基于MATLAB的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于MATLAB的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要液壓電梯是現(xiàn)代社會(huì)中一種重要的垂直運(yùn)輸工具，由于其具有機(jī)房設(shè)置靈活、對(duì)井道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求低、運(yùn)行平穩(wěn)、載重量大,以及故障率低等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外中、低層建筑中的應(yīng)用已相當(dāng)普遍。液壓電梯是集機(jī)、電、液一體化的產(chǎn)品，是由多個(gè)相互獨(dú)立又相互協(xié)調(diào)配合的單元構(gòu)成，對(duì)液壓電梯的開發(fā)研究涉及機(jī)械、液壓及自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域。本文在對(duì)液壓電梯的實(shí)際工作情況做了詳細(xì)分析后，假定了一個(gè)電梯具體的工作條件（包括電梯的最大負(fù)載和運(yùn)行速度等），選定電梯轎廂的支承方式為雙缸直頂式、支承液壓缸為三級(jí)同步液壓缸，并設(shè)計(jì)了滿足條件的電梯液壓系統(tǒng)。然后根據(jù)電梯的工作條件和已設(shè)定參數(shù)，對(duì)各個(gè)液壓元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。最后結(jié)合實(shí)際的情況和一些具體的產(chǎn)品，對(duì)液壓元件的型號(hào)和尺寸的進(jìn)行了確定。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)電梯液壓系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立，在建模過(guò)程中采用拓?fù)湓斫⑾到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，即先根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)建立液壓系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，將系統(tǒng)分成若干個(gè)可以獨(dú)立的子系統(tǒng)，然后再分別建立每個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，最后再根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合成整個(gè)大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型后，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，得到了系統(tǒng)的速度、壓力和位移曲線，這就更直觀的反應(yīng)了系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。根據(jù)仿真結(jié)果分析，液壓缸在運(yùn)行過(guò)程中速度振動(dòng)較大，本論文將PID控制算法加入到系統(tǒng)中，采用積分分離PID控制方法對(duì)本液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果顯示加入PID控制方法后系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高，具有良好的工作性能。關(guān)鍵詞：液壓電梯;雙缸直頂式;三級(jí)同步液壓缸;動(dòng)態(tài)仿真;PID控制目錄第1章緒論 11.1液壓電梯的發(fā)展概況 11.1.1國(guó)外液壓電梯的發(fā)展簡(jiǎn)況 11.1.2國(guó)內(nèi)液壓電梯的發(fā)展簡(jiǎn)況 21.2液壓電梯工作原理概述 21.3液壓電梯的技術(shù)特點(diǎn) 41.3.1液壓電梯的性能要求 41.3.2液壓電梯的優(yōu)點(diǎn) 41.3.3液壓電梯的缺點(diǎn) 51.4本論文的選題意義及研究?jī)?nèi)容 51.4.1本論文的選題意義 51.4.2本論文的研究?jī)?nèi)容 6第2章液壓電梯的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 82.1設(shè)計(jì)背景及工況分析 82.2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 92.3液壓缸的設(shè)計(jì) 102.3.1同步伸縮液壓缸的工作原理 102.3.2同步伸縮缸的參數(shù)計(jì)算 112.3.3缸蓋和活塞頭設(shè)計(jì) 152.3.4柱塞缸和各級(jí)活塞缸的長(zhǎng)度計(jì)算 182.3.5液壓缸的密封 202.4泵和電機(jī)的選擇 212.4.1泵排量的計(jì)算 212.4.2電機(jī)的選擇 212.5液壓管路的設(shè)計(jì) 222.5.1管路內(nèi)徑的選擇 222.5.2管道壁厚計(jì)算 232.6油箱設(shè)計(jì) 232.7過(guò)濾器的設(shè)計(jì) 242.8閥的選擇 242.8.1單向閥的選擇 242.8.2電磁溢流閥 242.8.3節(jié)流閥 242.9本章小結(jié) 25第3章電梯液壓系統(tǒng)模型的建立 263.1電梯上行的數(shù)學(xué)模型 283.1.1泵的數(shù)學(xué)模型 283.1.2單向閥的數(shù)學(xué)模型 293.1.3比例流量閥的數(shù)學(xué)模型 293.1.4液壓橋的數(shù)學(xué)模型 313.1.5液控單向閥的模型 323.1.6液壓缸的數(shù)學(xué)模型 323.1.7系統(tǒng)上行的模型 353.2電梯下行的數(shù)學(xué)模型 363.3本章小結(jié) 38第4章電梯液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真 394.1simulink簡(jiǎn)介 394.2電梯上行時(shí)液壓系統(tǒng)的仿真分析 404.2.1供油子系統(tǒng)的仿真模型 414.2.2液壓橋和液控單向閥組成調(diào)整子系統(tǒng)的仿真模型 414.2.3三級(jí)同步液壓缸構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)的仿真模型 424.3電梯上行液壓系統(tǒng)的仿真 464.3.1電梯上行液壓缸的速度曲線 474.3.2電梯上行液壓缸的位移仿真曲線 494.3.3電梯上行液壓缸各級(jí)缸筒壓力仿真曲線 494.4本章小結(jié) 50第5章電梯液壓系統(tǒng)的PID控制 515.1PID控制原理 525.2位置PID控制算法 535.3數(shù)字PID控制算法的該進(jìn) 545.4液壓電梯液壓系統(tǒng)的PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真 565.4.1PID控制器設(shè)計(jì) 565.4.2采樣周期的確定 575.4.3PID控制器參數(shù)整定 585.4.4電梯液壓系統(tǒng)PID控制器仿真 585.5本章小結(jié) 64結(jié)論與展望 65致謝 67參考文獻(xiàn) 68第1章緒論1.2液壓電梯工作原理概述液壓電梯作為除電動(dòng)電梯之外的另外一個(gè)電梯種類，其工作原理和曳引電梯有很大的不同。液壓電梯是通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)的泵傳遞液壓油到油缸，柱塞(或者活塞)通過(guò)直接或間接的方式作用于轎廂，實(shí)現(xiàn)轎廂上行:通過(guò)載荷和轎廂重力的作用使油缸中的液壓油流回到油箱，實(shí)現(xiàn)轎廂下行[13]。液壓電梯的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)主要部件:(a)、液壓泵站，即電機(jī)、油泵、油箱。油泵是將電動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流動(dòng)油液的壓力能。油箱包括控溫元件、濾油器、消音器及油管等輔件，以保證液壓系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、持久的工作;(b)、控制閥，它是由多種閥組合而成的控制閥塊，控制液壓油的流向、速度及加減速度，從而使轎廂達(dá)到良好的運(yùn)行性能;(c)、油缸，動(dòng)力執(zhí)行元件，將油液的壓力能轉(zhuǎn)換為與其直接聯(lián)接的轎廂運(yùn)動(dòng)機(jī)械能。(d)、牽引裝置，液壓缸的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)牽引裝置來(lái)牽引電梯轎廂的運(yùn)動(dòng)。轎廂的運(yùn)動(dòng)是由電力驅(qū)動(dòng)的泵使具有壓力的液壓油通過(guò)控制閥和管路從油箱流入液壓缸，或從液壓缸流回油箱來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂崎y及油泵電機(jī)靠機(jī)房?jī)?nèi)的控制柜來(lái)控制。液壓電梯的控制系統(tǒng)是一個(gè)速度控制系統(tǒng)。其工作過(guò)程是這樣的:當(dāng)液壓電梯上行時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)油泵迫使一部分油液進(jìn)入油缸，推動(dòng)柱塞以一定的加速度伸出油缸;接著油泵輸出的油液全部進(jìn)入油缸，轎廂以額定速度運(yùn)行;當(dāng)轎廂接近所選層站時(shí)，液壓電梯捕捉到井道中的減速信號(hào)，通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)入油缸的油液減少，使轎廂以平層速度運(yùn)行，通常在0.05-0.lm/s之間。當(dāng)轎廂與所選層站水平時(shí)，電梯又捕捉到井道中的停止信號(hào)，控制系統(tǒng)關(guān)閉所有的上行閥，隨后油泵電機(jī)停止工作，電梯停在所選層站，同時(shí)液壓控制系統(tǒng)中的單向閥阻止油液流回油箱，轎廂保持靜止。為了使轎廂下行，電器操縱的下行閥打開，靠轎廂重力及載荷使油液通過(guò)控制閥以一定的流量流回油箱，柱塞縮回到油缸中，從而實(shí)現(xiàn)轎廂下行，其加減速度與上行時(shí)基本相同[22]。