CN106395514B

CN106395514B - 曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法及装置

Info

Publication number: CN106395514B
Application number: CN201610932210.3A
Authority: CN
Inventors: 莫虎; 胡燕平; 李宇; 范亚雄; 吕小燕; 李连军
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2036-11-01
Also published as: CN106395514A

Abstract

本发明提供了一种曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法及装置，本发明的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置，包括辅助曳引装置、液压储能装置及电气控制装置。通过重力势能与液压能相互转化，并在过程中控制能量转化的速度和方向，优化电梯的运行性能；通过储能器储能、释能使泵马达作用于曳引电梯，根据电梯载荷与运行信号实时调整作用力大小与方向，以减少曳引轮两端的负载差，与对重共同实现曳引动态平衡；通过将多余的重力势能储存于储能器，以减少曳引电机在第三象限工作所作的负功，减少曳引电机耗能，实现节能目的；通过液压辅助驱动，减少最大曳引力需求，从而减少曳引轮所需要的正压力来实现降低自重要求。

Description

曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法及装置

技术领域

本发明属于电梯技术领域，具体是涉及一种曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法及装置。

背景技术

现有曳引电梯曳引机两端分别连接轿厢和对重，曳引驱动依靠曳引轮与钢丝绳产生的曳引力（摩擦力）进行传动，电梯运行需满足以下要求；

1、电梯需满足驱动要求

曳引电梯满足满载时加速运动的要求，忽略轿厢、对重与外部的摩擦力，忽略钢丝绳弹性作用，在曳引轮两边建立静力方程，可表示为：

　　（１）

其中F _f为曳引力；ｍ_ｂ为轿厢质量；式中m为实时随机负载，0 ≤m≤m_q，ｍ_ｑ为额定载重量；k为固定平衡系数，取值0.45；ｍ_ｂ＋kｍ_ｑ a为电梯运行最大加速度，取值1.5；g为重力加速度。(ｍ_ｂ+kｍ_ｑ)×(g+a)与(ｍ_ｂ+m)×(g+a)分别为曳引轮两端的负载，平衡系数k起一定的平衡作用，负载差值与实时负载m成固定关系，理想工况为半载，此时曳引轮两端负载近似相等，曳引机负载最小。

根据式1得到式2

（2）

式2表明，曳引电梯的曳引力要满足曳引轮两端的负载差，与实时负载m成固定关系。其方向为正时，表明曳引机工作在第一象限。方向为负时，表明曳引机工作在第三象限，使电动机作为发电机向电网馈电，但目前来说，馈电电压及频率达不到电网要求，只能利用大功率电阻对反馈电流进行消耗。

2、电梯需满足安全要求

当曳引电梯对重完全落在缓冲上时，曳引力应不能继续提升空载轿厢,可表示为：

（3）

当满足以上两个要求时，联合式2、式3有

（4）

通过式4可知，在固定平衡系数下，轿厢的质量m_b与额定载重量m_q存在一个固定的比例关系，额定载重量越大，轿厢的质量就越大。

行业前沿有以下几种技术尝试解决曳引平衡问题：对重重量现场可调式，根据轿厢实时载重，现场调节对重重量，主要用于货梯等时效要求不高的场合；流体可调式，在电梯机房和对重架中各安置一水箱，两箱之间以柔韧水密性管路连通，同时在水路中配以电磁阀和水泵，以曳引系统平衡信号自动控制水流来实现电梯平衡状态节能拖动；附加阻力式，利用轿厢、对重和安装橡胶的墙体之间产生轿厢运行阻力，改变正压力大小，从而改变摩擦力的大小，实现两端负载平衡；附加扭矩式，对重由静态对重和动态对重两部分组成，静态对重由对重支架和对重块组成，动态对重由重量发生器和重量控制器所组成，静态对重重量为对重装置自重，它等于轿厢自重，动态对重的重量是重量发生器在重量控制器的控制下所产生等效的重量，它等于轿厢中的载荷重量。以上技术都能有效地实现负载平衡，减少电梯的起、制动冲击，但均需要增加额外的能量输入，无法同时进行能量回收利用。

