新型防坠落装置中倒置使用液压缓冲器研究.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUU CS Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 NO ． 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 2 5 新型防坠落装置 中倒置使用液压缓冲器研究 刘 大 卫 锦 州市特种设备监督检验所 ，辽宁锦州 1 2 1 0 0 0 摘要通常垂直升降设备所用的缓冲器大都设置在地面，重物从上向下冲击缓冲器。研究的缓冲器是用在垂直升降防 坠落装置中，当垂直升降设备断绳坠落时，触发防坠落装置动作，使其制停在半空中，液压缓冲器在制停过程中起缓冲和 能量转换作用。其特点是垂直升降防坠落装置用液压缓冲器安装在运动物体 如电梯轿厢上；运动物体从下 向上压缩 缓冲器 ；一旦断绳 ，立刻制停，坠落冲击的初速度小，缓冲器缓冲效果理想。 关键词 电梯轿厢；防坠落装置；液压缓冲器 中图分 类号 T H 1 3 7 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 8 - 0 7 3 - 3 Re s e a r c h o f I nv e r t e d Hy dr a ul i c Bu ffe r f o r Ne w Fa l l Pr o t e c t i o n De v i c e LI U Da we i J i n z h o u S p e c i a l E q u i p m e n t S u p e r v i s i o n a n d I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ， J i n z h o u L i a o n i n g 1 2 1 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Mo s t o f t e n u s e d b u f f e r s f o r v e r t i c a l l i ft i n g d e v i c e i s s e t i n g r o u n d，i s i mp a c t e d b y h e a v y d o w n f r o m t o p ．A b u f f e r w a s r e s e a r c h e d wh i c h w a s u s e d i n v e r t i c a l f a l l p r o t e c t i o n d e v i c e ．Wh e n t h e v e r t i c a l l i ft i n g d e v i c e f e l l b e c a u s e o f t h e r o p e b r o k e n ，t h e f a l l p r o t e c t i o n d e v i c e w a s t rig g e r e d t o s t o p i t i n mi d a i r ．I n t h i s p r o c e s s ，t h e b u f f e r ’ S r o l e s we r e t o s t o p a c t i o n a n d e n e r g y c o n v e r s i o n ．I t s c h a r a c t e ri s t i c s a r e t h e f a l l p r o t e c t i o n d e v i c e w i t h a h y d r a u l i c b u f f e r i s m o u n t e d o n a m o v i n g o b j e c t s u c h a s a e l e v a t o r c a r ； t h e n O V i n g o b j e c t c o mp r e s s e s b u f f e r f r o m t h e b o t t