液壓電梯與電動(dòng)電梯相比，由于技術(shù)實(shí)現(xiàn)上完全不同，因此具有其本身的一些特點(diǎn)：液壓系統(tǒng)功率重量比大，而且傳送距離長(zhǎng)，因此機(jī)房面積小且設(shè)置靈活；一般不帶配重，因此減小了井道尺寸;載重可通過(guò)油缸直接作用在地基上，因此載重量大，而且井道不受力，降低了建筑費(fèi)用。上述特點(diǎn)使得液壓電梯適合于中低層建筑(<40m)、大載重(>1t)、舊屋改造等場(chǎng)合，如倉(cāng)庫(kù)、停車場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等等，或者在古典建筑、舊房中增設(shè)電梯。因此，盡管液壓電梯存在著提升高度低、速度低等局限性而受到曳引電梯的巨大挑戰(zhàn)，但上述優(yōu)勢(shì)使得液壓電梯依然在市場(chǎng)中占有可觀的份額，而且技術(shù)的進(jìn)步使其依然具有很好的發(fā)展前景。1.3液壓電梯的技術(shù)特點(diǎn)1.3.1液壓電梯的性能要求電梯工業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在電梯制造與安裝安全規(guī)范、電梯技術(shù)條件、電梯試驗(yàn)方法、電梯鋼絲繩、電梯轎廂、井道、轎廂等各方面都已形成各種嚴(yán)格的技術(shù)要求和安裝規(guī)范，己形成統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11]。液壓電梯除了要滿足這些要求外，在電梯性能方面，也需要滿足以下幾項(xiàng)指標(biāo)：1）、安全可靠性、穩(wěn)定性液壓電梯作為一種載人的交通工具，安全性要求十分重要，電梯要求故障率小，應(yīng)急設(shè)施齊全，在任何正常工況(負(fù)載變化、油溫變化、電網(wǎng)擾動(dòng))下，均能按要求的運(yùn)行曲線反復(fù)保持可靠地運(yùn)行，不得有漏油現(xiàn)象。2）、經(jīng)濟(jì)性液壓電梯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，維護(hù)費(fèi)用低廉，是其保持強(qiáng)有力的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的根本。3）、舒適性特別對(duì)于乘客液壓電梯，其舒適性的好壞至關(guān)重要。人們常常將上浮感、下沉感、不穩(wěn)定感等統(tǒng)稱為不舒適感，產(chǎn)生這種不舒適感的主要原因是人對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)往往比較敏感，尤其是在電梯的加速或者減速段。1.3.2液壓電梯的優(yōu)點(diǎn)液壓電梯與其它驅(qū)動(dòng)方式(如曳引電梯)的垂直運(yùn)輸工具相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[12]:1）、機(jī)房設(shè)置靈活。液壓電梯靠油管傳遞動(dòng)力，因此，機(jī)房位置可設(shè)置在離井道周圍20m的范圍內(nèi)，且機(jī)房面積僅4-5m，，再也不需要用傳統(tǒng)方式將機(jī)房設(shè)置在井道上部，可使建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。2）、井道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較低。因液壓電梯轎廂自重及載重等垂直負(fù)荷均通過(guò)液壓缸全部作用于地基上，對(duì)井道墻及頂部的建筑性能要求低。3）、井道利用率高。一般液壓電梯不設(shè)置對(duì)重裝置，故可提高井道面積的利用率。相同規(guī)格的液壓電梯要比曳引電梯的井道面積少12%。4）、結(jié)構(gòu)緊湊。在相同主參數(shù)情況下，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)比曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積小、重量輕。1.3.3液壓電梯的缺點(diǎn)由于輸入功率、控制及結(jié)構(gòu)等條件的限制，一般液壓電梯的升程有限(40m)，速度不高(lm/s以下)。需要輸入的功率大。因?yàn)橐簤弘娞莶辉O(shè)配重，在額定載重量、額定速度及提升高度相同的情況下，液壓電梯所需要的電機(jī)功率是曳引電梯的2.5-3倍，因?yàn)橐簤弘娞菖涮椎膭?dòng)力電路容量比曳引電梯大。盡管液壓電梯電機(jī)只在上行時(shí)工作，但其能量消耗至少為同等曳引電梯的2倍左右。溫度及載荷變化對(duì)液壓電梯的起制動(dòng)、加減速有一定的影響。液壓電梯的動(dòng)態(tài)速度模型隨著環(huán)境的變化會(huì)有所變化，增加了控制難度。由于溫度的變化和泄漏等因素的影響，當(dāng)轎廂較長(zhǎng)時(shí)間停在某層站時(shí)會(huì)下沉，因此必須采取措施防止轎廂下沉[12]。1.4本論文的選題意義及研究?jī)?nèi)容1.4.1本論文的選題意義由于液壓電梯具有機(jī)房設(shè)置靈活、對(duì)井道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求低、運(yùn)行平穩(wěn)、載重量大,以及故障率低等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)外中、低層建筑中的應(yīng)用已相當(dāng)普遍。由于我國(guó)對(duì)液壓電梯的研制、開發(fā)起步較晚,雖已有一些單位開展研究、生產(chǎn),但國(guó)產(chǎn)化程度不高,主要依靠進(jìn)口。隨著今后人民生活水平的日益提高,多層建筑也將安裝電梯,而液壓電梯則是最適宜的機(jī)種。另外,舊房改造對(duì)液壓電梯也將會(huì)有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場(chǎng)合,如汽車梯、船用平臺(tái)等,由于液壓電梯具有功率重量比大、設(shè)置安裝靈活的優(yōu)點(diǎn),尤其適用。對(duì)于這些大載重量電梯,宜采用對(duì)稱布置的雙缸直頂支承方式,可使轎廂處于相當(dāng)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)此類液壓電梯的研制還比較少，而且研究水平還處在一個(gè)較低的水平。為適應(yīng)國(guó)內(nèi)這種形勢(shì)，最重要的是利用現(xiàn)有技術(shù)力量，投入必要的資金，開展液壓電梯的研發(fā)，選擇適用的控制策略，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理方法來(lái)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。為徹底解決國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，并將液壓電梯迅速推向市場(chǎng)，必須優(yōu)化液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)，使得電梯的運(yùn)行性能達(dá)到國(guó)際水平的前提下，大幅度降低造價(jià)，以促進(jìn)液壓電梯在國(guó)內(nèi)大規(guī)模的廣泛使用。本論文在對(duì)液壓電梯的具體工作情況做了詳細(xì)分析后，設(shè)計(jì)了一個(gè)較優(yōu)化的電梯液壓系統(tǒng)，然后根據(jù)轎廂的載重和計(jì)劃運(yùn)行速度，對(duì)各個(gè)液壓元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，最后結(jié)合實(shí)際情況對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，得出系統(tǒng)運(yùn)行的曲線。這樣更直觀的模擬出了電梯在運(yùn)行過(guò)程中的速度、壓力和位移的曲線的變化。針對(duì)電梯在啟動(dòng)和平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中速度的振動(dòng)較大的情況，本文中在液壓系統(tǒng)中加入了PID控制算法，從而有效降低了系統(tǒng)的誤差，減少了電梯運(yùn)行的速度振動(dòng)，增強(qiáng)了電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。1.4.2本論文的研究?jī)?nèi)容1）、電梯液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在以前的液壓電梯系統(tǒng)中，很多都采用單缸支承，由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大,綜合結(jié)構(gòu)剛度較差，這種支承方式偏載較大時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響電梯的運(yùn)行平衡性,加劇導(dǎo)軌的磨損。本論文中采用雙缸支承電梯轎廂如圖1-1，這種方式在電梯運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)液壓缸同時(shí)對(duì)轎廂提供牽引力，這樣不僅節(jié)約了在電梯運(yùn)行時(shí)液壓缸的行程，降低了液壓缸的制造成本和安裝空間，而且保證了電梯運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性和安全性。1-為電梯轎廂2-為支承液壓缸圖1-1液壓電梯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2）、電梯液壓系統(tǒng)的建模在完成液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算后，需要確立系統(tǒng)合適的控制策略，那么首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于液壓電梯液壓系統(tǒng)具有長(zhǎng)行程、變負(fù)載、變液容以及由于油溫變化引起變泄漏的特點(diǎn)，直接由其機(jī)理推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜。