基于matlab的液壓系統的設計與仿真液壓技術專業畢業設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 范圍內，且機房面積僅45m，再也不需要用傳統方式將機房設置在井道上部，可使建筑結構簡化。2）、井道結構強度要求較低。因液壓電梯轎廂自重及載重等垂直負荷均通過液壓缸全部作用于地基上，對井道墻及頂部的建筑性能要求低。3）、井道利用率高。一般液壓電梯不設置對重裝置，故可提高井道面積的利用率。相同規格的液壓電梯要比曳引電梯的井道面積少12%。4）、結構緊湊。在相同主參數情況下，液壓傳動系統比曳引驅動系統的體積小、重量輕。 液壓電梯的缺點由于輸入功率、控制及結構等條件的限制，一般液壓電梯的升程有限(40m)，速度不高(lm/s以下)。需要輸入的功率大。因為液壓電梯不設配重，在額定載重量、額定速度及提升高度相同的情況下，因為液壓電梯配套的動力電路容量比曳引電梯大。盡管液壓電梯電機只在上行時工作，但其能量消耗至少為同等曳引電梯的2倍左右。溫度及載荷變化對液壓電梯的起制動、加減速有一定的影響。液壓電梯的動態速度模型隨著環境的變化會有所變化，增加了控制難度。由于溫度的變化和泄漏等因素的影響，當轎廂較長時間停在某層站時會下沉，因此必須采取措施防止轎廂下沉[12]。 本論文的選題意義及研究內容 本論文的選題意義由于液壓電梯具有機房設置靈活、對井道結構強度要求低、運行平穩、載重量大, 以及故障率低等優點, 在國外中、低層建筑中的應用已相當普遍。由于我國對液壓電梯的研制、開發起步較晚, 雖已有一些單位開展研究、生產, 但國產化程度不高, 主要依靠進口。隨著今后人民生活水平的日益提高, 多層建筑也將安裝電梯, 而液壓電梯則是最適宜的機種。另外, 舊房改造對液壓電梯也將會有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場合, 如汽車梯、船用平臺等, 由于液壓電梯具有功率重量比大、設置安裝靈活的優點, 尤其適用。對于這些大載重量電梯, 宜采用對稱布置的雙缸直頂支承方式, 可使轎廂處于相當平穩的運行狀態。目前國內對此類液壓電梯的研制還比較少，而且研究水平還處在一個較低的水平。為適應國內這種形勢，最重要的是利用現有技術力量，投入必要的資金，開展液壓電梯的研發，選擇適用的控制策略，采用先進的計算機處理方法來對液壓系統進行控制。為徹底解決國產化問題，并將液壓電梯迅速推向市場，必須優化液壓系統設計，設計合理的控制系統，使得電梯的運行性能達到國際水平的前提下，大幅度降低造價，以促進液壓電梯在國內大規模的廣泛使用。本論文在對液壓電梯的具體工作情況做了詳細分析后，設計了一個較優化的電梯液壓系統，然后根據轎廂的載重和計劃運行速度，對各個液壓元件進行了設計計算，最后結合實際情況對液壓系統進行了建模和仿真，得出系統運行的曲線。這樣更直觀的模擬出了電梯在運行過程中的速度、壓力和位移的曲線的變化。針對電梯在啟動和平穩運行過程中速度的振動較大的情況，本文中在液壓系統中加入了PID控制算法，從而有效降低了系統的誤差，減少了電梯運行的速度振動，增強了電梯運行的平穩性和舒適性。 本論文的研究內容1）、電梯液壓系統的設計在以前的液壓電梯系統中，很多都采用單缸支承，由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大, 綜合結構剛度較差，這種支承方式偏載較大時會嚴重影響電梯的運行平衡性, 加劇導軌的磨損。本論文中采用雙缸支承電梯轎廂如圖11，這種方式在電梯運行時，兩個液壓缸同時對轎廂提供牽引力，這樣不僅節約了在電梯運行時液壓缸的行程，降低了液壓缸的制造成本和安裝空間，而且保證了電梯運行過程中的平穩性和安全性。1為電梯轎廂 2為支承液壓缸圖11 液壓電梯結構簡圖2）、電梯液壓系統的建模在完成液壓系統的設計和相關計算后，需要確立系統合適的控制策略，那么首先要建立系統的數學模型。由于液壓電梯液壓系統具有長行程、變負載、變液容以及由于油溫變化引起變泄漏的特點，直接由其機理推導出數學模型相當復雜。本論文中采用拓撲原理建立系統的數學模型，即先根據系統的總體結構建立液壓系統的拓撲結構圖，將系統分成若干個可以獨立的子系統，然后再分別建立每個子系統的數學模型，最后再根據拓撲結構組合成整個大系統的數學模型。