双缸电液比例控制液压电梯翻译.docx

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双缸电液比例控制液压电梯翻译

双缸电液比例控制液压电梯

KeLi,M.A.Mannan（a）徐铭谦萧子远（b）

（a）新加坡国立大学机械制造学院工程师，新加坡119260，新加坡

（b）上海同济大学机械工程学院，200092，中华人民共和国

2000年7月4号开始，2000年10月27号完成

摘要

大尺寸的电液压电梯电梯厢必须安装在位于电梯厢两侧对称的两个液压缸上。

本文介绍了一个电动液压系统的设计，它包括三个流量控制比例阀、电梯厢的速度调节和两个同步控制液压缸。

一种伪微分反馈（PDF）控制器应用于获得电梯厢的速度模式，这种模式被证明是接近给定值的。

在一阶比例微分（PD）控制器限制下，两个液压缸的非同步误差保持在

2mm以内。

电磁驱动的非回流阀，即液压锁，也被开发用于防止电梯厢下沉，便于逆流体流动。

（2001年由ElsevierScience有限公司出版）

关键词：

液压电梯，速度跟踪;同步;液压锁

一、介绍

现代液压升降台是一种目前解决低中高层建筑物垂直运输问题的低成本的好方案，在这些应用中要求较好的运行能力，如缓慢的速度和短行程距离（Edwards,1989）.这些措施应用在超市或历史建筑的观光电梯（Hayes,1999;Anon,1989;Schneider,1986），舞台电梯（Anon,1974），船舶电梯（Laurent，deFays,&Dambrain,1988;Brouet,1998），残疾人电梯（Iwainsky,Lauermann,&Spanier,1990），等电梯中。

在大多数情况下，液压电梯可适应建筑设计的要求，且不影响节能和效率的要求（Schneider,1987）。

此外，耐火流体的使用，使液压电梯能够让电梯在火炉或明火等危害附近运行（Umesh,1981）。

在需要搬运大型有效负载的地方，如汽车电梯或海洋电梯，使用液压驱动电梯是最好的。

在重负载情况下，电梯厢通常直接作用或侧面作用液压缸（Wemhoener，1971）。

直接作用的存在一个很大的缺陷，即具有严重腐蚀内缸的风险，而且很难更换损坏的液压缸部件。

因此，在许多情况下，侧面作用液压缸是首选，但事实上，它会增加由于电梯厢刚度不足而引起钢板穿洞的可能性。

在极端的条件下，当涉及到大型电梯厢的大小和不平衡载荷时，电梯厢的灵活度甚至可能导致导轮卡在轨道上，这是非常危险的。

因此，在这种情况下，一个可行的办法是对称安装两个直接作用的液压缸在电梯厢两侧，如图1所示。

图1两侧的作用缸

应当指出的是，电梯的平稳运行是不能被忽视的，因为人可能和货物一起组成有效载荷。

设计控制系统时，主要的问题是要确保两缸同步运动。

图2等压控制：

不均匀放置有效载荷造成不同步的运动

该误差是由于等压控制下不平衡载荷使两个液压缸运动不同步而造成的，这种等压控制一般用于多液压缸电梯的控制，如图2所示。

由图

（2）很明显的看出，等压控制不适合于同步液压电梯。

当有效载荷位于电梯厢右侧时，负荷较轻的左缸将比右缸向上移动的更快。

两缸之间的速度差距将不会停止，直到由同时连接在电梯厢左下角和右上角滑轮的导轨驱动的反作用力与液压力差平衡。

两个非同步液压缸为了确保两个液压缸在单位时间内的流体流动相同，只能减少流量控制。

本文提出了一种电液系统，这种系统是为双缸位于电梯厢两侧的电梯控制而设计的。

该系统由三个流量控制比例阀。

一个PDF控制器应用于速度控制，然而受限的一阶PD控制器保证了两个汽缸运动之间的非同步误差最小。

本文也提出了新电磁驱动的非回流阀设计，这种阀叫液压锁。

在这个项目中，实验是在一个正常大小的车厢中进行的，而没有重新建立一个新的大尺寸的电梯厢，这是因为建造成本太高。

为了实现大型电梯厢能灵活运行的条件，所以延长在侧方向上的铁轨和相应的导轨轮之间的距离，使电梯厢在这个方向上没有限制。

与此同时，在前进和后退的方向上，电梯厢被限制在轨道上，就像普通载人电梯一样。

两缸的同步运动控制在组装上相似，甚至比一个有正常限制的较大电梯厢的组装更困难。

二、电液控制系统设计

一般有两种不同的流体动力系统用于液压电梯，即流量限制调速系统和可变交付调速系统。

在流量限制调速系统中，泵是在恒定速度下运行的，而阀是在上下两个方向上调节液压缸速度的（Watanabe,Nakamura,Shuto,&Sasaki,1994）。

