（机械电子工程专业论文）大型重载消防试验吊顶液压升降机械系统设计.pdf

摘要 火灾伴随火的发现和利用而产生，与人类文明的发展有着密切的关系。经济 社会的快速发展给人们的生产和生活方式带来了显著的变化，人员聚集场所、易 燃易爆场所和超大规模与复杂建筑增多，大量新技术，新材料、新工艺和新能源 的采用，增加了致灾因素与火灾风险。从国际与国内消防科技发展现状和发展趋 势可以看出，为了精确而高效地研究火灾机理及灭火方案，挖掘新的耐火材料， 需要进行能够完全真实再现火灾现场的实体消防实验。 大空间消防试验是最重要的火灾实体试验之一，通过升降系统对试验吊顶高 度的精确控制，准确模拟实际建筑设施的空间构成，辅以其他设备，可以真实再 现火灾现场，从而完成一系列的火灾实体试验。 本论文根据公安部天津消防研究所大空间消防试验的要求，为其研制了一套 消防试验吊顶液压升降机械系统，该系统可驱动面积为3 3 m x 3 3 m 、满载重量为 7 5 t 试验吊顶按照一定的要求，在3 米2 4 米高度行程范围内上下移动并停留在 要求的位置，动态监测工作状态自动调整工作参数，具有运行速度比例可调和多 点同步控制功能，并具有高可靠性、多功能性和高安全性，满足消防火灾实体实 验的需要。 本论文的主要内容可分为六章，现分述如下： 第一章，综述了国内外消防试验发展趋势及升降系统相关技术研究现状，说 明了进行实体消防试验的必要性，并提出了本升降系统的设计任务及研究意义。 第二章，分析了负载特点和技术要求，对比了齿轮齿条、卷扬、液压三种提 升方式在大型重载工况下的应用特点，提出了五种整体结构布置方案，经过论证， 最终确定了4 液压缸侧置2 ；1 机械配重组合的布置方案，提出了基于主从控制 策略的电液比例同步方案，对升降系统关键技术进行了分析。 第三章，根据设计要求，对升降机械系统的机构部分进行了设计，升降系统 机构主要由顶升、配重、起吊、安全保护四部分组成，利用c a d 软件s o l i d w o r k s 对系统机构进行了集成化设计。 第四章，利用有限元技术，对关键部件进行了仿真分析，提高了升降机械系 统机构的可靠性和稳定性。 第五章，对升降机械系统液压部分进行了设计和计算，介绍了液压部分的工 作原理，并对液压元件进行了设计计算。 第六章，对全文进行了工作总结及下一步展望。 关键词：消防试验液压升降同步机械设计 a b s t r a c t f i r ee , o m e si n t ob e i n gw i t ht h ed i s c o v e ra n du o ft h ef i r e , w h i c hi sb o u n d l 】p w i t ht h ed e v e l o p m e n to f h u m a nc i v i l i z a t i o n t h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h es o c i e t yh a s ar e m a r k a b l ee f f e c to nt h ew a y so fp r o d u c i n ga n dl i f et op e o p l e w i t ht h ei n c r e a s i n g o fp l a c e sw h e r eh a v em a n yp e o p l e ，d a n g e r o u sa n dh a v el a r g e - s c a l ea n dc o m p l e x b u i l d i n g s ，a n dt h eu s eo f n e wt e c h n o l o g y , n e wm a t e r i a l ，n e wt e c h n i c s ，a n dn e we n e r g y s o u r c e sa d dt h ef a c t o ra n dr i s ko ff i r e f r o mt h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to f i n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cf i r es c i e n c ed e v e l o p m e n t ，f o rs t u d y i n gt h ep r i n c i p l eo f t h e f i r e ，f i n d i n gn e w f i r e - r e s i s t a n tm a t e r i a l ，n e e de n t i t a t i v ef i r et e s t f i r et e s to fl a r g es p a c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf i r et e s t s i no r d e rt o s i m u l a t et h ef i r es c e n em o r ea c t u a l l y , i nw h i c hd o i n gas e r i e so ff i