液压电梯用限速切断阀的设计与分析

□ 陈 健

江苏大学 机械工程学院 江苏镇江 212013

1 研究背景

随着经济、社会的发展,电梯已经成为特殊建筑、高层建筑中不可或缺的竖直交通运输设备。电梯的广泛使用,是人类社会进入工业化的重要标志之一[1-4]。根据不同的驱动方式,可以将电梯分为三种类型:曳引驱动电梯、强制驱动电梯、液压驱动电梯。曳引驱动电梯行驶过程中安静平稳,并且技术较为成熟,应用较为广泛。曳引驱动电梯对土建要求较高,并且承载能力有限,电梯市场占有率受到限制。液压驱动电梯不需要顶置机房,具有土建要求较低、无需对重、井道利用率高、承载质量大、安全性高等优点[5-6],广泛应用于车库、停车场等重载场合,以及一些受原土建限制,需要增设电梯的旧房改造工程。近年来国家对老旧小区进行改造,液压驱动电梯的需求逐渐增大,市场占有率不断提升。

目前,针对限速切断阀的研究主要集中在欧美。2000年,德国Blain公司设计了一种R10型限速切断阀,采用滑阀结构,结构简单,但负载下落的加速度无法人为调节,并且关断时间较长。2001年,瑞士Beringer公司设计了RSG系列液压电梯用限速切断阀,阀端部采用锥阀进行密封,阀关闭时反向流量泄漏量较小,但是阀芯运动过程中阻力较大,并且流量的调节范围不如R10型限速切断阀。在国内,秦玉彬[7]针对限速切断阀在叉车液压系统应用过程中存在的过大液压冲击等问题,提出了结构改进方案。张涛等[8]设计了一种海洋工程设备用限速切断阀,制造出阀样件,通过试验研究了前、后阻尼孔尺寸对阀动态性能的影响。

对于限速切断阀,国内的研究资料较少,并且未见具体成品应用于液压驱动电梯。虽然国外进行了部分研究,但是由于国外技术保密等原因,国内外技术水平存在一定差异。由此可见,开展液压驱动电梯用限速切断阀的研究工作十分重要与迫切。笔者设计了一种背包式液压电梯用限速切断阀,阀的关断流量可以人为调节。通过AMESim软件,对所设计的限速切断阀稳态性能和瞬态性能分别进行仿真研究,为同类阀的后续设计工作提供参考。

2 背包式液压电梯工作原理

背包式液压电梯是较为典型的机、电、液一体化产品[9-10],结构如图1所示。

图1 背包式液压电梯结构

背包式液压电梯主要由泵站系统、液压控制系统、液压缸、升降系统、轿厢、电气控制系统等部分组成。泵站系统为电梯的运行提供稳定的动力,并存储油液。液压控制系统控制电梯的运行速度。液压缸通过对曳引绳作用,间接带动轿厢运动。升降系统主要包括滑轮组与曳引绳,通过不同的缠绕比可以得到不同的液压缸与轿厢速比,因类似于人类的背包行为,故得名背包式液压电梯。电气控制系统主要协调各部件的工作。限速切断阀固连于液压缸有杆腔的油口处。在电梯正常工作时,限速切断阀不起作用。当由于阀后管道破裂、元件密封失效等原因造成流过限速切断阀的流量突增、轿厢急速下坠等情况时,限速切断阀能够迅速关断,防止轿厢墩底。由此可见,限速切断阀是背包式液压电梯安全防护的重要装置。

3 限速切断阀结构设计

限速切断阀的设计准则主要有三点:① 正向流通时压力损失尽可能小;② 方向泄漏量小,密封性好;③ 关断时间尽量短。针对上述要求,所设计的限速切断阀结构如图2所示。

图2 限速切断阀结构

由图1可以看出,限速切断阀主要由调节杆、阀体、阀芯、弹簧等部分组成。调节杆用于调节阀芯的初始开度,对应不同的关断流量。限速切断阀的pc端与液压缸的有杆腔刚性连接,pp端连接管道,并且采用锥阀结构,从而能够很好地保证反向密封性要求。

