高速電梯擺振控制器液壓系統(tǒng)設(shè)計及布置優(yōu)化

1、第一章緒論電梯作為人類的代步和省力的工具,自被發(fā)明之后就獲得了快速的發(fā)展,我國的電梯業(yè)也經(jīng)歷了從無到有從大到小的發(fā)展過程?，F(xiàn)在我國有大小電梯生產(chǎn)企業(yè)三百余家,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯的變化,老的直流電梯已被淘汰?？刂葡到y(tǒng)已大量采用PLC和微電腦控制技術(shù),最高梯速已達(dá)到4m/s。我國電梯已形成了設(shè)計制造安裝調(diào)試,維修保養(yǎng)一條龍服務(wù)的一個完整行業(yè),維護(hù)著全國30萬臺在用電梯的正常運行,新裝電梯年銷售額超過了100億人民幣。但也要看到,我國電梯產(chǎn)品在品種,質(zhì)量,性能等方面與國外產(chǎn)品還存在著不同程度的差距,特別是在高速電梯產(chǎn)品以及中,高檔產(chǎn)品上的差距更大。電梯的性能指標(biāo)中控精度與乘坐舒適性是電梯性能的主

2、要體現(xiàn),提高這兩方面的性能對于國產(chǎn)電梯具有十分重要的意義。隨著現(xiàn)代城市人口的不斷增長和工商業(yè)的飛速發(fā)展,人們對空間的需求越來越大。為了更加充分地利用有限的空間資源,以緩解人們不斷增長的空間需求與有限的生存空間之間的矛盾,現(xiàn)代城市規(guī)劃者已越來越多地把目光投向了發(fā)展和建造高層,超高層建筑。目前世界上最高的大樓是馬來西亞首都吉隆坡的雙塔大廈,高達(dá)88層452米。第二高樓是美國芝加哥的西爾摩天大樓。1997年,在我國上海建成的金茂大廈,其地面以上由88層,建筑高度420.5米,為世界第三高樓。在香港,最高的樓有78層374米高。而且還在2003年建成一座88層440米的高樓。除了這些,很多建筑師已經(jīng)在

3、設(shè)想并計劃建造更高的超高建筑。在我國上海將要建成一座900米高的高層建筑。在日本東京,已計劃建造一座840米高的高塔。在芝加哥還將建造一座701米高的世界貿(mào)易中心。據(jù)日本一家公司稱,他們擁有建造200層摩天大樓的技術(shù)。一家日本建筑公司還建議在東京建造一座高度達(dá)1000米的摩天大樓。毫無疑問,在二十一世紀(jì),建造更多的高層和超高層建筑將會成為有效利用空間資源的重要途徑。然而,要想使超高層建筑能真正廣泛地投入使用,首先必須解決超高層建筑中的運輸問題。由于超高層建筑樓層高,容納人數(shù)巨大,現(xiàn)有的普通電梯難以勝任超高層建筑中艱巨的運輸任務(wù)。發(fā)展適合與這些超高層建筑中運行安全,舒適而且高效的超高速垂直升降電

4、梯系統(tǒng)。對超高層建筑功能的發(fā)揮有著決定性的作用,特別是在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下,安裝高速,超高速電梯,以保證能在最短的時間內(nèi)完成盡可能多的運輸任務(wù),對挽救生命和財產(chǎn)更有著不可估量的作用。隨著超高層建筑的不斷出現(xiàn),現(xiàn)代電梯正向超高速方向發(fā)展。在上海的金茂大廈中,觀光者可以從地下一層乘坐電梯在45秒種直達(dá)距地面340.1米高的88層。其電梯的平均速度達(dá)到了7.6m/s。芝加哥西爾斯大廈的高速電梯,速度高達(dá)548m/min(9.1m/s。1997年,日本三菱公司安裝在東京的高240米的6層陽光大廈種的高速電梯的額定速度可達(dá)600m/min(10m/s。1993年,Mitsubishi公司在橫濱(Yok

5、ohama投入使用的高速電梯的額定速度達(dá)到了750m/min.同時,日立公司(Hitachi還發(fā)展了額定速度高達(dá)810m/min (12.5m/s的超高速電梯。如果按照這樣的比例,當(dāng)上海的900米高塔建成后,其使用的高速電梯的額定速度可能需要30m/s(108km/h。未來超高速電梯的額定速度將會更高。盡管108km/h的速度對普通的地面交通工具來說并不算很高,然而電梯在其通道種以這樣的高速度運行卻會引起很多難以解決的擺振和噪聲問題,比如:如何進(jìn)行電梯的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計,以減小并盡可能地避免由于超高速電梯繞流場壓力的非定常以及在高速電梯尾部大分離漩渦的周圍或準(zhǔn)周期性脫落所誘導(dǎo)的電梯振動。總而言之,

6、在高速電梯速度需要進(jìn)一步大幅度提高的21世紀(jì),由于電梯高速運行所引起的結(jié)構(gòu)振動以及帶來的強(qiáng)大的噪聲問題嚴(yán)重阻礙了新型高速電梯的研制與發(fā)展。因此,研究高速,超高速電梯的擺振控制系統(tǒng),并發(fā)展一套能被大多數(shù)電梯設(shè)計人員所方便使用的,應(yīng)用于高速,超高速電梯液壓減振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法,對發(fā)展21世紀(jì)的新型超高速電梯有著重大意義。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的高速電梯,其動態(tài)特性指標(biāo)及舒適性普遍達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)電梯技術(shù)條件(GB10058-88中規(guī)定的要求,由懸架鋼絲繩拽引的轎箱在整個運行過程中的振動非常明顯。因此,開展電梯擺振控制系統(tǒng)設(shè)計和研究,對于提高國內(nèi)電梯產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的意義。1.2 電梯振動控制問題的背景介

