直頂式升降貨梯液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

雷艷珍，劉樂平，曾昭韋，楊夢(mèng)歌，李 林，曾祥文

（1.南昌市科技金融管理服務(wù)中心，江西 南昌330019；2.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3.華東交通大學(xué) 理學(xué)院，江西 南昌 330013）

直頂式升降貨梯液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

雷艷珍1，劉樂平2，曾昭韋3，楊夢(mèng)歌2，李 林2，曾祥文2

（1.南昌市科技金融管理服務(wù)中心，江西 南昌330019；2.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3.華東交通大學(xué) 理學(xué)院，江西 南昌 330013）

以直頂式升降貨梯為研究對(duì)象，結(jié)合貨梯的實(shí)際工況要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其升降運(yùn)動(dòng)功能的液壓系統(tǒng)原理圖，并利用AMESim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的貨梯液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析。分析了升降貨梯滿載上升、滿載下降以及空載下降工況下液壓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)滿足升降貨梯的實(shí)際工況要求，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，貨梯在上升和下降過程中運(yùn)行較為平穩(wěn)，能夠反映系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性，為升降貨梯液壓系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供參考。

直頂式貨梯；液壓系統(tǒng)；仿真分析；AMESim

液壓升降貨梯是一種用于現(xiàn)代較低廠房樓層間的貨物垂直傳送的專用升降臺(tái)，其具有承載能力大，運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，安裝維護(hù)和操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及適用范圍廣等特點(diǎn)[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)液壓升降貨梯的種類有移動(dòng)式升降貨梯、固定式升降貨梯、套缸式升降貨梯、剪叉式升降貨梯等，各種液壓貨梯都有其自身的特點(diǎn)及使用場(chǎng)合[3]。直頂式液壓升降貨梯采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)貨梯轎廂的傳動(dòng)方式，為保證貨梯升降的平穩(wěn)性，轎廂采用導(dǎo)軌導(dǎo)向的方式來保證其垂直方向上的運(yùn)行，承載量大，對(duì)安裝場(chǎng)地的適應(yīng)性強(qiáng)。

本研究受某企業(yè)委托，以兩級(jí)直頂式液壓升降貨梯為研究對(duì)象，如圖1所示。液壓缸的布置采用二級(jí)“Ⅱ”型結(jié)構(gòu)安裝，由二級(jí)液壓缸直接驅(qū)動(dòng)貨梯轎廂頂部的橫梁，通過導(dǎo)軌導(dǎo)向來保證貨梯轎廂垂直運(yùn)行，為研究該貨梯的升降性能，根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行工況的要求，設(shè)計(jì)該貨梯的液壓系統(tǒng)，并利用AMESim軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，從理論上驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和可行性以及是否能滿足貨梯的實(shí)際工況需求。

圖1 直頂式液壓升降貨梯示意圖

1 技術(shù)參數(shù)及工況分析

根據(jù)貨梯的使用場(chǎng)合要求，貨梯的總行程為5 m，上升或下降過程時(shí)間不超過25 s，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行速度在0.1 m/s～0.5 m/s范圍內(nèi)可調(diào)，額定工作載荷為2 500 kg.設(shè)整個(gè)系統(tǒng)所需承載的總載荷（含轎廂質(zhì)量等）為3 200 kg，則每級(jí)液壓缸中單個(gè)缸所承受的負(fù)載為8 000 N，選定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作壓力為7 MPa.1.1液壓缸活塞直徑及活塞桿直徑確定

為提高升降貨梯運(yùn)行的平穩(wěn)性，設(shè)置系統(tǒng)一定的回油背壓p2=0.6 MPa，活塞桿所承受的負(fù)載F=8 000 N，則由活塞受力平衡可得：

式中：D為活塞直徑（mm）；p1為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作壓力（MPa）；η為液壓缸機(jī)械效率，取η=0.9；F為負(fù)載（N）；p2為系統(tǒng)回油背壓（MPa）；d為活塞桿直徑（mm），取d=0.71D.

