基于壓力流量復合閥的電梯液壓系統

劉 忠， 霍沅明， 張 凱， 鄒 宇

(1.常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500； 2.蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215000;3.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221000)

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基于壓力流量復合閥的電梯液壓系統

劉 忠1， 霍沅明2， 張 凱3， 鄒 宇3

(1.常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500； 2.蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215000;3.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221000)

針對目前液壓電梯定壓式節流調速系統在低負載時高能耗的問題，開發了液壓電梯系統實驗平臺系統。將壓力流量復合閥作為液壓電梯上行控制的主控閥，電梯下行由比例調速閥進行速度控制，對液壓電梯的液壓系統進行了重新設計。運用AMESim軟件對所設計的液壓電梯系統進行了低負載上行的仿真實驗分析。仿真結果表明，在低負載上行時采用復合閥的液壓系統可以降低泵的輸出功率，減小了溢流損失，與定壓式節流調速系統相比具有節能的效果。

液壓電梯; 壓力流量復合閥; 仿真; 節能

0 引 言

液壓電梯與曳引電梯相比具有負載能力強、運行平穩、對建筑物的承載能力要求低等特點,被人們所接受。目前,由于我國針對液壓電梯研究的機構較少，阻礙了液壓電梯技術的發展，導致我國液壓電梯市場占有率與國外相比有一定的差距。本文針對液壓電梯節流調速系統能耗問題，提出基于比例壓力流量復合閥的液壓系統方案作為電梯上行速度控制主控閥，以達到節能目的，并通過AMESim軟件進行了仿真實驗。

1 液壓電梯系統驅動方式

液壓電梯系統中控制液壓電梯運行速度的形式主要有容積調速和節流調速兩種方式。節流調速液壓電梯控制系統相對容積調速系統的成本低，可調節速度范圍較大，但是能量損失會較高一些。

液壓電梯液壓系統的容積調速主要是通過改變泵的轉速來控制泵的輸出流量,從而實現對電梯運行速度的控制[1-2]。在調節電梯運行速度時，泵輸出流量大小直接與電梯轎廂速度所需要的流量大小相匹配，減小了溢流造成的損失，提高了液壓系統的效率[3]。但是,此種調速方式的系統較為復雜、流量脈動大、頻響低，增加了控制電梯運行速度的難度，而且價格昂貴。

液壓電梯采用節流調速進行速度控制的方式是改變節流閥的開口大小，對進入柱塞缸的流量進行控制，實現了轎廂速度的變化。在液壓電梯中節流調速有進油路節流調速和旁油路節流調速兩種方式，每種方式各有自身的特點。進油路節流調速系統又可稱為定壓式閥控液壓系統，此種控制方式的電梯速度與節流閥的通流面積成正比，調速范圍大且液壓油流經節流閥后直接進入油缸腔，系統的剛度大，可減少啟動時的沖擊。

旁油路節流調速與進油路節流調速相比能耗損失較小，但系統本身存在一定的缺陷，尤其是在液壓電梯調速范圍較大的系統中。由于調速系統無背壓，影響了電梯速度的調節，使其調速不夠平穩。而且系統的最大負載能力會隨著節流閥開口的增大有所下降，即電梯低速運行時，承載能力弱，調速范圍小[4]。

2 壓力流量復合閥的工作機理

壓力流量復合閥的原理如圖1所示，它是由先導比例溢流閥與比例節流閥組成的一個復合閥。先導比例溢流閥的主閥在復合閥中兼作三通壓力補償器的作用，對節流閥進行壓力補償,使復合閥的進油口和出口端的壓力差保持為某一定值，保證了通過節流閥的流量具有較好的穩定性[5]。復合閥的進油口壓力會根據負載壓力的變化而發生相應的變化，使泵的輸出功率與負載所需功率相匹配，是一種低能耗具有節能作用的復合閥。

在比例壓力流量復合閥沒有輸入任何信號時，液壓泵輸出的油液通過主溢流閥卸流回油箱。采用此復合閥的液壓系統無需在液壓泵的出油口另設溢流閥。

1-比例節流,2-主溢流閥,3-比例溢流閥,4-安全閥

圖1 比例壓力流量復合閥原理圖

3 液壓電梯液壓系統原理

考慮到進油節流調速控制方式的液壓電梯在進行速度調節時具有較好的穩定性，所以確定以此種方式作為電梯的速度控制。一般節流閥控系統屬于定量液壓系統，在對電梯運行速度進行控制時，必然會造成溢流損失,即P1=psq1。式中:P1為溢流損失的功率；ps為系統的泵出口壓力；q1為溢流量。溢流量的大小為定量泵的輸出流量與液壓電梯速度所需流量的差值，所以速度已經確定的液壓電梯溢流量是不可改變的[6-7]。因此，為了減少系統的溢流能量損耗，需在滿足工況需求的功率前提下，減少系統的壓力以降低泵的輸出功率。但是在定壓式液壓系統中，系統的壓力根據額定負載的大小已經確定，不會隨著負載的變化而改變；這就造成了負載較低工況下溢流功率損失嚴重，尤其是負載變化大的液壓系統中[8-11]。在液壓電梯下行過程中，利用轎廂的自重實現向下運動，因此不需要泵提供驅動能量，此時泵停止工作。