本論文中采用拓?fù)湓斫⑾到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，即先根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)建立液壓系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，將系統(tǒng)分成若干個(gè)可以獨(dú)立的子系統(tǒng)，然后再分別建立每個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，最后再根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合成整個(gè)大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。這種建模方法不僅降低了建模的復(fù)雜程度，節(jié)省了建模的時(shí)間，而且這種模型在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)更利于改進(jìn)。3）、電梯液壓系統(tǒng)的仿真建立起電梯液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，就需要對(duì)根據(jù)數(shù)學(xué)模型來(lái)建立系統(tǒng)的仿真模型。本文中采用MATLAB中的Simulink來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并且把整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：液壓泵、單向閥和調(diào)速閥組成供子油系統(tǒng)；液壓橋和液控單向閥組成調(diào)整子系統(tǒng)；三級(jí)同步液壓缸構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)，下面對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)分別建立仿真模型，然后再組成系統(tǒng)的總體仿真模型，進(jìn)行仿真，這樣具有很強(qiáng)的可觀性和內(nèi)部可移植性，給程序調(diào)試和設(shè)計(jì)帶來(lái)很大方便。在對(duì)系統(tǒng)仿真過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)輸入了階躍的流量信號(hào)和一個(gè)調(diào)速信號(hào)，系統(tǒng)輸出為液壓缸的速度、壓力和位移曲線。4）、電梯液壓系統(tǒng)的PID控制在對(duì)電梯液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真后，得到了液壓缸運(yùn)行的速度、壓力和位移曲線，分析各級(jí)缸筒的曲線，可以看出液壓缸的缸筒的各級(jí)速度曲線總體運(yùn)行都符合設(shè)計(jì)要求，但是缸筒速度的振動(dòng)較大，這使得電梯不能穩(wěn)定的運(yùn)行。綜合考慮，對(duì)電梯液壓系統(tǒng)加入了PID控制器，以減少液壓缸速度運(yùn)行的誤差。在加入了PID控制器后，液壓缸缸筒在啟動(dòng)過(guò)程中的調(diào)整時(shí)間減少，速度變得平穩(wěn)，增加了電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。第2章液壓電梯的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)背景及工況分析隨著人們生活水平的不斷提高，電梯已經(jīng)廣泛運(yùn)用于人們?nèi)粘Ｉ钪?，而液壓電梯則是電梯中的一個(gè)重要梯種，液壓電梯具有機(jī)房設(shè)置靈活、對(duì)井道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求低、運(yùn)行平穩(wěn)、載重量大,以及故障率低等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)外中、低層建筑中的應(yīng)用已相當(dāng)普遍,我國(guó)對(duì)液壓電梯的研制、開發(fā)起步較晚,雖已有一些單位開展研究、生產(chǎn),但國(guó)產(chǎn)化程度不高,主要依靠進(jìn)口。隨著今后人民生活水平的日益提高,多層建筑也將安裝電梯,而液壓電梯則是最適宜的機(jī)種。另外,舊房改造對(duì)液壓電梯也將會(huì)有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場(chǎng)合,如汽車梯、船用平臺(tái)等,由于液壓電梯具有功率重量比大、設(shè)置安裝靈活的優(yōu)點(diǎn),尤其適用。對(duì)于這些大載重量電梯,宜采用對(duì)稱布置的雙缸直頂支承方式,可使轎廂處于相當(dāng)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)[16]。根據(jù)實(shí)際情況和參照相關(guān)電梯承載的參數(shù)，我設(shè)定液壓電梯的總負(fù)載（包括電梯本身自重）為3000Kg，電梯行程為12m，運(yùn)行平穩(wěn)速度為0.75m/s，由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大,綜合結(jié)構(gòu)剛度較差,若采用單缸承重,偏載較大時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響電梯的運(yùn)行平衡性,加劇導(dǎo)軌的磨損,因此宜采用雙缸支承[23]。雙缸液壓電梯的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示。電梯為四層四站,每層高3米,采用直頂支承方式,兩柱塞缸左右對(duì)稱布置,分別立于相應(yīng)導(dǎo)軌一側(cè)。1-為電梯轎廂2-為支承液壓缸圖2-1液壓電梯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓電梯中用得最多的液壓系統(tǒng)是節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。本液壓系統(tǒng)也采用節(jié)流調(diào)速系統(tǒng),上行時(shí)為旁路節(jié)流調(diào)速,下行時(shí)為回油節(jié)流調(diào)速[25],液壓系統(tǒng)原理見圖2-2。1.泵2.電機(jī)3.單向閥4.電磁溢流閥5.比例流量閥6.手動(dòng)節(jié)流閥7,8.比例節(jié)流閥9,10.液壓轎11,12.電控單向閥13,14.油缸15.手動(dòng)下降閥16.回油濾油器17.進(jìn)油濾油器18.高壓濾油器19.壓力表開關(guān)20.壓力表21.油箱圖2-2液壓電梯液壓系統(tǒng)原理圖電梯上行需由泵源驅(qū)動(dòng)。電機(jī)啟動(dòng)時(shí),電磁溢流閥4失電,泵卸荷,比例流量閥5的開度為最大,而后電磁溢流閥通電,此時(shí)調(diào)節(jié)比例流量閥的開度即可實(shí)現(xiàn)電梯的旁路調(diào)速。系統(tǒng)的安全工作壓力為溢流閥的調(diào)定壓力。電梯下行是靠轎廂及載荷的自重作用實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有下行召喚信號(hào)出現(xiàn)時(shí),打開電控單向閥11、12,調(diào)節(jié)比例流量閥就能實(shí)現(xiàn)電梯的回油節(jié)流調(diào)速。雙缸的同步運(yùn)動(dòng)通過(guò)調(diào)節(jié)兩比例節(jié)流閥7、8來(lái)實(shí)現(xiàn),由于比例節(jié)流閥只能沿一個(gè)方向通流,需加液壓橋路9、10,使得電梯上、下運(yùn)行時(shí)這兩個(gè)比例閥都能正常工作。電控單向閥由普通液控單向閥改裝而成,電磁閥失電時(shí)像普通單向閥一樣正向通流,反向截流;而當(dāng)電磁閥得電后,可以實(shí)現(xiàn)反向通流。由于電控單向閥不采用間隙密封,不會(huì)發(fā)生泄漏,因此可有效解決液壓電梯的自動(dòng)沉降難題。手動(dòng)節(jié)流閥6在電梯試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)用來(lái)調(diào)整雙缸液壓管路的沿程壓力損失。手動(dòng)下降閥15又叫應(yīng)急閥,當(dāng)電網(wǎng)突然斷電或液壓系統(tǒng)因故障無(wú)法運(yùn)行時(shí),操縱手動(dòng)下降閥就可使電梯以安全低速(0.1m/s)下降[26]。2.3液壓缸的設(shè)計(jì)在機(jī)械制造行業(yè)中，液壓傳動(dòng)已成為必不可少的一門技術(shù)而普遍地應(yīng)用于各種機(jī)械、機(jī)床和設(shè)備中，發(fā)揮著獨(dú)特地、極為重要地作用。液壓缸是液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件，它將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，使用維修方便，所以比液壓馬達(dá)，擺動(dòng)液壓馬達(dá)應(yīng)用更為廣泛。液壓缸能與各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相配合，完成復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了它的運(yùn)用范圍。作為執(zhí)行元件，液壓缸是液壓系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，液壓缸性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)械系統(tǒng)的工作性能。所以液壓缸必須根據(jù)不同的機(jī)械系統(tǒng)和具體工況來(lái)設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)計(jì)效果。因此，做好液壓缸設(shè)計(jì)必須首先對(duì)各種形式的液壓缸的特點(diǎn)有充分的了解，做好選型工作，然后再根據(jù)具體情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。2.3.1同步伸縮液壓缸的工作原理液壓缸是這個(gè)液壓系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，由于液壓電梯的重載和穩(wěn)定運(yùn)行的特性，則需要根據(jù)具體情況來(lái)設(shè)計(jì)液壓缸。液壓電梯的液壓缸需要安裝空間不大但伸縮長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以選擇伸縮液壓缸。