适用于中高层建筑的新型紧凑型 Mrl 液压升降机

HILA 系统的产品聚焦展示了新的气缸技术，以克服旧的限制。

该论文发表于 柏林 2018 年国际垂直运输技术大会，并首次发表在 IAEE 书籍 Elevator Technology 22，由 A. Lustig 编辑。 经国际电梯工程师协会许可转载 (www.elevcon.com).

一般来说，液压升降机仅限于低速，并且由于油缸屈曲，仅适用于低层建筑。 一种新型气缸技术， 液压无限线性执行器 (HILA)，有可能消除这些限制。 由于这种新的执行器技术允许非常长的冲程和高速，液压升降机现在是中层建筑的一种选择。 与当前的液压举升系统相比，HILA 油缸结构紧凑，可有效利用资源，并允许高达五倍的液压压力。

新产品的开发必须基于生命周期评估 (LCA)。 考虑到整个生命周期，HILA 技术比传统的电动和液压升降机以及电动直线电机驱动器更好。 这考虑了使用期间材料使用和能源消耗对环境的影响。

介绍

过去，液压升降机是低层应用的主要解决方案，但在过去的 20 年里，液压升降机几乎从新安装市场上消失，取而代之的是带配重的牵引升降机。 然而，这也带来了成本：在使用受限的应用中，例如在住宅建筑中，电梯制造对环境的影响大于使用阶段的影响。 因此，在此类应用中，不带配重的系统将是首选。

城市化的大趋势带来了对中高层住宅建筑的需求增加。 我们的研究表明，如果电梯在没有配重的情况下建造，大多数建筑物对环境的影响会更小。 根据 2016 年全球电梯和自动扶梯销售市场报告，1.2 年全球共售出 2016 万部电梯。^[7] 根据我们考虑到环境影响的 LCA，其中超过 600,000 个最适合 HILA 技术。

液压升降机问题的本质

在工业和移动系统中，在传输动力方面，液压通常比其他动力源具有几个优势。 使用液压系统，可以高精度地控制高力，运动部件少，功率密度非常高。 然而，当应用需要长时间的直线运动时，传统液压缸会出现许多问题，这就解释了为什么液压升降机不用于中高层建筑。 问题是屈曲、低液压刚度、低液压系统压力和组装。 屈曲可能是限制传统液压缸行程长度的主要问题。 在提升机械中，这可以通过使用牵引油缸与绳索和相关设备相结合来解决。

液压刚度对整个升降系统的动态行为和可控性产生不利影响。 通过显着降低系统压力，可以减轻冲程长度以及液压刚度和固有频率的影响。 它导致当今液压升降机的系统压力非常低，约为 4 MPa（约 580 psi）。 但是，降低系统压力需要更大的部件和油量。 由于液压供应系统占用空间，因此通常需要专用机房。 在五层楼的建筑物中运行的液压升降系统可能需要大量的油。 如果外部气缸或液压蓄水池开始泄漏，可能会造成环境问题，例如地下水受到污染。

长行程常规液压直线油缸显然存在技术、经济和环境难题。 通常与其他应用中的液压系统相关的优势——紧凑性和高功率密度——随着行程长度的增加而减弱。 考虑到上述优点的可取性，问题出现了：是否有传统液压缸的替代品，即使在长冲程下也能保持高系统压力和紧凑性？

HILA 解决了这些问题，并且可以为中层建筑提供液压升降机替代方案。 与长行程应用中的传统液压缸相比，使用 HILA，可以使用高达五倍的系统压力，即 20 MPa (2,900 psi)。 更高的压力水平也适用于移动应用。 与传统液压缸相比，执行器具有更高的刚度，增加的设计压力降低了系统的固有频率。

由于体积小，气缸具有很高的刚度。 这是有利的，因为它会影响定位负载时可以达到的静态精度，并且它决定了系统动态响应的性质。 在液压缸中使用长行程时，通常很难使用高液压，因为它降低了系统中的固有频率。 可以看出，固有共振频率 ω_h 对于提升油缸是：