r et e s t s ，w ec a nu s e l ms y s t e mt oc o n t r o lt h eh e i g h to ft h et e s tc e i l i n ga c c u r a t e l y , s i m u l a t i n gt h ec e i l i n g h e i g h to f r e a lb u i l d i n gf a c i l i t i e s b a s e do nt h er e q u e s to ft i a n j i nf i r er e s e a r c hi n s t i t u t e ，h a v ed e s i g n e dh y d r a u l i c l i f t i n ga n dd e s c e n d i n gm e c h a n i c a ls y s t e m t h i ss y s t e mc a l ld r i v ea3 3m e t e r x3 3 m e t e ra n d7 5t o n sf u l ll o a d i n gf a c i l i t yl i f t i n ga n dd e s c e n d i n gf r o m3m e t e rh e i g h tt o 2 4m e t e rh e i g h ta n do r i e n t a t ea ta n yh e i g h t t h es y s t e mc a na l s oc o n t r o lt h ef a c i l i t y r e a l t i m e ，h a st h ef u n c t i o nt h a tt h es p e e dc a nb ea c c o m m o d a t e dp r o p o r t i o n a l l y a n d t h es y s t e mi sr e l i a b l e m u l t i f u n c t i o n a la n ds o e l l r e i tc a ns a t i s f yt h en e e do fe n t i t a t i v e f i r et e s t t h ec o n t e n to f t h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t os i xc h a p t e r s t h es u m m a r yo f e a c h c h a p t e ri sa sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，i tg i v e sar e v i e wo f d e v e l o pt e n d so f t h ef i r et e s ta n dt h es t a t u s - q u o o ft h er e l a t i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ho nl i f ts y s t e md o m e s t i ca n da b r o a d t h i sc h a p t e r a l s og i v e sad e s c r i p t i o no f t h en e c e s s i t yh a v i n gf i r et e s ti nar e a ls c e n ea n d b r i n g so u t t h er e s e a r c h st a r g e ta n dm e a n i n g a g a i n s tt h el i f ts y s t e m i nc h a p t e r2 ，t h ef e a t u r e sa n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n to ft h el o a da r ea n a l y z e d c o m p a r e dw i t l lt h ef e a t u r e so fg e a r - r a c kt y p e w i n c ht y p ea n dh y d r a u l i ct y p et h e s e t h r e el i f t i n gm o d e si nt h ec o n d i t i o no ft h el a r g eh e a v y - d u t y , f i v ew h o l es t r u c t u r e a r r a n g e m e n ts c h e m e sa r ep r o p o s e d a f t e rd e m o n s t r a t i o n w es e l e c t e d 龃a r r a n g e m e n t s c h e m et h a tf o u rc y l i n d e rs i d e - a r r a n g e m e n