毕业论文_液压电梯的液压系统设计

国家示范性高等职业院校

液压电梯液压及电控系统的设计与维护

学生姓名：覃裕楼

学号： [1**********]

指导教师：高茂涛

专业：机电一体化技术

年级： 2012

系院：机电工程系

摘要

液压电梯是现代社会中一种重要的垂直运输工具，由于其具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国内外中、低层建筑中的应用已相当普遍。液压电梯是集机、电、液一体化的产品，是由多个相互独立又相互协调配合的单元构成，对液压电梯的开发研究涉及机械、液压及自动控制等多个领域。

本文在对液压电梯的实际工作情况做了详细分析后，假定了一个电梯具体的工作条件（包括电梯的最大负载和运行速度等），选定电梯轿厢的支承方式为双缸直顶式、支承液压缸为三级同步液压缸，并设计了满足条件的电梯液压系统。然后根据电梯的工作条件和已设定参数，对各个液压元件进行了设计计算。然后根据电梯的运动情况设计出PLC控制方案，要求画出规范的梯形图，给出控制程序，并给出详细的控制程。再根据所设计的液压系统做出维护方案。序说明最后结合实际的情况和一些具体的产品，对液压元件的型号和尺寸的进行了确定。

在此基础上，本文对电梯液压系统进行了数学模型的建立，在建模过程中采用拓扑原理建立系统的数学模型，即先根据系统的总体结构建立液压系统的拓扑结构图，将系统分成若干个可以独立的子系统，然后再分别建立每个子系统的数学模型，最后再根据拓扑结构组合成整个大系统的数学模型。在建立了系统数学模型后，对液压系统进行了仿真分析，得到了系统的速度、压力和位移曲线，这就更直观的反应了系统的运行过程。

根据仿真结果分析，液压缸在运行过程中速度振动较大，本论文将PID控制算法加入到系统中，采用积分分离PID控制方法对本液压系统进行了仿真分析，结果显示加入PID控制方法后系统稳定性得到了提高，具有良好的工作性能。

关键词：液压电梯;双缸直顶式;三级同步液压缸;动态仿真;PID控制

Abstract

Hydraulic Elevator is an important vertical transport in a modern society .Because of it has the advantages of engine room setting flexible, requiring a lower level of the well’s structural strength, smooth operation, large load, and Low failure rate Etc, it is already applied very common in the low-rise buildings at home or abroad. Hydraulic Elevator is the products of integration mechanical, electrical, fluid, it is composed of number of independent each other and mutual cooperation modules, The research and development for hydraulic elevator related to mechanical, hydraulic and automatic control etc.

In this paper, after detailed analysis of the hydraulic elevator's actual work situation, we assumed the elevator’s specific working conditions (Including the elevator’s maximum load, running speed and so on), and determining the elevator’s supporting style was straight for the double top, using Synchronization of three-tier hydraulic cylinder, And

designed the hydraulic system of the elevator to meet the actual conditions. Then according to the working conditions of the elevator and the given parameters, we calculated the design of various hydraulic components. Finally, combination the actual situation and a number of specific products, the hydraulic components’ model and size were determined.

On this basis，this paper established a mathematical model for elevator hydraulic system, In the modeling process we used the principle of system topology to establish the mathematical model, first according the overall-structure of the system we establish the hydraulic system topology diagram, so the system is divided into several independent subsystems, and then set up the mathematical model of each subsystem, Finally, composition the mathematical model for the entire system under the topology. According to the mathematical model of the system，we conducted a simulation analysis of the hydraulic system , and we got the system’s speed, pressure and displacement curves, this reflects system’s operation more intuitive.

According to analysis of simulation results，the hydraulic cylinder's speed vibrated larger during operation. In this paper, PID control algorithm has been added to the system,

used Integral separation PID control method for the hydraulic system’s simulation and analysis. The results showed that after adding PID control method ，system stability has been improved, and reflected the good performance.

Keywords: Hydraulic Elevator; Double straight-top; three-tier synchronous hydraulic cylinder; Dynamic Simulation; PID control

第1章绪论 ......................................................................................................................... 1

1.1液压电梯的发展概况 ............................................................................................. 1

1.1.1 国外液压电梯的发展简况 ......................................................................... 1

1.1.2 国内液压电梯的发展简况 ......................................................................... 2

1.2 液压电梯工作原理概述 ........................................................................................ 2

1.3 液压电梯的技术特点 ............................................................................................ 4

1.3.1 液压电梯的性能要求 ................................................................................. 4

1.3.2 液压电梯的优点 ......................................................................................... 4

1.3.3 液压电梯的缺点 ......................................................................................... 5

1.4 本论文的选题意义及研究内容 ............................................................................ 5

1.4.1 本论文的选题意义 ..................................................................................... 5

1.4.2 本论文的研究内容 ..................................................................................... 6

第2章液压电梯的液压系统设计 ..................................................................................... 8

2.1设计背景及工况分析 ............................................................................................. 8

2.2 液压系统设计 ........................................................................................................ 9

2.3 液压缸的设计 ...................................................................................................... 10

2.3.1 同步伸缩液压缸的工作原理 ................................................................... 10

2.3.2 同步伸缩缸的参数计算 ........................................................................... 11

2.3.3 缸盖和活塞头设计 ................................................................................... 16

2.3.4 柱塞缸和各级活塞缸的长度计算 ........................................................... 19

2.3.5 液压缸的密封 ........................................................................................... 21

2.4 泵和电机的选择 .................................................................................................. 22

2.4.1 泵排量的计算 ........................................................................................... 22

2.4.2 电机的选择 ............................................................................................... 22

2.5 液压管路的设计 .................................................................................................. 23

2.5.1 管路内径的选择 ....................................................................................... 23

2.5.2 管道壁厚计算 ........................................................................................... 24

2.6 油箱设计 .............................................................................................................. 24

2.7 过滤器的设计 ...................................................................................................... 25