有以下几种技术尝试节能：将制动电阻设于保温箱内，其发出的热量集聚在保温箱内，再利用斯特林发电机将热能转化为电能回收利用；曳引机处于发电工况时，回收所产生的电能，然后通过控制器输送至蓄电池，曳引机处于电动工况时，调节并输送通过控制器输出的电能，至电梯的变频器；曳引机处于发电工况时，回收所产生的电能，然后通过控制器输送至超级电容，曳引机处于电动工况时，调节并输送通过控制器输出的电能，至电梯的变频器，但超级电容使用寿命较短，且回馈的电压将污染电网，目前未得到大规模应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种通过重力势能与流体能相互转化，并在过程中控制能量转化的速度和方向，优化电梯的运行性能的实现曳引电梯曳引动态平衡、节能与降低自重要求（对重和轿厢自重）的方法及装置。

本发明所述方法的理论依据为：

1、曳引动态平衡

在本发明专利中，曳引电梯随机负载m时，根据电梯载荷与运行信号实时调整泵马达对轿厢的作用力F=xm_q(g+a)的大小与方向，则最小曳引力为：

（式6）

本发明其特征在于对重与轿厢的重量差与满载重量比值作为固定平衡系数k，泵马达作用力与满载载荷的比值作为可变平衡系数k+x，根据实时负载m的大小实时调整泵马达作用力的大小和方向，尽可能减少曳引轮两端的负载差，从而减少曳引机的曳引力需求，实现更精准的曳引动态平衡，

2、节能

当轿厢乘客较少，上行时，对重负载大于轿厢负载；或当轿厢乘客较多，下行时，对重负载小于轿厢负载。在上述两种工况下，曳引轮两端负载合力方向与运行方向一致，曳引电机做负功。在本发明方法中，合力产生的重力势能通过驱动泵马达转化为压力能在蓄能器储存。

当轿厢乘客较少，下行时，对重负载大于轿厢负载；或当轿厢乘客较多，上行时，对重负载小于轿厢负载。曳引电梯两端负载合力矩与运行方向相反，曳引电机负荷较大。在本发明方法中，蓄能器内的压力能驱动泵马达带动轿厢运动做功，减少曳引电机的能量需求。

3、降低自重要求

当平衡系数从固定值变为动态值时，电梯满载时满足驱动要求公式如下：

（式7）

同时也要满足（式3）安全要求，结合式3、式7，如下式：

（式8）

对比式4和式8表明，通过加入辅助驱动力F，可以降低曳引轮两端对重和轿厢自重需求。

本发明采用的技术方案是：

一种曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置，包括辅助曳引装置、液压储能装置及电气控制装置；所述的辅助曳引装置包括链条、上链轮、泵马达及下链轮，链条装于上链轮与下链轮上，上链轮与泵马达连接，下链轮设有张紧装置；链条与轿厢连接；

液压储能装置包括电比例减压阀、蓄能器、压力继电器、三位四通电磁换向阀、两位两通电磁换向阀、梭阀、安全阀、油箱、选择阀及行程阀，泵马达的两端口分别通过第一压力油管和第二压力油管与行程阀的进口和出口相连；所述的第一压力油管通过多根支油管分别与三位四通电磁换向阀的A口、两位两通电磁换向阀进口、梭阀及选择阀的A口相连，所述的第二压力油管通过多根支油管分别与三位四通电磁换向阀的B口、两位两通电磁换向阀出口、梭阀及选择阀的B口相连；蓄能器通过第一油管与油箱连接，第一油管上设有继电器，蓄能器与电比例减压阀进口相连，电比例减压阀出口与三位四通电磁换向阀的P口相连；三位四通电磁换向阀的T口与油箱相连；第一油管通过第二油管与梭阀的C口相连；选择阀通过吸油管与油箱相连；