t ，2 ：1m e c h a n i c a lc o u n t e r w e i g h t i nt h i s c h a p t e r , a ne l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e db a s e d o nt h em a s t e r - s l a v ec o n t r o lp o l i c y , a n dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft 1 1 el ms y s t e mi sa l s o a n a l y z e d i nc h a p t e r3 ，b a s e do nd e s i g nr e q u i r e m e n t s , t h em e c h a n i s mo fl i f t s y s t e mh a v e l l 塑垩查兰堡圭兰竺丝兰 b e e nd e s i g n e d , w h c hc o n s i s t so f l i f t - u p ，b a l a n c ew e i g h t ，l i f t i n ga n ds a f e g u a r d w i t h c a ds o f t w a r e s o l i d w o r k s ，a l li n t e g r a t e dd e s i g no ft h es y s t e mm e c h a n i s mi s a c c o m p l i s h e d i nc h a p t e r4 s o m ei m p o r t a n tc o m p o n e n t sa r ea n a l y z e d u s i n gf e m ，w h i c h i m p r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h e s y s t e m i nc h a p t e r5 ，t h eh y d r a u l i cp a r to fl i f ts y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dc a l c u l a t e d a n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ei si n t r o d u c e d h y d r a u l i cc o m p o n e n t sa l ea l s od e s i g n e da n d e a l c u l a t e d i nc h a p t e r6 ，t h es u m m a r yo f t h e w h o l ew o r ka n dt h e p r o s p e c ti nt h ef u t u r ea r c p r o p o s e d k e y w o r d s ：f i r et e s t ，h y d r a u l i cl i f t i n ga n dd e s c e n d i n g ，s y n c h r o n i z a t i o n , m e c h a l l i c a l d e s i g n 1 1 1 学号2 笾q 811 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿蠢兰或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文储签缈剐 签钼期7 年7 月m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堑鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作 签字日期： 同j 导师签名： 月肛日签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 蟛 厶7 年夕刖堋 电话： 邮编： 石o 、 躲，矿 者 z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 实体火灾研究及大空间消防试验吊顶升降系统发展现状 火灾伴随火的发现和利用而产生，与人类文明的发展有着密切的关系。火灾 给人类带来的损失是巨大的、可怕的和不可估量的。据统计，1 9 9 3 2 0 0 2 年我 国发生火灾近1 2 8 万起，死亡2 5 2 4 9 人，伤4 3 4 5 8 人，经济损失高达1 3 4 亿元。 经济社会的快速发展给人们的生产和生活方式带来了显著的变化，人员聚集 场所、易燃易爆场所和超大规模与复杂建筑增多，大量新技术、新材料、新工艺 和新能源的采用，增加了致灾因素与火灾风险。人类的生命与健康、经济的繁荣 与发展，以及由此不断扩大的消防安全需求，是火灾科学和消防技术发展创新的 直接向导和原始动力。为了精确而高效地研究火灾，挖掘新的有效的耐火材料并 验证其在实际建筑中的有效性，需要进行能够真实再现火灾现场的消防实验，所 以进行大量的火灾实体实验研究就显得非常必要。 