2.8 阀的选择 .............................................................................................................. 25

2.8.1 单向阀的选择 ........................................................................................... 25

2.8.2 电磁溢流阀 ............................................................................................... 25

2.8.3 节流阀 ....................................................................................................... 25

2.9 本章小结 .............................................................................................................. 26

5.5 本章小结 .............................................................................. 错误！未定义书签。

结论与展望 ......................................................................................................................... 27 致谢 ................................................................................................. 错误！未定义书签。

参考文献 ............................................................................................................................. 29

第1章绪论

1.1液压电梯的发展概况

电梯的广泛使用早已成为工业化社会的标志之一，目前在发达国家里，电梯早已经进入了人们的日常生活。在商场、办公楼、停车场等公共场所，以及公寓楼、私人住宅中电梯已经成为人们必不可少的交通工具[7]。

液压电梯是由液压传动的电梯，通过液压动力源(液压泵)把液压油压入液压缸，使柱塞向上运动，直接或间接地作用在轿厢上，使轿厢上升。轿厢的下降一般靠自重使液压缸内的油液返回油箱中。液压电梯是多层建筑中安全、舒适的垂直运输工具，也是厂房、仓库中最廉价的重型垂直运输设备。近年来，液压电梯以其独特的优势，显示出强大的生命力[8]。

1.1.1 国外液压电梯的发展简况

世界上第一台液压电梯起源于19世纪，于1845年由威廉.汤姆森制造。随后在1876年巴黎万国博览会上展出了水压间接式的液压电梯，它利用公用水管极高的水压推动液压缸的柱塞顶升轿厢，下降时靠泄流[1]。但由于水压波动及生锈问题难以解决，不久就出现了油压直接式的液压电梯。由于当时公共液压站在造价和传递方面比蒸汽动力有明显的优越性，而且蒸汽动力电梯采用强制驱动方式，其卷筒的宽度限制了电梯行程的根数，所以从1870年到19世纪末逐步得到发展。但是早期的液压电梯功能较简单，主要用于运送货物。

液压电梯的大规模使用比曳引式电梯晚，第二次世界大战后期，高压油传动在武器制造业的应用，使得液压传动和液压控制技术得以发展。虽然19世纪中叶伦敦金融城区内的办公楼就开始使用液压电梯，但真正大规模推广使用是从50年代末开始，60年代进入持续稳定增长期，70年代液压电梯进入迅猛发展阶段，80年代液压技术更加成熟，其市场占有率逐步增加。近年来，国际市场上10层(高40M)以下的建筑中的电梯70%采用了液压电梯[3]。

近年来，由于曳引电梯技术的进步，对液压电梯市场产生了强有力的冲击，尤其是无机房曳引电梯的面世【芬兰通力公司(KONE)的MONOSAPCETM和瑞士迅达公司(SCHINDELRMOBIELTM)、LMC公司的GENESIS方案、VESTNER公司的自支撑电梯方案、HRIO公司的无机房方案等】，使得液压电梯在机房设置方面的优势不复存在[5]。但这[2]

并不意味着液压电梯将被淘汰，高性价比使其还会继续发展，在重载场合，它仍具有广阔的市场。

1.1.2 国内液压电梯的发展简况

我国液压电梯的研制开发工作始于1977年，在当时的第一机械部起重机械研究所主持下，试制了两台采用通用液压元件的液压电梯，但由于经验不足，一些技术指标未能达到预期的性能要求[9]。1984年浙江大学流体与控制研究所与天津电梯研究所合作，成功研制出两台采用流量反馈电液比例控制的液压电梯，性能指标均达到了设计要求，并于1985年通过了浙江省鉴定。近年来，我国液压电梯的研究、开发和使用发展很快，国产液压电梯新产品不断涌现，相继投放市场。目前，许多电梯厂家都已能生产各种液压电梯，并正努力提高液压电梯的国产化水平，产品性能和产品质量都得到了进一步的提高[6]。

液压电梯不仅具有运行平稳、舒适性好、故障率低、安装灵活等特点，而且能达到整体协调、豪华和重载的要求，因此，液压电梯首先可以用做商场、宾馆、高级饭店、体育场、娱乐场等豪华建筑和古典建筑中的观光电梯与重载电梯。随着人们居住条件的不断改善，在一些旧房改建中需增设电梯的场合，不需顶层机房的液压电梯将具有很大优势，特别是一些需要保证外观及内在建筑风格的古典建筑中安装电梯，液压电梯更是由于安装方便、性能良好及较低的故障率成为用户的最佳的通常也是唯一的选择。另外是一些特殊使用场合，如车用电梯、船用平台等，由于液压电梯具有功率重量比大、安装灵活等特点，将会使液压电梯垄断这一领域[10]。对于办公楼、图书馆、医院、实验楼、地下工程等建筑中使用的电梯，这类电梯虽然己有少量定货，但还有待于进一步开发。这些液压电梯市场的启动，将推动液压电梯生产规模的进一步扩大，成本进一步降低。促使更多的资金投入研究，从而提高其性能，形成一种良性循环。

1.2 液压电梯工作原理概述

液压电梯作为除电动电梯之外的另外一个电梯种类，其工作原理和曳引电梯有很大的不同。液压电梯是通过电力驱动的泵传递液压油到油缸，柱塞(或者活塞)通过直接或间接的方式作用于轿厢，实现轿厢上行:通过载荷和轿厢重力的作用使油缸中的液压油流回到油箱，实现轿厢下行[13]。

液压电梯的液压传动系统包括以下几个主要部件:

(a)、液压泵站，即电机、油泵、油箱。油泵是将电动机输入的机械能转化为流动油液的压力能。油箱包括控温元件、滤油器、消音器及油管等辅件，以保证液压系统可靠、稳定、持久的工作;

(b)、控制阀，它是由多种阀组合而成的控制阀块，控制液压油的流向、速度及加减速度，从而使轿厢达到良好的运行性能;

