2709 高速电梯液压主动导靴设计
2709 高速电梯液压主动导靴设计,高速,电梯,液压,主动,设计
XXXXXX毕业设计说明书题 目:高速电梯液压主动导靴设计 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: XXXXXX 姓 名: XXXXXX 指导教师: XXXXXX (教授) 完成日期: 2012 年 5 月 29 日 XXXXXX毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目: 高速电梯液压主动导靴设计 学号: XXXXXX 姓名: XXXXXX 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师:XXXXXX 系主任: 周友行 一、主要内容及基本要求 1、了解高速电梯关于控制水平振动的研究动态; 2、设计液压主动导靴系统,绘制装配图及各元件零件图; 3 、掌握主动导靴的相关知识; 4、设计说明书 8000 字以上,内容完整,计算准确; 5、外文翻译 3000 字以上; 二、重点研究的问题液压主动导靴的结构设计。 三、技术指标液压系统要求:1、满足系统的压力和流量要求,最高工作压力为 5Mpa,流量至少满足频率为 4Hz 外负载激励的要求;2、保证油液的清洁度,保护各种液压元件,延长使用寿命,提高系统工作可靠性; 3、减小液压泵输出流量的脉动和压力脉动,以提高控制精度,可选择高性能的液压泵或增设蓄能器;4、各种液压元件均不允许有外泄漏,保证使用环境的清洁;5、整体结构紧凑,布局合理,外表美观,便于安装,符合人机工程学。设计目标:电梯运行速度 2m/s 以上;轿厢质量 2000kg;导靴滚轴直径 d 为20mm,滚轮直径 D 为 100mm,滚轮与导轨之间的摩擦系数 为 0.2;轿厢转动惯量 J=6.69x103kg。四、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅资料、调研 1 周2 开题报告、制定设计方案 2 周3 设计计算 38 周4 CAD 画图 912 周5 整理说明书、外文翻译 1314 周6 修改图纸和说明书 15 周7 打印图纸、毕业设计答辩五、应收集的资料及主要参考文献1 罗柳青, 张伟, 伍庆武. 电梯结构及安全使用读本. 长沙: 中南大学出版社, 2004.2 朱昌明. 电梯与自动扶梯. 上海: 上海交通大学出版社 ,2004.3 曾晓东. 电梯导靴引起的振动. 起重运输机械,2006.4 廖小波, 傅武军, 朱昌明. 电梯水平振动主动控制实验系统及仿真. 机械设计与制造, 2005,5 桧垣润一, 山崎芳昭. 电梯减振装置. 中国: 01143615.8., 2005.6 史信芳, 陈影, 毛宗源. 电梯技术原理维修管理. 北京: 电子工业出版社, 20027 张 利 平 . 液 压 传 动 系 统 及 设 计 . 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 , 2005.8 蔡 文 彦 ,詹 永 麒 . 液 压 传 动 系 统 上 海 交 通 大 学 出 版 社 19909 上 海 煤 矿 机 械 研 究 所 液 压 传 动 设 计 手 册 上 海 人 民 出 版 社 199810 李 寿 刚 . 液 压 传 动 北 京 理 工 大 学 出 版 社 1994.11 张 聚 高 速 电 梯 机 械 系 统 振 动 的 分 析 与 计 算 机 电 工 程 , 200012 吴 国 政 电 梯 原 理 , 使 用 , 维 修 .北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 , 1999XXXXXX毕业设计评阅表学号 XXXXXX 姓名 XXXXXX 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目:高速电梯液压主动导靴设计评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评价论文选题符合专业培养目标,能够达到综合训练目标,题目有一定难度,工作量一般。选题具有学术研究价值。该生查阅文献资料能力一般,能收集关于考试系统的资料,写作过程中基本能综合运用考试系统知识,全面分析考试系统问题,综合运用知识能力一般文章篇幅完全符合学院规定,内容基本完整,层次结构安排一般,主要观点集中邮一定的逻辑性,但缺乏个人见解。文题基本相符,论点比较突出,论述能较好地服务于论点。同意参加答辩。评阅人: 2012 年 6 月 日目 录摘 要 .1ABSTRACT.21.