从国际上和我国消防科学技术的发展现状和发展趋势可以看出，火灾实体实 验在消防标准化，产品检测，火灾理论，建筑耐火性能与防火技术、建立完善的 火灾数据库等方面具有重要的意义。l l 】1 2 l 大空间消防试验吊顶系统是一种大范围的实体火灾实验设备，通过对试验吊 顶高度的控制，可以准确模拟实际建筑设旋的空间构成，辅以其他设备，可以真 实再现火灾现场，从而可以完成一系列的火灾实体试验。目前拥有大空间实验室 的有美国的f m 公司、美国的u l 公司、日本的报知机，国内有中国科技大学和 南京消防器材股份有限公司，上述几家单位只有部分拥有大空间消防试验吊顶升 降系统。【3 】f 4 l 图1 1 美国u l 公司的消防吊顶升降系统 浙江大学硕士学位论文 试验吊顶的长度、宽度、提升高度、满载重量是衡量大空间消防试验吊顶升 降系统的几个主要指标。已知如下几家公司试验吊项相应参数为： 1 f m 公司，试验吊项的长度和宽度均为2 5 米，试验吊顶的高度调节范围 为4 米2 0 米。 2 u l 公司，试验吊项的长度和宽度为3 3 米，试验吊顶的高度调节范围为 2 米1 6 米。 图1 2 空间网架结构试验吊顶 本论文所设计的这套大空间消防试验吊顶升降系统，试验吊顶的相应指标参 数为 1 长度为3 3 米； 2 宽度为3 3 米； 3 试验吊顶垂直运动，提升高度范围为3 米2 4 米( 净行程为2 1 米) ； 4 满载重量为7 5 吨 综上所述，可知本套大空间消防试验吊顶升降系统的各个性能指标与国外及 国内同类相比是处于领先地位的。 1 2 大型重载升降技术 对于消防试验吊顶升降系统，其核心技术是该系统的提升设备及升降技术， 我们所设计的这套消防试验吊顶升降系统，其试验吊顶长度为3 3 米，宽度为3 3 米，提升高度范围为3 米2 4 米，满载重量为7 5 吨，系统的特点是负载大，行 程长、负载空间结构大，容易失稳，而作为消防试验平台，可靠性和安全性要求 特别高，控制要求方便灵活。 目前对于类似大型重载工况，应用较多的升降方案有： 1 2 1 齿轮齿条升降技术【5 】 齿轮齿条升降技术是一种机械传动方式，传动准确可靠，依靠齿轮齿条传递 动力和进行控制，其优点是：操作简单、维护方便和传动效率高等。但对于长距 2 第一章绪论 离大行程传动较困难，加工精度要求高，结构比较复杂，成本高。目前在大型重 载升降系统中的典型应用有：以德国尼德芬诺为代表的齿轮齿梯爬升式升船机 等。 1 2 2 卷扬技术 卷扬升降系统多采用电力拖动，电力传动是利用电力设备并调节电参数来传 递动力和进行控制。主要优点是：能量传递方便；信号传递迅速；标准化程度高； 易于实现自动化等。缺点是：运动平稳性差，易受外界负载的影响；惯性大，起 动及换向慢；成本较高；受温度、湿度、振动、腐蚀等环境影响较大。卷扬需耗 用大量的钢丝绳，受到卷扬机绳容量的限制，如果采用多台卷扬机，多台卷扬机 的同步问题需要解决。为了改善其传动性能，往往与机械或液压传动结合使用。 卷扬技术在大型重载工况中的应用有起重设备和升船机等。卷扬提升型升船 机采用对称安装在塔柱顶部的多台卷扬机，通过卷筒上的钢丝绳使承船厢做升降 运行，为保证各卷筒的同步运行，在各卷筒之间加设闭环刚性同步轴。平衡重系 统分别设置为重力平衡重和转矩平衡重。重力平衡重的钢丝绳通过塔柱顶端定滑 轮与承船厢相连；转矩平衡重的钢丝绳与卷筒相连，和提升钢丝绳的出绳方向相 反，形成力矩平衡。 图1 3 卷扬式升船机 与齿轮齿梯爬升型结构型式相比：卷扬提升型式结构简单，制造安装技术更 加适应我国目前的工艺水平，同时国内亦有类似的设备研制经验供借鉴。 1 2 3 液压升降技术嘲 液压传动有其独特的优点： n 单位功率的重量轻，即能以较轻的设备重量获得较大的力和力矩。 2 1 由于体积小、重量轻，因而惯性小，起动、制动迅速。 3 1 在运行过程中能方便地进行无级调速；调速范围大，而且低速性能好。 钔易于实现自动化。 浙江大学硕士学位论文 5 1 易于实现过载保护，工作安全可靠。 6 ) 液压系统的各种元件可随设备的需要任意安排，可以把液压马达或液压 缸安置在远离原动机的任意位置，不需中间的机械传动环节。 7 ) 液体工作介质具有弹性和吸振能力，使液压传动运转平稳、可靠。 8 ) 易于实现标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。 鉴于以上特点，液压升降技术得到了广泛的应用。 液压电梯是液压升降技术的最典型应用。液压电梯是由液压传动的电梯，通 过液压动力源( 泵站) 把油压入油缸，使柱塞运动，直接或间接的作用在轿厢上， 使轿厢上升；轿厢的下降一般靠轿厢自重使油缸内的油返回到油箱中。 液压电梯的支承方式是指液压油缸与轿厢之间的连接方式，按有无钢丝绳分 类( 1 ) 有钢丝绳液压电梯( 2 ) 直顶式液压电梯；按液压缸形式分类：1 i - 9 1 ( 1 )直顶式支承方式是油缸与轿厢直接连接，由单个油缸柱塞的往复运 动直接带动轿厢动力，因此两者速比为1 ：1 ，这种支承方式按柱塞与轿厢连接 点位置的不同分为平衡型直顶式和不平衡直顶式。平衡型直项式柱塞承受较小的 倾覆力矩，可以承受较大的载荷，但是这种支承方式需要为油缸缸筒挖一个较深 的细长孔，使施工强度、难度和工程造价有较大的增加；在不平衡型直顶式中， 轿厢受到较大的倾覆力矩，需要通过由导轨提供反向力矩来达到平衡。