解析液压电梯液压系统抗摇摆设计

摘 要：在我国，电梯的使用以是无处不在的了，液压电梯在平稳性、运行速度、传递力等等都有着较为突出的优点，并且它的工作寿命较一般电梯要长，并且占用的面积也较小，本文就以200kg 船用防爆液压电梯为研究对象，充分揭示了抗摇摆设计的各个方面，并进行了一些方面的解析，通过摇摆试验分析静态和动态状况下抗摇摆的性能等等。本文首先简要介绍 200kg 船用液压防爆电梯液压系统工作原理。 考虑横摇与纵摇的特殊情况，设计在摇摆情况下能正常工作的液压系统。

关键词：电梯；液压系统；抗摇摆；摇摆试验

中图分类号：TU857文献标识码：A 文章编号：

在我国，液压升降机的使用已经有了较为长久的应用，较早采用这种升降机应该是在17世纪左右，再后来，随着经济的发展，技术的进步，使液压元件可靠性控制技术也得到了很大的提高，促使古代的液压升降机逐渐发展成为近代的液压电梯。美国 OTIS 电梯公司在 1878 年生产了第一台液压电梯，行程 33m。20 世纪 70至80 年代，液压电梯的市场占有率曾达到 30%至40%。 随着变压变频控制电梯的出现，交流永磁同步电机变频调速驱动控制电梯成为市场上的热点。但液压电梯以其独有的特点，在一些低层大负载的场合仍然无可替代。

实例应用简介

1.1原理简介

本文研究的液压电梯是比例节流调速型， 主要由液压泵站、柱塞缸、限速切断阀等组成。 电梯上行时，柱塞杆伸出，通过比例阀的旁路节流调速，上行最大速度由螺杆泵的流量决定；下行时，轿厢由于自重下降，柱塞杆缩回，通过比例阀的出口节流调速。

1.2速度特性

在电梯中决定其性能优劣的主要因素就是电梯的运行速度，这就要求电梯在运行时的速度和稳定性等要达到一定的要求，电梯运行要求特定运行速度、加速度，以求乘载的舒适性和快捷性的统一。 因此把速度特性作为考察本设计是否满足要求的重要参数指标。 液压电梯运行速度按图 1 所示曲线规律变化，其运行可分为 4 个阶段：起动加速、快速运行、减速、平层等阶段。

1-起动加速阶段 2-快速运行阶段

3-减速阶段 4-平层阶段

图1电梯运行速度曲线

二、 电梯液压系统抗摇摆设计

2.1抗摇摆设计要求

根据一般船舶的固有频率、 在海浪中的摇摆经验及液压电梯实际工作要求，提出如下设计要求：（1） 海船在横摇 ±15° 、 周期 6s； 纵摇 ±5° 、 周期 5s情况下液压电梯能正常工作；（2） 海船在横摇 ±45° 、 周期 6s； 纵摇 ±5° 、 周期 5s情况下液压泵站及油缸不破坏。

2.2抗摇摆液压设备设计

液压泵站集成了动力、 控制和安全保护元件，因此， 液压泵站的抗摇摆性能决定了液压设备在特殊环境下能否正常使用。 根据海船纵摇与横摇的参数，提出以下设计准则：

（1）海船在横摇±15°、周期 6s；纵摇±5°、周期 5s 情况下，为了保证泵的吸油以及浸油电机的正常工作，泵和电机必须完全浸在油液中；（2）海船在横摇±45°、周期 6s；纵摇±5°、周期 5s 情况下，油液不能泄漏出泵站；（3）比例控制阀和各种传感器既要可靠地固定在油箱之上，又要保证油箱的密封；基于实现上述设计要求，从结构上改进泵站，以达到抗摇摆的目的,该液压泵站具有以下特点，如图 2 所示。