由于載人液壓電梯的速度不能有突變，其速度曲線必須是平滑連續(xù)的，所以需要伸縮液壓缸的各級(jí)是同步伸出的，如果逐級(jí)伸出，那么會(huì)導(dǎo)致轎廂速度突變，并產(chǎn)生較大的振動(dòng)。因此在液壓電梯的液壓系統(tǒng)中，不能使用普通多級(jí)伸縮液壓缸，需要使用各級(jí)柱塞同時(shí)運(yùn)動(dòng)同時(shí)停止的多級(jí)同步液壓缸[4]。與普通多級(jí)伸縮缸的最大不同之處在于同步伸縮缸的各級(jí)柱塞桿的出桿速度是相等的。同步伸縮缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-3，從各級(jí)缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證：第三級(jí)活塞背腔環(huán)形作用面積與第二級(jí)活塞的前腔作用面積足夠近似相等即；并且溝通容腔和，即可實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行[14]。當(dāng)三級(jí)活塞位移變化時(shí)，容腔被壓縮了，排出油液進(jìn)入容腔，使二級(jí)活塞現(xiàn)對(duì)三級(jí)活塞產(chǎn)生位移，即：可得：進(jìn)一步微分可得：再微分可得：同理可得到：從以上分析可知：結(jié)構(gòu)上的近似相等的設(shè)計(jì)和被忽略的因素存在，多級(jí)同步伸縮缸不可能完全同步，一定存在同步誤差。右圖中，缸筒2和缸筒3底部活塞上來(lái)補(bǔ)油，用來(lái)消除因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和被忽略因素影響而產(chǎn)生的同步誤差，在正常工作時(shí)，由于第二級(jí)的壓力明顯高于第三級(jí)壓力，此單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)。單向閥的開啟壓力應(yīng)設(shè)計(jì)成低于第三級(jí)活塞密封件的總靜摩擦力折算的當(dāng)量壓力。這樣系統(tǒng)壓力大于而小于時(shí)，就開始補(bǔ)油。2.3.2同步伸縮缸的參數(shù)計(jì)算在大多數(shù)電梯生產(chǎn)企業(yè)，他們的液壓電梯中的多級(jí)同步伸縮液壓缸大多形成型譜表，型譜表中規(guī)定了不同系列的三級(jí)同步伸縮液壓缸的各級(jí)活塞桿的外徑尺寸，有些還各級(jí)有缸頭尺寸，對(duì)本系統(tǒng)中同步液壓缸的設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值。在設(shè)計(jì)三級(jí)同步伸縮缸時(shí)，首先根據(jù)同步原理計(jì)算相關(guān)參數(shù)，然后根據(jù)實(shí)際情況參考相關(guān)產(chǎn)品的型譜圖來(lái)選擇具體的參數(shù)[15]。根據(jù)同步原理可得下面方程組：（2-1）方程組2-1中都是相對(duì)速度而不是絕對(duì)速度，就是說(shuō)是柱塞桿Ⅰ相對(duì)于柱塞Ⅱ的現(xiàn)對(duì)速度，是柱塞桿Ⅱ相對(duì)于柱塞桿Ⅲ的相對(duì)速度，是柱塞桿Ⅲ相對(duì)于缸筒Ⅳ的相對(duì)速度[14]。簡(jiǎn)圖如圖2-4，根據(jù)方程組2-1可推得如下方程：（2-2）化簡(jiǎn)為：（2-3）由于各級(jí)的相對(duì)速度想等，即，所以得如下方程組：（2-4）即等于：（2-5）圖2-4液壓缸缸筒簡(jiǎn)圖獲得以上公式后，可以根據(jù)電梯工作情況的要求，按照上面的公式來(lái)計(jì)算同步液壓缸的具體尺寸，但是實(shí)際設(shè)計(jì)中由于密封件和鋼管材料規(guī)格的限制，和不可能取得計(jì)算數(shù)值，而制作符合計(jì)算數(shù)值精度的密封件具有一定難度且價(jià)格過(guò)高，所以只能根據(jù)現(xiàn)有密封件和缸筒材料，在滿足電梯液壓系統(tǒng)運(yùn)行條件的情況下，選擇接近計(jì)算數(shù)值的尺寸。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和查閱各種密封件規(guī)格資料，并結(jié)合實(shí)際情況參考同類產(chǎn)品規(guī)格，確定如下表2-1所示的三級(jí)同步伸縮液壓缸的型譜計(jì)算表[20]。表2-1中，計(jì)算值是指按照2-4方程組計(jì)算所得數(shù)值，實(shí)際值是參照計(jì)算值對(duì)照密封件和鋼管材料所取得實(shí)際各級(jí)缸筒的內(nèi)徑和外徑，速度比反映了同步誤差大小。表2-1液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算型譜表35557565.1926599.24721000.97951.03551.014440609072.11172115.2561150.990.98860.9787507510090.13990134.5361350.991.01541.00536385120105.8105159.4521600.95741.01580.972675105140129.03130191.051901.04440.97631.019785125170151.16150226.7162300.95151.06661.015100150210180.28180276.5862800.991.05861.0481125170240211.01210318.9043200.97281.01580.9882150200280250250375.36638011.0561.056實(shí)際設(shè)計(jì)的三級(jí)同步伸縮液壓缸時(shí)，綜合考慮實(shí)際情況并參考三菱電梯的相關(guān)參數(shù)，取如下參數(shù)為同步伸縮缸的實(shí)際尺寸。表2-2選定參數(shù)85125170150230所以可以綜合列出液壓缸設(shè)計(jì)的綜合參數(shù)如下表：表2-3基本參數(shù)表名稱（參數(shù)）值同步缸級(jí)數(shù)3活塞桿直徑（mm）85125170包括轎廂總負(fù)載（Kg）：Q3000行程（m）：L12轎廂速度（m/s）：v0.75電梯支承方式：直頂式要使三級(jí)活塞上下運(yùn)動(dòng)的速度基本相同，行程也相同，這要求第三級(jí)活塞環(huán)形面積等于第二級(jí)活塞下腔面積，以此類推，根據(jù)這個(gè)原理來(lái)計(jì)算液壓缸的相關(guān)尺寸。根據(jù)前面得到的方程組（2-4）可知：由基本參數(shù)可知：解方程組得：令得到壁厚：檢驗(yàn)之比：將以上數(shù)據(jù)帶入方程組（2-2）得：從以上計(jì)算可得各級(jí)參數(shù)值如下：知道了缸筒的內(nèi)徑、外徑，材料選用20#無(wú)縫鋼管，可以計(jì)算各級(jí)缸筒的質(zhì)量，由于活塞的質(zhì)量對(duì)三級(jí)同步伸縮缸的影響是很小的，可以將缸筒作為一根長(zhǎng)的圓筒質(zhì)量來(lái)計(jì)算，缸筒長(zhǎng)度可取行程長(zhǎng)度。質(zhì)量計(jì)算比較常見，所以省略計(jì)算過(guò)程，計(jì)算結(jié)果如下：2.3.3缸蓋和活塞頭設(shè)計(jì)1.缸蓋Ⅰ（1）壓力計(jì)算最大靜壓力：工作壓力：（2）螺釘連接設(shè)計(jì)6個(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘，規(guī)格：M16，p2，螺釘軸線分布圓螺釘間距：螺釘軸線分布圓直徑：考慮到與壓圈連接，取：（3）活塞頭外圓直徑（4）缸蓋厚度計(jì)算取缸蓋厚度為：2.活塞頭Ⅱ(1)壓力計(jì)算最大靜壓力：所以工作壓力：（2）螺釘連接8個(gè)內(nèi)六角圓柱螺釘，規(guī)格：螺紋軸線分布圓螺釘間距：螺釘軸線分布圓直徑：（3）活塞頭外圓直徑：（4）缸蓋厚度同活塞頭Ⅰ一樣取81mm，因?yàn)楸炯?jí)缸筒壓力小于第Ⅰ級(jí)3.活塞頭Ⅲ（1）壓力計(jì)算最大靜壓力：所以工作壓力：（2）螺釘連接10個(gè)內(nèi)六角螺釘，規(guī)格：螺釘軸線分布圓：螺釘間距：螺釘軸線分布圓直徑：（3）活塞頭外圓直徑（4）缸蓋厚度同活塞頭Ⅰ一樣取81mm，因?yàn)楸炯?jí)缸筒壓力小于第Ⅰ級(jí)4.結(jié)論根據(jù)以上的計(jì)算，同時(shí)考慮壓圈、卡環(huán)的尺寸的相互關(guān)系，取得如下尺寸:第一級(jí):缸蓋外徑:196，連接螺釘節(jié)圓直徑:80第二級(jí):缸蓋外徑:228，連接螺釘節(jié)圓直徑:100第二級(jí):缸蓋外徑:322，連接螺釘節(jié)圓直徑:2942.3.4柱塞缸和各級(jí)活塞缸的長(zhǎng)度計(jì)算根據(jù)液壓缸的相關(guān)尺寸和具體情況，參照三菱電梯的相關(guān)尺寸，有效尺寸大于或等于8100mm，全部縮回小于或等于3970mm解得：取總高為3940mm，則各級(jí)桿長(zhǎng)如下：缸筒長(zhǎng)度：3065mm活塞桿Ⅱ：3242mm活塞桿Ⅰ：3386mm柱塞桿：3590mm柱塞桿如圖2-5，長(zhǎng)度:2077mm，直徑:85mm圖2-5第一級(jí)柱塞桿第二級(jí)活塞桿如圖2-6，整體長(zhǎng)度:1907mm缸蓋和壓圈直徑:196mm，缸蓋加壓圈厚度:84mm活塞頭Ⅱ直徑:148mm活塞桿Ⅱ長(zhǎng)度:1757mm，活塞桿I直徑:125mm圖2-6第二級(jí)活塞桿第三級(jí)活塞桿如圖2-7:整體長(zhǎng)度:1664mm缸蓋和壓圈直徑:228mm，缸蓋加壓圈厚度:90mm活塞頭Ⅲ直徑:225mm圖2-7第三級(jí)活塞桿活塞桿Ⅲ長(zhǎng)度:1497mm，活塞桿Ⅲ直徑:170mm第四級(jí)活塞桿如圖2-8，整體長(zhǎng)度:1653mm缸蓋和壓圈直徑:322mm，缸蓋加壓圈厚度:102mm缸底和壓圈IV直徑:322mm，缸底壓圈厚度:136mm圖2-8第四級(jí)活塞桿活塞桿IV長(zhǎng)度:1487mm，活塞桿IV直徑:260mm整體外形尺寸如圖2-9:高度(不包括越程):4457mm高度(包括越程):4757mm圖2-9液壓缸整體外形尺寸2.3.5液壓缸的密封液壓缸依靠密封油液容積的變化傳遞動(dòng)力和速度，液壓油在系統(tǒng)及元件的容腔內(nèi)流動(dòng)或暫存時(shí)，由于壓力、間隙、粘度等因素的變化，而導(dǎo)致少量工作介質(zhì)越過(guò)容腔邊界，由高壓腔向低壓腔或外界流出，造成泄漏。密封元件可以防止液壓缸的泄漏及外界塵埃和異物的侵入。密封裝置的優(yōu)劣將直接影響液壓缸的工作性能。密封不好的液壓缸，不僅會(huì)污染環(huán)境、降低容積效率、增加功率損失，有時(shí)還會(huì)影響液壓缸的正常工作。液壓缸密封件選用取決于壓力、速度、溫度和工作介質(zhì)等因素。