液压电梯液压回路控制研究

杨娜 石瑾 吕海涛 尼玛扎西

(西藏自治区特种设备检测所,西藏拉萨 850000)

1 引言

理论上来讲,要想对液压电梯液压回路实现控制,只有三种方法[1]：容积调速、节流调速和复合调速。容积调速是通过调节液压泵的输出值来实现对流量的控制,进而达到给定值;节流调速是通过调节系统中的阀开口的大小来实现对流量的控制;复合调速是结合容积调速和节流调速来实现控制流量的大小。根据液压系统对流量实现控制的方式,将液压电梯液压回路分为三种类型：容积调速、节流调速和复合调速。

2 容积调速

2.1 开环控制

容积调速[2]系统最早是开环控制,通过采用变量泵来实现流量的输出。该方式能够使得系统内流量大体按照电梯速度曲线的变化而有规律的变化,节能效果较好。同时该系统能满足一般性能要求的电梯指标,具有很好的应用前景。开环控制下,电梯在下行过程中的加速段和减速段是不可控制的,导致液压电梯的梯速不会很高;其只能实现在电梯上行过程中的控制。

开环控制大多出现在年代较早的控制系统中,由于年代和当时电子元器件加工制造技术水平的限制,导致只能出现开环控制;这种低性能指标的电梯之所以被市场所接受,很大一部分原因是因为当时曳引电梯的本身的性能指标不高。目前,开环控制可能适用于低速货梯,其它类型电梯是不适用的。

开环控制有其独有的优点：首先是这种控制方式能使得系统的能耗很低;其次是采用这种控制方式的电梯的性能要比交流双速电梯高,特别是在电梯上行过程中,其运行性能是显著优于交流双速电梯的。

2.2 闭环控制

随着经济的快速发展,以及电梯性能指标的提升,开环控制已经不能满足市场的需求;而此时的集成电路技术发展迅猛,已经能制造各种新型元器件,闭环控制系统开始面向市场。在此系统中,电液比例变量泵取代了普通变量泵。

闭环控制的原理[3]是通过主油路中的流量传感器来检测实际流量,同时与电路中已经设置好的最佳流量曲线相比较,从而对变量泵或者是调速电机进行控制。采用闭环控制后,使得液压电梯在运行过程中的彭文性能良好,同时负载刚度大。由于采用闭环控制,电梯上行过程中所消耗的能量与液压泵所输出的能量大体相等,与节流调速相比较而言,其效率更高,由于能量耗损所造成的系统发热现象很小。

不过,采用闭环控制只能降低电梯在上行过程中的能耗,在电梯下行过程中产生的压力会使得油缸中的油液做功,从而引起液压系统升温,在此过程中由于做功而产生的热量占到一个系统循环内发热总量的80%以上。因而闭环控制也不能够很好的解决下行过程中的发热现象。

采用闭环控制系统的液压电梯通常都有配套的电路,用来存储最优化的速度曲线,同时根据传感器所提供的反馈信号,利用各种控制方式,来调节比例泵的输入,使得电梯处于最佳的运行状态。此种系统可以很好的满足电梯对于运行舒适性和平稳性的性能要求。

但是采用闭环控制的液压电梯难以满足其在上行启动时,对液压泵内流量快速变化的需求,而且轴向柱塞泵通常在高压下使用,且其比例机构动态调节反应迟缓,使得此类系统的效率不是很高,严重的影响了其推广应用。

3 节流调速

节流调速适用于定量泵和定量执行元件组成的液压系统。其通过节流的方法,调节并联的主油路和旁油路的相对液阻,使得一部分油从旁油路流回油箱,最终减少进入液压缸的流量,从而液压电梯梯速的有极调速或者无极调速。在上行过程中,液压电梯一般采用旁路节流实现调速,在下行过程中,液压电梯一般采用出口节流实现调速。

液压电梯的节流调速控制只有这一种方法,但是液压电梯的控制系统种类繁多,归根结底是由于流量控制阀构造上的不同。

3.1 不带负载压力补偿的流量控制阀[4]

这种类型的流量控制阀采用开环控制,通过开关电磁铁来驱动。该阀通过控制和调节阀背腔压力的先导液阻网络,最终得到逼近的运行速度曲线。很明显,该阀受温度和负载的影响很大,致使流量精度难以保证,电梯运行平稳性较差。