这样导轨 就受到较大反作用力作用，摩擦严重。 ( 2 )侧置式支承，液压电梯侧置式支承包括侧置2 ：1 、侧置4 ：2 等形式。 由于长行程液压缸随着长度的增加，制造难度和成本急剧上升，因此当电梯提升 高度要求较高时，可通过滑轮组改变液压缸和轿厢的行程比，用较短的液压缸来 达到较大的轿厢行程。 侧置2 ：1 结构如图所示，它利用动滑轮原理来驱动轿厢。当油缸的柱塞向 上或向下运动距离为i 后，轿厢的位移量为2 i ，因此油缸速度与轿厢速度之比为 l ：2 ，被放大了一倍，但油缸上承受的力也相应放大了。这类支承也有相应的倾 覆力矩存在。侧置4 ：2 ，结构与侧置2 ：l 类似，但其安装结构较复杂，需5 个较大直径的滑轮，并且建筑井道要承受反作用力，其侧向倾覆力较小，承载较 大，但是钢丝绳索较长，占用空间较大，从控制角度看，由于液压系统属于低阻 尼系统，采用较长的曳引绳索时，使系统阻尼进一步降低，不利于系统稳定，需 要在控制系统中引入增加系统阻尼的控制策略。 4 第一章绪论 图1 4 直顶式、侧置2 ：1 支承方式结构图 图1 5 侧置2 ：1 原理图 浙江大学硕士学位论文 ( 3 )多缸式支承，多缸式支承是指采用一个以上的油缸来驱动单个轿厢。 承载较大。在提升高度较低时用单级油缸直顶驱动；当提升高度较大时，采用多 级同步伸缩缸直顶驱动或者间接式2 ：l 驱动。通常需要对称布置来防止侧向倾 覆力。目前液压电梯双缸同步采用的是机械式刚性连接强制同步方案，结构简单， 不需附加控制装置，成本低，工作可靠，适用于液压缸相互靠近且偏载较小的场 合。但其同步精度较差，机械式刚性连接强制同步使得同步误差被导轨补偿，结 果导致导轨磨损严重、寿命降低，因此需要安装过程中尽量使多个缸工作条件一 致。 图1 6 多缸侧置式支承结构图 ( 4 )拉缸式结构，直顶式和侧置式及多缸式承重结构中，存在能耗大的 问题，因为无配重装置，这些浪费的能量几乎都转化为热能，产生液压系统的温 升问题。而“拉缸”结构这种机械方式可以解决这个问题。虽然与能量回收式系 统相比，侧置配重式支承方式节能效率略低一些，但是在一些负载变化幅度较小 的系统中，如果配重设计与系统参数匹配，则节能效率可达5 0 7 0 。 6 第一章绪论 图1 7 拉缸式支承原理图 1 2 4 液压同步提升技术1 m 珂 液压同步提升技术是一项新颖的建筑施工安装技术。它采用柔性钢丝绳或刚 性立柱承重、液压油缸集群作业、计算机实时控制和液压同步提升新原理。结合 现代化施工方法，将大吨位的构件在地面拼装后，整体提升到预定高度安装就 位。安装过程既简便快捷，又安全可靠。在国外，液压提升技术很早就得到了应 用，英国的j g p ( j o h ng i s b s o np r o j e c t s ) 公司大约在三十年前就开始了这方 面的研究，现已经将该技术广泛应用于大型构件的提升和下降、平移、桥梁的竖 转以及定位等。英国的赛以钢公司也在进行这方而的研究和应用。 美国实用动力( e n e r p a c ) 有限公司在数年前研制出同步提升系统，下图是 e n e r p a c 公司具有四个控制点的提升系统布置示意图。1 2 7 1 浙江大学硕士学位论文 图1 8e n e r p a c 公司提升系统布置图 在我国这项技术从8 0 年代末开始，先后成功地应用于上海东方明珠广播电 视塔钢天线桅杆整体提升、北京西客站主站房钢门楼整体提升以及上海大剧院钢 房架整体提升等一系列重大建设工程。 这些工程都有超大型构件的超高、特重、大跨、大面积等施工特点，采用传 统的施工方法和设备，无论从安全性，可靠性，先进性和经济性等各方面来看， 都不能满足要求，甚至有难以解决的问题。比如，用卷扬机滑轮组提升，势必耗 用大量的钢丝绳，受到卷扬机绳容量的限制，如果采用多台卷扬机，多台卷扬机 的同步问题难以解决 大型构件液压同步提升系统的核心是一套液压提升设备，它主要由柔性钢绞 线或刚性支架承重系统、油缸执行机构系统、电液比例液压控制系统、计算机控 制系统及传感器检测系统组成。 b 第一章绪论 大型构件液压同步提升技术的特点： 1 提升构件的重量和提升高度不受限制； 2 自动化程度高，整套提升设备采用计算机控制； 3 设备体积小，起重，自重比大； 4 安全可靠性好； 5 适应性、通用性强。 1 3 设计任务 对于大空间消防试验吊顶升降系统来说，其核心技术是该系统的提升设备及 采用的升降技术，液压升降系统功率重量比大、易实现无级调速、同步精度高、 结构简单、重量轻、而且操作方便，安全可靠。本大空间消防试验吊顶升降系统 负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而作为消防试验平台，可靠性和 安全性要求特别高，控制要求方便灵活，与液压升降技术的特点是相适应的，所 以该系统选用液压升降系统作为其提升设备。 采用液压升降技术的提升设备，主要功能是驱动试验吊顶按要求在全行程范 围内上下移动并停留在要求的高度上，具有运行速度比例可调和多点同步控制功 能，并具有较高的可靠性和安全性。 本课题主要任务包括大空间消防试验吊顶液压机械升降系统总体方案设计 及其机构设计、载荷平衡系统研究、液压系统研究、控制系统研究。