协调 _行程 是气缸的行程和 P _系统 是系统压力。 在高系统压力水平下可以实现更高的固有频率，因为与传统提升油缸相比，HILA 油缸的行程要短得多。 更高的系统压力和更小的腔室容积允许更紧凑的系统设计，具有更低的流量、更少的阀门能量损失和更小的储液罐容积。

在图 1 中，绘制了恒定功率曲线以显示系统压力与所需最大流量之间的关系。 该图说明了 HILA 技术允许的急剧压力增加及其有利后果。 在通常在 10 MPa 的最大系统压力下运行的 4 kW 液压提升系统中，需要的最大流量为 150 lpm。 使用 HILA 技术，系统压力可以增加到 20 MPa，从而将最大流量降低到 30 lpm。

当系统压力可以增加五倍，最大流量可以减少到五分之一时，就可以实现更小、更简单、更经济的供应系统。 储液器可以小 90-95%。 整个供应系统，

包括电机在内，可以放置在狭窄的空间内，不需要专门的空间来供液压。 与传统的液压升降机不同，HILA 技术在材料使用方面不受楼层数量的影响。 HILA 系统需要相同数量的材料，但活塞杆除外，无论层数如何。

海拉科技

HILA 技术将两个短行程气缸与两个接合和分离夹紧机构结合到一个具有长行程长度的执行器中。 夹紧机构，一个液压膜，在加压时连接活塞和杆。 通过使用简单的逻辑阀进行加压，活塞和活塞杆可以快速连接和断开，最大程度地安全可靠地夹紧。 每个由夹紧机构连接在一起的单个短行程活塞的运动产生活塞杆的运动。 对于运动，其中一个活塞交替连接到杆上，提供驱动力。 这样，两个活塞以一种爬绳运动交替移动杆。 M. Landberg、M. Hochwallner 和 P. Krus 在“新型线性液压执行器”中更详细地介绍了 HILA 创新。^[1] 图2描述了气缸的驱动过程； 在第 7 步之后，该过程继续第 2 步。（有关 HILA 的视频动画，请访问 Youtube.com/watch?v=tvjkqc2w5ws..)

本发明的核心已在各种高精度液压卡盘架中使用多年。 这种液压轮毂/轴连接设计紧凑，锁定快，定位准确。 锁定是在与夹紧机构分开的外部液压源的帮助下完成的。

夹紧机构是一个带有密封件的青铜材料的开口套筒，它内置在气缸的活塞中。 它仅传递轴向力，适用于需要频繁、快速和精确地进行重新定位的情况。^[1]

活塞杆和气缸之间的传统密封解决方案在一定程度上防止了外部泄漏，但会产生相当大的摩擦并产生能量损失。 要设计一个能提供更好性能的节能系统，必须最大限度地减少摩擦和能量损失。 这可以通过用青铜轴承更换活塞和气缸之间的耐磨环和活塞杆密封件来实现，这种布置具有多种优势。 使用灵活的防护罩，允许气缸密封件出现更高的泄漏。 这减少了摩擦和能量损失，提高了气缸的功率效率。 此外，当摩擦减小时，允许更高的杆速度。 例如，这允许在中层建筑中使用高速电梯。^[1]

由于活塞的冲程相对较短，因此可以用活塞上的防护罩覆盖气缸并捕获泄漏的油，然后将其返回油箱。 引导解决方案显着降低了油污染的风险，同时提供更高的功率效率和杆速度。 但是，应该注意的是，如果泄漏变得太高，则控制精度可能会变得太低。^[1]