(c)、油缸，动力执行元件，将油液的压力能转换为与其直接联接的轿厢运动机械能。

(d)、牵引装置，液压缸的运动，通过牵引装置来牵引电梯轿厢的运动。

轿厢的运动是由电力驱动的泵使具有压力的液压油通过控制阀和管路从油箱流入液压缸，或从液压缸流回油箱来实现的。控制阀及油泵电机靠机房内的控制柜来控制。

液压电梯的控制系统是一个速度控制系统。其工作过程是这样的:当液压电梯上行时，电机带动油泵迫使一部分油液进入油缸，推动柱塞以一定的加速度伸出油缸;接着油泵输出的油液全部进入油缸，轿厢以额定速度运行;当轿厢接近所选层站时，液压电梯捕捉到井道中的减速信号，通过控制系统进入油缸的油液减少，使轿厢以平层速度运行，通常在0.05-0.lm/s之间。当轿厢与所选层站水平时，电梯又捕捉到井道中的停止信号，控制系统关闭所有的上行阀，随后油泵电机停止工作，电梯停在所选层站，同时液压控制系统中的单向阀阻止油液流回油箱，轿厢保持静止。为了使轿厢下行，电器操纵的下行阀打开，靠轿厢重力及载荷使油液通过控制阀以一定的流量流回油箱，柱塞缩回到油缸中，从而实现轿厢下行，其加减速度与上行时基本相同[22]。

液压电梯与电动电梯相比，由于技术实现上完全不同，因此具有其本身的一些特点：液压系统功率重量比大，而且传送距离长，因此机房面积小且设置灵活；一般不带配重，因此减小了井道尺寸;载重可通过油缸直接作用在地基上，因此载重量大，而且井道不受力，降低了建筑费用。上述特点使得液压电梯适合于中低层建筑(1t)、旧屋改造等场合，如仓库、停车场、机场等等，或者在古典建筑、旧房中增设电梯。因此，尽管液压电梯存在着提升高度低、速度低等局限性而受到曳引电梯的巨大挑战，但上述优势使得液压电梯依然在市场中占有可观的份额，而且技术的进步使其依然具有很好的发展前景。

1.3 液压电梯的技术特点

1.3.1 液压电梯的性能要求

电梯工业经过多年的发展，在电梯制造与安装安全规范、电梯技术条件、电梯试验方法、电梯钢丝绳、电梯轿厢、井道、轿厢等各方面都已形成各种严格的技术要求和安装规范，己形成统一的国家标准[11]。液压电梯除了要满足这些要求外，在电梯性能方面，也需要满足以下几项指标：

1）、安全可靠性、稳定性

液压电梯作为一种载人的交通工具，安全性要求十分重要，电梯要求故障率小，应急设施齐全，在任何正常工况(负载变化、油温变化、电网扰动)下，均能按要求的运行曲线反复保持可靠地运行，不得有漏油现象。

2）、经济性

液压电梯结构简单，装拆方便，维护费用低廉，是其保持强有力的市场竞争的根本。

3）、舒适性

特别对于乘客液压电梯，其舒适性的好坏至关重要。人们常常将上浮感、下沉感、不稳定感等统称为不舒适感，产生这种不舒适感的主要原因是人对垂直运动往往比较敏感，尤其是在电梯的加速或者减速段。

1.3.2 液压电梯的优点

液压电梯与其它驱动方式(如曳引电梯)的垂直运输工具相比，具有以下优点[12]:

1）、机房设置灵活。液压电梯靠油管传递动力，因此，机房位置可设置在离井道周围20m的范围内，且机房面积仅4-5m，，再也不需要用传统方式将机房设置在井道上部，可使建筑结构简化。

2）、井道结构强度要求较低。因液压电梯轿厢自重及载重等垂直负荷均通过液压缸全部作用于地基上，对井道墙及顶部的建筑性能要求低。

3）、井道利用率高。一般液压电梯不设置对重装置，故可提高井道面积的利用率。相同规格的液压电梯要比曳引电梯的井道面积少12%。

4）、结构紧凑。在相同主参数情况下，液压传动系统比曳引驱动系统的体积小、重量轻。

1.3.3 液压电梯的缺点

由于输入功率、控制及结构等条件的限制，一般液压电梯的升程有限(40m)，速度不高(lm/s以下)。

需要输入的功率大。因为液压电梯不设配重，在额定载重量、额定速度及提升高度相同的情况下，液压电梯所需要的电机功率是曳引电梯的2.5-3倍，因为液压电梯配套的动力电路容量比曳引电梯大。尽管液压电梯电机只在上行时工作，但其能量消耗至少为同等曳引电梯的2倍左右。

温度及载荷变化对液压电梯的起制动、加减速有一定的影响。液压电梯的动态速度模型随着环境的变化会有所变化，增加了控制难度。

由于温度的变化和泄漏等因素的影响，当轿厢较长时间停在某层站时会下沉，因此必须采取措施防止轿厢下沉[12]。

1.4 本论文的选题意义及研究内容

1.4.1 本论文的选题意义

由于液压电梯具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国外中、低层建筑中的应用已相当普遍。由于我国对液压电梯的研制、开发起步较晚, 虽已有一些单位开展研究、生产, 但国产化程度不高, 主要依靠进口。随着今后人民生活水平的日益提高, 多层建筑也将安装电梯, 而液压电梯则是最适宜的机种。另外, 旧房改造对液压电梯也将会有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用场合, 如汽车梯、船用平台等, 由于液压电梯具有功率重量比大、设置安装灵活的优点, 尤其适用。对于这些大载重量电梯, 宜采用对称布置的双缸直顶支承方式, 可使轿厢处于相当平稳的运行状态。目前国内对此类液压电梯的研制还比较少，而且研究水平还处在一个较低的水平。