通过调研文 献资料并参照借鉴液压电梯技术和同步提升技术，从而完成该消防试验吊顶升降 系统的总体方案设计及机构设计，在对设计方案进行论证并证明其可行性的基础 上，研制一套大空间消防火灾试验吊顶的提升设备，该设备可驱动面积为3 3 米 3 3 米、满载重量为7 5 吨的消防火灾试验吊顶按照一定的要求，在3 米2 4 米行程范围内上下移动并停留在要求的高度上，动态监测工作状态自动调整工作 参数，具有运行速度比例可调和多点同步控制功能，并具有高可靠性、多功能性 和高安全性。而且工艺技术简单、成本低，可以适应消防火灾实验的需要。具体 包含内容为： 1 大空间消防试验吊顶升降机械系统总体方案：涉及整机可靠性分析、总 体运动学和动力学分析、整机的机械电子液压系统的整体布局设计、整机的环境 适应性研究等。 2 升降系统节能型液压系统：涉及提升设备提升点在重载下的同步稳定， 涉及液压系统能耗与温升计算、液压泵站结构设计、液压系统管网布局设计、液 压缸结构设计与强度验算、长行程液压执行器固装结构优化设计等。 3 升降系统提升过程液压监测与控制系统：涉及液压动力系统的监测与故 9 浙江大学硕士学位论文 障诊断模式分析、提升同步控制原理、提升速度与速度比例调节方法、过载保护 及事故紧急处理方法与手段。 4 升降系统提升机构及载荷平衡系统：钢丝绳及滑轮系统疲劳分析仿真和 实验方法、各关键部件的强度校核、涉及机械与试验吊顶连接方案优化设计、执 行机构固装方法与结构、执行部件的导向装置设计。平衡配重系统结构设计及强 度刚度分析校核及滑轮组的设计和寿命评估。 1 4 研究意义 图1 9 升降系统整体框架及发展路线 随着经济社会发展和人类生活方式的改变，火灾的发生呈现出一定的变化规 律和特征，人员聚集场所、易燃易爆场所和超大规模与复杂建筑增多，大量新技 术、新材料、新工艺和新能源的采用，增加了致灾因素与火灾风险。为了精确而 高效地研究火灾，挖掘新的有效的耐火材料并验证其在现实建筑中的有效性，保 障人类的生命与健康、经济的繁荣与发展，需要进行能够真实再现火灾现场的消 防实验，进行大量的火灾实体实验研究就显得非常必要。 从现代消防科学技术的发展现状和发展趋势可以看出，实体实验在消防标准 化，产品检测，火灾理论建筑耐火性能与防火技术、建立完善的火灾数据库等方 面具有重要的意义。而大空间消防试验吊项升降系统作为实体实验最重要的实验 设备同样具有重要的意义。 l o 第一章绪论 本课题参照借鉴液压电梯技术和同步提升技术，通过对大空间消防试验吊顶 升降机械系统总体方案设计极其机构设计、载荷平衡系统研究、液压系统研究、 控制系统的研究，研制一套大空间消防火灾试验吊顶的提升设备，该设备可驱动 面积为3 3 米x 3 3 米、满载重量为7 5 吨消防火灾实验模拟吊顶按照一定的要求， 在3 米2 4 米行程范围内上下移动并停留在要求的高度上，动态监测工作状态 自动调整工作参数，具有运行速度比例可调和多点同步控制功能，并具有高可靠 性、多功能性和高安全性。而且工艺技术简单、成本低，完全可以满足消防火灾 实体实验的需求。该系统完成后，预期为国际先进水平。且该技术对于其他负载 大、行程长、负载空问结构大，容易失稳，而可靠性和安全性要求特别高，控制 要求方便灵活的类似工况同样适用，具有广阔的推广应用前景。 第二章升降机械系统总体方案设计及关键技术分析 第二章升降机械系统总体方案设计及关键技术分析 2 1 技术要求 本课题主要任务是研制一套大空间消防试验吊顶升降机械系统，该系统可在 大负载、长行程、负载空间结构大的工况下，在行程范围内控制试验吊顶上下移 动并停留在要求的高度上，动态监测工作状态自动调整工作参数，具有运行速度 比例可调和多点同步控制功能，并具有高可靠性、多功能性和高安全性。该系统 完成后，在同类试验设备中，预期为国际先进水平。主要技术指标有： 1 试验吊顶满载重量：7 5 t o n ； 2 试验吊顶面积：1 0 8 9m 2 ( 3 3 m 3 3 m ) ； 3 升降范围：3 m - 2 4 m ，净行程2 1 m ； 4 升降速度：0 0 5 m s ( 速度可调) ； 5 液压系统的技术要求：符合标准j g 5 0 7 1 1 9 9 6 ； 6 系统监控与故障诊断功能； 其他要求： 1 升降高度在行程范围内任意设定； 2 液压驱动系统最大绝对同步精度须满足设计要求； 3 采用计算机进行系统控制； 4 试验区试验时有烟雾、水雾和高温，需要较好的环境适应性； 2 2 技术难点 本升降系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠 性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活。其技术难点主要有： 1 系统整体结构布置。试验吊顶是结构件，结构件设计通常只考虑其就位 后的应力状态，因此在提升过程中，不允许产生额外的应力和变形，试验吊项长 3 3 米，宽度为3 3 米，就位后通过数个吊点提升，网架整体提升吊点就设在准备 就位的这几个吊点上，所以升降系统总体布置要均衡，不应产生偏载和倾覆力矩： 2 升降系统机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力。