這種建模方法不僅降低了建模的復雜程度，節省了建模的時間，而且這種模型在出現問題時更利于改進。3）、電梯液壓系統的仿真建立起電梯液壓系統的數學模型后，就需要對根據數學模型來建立系統的仿真模型。本文中采用MATLAB中的Simulink來對系統進行仿真，并且把整個系統分為三個子系統：液壓泵、單向閥和調速閥組成供子油系統；液壓橋和液控單向閥組成調整子系統；三級同步液壓缸構成運行系統，下面對三個子系統分別建立仿真模型，然后再組成系統的總體仿真模型，進行仿真，這樣具有很強的可觀性和內部可移植性，給程序調試和設計帶來很大方便。在對系統仿真過程中，對系統輸入了階躍的流量信號和一個調速信號，系統輸出為液壓缸的速度、壓力和位移曲線。4）、電梯液壓系統的PID控制在對電梯液壓系統進行了仿真后，得到了液壓缸運行的速度、壓力和位移曲線，分析各級缸筒的曲線，可以看出液壓缸的缸筒的各級速度曲線總體運行都符合設計要求，但是缸筒速度的振動較大，這使得電梯不能穩定的運行。綜合考慮，對電梯液壓系統加入了PID控制器，以減少液壓缸速度運行的誤差。在加入了PID控制器后，液壓缸缸筒在啟動過程中的調整時間減少，速度變得平穩，增加了電梯運行的平穩性和舒適性。第2章 液壓電梯的液壓系統設計隨著人們生活水平的不斷提高，電梯已經廣泛運用于人們日常生活中，而液壓電梯則是電梯中的一個重要梯種，液壓電梯具有機房設置靈活、對井道結構強度要求低、運行平穩、載重量大, 以及故障率低等優點, 在國外中、低層建筑中的應用已相當普遍, 我國對液壓電梯的研制、開發起步較晚, 雖已有一些單位開展研究、生產, 但國產化程度不高, 主要依靠進口。隨著今后人民生活水平的日益提高, 多層建筑也將安裝電梯, 而液壓電梯則是最適宜的機種。另外, 舊房改造對液壓電梯也將會有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場合, 如汽車梯、船用平臺等, 由于液壓電梯具有功率重量比大、設置安裝靈活的優點, 尤其適用。對于這些大載重量電梯, 宜采用對稱布置的雙缸直頂支承方式, 可使轎廂處于相當平穩的運行狀態[16]。根據實際情況和參照相關電梯承載的參數，我設定液壓電梯的總負載（包括電梯本身自重）為3000Kg，電梯行程為12m，由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大, 綜合結構剛度較差, 若采用單缸承重, 偏載較大時會嚴重影響電梯的運行平衡性, 加劇導軌的磨損, 因此宜采用雙缸支承[23]。雙缸液壓電梯的結構簡圖如圖21所示。電梯為四層四站, 每層高3米, 采用直頂支承方式, 兩柱塞缸左右對稱布置, 分別立于相應導軌一側。1為電梯轎廂 2為支承液壓缸圖21 液壓電梯結構簡圖 液壓系統設計液壓電梯中用得最多的液壓系統是節流調速系統。本液壓系統也采用節流調速系統, 上行時為旁路節流調速, 下行時為回油節流調速[25], 液壓系統原理見圖22。1. 泵 2. 電機 3. 單向閥 4. 電磁溢流閥 5. 比例流量閥 6. 手動節流閥 7, 8. 比例節流閥 9, 10. 液壓轎 11, 12. 電控單向閥 13, 14. 油缸15. 手動下降閥 16. 回油濾油器 17. 進油濾油器 18. 高壓濾油器 19. 壓力表開關 20. 壓力表 21. 油箱　　 圖22 液壓電梯液壓系統原理圖電梯上行需由泵源驅動。電機啟動時,電磁溢流閥4 失電,泵卸荷,比例流量閥5的開度為最大,而后電磁溢流閥通電,此時調節比例流量閥的開度即可實現電梯的旁路調速。系統的安全工作壓力為溢流閥的調定壓力。電梯下行是靠轎廂及載荷的自重作用實現的。當有下行召喚信號出現時,打開電控單向閥112,調節比例流量閥就能實現電梯的回油節流調速。雙缸的同步運動通過調節兩比例節流閥8 來實現,由于比例節流閥只能沿一個方向通流,需加液壓橋路10, 使得電梯上、下運行時這兩個比例閥都能正常工作。電控單向閥由普通液控單向閥改裝而成,電磁閥失電時像普通單向閥一樣正向通流, 反向截流。而當電磁閥得電后,可以實現反向通流。由于電控單向閥不采用間隙密封, 不會發生泄漏, 因此可有效解決液壓電梯的自動沉降難題。手動節流閥6在電梯試驗運行時用來調整雙缸液壓管路的沿程壓力損失。手動下降閥15又叫應急閥,當電網突然斷電或液壓系統因故障無法運行時,操縱手動下降閥就可使電梯以安全低速()下降[26]。 