而在可变交付调速系统中，电梯的运行则是通过改变泵的转速来实现的，这种泵是通过速度控制异步电动机来驱动的（Sedrak,1999;Yang,Yang,Zhang,&Sha,1997;Shimoaki,1992;Tomisawa,Simoaki,Masaki,&Kubota,1991）

图3。

双缸电梯液压循环系统原理图

这种液压系统被应用在这种双缸电梯中，这个系统是依据流量限制调速原理，其中流体流入和流出两缸是由合适的控制阀门来设定的，泵的输出保持在一个固定的水平上。

在这个系统中，有三个流量控制比例阀，如图3中5-7所示。

流量控制比例阀作为限制流体单向流动的节流阀，它可以给出平滑无级调速的流量控制，它的流量可以从接近零变化到阀门的最大容量。

通过阀门5的流量几乎保持不变，因为不论系统或负载压力怎么变化，总压力通过比例阀来补偿，维持压差在恒定的水平。

在这种情况下，节流阀6和7如图3所示，流体流动随系统或负载压力的变化而改变。

阀门5（即这里所说的速度阀）是控制电梯速度的。

电梯厢的向上运动是由固定排量柱塞泵1驱动的。

当电机2开始工作时，电磁驱动的双位置溢流阀4卸载，液压油从泵1经油箱20输出，与此同时开启速度阀5并保持在其最大值。

电磁阀4得电，换向阀处于关闭位置，从而降低系统压力。

在这个阶段，通过调节阀5线圈中的电流来实现电梯厢的速度调节。

当关闭阀5时，所有液压油流入液压缸12和13中，电梯厢速度达到其最大值。

向下运动是由电梯厢本身的重量与其有效载荷所引起的。

当控制面板上收到一个向下调用信号，电磁驱动的非回流阀10和11就打开，并且电梯厢的速度由阀5控制。

阀5开启的越大，电梯厢速度就越快。

速度控制阀5通过控制从液压缸到油箱20的液压油来降低电梯厢的运行速度。

单向阀3是为了防止液压油从其工作的反方向流入泵中。

缸12和13的同步运动取决于流量控制阀6和7的调节。

节流阀的流量方程可以表示为：

其中，Q为流量，

为阀芯位移，△P表示通过阀门的压降，

是一个常数。

如果压降△P保持不变，Q与

成正比，即与通过电磁线圈的电流成正比。

液流的变化是由压降的变化引起的，因此这种变化可以通过改变

来补偿。

如以上所述，流体流动只能单方向通过流量控制比例阀。

阀8和阀9的组合，其中每个阀门由四个单向阀组成，使用这两个阀门是为了确保阀6和7在其正常方向上的工作。

电磁驱动的非回流阀10和11是专门设计来防止电梯厢下沉的，这种下沉通常是由电梯厢停止时液压元件的泄漏造成的。

电磁驱动的非回流阀的工作原理，将在本文后面进一步阐述。

当泵停止时，它们锁定了电梯厢，因此在这里可以称为液压锁。

只有当它们的螺线管通电时，电梯厢才能向下移动。

在电力刹车或其他液压元件出现故障的情况下，安全阀14将使电梯厢在一个较低的速度下运行。

三、电液比例控制

一个合适的速度曲线是根据设计规范预设的，如最大加速度。

最大加速度的变化，运行速度的最大速率，通常都用来形容一个电梯的运行模式。

如果电梯厢的速度随给定的曲线变化，那将能保证良好的乘坐舒适性。

开环控制，不能达到足够的跟踪精度，因为有效载荷，液压缸流体体积和流体粘度都是变化的。

因此需要速度反馈，来减弱各种干扰对电梯性能的影响。

（Watanabeal.,1994;Tomisawaetal.,1991）

图4电梯控制系统框图

此外，如果没有闭环控制，两缸的不同步运动是不可避免的，这些都是由于两缸在有效载荷、摩擦和液压油阻力上都存在着差异性。

因此，两个闭环需要在同一时间内获得调速及同步控制。

整个系统的控制框图如图4所示，它代表了电梯在向上方向的运动。

