浅谈液压电梯之节能技术

学术论文 2018-04-08 15:35:45
  液压电梯是依靠液压驱动的电梯。液压电梯是通过液压动力源,把油压入油缸使柱塞作直线运动,直接或通过钢丝绳间接地使轿厢运动的电梯。液压电梯由下列相对独立但又相互联系配合的系统组成:泵站系统、液压系统、导向系统、轿厢、门系统、电气控制系统和安全保护系统等。液压电梯虽然具有运行平稳、舒适、低噪音和井道利用率高等优点,但能耗过大是影响其市场份额的主要因素,因而液压电梯节能技术成为了当前最热门的研究方向。 
  1 具有配重结构的液压电梯 
  20世纪90年代开始,配重结构才被应用到液压电梯体系中,成为了液压电梯的一种重要的节能方式。由于液压电梯液压缸分为活塞缸和柱塞缸两种,因而出现了两种节能方案:活塞缸带配重和柱塞缸带配重[1]。 
  1.1 活塞缸带配重 
  德国液压电梯供应商LEISTRITZ公司率先在欧洲INTERLIFT’ 91电梯展上推出了其活塞缸带配重的液压电梯,该电梯是由工程师Karl Biburger设计制造的,并申请了专利。这种电梯在欧美具有较为广泛的应用市场,但在国内则应用很少。该结构电梯要比普通2:1支撑方式或直顶式液压电梯节能30%~70%。这种设计结构能将液压缸活塞杆的直径做到很小,有效地解决了液压缸柱塞压杆的稳定性问题,极大的降低了液压泵站内的流量,提高了液压系统的压力级别,使得系统的工作效率有较大的提升,同时降低了装机功率,最终达到了降低液压电梯能耗的目的。 
  1.2 柱塞缸带配重 
  液压电梯柱塞缸带配重的设计要比活塞缸带配重的设计晚很多,这种技术最早出现在日本,而在1999年由美国抢先注册专利。由于柱塞缸相比活塞缸价格便宜很多,维护起来相对方便,其应用也相对广泛,因而柱塞缸带配重的设计前景光明。 
  1.3 调节配重与空载轿厢自重重量差 
  调节液压缸带配重与空载轿厢自重的重量差也可以降低能耗。目前主要有两种形式:其一是液压缸配重小于空载轿厢自重;另外一种是液压缸配重等于空载轿厢重量+1/2额载[2]。前一种设计虽然对于活塞缸或者是柱塞缸,都能够匹配通用的控制系统,但会使得液压系统压力变化范围增大,同时还需保证下行回路中的最小压力值。后一种设计须改变原有的控制系统,虽然能够极大的降低液压电梯的能耗,但目前市场上还没有相关产品。 
  1.4 轿厢材质因素 
  通过使用轻合金,如钛合金、铝合金和镁合金等来制造轿厢框架,来减小轿厢的自重,也能够使得液压电梯的能耗降低,且不需要更改液压电梯的控制系统与井道结构设计[3]。虽然这种方法虽然能够减少能耗,但是轻合金的成本很高,况且在民用领域的应用远不及传统材料不锈钢。最近几年,也有生产商开始探索用合成塑料、合成橡胶等材料替代不锈钢。 
  2 配置蓄能器及液压变压器的液压电梯 
  在液压电梯液压系统中采用蓄能器能够极大的降低其能耗,美国及日本的相关专利:US4638888、US4761953、JA08165076和JA08217346等都是在液压系统中采用了蓄能器,以实现节能的目的[4-5]。 
  我国在这方面做的较好的是浙江大学的林建杰,他提出了通过蓄能器进行回收和释放能量的方案,使得蓄能器回路所提供的功率在轿厢满载和空载所需的最大功率之间,有效的降低了能耗[6]。徐兵等人[7]通过MATLAB仿真工具对配置了蓄能器的变频液压电梯的上行和下行工况进行了模拟仿真,仿真结果与实验结果基本吻合,与阀控系统和标准变频系统相比较,该系统具有显著的节能效果,系统效率高达57%。 
  刘贺等人[8]设计出了一种带有液压变压器原理的液压电梯,其核心技术是通过补油电动机带动泵补油,用以补充损失的能量。这样使得液压电梯的装机功率降低至7.5kW,比普通阀控或变频驱动液压电梯的装机功率低12kW以上,比采用蓄能器作为能量回收单元的节能液压电梯系统的装机功率低2kW以上,进一步降低了能耗。 
  欧阳小平等人[9]将新型能量转换元器件-液压变压器应用于液压电梯上,理论上实现了无节流损失地调节流量和压力,降低了液压电梯的装机功率。 
  3 采用变频调速方式 
  采用变频调速同样可以实现液压电梯的节能。液压电梯通常采用旁路节流调速的方式来控制轿厢速度,而最新的方式是采用变频调速技术,其原理是通过变频调速来实现液压动力系统的容积调速,不但可以使液压电梯获得优良的无极调速性能,而且能够简化液压回路,减少液压系统的能量损失[10]。该技术将液压传动控制和电气控制良好的结合,使得液压电梯在上升过程中的能耗比传统采用阀控技术的液压电梯低15%[11]。 
  胡东明[12]提出了一种新型液压升降系统,其原理是将变转速容积调速、活塞拉缸和蓄能器作液压配重技术结合起来,构成变频驱动的闭式回路液压系统;采用此种技术,其装机功率相对阀控系统和单独变频系统降低了约65%,相对附加蓄能器回路的变频驱动系统则降低了32%,同时将系统总效率提升至70%。 
  瑞士Beringer公司研制成功了一种变频和阀控技术相结合的液压电梯控制系统,其核心装置是高品质的双向动态流量传感器。该传感器能够作为反馈元器件来实现闭环控制[13]。此技术虽然能够降低能耗,但是其传感器加工工艺复杂,导致成本较高。   杨明松等人[14]设计出了一种采用开式油路的阀控-变频节能液压电梯系统,应用该系统的液压电梯在上行时采用容积调速,减少节流能量损失;下行时采用节流调速,减少系统额外的功率输入,因而它与以往液压电梯节能系统相比具有明显的优势。 
  4 结语 
  节能与环保是当今世界各种技术发展的趋势。液压电梯虽然仍是电梯中的一个重要梯种,在整个电梯市场上,尤其是在欧美发达地区仍占有较高的市场份额,但在“绿色产品”日益盛行的今天,液压电梯的“非绿色化”、以及能耗严重的缺点已经成为制约其发展和应用的主要因素。所以如何能更好的降低液压电梯的能耗,实现液压电梯的节能高效运行,并使液压电梯成为一种绿色产品,是当前液压电梯技术发展的重要方向。 
  当前,虽然具有配重结构的、或者轻质轿厢的、又或者配置蓄能器的液压电梯技术具有优势,但是随着高新技术的更新换代,采用变频驱动以及液压变压器实现节能的技术将更具优势,工程应用前景将更为广阔。
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