为适应国内这种形势，最重要的是利用现有技术力量，投入必要的资金，开展液压电梯的研发，选择适用的控制策略，采用先进的计算机处理方法来对液压系统进行控制。为彻底解决国产化问题，并将液压电梯迅速推向市场，必须优化液压系统设计，设计合理的控制系统，使得电梯的运行性能达到国际水平的前提下，大幅度降低造价，以促进液压电梯在国内大规模的广泛使用。

本论文在对液压电梯的具体工作情况做了详细分析后，设计了一个较优化的电梯

液压系统，然后根据轿厢的载重和计划运行速度，对各个液压元件进行了设计计算，最后结合实际情况对液压系统进行了建模和仿真，得出系统运行的曲线。这样更直观的模拟出了电梯在运行过程中的速度、压力和位移的曲线的变化。针对电梯在启动和平稳运行过程中速度的振动较大的情况，本文中在液压系统中加入了PID控制算法，从而有效降低了系统的误差，减少了电梯运行的速度振动，增强了电梯运行的平稳性和舒适性。

1.4.2 本论文的研究内容

1）、电梯液压系统的设计

在以前的液压电梯系统中，很多都采用单缸支承，由于重载液压电梯的轿厢尺寸一般较大, 综合结构刚度较差，这种支承方式偏载较大时会严重影响电梯的运行平衡性, 加剧导轨的磨损。本论文中采用双缸支承电梯轿厢如图1-1，这种方式在电梯运行时，两个液压缸同时对轿厢提供牵引力，这样不仅节约了在电梯运行时液压缸的行程，降低了液压缸的制造成本和安装空间，而且保证了电梯运行过程中的平稳性和安全性。

1-为电梯轿厢 2-为支承液压缸

图1-1 液压电梯结构简图

2）、电梯液压系统的建模

在完成液压系统的设计和相关计算后，需要确立系统合适的控制策略，那么首先要建立系统的数学模型。由于液压电梯液压系统具有长行程、变负载、变液容以及由于油温变化引起变泄漏的特点，直接由其机理推导出数学模型相当复杂。本论文中采

用拓扑原理建立系统的数学模型，即先根据系统的总体结构建立液压系统的拓扑结构图，将系统分成若干个可以独立的子系统，然后再分别建立每个子系统的数学模型，最后再根据拓扑结构组合成整个大系统的数学模型。这种建模方法不仅降低了建模的复杂程度，节省了建模的时间，而且这种模型在出现问题时更利于改进。

3）、电梯液压系统的仿真

建立起电梯液压系统的数学模型后，就需要对根据数学模型来建立系统的仿真模型。本文中采用MATLAB中的Simulink来对系统进行仿真，并且把整个系统分为三个子系统：液压泵、单向阀和调速阀组成供子油系统；液压桥和液控单向阀组成调整子系统；三级同步液压缸构成运行系统，下面对三个子系统分别建立仿真模型，然后再组成系统的总体仿真模型，进行仿真，这样具有很强的可观性和内部可移植性，给程序调试和设计带来很大方便。在对系统仿真过程中，对系统输入了阶跃的流量信号和一个调速信号，系统输出为液压缸的速度、压力和位移曲线。

4）、电梯液压系统的PID控制

在对电梯液压系统进行了仿真后，得到了液压缸运行的速度、压力和位移曲线，分析各级缸筒的曲线，可以看出液压缸的缸筒的各级速度曲线总体运行都符合设计要求，但是缸筒速度的振动较大，这使得电梯不能稳定的运行。综合考虑，对电梯液压系统加入了PID控制器，以减少液压缸速度运行的误差。在加入了PID控制器后，液压缸缸筒在启动过程中的调整时间减少，速度变得平稳，增加了电梯运行的平稳性和舒适性。

第2章液压电梯的液压系统设计

2.1设计背景及工况分析

随着人们生活水平的不断提高，电梯已经广泛运用于人们日常生活中，而液压电梯则是电梯中的一个重要梯种，液压电梯具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国外中、低层建筑中的应用已相当普遍, 我国对液压电梯的研制、开发起步较晚, 虽已有一些单位开展研究、生产, 但国产化程度不高, 主要依靠进口。随着今后人民生活水平的日益提高, 多层建筑也将安装电梯, 而液压电梯则是最适宜的机种。另外, 旧房改造对液压电梯也将会有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用场合, 如汽车梯、船用平台等, 由于液压电梯具有功率重量比大、设置安装灵活的优点, 尤其适用。对于这些大载重量电梯, 宜采用对称布置的双缸直顶支承方式, 可使轿厢处于相当平稳的运行状态[16]。

根据实际情况和参照相关电梯承载的参数，我设定液压电梯的总负载（包括电梯本身自重）为6000Kg，电梯行程为9m，运行平稳速度为0.5m/s，轿厢门关闭T2（S）电梯开始工作，由于重载液压电梯的轿厢尺寸一般较大, 综合结构刚度较差, 若采用单缸承重, 偏载较大时会严重影响电梯的运行平衡性, 加剧导轨的磨损, 因此宜采用双缸支承[23]。双缸液压电梯的结构简图如图2-1所示。电梯为四层四站, 每层高3米, 采用直顶支承方式, 两柱塞缸左右对称布置, 分别立于相应导轨一侧。

1-为电梯轿厢 2-为支承液压缸

图2-1 液压电梯结构简图

2.2 液压系统设计

液压电梯中用得最多的液压系统是节流调速系统。本液压系统也采用节流调速系统, 上行时为旁路节流调速, 下行时为回油节流调速[25], 液压系统原理见图2-2。

1. 泵 2. 电机 3. 单向阀 4. 电磁溢流阀 5. 比例流量阀 6. 手动节流阀 7, 8. 比例节流阀 9, 10. 液压轿 11, 12. 电控单向阀 13, 14. 油缸