密封件的合理選用對(duì)液壓缸有很重要的意義。密封效果決定了液壓缸的容積效率;密封摩擦力的大小，決定了液壓缸的機(jī)械效率;密封材料的耐熱性能，影響液壓缸的工作溫度;液壓缸的工作速度，也受密封件的限制;密封件的材料和系統(tǒng)采用的工作介質(zhì)要有相容性;動(dòng)密封件的摩擦阻力要小，即摩擦系數(shù)要小而穩(wěn)定，特別是靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差值要小。密封件的耐磨性要好，磨損后應(yīng)有一定程度的自動(dòng)補(bǔ)償，制造簡(jiǎn)單、裝拆方便、成本低廉。對(duì)于活塞的密封，活塞的密封選用K03組合式孔用密封圈，它是由一個(gè)密封環(huán)、兩個(gè)擋環(huán)和兩個(gè)導(dǎo)向環(huán)組成的五件套組合式密封[17]。其最高工作壓力為4OMPa，溫度-30-100，運(yùn)動(dòng)速度0.5m/s。對(duì)于活塞桿的密封，活塞桿與端蓋處的密封采用MA39雙唇軸用Y形圈，該Y形圈帶小于45°切角，且雙唇是非對(duì)稱的，用于活塞桿的密封，其中一個(gè)密封唇用于支持活塞桿向上的密封作用并在其向下運(yùn)動(dòng)時(shí)除去保留在接觸空氣一側(cè)的灰塵污物。材料為聚氨酷AU92，最高工作壓力可達(dá)40MPa，溫度-40-1O0，運(yùn)動(dòng)速度小于0.5m/s。2.4泵和電機(jī)的選擇2.4.1泵排量的計(jì)算排量為液壓泵主軸旋轉(zhuǎn)一周所排出的液體體積，已知轎廂的速度為0.75m/s，則直頂液壓缸速度為0.375m/s，又因?yàn)椋ㄆ渲袨楦骷?jí)活塞桿的相對(duì)速度），那么可以知道。綜合考慮液壓缸的結(jié)構(gòu)，第三級(jí)液壓缸的流量為有效負(fù)載流量：采用液壓泵的轉(zhuǎn)速為1500r/min，采用液壓泵的型號(hào)為GR608M-600。2.4.2電機(jī)的選擇在設(shè)計(jì)液壓缸的活塞頭時(shí)，我們已計(jì)算過(guò)各級(jí)液壓缸的工作壓力，那么可以計(jì)算出各級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)所需的理論功率[18]。由負(fù)載端計(jì)算：第一級(jí)活塞：第二級(jí)活塞：第三級(jí)活塞：所以可以知道驅(qū)動(dòng)液壓泵需要選用的電動(dòng)機(jī)。通過(guò)以上計(jì)算液壓泵站需要使用40kw電動(dòng)機(jī)，GR608M-600液壓泵，流量集成閥。2.5液壓管路的設(shè)計(jì)管路在液壓系統(tǒng)中主要用來(lái)把各種元件及裝置連接起來(lái)傳輸能量，為保證系統(tǒng)工作可靠，管路及管接頭應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，良好的密封性，壓力損失要小，拆裝方便。管路按材料不同可分為無(wú)縫鋼管、耐油橡膠軟管、純銅管、尼龍管等幾種。本課題屬于高壓系統(tǒng)，應(yīng)選用強(qiáng)度好、耐高壓、變形小、抗腐蝕性的無(wú)縫鋼管。2.5.1管路內(nèi)徑的選擇管路內(nèi)徑應(yīng)與要求的通流相適應(yīng)，管徑太小則流速將增高，這不僅使壓力損失降低，而且可能產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲；管徑過(guò)大，則難于彎曲和安裝，而且將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，所以必須合理選擇管徑。導(dǎo)管內(nèi)徑d，可根據(jù)導(dǎo)管通過(guò)的最大流量和允許的流速進(jìn)行計(jì)算：查取資料可選取：壓力管流速：當(dāng)壓力時(shí)，取，當(dāng)時(shí)，??；當(dāng)時(shí)，取回油管路流速：吸油管路流速：則依次可以計(jì)算各個(gè)管路的內(nèi)徑：泵出油口的管路內(nèi)徑：取回油口的管路內(nèi)徑：取吸油口的管路內(nèi)徑：取2.5.2管道壁厚計(jì)算計(jì)算管道壁厚的方程式為：--管道壁厚--工作壓力--管道內(nèi)徑--油管材料許用應(yīng)力.，無(wú)縫鋼管的，n為安全系數(shù)，當(dāng)時(shí)n=8，可知：泵出油口管道壁厚：取回油口的管道壁厚：取吸油口的管道壁厚：取2.6油箱設(shè)計(jì)油箱在液壓系統(tǒng)中主要功用是儲(chǔ)存液壓系統(tǒng)所需的足夠油液，散發(fā)油液中的熱量，分離油液中氣體及沉淀污物，為系統(tǒng)提供元件的安裝位置，使液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。油箱的容積是油箱設(shè)計(jì)時(shí)需要確定的主要參數(shù)。油箱體積大時(shí)散熱效果好，但用油多，成本高;油箱體積小時(shí)，占用空間少，成本降低，但散熱條件不足。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可用經(jīng)驗(yàn)公式確定油箱的容積[19]。油箱容積經(jīng)驗(yàn)公式：V—油箱的容積(L);q—液壓泵的總額定流量(L/min);—經(jīng)驗(yàn)系數(shù);對(duì)低壓系統(tǒng);對(duì)中壓系統(tǒng);對(duì)中高壓或高壓大功率系統(tǒng)。本系統(tǒng)中取4min，其中,那么取2.7過(guò)濾器的設(shè)計(jì)該液壓系統(tǒng)在回油路上設(shè)置過(guò)濾器，在系統(tǒng)油液流回油箱之前，過(guò)濾器將外界侵入系統(tǒng)的和系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的污染物濾除，為系統(tǒng)提供清潔的油液。系統(tǒng)中過(guò)濾器需安裝在油箱頂部，過(guò)濾器公稱流量為650800L/min，過(guò)濾精度20，通徑50mm，最大壓力損失0.08MPa。2.8閥的選擇2.8.1單向閥的選擇普通單向閥在液壓系統(tǒng)中的作用是只允許液流沿著管道一個(gè)方向通過(guò)，另一個(gè)方向的流動(dòng)則被截止。在本系統(tǒng)中要求單向閥的通流能力滿足以上，那么可以采用上海液壓件廠的A型單向閥[20]，壓力范圍，公稱通徑為50mm，額定流量為。2.8.2電磁溢流閥電磁溢流閥由小規(guī)格電磁換向閥與溢流閥符合而形成，它具有溢流閥的全部作用且可通過(guò)電磁閥的通斷電來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的卸荷或多級(jí)壓力控制?？梢赃x用上海立新液壓件廠引進(jìn)樂(lè)力士系列DBW電磁溢流閥[17]，壓力范圍：，公稱通徑為32mm，額定流量為。2.8.3節(jié)流閥節(jié)流閥是通過(guò)改變節(jié)流閥的截面或節(jié)流長(zhǎng)度以控制流體流量的閥門，本系統(tǒng)對(duì)節(jié)流閥的性能要求有：流量調(diào)節(jié)范圍打，流量-壓差變化平穩(wěn)；內(nèi)泄露量小，過(guò)有外泄油口，外泄量也要??；調(diào)節(jié)力矩小，動(dòng)作靈敏。系統(tǒng)中的比例流量閥采用先導(dǎo)式比例流量閥，采用型號(hào)為RPCE3型先導(dǎo)式比例流量閥。2.9本章小結(jié)本章主要對(duì)液壓電梯的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，先根據(jù)實(shí)際的情況確定電梯的背景和工作情況，然后根據(jù)具體要求確定其液壓系統(tǒng)原理圖。其次根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定其工作參數(shù)，包括負(fù)載、行程、運(yùn)行速度等，并計(jì)算出液壓系統(tǒng)的工作壓力，再根據(jù)工作情況，確定液壓缸形式為同步伸縮缸，參照實(shí)際液壓電梯的型譜圖來(lái)計(jì)算缸的基本參數(shù)。確定液壓缸的流量后，可以根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和流量確定液壓泵的排量和液壓缸的各級(jí)功率，然后可以確定液壓泵的型號(hào)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。最后依次對(duì)系統(tǒng)的管路、過(guò)濾器、各種閥進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，獲得相關(guān)參數(shù)后即可確定各種液壓元件的材料，并根據(jù)市場(chǎng)的情況選用合適的液壓產(chǎn)品。第3章電梯液壓系統(tǒng)模型的建立在完成液壓系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)和液壓元件初步選擇之后，需要對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。首先要根據(jù)具體工況進(jìn)行分析，并建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)模型進(jìn)行求解來(lái)分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和預(yù)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本章主要內(nèi)容是建立液壓電梯液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。建立液壓系統(tǒng)模型的目的是為了便于用軟件進(jìn)行數(shù)字仿真，通過(guò)仿真研究了解液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，為改進(jìn)和完善系統(tǒng)性能提供必要的理論依據(jù)。而建立一個(gè)較精確的描述液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型又是仿真的前提和關(guān)鍵，是為了提高動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確程度。所以在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)應(yīng)符合準(zhǔn)確、簡(jiǎn)明、適應(yīng)的原則[21]。要建立一個(gè)液壓大系統(tǒng)模型應(yīng)首先對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)液壓元件在系統(tǒng)中的功能和作用建立液壓元件(子系統(tǒng))模型，或采用現(xiàn)有的模型形式。