电气部分包括控制器、称重传感器及运行信号发生器；控制器分别与称重传感器、运行信号发生器、两位两通电磁换向阀、电比例减压阀接线端子相连。

上述的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置中，所述的第一油管上还设有安全阀。

上述的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置中，所述的链条通过固定节与轿厢连接，链条上设有挡铁。

一种利用上述的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法，包括如下步骤：

1) 控制器扫描电梯厅门、层门按键，若无按键则延时后循环扫描，若有召梯则根据传统方式控制电梯运行直到负载检测环节；

2)载重传感器检测轿厢负载，若负载超重则按传统方式报警并打开层门、厅门，若无超重则采集轿厢负载至控制器并开始运行信号检测环节；

3) 控制器接收运行信号，并根据运行信号，判断上行状态或下行状态；

4)控制器根据运行信号及负载信号判断并控制液压系统蓄能或是辅助驱动；

5)当满足蓄能要求并轿厢上行时，控制器输出控制信号使三位四通电磁换向阀处于中位，轿厢带动随链条顺时针运动，链条带动上链轮、下链轮顺时针旋转，上链轮驱动泵马达顺时针旋转，泵马达通过第二压力油管、选择阀、吸油管在油箱内吸油，通过第一压力油管、梭阀、第一油管向蓄能器泵油，蓄能器储存液压能；

当满足蓄能要求并轿厢下行时，控制器输出控制信号使三位四通电磁换向阀处于中位，轿厢带动随链条逆时针运动，链条带动上链轮、下链轮逆时针旋转，上链轮驱动泵马达逆时针旋转，泵马达通过第一压力油管、选择阀、吸油管在油箱内吸油，通过第二压力油管、梭阀、第一油管向蓄能器泵油，蓄能器储存液压能；

当满足辅助驱动要求并轿厢上行时，控制器输出控制信号使三位四通电磁换向阀处于右位，并根据运行信号及负载信号计算控制电比例减压阀输出压力；蓄能器内的压力油经电比例减压阀、三位四通电磁换向阀右位、第二压力油管输入泵马达下腔，泵马达上腔的油经第一压力油管、三位四通电磁换向阀右位流回油箱，泵马达在压力能作用下驱动上链轮顺时针旋转，上链轮驱动链条顺时针运动，辅助驱动轿厢向上运动；

当满足辅助驱动要求并轿厢下行时，控制器输出控制信号使三位四通电磁换向阀处于左位，并根据运行信号及负载信号计算控制电比例减压阀输出压力，蓄能器内的压力油经电比例减压阀、三位四通电磁换向阀左位、第一压力油管输入泵马达上腔，泵马达下腔的油经第二压力油管、三位四通电磁换向阀左位流回油箱，泵马达在压力作用下驱动上链轮逆时针旋转，上链轮驱动链条逆时针运动，辅助驱动轿厢向下运动；

6）当轿厢到达指令层站时，控制器输出并控制三位四通电磁换向阀处于中位，起辅助制动作用。

上述的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法中，步骤5）中，蓄能压力超过设定值时，控制器接收压力继电器发出的开关信号，并输出控制信号使两位两通电磁换向阀得电处于下位；泵马达的两端通过第二压力油管、两位两通电磁换向阀下位、第一压力油管连通，液压系统不起作用。

上述的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法中，步骤5）中，蓄能压力超过设定值时，若控制器失效，蓄能器及油路压力由安全阀限定，以保护系统安全；蓄能器内的压力油经第一油管流回油箱。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置的蓄能器将运行中多余的重力势能转化为液压能储存，将储存的液压能释放并转化为重力势能，实现能量的回收利用；液压能释放的大小可控并与实时与负载匹配，实现负载与对重动态平衡；减少曳引轮的正压力，实现降低曳引轮两端（对重和轿厢）自重要求；减小曳引机对启动扭矩的要求；减小曳引机对制动力矩的要求。有利于曳引电梯、特别是高速、大载重量曳引电梯启、制动及平稳运行，是电梯绿色节能技术的发展方向之一。