o m t o t o p ； o n c e t h e r o p e i s b r o k e n ， t h e v e rt i c a l l i ft i n g d e v i c e i s i m me d i a t e l y s t o p p e d ， w i t h a s ma l l i n i t i a l v e l o c i t y a n d i d e a l c u s h i o n i n g e f f e c t ． Ke y wo r d s E l e v a t o r c a r ；F a l l p r o t e c t i o n d e v i c e ；Hy d r a u l i c b u f f e r 文中研究的对象是垂直升降设备防坠落装置中的 缓冲器，试验采用的平 台是电梯 ，额定 载荷 1 0 0 0 0 N，速度 1 ． 0 m ／ s ，2 层 2 站 。 以往垂直升降防坠落装置都是超速后靠摩擦力制 停 。而新型垂直升降防坠落装置是断松绳后 坠落 状态感应装置立即激发。依靠缓 冲器缓冲制停 。 新型防坠落装置如图 1 所示，主要包括坠应装置 、制 动部件 、缓冲装置 能量转换等。在坠落状态下 ， 感应装置触发灵敏可靠缓冲装置将坠落的动能及势 能转换 成液压热能耗散掉或转 成弹性 能储存 起来 ，不 产生局部高温和有害物质 ，具有节能、环保等特点。 l 一 电梯导轨 2 一断绳感应装置 3 、4 一 缓 冲装 置 5 _ _ 制 停 装 置 6 一 电梯轿厢立粱 图 1 缓冲器工作原理 如图 2 所示 ，液压缓冲器的外筒 1 0和法兰 2安 装 到防坠落装 置上 ，在 A腔注 满 油液 后 ，通 过液 位 器 1 1 来观察液位 高度 ．油 液通过 一个 可移 动 的活塞 4与外界隔离，初始状态时缸体 7由复位弹簧 3 推力 外伸 。当弹簧 座 9受 到 冲击 载荷 后 ，压 缩 缓 冲弹 簧 8 ，A腔产生 高压 ，油液从 A腔 经调节 杆上 渐变节 流 孔进入 C腔。由于液压油的体积弹性模量很大，分 析该 问题 时油 液 的可 压 缩性 可 以忽 略 。进 入 C腔 的 油液推动活塞 4向缓冲器顶端方 向移动 ，复位弹簧 3被压缩，B腔空气通过防尘帽 1排 出，冲击载荷 在缓冲器节流的作用下缓速下降至停止。缓冲结束 后 ，复位 弹簧 3压缩 势 能释 放 推 动 缸体 7 ，同时 活 塞 4向下移 动 ，C腔容 积 随 即减小 ．油 液 由 C腔 经 节 流孔 吸 回到 A腔 ，使缓 冲器恢 复 到未受 到 冲击前 的状 态 。 为了防止缓冲器喷油或漏油。在柱塞内设计一个 密封活塞 4 ，隔绝油与空气的接触，同时还能防止喷 油和漏油现象 ．效果很好 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 1 基金项 目国家质量监督检验检疫总局公益性科研项 目 2 0 1 2 1 0 0 6 8 作者简介刘大卫 1 9 6 4 一 ，男，学士 ，高级工程师，研究方向为电梯和起重机检验技术。E m a i l j z s g j s 1 6 3 ． c o m。 7 4 机床与液压 第 4 3卷 1 一 防尘 帽 2 一法 兰 3 一复位弹簧 4 _ 活塞 5 一柱 塞 6 一调 节 杆 7 一 缸体 8 _ _ 缓冲 弹簧 9 一 _ 弹簧 座 l O 一 外筒 l l 一 液 位器 图 2 防坠落装置 中倒置使用的液压缓冲器结构原理图 2 液压缓冲器复位弹簧选用 已知电梯导轨齿距 1 0 0 m m，制动 臂动作 抬起后 ， 最多到下一 个齿 面被 挡 住 ，所 以 自由落体 最 大行 程 S 1 0 0 m m。 由公 式 2 g x s 。 ，得 坠 落 最 大 速 度 0 1 ． 41 m／ s 。 此台电梯 轿 厢 空载 质 量 1 3 0 0 k g ，额 定 载 质 量 1 0 0 0 k g ，最 大 冲击质量 2 3 0 0 k g ，制停装 置液压 缓 冲器制停的最大 初速 度设计 值取 1 ． 5 m ／ s ，缓 冲 的最大行程设计为 s 0 ． 1 1 5 m。 理论计算最大平均减速度 a i ／ 2 s 9 ． 