基于压力流量复合阀的电梯液压系统

刘 忠， 霍沅明， 张 凯， 邹 宇

(1.常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500； 2.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215000;3.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221000)



基于压力流量复合阀的电梯液压系统

刘 忠1， 霍沅明2， 张 凯3， 邹 宇3

(1.常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500； 2.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215000;3.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221000)

针对目前液压电梯定压式节流调速系统在低负载时高能耗的问题，开发了液压电梯系统实验平台系统。将压力流量复合阀作为液压电梯上行控制的主控阀，电梯下行由比例调速阀进行速度控制，对液压电梯的液压系统进行了重新设计。运用AMESim软件对所设计的液压电梯系统进行了低负载上行的仿真实验分析。仿真结果表明，在低负载上行时采用复合阀的液压系统可以降低泵的输出功率，减小了溢流损失，与定压式节流调速系统相比具有节能的效果。

液压电梯; 压力流量复合阀; 仿真; 节能

0 引 言

液压电梯与曳引电梯相比具有负载能力强、运行平稳、对建筑物的承载能力要求低等特点,被人们所接受。目前,由于我国针对液压电梯研究的机构较少，阻碍了液压电梯技术的发展，导致我国液压电梯市场占有率与国外相比有一定的差距。本文针对液压电梯节流调速系统能耗问题，提出基于比例压力流量复合阀的液压系统方案作为电梯上行速度控制主控阀，以达到节能目的，并通过AMESim软件进行了仿真实验。

1 液压电梯系统驱动方式

液压电梯系统中控制液压电梯运行速度的形式主要有容积调速和节流调速两种方式。节流调速液压电梯控制系统相对容积调速系统的成本低，可调节速度范围较大，但是能量损失会较高一些。

液压电梯液压系统的容积调速主要是通过改变泵的转速来控制泵的输出流量,从而实现对电梯运行速度的控制[1-2]。在调节电梯运行速度时，泵输出流量大小直接与电梯轿厢速度所需要的流量大小相匹配，减小了溢流造成的损失，提高了液压系统的效率[3]。但是,此种调速方式的系统较为复杂、流量脉动大、频响低，增加了控制电梯运行速度的难度，而且价格昂贵。

液压电梯采用节流调速进行速度控制的方式是改变节流阀的开口大小，对进入柱塞缸的流量进行控制，实现了轿厢速度的变化。在液压电梯中节流调速有进油路节流调速和旁油路节流调速两种方式，每种方式各有自身的特点。进油路节流调速系统又可称为定压式阀控液压系统，此种控制方式的电梯速度与节流阀的通流面积成正比，调速范围大且液压油流经节流阀后直接进入油缸腔，系统的刚度大，可减少启动时的冲击。

旁油路节流调速与进油路节流调速相比能耗损失较小，但系统本身存在一定的缺陷，尤其是在液压电梯调速范围较大的系统中。由于调速系统无背压，影响了电梯速度的调节，使其调速不够平稳。而且系统的最大负载能力会随着节流阀开口的增大有所下降，即电梯低速运行时，承载能力弱，调速范围小[4]。

2 压力流量复合阀的工作机理

压力流量复合阀的原理如图1所示，它是由先导比例溢流阀与比例节流阀组成的一个复合阀。先导比例溢流阀的主阀在复合阀中兼作三通压力补偿器的作用，对节流阀进行压力补偿,使复合阀的进油口和出口端的压力差保持为某一定值，保证了通过节流阀的流量具有较好的稳定性[5]。复合阀的进油口压力会根据负载压力的变化而发生相应的变化，使泵的输出功率与负载所需功率相匹配，是一种低能耗具有节能作用的复合阀。

