可能相同的。偏载分析:由于本系统的特点是负载大、行程长

50、、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活。相对于同步问题，偏载也是需要重点考虑的关键因素，特分析如下:根据土建及空间网架试验吊顶设计方提供的数据，实际吊点偏移角a最大偏差不超过 5，由下图受力分析和已知条件可得: 假设平面双向皆有偏载存在，取单向倍可得 作为设计依据。 图2.13偏载分析图针对本系统的解决对策:1.拟定合理结构布置方案。本系统采用4缸侧置2:1机械配重结合的总体布置方案，试验吊顶是结构件，结构件设计通常只考虑其就位后的应力状态，因此在提升过程中，不允许产生额外的应力和变形，吊顶长33米，宽度为33米，就位后通过8个吊点提升，网架整体提升吊点就设在

51、准备就位的这8个吊点上，所以升降系统总体布置均衡，不产生额外偏载和倾覆力矩;2.设计合适的同步升降方案，选择合理的液压同步回路。液压同步回路一般有两种:开环同步回路和闭环同步回路。开环同步回路可分为流量式、容积式和机械式。这种回路往往结构简单、费用较低，但精度一般较低;而闭环同步回路可以在动作的过程中连续修正同步误差，精度较高。本系统采用电液比例伺服阀控液压同步回路，控制策略采用主从式控制，精度高，可以满足要求。 图2.14机械同步回路 图2.15车甫助缸同步回路 图2.16调速阀同步回路 图2.17跟踪式阀控同步回路几种典型同步回路及其特点:l)机械式同步回路，这种方式把执行元件用机械方法联

52、系起来以实现同步，最典型的方式是利用齿轮齿条，这种方式的同步精度与齿轮的扭转刚度有关，一般用于恒定负载或负载变化较小的场合。2) 辅助缸同步回路，在本回路中，执行元件因辅助缸的动作而驱动。它们的同步精度是靠辅助缸各腔输出流量的一致性来保证的，山于需要比执行元件容量更大的辅助缸，故这种回路在结构上和价格方面不具优势。3)采用调速阀的同步回路在负载变动时具有流量控制性，但在过渡过程中可能产生正负几个百分点的误差。4)跟踪式阀控同步回路，这种回路通过比较回路中主动侧与从动侧的输出来调节从动的伺服阀或比例阀，从而达到同步的目的。3.提高系统各机械部件及液压部件的加工精度，设计中机构部件的强度和刚度留有

53、一定的富余量，安全系数满足要求;4.机械接触部件做好润滑，降低摩擦力对系统性能的影响。5.提高安装精度，制定合理的施工方案。土建要求本升降系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和安全性要求特别高。如果单纯依靠机构本身来解决顶升高度及抗偏载能力，则整体结构会过于复杂，成本较高。本课题将机构部件与土建结合在一起，在与机构连接、土建立柱各向承载能力、承力墩高度及承载能力等方面提出了要求:1.土建立柱的垂直度要求l/1000mm;2.地基承重是指既能承受压力达到所要求数值，也能拉力达到所要求数值，要求值为50t:3.在各个地基上设承力墩，其大小和地基大小相同，其承力大小和地基承

54、力能力相同，液压缸承力墩高度为2.8m，缓冲器承力墩高度为0.5m;4.在各个承力墩的上部要预埋钢板，钢板要能承受30t的拉力和50t的压力，立柱侧面与系统导轨连接，立柱可以承受5t以上垂直方向的力，5t以上的侧向力;5.配重立柱上部设有配重滑轮组承台，承台是与滑轮底座相连接的，配重立柱不仅对侧向力有要求，还要求立柱本身、配重滑轮组承台可以承受50t以上的垂直力，配重滑轮组承台在额定载荷作用下变形不得大于相关标准。2.5本章小节本章分析了负载特点和技术要求，对比了齿轮齿条、卷扬、液压三种提升方式在大型重载工况下的应用特点，提出了五种整体结构布置方案，经过论证，最终确定了4液压缸侧置2:1机械配

55、重组合的布置方案，提出了基于主从控制策略的电液比例同步方案，对升降系统关键技术进行了分析。 第三章 升降机械系统机构设计本系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和安个性要求特别高，控制要求方便灵活。负载重量达到75吨，跨度也在33米以上，对机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力都提出了很高的要求。升降系统机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力关系到整个系统的性能。采用三维软件SolidW0rks进行了集成化设计。设计过程中除了采用传统方法保证零件强度和刚度外，对关键复杂零件，还引入了有限元的方法，为系统的稳定性和可靠性提供了保证。3.1升降机械系统机构组成 图3.1升降系统机构