7、紹電梯是隨著城市高層建筑的發(fā)展而發(fā)展的,電梯作為一種重要的垂直交通工具,評價標(biāo)準(zhǔn)中,其安全性,可靠性和乘坐舒適性是評價電梯的主要因素。電梯的振動是電梯乘坐舒適性評價的重要指標(biāo)。人乘坐電梯的時間是短暫的,而電梯的振動幅值較小,在正常的情況下,不至于達(dá)到影響乘客的健康和安全的程度。但振動達(dá)到一定的量值,且振動頻率在人的敏感頻帶時,或者電梯的起制動特性比較差時,都會使乘客有明顯的不舒適感。人體是一個復(fù)雜的彈性體,人體有不少的空腔和彈性系統(tǒng)。據(jù)研究資料,軀干固有振動頻率在3至6HZ范圍內(nèi)(包括胸腔和腹腔,頭頸和肩膀系統(tǒng)的固有振動頻率在2至30HZ范圍內(nèi),眼球的共振頻率在60至90HZ范圍內(nèi),下顎和頭蓋

8、骨系統(tǒng)的共振頻率在100至200HZ范圍內(nèi)。乘坐起來讓人感覺不舒服的電梯往往是電梯的主要振動頻率與人體的某一個固有頻率相同。電梯的振動是與電梯運行同時產(chǎn)生的。隨著電梯速度的不斷加快,提升高度的增加,振動問題會越來越突出。突出表現(xiàn)維:隨著速度的加快,對導(dǎo)軌和導(dǎo)靴的加工精度和安裝精度要求的提高,傳統(tǒng)的安裝方法很難保證導(dǎo)軌的安裝精度;隨著速度的加快,電梯轎廂對井道內(nèi)的氣體的活塞效應(yīng)越來越顯著,由此效應(yīng)而產(chǎn)生的轎箱上下的壓力差也是導(dǎo)致電梯振動的原因,電梯井道中會有不平的突起物,如每層門檻,當(dāng)電梯經(jīng)過時會產(chǎn)生一個脈沖激勵,當(dāng)電梯的速度較高時會有很大的影響。隨著提升高度的增加,鋼絲繩的長度也在相應(yīng)增加,如

9、何控制鋼絲繩的抖動,時控制電梯振動的又一個重要課題。此外,電梯的控制系統(tǒng)對電梯的振動影響也很大。國內(nèi)外對電梯的振動研究主要偏重于高速梯。正如前面所述,高速梯振動問題比較突出而且比較復(fù)雜。國外學(xué)者曾應(yīng)用反饋控制轎廂的速度以避開鋼絲繩的共振?？刂谱б喌乃俣纫赃_(dá)到控制轎廂振動的目的。但是拽引輪于轎廂間時鋼絲繩,屬于彈性元件,使得這種控制速度的方法不是理想的方法。如圖1.1所示的狀態(tài)反饋控制轎廂速度的方法,可以避免采用傳統(tǒng)的開環(huán)控制方法帶來的問題。其中的x為系統(tǒng)的狀態(tài)。狀態(tài)反饋控制需要獲得所有系統(tǒng)的狀態(tài),這里通過Kalman濾波器獲得。將實測的轎廂速度與參考速度的差積分后獲得新的系統(tǒng)狀態(tài)x,這種方法

10、可以較為有效地控制鋼絲繩的共振對轎廂的影響。為了減少導(dǎo)軌對轎廂水平振動的影響。有學(xué)者研究使用了一種不與導(dǎo)軌接觸的電磁導(dǎo)靴。通過電磁導(dǎo)靴產(chǎn)生吸引力使轎廂保持與導(dǎo)軌的適當(dāng)距離,如圖 1.2所示,電磁導(dǎo)靴1和3對轎廂施加對轎廂施加y方向的力,同樣5和6在x方向?qū)I廂施加作用力。每個電磁導(dǎo)靴有獨立的傳感器和控制器。圖1.3所示為每對電磁導(dǎo)靴的控制框圖。這種控制需要三個傳感器:一個加速度傳感器測量導(dǎo)靴的水平加速度,一個不接觸的位移傳感器測量導(dǎo)靴與導(dǎo)軌之間的空氣間隙的大小,和一個位于導(dǎo)靴上的測量空氣間隙件的磁通量的線圈。內(nèi)部控制回路的輸入會使電磁導(dǎo)靴上電,產(chǎn)生作用力?？諝忾g隙控制回路使導(dǎo)靴與導(dǎo)軌間的間隙保

11、持在一個定值。隨機(jī)的擾動通過絕對位置反饋回路去掉。隨機(jī)的擾動產(chǎn)生于導(dǎo)軌界都或不平整,由此產(chǎn)生的微小作用力會被加速度傳感器探測到,并表現(xiàn)為導(dǎo)靴絕對位置的偏移,從而使輸出控制回路控制電磁導(dǎo)靴產(chǎn)生對抗這個擾動的力。外部作用力會被加速度傳感器探測到,輸出控制回路會改變空氣間隙之間的磁通量的大小以平衡外部的作用力。另外,對于轎廂的不均勻分布的載荷,輸出控制回路也有同樣的作用。 圖1.2 不接觸型電磁導(dǎo)靴示意圖(轎廂頂另外由于電梯在安裝時不可能完全平衡,因此空載時滾動導(dǎo)靴也要承受一定的力,由于滾動導(dǎo)靴表面材料為橡膠,當(dāng)電梯載停靠較長一段時間后表面會產(chǎn)生一凹入,它在較短時間內(nèi)不太容易恢復(fù),因此在開始運行時會