绪 论 .31.1 选题背景 .31.2 电梯导靴的作用及研究现状 .41.3 设计任务及主要内容 .42液压主动导靴组成及工作原理 .52.1 电梯结构组成及导靴结构 .52.2 导靴的种类 .62.3 液压主动导靴工作原理 .72.4 主动导靴设计 .82.5 导靴数据计算 .123液压系统设计及选型 .143.1 液压系统的总体方案设计 .143.2 液压系统的技术性能要求 .143.3 液压作动器的组成和工作原理 .153.4 液压作动器的关键技术 .163.5 液压作动器元件的选型设计 .183.6 液压作动器的装配设计 .28总 结 .30致 谢 .30参考文献 .311高速电梯液压主动导靴设计摘 要随着土木工程技术的进步和多功能大楼的大量需求,对于大都市日益紧张的空间短缺,高层建筑已经不可或缺。而高层建筑的使用离不开电梯这一运输工具,对于电梯速度等各项性能和技术指标也在不断的提高本次毕业设计课题针对高速电梯在运行过程中所出现的电梯水平振动所导致使用寿命、安全要求及舒适性的一些问题,采用国际上已存有而国内正处于起步阶段的一些设计思路与应用,对其作为设计的内容;设计一种电梯液压主动导靴,以实现电梯水平振动的主动减振。电梯振动的主要原因在于电梯导轨的直线度和导轨间的平行度误差。通过减振来使得电梯的振动减小到安全工作范围与人体敏感振动频率范围的许可标注。导靴采用液压作动器,液压主动力的大小的改变通过高速开关阀这一新型液压控制阀进行调节。设计液压系统装置和管路,并计算压力值从而对液压元件进行标准件的选型。本设计课题避开国外专利,研究电梯液压主动导靴,实现高速电梯的水平振动主动控制,对国内电梯行业的发展将具有重要的意义。 关键词: 高速电梯、水平振动、主动控制、液压主动导靴。 2Design of Hydraulic Active Guide Roller System for High-speed elevatorsABSTRACTWith the advances in civil engineering technology and multi-building highdemand, high-rise buildings is an essential symbol of city. The use of high-rise buildings without elevators that transport for the elevator speed and other performance and technicalindicators are constantly improved.The graduation project for high-speed elevator that occurred during the operation caused by the vibration envelope life, safety and comfort requirements of some of the problems, there has been the use of international and domestic is in its infancy some design ideas and applications, As the design of its contents; initiative to design a hydraulic elevator guide roller, in order to achieve the level of the elevator active vibration damping. Elevator elevator guide rail vibration is largely due to the straightness and parallelism error between the rails. Via the vibration damping to make the elevator to a safe operating range and reduces the body vibration frequency range permits sensitive label.Guide roller hydraulic actuators, hydraulic active force to change the size of this new high-speed switching valve to adjust the hydraulic control valve. Design hydraulic systems equipment and piping, and pressure to calculate