液壓電梯液壓回路控制研究

楊娜 石瑾 呂海濤 尼瑪扎西

(西藏自治區特種設備檢測所,西藏拉薩 850000)

1 引言

理論上來講,要想對液壓電梯液壓回路實現控制,只有三種方法[1]：容積調速、節流調速和復合調速。容積調速是通過調節液壓泵的輸出值來實現對流量的控制,進而達到給定值;節流調速是通過調節系統中的閥開口的大小來實現對流量的控制;復合調速是結合容積調速和節流調速來實現控制流量的大小。根據液壓系統對流量實現控制的方式,將液壓電梯液壓回路分為三種類型：容積調速、節流調速和復合調速。

2 容積調速

2.1 開環控制

容積調速[2]系統最早是開環控制,通過采用變量泵來實現流量的輸出。該方式能夠使得系統內流量大體按照電梯速度曲線的變化而有規律的變化,節能效果較好。同時該系統能滿足一般性能要求的電梯指標,具有很好的應用前景。開環控制下,電梯在下行過程中的加速段和減速段是不可控制的,導致液壓電梯的梯速不會很高;其只能實現在電梯上行過程中的控制。

開環控制大多出現在年代較早的控制系統中,由于年代和當時電子元器件加工制造技術水平的限制,導致只能出現開環控制;這種低性能指標的電梯之所以被市場所接受,很大一部分原因是因為當時曳引電梯的本身的性能指標不高。目前,開環控制可能適用于低速貨梯,其它類型電梯是不適用的。

開環控制有其獨有的優點：首先是這種控制方式能使得系統的能耗很低;其次是采用這種控制方式的電梯的性能要比交流雙速電梯高,特別是在電梯上行過程中,其運行性能是顯著優于交流雙速電梯的。

2.2 閉環控制

隨著經濟的快速發展,以及電梯性能指標的提升,開環控制已經不能滿足市場的需求;而此時的集成電路技術發展迅猛,已經能制造各種新型元器件,閉環控制系統開始面向市場。在此系統中,電液比例變量泵取代了普通變量泵。

閉環控制的原理[3]是通過主油路中的流量傳感器來檢測實際流量,同時與電路中已經設置好的最佳流量曲線相比較,從而對變量泵或者是調速電機進行控制。采用閉環控制后,使得液壓電梯在運行過程中的彭文性能良好,同時負載剛度大。由于采用閉環控制,電梯上行過程中所消耗的能量與液壓泵所輸出的能量大體相等,與節流調速相比較而言,其效率更高,由于能量耗損所造成的系統發熱現象很小。

不過,采用閉環控制只能降低電梯在上行過程中的能耗,在電梯下行過程中產生的壓力會使得油缸中的油液做功,從而引起液壓系統升溫,在此過程中由于做功而產生的熱量占到一個系統循環內發熱總量的80%以上。因而閉環控制也不能夠很好的解決下行過程中的發熱現象。

采用閉環控制系統的液壓電梯通常都有配套的電路,用來存儲最優化的速度曲線,同時根據傳感器所提供的反饋信號,利用各種控制方式,來調節比例泵的輸入,使得電梯處于最佳的運行狀態。此種系統可以很好的滿足電梯對于運行舒適性和平穩性的性能要求。

但是采用閉環控制的液壓電梯難以滿足其在上行啟動時,對液壓泵內流量快速變化的需求,而且軸向柱塞泵通常在高壓下使用,且其比例機構動態調節反應遲緩,使得此類系統的效率不是很高,嚴重的影響了其推廣應用。

3 節流調速

節流調速適用于定量泵和定量執行元件組成的液壓系統。其通過節流的方法,調節并聯的主油路和旁油路的相對液阻,使得一部分油從旁油路流回油箱,最終減少進入液壓缸的流量,從而液壓電梯梯速的有極調速或者無極調速。在上行過程中,液壓電梯一般采用旁路節流實現調速,在下行過程中,液壓電梯一般采用出口節流實現調速。

液壓電梯的節流調速控制只有這一種方法,但是液壓電梯的控制系統種類繁多,歸根結底是由于流量控制閥構造上的不同。

3.1 不帶負載壓力補償的流量控制閥[4]

這種類型的流量控制閥采用開環控制,通過開關電磁鐵來驅動。該閥通過控制和調節閥背腔壓力的先導液阻網絡,最終得到逼近的運行速度曲線。很明顯,該閥受溫度和負載的影響很大,致使流量精度難以保證,電梯運行平穩性較差。