12、產(chǎn)生較大的影響。為了解決這個問題,現(xiàn)在已有公司生產(chǎn)一種像自行車輪胎一樣的導(dǎo)靴,在里面充氣,使表面的變形可以很快的得到恢復(fù)。 還有學(xué)者改進(jìn)了轎廂與轎廂架的直梁之間的橡膠減振墊,以減小轎廂水平振動。對于高速梯運行時風(fēng)壓的影響,有的電梯公司采用在電梯頂加裝導(dǎo)流帽的方法減小風(fēng)壓的作用。目前有的觀光電梯轎頂和轎底做成流線型。除了外觀的造型需要外,也能減小風(fēng)對電梯的激振作用。另外還有學(xué)者應(yīng)用一些質(zhì)量和彈性元件做成動力吸振器來降低系統(tǒng)的振動,它的原理是根據(jù)對于兩自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。如圖1.4所示,當(dāng)合理調(diào)整k2和m2,可以使m2的振動為零。 1.3 本次設(shè)計任務(wù)及主要內(nèi)容本次設(shè)計的任務(wù)為:a.了解高速電梯

13、水平振動的控制器的設(shè)計原則;b.設(shè)計控制器液壓系統(tǒng);c.調(diào)整液壓系統(tǒng)的布置方式,并進(jìn)行優(yōu)化;d.對高速開關(guān)閥特性進(jìn)行實驗研究。全篇論文通過三章內(nèi)容對高速電梯擺振控制器液壓系統(tǒng)設(shè)計及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)的敘述和討論。在第一章概論里,著重介紹了當(dāng)今全球電梯行業(yè)發(fā)展的一個概況,隨著現(xiàn)代城市人口的不斷增長和工商業(yè)的飛速發(fā)展,人們對空間的需求越來越大。為了更加充分地利用有限的空間資源,以緩解人們不斷增長的空間需求與有限的生存空間之間的矛盾,現(xiàn)代城市規(guī)劃者已越來越多地把目光投向了發(fā)展和建造高層,超高層建筑。這就電梯向著高速的方向發(fā)展。與此同時,人們對乘坐電梯時的舒適性要求也日漸高,這就迫切要求高速電梯的振

14、動問題能盡早得到解決。為此,對高速電梯減振的研究也逐漸成為一個電梯行業(yè)研究的一個熱點問題。在第一章里,還簡要地介紹了電梯振動控制問題的背景。通過對電梯在不同振動平率時對乘客身體造成的不同影響的研究,引出了如何通過控制電梯的振動頻率來達(dá)到提高乘坐舒適性目的的研究。這章里,簡單介紹了國內(nèi)外學(xué)者對振動控制問題研究的一些成果。最后,列出了本次設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容。在第二章里,詳細(xì)敘述了液壓系統(tǒng)的設(shè)計與元件的選型。首先,介紹了液壓作動器在振動主控系統(tǒng)中的重要作用。在作動器中最為重要的又是液壓控制閥。接著專門介紹了一種新型的液壓控制閥高速開關(guān)閥。由于其具有價格低廉、快速響應(yīng)性好、抗污染能力強(qiáng)、易于實現(xiàn)數(shù)字

15、控制等優(yōu)點,使其得到了很大的發(fā)展。鑒于其在控制系統(tǒng)中的重要作用,在接下來的第三章里還將對其作專門的討論。接下來對液壓作動器的總體方案進(jìn)行了設(shè)計。分別闡述了作動器的技術(shù)性能要求、組成和工作原理、關(guān)鍵技術(shù)等。最后,分別對組成系統(tǒng)所需元件:液壓缸、高速開關(guān)閥、壓力傳感器、液壓泵和驅(qū)動電機(jī)、畜能器、溢流閥、單向閥、壓力表、過濾器、空氣濾清器、液位計、油箱、集成塊、油管和工作液體等的選型進(jìn)行了分析,并給出了最終選擇的結(jié)果。并在最后給出了液壓站的總裝配設(shè)計圖,以及進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的裝配設(shè)計圖。在第三章里特別針對高速開關(guān)閥的動態(tài)特性進(jìn)行了實驗。通過控制器每隔2s使高速開關(guān)閥開啟10ms,相當(dāng)于輸入一個階躍信

16、號,通過測試液壓缸內(nèi)油液壓力,得到高速開關(guān)閥在三個不同初始備壓壓力下階躍信號響應(yīng)。最后得出占空比越小,壓力控制的穩(wěn)定性越好,但壓力梯度較小,增大占空比,盡管壓力梯度隨之增大,但壓力穩(wěn)定性明顯降低,發(fā)生了比較明顯的壓力振蕩的結(jié)論。并可以看出50%占空比的PWM控制信號也許是一個比較好的選擇。在文章末尾的第四章里,對全文進(jìn)行了總結(jié),還展望了未來高速電梯控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。同時,表達(dá)了在整個設(shè)計過程中對我給予很大幫助的兩位老師的誠摯的謝意。通過他們對我近一個學(xué)期的精心培養(yǎng),我在本科學(xué)習(xí)的最后階段又有了一個新的飛躍。我相信在今后的人生旅程中我都會因這次設(shè)計,受益匪淺!本課題來源于上海交通大學(xué)車輛研究所

17、和富士達(dá)(Fujitec有限公司的合作項目,由車輛研究所的老師提供理論上的知識和原始的資料。同時還進(jìn)行了全方面的指導(dǎo),特別對系統(tǒng)的工作原理和布置優(yōu)化方案給予了很詳細(xì)的教導(dǎo)。通過本次畢業(yè)設(shè)計,不僅可以熟悉對UG,Autocad等工程軟件的使用,并可以通過對液壓系統(tǒng)建模整個過程的掌握和對液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化設(shè)計,對整個液壓系統(tǒng)建模有了完整的認(rèn)識。此外,還能通過到工廠里的實踐,看到了書本上無法了解的裝配和調(diào)試中的實際問題,以及在今后設(shè)計中需要非常注意的問題。1.6 原始數(shù)據(jù) 圖1.5 電梯原始數(shù)據(jù)下圖為表中參數(shù)示意圖 圖1.6 參數(shù)示意圖 X,Y,的振幅、正負(fù)的方向雖沒有相互依存性、但周期的變動接