the hydraulic components of standard parts selection.The design issues to avoid foreign patents, research active hydraulic elevator guide roller, the level of high-speed elevator active vibration control, the domestic elevator industry will be of great. Keywords: high-speed elevators, horizontal vibration, active control,active. 31.绪 论1.1 选题背景电梯作为现代建筑中不可缺少的垂直运输交通设备,承担着高层建筑中大量的人流和物流的输送,其作用在建筑业中至关重要。中高层写字楼、办公楼、饭店和住宅楼,服务性场所和生产部门如医院、商场、仓库、生产车间等,拥有大量的乘客电梯、载货电梯等各类电梯及自动扶梯。电梯的生产情况和使用数量已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。20 世纪 80 年代,随着电子技术的完善,交流变频调速电梯问世了,信号控制方面用微机取代了传统的继电器控制系统, 大幅减小了电梯的故障率。科学技术与高层建筑的发展使得电梯向着高效、智能化、高舒适性发展,电梯的速度在不断地提高。1993 年,世界上最快的电梯速度为 12.5 m/s,该电梯由日本三菱公司生产。到 2003 年,日本东芝集团生产的运行于台北国际金融中心的电梯速度已经高达 16.83 m/s。韩国现代电梯公司通过自主技术开发出移动速度达每分钟 1080 米的世界最高速电梯。韩国现代电梯公司是韩国现代集团的核心企业,此次开发的世界最高速电梯名为“THE EL”,移动速度可达每分钟 1080 米(时速 64.8 公里),运行距离达同样是世界之最的 600 米,可以在 150 层建筑物升降。在此之前,世界最高速电梯是日本东芝在台湾 101 大楼安装的电梯,速度达每分钟 1010 米(时速 60.6 公里)。而韩国国内最高速电梯是日本三菱在63 大厦安装的电梯,速度达每分钟 540 米。、韩国现代电梯公司介绍,“THE EL”还是绿色环保产品,其可在运行过程中存储电能,以紧急停电时保持电梯的正常运行。韩国现代电梯计划在韩国国内的松岛地标城市(610 米)、上岩洞数码媒体城市(540 米)、釜山乐天世界(510 米)、第二乐天世界(555 米),以及国外的迪拜纳赫勒塔(1000 米)和俄罗斯塔(612 米)等拟建的大型建筑物中安装新开发的高速电梯。电梯速度的提高,产生了许多新的需要克服的问题。早在 1986 年,Yokota与 Sugiyama 等人通过计算机仿真和对有关数据的分析证明,对于超高速电梯,振动与风噪声将成为必须解决和考虑的问题。电梯高速运行时,由于电梯表面的气流流动发出强大的气动噪音,该气动噪音要比机械噪音大的多,会明显地影响乘坐舒适性;速度的提高还会引起轿厢内气压的急剧变化,使乘客产生耳鸣甚至耳痛的感觉;另外,电梯的振动水平随着电梯运行速度的提高而加剧。尤其是水平振动,在电梯低速运行的时候不明显,但在高速运行的情况下,成为影响电梯乘坐舒适性的重要因素之一。研究也表明,电梯的水平振动与电梯的运行速度成线性关系。根据“ISO2631-2 人体全身振动的评价”,当振动达到一定的量度,且其振动频率位于人的敏感频率范围内的时候(人体最敏感的频带,对于垂直振动为 48Hz,对于水平振动为 12Hz),会严重影响乘客乘坐的舒适性;而且,振动还会降低电梯的使用寿命,甚至影响电梯的安全。因此,电梯的振动是评价电梯质量好坏的重要指标之一。振动问题,包括电梯的垂直振动和水平振动,是高速电梯必须解决的关键问题,为各电梯厂家所密切关注。4振动控制方法分为:被动减振和主动减振两种方式。随着电梯速度的提高,水平振动力变大及频率变化加快,被动减振难以满足高速电梯的要求。而振动主动控制技术由于具有效果好,适应性强等优点,已经在各行各业得到广泛应用。振动主动控制技术成为解决高速电梯水平振动的一条新途径。1.2 电梯导靴的作用及研究现状导靴,顾名思义,导向性是它的一个作用,另一个作用就是防振。通常导靴安装在轿厢的上梁与底部安全钳下面。传统导靴所配备的弹簧,使得其能够采取被动减振来达到减小水平振动的效果。但由于被动减振只能够缓和冲击和衰减水平振动,而相对于高速电梯运行,它的效果就不明显了。现今对于高速电梯使用主动导靴进行减振。国内电梯振动的研究整体上比较薄弱,其中水平振动的研究则处于起步阶段。