1-手动泵 2-接线盒 3-比例阀 4-油箱 5-电机和泵

6-接线盒箱体 7-绝缘木板 8-漏斗

图2液压泵站结构图

（1）油箱箱盖焊接，油液无法从箱盖和侧板缝隙泄漏；（2）SEV 阀油口和阀板都有密封元件，手动泵吸油口通过隔壁接头密封， 这些措施可防止油箱中油液从油口中泄漏；3）特殊的接线盒结构 ，接线盒为可拆卸的圆筒 ，圆筒内接线板下面增加一个漏斗结构，可以阻挡油液的晃动，并使溅出的油液流回油箱；（4）侧面开有检修孔，方便内部元件的安装和拆卸；（5）油箱结构简单以减小整体尺寸。

2.3抗摇摆液压设备设计静态分析

因为横摇情况油液晃动比纵摇更剧烈， 因此以横摇情况为极限情况分析。（1）当液面最低时，即电梯处于最高位置 ，柱塞杆全部伸出。此时设计静止时油箱液位为 363mm，如图 3a所示。 当横摇 15°时，油液液面如图 3b 所示，油泵和电机完全浸在油液中。 为了提高可靠性，保持液面最低处高于电机 55mm。

图3最低液位时油液液位示意图

（2）当液面最高时，即电梯处于最低位置 ，柱塞杆全部缩回。 此时，油箱中油液液位静止时为 405mm，如图 4a 所示。 当横摇 45°时，因为泵站的特殊结构，油液无法从油箱中漏出，如图 4b 所示。

图4最高液位时油液液位示意图

三、电梯液压系统抗摇摆试验分析

3.1摇摆试验设备

静态分析抗摇摆性能的缺点是不能考虑纵摇与横摇的复合工况，以及油液摇晃的动态过程。 因此，为进一步验证设计的可靠性， 在专门的摇摆试验台上模拟在海船中运行的情况。 该试验台架横摇±15，纵摇＋5，周期 6s。

3.2摇摆试验分析

200kg 船用液压防爆电梯技术参数如表 1 所示。试验过程通过比例阀控制板采集电梯上下行运行的数据，该数据主要包括上下行速度和加速度。

表1电梯主要技术参数

1）电梯空载运行的试验

从图 5 和图 6 可以看出：电梯空载运行时，在正常和摇摆情况下，上行与下行速度曲线与目标曲线相符。两种情况下上行速度为 0.47m/s，下行速度是 0.5m/s，符合设计的要求。 比较上两条曲线图，正常情况下速度曲线较平滑，而摇摆情况速度曲线波动更剧烈，同时，摇摆情况的加速度曲线相比于正常情况，波动也更加剧烈，尤其在上行阶段差别明显。

图5正常情况下空载运行曲线

图6 摇摆情况下空载运行曲线

下面分上行和下行过程讨论速度波动增大的原因。上行过程，速度由泵流量决定，而液压设备中使用螺杆泵，其流量受压力影响。 在摇摆情况下，由于电梯倾斜导致系统压力不稳定，因此泵出口流量产生波动。下行过程，速度由比例阀节流口控制，根据公式

式中 C d———阀口流量系数；

A———缓冲套直径；

Δp———缓冲腔与出口压差；

ρ———油液密度。

在节流口面积不变的情况下， 通过节流口的流量由节流口两端压差 Δp 决定。 摇摆情况下系统压力不稳定，Δp 变化导致下行速度的波动剧烈。

2）电梯满载运行的试验

从图 7 和图 8 可以看出：电梯满载运行时，在正常和摇摆情况下，上行与下行速度曲线与目标曲线相符。两种情况下上行速度是 0.45m/s， 下行速度仍然是 0.5m/s。上行速度相比空载运行下降原因是： 系统压力相比于空载时有所增加，导致螺杆泵出口流量降低。 与空载运行时相同， 满载运行时摇摆情况比正常情况速度和加速度曲线波动更剧烈。

图7正常情况下满载运行曲线

图8摇摆情况下满载运行曲线

结束语

随着我国船舶工业的发展，船舶的吨位越来越大，对船用的电梯的需求日益增加。 液压电梯以传递功率大，噪声低，井道占用面积小，故障率低等特点较广泛应用于船用场合，但是相比于陆用场合，船舶在海洋中航行时会受到波浪的拍打而产生摇摆。 面对如此特殊的工作环境， 就必须对液压电梯做出相应的改进以保证其能够正常工作。

参 考 文 献

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