8 m／s 。 复位弹簧最小工作 载荷取 F 2 0 0 N，最 大工作 载荷 F 3 0 0 0 N，工作行 程 厂 一 1 1 5 m m，弹簧套 筒外 径 D 1 3 4 m m，弹簧 自由高度 H o 3 0 0 m m， 弹簧材料 6 5 Mn 。 弹簧 刚度 ， _ F 2 - F1 一F 3 0 0 0 - 2 0 0 2 4 N ／ m m 弹簧刚 度F 7 一 2 4 ． 最大 工作 载 荷 下 变 形量 F 2 ／ F ， _3 0 0 0 ／ 2 4 1 2 5 mm 查 文献 [ 1 ] ，选 Y A 1 2 x 1 1 0 x 3 0 0 ，其 中最 大工作 负荷 F 3 1 3 2 N，最大工作变量厂 n 1 3 1 m m。 最大工作负荷 F ， 3 0 0 0 N F 3 1 3 2 N，符合 要求 最 大工作 载 荷 下 变 形量 1 2 5 m m 1 3 1 m m，符合要 求 ； 弹簧外径 1 1 0 1 2 1 2 2 m m O T to i 1 3 4 m m，符 合要求 弹簧 自由高 度 3 0 0 m m ≤H o 3 0 0 m m，符 合 要 求 所 以 ，选 压簧 Y A 1 2 x 1 1 0 x 3 0 0 ． 2 G B ／ T 2 0 8 9 [ 1 7 符 合设计要求 。 3 液压缓冲器节流面积的计算 假设油液是 不可压缩 的 ；节流系数 是恒定 的 ； 流动状态是 紊流 缓 冲过程 中，进 口压力不变 ；密封 件摩擦阻力 相对于惯性力很小 ，可略去不计 。 该设 备属于 变节 流 型缓 冲装置 中恒 减 速缓 冲装 置。理想的缓冲装 置在缓 冲过程 中 ，保持缓冲压力不 变 ，缸体的减速度 为常数 。 依据文献 f 2 ] ，恒减速缓 冲装置缓冲压力 P P 。 。 f 旦 2 RA P ] 1 0 l l e l o s e l 一。 兰 r MP a A S 1 瞬时节流面积 A C d ．, 2 g A p1 0 C d , , 2 g A p1 0 。 _ _ m 2 ／ g e 或 A K 一s m 3 其 中 K 1 0 一 。 4 C、 g s e 式 中 p 为缓冲腔内的缓 冲压力 MP a ； P 为缓 冲腔 内的平均缓冲压力 M P a ； P 为进 口压力 MP a ； 邸 为节流孔前后 的压力差 MP a ； s 为缸体的缓冲行 程 I n ； s 为缸体在缓 冲过程 中的瞬时缓冲位移 i n ； A为缓 冲腔内的有效作用面积 I n ； A 为工作腔活塞 的有效作用面积 m ； A ； 为相应于 s 时应有 的节流 面积 i n ； 为折算到缸体上 的一切外部载荷 ，包 括重力 及液压缸 内外摩 擦阻 力在 内 N ，其作用 方 向与活 塞 的运动方 向一致者取 “ ”号 ，反之则取 “ 一 ” ； G为折算到缸体上的一切运动部分的重力 N ； ％为缸体在缓冲开始时的速度 m ／ s ； g为重力加速度 ，g 9 ． 8 1 m ／ s ； a为缸体 的减速度 m ／ s ； c ． 为流量 系数 ，一般取 0 ． 7 ～ 0 ． 8 ； 为油的重度 N ／ m ，一般取 9 0 0 0 N ／ m 。 柱塞的外径为 0 ． 0 7 1 13 ，柱塞环形 开 口直 径 0 ． 0 1 8 I l l ，那么工作腔活塞的有效作用面积A叮 T 0 ． 0 7 ／ 2 一 1 T 0 ． 0 1 8 ／ 2 0 ． 0 0 3 6 i n ；该装置进 口与空气 连接 ， 进 口压力 P 0 ；缓 冲的最 大行程 s 0 ． 1 1 5 i n ；缸体 在缓 冲开始 时所受 的最大 冲击速度 1 ． 5 m ／ s 。 该 防坠落装置两侧各有一套缓 冲器分担重力 ，折 第 8期 刘 大卫 新型防坠落装置 中倒 置使用液压缓 冲器研究 7 5 算到单侧缓冲器分担的重力为总重力的 1 ／ 2 ，即折算 到缸体 上的一切运动部分 的重力 为 G 1 3 0 0 0 1 0 0 0 0 ／ 21 l 5 0 0 N 折算到缸体上的一切外部载荷 R有正方向的重 力 和反方 向缓 冲复位 弹簧 的阻力 。 正方 向的重 力产 生 的外 部载 荷 G 包含 自重 和 由 于缓冲停止过程 的减 速度 产生的作用力和反作用力 。 