3.2 帶負載壓力補償的流量控制閥[4]

這種類型的流量控制閥采用閉環控制,通過開關電磁鐵來驅動。該閥采用了基于流量-壓力反饋的負載補償原理,顯著的增強了抗負載性能,有效的提高了系統負載的剛性和動態性能。該閥也是通過控制和調節閥背腔壓力的先導液阻網絡,最終得到逼近的運行速度曲線,能夠大概的改變制動減速段和起動加速段曲線的斜率值。

4 復合調速

容積調速和節流調速各有千秋,有效的融合這兩種系統的特點,使得系統能耗進一步降低是科研工作者夜以繼日想解決的問題。在液壓電梯運行過程中,能耗大部分轉化為熱能,并引起液壓系統升溫,如果該液壓電梯在溫度較高的場所使用過于頻繁,則必須啟動電梯自帶的散熱裝置,否則油溫會升到警戒線附近,最終導致系統強制停機,來降低系統的溫度。在容積調速系統控制下,雖然能大幅降低電梯在上行過程中的能量耗損,但在下行過程中,大部分勢能在節流口被損耗,進而轉化為熱能,最終導致了系統溫升。

為了很好的解決上述問題,大規模的提高系統效率,復合調速(能量回收)系統應運而生[5]。其主要原理是在電梯下降過程中,將勢能通過液壓油路部分的轉化為電能。同時,這種系統可以采用容積調速或者節流調速來控制電梯上行速度。在電梯下行過程中,流出液壓缸的壓力油,通過節流閥及方向閥進入液壓泵,回到油箱,此時,液壓泵與電動機是聯動的,電動機發電。接到液壓電梯下行時的指令后,方向閥開始接通油路,比例流量閥慢慢打開,此時電梯在下行加速階段,油液經液壓泵返回油箱,此時液壓泵繼續空轉,絕大部分壓力作用在比例流量閥上,又由于該階段節流量小,時間短,因而發熱少。之后,比例流量閥慢慢增大開口,待流量增大到設定值,發電機會得到液壓泵的空轉信號,從而開始工作。由于液壓泵是帶載工作的,其壓力直接作用在液壓泵上,此時的比例流量閥已經將開口增至最大,故而節流損失非常小,絕大部分系統的能量通過液壓泵,帶動發電機工作,使之轉化為電能,而此時,比例流量閥對系統流量仍能實現小范圍的調控,發電機最終輸出的電能可以并入電網。

復合調速(能量回收)系統可以使得能量大幅度降低,但是,這種系統元件的制造工藝還不太成熟,其價格相對較高,但從長遠看,其具有很好的節能效果,所以這種系統的前景將會是光明的。

5 結語

綜上所述,容積調速控制方式可以最大限度的節約能源,正是因為這點原因,使得容積調速技術在液壓電梯中占據一席之地。各國目前都在積極研發容積調速系統。與節流調速技術相比,傳統的容積調速所使用的元器件體積大、價格高昂,目前還未實現工業化。此外,變量泵上使用的變排機構的時間常熟很大,使得容積調速系統的頻響低。

改變原發動機轉速的容積調速技術,是近幾年變頻調速技術在液壓電梯領域的重要應用。這種類型的容積調速理論上克服了傳統液壓泵調速方式的不足,能夠獲得良好的控制性能,并且節約資源。但因其成本過高,應用不是很多。目前液壓電梯中,廣泛采用的是節流調速控制系統。相信不久的將來,液壓電梯復合調速控制將成為液壓電梯節能的主流方向。

[1] 邱愛中,聶惠娟.矢量變頻液壓容積控制和節流調速的復合系統研究[J].液壓與氣動,2010,(08)：27-31.

[2] 邵憲琴,樓東.液壓電梯的發展概況和前景[J].建筑機械,1996,(09)：35-38.

[3] 周晨,楊華勇,徐兵,孫威.維納數字濾波技術在轎廂速度反饋閉環控制的液壓電梯中的應用[J].機床與液壓,2000,(05)：46-47+2.

[4] 黃澤森.液壓電梯液控技術研究[D].重慶大學,2005.

[5] 劉忠,霍沅明,張凱,鄒宇.基于壓力流量復合閥的電梯液壓系統[J].實驗室研究與探索,2015,34(10)：51-54.