由此可得D=41.2 mm，根據(jù)GB/T 2348-1993規(guī)定[4]，圓整取活塞直徑D=50 mm，則d=36 mm.由于一級(jí)油缸得內(nèi)徑大于二級(jí)油缸的內(nèi)徑，故取一級(jí)缸的活塞直徑D1=63 mm，活塞桿直徑d1=45 mm；二級(jí)液壓缸的活塞直徑D2=50 mm，活塞桿直徑d2=36 mm.

1.2 液壓缸流量的確定

根據(jù)貨梯的工作要求，總行程為5 m，則單級(jí)液壓缸的行程為2.5 m，假設(shè)單個(gè)缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間為10 s，則：

式中：v為活塞運(yùn)行速度（m/s）；L為單個(gè)液壓缸的行程（m）；t為運(yùn)行時(shí)間（s）.

為減少液壓泵的流量，貨梯上升時(shí)采用差動(dòng)連接，則上升時(shí)油缸的有效面積為無桿腔面積與有桿腔面積之差，下降時(shí)為活塞桿有桿腔的面積。由于一級(jí)缸的內(nèi)徑大，計(jì)算時(shí)以一級(jí)油缸為準(zhǔn)，則單個(gè)油缸的流量為：

式中：q為液壓缸流量（L/min）；△A為無桿腔與有桿腔面積差（m2）.

1.3 液壓泵流量的確定

由于貨梯工作時(shí)同一級(jí)有4個(gè)油缸動(dòng)作，故泵的輸出流量要滿足同一級(jí)油缸的流量需求，以一級(jí)缸計(jì)算，即為95.52 L/min.考慮到液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)壓力及油泵的效率等方面因素，在此選定單向定量泵YBC125C，其排量為125 mL/r，輸出流量為115 L/min.

2 工作原理

直頂式升降貨梯是由液壓缸直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的，故其工作原理即為液壓缸的運(yùn)動(dòng)原理。在本研究的貨梯中，同一級(jí)的四個(gè)液壓缸是通過機(jī)械式并聯(lián)連接的，其進(jìn)出油口相互連通，確保了同一級(jí)的液壓缸在工作時(shí)伸縮動(dòng)作的同步，且轎廂兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)軌導(dǎo)向，保證了貨梯升降的垂直運(yùn)行。貨梯上升時(shí)，液壓缸的無桿腔為主工作腔，由于一級(jí)缸的活塞面積比二級(jí)缸的活塞面積大，故一級(jí)缸的活塞桿先伸出，帶動(dòng)二級(jí)缸及轎廂一同上升，直到一級(jí)缸活塞桿完全伸出后二級(jí)缸開始動(dòng)作，這樣便實(shí)現(xiàn)了貨梯的上升運(yùn)動(dòng)。貨梯下降時(shí)，即為液壓缸活塞桿回縮動(dòng)作，此時(shí)為有桿腔作主工作腔，在壓力油的作用下活塞桿縮回至油缸底部，由液壓原理知，二級(jí)缸的活塞桿先回縮，至底部后一級(jí)缸開始回縮，從而實(shí)現(xiàn)貨梯的下降運(yùn)動(dòng)。由此便完成了貨梯的整個(gè)升降過程。

3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)升降貨梯運(yùn)行工況要求，設(shè)計(jì)該貨梯的液壓系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。采用電磁換向閥7實(shí)現(xiàn)貨梯的上升和下降動(dòng)作，電磁換向閥10用于貨梯上升時(shí)的差動(dòng)連接油路。單向調(diào)速閥11可調(diào)節(jié)控制貨梯的運(yùn)行速度，液控單向閥9在系統(tǒng)中起保壓鎖緊作用，單向平衡閥8的作用是平衡回路中的重力負(fù)載，尤其是當(dāng)貨梯下降時(shí)，通過設(shè)定單向平衡閥8與自重負(fù)載相適應(yīng)的背壓可確保貨梯下降時(shí)運(yùn)行的平穩(wěn)性。溢流閥5是系統(tǒng)的安全閥。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