本发明的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置将运行中多余的重力势能转化为液压能储存，将储存的液压能释放并转化为重力势能，实现能量的回收利用，以现有电梯保有量700万台计算，可以有效减少碳排放量，降低电梯用户运行成本。

本发明的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置可以平衡曳引机两端负载，与传统曳引电梯相比，在曳引能力相同的前提下，可以提高电梯的额定载重量；在额定载重量相同的前提下，可以降低曳引驱动单元容量以降低生产成本，减少曳引力需求，减小曳引机对启动扭矩的要求，减小曳引机对制动力矩的要求，降低电梯生产厂家采购成本。

本发明的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置降低了轿厢自重和对重质量要求，可以降低生产成本，提高电梯轿厢固有频率，避免了其与人体器官共振的问题。有利于曳引电梯、特别是高速、大载重量曳引电梯启、制动及平稳运行，提高了电梯乘坐舒适度。

附图说明

图1发明的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置原理图。

图2 发明的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法的流程图。

图中：1-对重，2-控制器，3-轿厢，4-称重传感器，6-定向轮，7-曳引轮，8-链条，10-挡铁，11-上链轮，12-泵马达，13-电比例减压阀，16-蓄能器，17-压力继电器，18-三位四通电磁换向阀，19-两位两通电磁换向阀，20-梭阀，21-安全阀，22-油箱，23-选择阀，24-行程阀，25-下链轮，26-固定节，27-第二压力油管，28-第一压力油管，30-第一油管，31-支油管，32 -支油管，33-支油管，34-支油管，35-支油管，36-第二油管，37-支油管，38-吸油管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置，包括辅助曳引装置、液压储能装置及电气控制装置；所述的辅助曳引装置包括固定节26、链条8、上链轮11、泵马达12、下链轮25及挡铁10，链条8装于上链轮11与下链轮25上，上链轮11与泵马达12连接，下链轮25设有张紧装置；链条8通过固定节26与轿厢3连接，挡铁10装于链条8上。

液压储能装置包括电比例减压阀13、蓄能器16、压力继电器17、三位四通电磁换向阀18、两位两通电磁换向阀19、梭阀20、安全阀21、油箱22、选择阀23及行程阀24，泵马达12的两端口分别通过第一压力油管28和第二压力油管27与行程阀24的进口和出口相连；所述的第一压力油管28通过支油管31、支油管33及、支油管37分别与三位四通电磁换向阀18的A口、两位两通电磁换向阀19进口、梭阀20及选择阀23的A口相连。所述的第二压力油管27通过支油管32、支油管35、支油管34分别与三位四通电磁换向阀18的B口、两位两通电磁换向阀19出口、梭阀20及选择阀23的B口相连。蓄能器16通过第一油管与油箱连接，第一油管上设有继电器，蓄能器16与电比例减压阀13进口相连，电比例减压阀13出口与三位四通电磁换向阀18的P口相连；三位四通电磁换向阀18的T口与油箱22相连；第一油管35通过第二油管36与梭阀20的C口相连；选择阀23通过吸油管38与油箱22相连；泵马达与上链轮连接；