15. 手动下降阀 16. 回油滤油器 17. 进油滤油器 18. 高压滤油器 19. 压力表开关 20. 压力表 21. 油箱图2-2 液压电梯液压系统原理图

电梯上行需由泵源驱动。电机启动时,电磁溢流阀4 失电,泵卸荷,比例流量阀5的开度为最大,而后电磁溢流阀通电,此时调节比例流量阀的开度即可实现电梯的旁路调速。系统的安全工作压力为溢流阀的调定压力。

电梯下行是靠轿厢及载荷的自重作用实现的。当有下行召唤信号出现时,打开电控单向阀11、12,调节比例流量阀就能实现电梯的回油节流调速。

双缸的同步运动通过调节两比例节流阀7、8 来实现,由于比例节流阀只能沿一个方向通流,需加液压桥路9、10, 使得电梯上、下运行时这两个比例阀都能正常工作。

电控单向阀由普通液控单向阀改装而成,电磁阀失电时像普通单向阀一样正向通流, 反向截流;而当电磁阀得电后,可以实现反向通流。由于电控单向阀不采用间隙密封, 不会发生泄漏, 因此可有效解决液压电梯的自动沉降难题。手动节流阀6在电梯试验运行时用来调整双缸液压管路的沿程压力损失。手动下降阀15又叫应急阀,当电网突然断电或液压系统因故障无法运行时,操纵手动下降阀就可使电梯以安全低速(0.1m/s)下降[26]。

2.3 液压缸的设计

在机械制造行业中，液压传动已成为必不可少的一门技术而普遍地应用于各种机械、机床和设备中，发挥着独特地、极为重要地作用。液压缸是液压系统中最重要的执行元件，它将液压能转换为机械能，实现直线往复运动。液压缸结构简单，配置灵活，使用维修方便，所以比液压马达，摆动液压马达应用更为广泛。液压缸能与各种传动机构相配合，完成复杂的机械运动，从而进一步扩大了它的运用范围。作为执行元件，液压缸是液压系统的最后一个环节，液压缸性能的优劣直接影响机械系统的工作性能。所以液压缸必须根据不同的机械系统和具体工况来设计，以达到设计效果。因此，做好液压缸设计必须首先对各种形式的液压缸的特点有充分的了解，做好选型工作，然后再根据具体情况来进行设计计算。

2.3.1 同步伸缩液压缸的工作原理

液压缸是这个液压系统中的重要执行元件，由于液压电梯的重载和稳定运行的特性，则需要根据具体情况来设计液压缸。液压电梯的液压缸需要安装空间不大但伸缩长度较长，所以选择伸缩液压缸。由于载人液压电梯的速度不能有突变，其速度曲线必须是平滑连续的，所以需要伸缩液压缸的各级是同步伸出的，如果逐级伸出，那么会导致轿厢速度突变，并产生较大的振动。因此在液压电梯的液压系统中，不能使用普通多级伸缩液压缸，需要使用各级柱塞同时运动同时停止的多级同步液压缸[4]。与普通多级伸缩缸的最大不同之处在于同步伸缩缸的各级柱塞杆的出杆速度是相等的。

同步伸缩缸的结构简图如图2-3，从各级缸筒结构设计上保证：第三级活塞背腔环形作用面积A3环与第二级活塞的前腔作用面积A2足够近似相等即A3环A2；并且沟通容腔Vol3环和Vol2，即可实现同步运行[14]。当三级活塞位移变化x3时，容腔Vol3环被压缩了A3环x3，排出油液进入容腔Vol2，使二级活塞现对三级活塞产生位移

/A2，即：

x2x3/A2/A3环x3可得： x22x3

进一步微分可得：v22v3 再微分可得：a22a3 同理可得到：

x13x3 v1v3 a13a3 从以上分析可知：结构上的近似相等的设计和被忽略的因素存在，多级同步伸缩缸不可能完全同步，一定存在同步误差。右图中，缸筒2和缸筒3底部活塞上来补油，用来消除因结构设计和被忽略因素影响而产生的同步误差，在正常工

作时，由于第二级的压力明显高于第三级压力，此单向阀处于关闭状态。单向阀的开启压力P0应设计成低于第三级活塞密封件的总静摩擦力折算的当量压力Pfd。这样系统压力大于P0而小于Pfd时，就开始补油。

2.3.2 同步伸缩缸的参数计算

在大多数电梯生产企业，他们的液压电梯中的多级同步伸缩液压缸大多形成型谱表，型谱表中规定了不同系列的三级同步伸缩液压缸的各级活塞杆的外径尺寸，有些还各级有缸头尺寸，对本系统中同步液压缸的设计有重要的参考价值。在设计三级同步伸缩缸时，首先根据同步原理计算相关参数，然后根据实际情况参考相关产品的型谱图来选择具体的参数[15]。

v1A1v2A2环

根据同步原理可得下面方程组： （2-1）

vAvA2233环

方程组2-1中都是相对速度而不是绝对速度，就是说v1是柱塞杆Ⅰ相对于柱塞Ⅱ的现对速度，v2是柱塞杆Ⅱ相对于柱塞杆Ⅲ的相对速度，v

3是柱塞杆Ⅲ相对于缸筒Ⅳ

的相对速度

[14]

。简图如图2-4，根据方程组2-1可推得如下方程：

222

vdv(Dd11222)44

vD2v(D2d2) （2-2）

2233344

化简为：

v1D2d2

v2

d12

22vDd2d1v2

由于各级的相对速度想等，即

（2-3）

v1v2v3，所以得如下方程组：

D2

 D3

（2-4）

即等于：

D2

D3

（2-5）

图2-4 液压缸缸筒简图

获得以上公式后，可以根据电梯工作情况的要求，按照上面的公式来计算同步液压缸的具体尺寸，但是实际设计中由于密封件和钢管材料规格的限制，di和Di不可能取得计算数值，而制作符合计算数值精度的密封件具有一定难度且价格过高，所以只能根据现有密封件和缸筒材料，在满足电梯液压系统运行条件的情况下，选择接近计算数值的尺寸。经过反复计算和查阅各种密封件规格资料，并结合实际情况参考同类产品规格，确定如下表2-1所示的三级同步伸缩液压缸的型谱计算表[20]。表2-1中，