从已发表的文献来看,国内于此研究时间短、力量薄弱,且仅限于理论分析以及仿真试验,尚未有实际应用方面的研发工作。这对本人国电梯行业的发展,尤其是在中高速电梯方面的发展是非常不利的。国外关于电梯水平振动研究的文献资料最早见于 1971 年,其中绝大部分来自于日本。一些著名的电梯厂家,如美国奥的斯、日本三菱、日立等,都有了这方面的产品,并取得了专利保护。在上述背景下,针对高速电梯的水平振动问题,本课题将设计一种新型电梯液压主动导靴来达到减振的要求。1.3 设计任务及主要内容设计的任务为:(1)了解高速电梯液压主动导靴设计原则;(2)设计液压主动导靴;(3)通过计算机绘图软件绘制零件图。根据设计任务,将完成以下内容:1 将主要阐述液压主动导靴的组成及工作原理,对其进行绘制并对导靴的轴承的寿命进行检验。2 详细叙述液压系统的设计与元件的选型及对液压作动器的总体方案进行设计。分别对组成系统所需元件:液压缸、高速开关阀、压力传感器、液压泵和驱动电机、畜能器、溢流阀、单向阀、压力表、过滤器、空气滤清器、液位计、油箱、集成块、油管和工作液体等的选型进行了分析,并给出了最终选择的结果。并在最后给出了液压站的总装配设计图。52液压主动导靴组成及工作原理2.1 电梯结构组成及导靴结构电梯是一种机电一体化产品,目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构。从电梯空间位置上看,主要由机房、井道、轿厢、层站四个部分组成;从电梯各构件部分的功能上看,可分为曳引系统(包括曳引机、曳引轮、曳引绳以及导向轮等)、导向系统(轿厢及对重的导轨、导轨架以及导靴等)、轿厢系统(轿厢架和轿厢体等)、门系统(轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等)、重量平衡系统(对重和重量补偿装置)、电力拖动系统(电动机、减速机、制动器、供电系统、速度反馈装置、调速装置等)、电气控制系统(操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等)、安全保护系统(限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置、极限位置保护装置、电动机保护装置等)八个部分。其中,电梯的轿厢是用于运送乘客或货物的部分,轿厢系统由轿厢架和轿厢体两部分构成,其中还包括若干个构件和有关的装置。轿厢架是承重结构件,曳引式电梯的曳引钢丝绳在机房绕过曳引轮与导向轮后端和轿厢架相连,另一端和对重相连。图 2-1 为电梯的导向系统及对重平衡系统的总体布置图。导向系统由导靴、导轨和导轨架组成。导轨架是支撑导轨的组件,与井道壁联结;导轨固定在导轨架上,导靴则装在轿厢和对重架上,与导轨配合强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。导向系统的功能是限制轿厢和对重的活动自由度,使轿厢和对重只能够沿着左右两侧竖直方向的导轨上下运行,使两者在运行中平稳,不会偏摆。导轨主要为轿厢和对重导向,限制轿厢和对重在水平方向上的移动,并防止由于轿厢的偏载而引起的倾斜。现在的电梯大多采用横截面形状为“T”型的钢导轨。导轨由多段拼接而成,一段导轨的长度一般为 35 米,每段导轨的不平度和导轨连接处的不平整是引起电梯水平振动的主要原因之一。导靴分别装在轿厢和对重装置上。导靴分为滑动导靴(包括固定式滑动导靴和弹性滑动导靴)和滚动导靴,滑动导靴主要用于低速电梯。在运行速度大于 2.0 m/s 的高速电梯中,常采用滚动导靴。图 2-2 为滚动导靴的结构图。滚动导靴以三个滚轮代替滑动导靴的三个工作面,三个滚轮在弹簧的作用下,紧贴在导轨的三个工作面上,电梯运行时,1234567891017161514131211极限开关; 2曳引机; 3承重梁;4导向轮; 5曳引绳; 6轿厢导靴;7轿厢; 8对重导靴; 9对重; 10防护栏; 11缓冲器; 12限位开关;13轿厢导轨; 14补偿链; 15安全钳嘴;16曳引绳; 17机房图 2-1 电梯的导向系统及对重平衡系统6滚轮在导轨面上作滚动。滚动导靴以滚动摩擦代替了滑动摩擦,大大减少了摩擦损耗,节省了能量;同时在导轨的三个工作面方向实现弹性支承,从而对轿厢具有良好的缓冲作用,并能自动补偿导轨的各种几何形状误差及安装偏差。滚动导轨的这种优点,使它能适应较高的运行速度,在高速电梯上得到广泛应用。滚动导靴的滚轮常用硬质橡胶制成。2.2 导靴的种类 导靴按其在导轨工作面上的运动方式,可分为滑动导靴和滚动导靴。滑动导靴不是本次设计的选定,不做详述。滚动导靴 滚动导靴又称滚轮导靴,由于采用了滚动接触,可以减少导靴和导轨之间的摩擦阻力、节省动力、减少振动和噪声,用于高速电梯和矿用电梯上(2m/s 以上)。滚轮对导轨的初压力大小通过调节弹簧的被压缩量加以调节。