电气部分包括控制器2、称重传感器4及运行信号发生器27；控制器2分别与称重传感器4、运行信号发生器、两位两通电磁换向阀19、电比例减压阀13接线端子相连。

如图2所示，一种利用上述的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法，包括如下步骤：

1)控制器2扫描电梯厅门、层门按键，若无按键则延时后循环扫描，若有召梯则根据传统方式控制电梯运行直到负载检测环节。

2)载重传感器4检测轿厢3负载，若负载超重则按传统方式报警并打开层门、厅门，若无超重则采集轿厢负载至控制器2并开始运行信号检测环节。

3)控制器2接收运行信号，并根据运行信号，判断上行状态或下行状态。若轿厢达到极限位置，挡铁10压下行程控制阀24，切断油路以保护系统安全。

4)控制器2根据运行信号及负载信号，判断并控制液压系统蓄能或是辅助驱动。

5)当满足蓄能要求并轿厢上行时，控制器2输出控制信号使三位四通电磁换向阀18处于中位，轿厢3通过固定节26随链条8顺时针运动，链条8带动上链轮11、下链轮25顺时针旋转，上链轮11驱动泵马达12顺时针旋转，泵马达12通过第二压力油管27、支油管32、支油管35、选择阀23、吸油管38在油箱22内吸油。泵马达12通过第一压力油管28、支油管37、梭阀20、第二油管36、第一油管30向蓄能器16泵油，蓄能器16储存液压能。

当满足蓄能要求并轿厢下行时，控制器2输出控制信号使电磁换向阀18处于中位，轿厢3通过固定节26随链条8逆时针运动，链条8带动上链轮11、下链轮25逆时针旋转，上链轮11驱动泵马达12逆时针旋转，泵马达12通过第一压力油管28、支油管37、选择阀23、吸油管38在油箱22内吸油。泵马达12通过第二压力油管27、支油管32、支油管35、梭阀20、第二油管36、第一油管30向蓄能器16泵油，蓄能器16储存液压能。

蓄能压力超过设定值时，控制器2接收压力继电器17发出的开关信号，并输出控制信号使两位两通电磁换向阀19得电处于下位，泵马达12的两端通过第一压力油管28、支油管33、两位两通电磁换向阀19下位、支油管35、支油管32和第二压力油管27直接连通，泵马达12空转，液压系统不起作用。

若控制器2电控系统失效，蓄能器16及油路压力由安全阀21限定，以保护系统安全。蓄能器16内的压力油经第一油管30、安全阀21溢流流回油箱22。

当满足辅助驱动要求并轿厢上行时，控制器2输出控制信号使三维四通电磁换向阀18处于右位，并根据运行信号及负载信号计算控制电比例减压阀13输出压力。蓄能器16内的压力油经电比例减压阀13、三位四通电磁换向阀18右位、支油管35、支油管32、第二压力油管27输入泵马达12下腔，泵马达12上腔的油经第一压力油管28、支油管31、三位四通电磁换向阀18右位流回油箱22，泵马达12在压力能作用下驱动上链轮11顺时针旋转，上链轮11驱动链条8顺时针运动，辅助驱动轿厢3向上运动。

当满足辅助驱动要求并轿厢下行时，控制器2输出控制信号使三位四通电磁换向阀18处于左位，并根据运行信号及负载信号计算控制电比例减压阀输出压力，蓄能器16内的压力油经电比例减压阀13、三位四通电磁换向阀18左位、支油管31、第一压力油管28输入泵马达12上腔，泵马达12下腔的油经第二压力油管27、支油管32、三位四通电磁换向阀18左位流回油箱22，泵马达12在压力作用下驱动上链轮11逆时针旋转，上链轮11驱动链条8逆时针运动，辅助驱动轿厢3向下运动。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参考上述实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法，其所使用的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的装置包括辅助曳引装置、液压储能装置及电气控制装置，所述辅助曳引装置包括链条、上链轮、泵马达及下链轮，链条装于上链轮与下链轮上，上链轮与泵马达连接，下链轮设有张紧装置；链条与轿厢连接；所述液压储能装置包括电比例减压阀、蓄能器、压力继电器、三位四通电磁换向阀、两位两通电磁换向阀、梭阀、安全阀、油箱、选择阀及行程阀，泵马达的两端口分别通过第一压力油管和第二压力油管与行程阀的进口和出口相连；所述的第一压力油管通过多根支油管分别与三位四通电磁换向阀的A口、两位两通电磁换向阀进口、梭阀及选择阀的A口相连，所述的第二压力油管通过多根支油管分别与三位四通电磁换向阀的B口、两位两通电磁换向阀出口、梭阀及选择阀的B口相连；蓄能器通过第一油管与油箱连接，第一油管上设有继电器，蓄能器与电比例减压阀进口相连，电比例减压阀出口与三位四通电磁换向阀的P口相连；三位四通电磁换向阀的T口与油箱相连；第一油管通过第二油管与梭阀的C口相连；选择阀通过吸油管与油箱相连；所述电气控制装置包括控制器、称重传感器及运行信号发生器；控制器分别与称重传感器、运行信号发生器、三位四通电磁换向阀、两位两通电磁换向阀、电比例减压阀接线端子相连；