在比例压力流量复合阀没有输入任何信号时，液压泵输出的油液通过主溢流阀卸流回油箱。采用此复合阀的液压系统无需在液压泵的出油口另设溢流阀。

1-比例节流,2-主溢流阀,3-比例溢流阀,4-安全阀

图1 比例压力流量复合阀原理图

3 液压电梯液压系统原理

考虑到进油节流调速控制方式的液压电梯在进行速度调节时具有较好的稳定性，所以确定以此种方式作为电梯的速度控制。一般节流阀控系统属于定量液压系统，在对电梯运行速度进行控制时，必然会造成溢流损失,即P1=psq1。式中:P1为溢流损失的功率；ps为系统的泵出口压力；q1为溢流量。溢流量的大小为定量泵的输出流量与液压电梯速度所需流量的差值，所以速度已经确定的液压电梯溢流量是不可改变的[6-7]。因此，为了减少系统的溢流能量损耗，需在满足工况需求的功率前提下，减少系统的压力以降低泵的输出功率。但是在定压式液压系统中，系统的压力根据额定负载的大小已经确定，不会随着负载的变化而改变；这就造成了负载较低工况下溢流功率损失严重，尤其是负载变化大的液压系统中[8-11]。在液压电梯下行过程中，利用轿厢的自重实现向下运动，因此不需要泵提供驱动能量，此时泵停止工作。

为了解决定压式阀控液压电梯系统在较低负载工况下能量损失大、效率较低的问题，提出了一种以比例压力流量复合阀为电梯上行主控阀的液压系统方案，而下行采用比例调速阀对电梯的速度进行控制。

液压系统的工作原理如图2所示。电梯在接收到上行命令时，电动机3启动，同时压力传感器11检测比例压力流量复合阀与负载端之间的压力，对比例压力流量复合阀的压力信号进行调节，使该复合阀调节的压力高于系统压力一个很小的值，当定量泵2的出口压力达到负载压力时，单向阀6被打开，油液经过限速切断阀流入柱塞缸，使电梯上行。通过调节复合阀控制流量的信号，控制流入柱塞缸的油液流量，多余的流量经过复合阀的主溢流阀返回到油箱中，从而达到控制电梯轿厢速度的目的。当电梯到达停层位置时，控制压力-流量复合阀的两路信号sig1、sig2不在有任何信号输入，液压泵的输出油液通过复合阀的主溢流阀流回油箱，油泵处于卸载状态。

当电梯接收到下行命令时，电动机3停止转动，利用轿厢的自重和负载驱动电梯下行。此时，控制液控单向阀8的电磁阀得电，使油液反方向流通单向阀；通过控制比例节流阀7的信号控制流量大小，从而实现对电梯下行速度大小的控制。当电梯到达停层位置时，控制液控单向阀的电磁阀失电，油液反向流通截止；比例调速阀没有信号输入，节流阀开口关闭，不在有油液流过阀体，电梯停止运行。

1,10-过滤器,2-定量泵,3-电动机,4,6-单向阀,5-比例压力流量复合阀,7-比例调速阀,8-液控单向阀,9-散热器,11-压力传感器,12-安全阀,13-手动下降阀,14-限速切断阀,15-柱塞缸

图2 液压电梯系统原理

4 系统仿真实验

为了分析液压电梯采用压力流量复合阀的液压系统在低负载时的节能效果，以定压式阀控液压系统作对比，通过计算机对系统进行仿真分析[12-14]。

4.1 系统建模

根据本文所设计的液压电梯系统原理在AMESim软件[15]中建模，由于压力流量复合阀在AMESim中的液压元件库中没有现成的模型，所以需要根据复合阀的结构运用HCD中基本元件进行搭建，其他元件可以在液压元件库中直接调用，搭建的模型如图3所示。定压式阀控液压电梯系统在AMESim软件中所建模型如图4所示。

图3 压力流量复合阀控制液压电梯系统模型

4.2 系统参数设置

根据作者实验室所搭建的液压电梯实验平台实际

图4 定压式节流调速液压电梯系统模型

参数进行设置,具体参数如下:电动机转速1 800 r/min,定量泵额定排量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,柱塞缸的直径80 mm,轿厢额定载荷850 kg,轿厢空载重量800 kg,复合阀进出口压差0.7 MPa。