滚轮对导轨不应歪斜,在整个轮缘宽度上与导轨工作面应均匀接触。当轿厢运行时,三个滚轮应同时滚动,以保持轿厢平稳运行。 使用滚轮导靴不允许在导轨工作面上加润滑油,以免打滑。而滑动导靴需加润滑油,以减小摩擦阻力。通常是将油盒放在两个上部导靴的顶部,油盒里的润滑油通过毛毡均匀地涂到导轨工作面上,达到自动润滑的目的。图 2-2 滚动导靴导轨轿架导轮减振弹簧72.3 液压主动导靴工作原理本文设计的液压主动导靴利用主动隔振的原理,即在原先被动导靴的基础上,通过在滚轮与导靴连杆之间安装一个作动器,并按照某种控制规律使作动器对受控对象施加控制力,以达到减振的目的。选择合适的作动器,对主动导靴的设计至关重要,随着振动主动控制技术的发展 ,对作动器的要求愈来愈高。近年来 ,在一些传统的流体作动、气体作动器基础上,研究开发了多种智能型作动器,如压电陶瓷作动器、电致或磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器和电流变流体作动器等,这些作动器在高精度的振动主动控制场合得到了广泛的应用。由于液压作动器动态响应速度快、驱动能力大、刚度强等方面的诸多优点,故本文选择液压作动器作为主动控制力发生器。液压主动导靴的其中一个导轮的结构组成如图 2-3 所示,液压油缸作为执行机构,安装在导靴支架与导轮的支撑摇臂之间,替代被动导靴中的减振弹簧。每一液压油缸与两个液压阀相连,其中一个液压阀为进油阀,另一个为回油阀,油缸内的油液压力通过液压阀的开启和关闭来控制。控制器通过压力传感器读取油缸内的油压值,执行控制策略,根据该压力值及电梯轿厢的姿态等其他信息给出控制指令开启或关闭液压阀。为了吸收及消除压力脉动,提高液压系统的性能,每一液压油缸连接了一个蓄能器。控制器压力传感器图 2-3 液压主动导轮结构简图油缸导轮 液压阀导轨轿架支架蓄能器摇臂支架轿厢姿态等其他信息根据电梯滚动导靴的结构设计,并结合液压缸执行器的特点, 导靴基座被安装于电梯轿架上,转动杆可以在一定角度范围内旋转并带动导轮转动,螺杆穿过转动杆并固定在导靴基座上。减振弹簧被安装于转动杆和弹簧挡板之间,为导轮提供与导轨的初始预紧力。导轮与转动杆之间通过转轴连接,并在转轴8上安装有滚动轴承,便于导轮转动。转动杆一端固定于导靴基座上,液压缸则被安装于转动杆和导靴基座之间,一端固定在导靴基座上,活塞杆一端通过转动铰装置固定于转动杆。两根油管从液压缸的两腔引出,压力传感器分别检测两油管处的压力值。导靴基座上方安装有防尘板用来减少灰尘等杂质对导靴系统的影响。导靴基座要求有一定的刚度和强度,且具有一定的减振性,一般采用灰铸铁制造。为了保证导轮的刚度和阻尼特性,导轮主体一般采用在铁材或铝材基体上包复以耐磨性强的复合高分子材料制造。2.4 主动导靴设计由于电梯导靴已经根据现有的系列化电梯所标注化配备,如果大量改动尺寸,对于安装配备会产生不必要的困难,所以本人在现有导靴的基础上进行改进,以达到应有的效果。由互联网查得国内现有导靴的尺寸图如下:图 2-4 导靴板金主视图9图 2-5 导靴板金俯视图图 2-6 组装后效果图一10图 2-7 组装后效果图二3D 模型的实际绘制效果图:图 2-8 3D 轴侧图11图 2-9 主视图图 2-10 俯视图12图 2-11 左视图2.5 导靴数据计算假设电梯正常运行速度 V 为 8m/s,滚轴直径 d 为 20mm,滚轮直径 D 为100mm,滚轮与导轨之间的摩擦系数 为 0.2,预紧力 N 为 1N。(1)滚轴工作转速: 60874.3/min3.2Vnrd(2)滚轮力矩: .1./0/NTD(3)轴承选取单列深沟球轴承, =10/3。有查表可得,间隔类使用机械轴承的使用寿命预期值 =800012000h。hLA.求轴承受到的径向载荷1310NHVF所以2210rNHVFNB.求轴承的动载荷 1arFe查机械设计书表得对轴承 0.4,1.6XY冲击载荷因数 .2pfC.计算轴承的寿命 ()1.(0.41.6)2.4praPfXFYN由于 3 个滚轮中中间的滚轮必定受到最大的载荷且 3 个轴承的类型尺寸相同,故只按受力最大的轴计算寿命即可 661063108()()2.074.h hCL LnP所以轴承满足寿命要求。(4) 轴承材料选用绝大多数轴承套圈和滚动体都彩用专用钢材制造。用高碳铬轴承钢(GCr15和 GCr15SiMn 与 ZGCr15 和 ZGCr15SiMn)制造套圈和滚动体,其零件硬度如下:用 GCr15 和 ZGCr15 材料制造的套圈和滚子为 HRc6165,钢球为HRc6266;用 GCr15SiMn 和 ZGCr15SiMn 材料制造的套圈和滚子为 HRc6064,钢球为HRc6066。用高碳钢铬轴承钢制造的轴承一般适用于工作温度为-40130 度范围,油与脂润滑正常。