雷艷珍，劉樂平，曾昭韋，楊夢歌，李 林，曾祥文

（1.南昌市科技金融管理服務中心，江西 南昌330019；2.華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013；3.華東交通大學 理學院，江西 南昌 330013）

直頂式升降貨梯液壓系統(tǒng)的設計與仿真

雷艷珍1，劉樂平2，曾昭韋3，楊夢歌2，李 林2，曾祥文2

（1.南昌市科技金融管理服務中心，江西 南昌330019；2.華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013；3.華東交通大學 理學院，江西 南昌 330013）

以直頂式升降貨梯為研究對象，結(jié)合貨梯的實際工況要求，設計實現(xiàn)其升降運動功能的液壓系統(tǒng)原理圖，并利用AMESim軟件對所設計的貨梯液壓系統(tǒng)進行建模仿真分析。分析了升降貨梯滿載上升、滿載下降以及空載下降工況下液壓系統(tǒng)的動力學性能。仿真結(jié)果表明，所設計的液壓系統(tǒng)滿足升降貨梯的實際工況要求，系統(tǒng)的響應速度較快，貨梯在上升和下降過程中運行較為平穩(wěn)，能夠反映系統(tǒng)的實際運動特性，為升降貨梯液壓系統(tǒng)的進一步研究提供參考。

直頂式貨梯；液壓系統(tǒng)；仿真分析；AMESim

液壓升降貨梯是一種用于現(xiàn)代較低廠房樓層間的貨物垂直傳送的專用升降臺，其具有承載能力大，運行平穩(wěn)，安全可靠，安裝維護和操作簡便，易于實現(xiàn)自動化及適用范圍廣等特點[1-2]。目前，國內(nèi)液壓升降貨梯的種類有移動式升降貨梯、固定式升降貨梯、套缸式升降貨梯、剪叉式升降貨梯等，各種液壓貨梯都有其自身的特點及使用場合[3]。直頂式液壓升降貨梯采用液壓缸直接驅(qū)動貨梯轎廂的傳動方式，為保證貨梯升降的平穩(wěn)性，轎廂采用導軌導向的方式來保證其垂直方向上的運行，承載量大，對安裝場地的適應性強。

本研究受某企業(yè)委托，以兩級直頂式液壓升降貨梯為研究對象，如圖1所示。液壓缸的布置采用二級“Ⅱ”型結(jié)構(gòu)安裝，由二級液壓缸直接驅(qū)動貨梯轎廂頂部的橫梁，通過導軌導向來保證貨梯轎廂垂直運行，為研究該貨梯的升降性能，根據(jù)其實際運行工況的要求，設計該貨梯的液壓系統(tǒng)，并利用AMESim軟件對該系統(tǒng)進行動力學仿真分析，從理論上驗證系統(tǒng)的可靠性和可行性以及是否能滿足貨梯的實際工況需求。

圖1 直頂式液壓升降貨梯示意圖

1 技術參數(shù)及工況分析

根據(jù)貨梯的使用場合要求，貨梯的總行程為5 m，上升或下降過程時間不超過25 s，穩(wěn)態(tài)運行速度在0.1 m/s～0.5 m/s范圍內(nèi)可調(diào)，額定工作載荷為2 500 kg.設整個系統(tǒng)所需承載的總載荷（含轎廂質(zhì)量等）為3 200 kg，則每級液壓缸中單個缸所承受的負載為8 000 N，選定系統(tǒng)的設計工作壓力為7 MPa.1.1液壓缸活塞直徑及活塞桿直徑確定

為提高升降貨梯運行的平穩(wěn)性，設置系統(tǒng)一定的回油背壓p2=0.6 MPa，活塞桿所承受的負載F=8 000 N，則由活塞受力平衡可得：

式中：D為活塞直徑（mm）；p1為系統(tǒng)的設計工作壓力（MPa）；η為液壓缸機械效率，取η=0.9；F為負載（N）；p2為系統(tǒng)回油背壓（MPa）；d為活塞桿直徑（mm），取d=0.71D.