负载重量达到7 5 吨以 上，跨度也在3 3 米以上，对机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力都提出了很 高的要求。 3 提升设备各提升点的同步问题。试验吊顶面积在3 3 米3 3 米以上，如 1 2 浙江大学硕士学位论文 何精确控制各起吊点在重载大跨度下的同步，是关系到该设备功能实现和性能稳 定的最关键因素。 4 提升设备提升过程的控制策略。精确控制提升需要合适的控制策略。 5 提升设备提升速度及传动比的选择。合理的提升速度可以提高效率，节 约能源；根据传动比确定合适的传动方式。 2 3 升降系统总体方案分析及选择 2 3 1 总体布置方案 本系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和 安全性要求特别高，控制要求方便灵活。本系统根据负载特点及土建要求，不采 用齿轮齿条式和卷扬式提升方案，而采用液压提升方案。具体设计了以下五种总 体布置方案： 第一种：多缸直顶方案 图2 1 8 缸直顶式支承结构图 该方案的特点是结构简单，油缸直接与吊顶连接，考虑到行程问题，可以采 用多级缸，当然成本会有所增加，此外对土建也有所要求，需要深挖坑，另外该 系统同步精度相对较低，对导轨依赖性较强，当安装精度得不到保证时，偏载较 严重，系统效率较低。 第二种：多缸拉缸带配重提升方案 拉缸式提升油缸受力条件好，稳定性好，且采用带配重方案，效率高，但整 体结构稍显复杂，另外需要设置上承力点，在大型重载情况下，对土建也提出了 第二章升降机械系统总体方案设计及关键技术分析 较高的要求。 图2 2 多缸拉缸带配重提升方案 第三种：4 缸侧置2 ：1 方案 方案中采用了双边双缸共4 套液压缸驱动结构，即用液压阀( 带良好的起动 和停止缓冲功能) 控制高性能液压缸，保证了系统性能优越而成本适中，结构紧 凑美观。双边双缸共4 套液压缸对称布置于试验吊项两侧，总共4 个吊点，布置 均衡，不会使试验吊顶这种结构件产生额外偏载和倾覆力矩，按照一个平面三点 定位的原则，使吊顶上下运动时始终保持水平状态，并使吊顶停留在要求的高度 上，而且三个控制点不会产生互相干涉现象。设计中还着重考虑了可靠性和安全 性要求，都设置了缸和负载双重导向装置、液压缸油口防爆限速切断阀组和负载 1 4 浙江大学硕士学位论文 的四周液压缓冲器等。采用机械导轨强制负载同步以及液压分配器或串联液压缸 同步技术。 图2 34 缸侧置2 ：1 方案效果图 图2 44 缸侧置2 ：1 方案效果图( 拆除土建) 第四种8 缸侧置2 ：l 方案 该方案采用了双边四缸共八套液压缸驱动结构，同样液压阀( 带良好的起动 和停止缓冲功能) 控制高性能液压缸，保证了系统性能优越而价格适中，结构紧 凑美观。系统设有8 个吊点，载荷平均，设计中还着重考虑了可靠性和安全性要 求，设置了缸和负载双重导向装置、液压缸油口防爆眼速切断阀组和负载的四周 液压缓冲器等。采用机械导轨强制负载同步以及电液比例同步或串联液压缸同步 技术。 第二章升降机械系统总体方案设计及关键技术分析 图2 58 缸侧置2 ：1 方案效果图 图2 68 缸侧置2 ：1 方案效果图( 拆除土建) 第五种4 缸侧置2 ：l 机械配重组合方案 本系统的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠性和 安全性要求特别高，控制要求方便灵活。为了保证效率，拟取提升的速度为 浙江大学硕士学位论文 0 0 5 m s ，则全程2 1 m 的动作时间将在l o m i n 之内。 考虑到负载的特点与技术要求，该设计方案借鉴了液压电梯和液压同步技术 的结构和控制方式，利用目前已经相当成熟的专业技术，参照载客电梯的欧洲安 全标准设计，技术上不但完全可行而且没有风险。采用液压控制系统，结合电液 比例控制技术和现代控制理论，自行开发控制软件，切实有效地解决多缸同步问 题。方案中负载与驱动液压缸组件之间采用柔性连接，而且使负载( 试验吊项) 运动导轨只起限位作用而不需要精确的导向，避免了严重不同步时或失控状态下 对设备本身或设备周边设施有可能造成的危害，使设备具有较高的安全性，并使 运动导轨的成本大幅降低。设计了机械配重滑轮式配重机构，使吊项的部分重 量( 5 0 左右) 由机械配重平衡，降低了驱动液压缸的负载，提高了效率。 图2 74 缸侧置2 ：1 机械配重组台方案效果图 经过反复论证，最终确定采用电液比例控制、4 缸2 ：1 机械配重组合的结构 方案，并采用计算机自动控制。该方案的特点有： 1 系统整体结构布置合理匀称。试验吊顶是结构件，结构件设计通常只考 虑其就位后的应力状态，因此在提升过程中，不允许产生额外的应力和变形，吊 顶长3 3 米，宽度为3 3 米，就位后通过8 个吊点提升，网架整体提升吊点就设在 准备就位的这8 个吊点上，所以升降系统总体布置均衡，不应产生额外偏载和倾 覆力矩； 第二章升降机械系统总体方案设计及关键技术分析 2 升降系统机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力高。负载重量达到7 5 吨以上，跨度也在3 3 米以上，对机械部分的强度、可靠性及抗偏载能力都提出 了很高的要求。该方案将导轨与士建紧紧结合在一起，且与定载配重相结合，整 体机构强度和刚度都得到了很好的保障，系统可靠性较高，抗偏载能力强。 