可满足一般机械的要求。高碳铬轴承钢轴承零件经高温回过火后,其适应工作温度可高达 250 度。随着冶炼技术的进步,高碳铬轴承钢可以采用不同的冶炼方法,如真空冶炼技术等可使钢材的内在质量大大改革,尢其是钢中含氧量及其所形成的非金14属夹杂物有明显的减少。用这种高碳铬轴承钢制造的轴承,其疲劳寿命能成倍的增长。根据大量试验对比数据表明,不同冶炼方法所获得GCr15、GCr15SiMn、ZGCr15、ZGCr15SiMn 轴承钢制造轴承。用有色金属优良光洁的表面质量。在高温条件下工作,可采用硅青铜制造实体保持架,工作温度可达 315 摄氏度;由于铝材的强度比黄铜低,比重轻,因而常用铝代黄铜制造实体保持架,主要适用于转速较高、比重较轻、耐腐蚀等工况。3液压系统设计及选型3.1 液压系统的总体方案设计作动器是振动主动控制系统中的重要元件之一,其作用是向系统施加控制信号,以按照所需方式改变系统的响应。作动器的主要类型有液压作动器、气动作动器、电磁作动器、压电作动器、形状记忆合金作动器和磁制伸缩作动器。其中液压作动器能在相对较小的结构尺寸下产生较大的位移和较大的作用力,在车辆主动悬挂和直升飞机机舱的振动主动控制中已得到很好的应用,但在电梯减振方面的应用尚未见有报道。液压作动器的关键元件是液压控制阀。传统的开关型控制阀上限频率为320Hz,不能满足快速性的要求,而技术先进的比例阀和伺服阀尽管上限频率均超过 150Hz,但由于对油液污染较敏感,且价格较贵,限制了它们的广泛应用。近几年,一种新型的液压控制阀高速开关阀获得很大发展,同伺服阀、比例阀相比,它具有价格低廉、快速响应性好、抗污染能力强、易于实现数字控制等优点,在越来越多的电液控制系统得到应用。高速开关阀由于自身结构限制,允许的流量较小,一般最大为 10L/min,不能直接用于大流量控制系统中,但对本系统完全满足要求。另外,液压作动器需专门的液压站供油,容易产生噪声,并且在控制阀输人电压和液压缸的力或位移输出之间产生非线性和滞后,这是在研究中必须重点考虑的问题。3.2 液压系统的技术性能要求(1)满足系统的压力和流量要求,最高工作压力为 5Mpa,流量至少满足频率为 4Hz 外负载激励的要求。(2)保证油液的清洁度,过滤精度至少达到 10m,保护各种液压元件,延长使用寿命,提高系统工作可靠性;(3)防止空气混入,油液中空气含量不得超过 2%,以保证系统工作稳定性和动作的快速性;15(4)减小液压泵输出流量的脉动和压力脉动,以提高控制精度,可选择高性能的液压泵或增设蓄能器;(5)各种液压元件均不允许有外泄漏,保证使用环境的清洁。系统的正常工作噪声不大于 40 分贝;(6)整体结构紧凑,布局合理,外表美观,便于安装,符合人机工程学。3.3 液压作动器的组成和工作原理如图 3-1 所示,液压作动器由液压站和执行装置两部分组成。液压站负责为系统提供油源,并实现控制和保护。它主要包括 1-电动机;2-液压泵;3-过滤器;4-单向阀;5-压力开关; 6-蓄能器;7-压力表;8-溢流阀;9、10-(2位 2 通换向阀)高速开关阀;11-压力传感器;12-微型液压缸;13-蓄能器以及油箱、空气滤清器、液位计等附件;执行装置安装在电梯导靴上,给轿厢提供阻尼力,它包括四套液压缸和蓄能器,分别通过 4 根高压软管并联在液压站的排油口,工作状态互不影响。图 3-1 液压作动器工作原理1-电动机;2-液压泵;3-过滤器;4-单向阀;5-压力开关; 6-蓄能器; 7-压力表;8-溢流阀;9、10-(2 位 2 通换向阀)高速开关阀; 11-压力传感器;12-微型液压缸;13-蓄能器液压作动器工作时,液压泵 2 在电动机 1 驱动下从油箱吸油,输出的高压油液经过滤器 3 过滤后进入蓄能器 5,蓄能器可减小液压泵输出油液的流量和压力脉动。系统输出油液的压力由溢流阀 7 调定,可由压力表 6 测出并指示,单向阀 4 可避免蓄能器的油液冲击过滤器和液压泵。高速开关阀 8、9 接收控制器输出的数字信号分别控制进入和流出液压缸的油液,实现对液压缸内油液压力的调节。液压缸内油液压力通过压力传感器 10 实时检测并输入控制器以实现反馈控制。蓄能器 12 可减小由外负载引起的液压缸内油液压力的高频振荡,有利于提高系统的控制精度。16图 3-1 中,由高速开关阀 8、9 的排油口、压力传感器 10 的进油口、液压缸 11、蓄能器 12 及它们之间的连接管路所形成的封闭容腔,就是本人所要控制的压力区。该压力区中的压力可用式(3-1)表达:(3-1)VEpe式中:V-压力区的总容积;V-压力区油液的体积增量;Ee-有效体积弹性模量。