液压电梯热平衡的重要性

对液压电梯的热平衡温度进行了评估，并给出了实现较低平衡温度的建议。

作者：K. Ferhat Celik 和 Murad Kucur

该论文在 2010 年国际垂直运输技术大会 ElevcoN Lucerne 上发表，并首次发表在 A. Lustig 编辑的 IAEE 书籍 Elevator Technology 18 中。 经国际电梯工程师协会 Iaee（网站： www.elevcon.com)。本文为准确重印，未经 ELEVATOR WORLD 编辑。

关键词：传热、热平衡、液压电梯

摘要

液压电梯动力装置的发热是一个非常重要的现象，要得到良好的乘坐性能和更长的使用寿命，应加以控制。 非常低和非常高的油温会降低电梯的乘坐质量。 非常低的油温会导致控制阀的行为迟缓，也可能导致气穴问题，而高油温除了会降低行驶性能外，还会降低润滑性能并增加污染水平。 如果不加以注意，就会形成循环发热过程，从而缩短部件寿命，导致频繁维修并增加电梯的年度成本。

真正的动力装置设计应考虑在可接受的油温下电梯的热平衡作为主要设计约束之一。 在大多数情况下，通过适当的设计可以避免使用冷却器，从而相应地降低能耗。

在本文中，通过推导的理论模型，根据电梯类型、悬吊比和各种环境条件来评估液压电梯的热平衡温度。 还给出了实现液压电梯较低平衡温度的建议。

1。 简介

在液压电梯系统中，必须将能量添加到液压油中，以便将轿厢提升到目的地。 需要电动机来驱动泵将机械能转化为流量。 液压系统中的流动阻力产生压力，其能量驱动电梯系统的气缸。 因此，完整的液压电梯系统实际上是一个能量传递系统。 当能量同时从一种形式转换为另一种形式时，系统中的一些能量会转化为热量，从而增加油箱中油的温度。 然后油自然地将其热能散发到环境中，直到油和环境温度之间的温度梯度相等。

机械阀的使用（约 70%）在液压电梯应用中占主导地位，因为它们在油温变化适中的低使用电梯上具有固有优势。 另一方面，随着工作油温范围的扩大，机械阀的运行质量降低。 因此，在预期的工作条件下，应在设计动力装置之前确定液压油的温度变化。 在工业中，一些经验公式用于确定在大多数工作条件下是否需要冷却器。 然而，这样的计算并没有给出关于电梯使用和环境条件（例如通风、环境温度、动力装置尺寸等）的油温变化的完整视图。目前的工作考虑了所有适用的设计参数，并给出了一个合适的热平衡条件的完整图片，这可能不需要冷却器。

2. 油温变化的原因

高油温可能由内部和外部因素引起。 主要的内部热源是压力损失（或压降）。 流经尺寸不合适的阀门或管道、软管或管道的扭结或急弯都可能导致压力损失过大。 添加到液压系统的每个组件都会引入一个新的压降，该压降会转化为热量。 液压元件的压降随着流量和油粘度的增加而增加。 （可以看出，流道上每存在 0.56 巴的压降，矿物油的温度就会升高 10°C）。 管道、泵、电机、气缸密封件和其他部件中的摩擦损失也会产生热量。 油中夹带的空气也在很大程度上影响高油温。 此外，低油粘度会导致过度发热，因为它本质上无法在运动表面之间保持关键的润滑膜，从而导致磨损并最终增加泄漏。 在图 1 中给出了发热循环。

在上行过程中，各种压降都转化为热量。 如果电机浸入水中，则由于电机的效率，油会额外加热。 此外，更长的旁路、加速、减速和平层时间在很大程度上增加了热量的产生。 这是因为这些时期的一些加压油绕过了油箱，即压力能转化为热量，而不是提高汽车的势能。 在下行过程中，（一般电机断电）汽车的势能大部分转化为热量。