计算值是指按照2-4方程组计算所得数值，实际值是参照计算值对照密封件和钢管材料所取得实际各级缸筒的内径和外径，速度比反映了同步误差大小。

表2-1 液压缸设计计算型谱表

实际设计的三级同步伸缩液压缸时，综合考虑实际情况并参考三菱电梯的相关参数，取如下参数为同步伸缩缸的实际尺寸。

表2-2 选定参数

所以可以综合列出液压缸设计的综合参数如下表：

表2-3 基本参数表

要使三级活塞上下运动的速度基本相同，行程也相同，这要求第三级活塞环形面积等于第二级活塞下腔面积，以此类推，根据这个原理来计算液压缸的相关尺寸。

D2

根据前面得到的方程组（2-4）可知：D3

由基本参数可知：

d185mm d2125mm d3170mm

D2150mm D2230mm

解方程组得：

令

D1105mm d4260mm

得到壁厚：

1(d2D1)10mm

2(d3D2)10mm

2 1

3(d4D3)15mm

检验v1,v2,v3之比：

将以上数据带入方程组（2-2）得：

D2d2

v1.v20.952v2

2d1

D32d32

v1.v30.952v3

2D2

v10.9521.067v31.01625v3

v1:v2:v34.065:4.27:41.01625:1.0675:1

从以上计算可得各级参数值如下：

d185mm,D1105mm,110mmd2125mm,D2150mm,210mmd3170mm,D3230mm,315mm d4260mm

知道了缸筒的内径、外径，材料选用20#无缝钢管，可以计算各级缸筒的质量，由于活塞的质量对三级同步伸缩缸的影响是很小的，可以将缸筒作为一根长的圆筒质量来计算，缸筒长度可取行程长度。质量计算比较常见，所以省略计算过程，计算结果如下：

M1V172.29kgM2V2126.21kg M3V3138.44kg

2.3.3 缸盖和活塞头设计

1.缸盖Ⅰ （1）压力计算

最大静压力： P1max工作压力：

P1N1.11.1P1max1.11.15.316.43MPa （2）螺钉连接设计

(QM1)g(300072.29)9.8

5.31MPa

3.14A1

0.08524

6个内六角圆柱头螺钉，规格：M16，p2，GB/T7085M16L 螺钉轴线分布圆

螺钉间距：t04.5d4.51672mm 螺钉轴线分布圆直径：D0

672

137mm 3.14

考虑到与压圈连接，取：D0160mm （3）活塞头外圆直径

DD02d160216192mm,取196mm（深孔处壁厚=5）（4）缸盖厚度计算

hmin

79.38mm

取缸盖厚度为：hmin81mm 2.活塞头Ⅱ (1)压力计算最大静压力：

P2maxA2P1maxA1P1maxA2环G2 所以

P2max

P1maxA1P1maxA2环G2

3

6

5.31(5.675.4)10126.219.810

1.77102

3.93MPa

A2A2环

3.14

0.1521.77102

443.142D2-d）=(0.1520.1252)5.4103m2 22

2D2



工作压力：

P2N1.11.1P2max1.11.13.934.76MPa （2）螺钉连接

8个内六角圆柱螺钉，规格：GB/T7085M12L 螺纹轴线分布圆

螺钉间距：t04.5d4.51254mm

螺钉轴线分布圆直径：D017018188mm取190mm （3）活塞头外圆直径：

D190212214mm

（4）缸盖厚度

同活塞头Ⅰ一样取81mm，因为本级缸筒压力小于第Ⅰ级 3.活塞头Ⅲ （1）压力计算

最大静压力：

P3maxA3P2maxA2P2maxA1maxA3环P2环G3 所以

P2max

P2maxA2P2maxA3环P1maxA2环G3

2

6

3

3.93(1.771.884)10138.449.8105.315.410

4.153102

2.69MPa

工作压力：

P3N1.11.1P3max1.11.12.693.25MPa （2）螺钉连接

10个内六角螺钉，规格：GB/T7085M12L 螺钉轴线分布圆：螺钉间距：t054mm 螺钉轴线分布圆直径： D0

1054

172mm,取D021418232mm取240mm 3.14

（3）活塞头外圆直径

DD021224024264,取300mm （4）缸盖厚度

同活塞头Ⅰ一样取81mm，因为本级缸筒压力小于第Ⅰ级 4.结论

根据以上的计算，同时考虑压圈、卡环的尺寸的相互关系，取得如下尺寸:

第一级:缸盖外径:196，连接螺钉节圆直径:80 第二级:缸盖外径:228，连接螺钉节圆直径:100 第二级:缸盖外径:322，连接螺钉节圆直径:294

2.3.4 柱塞缸和各级活塞缸的长度计算

根据液压缸的相关尺寸和具体情况，参照三菱电梯的相关尺寸，有效尺寸大于或等于8100mm，全部缩回小于或等于3970mm

LH8.1m

HLHR81006408740mmL1:L2:L3V1:V2:V31.01625:1.0675:1(1.016251.06751)x8740解得：

x2834mmL12880mmL23026mmL32834mm

取总高为3940mm，则各级杆长如下：缸筒长度：3065mm 活塞杆Ⅱ：3242mm 活塞杆Ⅰ：3386mm 柱塞杆：3590mm

柱塞杆如图2-5，长度:2077mm，直径

:85mm

图2-5 第一级柱塞杆

第二级活塞杆如图2-6，整体长度:1907mm 缸盖和压圈直径:196mm，缸盖加压圈厚度:84mm 活塞头Ⅱ直径:148mm

活塞杆Ⅱ长度:1757mm，活塞杆I直径:125mm

图2-6 第二级活塞杆

第三级活塞杆如图2-7:整体长度:1664mm 缸盖和压圈直径:228mm，缸盖加压圈厚度:90mm 活塞头Ⅲ直径

:225mm

图2-7 第三级活塞杆

活塞杆Ⅲ长度:1497mm，活塞杆Ⅲ直径:170mm 第四级活塞杆如图2-8，整体长度:1653mm 缸盖和压圈直径:322mm，缸盖加压圈厚度:102mm 缸底和压圈IV直径:322mm，缸底压圈厚度