18、近于同 期。(依存于導(dǎo)軌的長、導(dǎo)軌BKT 另外、對面的導(dǎo)軌(右導(dǎo)軌、左導(dǎo)軌之間的相互關(guān)系也同樣。圖 1.7 導(dǎo)軌不平的數(shù)據(jù)統(tǒng)計X從導(dǎo)軌上方觀察第二章液壓系統(tǒng)設(shè)計與元件的選型電梯運行速度越來越高,電梯的振動問題越來越突出,成為影響乘梯舒適性甚至安全性的因素。因此如何抑制電梯的振動成為當(dāng)前國內(nèi)工業(yè)界越來越迫切的問題,因為這直接關(guān)系到產(chǎn)品的市場競爭力。電梯的振動問題主要分為兩類,既垂直振動和水平振動。但在國內(nèi)關(guān)于電梯振動的研究較少,特別是水平振動。一般來說,導(dǎo)致水平振動的因素有導(dǎo)軌交接處的突起、導(dǎo)軌表面的高低不平、導(dǎo)軌的彎曲以及導(dǎo)輪自身的缺陷等因素。因此制造平直的導(dǎo)軌以及安裝導(dǎo)軌時盡量使兩根導(dǎo)軌對直

19、,這將大大減少電梯的水平振動。不過,這會大大提高安裝和制造成本。另外一種可以取代的方法是用控制手段來抑制水平振動。2.2 電梯系統(tǒng)振動分析李立京4等介紹了一個研究水平振動的簡單的2自由度的電梯模型,如圖2.1: 圖2.1 電梯水平振動模型其振動微分方程為: (2-1從而可以解得系統(tǒng)的兩個固有頻率: (2-2 Roberts5介紹了在導(dǎo)輪上的位移和外力系到質(zhì)心力系的轉(zhuǎn)換原則。KenlchiOkamoto6等,則分析了3種可能存在的導(dǎo)軌擾動模式。但是關(guān)于空間5自由度的電梯水平振動模型研究并不多見。這里首先借鑒和引用上海交通大學(xué)傅武軍8等老師建立的模型。他們建立了一個空間5自由度的電梯水平振動的模型

20、,導(dǎo)出位移和力系在全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換矩陣,并建立了系統(tǒng)的動態(tài)微分方程組。利用所建模型得出了某一實際電梯水平振動的固有頻率,然后分析了導(dǎo)軌激勵的特點,并求出了在假設(shè)激勵條件下電梯的水平振動加速度響應(yīng)。模型如下圖所示: 由此得到了電梯系統(tǒng)水平振動的微分方程:MX+CX+KX=F e(2-3其中M=diagmx,my,Ix,Iy,Iz為質(zhì)量矩陣;C和K分別為對稱的R55阻尼矩陣和剛度矩陣,且有: 另外Fe是質(zhì)心的外力矩陣;mx,my,Ix,Iy,Iz分別為質(zhì)心X方向質(zhì)量,質(zhì)心Y方向質(zhì)量,繞X軸的轉(zhuǎn)動慣量,繞Y軸的轉(zhuǎn)動慣量,繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量。k1和c1為導(dǎo)輪或?qū)а方向剛度和阻尼,k2和c

21、2為導(dǎo)輪或?qū)а方向剛度和阻尼。接著,得出了在下述初始條件下系統(tǒng)的固有頻率:電梯的參數(shù)為:質(zhì)心的主質(zhì)量mx=my=1350kg、Ix=1800.74kgm,Iy =1900.67kgm、Iz=455.295kgm,導(dǎo)輪的剛度k1=125000N/m,k2=125000N/m阻尼因子取=0.03,質(zhì)心的位置是:l1=2.2506m,l2=1.5494m,l3=0.761m,l4=0.761m,l5=0。 人對0.520Hz的水平振動的模態(tài)頻率特別敏感,如果這些頻率被激起將嚴(yán)重影響乘坐的舒適性,因此應(yīng)盡量抑制在這個頻率范圍內(nèi)的振動加速度值。響應(yīng),如圖2.5所示。其中階躍模式導(dǎo)軌激勵將引起較大的質(zhì)心

22、水平振動加速度。 圖2.4典型導(dǎo)軌位移激勵信號(位移時間 圖2.5由典型擾動引起電梯質(zhì)心水平方向振動響應(yīng)(加速度時間2.3 液壓作動器的總體方案設(shè)計作動器是振動主動控制系統(tǒng)中的重要元件之一,其作用是向系統(tǒng)施加控制信號,以按照所需方式改變系統(tǒng)的響應(yīng)。作動器的主要類型有液壓作動器、氣動作動器、電磁作動器、壓電作動器、形狀記憶合金作動器和磁制伸縮作動器。其中液壓作動器能在相對較小的結(jié)構(gòu)尺寸下產(chǎn)生較大的位移和較大的作用力,在車輛主動懸掛和直升飛機(jī)機(jī)艙的振動主動控制中已得到很好的應(yīng)用,但在電梯減振方面的應(yīng)用尚未見有報道。液壓作動器的關(guān)鍵元件是液壓控制閥。傳統(tǒng)的開關(guān)型控制閥上限頻率為320Hz,不能滿足快