背包式液压电梯正常工作时,油液流经限速切断阀,阀芯两端产生压差,并且这一压差不足以克服弹簧作用力,阀芯保持不动,限速切断阀不工作。当阀后管道由于破裂或者元件密封失效而导致过阀流量突增、轿厢急速下坠时,油液流经限速切断阀在阀芯两端产生的压差足以克服弹簧作用力,阀芯动作,及时关断油路,防止轿厢墩底,从而有效保障乘员的生命安全。

油液流经限速切断阀产生的压力损失主要由两方面组成:流经阀内流道的压力损失与流经阀口的压力损失。

流经阀内流道的压力损失主要包括沿程压力损失Δpλ、局部压差Δpξ。沿程压力损失Δpλ为:

(1)

式中:λ为沿程阻力因数;lg为流道长度;dg为流道直径;ρ为油液密度;v为油液流速。

由式(1)可以看出,沿程压力损失与流道长度成正比,而限速切断阀的流道长度很小,因此可以忽略这一压力损失。

由于限速切断阀直接固连于液压缸,因此局部压差Δpξ亦很小,可以忽略不计。

综上所述,油液流经限速切断阀产生的压差主要与阀口节流作用有关。关于限速切断阀的有效通流面积A0,很多文献已经给出了详细推导过程,笔者不再赘述。有效通流面积A0为:

A0=πxvsinα(dp-xvsinαcosα)

(2)

式中:xv为阀口开度;α为半锥角;dp为阀座直径。

由式(2)可以看出,阀口开度与有效通流面积呈抛物线关系。在实际选取阀口开度时,需要使阀口处的油液流速大于阀座孔道处的油液流速,即满足:

(3)

式中:q为油液流量。

将物理量代入式(2),可以得到阀芯最大开度xvmax为:

(4)

根据阀口压差流量公式,限速切断阀两端的压差Δp为:

(5)

式中:Cd为流量因数。

在额定流量条件下,一般要求限速切断阀所产生的压力损失在0.1～0.2 MPa之间,从而有:

(6)

式中:qn为额定流量。

考虑限速切断阀阀芯处稳态液动力的影响,油液对阀芯的总作用力F为:

(7)

式中:pc为阀口处油液压力;r0为阀芯半径;F′为稳态液动力;K为弹簧刚度;x0为弹簧预压缩量。

代入各物理量,油液对阀芯的总作用力F为:

(8)

式中:φ为限速切断阀阀口处流速与水平方向夹角;r1为阀座半径。

由式(8)可知,临界状态时油液对限速切断阀阀芯的总作用力为零,此时作用在阀芯上的力相互平衡,对应的流量即为限速切断阀的关断流量。阀芯半径取20 mm,半锥角取30°,阀座直径取30 mm,最大阀口开度取16.5 mm,流量因数取0.6,油液密度取880 kg/m3,可以得到限速切断阀在额定流量条件下所产生的压差约为0.19 MPa,基本符合设计要求。弹簧刚度为8 N/mm,对应的限速切断阀关断流量为560 L/min。

4 仿真分析

4.1 稳态性能

限速切断阀的稳态性能指限速切断阀不工作且阀芯处于最大开口时,限速切断阀的过阀流量与过阀压差的关系,在一定程度上可以反映限速切断阀性能的优劣。限速切断阀稳态仿真模型如图3所示。在进行仿真之前,笔者给出稳态工况下AMESim软件使用的各仿真参数,限速切断阀最大初始开口为16.5 mm,阀芯直径为40 mm,阀芯质量为0.2 kg,弹簧刚度为8 N/mm,弹簧预紧力为130 N,压力油源为2 MPa,比例阀开启时间为10 s。其余参数选用软件默认参数即可。

图3 限速切断阀稳态仿真模型

通过仿真,过阀压差流量曲线、过阀时间流量曲线分别如图4、图5所示,t为时间。当限速切断阀处于最大开口时,限速切断阀的过阀压差随着过阀流量的增大而增大。当过阀流量达到切断流量560 L/min时,过阀压差仅为0.2 MPa左右。

图4 过阀压差流量曲线

图5 过阀时间流量曲线

对限速切断阀稳态性能的研究,也就是对影响限速切断阀关断流量的因素进行分析。

(1) 阀前压力对关断流量的影响。分别设定阀前压力为2 MPa、4 MPa、6 MPa,对应的阀前压力关断流量关系曲线如图6所示。

图6 阀前压力关断流量关系曲线

由图6可以看出,在阀口开度一定的条件下,关断流量随着阀前压力的增大而增大,这主要和油液的压缩性有关。油液的弹性模量β为:

β=-ΔpV/ΔV

(9)

式中:ΔV为油液体积变化量;V为油液初始体积。

由式(9)可知,阀前压力越大,阀前油液的压缩量越大,在限速切断阀工作时对应的过阀流量越大,关断流量也越大。

(2) 比例阀开启时间对关断流量的影响。通过缓调阀后,比例阀的开口可以使限速切断阀的过阀流量逐渐增大,从而实现对限速切断阀的稳态性能进行仿真分析。设定阀前压力为2 MPa,比例阀开启时间分别为10 s、15 s、20 s,对应的比例阀开启时间关断流量关系曲线如图7所示。

图7 比例阀开启时间关断流量关系曲线

由图7可以看出,在阀口开度一定的条件下,关断流量随着调节时间的增加而减小,这同样可以用油液的压缩性来解释。调节时间越长,过阀压差越小,关断流量也越小。

4.2 瞬态性能

限速切断阀的瞬态性能指当由于阀后管道破裂、元件密封失效等原因造成流过限速切断阀的流量突增、轿厢急速下坠时限速切断阀的瞬态关闭性能,限速切断阀的瞬态性能同样是评价背包式液压电梯安全与否的重要指标。限速切断阀瞬态仿真模型如图8所示。液压缸缸径为80 mm,柱塞直径为45 mm,轿厢自身质量为1 250 kg,承载质量为0～1 000 kg,限速切断阀阀芯处于最大开口,仿真时间设置为1 s,其余参数选用软件默认参数即可。

图8 限速切断阀瞬态仿真模型

限速切断阀阀芯处于最大开口状态下,限速切断阀的切断流量仿真结果如图9所示。由图9可以看出,限速切断阀从1.93 s开始动作,在1.99 s左右时将流量关断,关断时间约为0.06 s,远短于德国Blain公司设计的R10型限速切断阀的关断时间。

图9 限速切断阀切断流量仿真结果

以下分析背包式液压电梯瞬态工况下不同承载质量对缸内油压、轿厢速度、轿厢位移的影响。以三层三站、每层高度2.7 m为例,原点选在底层位置,轿厢初始位置设置在顶层,通过轿厢的自由落体运动来模拟由于阀后管道破裂、元件密封失效等原因造成的流过限速切断阀流量突增、轿厢急速下坠情况。缸内油压p、轿厢速度vj、轿厢位移xj、轿厢加速度a仿真曲线依次如图10、图11、图12、图13所示。

图10 缸内油压仿真曲线

图11 轿厢速度仿真曲线

图12 轿厢位移仿真曲线

图13 轿厢加速度仿真曲线

由图10可以看出,缸内油压的峰值随着承载质量的增大而增大,最大瞬态压力可以达到55 MPa,所以在设计液压缸时,应尽可能选用高强度材料,并且满载工况下缸内压力的波动程度要大于空载及半载。由图11可以看出,在满载工况下,轿厢速度的波动同样大于空载及半载。由图12可以看出,轿厢的位移随着承载质量的增大而增大,满载时轿厢最终会停在3.4 m左右的高度,下落距离约2 m,这主要是由于背包式液压电梯采用了1∶2布局形式。由图13可以看出,轿厢下降的加速度波动在满载工况下大于空载及半载,舒适性较差。仿真结果表明,笔者所设计的限速切断阀即使在轿厢满载时仍然能够很好地切断油路,阻止轿厢下坠。

5 结束语

为了提升液压驱动电梯的被动安全性能,笔者对背包式液压电梯用限速切断阀的结构进行了设计,并通过AMESim软件对限速切断阀的稳态性能与瞬态性能进行了仿真研究。仿真结果表明:稳态工况下过阀流量达到切断流量时,过阀压差很小,仅为0.2 MPa;瞬态工况下过阀流量达到切断流量时,切断动作时间很短,仅为0.06 s左右;即使在轿厢满载工况下,限速切断阀仍然能够很好地切断油路,防止轿厢墩底。