為了解決定壓式閥控液壓電梯系統在較低負載工況下能量損失大、效率較低的問題，提出了一種以比例壓力流量復合閥為電梯上行主控閥的液壓系統方案，而下行采用比例調速閥對電梯的速度進行控制。

液壓系統的工作原理如圖2所示。電梯在接收到上行命令時，電動機3啟動，同時壓力傳感器11檢測比例壓力流量復合閥與負載端之間的壓力，對比例壓力流量復合閥的壓力信號進行調節，使該復合閥調節的壓力高于系統壓力一個很小的值，當定量泵2的出口壓力達到負載壓力時，單向閥6被打開，油液經過限速切斷閥流入柱塞缸，使電梯上行。通過調節復合閥控制流量的信號，控制流入柱塞缸的油液流量，多余的流量經過復合閥的主溢流閥返回到油箱中，從而達到控制電梯轎廂速度的目的。當電梯到達停層位置時，控制壓力-流量復合閥的兩路信號sig1、sig2不在有任何信號輸入，液壓泵的輸出油液通過復合閥的主溢流閥流回油箱，油泵處于卸載狀態。

當電梯接收到下行命令時，電動機3停止轉動，利用轎廂的自重和負載驅動電梯下行。此時，控制液控單向閥8的電磁閥得電，使油液反方向流通單向閥；通過控制比例節流閥7的信號控制流量大小，從而實現對電梯下行速度大小的控制。當電梯到達停層位置時，控制液控單向閥的電磁閥失電，油液反向流通截止；比例調速閥沒有信號輸入，節流閥開口關閉，不在有油液流過閥體，電梯停止運行。

1,10-過濾器,2-定量泵,3-電動機,4,6-單向閥,5-比例壓力流量復合閥,7-比例調速閥,8-液控單向閥,9-散熱器,11-壓力傳感器,12-安全閥,13-手動下降閥,14-限速切斷閥,15-柱塞缸

圖2 液壓電梯系統原理

4 系統仿真實驗

為了分析液壓電梯采用壓力流量復合閥的液壓系統在低負載時的節能效果，以定壓式閥控液壓系統作對比，通過計算機對系統進行仿真分析[12-14]。

4.1 系統建模

根據本文所設計的液壓電梯系統原理在AMESim軟件[15]中建模，由于壓力流量復合閥在AMESim中的液壓元件庫中沒有現成的模型，所以需要根據復合閥的結構運用HCD中基本元件進行搭建，其他元件可以在液壓元件庫中直接調用，搭建的模型如圖3所示。定壓式閥控液壓電梯系統在AMESim軟件中所建模型如圖4所示。

圖3 壓力流量復合閥控制液壓電梯系統模型

4.2 系統參數設置

根據作者實驗室所搭建的液壓電梯實驗平臺實際

圖4 定壓式節流調速液壓電梯系統模型

參數進行設置,具體參數如下:電動機轉速1 800 r/min,定量泵額定排量93.6 mL/r,柱塞缸的速度0～0.4 m/s,柱塞缸的最大加0.4 m/s2,柱塞缸的行程2.7 m,柱塞缸的直徑80 mm,轎廂額定載荷850 kg,轎廂空載重量800 kg,復合閥進出口壓差0.7 MPa。

電梯系統的額定壓力為：

式中:F為電梯滿載時所需油缸的驅動力;d為柱塞缸的直徑。經計算,電梯在滿載工況上行時所需系統的壓力為3.3 MPa。根據電梯滿載情況的需求，定壓式節流調速系統中設置的系統壓力應高于3.3 MPa，這里設置為4.3 MPa；仿真時間設置9.8 s，時間間隔0.1 s。系統中其他參數，如油液的溫度、流量系數等參數是在常規條件下考慮的，所以默認AMESim軟件中初始設置的參數來進行仿真。