3 提升设备各提升点的同步精度高。试验试验吊顶面积在3 3 米5 3 3 米以 上，如何精确控制各起吊点在重载大跨度下的同步，是关系到该设备功能实现和 性能的最关键因素。该方案采用电液比例闭环同步控制，控制精度高，系统响应 速度快。 4 液压提升与机械配重相结合，系统稳定，效率高； 5 侧置2 ：1 提升方式，无需深挖坑，对基建要求低，液压缸所需行程减半 为1 0 5 m ，则所需行程也减半，缸径和流量都大幅度下降，损失降低； 6 升降系统提升速度及传动比选择合理。合理的提升速度可以提高效率， 节约能源； 2 3 2 顶升原理 四套液压缸都是柱塞缸类型，如图2 8 所示。图中第1 、4 、6 、7 号为驱动 液压缸，其中6 和7 号2 套缸为同一控制点，它们组成三个控制点，与计算机和 电液比例伺服阀组一起实现电液比例位置闭环( 反馈) 同步控制方案，分别由三 套比例方向阀组进行控制，按照一个平面三点定位的原则，使吊顶上下运动时始 终保持水平状态( 同步) ，并使吊顶停留在要求的高度上，而且三个控制点不会 产生互相干涉现象。驱动液压缸由泵站供油，并由比例压力阀进行调压，既节能， 又可实现远程调节。第2 、3 、5 、8 号为4 组机械配重。机械配重的主要功能是 平衡吊顶的重量，减轻驱动缸的负载，并始终跟随驱动缸的位置运动。配重支柱 的高度是固定不变的，也不具有定位作用，滑轮组始终处于其最高的位置上。机 械配重用钢丝绳经滑轮组与试验吊顶相连，平衡试验吊顶一半左右的重量。 对于顶升过程，从机械运动的角度来考虑其基本原理的话，则如图2 9 所示： 泵站提供动力，使液压缸按照一定的运动规律运动，液压缸的运动带动项升滑轮 组的运动，而试验吊项是通过钢丝绳经滑轮组与地面承力墩上相应机构相连接， 这样就构成了传动比为2 ：1 的侧置式滑轮组机构，对试验吊顶提升一定的高度， 液压缸所需行程只有吊顶提升高度的一半。 浙江大学硕士学位论文 234 配重支柱 67 图2 8 液压缸、配重布置图 图2 9 顶升原理说明 1 9 第二章升降机械系统总体方案设计及关键技术分析 2 3 3 液压系统工作原理 液压系统是大空间消防试验吊顶升降机械系统的重要组成部分，液压系统主 要由动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件组成。工作原理将在第五章详细 介绍。具体组成如下图所示： l 、油箱2 、空气滤清器3 、截止阀4 、单向阀5 、过滤器6 、电机 7 、变量泵8 、比例溢流阀9 、压力表l o 、压力继电器1 1 、液温计 1 2 、单向阀1 3 、减压阀1 4 、比例伺服阀1 5 、单向阀1 6 、液压缸 图2 1 0 液压系统原理图 浙江大学硕士学位论文 2 3 4 升降系统同步控制方案 采用主从位置同步控制，以并联两缸作为主令缸，其输出为理想输出，另外 两个柱塞缸受到控制来跟踪主令缸的理想输出并达到同步驱动。 柱塞的位移由油缸上的位移传感器反馈到可编程序控制器中，由可编程序控 制器判断各从令缸的位移是否与主令缸的位移一致，即由可编程序控制器的判断 信号确定各从令缸的位移是大于还是小于主令缸的位移。如果从令缸的位移大于 主令缸的位移，则由可编程序控制器发出控制信号调小控制该从令缸的比例伺服 阀的开度大小；反之，如果从令缸的位移小于主令缸的位移，则调大相应比例伺 服阀的开度。如果从令缸的开度达到了极限值，可以通过调节主令缸对应的比例 伺服阀开度进行纠偏；通过连续调节，逐步实现多缸的同步顶升。当主令缸柱塞 达到极限位置或达到既定高度时，可编程序控制器发出控制信号，油缸停止运动。 这样就购成一个实时的闭环同步控制系统，实现主从令缸的同步运动。 当液压系统或其它机构发生故障，位置误差达到某一设定值时由可编程序控 制器发出控制信号，启动电气报警装置发出报警信号。当位置误差达到极限值时， 可编程序控制器向电气系统发出停机信号，紧急停机。 控制系统软硬件组成 试验吊顶控制系统选用西门子p l c 作为控制器，实现控制平台的同步运动控 制。显示界面采用西门子组态软件w i n c e 编写，以研华工业控制计算机加上触摸 屏作为主机窭现良好的人机操作界而。 图2 1 1控制系统实物图 2 l 第二章升降机械系统总体方案设计及关键技术分析 控制流程图如下所示： 图2 1 2 控制流程图 浙江大学硕士学位论文 2 4 升降系统关键技术分析 本提升设备的特点是负载大、行程长、负载空间结构大，容易失稳，而可靠 性和安全性要求特别高，控制要求方便灵活。其关键瓶颈问题主要有： 2 4 1 升降系统的同步及偏载问题 普通多缸升降系统不同步的原因有： 1 在液压电梯中，两节流阀特性不同，由于升降系统工作时节流阀是与调 速阀联动的，流量增益不同，起始工作电流不同，线性工作区有差异，使得调速 阀在某一开度时流过各流量阀的流量不同，从而使双杠运动时产生高差： 2 升降负载的制造和安装存在偏差，各油缸承受负载不同，承载大的液压 缸较承载小的缸运行慢； 3 各油缸运动副摩擦力不同。由于各油缸的制造精度不同，安装时运动副 的配合间隙不同，使得运动副摩擦力也不相等，摩擦大的液压缸运行慢； 4 各侧导轨、导靴间的摩擦力不同。由于各侧导轨、导靴的安装精度不一 样，它们之间的间隙就不相等，又由于偏载使得两侧正压力也不同，导致摩擦力 不同。 5 油管长度和弯头数目的不同将