减压阀调整不当、油粘度等级不合适、环境温度高、油箱位置不正确、通风不良或/和机房没有外窗、油箱尺寸和油箱设计不足、动力装置暴露在阳光下等，是一些降低液压系统散热能力的外部因素。

3. 油温变化的影响

油温变化的主要问题是； 油粘度的变化和液压油在升高的温度下可能分解。

机械阀在工作（油）温度范围的中间值进行调节。 当电梯使用率低（低于20次/小时）时，工作温度变化会受到限制，电梯将能令人满意地运行。 随着工作温度范围随着升降机的使用而扩大，机械阀在非常低或非常高的油粘度下会有不同的反应。 当油的粘度很高时，即油是冷的，系统运行就会变得迟缓和不令人满意。 例如，电梯的启动可能会很颠簸，加速和减速时间变长。 因此，当油冷时加热油会产生有益的效果。

另一方面，低油粘度使油变稀，电梯运行变得不稳定和不良。 在这种情况下，加速和减速时间变短，电梯速度降低（由于泵的容积效率较低），这导致机械阀的平层时间延长和行程时间延长（图 2）。 随着行程时间的延长，动力装置发热和行程时间延长之间会引发循环链式反应。 持续的系统运行通常需要换油、更换密封件和维修部件。

使用电子阀，油粘度的变化通常不会影响跳闸时间（减速、加速等）和电梯速度。 因此，它们可用于比机械阀高得多的工作温度范围。

矿物油即使在室温下也会氧化，但在升高的温度下其氧化速率会急剧增加。 矿物油的氧化率在 80°以下通常可以忽略不计，并且在 10°C 以上每升高 80°C 氧化率就会增加一倍。 在液压电梯应用中，油温通常保持在 55°C 以下，但是泵和电机轴承中的温度将高于油箱中测得的油温。 因此，油的温度上限应保持尽可能低，否则油和系统部件的使用寿命可能会提前变质。

油粘度等级的真正选择要考虑平均环境温度和电梯的使用情况。 可以根据环境温度和电梯的使用情况预测最低工作油温。 电梯应用中最常用的粘度等级编号
列在表 1 中。重要的是要注意，推荐的粘度等级可能会随着环境温度的变化而有所不同。

一般来说，机械阀在 12-15°C 的工作油温范围内可提供良好的行驶性能，而电子阀则在约 35°C 时提供良好的行驶性能（ISO VG 46，VI 100）。随着粘度指数 (VI) 的增加（>130），这些温度范围分别达到 20°C 和 40°C。虽然尽可能缩小油温范围是理想的，但规定的温度限制并不算异常，只要液压阀经过适当调整，即可承受。表 2 列出了粘度指数 (VI) 为 100 时，不同粘度等级 (VG) 的最佳和允许粘度范围及其对应的温度限制。

4. 热平衡计算

动力装置设计的主要目标之一是在可接受的油温下通过从油自然转移到管道、执行器和储液罐，以及随后散失到空气中来平衡热损失。 热平衡计算需要对进入和离开液压系统的热量进行真正的数学求和。 为了获得现实的估计，需要同时考虑许多内部和外部因素。 其中一些是；

平均负载系数 (k_加载) 选择为 0.50 (0.4 – 1) 来计算平均负载。

平均负载 = 有效负载 * k_加载       (1)

平均行程系数 (k_旅) 选择为 0.7 (0.5 – 1) 以获得平均行程距离。

平均行程距离 (TD) = 最大行程距离 * k_旅    (2)

每小时平均电机启动次数 (z) 是两个随后的行程循环（上+下）之间的时间，包括开门-关门、装卸和行程时间。 它可以通过;

z = 60/(2 * 行程时间 [min] + 1) (3)