23、速性的要求,而技術(shù)先進(jìn)的比例閥和伺服閥盡管上限頻率均超過150Hz,但由于對油液污染較敏感,且價格較貴,限制了它們的廣泛應(yīng)用。近幾年,一種新型的液壓控制閥高速開關(guān)閥獲得很大發(fā)展,同伺服閥、比例閥相比,它具有價格低廉、快速響應(yīng)性好、抗污染能力強(qiáng)、易于實現(xiàn)數(shù)字控制等優(yōu)點,在越來越多的電液控制系統(tǒng)得到應(yīng)用。高速開關(guān)閥由于自身結(jié)構(gòu)限制,允許的流量較小,一般最大為10L/min,不能直接用于大流量控制系統(tǒng)中,但對本系統(tǒng)完全滿足要求。另外,液壓作動器需專門的液壓站供油,容易產(chǎn)生噪聲,并且在控制閥輸人電壓和液壓缸的力或位移輸出之間產(chǎn)生非線性和滯后,這是在研究中必須重點考慮的問題。2.3.1 液壓作動器的技術(shù)

24、性能要求(1滿足系統(tǒng)的壓力和流量要求,最高工作壓力為5Mpa,流量至少滿足頻率為4Hz外負(fù)載激勵的要求。(2保證油液的清潔度,過濾精度至少達(dá)到10m,保護(hù)各種液壓元件,延長使用壽命,提高系統(tǒng)工作可靠性;(3防止空氣混入,油液中空氣含量不得超過2%,以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和動作的快速性;(4減小液壓泵輸出流量的脈動和壓力脈動,以提高控制精度,可選擇高性能的液壓泵或增設(shè)蓄能器;(5各種液壓元件均不允許有外泄漏,保證使用環(huán)境的清潔。系統(tǒng)的正常工作噪聲不大于40分貝;(6整體結(jié)構(gòu)緊湊,布局合理,外表美觀,便于安裝,符合人機(jī)工程學(xué)。 圖2.6 功能模塊圖如圖2.7示,液壓作動器由液壓站和執(zhí)行裝置兩部分組成

25、。液壓站負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供油源,并實現(xiàn)控制和保護(hù)。它主要包括電動機(jī)1、液壓泵2、過濾器3、單向閥4、蓄能器5、壓力表6、溢流閥7;高速開關(guān)閥8、9、壓力傳感器10以及油箱、空氣濾清器、液位計等附件;執(zhí)行裝置安裝在電梯導(dǎo)靴上,給轎廂提供阻尼力,它包括四套液壓缸11和蓄能器12,分別通過4根高壓軟管并聯(lián)在液壓站的排油口,工作狀態(tài)互不影響。 1-電動機(jī);2-液壓泵;3-過濾器;4-單向閥;5-蓄能器;6-壓力表;7-溢流閥;8,9-高速開關(guān)閥;10-壓力傳感器;11-液壓缸;12-蓄能器液壓作動器工作時,液壓泵2在電動機(jī)1驅(qū)動下從油箱吸油,輸出的高壓油液經(jīng)過濾器3過濾后進(jìn)入蓄能器5,蓄能器可減小液壓泵輸

26、出油液的流量和壓力脈動。系統(tǒng)輸出油液的壓力由溢流閥7調(diào)定,可由壓力表6測出并指示,單向閥4可避免蓄能器的油液沖擊過濾器和液壓泵。高速開關(guān)閥8、9接收控制器輸出的數(shù)字信號分別控制進(jìn)入和流出液壓缸的油液,實現(xiàn)對液壓缸內(nèi)油液壓力的調(diào)節(jié)。液壓缸內(nèi)油液壓力通過壓力傳感器10實時檢測并輸入控制器以實現(xiàn)反饋控制。蓄能器12可減小由外負(fù)載引起的液壓缸內(nèi)油液壓力的高頻振蕩,有利于提高系統(tǒng)的控制精度。圖2.7,由高速開關(guān)閥8、9的排油口、壓力傳感器10的進(jìn)油口、液壓缸11、蓄能器12及它們之間的連接管路所形成的封閉容腔,就是我們所要控制的壓力區(qū)。該壓力區(qū)中的壓力可用式(2-4表達(dá):V VE p e = (2-4

27、式中:V-壓力區(qū)的總?cè)莘e;V-壓力區(qū)油液的體積增量;Ee-有效體積彈性模量。工作液體的有效體積彈性模量可用式(2-5近似計算: gg l c e E V V E E E 1111+= (2-5 式中:Ec-管道等形成壓力區(qū)的固定容器的彈性模量;El-液體體積彈性模量物理值;Vg-油液中所含氣體容積;固定容器的體積彈性模量難以精確計算,常以起決定作用的管壁的彈性模量代替,即 p c E DT E = (2-6 式中:Ep-油管材料彈性模量T -油管壁厚D-油管內(nèi)徑根據(jù)上述公式,設(shè)工作油壓為2.5MPa ,工作液體含有1%空氣,可計算得有效體積彈性模量Ee 為255MPa 。系統(tǒng)中V=1.86mL

28、 ,V=250mL ,如不施加主動控制可知p 為1.9MPa 。2.3.3 液壓作動器的關(guān)鍵技術(shù)(1高速開關(guān)閥脈寬調(diào)制(PWM 控制 本系統(tǒng)選用的高速開關(guān)閥采用脈沖流量控制方式,開關(guān)閥直接根據(jù)一系列脈沖電信號進(jìn)行開關(guān)動作,在出口輸出一系列的脈沖流。圖 2.8PWM工作原理圖。脈寬調(diào)制器將輸入的控制信號與載波信號比較后,轉(zhuǎn)化為周期為T的脈寬調(diào)制信號。如(a 圖中的u為計算機(jī)計算輸出的控制信號,通過將該信號與也是計算機(jī)輸出的一系列作載波信號的鋸齒波信號進(jìn)行比較,如果在某一時刻u的值大于鋸齒波的值,則要求閥開,否則要求閥關(guān)。隨后得到(b 圖中所示的一系列控制指令,將這一系列控制指令施加到閥的線圈上,