仿真和优化研究

HILA 技术的控制问题是模仿传统气缸的运动行为。 目标是保持恒定的执行器速度，即使在负载从一个气缸转移到另一个气缸的过程中，也能以平稳无脉动的方式进行。 将电梯轿厢从 A 层垂直提升到 B 层的载荷工况可以表征为惯性载荷和力载荷的组合。 Hochwallner 和 Krus 在“液压无限线性执行器的运动控制概念”中展示了基于类似于电梯的负载情况的仿真结果，提升了质量。^[3] 提出并分析了具有主动负载转移的控制概念，结果是平滑的驱动运动，只有边缘的冲击。 HILA 执行器由两个由快速伺服阀驱动的气缸组成。 控制回路由精确的位置传感器闭合。

在提升应用中，昂贵的伺服阀和传感器不是一种选择。 这里的挑战是使用普通的方向阀和简单的位置传感器来实施一个具有成本效益的控制系统，该系统可以提供平稳的运动和恒定的提升速度，而不会在负载转移时出现不可接受的冲击。

林雪平大学 (LiU) 研究和分析了具有简单、经济高效的方向阀和位置传感器的 HILA 系统。 本研究中的电梯应用已作为 HOPSAN 仿真模型实施。 HOPSAN 是一种用户友好的多域系统仿真工具，用于液压和机电一体化，由 LiU 的流体和机电系统 (FLUMES) 部门开发。^[9] 设计了一个以低脉动水平和舒适运动为特征的系统（图 4）。

优化组件的仿真结果表明，使用简单、稍作修改的方向阀和简单的离散位置传感器可以实现与使用先进的液压伺服系统实现的功能和性能相同的功能和性能。 模拟研究表明，HILA 技术可以成为中层建筑电梯的一种经济高效且具有竞争力的替代方案。

LCA研究

介绍

人们越来越意识到环境保护的重要性以及与制造和消费的产品相关的可能影响，这激发了人们对开发方法以更好地理解和解决这些影响的兴趣。 为此目的而开发的技术之一是 LCA。

LCA 解决了整个产品生命周期中的环境因素和潜在的环境影响，从原材料获取到生产、使用、报废处理、回收和最终处置。 1997 年，欧洲标准化委员会发布了第一套 LCA 性能国际指南。 ISO 14040 标准系列已被 LCA 从业者广泛接受，并随着 LCA 领域的进步而不断发展。 LCA 研究有四个阶段：目标和范围定义阶段、清单分析阶段、影响评估阶段和解释阶段。

由于对 HILA 电梯技术的评估处于研究阶段，我们决定在此阶段不进行完整的 LCA，而是基于之前的 Miljögiraff LCA 报告 56.^[6] 完整的 LCA 报告与 ISO 14040 系列和电梯的环境产品声明产品类别规则草案一致。 在整个研究中始终使用 ISO 25745-2 中定义的电梯术语。 在这项研究中，液压升降机与带配重的牵引升降机进行了比较。 到目前为止，两个方面对环境的影响最大：产品的制造和使用能源。

输入数据

数据来源于 Miljögiraff LCA 报告 56 并在这项新研究中使用的是以下内容：

1. 每千克材料的 ReCiPe Endpoint 为 0.9。
2. ReCiPe Endpoint 每千瓦时使用的能量为 0.085。

ReCiPe Endpoint 的定义可以在 Miljögiraff LCA 报告 56.^[6]

系统比较

在这项研究中，我们比较了住宅建筑中最多 20 个站点的电梯的四种不同可能的解决方案。 电梯的额定载荷为 1000 公斤，额定速度为 0.63 mps（四站）或 1 mps（20 站和 XNUMX 站）：

1. 常规液压升降机：四停和八停
2. HILA 液压直线升降机：四档、八档和 20 档
3. 无配重牵引机房：四、八、二十档
4. 电动直线升降机：四档、八档和 20 档

材料估算

四种不同系统的材料含量见表 1。

估计能耗

四种不同系统的能耗已经在理论上进行了评估。 平均负载是根据 ISO 25745-2 计算的，用户类别 1 为四次停止，用户类别 2 为八次和 20 次停止。 实际势能（质量 X 重力 X 高度） 在一个方向上计算； 在另一个方向，剩余能量被反馈到供应网络。 各子系统已使用的效率见表2。20年的总能耗，包括待机使用量，见表3。