电梯系统的额定压力为：

式中:F为电梯满载时所需油缸的驱动力;d为柱塞缸的直径。经计算,电梯在满载工况上行时所需系统的压力为3.3 MPa。根据电梯满载情况的需求，定压式节流调速系统中设置的系统压力应高于3.3 MPa，这里设置为4.3 MPa；仿真时间设置9.8 s，时间间隔0.1 s。系统中其他参数，如油液的温度、流量系数等参数是在常规条件下考虑的，所以默认AMESim软件中初始设置的参数来进行仿真。

4.3 仿真结果分析

在电梯满载和空载两种工况下，采用压力流量复合阀的液压系统负载端的压力与泵的输出压力如图5所示。由于电梯的运行速度是变化的，由加速段、匀速段和减速段组成，所以系统的压力会有所变化。从仿真结果来看，采用压力流量复合阀液压系统的泵出口压力随负载端的压力变化而发生改变，且根据载荷情况的不同产生相对应的压力变化，始终比负载端的压力高出0.7 MPa。空载工况下负载端的压力值1.6 MPa，泵出口压力2.3 MPa；满载工况下负载端的压力值3.3 MPa，泵的出口压力值4.0 MPa。

定压式阀控液压电梯的系统压力变化如图6所示。在满载和空载两种不同工况下，泵的输出压力曲线重合，这是因为系统的最高压力设置4.3 MPa，泵的出口压力保持在4.3 MPa不会随着负载的大小而发生变化。空载工况负载端的压力1.6 MPa；满载工况负载端的压力3.3 MPa。

对电梯空载和满载两种工况上行时，采用两种不同控制方式的泵输出端功率进行仿真实验对比，结果如图7、8所示。

图5 压力流量复合阀系统压力

图6 定压式阀控系统压力

图7 空载时液压泵的输出功率

图8 满载时液压泵的输出功率

从仿真结果可见，在电梯负载不同情况下，定压式阀控液压系统泵的输出功率不会根据负载变化发生改变，保持在12.1 kW。但是采用了压力流量复合阀的液压电梯系统由于泵出口压力根据负载大小发生变化，因此改变了泵的输出功率；满载上行时泵的输出功率为11 kW左右，空载时泵的输出功率为6.8 kW。系统中溢流损失的功率为泵输出功率曲线与电梯上行所需功率曲线之间的那部分区域，定压阀控系统在电梯较低负载运行时溢流损耗与压力流量复合阀液压系统相比较大。由此可见，采用压力流量复合阀控制液压系统的方法可以降低在低负载时泵的输出功率，减小了低负载时系统的功率损失，具有良好的节能效果。

5 结 语

在满足液压电梯运行平稳的情况下，根据比例压力流量复合阀的功能特点，将此复合阀引入到液压电梯控制系统中，作为电梯上行的主控阀。通过AMESim软件对液压系统进行仿真实验研究，并对仿真结果进行分析。结果表明,采用压力流量复合阀的液压系统泵的输出压力根据负载大小变化，使得电梯在低负载时与现存的定压式阀控液压电梯系统相比具有良好的节能作用，降低了低负载时泵的输出功率，减少了溢流能量损失。以此液压系统方案设计液压电梯实验平台，为液压电梯技术的研究提供技术支撑，验证液压电梯系统节能技术的可行性。

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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

国家自然科学基金项目(51275060)；苏州市科技计划项目(SYG201325)；常熟理工学院自制教学仪器设备项目(CG201411)

刘 忠(1968-)，男，湖南长沙人，博士后，教授，现主要从事机电液系统集成与节能技术、流体系统仿真与优化方向的研究工作。Tel.：13862307436；E-mail：liuzhong678@sina.com

TP 391.9；TH 137.32

A

1006-7167(2015)10-0051-04