4 系統(tǒng)建模與仿真分析

由于該液壓系統(tǒng)為兩級(jí)多缸系統(tǒng)，且包含差動(dòng)連接的油路以及調(diào)速節(jié)流閥、背壓平衡閥和液控單向閥等，這些元件對(duì)系統(tǒng)的性能都有一定的影響，故需對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，以驗(yàn)證其性能要求。

4.1 建立仿真模型

根據(jù)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖，從AMESim的各庫中調(diào)出系統(tǒng)所需的各元件模型[5-7]，按所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖接好連線，并設(shè)置各元件模型與系統(tǒng)相適應(yīng)的屬性特性，在AMESim參數(shù)模式中為每個(gè)子模型設(shè)置相應(yīng)的主參數(shù)。根據(jù)上述分析設(shè)置一級(jí)缸和二級(jí)缸的相關(guān)主要參數(shù)，由于液壓缸是豎直安裝的，故液壓缸活塞桿與水平面的角度設(shè)置為90°；液壓缸的排量為125 mL/r；安全閥的開啟壓力為18 MPa；單向平衡閥的開啟壓力為0.6 MPa；單向調(diào)速閥的開啟壓力為0.3 MPa，閥口等效直徑為7 mm；液壓?jiǎn)蜗蜷y的開啟壓力為1 MPa；電磁換向閥的閥口最大流量為125 L/min，額定電流為40 mA，固有頻率為80 Hz.

4.2 仿真結(jié)果及分析

（1）貨梯上升過程仿真分析

設(shè)貨梯的上升過程為滿載上升，則通過仿真得到如圖3所示的貨梯上升過程中系統(tǒng)各參數(shù)與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系曲線圖。

圖3 滿載上升時(shí)位移、速度、進(jìn)口流量與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖3可以看出，貨梯的整個(gè)上升過程用時(shí)17.9 s，一級(jí)缸伸出時(shí)間為10 s，二級(jí)缸伸出時(shí)間7.9 s.貨梯上升時(shí)，一級(jí)缸活塞桿先伸出，在前1.5 s內(nèi)處于加速階段，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度為0.256 m/s，待一級(jí)缸完全伸出后，二級(jí)缸開始動(dòng)作，同樣在前0.8 s內(nèi)處于加速階段，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度為0.324 m/s.由于貨梯在上升時(shí)采用的是差動(dòng)連接方式，液壓缸穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，一級(jí)缸的進(jìn)口流量為48.45 L/min，二級(jí)缸的進(jìn)口流量為38.65 L/min.從仿真結(jié)果可知，貨梯上升過程滿足其設(shè)計(jì)要求。

（2）貨梯下降過程仿真分析

將貨梯下降過程分為滿載下降和空載下降兩種工況分別進(jìn)行分析。則：

貨梯滿載下降的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 滿載下降時(shí)位移、速度、進(jìn)口流量與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖4可以看出，貨梯滿載下降的整個(gè)過程用時(shí)14.8 s，二級(jí)缸活塞桿回縮用時(shí)5.6 s，一級(jí)缸回縮用時(shí)9.2 s.滿載下降時(shí)，二級(jí)缸活塞桿先回縮，在前1.8 s內(nèi)，油缸的速度、流量處于波動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定后，速度為0.448 m/s；進(jìn)口流量為25.68 L/min，待二級(jí)缸完全縮回后，一級(jí)缸開始動(dòng)作，同樣在前0.8 s內(nèi)，速度、流量處于波動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定后的速度為0.276 m/s，進(jìn)口流量為25.68 L/min.從仿真結(jié)果可知，貨梯滿載下降時(shí)滿足其工況要求。

貨梯空載下降的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 空載下降時(shí)位移、速度、進(jìn)口流量與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖5可以看出，貨梯空載下降的整個(gè)過程用時(shí)20.3 s，二級(jí)缸活塞桿回縮用時(shí)7.9 s，一級(jí)缸回縮用時(shí)12.4 s.空載下降時(shí)，同樣也是二級(jí)缸活塞桿先縮回，在前0.5 s內(nèi)，油缸的速度、流量處于波動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定后，速度為0.321 m/s；進(jìn)口流量為18.48 L/min，待二級(jí)缸完全縮回后，一級(jí)缸開始動(dòng)作，在前0.2 s內(nèi)，速度、流量處于波動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定速度為0.202 m/s，進(jìn)口流量為18.57 L/min.從仿真結(jié)果可知，貨梯空載下降時(shí)滿足其工況要求。