56、组成图升降系统总体布置采用的是4缸侧置2:1机械配币结合的方案，共有4套侧置式液压顶升组件、4套机械配币组件、8套提升组件加安全保护组件构成。 图3.2升降机械系统平面布置图 图3.3升降机械系统油缸立面图 图3.4升降机械系统配重立面图 图3.5升降机械系统现场立面图一 图3.6升降机械系统现场立面图二3.2升降机械系统高度确定为了满足试验吊顶行程范围3m24m的要求，即净行程为21m，因为我们采用的提升方式是油缸侧置2:1，则油缸有效行程只需要10.5m，我们所选油缸行程为10.75m。试验吊顶位于最高点时，其下底面高度为24m，试验吊顶自身高度为2.4m，即试验吊顶上表面标高为26.4m

57、，在验算的基础上并留有一定的安全距离且综合考虑整体成本的基础上，从油缸立面图可以看出，顶升滑轮中心位置极限高度尺寸分别定为27560mm和16810mm，差值为10.75m，则试验吊顶行程极限范围为10.75m的两倍，为21.sm，当然为了保护油缸，同时也达到技术要求，我们只需油缸滑轮组中心在16935mm和27435之间运动即可，完全可以满足要求。而配重一侧，其下底面行程范围为1070mm到22220mm之间，差值为21150mm，而我们所需行程为21m，150mm主要是考虑配重一侧钢丝绳的伸长量，同时配重下设有缓冲器，缓冲器高度为970mm，则缓冲器顶面到配重下底面的距离为100mm，而油

58、缸防止冲顶的保护长度为125mm，根据2:1的关系，反映到配重一侧，则可知，行程为250mm，即配重和缓冲器的距离在油缸的缓冲区内，即缓冲器可以保护油缸，防止冲顶现象的发生。按照图中所示高度，机械系统可以满足要求，后续设计也是以此为基础。3.3提升部分设计提升部分主要由钢丝绳、吊点和绳头组合构成。钢丝绳具有很高的抗拉强度，且为柔性绳，一般在起吊设备里面，安全系数要求较高。吊点将活动吊顶通过绳头组合与钢丝绳连接在一起，从而在液压缸侧置2:1的提升方案下，完成吊顶的上升和下降。钢丝绳钢丝绳直径的计算与选择(GB/T3811一1983)，钢丝绳安全系数至少为8。按钢丝绳所在机构工作级别有关的安全系数

59、选择钢丝绳直径。所选择钢丝绳的破断拉力应满足下式 式中 F0一所选用钢丝绳的破断拉力，N S钢丝绳的最大工作静压力; n钢丝绳的最小安全系数初步选用电梯专用钢丝绳(GB8903一1988) 经过计算，每组钢丝绳由6根直径为的电梯专用钢丝绳组成，则根据 满足要求。 吊点 图3.7 吊点吊点连接钢丝绳与吊顶，下端通过销钉以铰接的方式与活动吊顶相连接，上部开有承平行四边形分布的通孔，其上装有绳头组合，可以平衡载荷，设计每个绳头组合可以承受载荷11t。3.4 顶升部分设计 图3.8顶升部分机械结构中的顶升部分是与驱动液压缸直接连接的，起到传递运动、传递载荷的作用，是整个机械结构中的关键部件，主要由下底

60、座、支撑柱、球头、顶升滑轮组件、上支板组成。下底座的设计下底座与顶升立柱承力墩通过双头螺柱连接方式进行固连，其上承载着顶升部分的全部重量，主要承受垂直向下的正压力，下底座设计为箱体结构，可以承受较大的正向载荷，同时侧面立板设计为平行四边形，这样可以加强其承受侧向偏载的能力，其上销钉起到对下底座上部支撑柱定位的作用。底座后端设有承平行四边形分布的通孔，该通孔作用是与顶升侧钢丝绳绳头组合连接，从而构成侧置2:1支承方式的固定端连接，而钢丝绳另一端将与试验吊顶吊点连接，六孔处承受垂直向上载荷，大小为93750N，下设50mm厚钢板进行加强，后一章将利用有限元的方法对该零件进行分析校核。 图3.9下底座三维图 图3.10下底座实物图支撑柱设计支撑柱上连接盘和下连接盘分别通过销钉定位的方式与液压缸和下底座连接，其作用是将机构载荷传递到下底座，另外因为试验吊顶行程范围为3m24m，单纯依靠液压缸的高度和土建承力墩的高度是不够的，所以，支撑柱