动平衡节能型电梯对重系统研究

特种设备管理 2018-02-08 15:59:19
    隨着我国城镇化的进展,建筑能耗的总量在逐年上升,在能源总消费量中所占的比例已从上世纪七十年代末的10%,上升到27.45%,逐渐接近三成[1]。而国际上发达国家的建筑能耗一般占全国总能耗的33%左右。以此推断,随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善,我国建筑耗能比例最终还将上升至35%左右[2]。如此大的比重,建筑耗能已经成为我国经济发展的软肋。在民用住宅类建筑中,电梯的能耗占到建筑总能耗的5%左右,而在商用办公写字楼,电梯能耗占建筑能耗占比高达7%,电梯已成为建筑中除制冷制暖和照明电气外最大的能耗开支,生产节能环保型电梯刻不容缓[3]。
    1 静态平衡电梯能耗浪费严重
    目前在用电梯绝大多数采用曳引驱动式结构,曳引机是由安装在机房的电动机联合减速器、制动器等组成,曳引钢丝绳通过曳引轮连接轿厢和对重,轿厢与对重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮绳槽内;当曳引电动机驱动曳引轮转动时,钢丝绳与与曳引轮绳槽之间的摩擦力通过钢丝绳拖动轿厢和对重在井道中沿导轨往复升降,实现电梯的垂直运输功能。
    轿厢与对重的运动依靠曳引绳和曳引轮之间的摩擦力来实现的,这种力被称为曳引力。电梯运行的简化图如图2所示。
    要使电梯运行,曳引力T必须大于或等于曳引绳中较大载荷力T1与较小载荷力T2之差,即T≥T1-T2。当T1=T2时,曳引轮两侧载荷相等,曳引轮与钢丝绳之间摩擦力为最小值,是电梯运行的最佳条件[4]。
    受限于电梯的使用场合,电梯轿厢的负重是变化的, 电梯运行时,轿厢载荷变化范围在轿厢空载和满载之间。目前所有的曳引式电梯的对重重量是一个固定值,一般根据平衡系数0.4~0.5确定对重重量,在不同的场合有所不同,由于T1为变量,T2为常量,电梯在运行时曳引力T必然会跟随T1-T2的差而变化。以电梯上行为列,如果此时电梯满载,运动图如图3所示:
轿厢满载上行的情况下,曳引系统需要克服重力做功,此时电机所需功率很大,消耗能力巨大。
    当轿厢空载上行时,T1为最小值,运动图如图4所示。
    此时依靠对重的势能释放即可拉动轿厢上行,但由于T2与T1之间差值过大,造成对重中存储的势能浪费严重。
    目前市场上的电梯都采用静态平衡系统,轿厢载荷会因为载客数量发生变化,而对重的重量始终保持不变,由此造成对重和轿厢的重力不平衡,使得满载上行过程中曳引系统需要克服重力消耗能力,在空载上行时对重存储的势能又浪费流失,轿厢下行时与上行类似。
    2 动平衡电梯国内外同类研究现状
    目前期刊论文文献关于电梯节能的文献较多,主要研究电梯节能技术的四个方向,永磁同步曳引电梯、变频器再生能量回馈节能技术、电梯群控节能技术和共直流母线节能技术[5]。其中变频器再生能量回馈技术与本课题研究的动态平衡电梯有一定类似。变频器再生能量回馈技术将电梯浪费的势能转化为电能反馈回电网,达到节能的目的。该节能方式将储存的势能很好地利用起来,但势能经过机械转化为电能再通过变频器送入电网,中间能量流失过大。动平衡电梯直接将势能储存起来,损耗较小,比变频器再生能量回馈技术节能效果更好。
    在部分专利中,提出电梯对重系统的动态调节机构,主要方法有两种,第一是将电梯对重的重物块分解为若干细小单元,在每一层存储足够的对重单元,电梯在启动运行之前,通过机械结构加减对重的重量来达到轿厢与对重等重的目的。这种对重调节方式机械结构复杂,目前仍停留在研究阶段。第二种方式为液态的对重重量调节,结构复杂且时效性差,也处于研究阶段。
    3 动平衡电梯的方案设计
    通过对现在文献的查阅,目前在研究的电梯动态平衡方案有两种,一种是将对重分解为若干小的单元,通过设计机械结构实现对重的加减。另外一种是液态调节的方法,利用液体的流动性来调节电梯对重的重量。这两种方法需要设计复杂的机械结构,目前还未有应用,尚处于理论研究阶段。
    利用变传动速度的方式可以实现轿厢侧和对重侧钢丝绳拉力的相等,在电梯对重系统的对重侧增加變速机构,根据传感器测得的轿厢侧重量来改变对重侧相对轿厢侧的速度比。系统方案如图5所示:
    电梯的平衡系统通过变速机构实现动态的平衡,对重侧悬挂轿厢满载时的重量,当轿厢满载时轿厢与对重的运行速度为1:1,当轿厢空载时运行速度为1:1/N,以此达到左右曳引系统左右两侧拉力相等的目的。
    本系统的关键是设计适用电梯的变速机构,用于普通交通的变速机构如汽车变速箱,发电设备变速机构,齿轮箱等不能直接用于电梯的。电梯用变速箱输入输出端均为钢丝绳,且载荷变化比较频繁,在变速箱结构设计上应当满足电梯的特性。
    4 结束语
    通过基于变速结构的电梯动态平衡系统的设计以及该系统变速箱的设计,实现电梯的对重系统的动态平衡,对于电梯能耗的降低具有非常巨大的现实意义。特别是对于那些客流量较大的电梯,能量的节约将更为显著。
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