由此可得D=41.2 mm，根據(jù)GB/T 2348-1993規(guī)定[4]，圓整取活塞直徑D=50 mm，則d=36 mm.由于一級油缸得內(nèi)徑大于二級油缸的內(nèi)徑，故取一級缸的活塞直徑D1=63 mm，活塞桿直徑d1=45 mm；二級液壓缸的活塞直徑D2=50 mm，活塞桿直徑d2=36 mm.

1.2 液壓缸流量的確定

根據(jù)貨梯的工作要求，總行程為5 m，則單級液壓缸的行程為2.5 m，假設單個缸運動時間為10 s，則：

式中：v為活塞運行速度（m/s）；L為單個液壓缸的行程（m）；t為運行時間（s）.

為減少液壓泵的流量，貨梯上升時采用差動連接，則上升時油缸的有效面積為無桿腔面積與有桿腔面積之差，下降時為活塞桿有桿腔的面積。由于一級缸的內(nèi)徑大，計算時以一級油缸為準，則單個油缸的流量為：

式中：q為液壓缸流量（L/min）；△A為無桿腔與有桿腔面積差（m2）.

1.3 液壓泵流量的確定

由于貨梯工作時同一級有4個油缸動作，故泵的輸出流量要滿足同一級油缸的流量需求，以一級缸計算，即為95.52 L/min.考慮到液壓系統(tǒng)的動態(tài)壓力及油泵的效率等方面因素，在此選定單向定量泵YBC125C，其排量為125 mL/r，輸出流量為115 L/min.

2 工作原理

直頂式升降貨梯是由液壓缸直接驅(qū)動運行的，故其工作原理即為液壓缸的運動原理。在本研究的貨梯中，同一級的四個液壓缸是通過機械式并聯(lián)連接的，其進出油口相互連通，確保了同一級的液壓缸在工作時伸縮動作的同步，且轎廂兩側(cè)設有導軌導向，保證了貨梯升降的垂直運行。貨梯上升時，液壓缸的無桿腔為主工作腔，由于一級缸的活塞面積比二級缸的活塞面積大，故一級缸的活塞桿先伸出，帶動二級缸及轎廂一同上升，直到一級缸活塞桿完全伸出后二級缸開始動作，這樣便實現(xiàn)了貨梯的上升運動。貨梯下降時，即為液壓缸活塞桿回縮動作，此時為有桿腔作主工作腔，在壓力油的作用下活塞桿縮回至油缸底部，由液壓原理知，二級缸的活塞桿先回縮，至底部后一級缸開始回縮，從而實現(xiàn)貨梯的下降運動。由此便完成了貨梯的整個升降過程。

3 液壓系統(tǒng)的設計

為實現(xiàn)升降貨梯運行工況要求，設計該貨梯的液壓系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。采用電磁換向閥7實現(xiàn)貨梯的上升和下降動作，電磁換向閥10用于貨梯上升時的差動連接油路。單向調(diào)速閥11可調(diào)節(jié)控制貨梯的運行速度，液控單向閥9在系統(tǒng)中起保壓鎖緊作用，單向平衡閥8的作用是平衡回路中的重力負載，尤其是當貨梯下降時，通過設定單向平衡閥8與自重負載相適應的背壓可確保貨梯下降時運行的平穩(wěn)性。溢流閥5是系統(tǒng)的安全閥。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

4 系統(tǒng)建模與仿真分析

由于該液壓系統(tǒng)為兩級多缸系統(tǒng)，且包含差動連接的油路以及調(diào)速節(jié)流閥、背壓平衡閥和液控單向閥等，這些元件對系統(tǒng)的性能都有一定的影響，故需對所設計的液壓系統(tǒng)進行動力學仿真分析，以驗證其性能要求。