升降貨梯在下降過程中，液壓缸剛開始動(dòng)作時(shí)，這兩級(jí)液壓缸同時(shí)有一定的沖擊，這是因?yàn)殡姶砰y突然得電時(shí)系統(tǒng)存在液壓沖擊現(xiàn)象所造成的；隨后按照二級(jí)缸先回縮后一級(jí)缸再回縮的順序執(zhí)行，液壓缸在穩(wěn)定運(yùn)行前又都有一段時(shí)間的波動(dòng)沖擊，此時(shí)是由于貨梯下降時(shí)系統(tǒng)回路中的液控單向閥閥口開啟不穩(wěn)定所引起的，且其波動(dòng)時(shí)間與負(fù)載大小有關(guān)。由于回路中單向平衡閥的背壓作用，貨梯的整個(gè)升降過程較為平穩(wěn)，且所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)滿足實(shí)際工況需求。

5 結(jié)論

根據(jù)直頂式液壓貨梯的結(jié)構(gòu)及實(shí)際工況要求，設(shè)計(jì)了升降貨梯的液壓系統(tǒng)，并通過AMESim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分析了貨梯滿載上升、滿載下降及空載下降工況下的動(dòng)力學(xué)性能。得出以下結(jié)論：

（1）所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)滿足升降貨梯的實(shí)際運(yùn)行工況要求。

（2）由于系統(tǒng)的負(fù)載大，慣性大，故在執(zhí)行件動(dòng)作時(shí)在短時(shí)間內(nèi)存在一定的沖擊。

（3）仿真結(jié)果表明，升降貨梯系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程比較平穩(wěn)，運(yùn)行速度、時(shí)間等滿足理論設(shè)計(jì)要求，能較好地適應(yīng)貨梯的實(shí)際運(yùn)行工況要求。

[1]邵憲琴，樓 東.液壓電梯的發(fā)展概況和前景[J].建筑機(jī)械，1996（9）：35-38.

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[4]全國(guó)液壓氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì).液壓氣動(dòng)系統(tǒng)及元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑：GB/T 2348-1993[S].北京：國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，1993-10-01.

[5]張憲宇，陳小虎，何慶飛，等.基于AMESim液壓元件設(shè)計(jì)庫的液壓系統(tǒng)建模與仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2012，40（13）：172-174.

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Hydraulic System Design and Simulation for Direct-acting Cargo Elevator

LEI Yan-zhen1，LIU Le-ping2，ZENG Zhao-wei3，YANG Meng-ge2，LI Lin2，ZENG Xiang-wen2
（1.Nanchang Science and Technology Finance Management Service Center，Nanchang Jiangxi 330019，China；
2.School of Mechatronics&Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China；3.School of Science，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China）

Taking the Direct-acting cargo elevator as the research object，combined with the actual working requirements of the elevator，the hydraulic system schematic diagram of elevator to realize the operation function is designed，the dynamic simulation model of hydraulic system is established by using AMESim software.The dynamic performance of the hydraulic system is analyzed under the condition of full load ascended，full load descended and no-load descended.The simulation results show that the hydraulic system designed to meet the requirements of lifting elevator condition，and the response speed is faster，the rising and falling process is relatively stable.which can reflect the actual movement characteristics of the system，and provide reference for further study on the hydraulic system of cargo elevator.

direct-acting elevator；hydraulic system；simulation analysis；AMESim

TH137.1

A

1672-545X（2017）09-0014-04

2017-06-06

雷艷珍（1969-），女，江西南昌人，專科，助理工程師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)；劉樂平（1965-），男，江西泰和人，本科，教授、高級(jí)工程師，主要從事機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)研究；曾昭韋（1989-），男，江西吉安人，碩士研究生，助教，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)研究。