29、在有控制指令電壓的時間閥通路打開,有流量q通過,其余的時間內(nèi)則無流量通過。高速開關(guān)閥采用脈寬調(diào)制原理來控制其平均流量,由于時間T非常小,常為0.0050.15s ,因此,可用平均流量q來表示這一時間內(nèi)閥的輸出流量。pA C q d =2 (2-7式中:Cd表示流量系數(shù),A表示閥口的開口面積,表示時間Ton 與時間T之比,p 表示油的壓差,表示油的密度。上式表明,高速開關(guān)閥的流量q與時間Ton 與時間T之比脈寬占空比成正比。脈寬占空比越大,通過高速開關(guān)閥的平均流量越大。由于脈寬調(diào)制(PWM 信號可直接由計算機(jī)輸出,高速開關(guān)閥能夠直接以數(shù)字的方式進(jìn)行控制,不必經(jīng)D /A轉(zhuǎn)換,計算機(jī)可以根據(jù)控制要求

30、發(fā)出的脈寬調(diào)制信號,控制電機(jī)械轉(zhuǎn)換器電磁鐵動作,從而帶動高速開關(guān)閥開或關(guān),以控制液壓缸進(jìn)出油液的流量。高速開關(guān)閥采用PWM 控制,PWM 控制信號的載波相當(dāng)于給開關(guān)閥增加了一個顫振信號,該顫振信號有助于消除電磁阻尼和庫侖阻尼,這樣一方面減小了開關(guān)閥死區(qū)影響,另一方面也消除了閥控流量的非線性。脈寬調(diào)制式液壓系統(tǒng)雖然具有較好的性能,但卻存在壓力波動,大慣量負(fù)載時尤為嚴(yán)重。脈寬調(diào)制系統(tǒng)壓力波動的來源有兩個:其一是閥開關(guān)信號本身的諧波分量在輸出的體現(xiàn)。該諧波分量對實際系統(tǒng)輸出的影響非常小以至在實驗中測量不到,故可以忽略;其二是由于開關(guān)閥只以全開和全閉兩狀態(tài)動作,系統(tǒng)消除大誤差時閥長時間全開可使負(fù)載(包

31、括活塞速度和動能響應(yīng)到最大,在負(fù)載接近期望位置而關(guān)閉開關(guān)閥時,負(fù)載所獲得的動能就會與液壓缸容腔所形成的液壓彈簧及負(fù)載彈簧之勢能相互轉(zhuǎn)化,這種轉(zhuǎn)化過程使得負(fù)載在平衡位置附近波動,直到負(fù)載動能被消耗掉為止,我們稱這種波動為系統(tǒng)彈性波動。本系統(tǒng)在認(rèn)真分析和實驗研究的基礎(chǔ)上,采用了蓄能器以減小系統(tǒng)波動,并通過系統(tǒng)參數(shù)匹配以滿足所要求的控制精度。(2隔振降噪技術(shù)作為主要噪聲源的液壓泵安裝在油箱的液面以下,既可隔聲也有助于散熱;采用高壓軟管連接執(zhí)行裝置,減小液壓缸中油液的壓力脈動,也可阻止機(jī)械振動的傳遞; 在產(chǎn)生油液壓力脈動的源頭處采用蓄能器,以吸收壓力脈動;液壓缸上安裝消聲器,降低活塞桿快速移動引起的噪

32、聲。2.4 液壓作動器的選型設(shè)計液壓缸是液壓作動器的執(zhí)行元件,它的作用時將液體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動部件的機(jī)械能,使運動部件實現(xiàn)往復(fù)直線運動或擺動。其性能不僅影響了作動器的響應(yīng)速度,而且對壓力穩(wěn)定性起著決定作用。受導(dǎo)靴上安裝位置限制,其外形尺寸必須專門設(shè)計。圖2.9單桿活塞缸原理圖。其活塞的一側(cè)有伸出桿,兩腔的有效工作面積不相等。當(dāng)向缸兩腔分別供油,且供油壓力和流量相同時,活塞 (或缸體在兩個方向的推力和運動速度不相等。 當(dāng)無桿腔進(jìn)壓力油,有桿腔回油(圖2.9時,活塞推力F1和運動速度v1分別為F1=A1p=/4D2p (2-8 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、分析及繪圖;設(shè)計完成以后,選擇需進(jìn)行加工制造的零部件,

33、輸入制造信息(例如刀具直徑,運行制造程序,就可以自動生成相應(yīng)的加工文件,該文件可以用來驅(qū)動大多數(shù)的數(shù)控加工機(jī)床。同時,它可方便的對三維實體模型進(jìn)行特征編輯,如密度單位及數(shù)值修改等,以便獲取相應(yīng)部件的質(zhì)量特性參數(shù)。UG還提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之人機(jī)介面,不但易學(xué)易用,更有無限次數(shù)的undo功能、方便好用的彈出視窗指令、快速圖像操作說明、自訂操作功能指令及中文化操作介面等特色,并且擁有一個強(qiáng)固的檔案轉(zhuǎn)換工具,能轉(zhuǎn)換各種不同CAD應(yīng)用軟件的圖形,以重復(fù)使用舊的資料。本文主要利用UG的三維造型功能,建立液壓系統(tǒng)元器件的實體模型,在軟件環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)的裝配和布置的優(yōu)化,為實際系統(tǒng)的空間布置提供依據(jù)。液壓系統(tǒng)原結(jié)構(gòu)