4.1 建立仿真模型

根據(jù)所設計的液壓系統(tǒng)原理圖，從AMESim的各庫中調(diào)出系統(tǒng)所需的各元件模型[5-7]，按所設計的系統(tǒng)原理圖接好連線，并設置各元件模型與系統(tǒng)相適應的屬性特性，在AMESim參數(shù)模式中為每個子模型設置相應的主參數(shù)。根據(jù)上述分析設置一級缸和二級缸的相關主要參數(shù)，由于液壓缸是豎直安裝的，故液壓缸活塞桿與水平面的角度設置為90°；液壓缸的排量為125 mL/r；安全閥的開啟壓力為18 MPa；單向平衡閥的開啟壓力為0.6 MPa；單向調(diào)速閥的開啟壓力為0.3 MPa，閥口等效直徑為7 mm；液壓單向閥的開啟壓力為1 MPa；電磁換向閥的閥口最大流量為125 L/min，額定電流為40 mA，固有頻率為80 Hz.

4.2 仿真結(jié)果及分析

（1）貨梯上升過程仿真分析

設貨梯的上升過程為滿載上升，則通過仿真得到如圖3所示的貨梯上升過程中系統(tǒng)各參數(shù)與運行時間關系曲線圖。

圖3 滿載上升時位移、速度、進口流量與時間關系曲線

從圖3可以看出，貨梯的整個上升過程用時17.9 s，一級缸伸出時間為10 s，二級缸伸出時間7.9 s.貨梯上升時，一級缸活塞桿先伸出，在前1.5 s內(nèi)處于加速階段，達到穩(wěn)定時速度為0.256 m/s，待一級缸完全伸出后，二級缸開始動作，同樣在前0.8 s內(nèi)處于加速階段，達到穩(wěn)定時速度為0.324 m/s.由于貨梯在上升時采用的是差動連接方式，液壓缸穩(wěn)定運行時，一級缸的進口流量為48.45 L/min，二級缸的進口流量為38.65 L/min.從仿真結(jié)果可知，貨梯上升過程滿足其設計要求。

（2）貨梯下降過程仿真分析

將貨梯下降過程分為滿載下降和空載下降兩種工況分別進行分析。則：

貨梯滿載下降的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 滿載下降時位移、速度、進口流量與時間關系曲線

從圖4可以看出，貨梯滿載下降的整個過程用時14.8 s，二級缸活塞桿回縮用時5.6 s，一級缸回縮用時9.2 s.滿載下降時，二級缸活塞桿先回縮，在前1.8 s內(nèi)，油缸的速度、流量處于波動狀態(tài)，達到穩(wěn)定后，速度為0.448 m/s；進口流量為25.68 L/min，待二級缸完全縮回后，一級缸開始動作，同樣在前0.8 s內(nèi)，速度、流量處于波動狀態(tài)，穩(wěn)定后的速度為0.276 m/s，進口流量為25.68 L/min.從仿真結(jié)果可知，貨梯滿載下降時滿足其工況要求。

貨梯空載下降的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 空載下降時位移、速度、進口流量與時間關系曲線

從圖5可以看出，貨梯空載下降的整個過程用時20.3 s，二級缸活塞桿回縮用時7.9 s，一級缸回縮用時12.4 s.空載下降時，同樣也是二級缸活塞桿先縮回，在前0.5 s內(nèi)，油缸的速度、流量處于波動狀態(tài)，達到穩(wěn)定后，速度為0.321 m/s；進口流量為18.48 L/min，待二級缸完全縮回后，一級缸開始動作，在前0.2 s內(nèi)，速度、流量處于波動狀態(tài)，穩(wěn)定速度為0.202 m/s，進口流量為18.57 L/min.從仿真結(jié)果可知，貨梯空載下降時滿足其工況要求。