类似的框图也可以很容易表示向下的运动。

电梯厢的速度是由一个编码器来测量的。

电梯厢的平移运动，是通过滑轮传输到编码器转动转子上的。

一个有两个元素的同步系统是用来测量控制发射机CX和控制变压器CT转子之间的相对角度。

因此，同步系统的相对角测量是与两缸之间的高度误差成正比的。

如上所述，电梯厢速度仅取决于速度阀5（如图3），规定同步阀6和7的工作是严格按依据阀5的。

反之，在相同条件下，调整阀6和7将不会影响电梯厢的速度。

因此，调速和同步控制可实现分开，即速度控制器1和同步控制器2可以独立工作。

伪微分反馈（PDF）控制器，即图4中所示的控制器1，这种控制器适用于抑制内部参数变化如液压缸内的流体体积和外部干扰（如有效载荷、流体温度的变化等）的不利影响。

如图5所示，这种PDF控制器易于识别细小的系统参数变化和外部干扰（Phalen,1977）。

当

足够小时，饱和的非线性可以简化为在其线性部分工作，然后可以很容易地获得PDF控制器参数。

图5。

PDF控制系统框图

假设该系统可以描述为：

三个控制器参数为：

其中

为

，

为稳定时间，

是调整控制器输出幅度的常量。

现场调整控制器参数是必需的，这是为了确保其具有良好的工作性能。

图6和图7分别显示电梯厢的速度在一个有全部有效载荷和没有有效载荷的给定速度曲线时的跟踪性能。

理论速度模式和实际速度模式之间的差异主要是由于电液比例阀5的非线性特性所导致的。

然而，整个速度模式是非常接近设计模式的，所以仍然可以得到令人满意的乘坐舒适度。

图6。

空负载下的速度曲线（虚线：

期望值，连续：

测量值）。

图7。

全负载下的速度曲线（虚线：

期望值，连续：

测量值）。

受限的一阶比例微分（PD）控制器，即图2所示的控制器2，这个控制器是用来获取两个液压缸的同步运动。

这种PD控制器背后的思想有点类似船的转向。

当用划船来保持船沿直线运动时，运动员每次施加在浆上的力量是根据船偏离直线的距离和速度。

由于运动员具有不可避免的延迟反应，船的实际路线和给定的路线之间不能一直保持很小的差距。

所以有一种有效的替代方法，它涉及到每次操作桨时，运动员将运用一小部分预测的力量，这时船将接一步一步的近给定的路线，直到路线误差接近一个可接受的范围。

这种算法用于控制两缸的非同步误差时，可以在图8所示的流程图中描述出来。

图8受约束的一阶PD控制器流程图

液压缸12作为参考缸，其运动必须依据液压缸13，液压缸12也称为辅助缸。

参考输入端阀6和阀7，即

，如图4所示，它正比于速度阀5，即

。

图8中的两个常数n和

，它们的设定是基于大量测试所获得的数据。

阀6和阀7的间隙是类似于划船者对路线误差的延迟反应。

在控制器2的每个调整期里，其实际输出只有一小部分所需值由PD控制器计算。

也就是说，大误差是在规定步骤的每个采样周期里减少的，一直减少到一个可接受的高度误差。

这种控制方案被证明是有效的，它能保持不同步误差在

2mm以内，如图9和图10所示。

应当指出，如果在一个采样周期的初始非同步误差是较大的，这将需要一些时间，以使误差达到一个可接受的水平。

如果在一部电梯运行结束时非同步误差保留在下次开始运行的误差中，这个过程可以避免的话，那在所有的运行中的非同步误差将保持在较小值。

为了达到这个目标，防止下沉设备是必要的，因为两个液压缸不同的泄漏率将直接增加电梯的初始误差。

图9。

无有效载荷下的非同步高度误差曲线。

三、电磁驱动的非回流阀的设计。

这个装置的主要任务之一是通过防止各个液压缸的泄漏来保证液压缸之间较低的非同步误差。