包括如下步骤：

1）控制器扫描电梯厅门、层门按键，若无按键则延时后循环扫描，若有召梯则根据传统方式控制电梯运行直到负载检测环节；

2）载重传感器检测轿厢负载，若负载超重则按传统方式报警并打开层门、厅门，若无超重则采集轿厢负载至控制器并开始运行信号检测环节；

3）控制器接收运行信号，并根据运行信号，判断上行状态或下行状态；

4）控制器根据运行信号及负载信号，判断并控制液压系统蓄能或是辅助驱动；

5）当满足蓄能要求并轿厢上行时，控制器输出控制信号使三位四通电磁换向阀处于中位，轿厢带动随链条顺时针运动，链条带动上链轮、下链轮顺时针旋转，上链轮驱动泵马达顺时针旋转，泵马达通过第二压力油管、选择阀、吸油管在油箱内吸油，通过第一压力油管、梭阀、第一油管向蓄能器泵油，蓄能器储存液压能；

当满足蓄能要求并轿厢下行时，控制器输出控制信号使三位四通电磁换向阀处于中位，轿厢通过固定节带动随链条逆时针运动，链条带动上链轮、下链轮逆时针旋转，上链轮驱动泵马达逆时针旋转，泵马达通过第一压力油管、选择阀、吸油管在油箱内吸油，通过第二压力油管、梭阀、第一油管向蓄能器泵油，蓄能器储存液压能；

当满足辅助驱动要求并轿厢上行时，控制器输出控制信号使三位四通电磁换向阀处于右位，并根据运行信号及负载信号计算控制电比例减压阀输出压力，蓄能器内的压力油经电比例减压阀、三位四通电磁换向阀右位、第二压力油管输入泵马达下腔，泵马达上腔的油经第一压力油管、三位四通电磁换向阀右位流回油箱，泵马达在压力能作用下驱动上链轮顺时针旋转，上链轮驱动链条顺时针运动，辅助驱动轿厢向上运动；

当满足辅助驱动要求并轿厢下行时，控制器输出控制信号使三位四通电磁换向阀处于左位，并根据运行信号及负载信号计算并控制电比例减压阀输出压力，蓄能器内的压力油经电比例减压阀、三位四通电磁换向阀左位、第一压力油管输入泵马达上腔，泵马达下腔的油经第二压力油管、三位四通电磁换向阀左位流回油箱，泵马达在压力作用下驱动上链轮逆时针旋转，上链轮驱动链条逆时针运动，辅助驱动轿厢向下运动；

2.根据权利要求1所述的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法中，步骤5）中，蓄能压力超过设定值时，控制器接收压力继电器发出的开关信号，并输出控制信号使两位两通电磁换向阀得电处于下位；泵马达的两端通过第二压力油管、两位两通电磁换向阀下位、第一压力油管连通，液压系统不起作用。

3.根据权利要求1所述的曳引电梯动态平衡、节能与降低自重要求的方法中，步骤5）中，若控制器电控系统失效，蓄能器内的压力油经第一油管、安全阀溢流流回油箱。