其次對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，將液壓大系統(tǒng)簡(jiǎn)化或抽象化，建立節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浼s束方程和邊界約束方程。然后根據(jù)液壓系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)特征將液壓元件子系統(tǒng)模型組合成液壓大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。分析液壓系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是分析系統(tǒng)中組織液壓元件模型的方式。將液壓大系統(tǒng)的功能及組成進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象化，以利于由子模型方便而迅速的構(gòu)成大系統(tǒng)模型。在構(gòu)成液壓大系統(tǒng)模型時(shí)采用的是拓?fù)浼夹g(shù)，拓?fù)浼夹g(shù)是指建模過(guò)程中將大系統(tǒng)分割成子系統(tǒng)進(jìn)行建模，并利用子系統(tǒng)模型組成大系統(tǒng)的技術(shù)[35]。在利用拓?fù)浼夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的建模時(shí)，可以更方便的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型進(jìn)行分析和調(diào)整，減少了系統(tǒng)分析的時(shí)間，提高了工作效率。本文中要建立液壓電梯的液壓系統(tǒng)的模型，首先要根據(jù)具體工作情況建立整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，電梯的運(yùn)行分為電梯上行和下行兩個(gè)階段具體分析，并建立相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后分別對(duì)每一個(gè)元件進(jìn)行分析建模，在得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每個(gè)元件的數(shù)學(xué)模型后，再結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖總結(jié)得到整個(gè)工作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)分析我們可以得到這個(gè)液壓系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下如圖3-1：圖3-1電梯液壓系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖中符號(hào)意義如下:—液壓泵；—手動(dòng)節(jié)流閥，可看成一個(gè)液阻元件;—溢流閥，二通口元件;—比例流量閥，由減壓閥和節(jié)流閥組合而成，用于調(diào)速;—單向閥，開啟后為一個(gè)液阻元件;、—比例節(jié)流閥，單向通流，與單向閥組成液壓橋;、—電控單向閥，無(wú)電信號(hào)輸入時(shí)為一個(gè)普通單向閥，有電信號(hào)輸入，反向通流;、—三級(jí)同步液壓缸;—系統(tǒng)與油箱連接節(jié)點(diǎn);、—液壓缸邊界點(diǎn)，與外界機(jī)械聯(lián)結(jié);、、—系統(tǒng)內(nèi)三通口節(jié)點(diǎn);3.1電梯上行的數(shù)學(xué)模型電梯上行的時(shí)候，電機(jī)拖動(dòng)液壓泵正常供油，調(diào)節(jié)比例流量閥進(jìn)行旁路節(jié)流調(diào)速，來(lái)控制電梯啟動(dòng)上行的速度，使得電梯轎廂進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)，保證電梯運(yùn)行平穩(wěn)。電梯上行時(shí)，電磁溢流閥失電，溢流閥不溢流。手動(dòng)節(jié)流閥在電梯試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)用來(lái)調(diào)整雙缸液壓管路的沿程壓力損失，在電梯正常工作時(shí)，手動(dòng)節(jié)流閥相當(dāng)于通流管路。那么，可以得到電梯上行液壓系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖：圖3-2電梯液壓系統(tǒng)的上行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們可以依次建立各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。3.1.1泵的數(shù)學(xué)模型用液壓泵的型號(hào)為GR608M-600，轉(zhuǎn)速為1500r/min，油泵的模型簡(jiǎn)圖如下圖3-1所示，設(shè)進(jìn)口油壓為，出油口的壓力，考慮到油液的泄露量和可壓縮性，可以建立如下的子模型[33]：其中：—液壓泵的實(shí)際流量;—液壓泵的理論流量;—液壓泵的液導(dǎo);—液壓泵的出口容積;—油液體積彈性模量。泵的液導(dǎo)取經(jīng)驗(yàn)值為：泵出口容積為：油液的彈性模量?。喝∵M(jìn)口壓力為：將以上參數(shù)代入模型中，可以得到如下方程：3.1.2單向閥的數(shù)學(xué)模型在液壓系統(tǒng)中，忽略單向閥開啟動(dòng)態(tài)特性，單向閥一打開，其作用就相當(dāng)于一個(gè)液阻元件，將單向閥的液阻簡(jiǎn)化成線性液阻，其模型形式(流量方程)為:式中：—通過(guò)單向閥的流量—單向閥液阻，—單向閥進(jìn)口壓力—單向閥出口壓力則單向閥流量方程為：3.1.3比例流量閥的數(shù)學(xué)模型比例流量閥是由定差減壓閥和節(jié)流閥串聯(lián)而成的組合閥。由于節(jié)流閥的剛性差，在節(jié)流開口一定的條件下通過(guò)它的工作流量受工作負(fù)載變化的影響，不能保持執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定，因此僅適用于負(fù)載變化不大和速度穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。由于工作負(fù)載的變化很難避免，在對(duì)執(zhí)行元件速度穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，需要采用比例流量閥來(lái)進(jìn)行節(jié)流調(diào)速。而比例流量閥是由定差減壓閥在負(fù)載變化時(shí)，對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償，使節(jié)流閥前后壓力差在負(fù)載變化時(shí)保持不變[24]。比例流量閥可以看成是減壓閥和節(jié)流閥組合而成，那么其模型也可分開看。定差減壓閥的模型如下：式中：—通過(guò)減壓閥的流量—定差減壓閥的節(jié)流閥口流量系數(shù)—定差減壓閥通流面積，，為減壓閥的通徑—液體密度，此處取、—減壓閥的進(jìn)出口壓力那么，可以得到模型：節(jié)流閥模型如下：式中：—通過(guò)節(jié)流閥的流量—節(jié)流閥的液阻—節(jié)流閥的液導(dǎo)，、—節(jié)流閥的進(jìn)出口壓力節(jié)流閥模型為：3.1.4液壓橋的數(shù)學(xué)模型由于比例節(jié)流閥只能單向通流，所以需要和單向閥搭配組成液壓橋，這樣在電梯上行或者下行時(shí)，比例節(jié)流閥都能正常工作。兩個(gè)液壓缸的同步運(yùn)動(dòng)就是靠調(diào)節(jié)此處兩個(gè)比例流量閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。建立液壓橋的模型可以分開看成兩個(gè)單向閥和一個(gè)比例流量閥組成的。此處單向閥相當(dāng)于一個(gè)液阻，單向閥的模型可以得到：式中：—通過(guò)單向閥的流量—單向閥液阻，—單向閥進(jìn)口壓力—單向閥出口壓力則單向閥流量方程為：節(jié)流閥是一種最簡(jiǎn)單又最基本的流量控制閥，它是借助于控制機(jī)構(gòu)使閥心相對(duì)于閥體孔運(yùn)動(dòng)，以改變閥口的過(guò)流面積從而調(diào)節(jié)輸出流量的閥類。在本系統(tǒng)中，手動(dòng)節(jié)流閥是用來(lái)調(diào)節(jié)流量以消除調(diào)整雙缸液壓管路的沿程壓力損失。在液壓系統(tǒng)中，節(jié)流閥可看成一個(gè)阻尼器，建立模型過(guò)程中可以把節(jié)流閥看成一個(gè)簡(jiǎn)單的線性液阻，其模型如下：式中：—通過(guò)比例節(jié)流閥的流量—比例節(jié)流閥的液阻—比例節(jié)流閥的液導(dǎo)，、—比例節(jié)流閥的進(jìn)出口壓力那么，其模型如下：其另外一個(gè)單向閥的模型為：其中：、—比例節(jié)流閥的進(jìn)出口壓力3.1.5液控單向閥的模型在液壓大系統(tǒng)中若忽略液動(dòng)力、庫(kù)侖摩擦、粘性阻尼和閥心重力的影響，可將液控單向閥的流量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到如下模型：式中：—液控單向閥綜合流量系數(shù)，,為液體的雷諾數(shù)，此處取管道的雷諾數(shù)位1500。那么、—液控單向閥的進(jìn)出口壓力那么，液控單向閥的模型可以寫成：3.1.6液壓缸的數(shù)學(xué)模型1.缸筒IV-Ⅲ環(huán)節(jié)①?gòu)膹椥砸后w流量連續(xù)性方程，可以得到泵輸出流量到缸的壓力變化過(guò)程的動(dòng)態(tài)微分方程式:上式中的容腔包括兩個(gè)部分:一是基本固定不變的管路容腔容積;二是隨缸筒Ⅲ伸出位移的變化而變化的容腔容積，所以，可以表示成:再把代入上式中可得：②運(yùn)動(dòng)方程該環(huán)一節(jié)分析缸筒Ⅲ的受力情況，受力圖如圖3-3，圖3-3液壓缸缸筒受力分析其中摩擦力計(jì)算如下：③將己知量帶入計(jì)算合成方程組為:化簡(jiǎn)得：式中：—液壓缸的液壓腔3的壓力—液壓缸的液壓腔2的壓力—液壓缸的液壓腔1的壓力—液壓缸的第Ⅲ級(jí)缸筒的相對(duì)速度—缸筒Ⅲ與Ⅳ的距離—輸入到液壓腔3的流量2.缸筒Ⅲ-Ⅱ環(huán)節(jié)缸筒Ⅲ-Ⅱ環(huán)節(jié)和上述的缸筒IV-Ⅲ環(huán)節(jié)相似，那么可以用相同的方法獲得其模型如下：式中：—液壓缸的第Ⅱ級(jí)缸筒的相對(duì)速度—缸筒Ⅲ與Ⅱ的距離3.