工作液体的有效体积弹性模量可用式(2-5)近似计算:(3-2)glceEVE11式中:Ec-管道等形成压力区的固定容器的弹性模量;El-液体体积弹性模量物理值;Vg-油液中所含气体容积;Eg-气体的绝热弹性模量,Eg=1.4p固定容器的体积弹性模量难以精确计算,常以起决定作用的管壁的弹性模量代替,即(3-3)pcEDT式中:Ep-油管材料弹性模量T -油管壁厚D-油管内径根据上述公式,设工作油压为 2.5MPa,工作液体含有 1%空气,可计算得有效体积弹性模量 Ee 为 255MPa。系统中 V=1.86mL,V=250mL,如不施加主动控制可知 p 为 1.9MPa。173.4 液压作动器的关键技术(1)高速开关阀脉宽调制(PWM)控制图 3-2 PWM 工作原理本系统选用的高速开关阀采用脉冲流量控制方式,开关阀直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作,在出口输出一系列的脉冲流。图 3-2 为 PWM 工作原理图。脉宽调制器将输入的控制信号与载波信号比较后,转化为周期为的脉宽调制信号。如()图中的为计算机计算输出的控制信号,通过将该信号与也是计算机输出的一系列作载波信号的锯齿波信号进行比较,如果在某一时刻的值大于锯齿波的值,则要求阀开,否则要求阀关。随后得到()图中所示的一系列控制指令,将这一系列控制指令施加到阀的线圈上,在有控制指令电压的时间阀通路打开,有流量通过,其余的时间内则无流量通过。高速开关阀采用脉宽调制原理来控制其平均流量,由于时间非常小,常为 0.0050.15,因此,可用平均流量来表示这一时间内阀的输出流量。(3-4)pACqd2式中:表示流量系数,表示阀口的开口面积, 表示时间 Ton 与时间之比,p 表示油的压差, 表示油的密度。上式表明,高速开关阀的流量与时间 Ton 与时间之比脉宽占空比 成正比。脉宽占空比 越大,通过高速开关阀的平均流量越大。由于脉宽调制()信号可直接由计算机输出,高速开关阀能够直接以数字的方式进行控制,不必经/转换,计算机可以根据控制要求发出的脉宽调制信号,控制电机械转换器电磁铁动作,从而带动高速开关阀开或关,以控制液压缸进出油液的流量。高速开关阀采用 PWM 控制,PWM 控制信号的载波相当于给开关阀增加了一个颤振信号,该颤振信号有助于消除电磁阻尼和库仑阻尼,这样一方面减小了开关阀死区影响,另一方面也消除了阀控流量的非线性。脉宽调制式液压系统18虽然具有较好的性能,但却存在压力波动,大惯量负载时尤为严重。脉宽调制系统压力波动的来源有两个:其一是阀开关信号本身的谐波分量在输出的体现。该谐波分量对实际系统输出的影响非常小以至在实验中测量不到,故可以忽略;其二是由于开关阀只以全开和全闭两状态动作,系统消除大误差时阀长时间全开可使负载(包括活塞)速度和动能响应到最大,在负载接近期望位置而关闭开关阀时,负载所获得的动能就会与液压缸容腔所形成的液压弹簧及负载弹簧之势能相互转化,这种转化过程使得负载在平衡位置附近波动,直到负载动能被消耗掉为止,本人称这种波动为系统弹性波动。本系统在认真分析和实验研究的基础上,采用了蓄能器以减小系统波动,并通过系统参数匹配以满足所要求的控制精度。(2)隔振降噪技术作为主要噪声源的液压泵安装在油箱的液面以下,既可隔声也有助于散热;采用高压软管连接执行装置,减小液压缸中油液的压力脉动,也可阻止机械振动的传递;在产生油液压力脉动的源头处采用蓄能器,以吸收压力脉动;液压缸上安装消声器,降低活塞杆快速移动引起的噪声。3.5 液压作动器元件的选型设计(1)液压缸液压缸是液压作动器的执行元件,它的作用时将液体的压力能转变为运动部件的机械能,使运动部件实现往复直线运动或摆动。其性能不仅影响了作动器的响应速度,而且对压力稳定性起着决定作用。受导靴上安装位置限制,其外形尺寸必须专门设计。图 3-3 为单杆活塞缸原理图。其活塞的一侧有伸出杆,两腔的有效工作面积不相等。当向缸两腔分别供油,且供油压力和流量相同时,活塞 (或缸体)在两个方向的推力不等,液压流速也不等。图 3-3 活塞缸19当无杆腔进压力油,有杆腔回油图 C (a)时,活塞推力 F1 和运动速度 V1分别为F1=A1p=(/4)D 2p (3-5)当有杆腔进油压力油,无杆腔回油图 C (b)时,活塞推力 F2 和运动速度v2 分别为V1=q/A1=4q/D 2 (3-6)式中 A 1缸无杆腔有效工作面积;A2腔有杆腔有效工作面积。比较上面公式可知:v1F2。即无杆腔进压力油工作时,推力大,速度低;有杆腔进压力油工作时,推力小,速度高。因此,单杆活塞缸常用于一个方向有较大负载但运行速度较低,另一个方向为空载快速退回运动的设备。根据振动控制基本理论,液压缸所施加的阻尼力为:(3-7)maAPFc2式中: -液压缸内油液压力,MPa:A-液压缸活塞面积,m 2;m-电梯轿厢与轿架质量,Kg;a-电梯轿厢振动加速度;m/s 2。