提升设备加载系统研究

提升设备加载系统研究

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.