前面 已经求 出，平 均 减 速 度 最 大 值 n9 ． 8 r n ／ s ，则 G 为 G， ．GGx a ／ g1 1 5 0 01 1 5 0 0 x9 ． 8 ／9 ． 82 3 0 0 0 N 反方 向缓 冲复 位弹簧的阻力计算如下 复位弹簧产生 的阻力 F 2 0 0 F x f ；在应用 过程 中 厂 单位 m m用缸体 在缓 冲过程 中的瞬 时缓 冲位 移 s 单位 m代替 ，复位弹簧 刚度 F 2 4 N ／ ra m，于 是复位弹簧阻力 F 2 0 0 2 4 x 1 0 0 0 x s N 。 折算到缸体上 反方 向缓 冲复位 弹簧 的阻力为 一 F- 2 0 0 - 2 4 0 0 0 s N 。 折算到缸体上的一切外部载荷 R G 一 F 2 3 0 0 0 2 0 0 2 4 0 0 0 s N 。 将以上数值代人公式 1 得缓冲压力 P 9 ． 5 1 9 6 ． 6 6 7 s MP a 节流 口前后压 力差 J P _ P 。 一 般情况出口压力P 0 ，则 △ p p 。 p 。 将数值代人公式 4 K Av 、 1 0一 0． 0 0 0 1 8 8 6 9 C d √2 g s 。 a p, ／ 1 ． 4 2 8一s 代人公式 3 得瞬时节流面积 A ； 即 “ 液体通道 的开 口度”与 “ 瞬时缓冲器行程”的函数关系 r A j 取 o - 0 0 o 1 8 8 6 9 √ 一 1 ． ．-3 1 3 4实验 结果及 分 析 电梯轿厢 总质 量 1 8 0 0 k g 半载 时 ，制停过程 用 O J C电梯加速度测试仪测试，结果见图 3 ，最大平 均制停减速度 为一 4 ． 9 9 m ／ s 。 昌 趟 瑙 曩 时 间， s a 滤波前曲线图 0 0． 7 1． 4 时 间， s b 滤波 后 曲线 图 图 3 缓冲器制停加速度一 时间曲线 缓冲器调节杆应为 凹抛物线形 ，图 4所示 ，可达 到恒减速 度 ，缓 冲 压 力 P 较 低 而平 坦 理 想 抛 物 线 ，缓冲效果理想 ，但加工成本偏高 。 缓冲腔压 力P 缓 冲 行 程 图 4 缓 冲器调节杆 的形状对 P 。 的影 响 缓 冲器调节杆一般为铣槽 、阶梯形 、圆锥形 、双 圆锥形、两级缓 冲等形状。它们都是从加工简便出 发 ，尽量接近于 凹抛物线 ，降低 缓 冲压力 P 的峰值 ， 但仍有轻微 的脉 冲。 多孔缓 冲缸筒或 多孑 L 柱塞 ，可适 当布置每排 节流 小孔的数量和各排小孔 的间距 ，使节流 面积更接 近于 理想抛物线 ，从而使缓冲压力 P 基本上接近理想曲 线 。 依据文献 [ 3 ] ，耗能型缓 冲器应符合下列要求 当装有额定载质量的轿厢 自由落体并 以 1 1 5 ％额 定速度撞击轿厢缓 冲器时 ，缓冲器 作用期 间的平均减 速度不应大于 l g 。 正常情况下 电梯发生 坠落事故 时 ，电梯只有 超速 1 ． 1 5倍时 ，安全 装 置才 动作 ，存 在 安 全隐 患。该 缓 冲器由于安装在防坠落装置中，电梯不用超速，只要 断绳，立刻动作，坠落冲击的初速度小 ，缓冲减速度 也相应较小 ，缓 冲效果理想 ，可避免发生 人身伤 害事 故 。 作者用快速脱开装置模拟断绳坠落工况，经过上 百次试验 ，防坠落装置制停 成功率 1 0 0 ％，非 常可 靠 。缓 冲器缓 冲效果理想 ，理论计算 和试验测试结果 平均减速度都不大于 1 g ，制停过程平稳 、安全 、可 靠。满足要求。 参考文献 『 1 ]全国弹簧标准化技术委员会． G B ／ T 2 0 8 9 2 0 0 9普通圆柱 螺旋压缩弹簧尺寸及参数 两端圈并紧磨 平或制扁 [ S ] ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]雷天觉． 新编压力工程手册 [ M] ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 2 0 0 6 ． 『 3 ]全国电梯标准化技术委员会． G B 7 5 8 8 2 0 0 3电梯制造与 安装安全 规范 [ S ] ． 北京 中国标准 出版社 ， 2 0 0 3 ． 一 一 ． Ⅲ一 、 嘲