电梯厢的下沉也将阻碍货物的装卸和乘客进出。

阀10与11（液压锁）起防止电梯厢下沉的作用。

如果没有它们，由阀5-7的阀芯和阀体之间间隙形成的泄漏肯定会导致电梯厢的下沉。

在工程中使用的液压锁是一种通用的修改后的版本，这种液压控制的非回流阀拥有另外的电磁驱动。

在其未修改的形式中的阀门有三个端口：

输入端口PB，输出端口PA和液压控制端口PT。

图10。

在非均匀放置的一吨有效载荷的非同步高度误差曲线

当流体从端口PB流入端口PA（正流体流动），这时的它就像一个单向阀。

反过来，当流体流动逆转（逆流体流动）时，它提供了完美的锥形密封，这种密封比间隙密封更可靠。

它的锥形阀芯是不能移动，直到端口PT有流体压力作用时，锥形阀芯才能移动。

在这种电梯系统中，液压控制非回流阀是不可取的，因为当电梯厢向下移动时，泵是不工作的，从而在端口PT提供不了液压油去打开液压控制单向阀和降低电梯厢的速度。

如果当液压油从端口PA流到端口PB的时，一个电磁力可以推动液压控制非回流阀的锥形阀芯，那么就不会遇到这样的问题。

同时，所需的锥形密封将保留。

电磁驱动的非回流阀或上述液压锁的装配图如图11所示。

液压锁主要由电磁阀1，推杆4和5，主阀芯11，圆钢球12和22等组成。

端口PA连接汽缸，端口PB连接液压系统。

当电梯向上移动时，泵中的流体进入端口PB，

图11电磁驱动的非回流阀

打开主阀芯11，通过端口PA进入液压缸。

电梯降落到地面后，泵停止提供液压油，而主阀芯11，圆钢球12和圆钢球22将检查端口PA的流体。

这时，液压缸被锁定。

当电梯得到向下移动的信号时，电磁阀1通电，这时推杆2驱使推杆5向右侧移动。

由于推杆5向右移动，使在其左端圆锥面的推杆4向下，与此同时打开圆钢球22，并使端口PA中的液体流入封闭油腔C的通孔15里。

在这个时候，在油腔Ç和A中的压力与端口PA中的压力是相同的。

，这个压力作用在推杆5的左端并且大小为：

其中

是推杆5的有效直径和

是油腔C的压力。

当推杆5触及到圆钢球12时，作用在圆钢球12上的力为：

其中

是圆钢球12的直径，

是在油腔A的压力。

让

，然后

，因为

。

这意味着圆钢球12的液压力量，被推5杆的推动力所抵消，从而圆钢球12只受到一个力

作用，这个力是由弹簧13所引起的。

当电磁力

足够大时，推杆5不仅能打开圆钢球22，而且也能推开圆钢球12。

在油腔A的压力流体通过打开圆钢球12进入油腔B中，降低油腔A中的压力

，。

若圆钢球开度较大，

的压力值就越低。

当符合不等式

时，主阀芯11将被打开，流体可以在端口PA和端口PB之间自由流动，从而引起电梯下降。

在电梯厢超载50％（即有效载荷1500公斤）来测试其在超载条件下的情况，看电梯厢有没有下沉或者非同步错误有没有变得严重。

五、结论

设计拥有三种流量控制比例阀的电液控制系统，是为了控制电梯速度和双缸液压电梯液压缸的非同步错误。

伪微分反馈控制方案已被证明是合适的的技术，这种技术能达到所需的速度模式。

此外，这个系统通过施加约束的一阶PD控制器能够保证较低的非同步误差。

试验结果表明，非同步误差可以保持在

2mm以内。

理论模式和实际速度模式之间的某些差异主要是由于电液比例阀的滞后引起的。

一种新的电磁驱动的非回流阀已经被设计、制造和测试，并被证明是一个很好的能防止电梯厢下沉的液压装置。

致谢

该项目由中国人民共和国上海科学和技术委员会建立，在此衷心感谢他们的大力支持。

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