LCA的结果

LCA 的结果表明，对于低层住宅建筑，传统的液压系统仍然具有吸引力。 对于中层建筑，HILA 概念是最具吸引力的概念，如图 6 所示。 LCA 是通过 HILA、牵引和电力线性的电能反馈计算得出的。

讨论

紧凑的液压系统将通过执行器驱动电梯并以泵和电动机的形式供应，将放置在电梯井的墙壁上。 电梯井壁上的执行器附件和钢丝轮附件可以安装合适的阻尼器，以减轻剩余的高频脉冲。

HILA 技术已在瑞典 LiU 的 FLUMES 的几项学术著作中得到广泛分析。^{[1-3 & 5]} 该技术已在 HOPSAN 模型中进行了模拟和分析，并在 LiU 的液压钻机中进行了验证。 （见视频在 youtube.com/watch?v=UCO-OQOdxtg.)

在这项研究中，重点是基于简单换向阀的中层提升应用。 下一个开发步骤将是在 Hydroware 构建基于 HILA 技术的电梯原型，以验证 HOPSAN 和 Simulink 仿真工具中的仿真和优化结果。

在过去的几十年里，人们非常关注在不同产品的使用过程中降低能耗，但很少关注用于制造的材料对环境的影响。 这项研究清楚地表明，用于在住宅建筑中生产最多 20 个停靠站的电梯的材料对于电梯使用寿命期间的环境影响至关重要。

结论

一般来说，液压升降机仅限于低速，只适用于低层建筑。 HILA 执行器是一种新型液压缸技术，有可能消除这些限制。 它允许非常长的行程和高速，这为中层建筑中的液压升降机开辟了潜力。 HILA 气缸结构紧凑，效率高。 它允许的液压压力是当今液压升降机的五倍。

这里研究了带有简单方向阀的 HILA 系统。 在仿真和优化的帮助下，结果表明，基于这些简单且具有成本效益的方向阀，可以在提升应用中获得无脉动运动。 研究表明，本实施例中获得专利的 HILA 技术可以成为中层建筑升降机的有趣、有竞争力和成本效益的替代方案。

根据 2016 年全球电梯和自动扶梯销售市场报告,^[7] 1.2 年全球共售出 2016 万部电梯。根据我们的 LCA，如果考虑到总体环境影响，HILA 技术最适合其中 600,000 部以上。

致谢

这项工作由瑞典政府创新系统局 (Vinnova) 赞助。 www.vinnova.se/en

案例
[1] Landberg, M.、Hochwallner, M. 和 Krus, P.“新型线性液压执行器”。 ASME/Bath 2015 年流体动力和运动控制研讨会 (FPMC2015)。
[2] Hochwallner, M.、Landberg, M. 和 Krus, P.“液压无限线性执行器——与控制相关的特性”。 第十届国际流体动力会议（10. IFK），10。
[3] Hochwallner, M. 和 Krus, P.“液压无限线性执行器的运动控制概念”。 9 年第 2016 届 FPNI PHD 流体动力研讨会。
[4] Sachs, H.、Misuriello, H. 和 Kwatra, S.“推进电梯能源效率”。 报告 A1501，2015 年 529 月，美国节能经济委员会，14 600th Street NW，Suite 20045，华盛顿特区 XNUMX
[5] Landberg, M.、Sethson, M. 和 Krus, P.“多杆液压无限线性执行器”，第 15 届斯堪的纳维亚流体动力国际会议，SICFP '17，7 年 9 月 2017-XNUMX 日，林雪平，瑞典。
[6] Miljögiraff Lca 报告 56 Hydroware。 由 Miljögiraff AB 发布，2015-03-30。
[7] 2016 年全球电梯和自动扶梯销售市场报告。报告 - MnM 集团。
[8] ETP-OCTOPUS，ETP 传输 AB (www.etptrans.se)。
[9] 模拟工具 HOPSAN (en.wikipedia.org/wiki/Hopsan)。