缸筒Ⅱ-柱塞Ⅰ環(huán)節(jié)缸筒Ⅱ-柱塞Ⅰ環(huán)節(jié)和上述的缸筒缸筒Ⅲ-Ⅱ環(huán)節(jié)相似，那么可以用相同的方法獲得其模型如下：式中：—液壓缸的柱塞的相對(duì)速度—缸筒Ⅱ與柱塞Ⅰ的距離4.合成方程組綜合以上各級(jí)缸筒和柱塞的模型，合成得到液壓缸的總的模型：3.1.7系統(tǒng)上行的模型根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)元件的模型的分析，可以獲得系統(tǒng)在上行過(guò)程中的總體模型如下：和比例節(jié)流閥的通流直徑為整個(gè)系統(tǒng)的輸入。3.2電梯下行的數(shù)學(xué)模型電梯下行是靠電梯轎廂里面得負(fù)載和轎廂的自重提供電梯下降的動(dòng)力。當(dāng)有下行召喚信號(hào)出現(xiàn)時(shí),打開電控單向閥,液壓油從液壓缸中流出，經(jīng)過(guò)液控單向閥、液壓橋，和比例流量閥流回油箱，此過(guò)程中調(diào)節(jié)比例流量閥就能實(shí)現(xiàn)電梯的回油節(jié)流調(diào)速。在電梯下行過(guò)程中，電控單向閥得電后反向通流，相當(dāng)于一個(gè)通流的油管，所以此處可以不考慮液控單向閥的模型。而對(duì)于液壓缸來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于對(duì)液壓缸輸入一個(gè)負(fù)的流量，從而使得液壓缸中的流量減少，所以液壓缸的總體模型都不變。液壓橋和液控單向閥的模型也基本不變。液壓缸的模型：液壓橋的模型：那么，液壓橋的模型可以簡(jiǎn)化成：比例流量閥的模型;所以，可以得到電梯下行時(shí)候系統(tǒng)的總模型：3.3本章小結(jié)本章對(duì)己經(jīng)設(shè)計(jì)完成的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，該液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以分為液壓電梯上行階段和下行階段，本章中詳細(xì)分析了液壓電梯上行過(guò)程中的具體情況，并建立了其具體的數(shù)學(xué)模型。在進(jìn)行建模時(shí)先對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行功能分析和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，畫出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，然后根據(jù)各元件在系統(tǒng)中的功能和作用建立各個(gè)液壓元件的子模型，按照各元件之間的拓?fù)潢P(guān)系圖，將他們合成為整個(gè)液壓大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第4章電梯液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真經(jīng)過(guò)對(duì)具體工況的分析，設(shè)計(jì)計(jì)算出了滿足運(yùn)行條件的電梯液壓系統(tǒng)，并且根據(jù)流量和壓力的關(guān)系建立了各個(gè)液壓元件的模型，建立完系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之后，要對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，即對(duì)系統(tǒng)各個(gè)工作階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，仿真過(guò)程中，使用的是Matlab中的simulink，通過(guò)用simulink來(lái)建立系統(tǒng)運(yùn)行的仿真模型，獲得系統(tǒng)運(yùn)行的速度和壓力的圖像，分析液壓系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性。4.1Simulink簡(jiǎn)介Simulink為Mathworks公司推出的交互式模型輸入與仿真環(huán)境，為MATLAB在仿真和CAD中的應(yīng)用開創(chuàng)了新的局面，Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。Simulink的具有如下特點(diǎn)：（1）豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)。（2）交互式的圖形編輯器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖。（3）以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。（4）通過(guò)ModelExplorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。（5）提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。（6）使用EmbeddedMATLAB模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法。（7）使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型。（8）具有圖形化的調(diào)試器和剖析器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為。（9）可訪問(wèn)MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)。（10）模型分析和診斷工具來(lái)保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤?？傮w來(lái)說(shuō)，simulink有兩個(gè)明顯的功能:仿真和連接，即在Simulink環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。與傳統(tǒng)的仿真軟件相比，Simulink具有更直觀、方便、便于推廣和擴(kuò)展的特點(diǎn)[27]。4.2電梯上行時(shí)液壓系統(tǒng)的仿真分析根據(jù)實(shí)際電梯的運(yùn)行情況分析可知，電梯上行過(guò)程一般分為電梯啟動(dòng)的勻加速運(yùn)動(dòng)階段、電梯上行勻速運(yùn)動(dòng)階段、電梯停止的勻減速運(yùn)動(dòng)階段。在上行的這三個(gè)過(guò)程中，液壓系統(tǒng)的基本模型是不變的，只是輸入到液壓缸的液壓油流量變化，然后實(shí)現(xiàn)了電梯轎廂速度的變化。在電梯上行的過(guò)程中，我們根據(jù)上一章建立的液壓系統(tǒng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以把整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：液壓泵、單向閥和調(diào)速閥組成供子油系統(tǒng)；液壓橋和液控單向閥組成調(diào)整子系統(tǒng)；三級(jí)同步液壓缸構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)，下面對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)分別建立仿真模型，然后再組成系統(tǒng)的總體仿真模型，進(jìn)行仿真，這樣具有很強(qiáng)的可觀性和內(nèi)部可移植性，給程序調(diào)試和設(shè)計(jì)帶來(lái)很大方便[28]。在此過(guò)程中采用了液壓泵輸入恒定流量信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行旁路節(jié)流調(diào)速。4.2.1供油子系統(tǒng)的仿真模型供油子系統(tǒng)由液壓泵供油，流經(jīng)單向閥，并由調(diào)速閥進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)輸出的流量供給系統(tǒng)的運(yùn)行，可以設(shè)這個(gè)系統(tǒng)供出的油量為。此系統(tǒng)輸入為和比例流量閥的通流直徑，輸出為。這個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Subsystem數(shù)學(xué)模型如下:消去系統(tǒng)模型中的過(guò)渡部分，可以得其仿真模型框圖Subsystem3如圖4-1：圖4-1供油子系統(tǒng)的仿真框圖4.2.2液壓橋和液控單向閥組成調(diào)整子系統(tǒng)的仿真模型液壓油由供油子系統(tǒng)提供，依次流經(jīng)液壓橋的單向閥、比例節(jié)流閥、單向閥和液控單向閥[32]。這個(gè)子系統(tǒng)的輸入為、，輸出為。這個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下：消去系統(tǒng)模型中的過(guò)渡部分，可以得其仿真模型框圖Subsystem4如圖4-2：圖4-2調(diào)整子系統(tǒng)的仿真框圖4.2.3三級(jí)同步液壓缸構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)的仿真模型對(duì)于三級(jí)同步液壓缸構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入為經(jīng)過(guò)調(diào)整子系統(tǒng)調(diào)整的液壓油，流量為，輸入壓力為調(diào)整子系統(tǒng)的輸出的壓力。子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下：由于三級(jí)同步液壓缸的模型較為復(fù)雜，我們可以將同步液壓缸分三級(jí)進(jìn)行討論，分別建立仿真模型：1.缸筒IV-Ⅲ環(huán)節(jié)其數(shù)學(xué)模型如下：消去系統(tǒng)模型中的過(guò)渡部分，可以得其仿真模型Subsystem框圖如圖4-3：圖4-3缸筒IV-Ⅲ環(huán)節(jié)的仿真框圖2.缸筒Ⅲ-Ⅱ環(huán)節(jié)其數(shù)學(xué)模型如下：消去系統(tǒng)模型中的過(guò)渡部分，可以得其仿真模型Subsystem1框圖如圖4-4：圖4-4缸筒Ⅲ-Ⅱ環(huán)節(jié)的仿真框圖3.