4.3 仿真結果分析

在電梯滿載和空載兩種工況下，采用壓力流量復合閥的液壓系統負載端的壓力與泵的輸出壓力如圖5所示。由于電梯的運行速度是變化的，由加速段、勻速段和減速段組成，所以系統的壓力會有所變化。從仿真結果來看，采用壓力流量復合閥液壓系統的泵出口壓力隨負載端的壓力變化而發生改變，且根據載荷情況的不同產生相對應的壓力變化，始終比負載端的壓力高出0.7 MPa。空載工況下負載端的壓力值1.6 MPa，泵出口壓力2.3 MPa；滿載工況下負載端的壓力值3.3 MPa，泵的出口壓力值4.0 MPa。

定壓式閥控液壓電梯的系統壓力變化如圖6所示。在滿載和空載兩種不同工況下，泵的輸出壓力曲線重合，這是因為系統的最高壓力設置4.3 MPa，泵的出口壓力保持在4.3 MPa不會隨著負載的大小而發生變化。空載工況負載端的壓力1.6 MPa；滿載工況負載端的壓力3.3 MPa。

對電梯空載和滿載兩種工況上行時，采用兩種不同控制方式的泵輸出端功率進行仿真實驗對比，結果如圖7、8所示。

圖5 壓力流量復合閥系統壓力

圖6 定壓式閥控系統壓力

圖7 空載時液壓泵的輸出功率

圖8 滿載時液壓泵的輸出功率

從仿真結果可見，在電梯負載不同情況下，定壓式閥控液壓系統泵的輸出功率不會根據負載變化發生改變，保持在12.1 kW。但是采用了壓力流量復合閥的液壓電梯系統由于泵出口壓力根據負載大小發生變化，因此改變了泵的輸出功率；滿載上行時泵的輸出功率為11 kW左右，空載時泵的輸出功率為6.8 kW。系統中溢流損失的功率為泵輸出功率曲線與電梯上行所需功率曲線之間的那部分區域，定壓閥控系統在電梯較低負載運行時溢流損耗與壓力流量復合閥液壓系統相比較大。由此可見，采用壓力流量復合閥控制液壓系統的方法可以降低在低負載時泵的輸出功率，減小了低負載時系統的功率損失，具有良好的節能效果。

5 結 語

在滿足液壓電梯運行平穩的情況下，根據比例壓力流量復合閥的功能特點，將此復合閥引入到液壓電梯控制系統中，作為電梯上行的主控閥。通過AMESim軟件對液壓系統進行仿真實驗研究，并對仿真結果進行分析。結果表明,采用壓力流量復合閥的液壓系統泵的輸出壓力根據負載大小變化，使得電梯在低負載時與現存的定壓式閥控液壓電梯系統相比具有良好的節能作用，降低了低負載時泵的輸出功率，減少了溢流能量損失。以此液壓系統方案設計液壓電梯實驗平臺，為液壓電梯技術的研究提供技術支撐，驗證液壓電梯系統節能技術的可行性。

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Research of Elevator Hydraulic System Based on Pressure-Flow Compound Valve

LIUZhong1，HUOYuan-ming2，ZHANGKai3，ZOUYu3

(1. Mechanical Engineering College, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China;2. Mechanical and Electrical Engineering College, Soochow University, Suzhou 215000, China；3. Mechanical and Electrical Engineering College, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221000, China)

Facing on the problem that hydraulic elevator speed control system of constant pressure throttling has high energy consumption in the low load, a solution is put forward. An experiment platform of the hydraulic elevator system is developed. By analysis and research of the working principle of the proportional pressure-flow compounded valve, we found that the valve can control the flow rate of hydraulic system has good stability, is sensitive for the load, and saves the energy. Therefore, the pressure-flow compounded valve is set as the main control valve of hydraulic elevator uplink control, the downlink speed of the elevator is controlled by the proportional control valve, and the hydraulic system of the hydraulic elevator is redesigned. The simulation analysis of the hydraulic elevator system under the low load and running up condition is carried out through AMESim software. The results show that hydraulic system with composite valve can reduce the output power of the pump and the loss of overflow, moreover can save energy compared with the constant pressure throttling speed control system when the elevator is running up in low load.

hydraulic elevator； pressure-flow compounded valve； simulation； energy saving

2014-12-22

國家自然科學基金項目(51275060)；蘇州市科技計劃項目(SYG201325)；常熟理工學院自制教學儀器設備項目(CG201411)

劉 忠(1968-)，男，湖南長沙人，博士后，教授，現主要從事機電液系統集成與節能技術、流體系統仿真與優化方向的研究工作。Tel.：13862307436；E-mail：liuzhong678@sina.com

TP 391.9；TH 137.32

A

1006-7167(2015)10-0051-04