34、的UG裝配圖如圖2.16 所示, 經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)布置如圖2.17所示。在不影響液壓系統(tǒng)功能的前提下,裝配關(guān)系改變之處有:1.傳感器位置的改變,從閥塊的側(cè)面移到閥塊的頂部,為電機(jī)、濾清器、蓄能器等元件的布置提供空間;2.濾清器和電機(jī)向靠近閥塊的方向移到,可以減少油箱的長度,降低系統(tǒng)的體積和重量;3.壓力表和蓄能器移到油箱的上部,減少了被撞擊的幾率。重新布置后的系統(tǒng)從原理上和實際應(yīng)用方面都更加合理。第三章高速開關(guān)閥特性實驗?zāi)M實驗臺架的組成如圖3.1所示,正弦激勵施加到擺振主動控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件液壓缸上,將引起液壓缸內(nèi)油液壓力的變化,該壓力由壓力傳感器采集送到控制器中,根據(jù)控制策略發(fā)出指令,通過

35、液壓站上的高速開關(guān)閥完成對液壓缸內(nèi)壓力的控制,同時壓力傳感器采集的壓力值也送入監(jiān)控計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,顯示壓力變化曲線。 3.2 高速開關(guān)電磁閥簡介用數(shù)字信息直接控制的閥,稱為電液數(shù)字控制閥,簡稱數(shù)字閥,它可以直接接受脈沖電信號,不需要D/A轉(zhuǎn)換元件,極易與計算機(jī)相連接,與伺服閥和比例閥相比較,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗污染能力強(qiáng)、重復(fù)性好等諸多優(yōu)點。在微機(jī)實時控制系統(tǒng)中,它部分取代了比比例閥和伺服閥的工作。高速開關(guān)閥作為數(shù)字閥的一種,近年來在國內(nèi)外己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,但是它與伺服閥和比例閥相比,控制精度稍差。關(guān)于這方面的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了一些成果。由于高速開關(guān)電磁閥結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,在液

36、壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨增多。PWM 電液控制系統(tǒng)由于采用脈沖調(diào)制工作方式,與伺服閥或比例閥構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng)相比,則具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等突出優(yōu)點,在工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬。如在日本、德國等國家,利用高速開關(guān)閥的PWM電液控制系統(tǒng)已經(jīng)普及到農(nóng)業(yè)機(jī)械、運輸設(shè)備、機(jī)床、航空器等各行業(yè)。國內(nèi)近年來對高速開關(guān)閥及其應(yīng)用研究也越來越重視。隨著各種功能集成控制電路(IC的不斷推出和計算機(jī)及接口芯片技術(shù)的飛速發(fā)展,又使得PWM電液控制系統(tǒng)的信號處理部分不斷簡化,系統(tǒng)的控制精度不斷提高,成本日趨降低,可靠性越來越高。采用高速開關(guān)閥的PWM電液控制系統(tǒng)將有著廣闊的應(yīng)用前景。工作原理:用數(shù)字量

37、進(jìn)行控制的方法有脈寬調(diào)制(PWM、脈頻調(diào)制(PPM、脈數(shù)調(diào)制(PNM、脈碼調(diào)制(PCM和脈幅調(diào)制(PAM。目前在流體動力控制系統(tǒng)中,PMW方式是一種比較成功的控制策略。其控制原理如圖3.2所示。 圖 3.2 脈寬調(diào)制原理圖在圖3.2a中,r(t為控制信號,將該信號與載波信號c(t進(jìn)行比較,如果在某一時刻,r(t值大于載波信號從c(t的值,則使閥開啟,否則使閥關(guān)閉,從而得到一系列如圖2.3b所示的控制指令。將這些控制指令作用到高速開關(guān)閥電磁鐵的線圈上,于是在每一周期T內(nèi)有t p 的時間,閥的通道被打開,有流量Q u通過。時間t p和T之比稱為占空比,記為d,d=t p/T。由于高速開關(guān)閥的載波周

38、期可以調(diào)得很低,例如0.010.05,因此可以用平均流量來表示這一時間內(nèi)得輸出流量。平均流量為: 式中:P為閥口壓差:c為閥口流量系數(shù);A為閥開口面積;圖3.3 即為修正后的高速開關(guān)閥的流量特性曲線。 圖 3.3 高速開關(guān)閥的流量特性曲線高速開關(guān)閥位置伺服系統(tǒng)正是利用了高速開關(guān)閥的脈寬調(diào)制信號的占空比,流量特性對變量油缸的位移進(jìn)行控制,從而達(dá)到調(diào)節(jié)排量的目的。在電梯擺振主動控制系統(tǒng)中,高速開關(guān)閥負(fù)責(zé)接收控制器發(fā)出的控制指令,完成對液壓缸內(nèi)油液壓力的調(diào)節(jié)。其性能的好壞直接決定了擺振主動控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。因此,我們首先進(jìn)行了高速開關(guān)閥的動態(tài)特性實驗,并確定高速開關(guān)閥采用PWM控制時不同載波

39、頻率下的占空比范圍。為了測高速開關(guān)閥的動態(tài)特性,控制器每隔2s 使高速開關(guān)閥開啟10ms ,相當(dāng)于輸入一個階躍信號,通過測試液壓缸內(nèi)油液壓力,得到高速開關(guān)閥在三個不同初始背壓力下階躍信號響應(yīng)如圖3.4所示。圖中所顯示的壓力梯度(壓力飛升速度最高可達(dá)到500MPa/s ,可見高速開關(guān)閥動作的快速性是非常明顯的,盡管存在壓力波動,但壓力穩(wěn)定時間不超過50ms ,完全滿足系統(tǒng)控制要求。隨著初始背壓的提高,壓力梯度有所減小,但壓力穩(wěn)定時間也明顯縮短,由此可知,高速開關(guān)閥輸出口保持一定的背壓可有效改善系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性。 t/sC y l i n d e r P r e s s u r e R e s p