缸筒Ⅱ-柱塞Ⅰ環(huán)節(jié)其數(shù)學(xué)模型如下：消去系統(tǒng)模型中的過(guò)渡部分，可以得其仿真模型Subsystem2框圖如圖4-5：圖4-5缸筒Ⅱ-柱塞Ⅰ環(huán)節(jié)的仿真框圖根據(jù)以上各環(huán)節(jié)分析，可以得到液壓缸的仿真模型如圖4-6：圖4-6液壓缸的仿真模型框圖根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的分析，得到系統(tǒng)的仿真模型如圖4-7：圖4-7電梯上行液壓系統(tǒng)的仿真框圖4.3電梯上行液壓系統(tǒng)的仿真在電梯上行時(shí)，液壓泵輸入為一個(gè)階躍信號(hào)，而比例流量閥的通徑大小輸入為一個(gè)反向的梯形信號(hào)，系統(tǒng)的速度的調(diào)節(jié)主要是依靠比例流量閥的通徑大小的調(diào)節(jié)的。而液壓缸是三級(jí)同步液壓缸，故在研究液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)需要討論液壓缸的每一級(jí)柱塞的運(yùn)動(dòng)的速度、位移和壓力，才能更好的分析電梯液壓系統(tǒng)的運(yùn)行效果并作出合理改進(jìn)。下面是對(duì)系統(tǒng)輸入的流量曲線和比例流量閥通徑變化曲線如圖4-8、圖4-9。圖4-8系統(tǒng)的輸入流量曲線圖4-9比例流量閥的通徑變化曲線4.3.1電梯上行液壓缸的速度曲線根據(jù)系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)電梯液壓系統(tǒng)輸入相應(yīng)的流量信號(hào)和調(diào)速信號(hào)，可以獲得液壓缸的速度曲線如圖4-10：圖4-10各級(jí)液壓缸的速度曲線由圖上可知，各級(jí)液壓缸的絕對(duì)速度是成倍增加的，滿足三級(jí)同步液壓缸的各級(jí)活塞缸同步運(yùn)動(dòng)的要求。但是對(duì)曲線放大來(lái)看如圖4-11，速度的振動(dòng)較大，還不夠平穩(wěn)，這樣不利用電梯的平穩(wěn)運(yùn)行。為此我們將在下一章討論改進(jìn)系統(tǒng)使速度運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。圖4-11各級(jí)液壓缸的速度放大曲線4.3.2電梯上行液壓缸的位移仿真曲線電梯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各級(jí)缸筒的位移曲線是直接反應(yīng)電梯移動(dòng)的曲線，可以從曲線中看出電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性和誤差，從而可以更方便對(duì)電梯進(jìn)行調(diào)整。在液壓電梯的運(yùn)行過(guò)程中，由于電梯的支承方式是雙缸同步支承，所以在考慮電梯運(yùn)行誤差的時(shí)候，需要把液壓缸的位移誤差放大一倍，這樣才能合理的改善電梯的運(yùn)行。同步伸縮液壓缸的各級(jí)缸筒伸出的相對(duì)長(zhǎng)度是相等的，而其位移則是逐級(jí)累加的，所以可以得到如圖4-12所示的曲線，下面曲線合理反映了各級(jí)缸筒的位移，且各級(jí)位移滿足電梯的運(yùn)行要求。圖4-12各級(jí)液壓缸的位移曲線4.3.3電梯上行液壓缸各級(jí)缸筒壓力仿真曲線電梯的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電梯載重是不斷變化的，在本系統(tǒng)的仿真過(guò)程中，我們?cè)陔娞莸呢?fù)載最大的情況下對(duì)電梯運(yùn)行進(jìn)行仿真，這樣可以更好的觀察電梯的運(yùn)行效果，保證電梯的安全的運(yùn)行。而承受負(fù)載的主要是液壓缸，所以我們需要對(duì)液壓缸的各級(jí)缸筒壓力進(jìn)行分析，這樣才能保證液壓缸在安全壓力下運(yùn)行。如圖4-13反應(yīng)了各級(jí)缸筒的壓力變化[32]。第一級(jí)缸筒由于柱塞面積較小，故在承受負(fù)載運(yùn)行時(shí)，所受的壓力最大；第二級(jí)缸筒同樣在相同負(fù)載的情況下，壓力比第三級(jí)明顯要大些；第三級(jí)液壓缸是液壓油直接輸入的缸筒，其承受壓力較小，但要保證真?zhèn)€液壓缸安全運(yùn)行，仍需考慮第三級(jí)缸筒的壓力變化的影響。圖4-13各級(jí)缸筒壓力曲線4.4本章小結(jié)本章根據(jù)上章建立的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電梯液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。在仿真過(guò)程中，把整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：液壓泵、單向閥和調(diào)速閥組成供子油系統(tǒng)；液壓橋和液控單向閥組成調(diào)整子系統(tǒng)；三級(jí)同步液壓缸構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)，并對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)分別建立了仿真模型。得到各個(gè)系統(tǒng)仿真模型后，組成了整個(gè)液壓系統(tǒng)的仿真模型，然后對(duì)系統(tǒng)輸入了流量信號(hào)和調(diào)速信號(hào)，最后運(yùn)行便得到了各級(jí)液壓缸運(yùn)行的速度、位移和壓力曲線。在本章中主要對(duì)電梯上行的過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，獲得了基本滿足運(yùn)行要求的結(jié)果。第5章電梯液壓系統(tǒng)的PID控制隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志，而自動(dòng)控制技術(shù)在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是由于生產(chǎn)工藝日益復(fù)雜，控制品質(zhì)的要求越來(lái)越高，簡(jiǎn)單的控制理論有時(shí)無(wú)法解決復(fù)雜的控制問(wèn)題，所以需要一種更加先進(jìn)的控制方法來(lái)解決工業(yè)發(fā)展的瓶頸[31]。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不僅可以軟件實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的控制算法，而且可以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使得控制的方法更加靈活和精確。利用計(jì)算機(jī)解決控制系統(tǒng)中的問(wèn)題，不僅可以大大提升控制系統(tǒng)的效率和準(zhǔn)確性，而且可以對(duì)各種控制系統(tǒng)不斷變化的要求做出快速的調(diào)整。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。PID控制主要是將系統(tǒng)誤差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。這種控制方法簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型，所以得到了廣泛的推廣。PID控制器在不同方面都體現(xiàn)了其自身特點(diǎn)，首先，PID應(yīng)用范圍廣，雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定[29]。在實(shí)際運(yùn)用中，我們通常可以把利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬PID控制器，構(gòu)成數(shù)字PID控制，數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種最普遍采用的控制方法，在機(jī)電、冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中獲得了廣發(fā)的應(yīng)用。5.1PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖如圖5-l所示，由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成[30]。圖5-1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差：（5-1）將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為：（5-2）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式（5-3）式中：—時(shí)刻的控制量—比例系數(shù)—積分時(shí)間常數(shù)—微分時(shí)間常數(shù)簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:(1)比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。(3)微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。5.2位置PID控制算法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[30]。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式(5-2)的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)代表連續(xù)時(shí)間，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作以下近似變換:（5-4）式中，T—采樣周期。離散化過(guò)程中，采樣周期T必須足夠短,才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將簡(jiǎn)化表示成，即可得到位置式PID控制算法:（5-5）或（5-6）式中：—采樣序號(hào)，；—第次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)輸出值；—第次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；—第次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；—積分系數(shù)；—微分系數(shù)；圖5-2為位置式PID控制算法的原理圖。圖5-2