总行程时间 (t_总) 可以通过使用表 3 中的适当时间和方程 (4) 来计算。

4.1 电梯产生的热量

在图 3 中，说明了液压电梯的发热循环。 在向上方向，在旁路、加速、减速和调平阶段，全部或部分加压油被送到油箱，产生大量热量。 对于电子阀，在高速行驶期间，5% 到 7% 的流量也被旁路到油箱。 这是控制电梯速度所必需的。 然而，恒定的旁通、加速、减速和调平时间通常使电子阀产生的热量减少。 电机和泵的效率也会影响上行过程中产生的热量。 这在图 3 中用一条细带表示。在下行过程中，汽车的势能主要转化为热量。 传递到油中的热负荷量可按下式计算；

电动机和泵的效率（h_M，H_P): 电动机的效率随着其额定功率的增加而增加。 潜水电机的效率在 75% 到 80% 之间变化。 另一方面，非潜水电机的效率可以达到 85% 到 93%。 螺杆泵的效率可取75～81%之间。 电动机和泵按照如下效率加热油；

W_{中号,中号} = 电机功率 * (1 – h_M * h_P) (6)

压降 (dP)：液压回路中液压元件的压力损失，例如控制阀、爆破阀、消音器、管道等，可从制造商的数据表中获得。 由于压降产生的热量可以计算如下：

W_压力下降 = Σ 压降*流量    (7)

旁通油产生的热量：这可以计算如下：

W_经通 = Σ⁶_i=1     W_i          (8)

其中，v₃: 速度快, v₅：平层速度，P_st：静压，P_DYN：动态压力（_a：加速，_d：减速），Q流量，W_i 电力流失。

静态和动态压力的计算可以执行如下：

其中，m 代表质量，F 代表力，g：重力加速度，a：加速度，m：摩擦系数，k_加载：平均负载系数，dP：压力损失，n：气缸数，i：2 为间接系统，1 为直接系统，m_TCV: 总配重质量。 当电梯为推动式时，则 m_TCV = 0。

然后是上行过程中产生的总热量；

W_up =W_马达，泵 + W_经通 + W_压力下降       (15)

下行过程中产生的热量： 向下方向的一般方程变为：

W_dw = M * g * h * k_旅      (16)

4.2 功率单元的散热

液压系统的热量以两种方式消散：通过自然对流和通过强制对流。 由于温度梯度，热量从各个系统组件移动到周围空气时会发生自然对流。 当需要热交换器时，会出现第二种散热模式，即强制对流。 另一种散热方式辐射也在起作用，但其影响基本上可以忽略不计。

4.2.1 水箱和外露气缸的散热

只有当表面和环境空气之间存在温差时，热量才会被传递。 散热计算要复杂得多，通常来自经验数据，或者必须依赖基于几个假设的表格。 图 5 提供了一些典型的“静止空气”条件下从裸钢平面到环境空气的整体传热系数。 在那里，当表面处于气流中时，也会给出倍增因子。

罐和气缸提供的冷却量主要取决于它们的表面积、发射率、位置和周围温度。 使用图 5 中的图表和表格计算有效传热系数。

可以假设大部分热量是通过对流从气缸和罐中传递的。 因此可以写出以下散热公式：

W_油箱 =小时*一个_坦克 * (吨_油 - T._房间) (17a)

W_圆盘 =小时*一个_气缸 * (吨_油 - T._轴) (17b)

其中，W：散热功率，h：总传热系数（0.0090 – 0.012 kW/m²°C)，A：表面积，T：温度。

4.2.2 向罐体吹气散热

在大多数情况下，电梯井就在机房后面。 每次电梯轿厢移动时，它都会在井道中进行抽吸动作，即推动其前面的空气并吸入下面的空气，反之亦然。 电梯轿厢在井道中的泵送作用可以帮助冷却油箱中的油和通风房间内的空气。 这在图 6 中示意性地显示，其中水箱放置在竖井壁上的开口前面。 井道顶部的窗户让新鲜空气进入井道，当轿厢下行时，轿厢下方的空气被推出机房窗户。 反之，新鲜空气从机房窗户吸入竖井，轿厢上方的空气被推出竖井窗。 这称为自然吹气。