40、 o n s e /M P a圖3.4高速開關(guān)閥的動態(tài)特性曲線 12t/sC y l i n d e r P r e s s u r e R e s p o n s e /M P a圖3.5 高速開關(guān)閥的動態(tài)特性曲線 012t/sC y l i n d e r P r e s s u r e R e s p o n s e /M P a圖3.6 高速開關(guān)閥的動態(tài)特性曲線12t/sC y l i n d e r P r e s s u r e R e s p o n s e /M P a 圖3.7 高速開關(guān)閥的動態(tài)特性曲線將時間歷程縮短后可得到圖 3.5-3.7所示單個階躍信號作用下高速開關(guān)閥的

41、動態(tài)特性曲線,從中可以看出由于電磁鐵響應(yīng)滯后時間和閥芯運動時間等影響,高速開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉過程中,壓力響應(yīng)均存在一定的滯后,可用總開啟時間ton 和關(guān)閉時間toff 來度量,這是衡量閥快速性的兩個重要參數(shù)。經(jīng)測試,系統(tǒng)中所選用的高速開關(guān)閥的ton=2.4ms ,toff=3.3ms 。根據(jù)ton 和toff 實測值可得出高速開關(guān)閥采用PWM 控制時不同載波頻率下的占空比范圍,并得到了實驗驗證。載波頻率50hz 占空比范圍13%85% 載波頻率100hz 占空比范圍25%80% 載波頻率200hz 占空比范圍45%70%在上述占空比范圍內(nèi),為了測試高速開關(guān)閥的壓力調(diào)節(jié)性能,根據(jù)液壓理論中的關(guān)于

42、半橋網(wǎng)絡(luò)的論述,令進(jìn)油閥全開,回油閥采用100Hz 的PWM 信號控制,占空比從30%遞增變化到80%,測量液壓缸內(nèi)油壓變化,獲得了如圖3.8-3.13所示的實驗結(jié)果。1820222426283012t/sC y l i n d e r P r e s s u r e R e s p o n s e /M P a 圖3.8 30%PWM 控制下壓力變化曲線 t/sC y l i n d e r P r e s s u r e R e s p o n s e /M P a圖3.9 40%PWM 控制下壓力變化曲線 81012141618012t/s C y l i n d e r P r e s

43、 s u r e R e s p o n s e /M P a圖3.10 50%PWM 控制下壓力變化曲線14161820222426280 12t/s C y l i n d e r P r e s s u r e R e s p o n s e /M P a圖3.11 60%PWM 控制下壓力變化曲線 t/s C y l i n d e r P r e s s u r e R e s p o n s e /M P a圖3.12 70%PWM 控制下壓力變化曲線 12141618202224262830012t/s C y l i n d e r P r e s s u r e R e s

44、p o n s e /M P a圖3.13 80%PWM 控制下壓力變化曲線從圖中不難發(fā)現(xiàn),占空比越小,壓力控制的穩(wěn)定性越好,但壓力梯度較小,增大占空比,盡管壓力梯度隨之增大,但壓力穩(wěn)定性明顯降低,發(fā)生了比較明顯的壓力振蕩。綜合比較,50%占空比的PWM 控制信號也許是一個比較好的選擇。第四章總結(jié)及致謝本文對電梯擺振控制系統(tǒng)的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究,繪制了液壓系統(tǒng)原理圖,并對液壓元器件進(jìn)行了選型和匹配,使之能夠有效的完成電子控制器發(fā)來的控制指令?；趯嶋H使用過程中液壓系統(tǒng)布置存在的問題,對液壓元器件布置進(jìn)行了優(yōu)化。高速開關(guān)閥是液壓系統(tǒng)的核心部件,負(fù)責(zé)接收控制器發(fā)出的控制指令,完成對液壓缸內(nèi)油液

45、壓力的調(diào)節(jié)。其性能的好壞直接決定了擺振主動控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。為確定高速開關(guān)閥采用PWM控制時不同載波頻率下的占空比范圍,進(jìn)行了高速開關(guān)閥的動態(tài)特性實驗。試驗數(shù)據(jù)的分析顯示,占空比越小,壓力控制的穩(wěn)定性越好,但壓力梯度較小;增大占空比,盡管壓力梯度隨之增大,但壓力穩(wěn)定性明顯降低,發(fā)生了比較明顯的壓力振蕩。綜合比較,50%占空比的PWM控制信號對本控制系統(tǒng)而言是一個比較好的選擇。電梯雖然已經(jīng)出現(xiàn)了100多年,但隨著新的電力器件的發(fā)明和應(yīng)用,數(shù)字化系統(tǒng)的廣泛普及以及計算機(jī)在電梯系統(tǒng)的大量應(yīng)用,使得人們對電梯的研究高潮迭起。人們對電梯研究的深入必定帶來電梯系統(tǒng)性能的不斷提高,使得電梯這一廣泛應(yīng)

46、用于人們生活中的代步工具向著更加舒適,更加安全和更高效率的方向不斷前進(jìn)!4.2 致謝本設(shè)計得以順利完成首先要感謝管西強(qiáng)和張鑫老師的大力支持和幫助。在整個課題設(shè)計的過程中,兩位老師一直都耐心地指導(dǎo)我做好每一項工作,并指導(dǎo)我以正確的研究方向。管、張老師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度,廣博的知識,敏銳的洞察力和認(rèn)真的態(tài)度使我受益匪淺。在論文的整理階段,管老師還悉心對我的報告進(jìn)行了審核,并提出了很多寶貴的修改意見,使我的論文更加完善。在此,謹(jǐn)向兩位老師表示最誠摯的感謝和敬意!同時還要感謝和我一同進(jìn)行設(shè)計的張凱之同學(xué),他的認(rèn)真、求實工作的態(tài)度一直影響著我。在論文書寫和圖紙設(shè)計時,他還給了我很大的幫助。最后,還要感謝所有幫助和支持我的所有親人和朋友們,正是他們無私的幫助和指導(dǎo),使我在學(xué)習(xí)和工作中不斷提高和進(jìn)步!吳石廬參考文獻(xiàn)