:136mm

图2-8 第四级活塞杆

活塞杆IV长度:1487mm，活塞杆IV直径:260mm 整体外形尺寸如图2-9: 高度(不包括越程):4457mm 高度(包括越程):4757mm

图2-9 液压缸整体外形尺寸

2.3.5 液压缸的密封

液压缸依靠密封油液容积的变化传递动力和速度，液压油在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间隙、粘度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔向低压腔或外界流出，造成泄漏。密封元件可以防止液压缸的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。密封装置的优劣将直接影响液压缸的工作性能。密封不好的液压缸，不仅会污染环境、降低容积效率、增加功率损失，有时还会影响液压缸的正常工作。

液压缸密封件选用取决于压力、速度、温度和工作介质等因素。密封件的合理选用对液压缸有很重要的意义。密封效果决定了液压缸的容积效率;密封摩擦力的大小，决定了液压缸的机械效率;密封材料的耐热性能，影响液压缸的工作温度;液压缸的工作速度，也受密封件的限制;密封件的材料和系统采用的工作介质要有相容性;动密封件的摩擦阻力要小，即摩擦系数要小而稳定，特别是静、动摩擦系数差值要小。密封件的耐磨性要好，磨损后应有一定程度的自动补偿，制造简单、装拆方便、成本低廉。

对于活塞的密封，活塞的密封选用K03组合式孔用密封圈，它是由一个密封环、两个挡环和两个导向环组成的五件套组合式密封[17]。其最高工作压力为4OMPa，温度

C，运动速度0.5m/s。 -30-100°

对于活塞杆的密封，活塞杆与端盖处的密封采用MA39双唇轴用Y形圈，该Y形圈带小于45°切角，且双唇是非对称的，用于活塞杆的密封，其中一个密封唇用于支持活塞杆向上的密封作用并在其向下运动时除去保留在接触空气一侧的灰尘污物。材料为

C，运动速度小于0.5m/s。聚氨酷AU92，最高工作压力可达40MPa，温度-40-1O0°

2.4 泵和电机的选择

2.4.1 泵排量的计算

排量为液压泵主轴旋转一周所排出的液体体积，已知轿厢的速度为0.5m/s，则直顶液压缸速度为0.375m/s，又因为v1v2v3（其中v1、v2、v3为各级活塞杆的相对速度），那么可以知道v1v2v30.125m/s。综合考虑液压缸的结构，第三级液压缸的流量为有效负载流量：

Q3v3A30.12524.153102623l/min

采用液压泵的转速为1500r/min，采用液压泵的型号为GR608M-600。

2.4.2 电机的选择

在设计液压缸的活塞头时，我们已计算过各级液压缸的工作压力，那么可以计算出各级液压缸运动所需的理论功率[18]。

由负载端计算：WF.v30009.80.7522.05kw

63

第一级活塞：W1PQP.v.A5.31100.755.671022.58kw 1111a162第二级活塞：W2P34.78kw 2Q23.93100.51.771062第三级活塞：W2P28.66kw 3Q32.76100.254.15310

所以可以知道驱动液压泵需要选用40kw的电动机。

通过以上计算液压泵站需要使用40kw电动机，GR608M - 600液压泵，500l流量集成阀。

2.5 液压管路的设计

管路在液压系统中主要用来把各种元件及装置连接起来传输能量，为保证系统工作可靠，管路及管接头应有足够的强度，良好的密封性，压力损失要小，拆装方便。

管路按材料不同可分为无缝钢管、耐油橡胶软管、纯铜管、尼龙管等几种。本课题属于高压系统，应选用强度好、耐高压、变形小、抗腐蚀性的无缝钢管。

2.5.1 管路内径的选择

管路内径应与要求的通流相适应，管径太小则流速将增高，这不仅使压力损失降低，而且可能产生振动和噪声；管径过大，则难于弯曲和安装，而且将使系统结构庞大，所以必须合理选择管径。导管内径d，可根据导管通过的最大流量和允许的流速进行计算：

d

查取资料可选取：

压力管流速：当压力P2.5MPa时，取v3m/s，当P2.510MPa时，取

v3

5m/s；当P10MPa时，取v5

7m/s

回油管路流速：v25m/s 吸油管路流速：v0.53m/s 则依次可以计算各个管路的内径：泵出油口的管路内径：

q623L/min10.38l/s

取v4m/s(因为压力在2.510MPa范围内

)

d15.75102m

回油口的管路内径：

q623L/min10.38l/s

取 v2.5m/s

d27.27102m

吸油口的管路内径：

q623L/min10.38l/s

取 v

2m/s

d38.13102m

2.5.2 管道壁厚计算

计算管道壁厚的方程式为：



--管道壁厚

p--工作压力

2[]

d--管道内径

[]--油管材料许用应力.[]b/n，无缝钢管的b450MPa，n为安全系数，

当P7MPa时n=8，可知：[]b/n

泵出油口管道壁厚：

450MPa

56.25MPa 8

3.25MPa5.75102

11.66mm 取12mm

256.25MPa

回油口的管道壁厚： 20.4mm 取21mm 吸油口的管道壁厚： 30.5mm 取31mm

2.6 油箱设计

油箱在液压系统中主要功用是储存液压系统所需的足够油液，散发油液中的热量，分离油液中气体及沉淀污物，为系统提供元件的安装位置，使液压系统结构紧凑。

油箱的容积是油箱设计时需要确定的主要参数。油箱体积大时散热效果好，但用油多，成本高;油箱体积小时，占用空间少，成本降低，但散热条件不足。在实际设计时，可用经验公式确定油箱的容积[19]。