升降貨梯在下降過程中，液壓缸剛開始動作時，這兩級液壓缸同時有一定的沖擊，這是因為電磁閥突然得電時系統(tǒng)存在液壓沖擊現(xiàn)象所造成的；隨后按照二級缸先回縮后一級缸再回縮的順序執(zhí)行，液壓缸在穩(wěn)定運行前又都有一段時間的波動沖擊，此時是由于貨梯下降時系統(tǒng)回路中的液控單向閥閥口開啟不穩(wěn)定所引起的，且其波動時間與負載大小有關。由于回路中單向平衡閥的背壓作用，貨梯的整個升降過程較為平穩(wěn)，且所設計的液壓系統(tǒng)滿足實際工況需求。

5 結(jié)論

根據(jù)直頂式液壓貨梯的結(jié)構(gòu)及實際工況要求，設計了升降貨梯的液壓系統(tǒng)，并通過AMESim軟件對所設計的系統(tǒng)進行仿真分析，分析了貨梯滿載上升、滿載下降及空載下降工況下的動力學性能。得出以下結(jié)論：

（1）所設計的液壓系統(tǒng)滿足升降貨梯的實際運行工況要求。

（2）由于系統(tǒng)的負載大，慣性大，故在執(zhí)行件動作時在短時間內(nèi)存在一定的沖擊。

（3）仿真結(jié)果表明，升降貨梯系統(tǒng)的整個運行過程比較平穩(wěn)，運行速度、時間等滿足理論設計要求，能較好地適應貨梯的實際運行工況要求。

[1]邵憲琴，樓 東.液壓電梯的發(fā)展概況和前景[J].建筑機械，1996（9）：35-38.

[2]楊華勇，路甬祥，駱季皓.液壓電梯的發(fā)展概況[J].中國機械工程，1994（2）：65-67.

[3]李鳳蘭.液壓電梯的特性及其發(fā)展前景[J].機械工程與自動化，2000（3）：3-6.

[4]全國液壓氣動標準技術委員會.液壓氣動系統(tǒng)及元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑：GB/T 2348-1993[S].北京：國家技術監(jiān)督局，1993-10-01.

[5]張憲宇，陳小虎，何慶飛，等.基于AMESim液壓元件設計庫的液壓系統(tǒng)建模與仿真研究[J].機床與液壓，2012，40（13）：172-174.

[6]羅艷蕾.液壓同步回路及同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)的方法[J].液壓與氣動，2004（4）：65-67.

[7]唐國興，惲源世.雙缸液壓電梯的建模與仿真[J].控制工程，2001，8（6）：21-24.

Hydraulic System Design and Simulation for Direct-acting Cargo Elevator

LEI Yan-zhen1，LIU Le-ping2，ZENG Zhao-wei3，YANG Meng-ge2，LI Lin2，ZENG Xiang-wen2
（1.Nanchang Science and Technology Finance Management Service Center，Nanchang Jiangxi 330019，China；
2.School of Mechatronics&Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China；3.School of Science，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China）

Taking the Direct-acting cargo elevator as the research object，combined with the actual working requirements of the elevator，the hydraulic system schematic diagram of elevator to realize the operation function is designed，the dynamic simulation model of hydraulic system is established by using AMESim software.The dynamic performance of the hydraulic system is analyzed under the condition of full load ascended，full load descended and no-load descended.The simulation results show that the hydraulic system designed to meet the requirements of lifting elevator condition，and the response speed is faster，the rising and falling process is relatively stable.which can reflect the actual movement characteristics of the system，and provide reference for further study on the hydraulic system of cargo elevator.

direct-acting elevator；hydraulic system；simulation analysis；AMESim

TH137.1

A

1672-545X（2017）09-0014-04

2017-06-06

雷艷珍（1969-），女，江西南昌人，?？疲砉こ處?，主要從事機電一體化技術；劉樂平（1965-），男，江西泰和人，本科，教授、高級工程師，主要從事機電一體化應用技術研究；曾昭韋（1989-），男，江西吉安人，碩士研究生，助教，主要從事機電一體化技術研究。