提升设备加载系统研究论文_陈顾阳

江都丁沟中学 江苏 扬州 225200

摘要:在对提升设备的研究过程中,往往由于场地、空间的限制无法采用真实负载,而需要用到加载系统进行模拟。传统的加载方式,例如重物悬挂法、制动器加载法耗时耗力,容易磨损,因此本文分析各种加载系统后,选择了一种用于提升试验平台的,具有能量回馈的电液加载系统,不仅实现了加载的目的,而且可以进行能量回收。

关键词:提升设备;模拟加载;能量回收

引言

提升设备在生产生活中随处可见,比如煤矿的提升机、港口码头的吊机、建设工地的吊车以及生活中的电梯等等。这类设备结合不同行业有着不同的技术标准,但有着显著的共同特点,工作负载一般较大,对安全性、可靠性要求极高。在研究设计阶段,单纯采用计算机模拟仿真的方式,是无法完全验证设计是否合理,如果想通过国家标准、特定的行业标准包括企业内部的标准,就一定要进行实物试验[1]。又因为场地有限,以及节约成本等因素,不能采用真实的提升环境,因此往往采用加载系统进行模拟。

加载系统的功能,就是在实验室给设备施加载荷,来达到实际提升载荷的效果。加载系统设计选择的是否合理,直接决定了试验是否有意义,是否真实可靠。目前加载系统按其执行机构的不同,通常分为以下三种:机械式加载系统、电动式加载系统和电液式加载系统[2]。而结合提升试验,主要可分为四种加载方式:

1.机械式加载系统

1.1 悬挂重物法

这种加载方式是根据实际提升负载,悬挂相同要求的重物,来达到加载目的,例如传统的塔式配重试验台,如图1所示:

图1 塔式配重试验台

试验台顶部有一个定滑轮,钢丝绳钢丝绳穿过滑轮提升重物,滑轮只用来改变方向。根据设备的设计要求,在另一端放置等重的重物,实际提升试验设备。此类系统结构简单,模拟力矩准确可靠,加载精度高,但体积、重量太大,要求提升高度太高,时间空间上都不适用,而且科研场地不进行实际生产,会产生额外的浪费,因此现在一般不采用这种加载方式。

1.2 制动器加载法

这种加载方式是利用制动器进行阻力矩加载,如图2所示:

图2 制动器加载

以盘式制动器为例,出于安全考虑,当系统不工作的时候,制动器出于抱死状态,一旦开始工作,通入高压油,使制动器打开,所以制动器加载方式是根据加载要求调节通入的液压油,进而调节盘式制动器对摩擦轮施加的制动力矩,从而达到加载要求,此时制动器与摩擦轮之间直接接触,有滑动摩擦,但没有完全抱死。此类系统结构简单,调节方便,但是闸瓦和承载对象都会产生严重的磨损,同时会产生很高的热量,甚至需要单独的降温设备,容易损坏试验装置,所以尽量不采用这种加载方式。

2.电动式加载系统

电动势加载系统的执行元件是电机,通常采用直流力矩电机,根据设备的设计要求,控制电机的输出力矩,并作用在承载系统(也叫做随动系统)的执行电机上,从而实现加载。

两者采用机械连接,例如法兰、联轴器等。

在加载的过程中,力矩传感器采回数据,控制器分析处理后发出加载指令。作为加载系统执行元件的电机,是根据指令输出力矩的,但由于和被测对象之间采用机械连接,不可避免要共同运动,二者相互耦合相互干扰。

电动负载模拟系统相比较其他加载方式有以下优点:机械结构比较简单,安装步骤使用流程简洁,维护方便,系统响应快,易于控制器通讯,精度和可靠性高,由于对小信号的跟踪能力强;但也存在一定的缺点:频率频宽较低,输出力矩受到电机的限制,力矩较小并且存在波动,加载不稳定。到目前为止,只能通过控制算法来抑制多余力矩[3],而不能改变系统结构,因此多余力矩的问题亟待解决。现阶段,电动式加载系统主要应用于高精度、小力矩的加载场合,比如航天、导弹、火箭等。

3.电液式加载系统

电液式加载系统与电动式加载系统原理基本一致,只是二者加载的执行元件不同。电动式加载采用的执行元件是电机,而电液式加载采用的执行元件是液压马达。系统结构简图如图3所示:

图3 电液式加载系统

1液压阀 2控制器 3转速传感器

电液式加载系统工作原理如下:电液加载系统由力矩伺服系统组成,随动系统由角位移伺服系统组成。由于转速不同,作为执行元件的液压马达需要通过齿轮箱连接被测的设备,传动比根据加载系统与设备的具体情况计算得出。系统中安装力矩传感器和转速传感器,实时地把力矩、转速的大小、方向传回控制器。整体采用闭环控制,控制器进行比较,如果传回的力矩大于设备要求的力矩,调整液压阀,比如减小液压系统的工作压力。反之,如果传回的力矩小于设备要求的力矩,则增大液压系统的工作压力。

电液式加载系统有以下优势:

1.相比于其他三种加载方式,无论设备以高速、还是低速运转,液压加载系统都能比较平稳的运行,这一点在加载系统刚启动或者设备调速、调负载时都更加明显[4];

2.相比于悬挂重物法和制动器加载法,液压加载系统和电动系统更容易实现无极调速,但液压系统比电动系统的调速比例要大;

3.液压加载系统充分发挥了液压的优势,功率密度比大。也就是说,为了模拟同样的提升功率,液压加载系统的重量最轻。从而产生一系列的连锁反应,例如占用空间小,系统惯性小等;

4.液压加载系统的布置最为灵活,可以根据现场条件选择硬管和软管,都可以实现分散分布和远距离分布;

5.液压加载系统的工作介质是液压油,具有润滑的功能,对设备和加载系统本身都具有保护功能,寿命长;

4.结论

近年来,又出现了一些新型的加载方式,例如磁粉制动器加载等。传动的制造器加载是利用制动盘与设备之间的滑动摩擦,根据设备的控制要求调节液压油。但是这种控制不能达到精确的控制,在一些控制要求较高的行业,比如造纸、印刷、纺织行业,传统的制动器加载就不能满足,而新型的磁粉制动器恰恰解决了这个问题。它不是直接对设备形成压力,而是在设备与制动器之间形成磁粉,根据设备的要求调整通过的电流大小,从而改变磁力的大小,即摩擦力的大小。

综上所述,各类加载方式都有着自己适用的场合和条件,也都有着优点和不足,但相比之下,在达到加载效果的前提下,电液式加载系统最容易实现能量回收。加载马达作用在提升设备上,但电机带动提升设备旋转,进而也带动马达旋转,将压力油引回泵体,就可以实现能量回收[4]。而电动式加载系统不同,因为即使采用这种回收方式,回收的电能不能加入电网,也只能消耗在电阻或者电子元器件上,所以达不到能量回收最理想的效果。

参考文献

[1] 陆鸿生.矿井提升设备的现状和发展趋势[J].金属矿山.1985

[2] 娄悦.伺服系统模拟加载系统的研究与设计.[D]南京:南京理工大学.2007

[3] 王敏学.基于电液加载方式的负载仿真技术的研究[D]长春:长春理工大学,2013

[4] 叶春宇. 某型试验台液压加载系统研究[D].华中科技大学,2012.

论文作者:陈顾阳

论文发表刊物:《科技新时代》2018年10期

论文发表时间:2018/12/5

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