油箱容积经验公式：

Vq

V—油箱的容积(L);

q—液压泵的总额定流量(L/min);

—经验系数;对低压系统24min;对中压系统57min;对中高压或高压大功率系统612min。

本系统中取4min，其中q623l/min,那么

Vq46232492L

取V2500L

2.7 过滤器的设计

该液压系统在回油路上设置过滤器，在系统油液流回油箱之前，过滤器将外界侵入系统的和系统内产生的污染物滤除，为系统提供清洁的油液。系统中过滤器需安装在油箱顶部，过滤器公称流量为650800L/min，过滤精度20，通径50mm，最大压力损失0.08MPa。

2.8 阀的选择

2.8.1 单向阀的选择

普通单向阀在液压系统中的作用是只允许液流沿着管道一个方向通过，另一个方向的流动则被截止。在本系统中要求单向阀的通流能力满足623L/min以上，那么可以采用上海液压件厂的A型单向阀[20]，压力范围032MPa，公称通径为50mm，额定流量为401250L/min。

2.8.2 电磁溢流阀

电磁溢流阀由小规格电磁换向阀与溢流阀符合而形成，它具有溢流阀的全部作用且可通过电磁阀的通断电来控制，实现液压系统的卸荷或多级压力控制。可以选用上海立新液压件厂引进乐力士系列DBW电磁溢流阀[17]，压力范围：535MPa，公称通径为32mm，额定流量为250650L/min。

2.8.3 节流阀

节流阀是通过改变节流阀的截面或节流长度以控制流体流量的阀门，本系统对节流阀的性能要求有：流量调节范围打，流量-压差变化平稳；内泄露量小，过有外泄油口，外泄量也要小；调节力矩小，动作灵敏。系统中的比例流量阀采用先导式比例流量阀，采用型号为RPCE3型先导式比例流量阀。

2.9 本章小结

本章主要对液压电梯的液压系统进行了设计，先根据实际的情况确定电梯的背景和工作情况，然后根据具体要求确定其液压系统原理图。其次根据设计要求确定其工作参数，包括负载、行程、运行速度等，并计算出液压系统的工作压力，再根据工作情况，确定液压缸形式为同步伸缩缸，参照实际液压电梯的型谱图来计算缸的基本参数。确定液压缸的流量后，可以根据系统的工作压力和流量确定液压泵的排量和液压缸的各级功率，然后可以确定液压泵的型号和驱动电机的额定功率。最后依次对系统的管路、过滤器、各种阀进行设计计算，获得相关参数后即可确定各种液压元件的材料，并根据市场的情况选用合适的液压产品。

结论与展望

随着今后人民生活水平的日益提高, 电梯将广泛运用于多层建筑中, 由于液压电梯具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国外中、低层建筑中的应用已相当普遍, 我国对液压电梯的研制、开发起步较晚, 虽已有一些单位开展研究、生产, 但国产化程度不高, 主要依靠进口。本论文针对我国中低层建筑的特点，设计了一套电梯的液压系统，并对系统进行了建模和仿真分析，根据仿真结果提出了改进措施和方法。主要研究结果如下:

1、本文设计了电梯的液压系统各，采用双缸支承电梯轿厢，这种方式在电梯运行时，两个液压缸同时对轿厢提供牵引力，这样不仅节约了在电梯运行时液压缸的行程，降低了液压缸的制造成本和安装空间，而且减少了电梯因为偏载摩擦而引起的导轨磨损，保证了电梯运行过程中的平稳性和安全性。

2、根据电梯的液压系统原理图，本文对系统进行了数学模型的建立，在建模过程中，采用拓扑原理建立系统的数学模型，这种建模方法不仅降低了建模的复杂程度，节省了建模的时间，而且这种模型在出现问题时更利于改进。建立起电梯液压系统的数学模型后，根据数学模型来建立系统的仿真模型，并采用Matlab中的Simulink来对系统进行仿真，在对系统输入了阶跃的流量信号和一个调速信号后，得到系统输

出的速度、压力和位移曲线。

3、在得到电梯液压系统的仿真结果后，分析得到液压缸运动的速度曲线振动较大，所以将PID控制方法应用到高速冲液压系统中，设计了积分分离PID控制器，在仿真过程中通过试凑法确定了一组较理想的比例、积分、微分参数，并对加入PID控制器的前后仿真曲线进行了比较，结果显示，加入PID控制器后，液压缸的运动速度更加平稳，系统冲击和振动减少，提高了电梯运行了平稳性和舒适性。

本文设计了一个中层建筑的电梯液压系统，并对液压系统进行了建模仿真，得到了系统运行的速度、位移和压力曲线，这样可以更加直观的分析系统的安全性和稳定性，而且根据系统运行时速度的振动，文中加入了PID控制算法，这样减少了系统的误差，使得电梯运行更加平稳。

随着社会的发展，电梯的运用也逐渐增加，在电梯的使用过程中，电梯的安全性和稳定性是我们不能忽略的问题，这种对液压电梯的建模和分析方法，可以更直观的分析电梯的速度、压力和位移，更全面的考虑安全性和稳定性，所以在电梯制造和安装行业是一个值得推广的方法。

由于时间和本人理论水平有限及其它客观因素，论文中某些内容还存在着不完善的地方，这也是以后要进一步研究的内容:

(1)本文仅进行了系统的理论设计和仿真研究，系统的运动规律和动态特性还需要通过实验来进一步验证。

(2)对于电梯液压系统的控制方面，本课题还是局限于经典控制理论，可以考虑在本系统加入现代控制方法，并接入实验系统进行调试，根据实验情况在实践中逐渐完善和修正控制器参数，得到更合理的液压系统。

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