所以液压缸内油液压力为aacMPAaP5.210*5.1.3*760264液压缸内油液压力控制目标设定为 : acmM05.该液压缸结构紧凑,体积小,外形美观。由于采用德国busak+shamban(宝色霞板)公司的星形密封圈,启动压力不大于 0.3Mpa,活塞杆腔油口还装有消声器。其主要技术参数如下:油缸内径 20mm最高使用压力 7MPa最低启动压力 0.3MPa耐压力 10.5MPa20行程范围 0-30mm使用速度范围 10-300mm/sec使用温度范围 -10-+80(2)高速开关阀高速开关阀是液压作动器的关键控制元件,它接受控制器发出的数字信号,对液压缸内油液的压力进行控制,因此其性能直接决定了作动器的响应速度和控制精度。选用中国贵航集团红林机械公司与美国 BKM 公司联合研制、生产的HSV 系列高速开关阀。该系列产品结构紧凑、体积小、重量轻、响应快速、动作准确、重复性好、内泄漏小、抗污染能力强、可靠性高。其性能参数为:结构 螺纹插装式材料 不锈钢额定压力 5MPa额定流量 4L/min驱动电压 24V工作方式 脉冲宽度调制脉宽范围 20%-80%工作频率 最大工作频率不小于 200Hz动态响应时间 开启时间2.5ms,关闭时间3.5ms重复精度 0.05ms温度范围 -40-+135使用寿命 不小于 109 次(3)压力传感器压力传感器是液压作动器的检测元件,它对液压缸内油液压力的进行实时检测,然后将压力信号快速反馈给控制器,因此要求反应时间短、精度高、稳定性好。选用德国 Hydrotechnik(海德泰尼克)公司的 HT-PD 系列 3403-21-C3.37 型压力传感器,其技术参数为:测量原理 WSG 薄膜/相对压力原理测量信号输出 4-20mA(2 线)供电电压 10-30VDC过载保护 最大 35VDC电流消耗 12mA21非线性及滞后 0.5%误差 温度在-40-+100范围内为 1.5%重复性 0.1%机械超载能力 1.5公称压力爆破压力 3公称压力工作温度 -40-+100介质温度 -40-+130长期稳定性 0.1%/年防护等级 IP40-IP69K疲劳寿命 10107 个循环频率响应 从 DC 到大于 1kHz反应时间 1ms绝缘性能 最小 100M材料 不锈钢(4)液压泵和驱动电机液压泵是液压系统的动力元件,它是将输入的机械能转换为液体的压力能的能量转换装置。液压泵的作用是在电动机的驱动下从油箱吸油,为整个液压作动器提供压力油源,要求其结构紧凑,噪声小,输出油液流量稳定,工作可靠,使用寿命长。驱动电机要求启动力矩大,并能承受频繁启动。液压泵的工作原理如图 3-4 所示。偏心轮 6 在原动机的带动下旋转时,柱塞 5 在缸体 4 内上下移动。当柱塞向下移动时,缸体内的密封工作容积a 增大,其内压力降低,单向阀 3 关闭;当其压力降低到低于大气压时,形成真空,油箱内的油液在大气压力的作用下顶开单向阀)进入缸体内,实现了吸油。当柱塞向上移动时,工作腔 a 的容积逐渐减小,油液受到柱塞的挤压后压力升高,单向阀 1 关闭;当压力升高到一定数值时,单向阀 3 被打开,油液进入液压系统,实现了压油。这样液压泵就将原动机输入的机械能转换成为液体的压力能。由上述可知,液压泵是通过密封容积的变化完成吸油和压油的。22图 3-4 液压泵工作原理根据液压传动的知识,每个液压缸所需油液流量为(3-8)vAQc式中:-液压缸活塞运动速度, =3.6cm/s;vvA-液压缸活塞面积,A=3.1cm 2;液压泵所需提供的流量为:(3-9)vcpQ4式中:-综合考虑各种泄漏引入的容积效率, =0.8。v v泵的输入功率 Pi:原动机对泵的输出功率即为泵的输入功率,它表现为原动机输出转矩 T 与泵输入轴转速 (=2m)的乘积。即Pi=2nT (3-10)现在已选定了泵为单向定量泵,并计算出了所需泵的容积效率,则可用公式 计算泵所需要的输入功率。液压泵驱动电机的功率为:pQP(3-11)式中:23-液压泵的工作压力, =5MPa;pp-液压泵的机械效率, =0.9经过计算,液压泵流量 =3348mL/min,驱动电机功率 P=310W,选用意大利lamborghini(兰博希尼)公司生产的 HLPD/L0513D 型齿轮泵,其排量为1.3mL/r,最高使用压力 20MPa,最高转速 3500r/min。驱动电机选用中国上海金陵有限公司生产的 220V/550W/2800rpm 立式单相电容起动交流异步电机,该电机起动转矩大,应用广泛。(5)蓄能器蓄能器是液压系统中的贮能元件。它能贮存一定量的压力油,并在需要时迅速地或适量地释放出来,供系统使用。随着液压传动技术向高压化、高性能化发展,蓄能器在节能、补偿压力、吸收压力脉动、缓
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