液壓缸的設計在機械制造行業中，液壓傳動已成為必不可少的一門技術而普遍地應用于各種機械、機床和設備中，發揮著獨特地、極為重要地作用。液壓缸是液壓系統中最重要的執行元件，它將液壓能轉換為機械能，實現直線往復運動。液壓缸結構簡單，配置靈活，使用維修方便，所以比液壓馬達，擺動液壓馬達應用更為廣泛。液壓缸能與各種傳動機構相配合，完成復雜的機械運動，從而進一步擴大了它的運用范圍。作為執行元件，液壓缸是液壓系統的最后一個環節，液壓缸性能的優劣直接影響機械系統的工作性能。所以液壓缸必須根據不同的機械系統和具體工況來設計，以達到設計效果。因此，做好液壓缸設計必須首先對各種形式的液壓缸的特點有充分的了解，做好選型工作，然后再根據具體情況來進行設計計算。 同步伸縮液壓缸的工作原理液壓缸是這個液壓系統中的重要執行元件，由于液壓電梯的重載和穩定運行的特性，則需要根據具體情況來設計液壓缸。液壓電梯的液壓缸需要安裝空間不大但伸縮長度較長，所以選擇伸縮液壓缸。由于載人液壓電梯的速度不能有突變，其速度曲線必須是平滑連續的，所以需要伸縮液壓缸的各級是同步伸出的，如果逐級伸出，那么會導致轎廂速度突變，并產生較大的振動。因此在液壓電梯的液壓系統中，不能使用普通多級伸縮液壓缸，需要使用各級柱塞同時運動同時停止的多級同步液壓缸[4]。與普通多級伸縮缸的最大不同之處在于同步伸縮缸的各級柱塞桿的出桿速度是相等的。同步伸縮缸的結構簡圖如圖23，從各級缸筒結構設計上保證：第三級活塞背腔環形作用面積與第二級活塞的前腔作用面積足夠近似相等即；并且溝通容腔和，即可實現同步運行[14]。當三級活塞位移變化時，容腔被壓縮了，排出油液進入容腔，使二級活塞現對三級活塞產生位移，即：可得： 進一步微分可得：再微分可得：同理可得到： 從以上分析可知：結構上的近似相等的設計和被忽略的因素存在，多級同步伸縮缸不可能完全同步，一定存在同步誤差。右圖中，缸筒2和缸筒3底部活塞上來補油，用來消除因結構設計和被忽略因素影響而產生的同步誤差，在正常工作時，由于第二級的壓力明顯高于第三級壓力，此單向閥處于關閉狀態。單向閥的開啟壓力應設計成低于第三級活塞密封件的總靜摩擦力折算的當量壓力。這樣系統壓力大于而小于時，就開始補油。 同步伸縮缸的參數計算在大多數電梯生產企業，他們的液壓電梯中的多級同步伸縮液壓缸大多形成型譜表，型譜表中規定了不同系列的三級同步伸縮液壓缸的各級活塞桿的外徑尺寸，有些還各級有缸頭尺寸，對本系統中同步液壓缸的設計有重要的參考價值。在設計三級同步伸縮缸時，首先根據同步原理計算相關參數，然后根據實際情況參考相關產品的型譜圖來選擇具體的參數[15]。根據同步原理可得下面方程組： （21）方程組21中都是相對速度而不是絕對速度，就是說是柱塞桿Ⅰ相對于柱塞Ⅱ的現對速度，是柱塞桿Ⅱ相對于柱塞桿Ⅲ的相對速度，是柱塞桿Ⅲ相對于缸筒Ⅳ的相對速度[14]。簡圖如圖24，根據方程組21可推得如下方程： （22）化簡為： （23）由于各級的相對速度想等，即，所以得如下方程組： （24）即等于： （25）圖24 液壓缸缸筒簡圖獲得以上公式后，可以根據電梯工作情況的要求，按照上面的公式來計算同步液壓缸的具體尺寸，但是實際設計中由于密封件和鋼管材料規格的限制，和不可能取得計算數值，而制作符合計算數值精度的密封件具有一定難度且價格過高，所以只能根據現有密封件和缸筒材料，在滿足電梯液壓系統運行條件的情況下，選擇接近計算數值的尺寸。經過反復計算和查閱各種密封件規格資料，并結合實際情況參考同類產品規格，確定如下表21所示的三級同步伸縮液壓缸的型譜計算表[20]。表21中，計算值是指按照24方程組計算所得數值，實際值是參照計算值對照密封件和鋼管材料所取得實際各級缸筒的內徑和外徑，速度比反映了同步誤差大小。表21 液壓缸設計計算型譜表3555756510040609072115507510090135638512010516075105140130190851251701502301001502101802801251702402103201502002802502503801實際設計的三級同步伸縮液壓缸時，綜合考慮實際情況并參考三菱電梯的相關參數，取如下參數為同步伸縮缸的實際尺寸。表22 選定參數85125170150230所以可以綜合列出液壓缸設計的綜合參數如下表：表23 基本參數表名稱（參數）值同步缸級數3活塞桿直徑（mm）85