3.2 带负载压力补偿的流量控制阀[4]

这种类型的流量控制阀采用闭环控制,通过开关电磁铁来驱动。该阀采用了基于流量-压力反馈的负载补偿原理,显著的增强了抗负载性能,有效的提高了系统负载的刚性和动态性能。该阀也是通过控制和调节阀背腔压力的先导液阻网络,最终得到逼近的运行速度曲线,能够大概的改变制动减速段和起动加速段曲线的斜率值。

4 复合调速

容积调速和节流调速各有千秋,有效的融合这两种系统的特点,使得系统能耗进一步降低是科研工作者夜以继日想解决的问题。在液压电梯运行过程中,能耗大部分转化为热能,并引起液压系统升温,如果该液压电梯在温度较高的场所使用过于频繁,则必须启动电梯自带的散热装置,否则油温会升到警戒线附近,最终导致系统强制停机,来降低系统的温度。在容积调速系统控制下,虽然能大幅降低电梯在上行过程中的能量耗损,但在下行过程中,大部分势能在节流口被损耗,进而转化为热能,最终导致了系统温升。

为了很好的解决上述问题,大规模的提高系统效率,复合调速(能量回收)系统应运而生[5]。其主要原理是在电梯下降过程中,将势能通过液压油路部分的转化为电能。同时,这种系统可以采用容积调速或者节流调速来控制电梯上行速度。在电梯下行过程中,流出液压缸的压力油,通过节流阀及方向阀进入液压泵,回到油箱,此时,液压泵与电动机是联动的,电动机发电。接到液压电梯下行时的指令后,方向阀开始接通油路,比例流量阀慢慢打开,此时电梯在下行加速阶段,油液经液压泵返回油箱,此时液压泵继续空转,绝大部分压力作用在比例流量阀上,又由于该阶段节流量小,时间短,因而发热少。之后,比例流量阀慢慢增大开口,待流量增大到设定值,发电机会得到液压泵的空转信号,从而开始工作。由于液压泵是带载工作的,其压力直接作用在液压泵上,此时的比例流量阀已经将开口增至最大,故而节流损失非常小,绝大部分系统的能量通过液压泵,带动发电机工作,使之转化为电能,而此时,比例流量阀对系统流量仍能实现小范围的调控,发电机最终输出的电能可以并入电网。

复合调速(能量回收)系统可以使得能量大幅度降低,但是,这种系统元件的制造工艺还不太成熟,其价格相对较高,但从长远看,其具有很好的节能效果,所以这种系统的前景将会是光明的。

5 结语

综上所述,容积调速控制方式可以最大限度的节约能源,正是因为这点原因,使得容积调速技术在液压电梯中占据一席之地。各国目前都在积极研发容积调速系统。与节流调速技术相比,传统的容积调速所使用的元器件体积大、价格高昂,目前还未实现工业化。此外,变量泵上使用的变排机构的时间常熟很大,使得容积调速系统的频响低。

改变原发动机转速的容积调速技术,是近几年变频调速技术在液压电梯领域的重要应用。这种类型的容积调速理论上克服了传统液压泵调速方式的不足,能够获得良好的控制性能,并且节约资源。但因其成本过高,应用不是很多。目前液压电梯中,广泛采用的是节流调速控制系统。相信不久的将来,液压电梯复合调速控制将成为液压电梯节能的主流方向。

[1] 邱爱中,聂惠娟.矢量变频液压容积控制和节流调速的复合系统研究[J].液压与气动,2010,(08)：27-31.

[2] 邵宪琴,楼东.液压电梯的发展概况和前景[J].建筑机械,1996,(09)：35-38.

[3] 周晨,杨华勇,徐兵,孙威.维纳数字滤波技术在轿厢速度反馈闭环控制的液压电梯中的应用[J].机床与液压,2000,(05)：46-47+2.

[4] 黄泽森.液压电梯液控技术研究[D].重庆大学,2005.

[5] 刘忠,霍沅明,张凯,邹宇.基于压力流量复合阀的电梯液压系统[J].实验室研究与探索,2015,34(10)：51-54.