4.3. 基于时间的热平衡计算

热量计算通常针对临界条件下的一小时往返次数进行，此时油和环境温度分别选择在其极限值（例如 55°C 和 30°C）。 如果产生的热量高于散发的热量，则选择具有该差异的冷却能力的热交换器。 然而，这个计算没有考虑温度随时间的变化，这对于决定冷却器也很重要。 因此，可以基于时间参数从下面的公式中获得更全面的解决方案。 在真正平衡的情况下，必须将进入的物质作为温度升高或从系统中转移出的热量来考虑。 因此，

新能源_离 = E._离 = 能量_吸收 + 能源_消散的                  (18)

一般关系是;

E_离 * dt = (Σ 厘米_合计) * dT_D + (Σ K a)T_D * DT                   (19)

其中，t：时间，c：平均比热，M_合计: 组合质量，T_D：温差，k：总传热系数，A：表面积。

如果微分方程在 T 的极限之间排列和积分_Di （初始 T_D） 和T_D;

      

当 t 接近无穷大时达到稳态温度，因此最大值。 吨_D 是通过以下方式获得的；

5。 结果

为了显示平衡温度的模拟，间接电梯被建模为标准推式和带配重的拉式。 对于这两种类型，都在不同的设计条件下使用机械和电子控制阀进行了模拟。 在这些模拟中，油箱油量被视为与泵流量 (Q) 相同或两倍 (2Q)。 已经检查了旅行循环、潜水或外部马达以及自然空气吹（冷却）到油箱上的影响。 用于模拟的数据如表 4 和表 5 所示。

由表4和表5可以看出，拉动式电梯的电机功率和泵流量分别比推式低40.6%和30.1%（由于配重的存在），从而降低了电梯的发热量。动力单元。

使用潜水电机和外部电机以最高（40 次循环/小时）和中等（20 次循环/小时）工作循环进行模拟。 没有使用外部冷却器，并且假定室温恒定在 27°C。 使用上述数据并应用上述公式，获得了各种热平衡曲线，如图 7 所示。图 7(a) 至 (c) 是在油箱容量为 Q 和 (d) 至 (e) 为 2Q 的情况下获得的。

应该提到的是，表 5 中给出的机械阀的平均跳闸时间可能高于 50°C，由于容积效率的降低（泄漏增加），可以适用更长的旁路和水平时间。泵和不可避免的循环温度效应。

对于高使用率电梯（z = 40），油箱油量加倍可使潜水式油箱的平衡温度降低 8% 至 10%，外置式油箱的平衡温度降低 6.7% 至 9%。而对于中等使用率电梯（z = 20），这些百分比分别变为 5.8% 至 7.6% 和 4.7% 至 6.6%。假设电梯轿厢运动时有 60% 的空气吹入油箱，则在高使用率（z = 40）下，平衡温度会下降 2.3% 至 3.7%；否则，下降百分比低于 1.2%。

带有外部电机的动力单元可以将平衡温度降低 13% 至 16%。 拉式升降机使平衡温度降低了 17.3% 到 21.5%。

可确保平衡温度下降 6% 至 10% 的电子阀适用于高使用率的电梯。 一般情况下，对于拉式电梯，电子阀可以不用冷却器，而推式电梯可以使用电子阀。
带有潜水电机的电梯需要冷却器或更高的油量。

机械阀一般适用于低使用量。 当使用外置电机和/或2Q油量的牵引式电梯时，机械阀也可用于中等用途的电梯。

由于电梯很少以最大循环容量使用，因此根据全天的使用场景评估平衡温度更合乎逻辑。 在图 8 (a) 到 (c) 中，给出了这种情况下的平衡温度在不同的室温下。

图8（a）至（c）说明了在场景条件下，带机械阀的推动式电梯可以与外部电机，冷却器和2Q油容量一起使用（8-a）。 将机械阀换成电子阀可以避免使用冷却器和外部电机 (8-b)。 另一方面，牵引式电梯可以在冷却器的帮助下与潜水装置一起使用，也可以使用 2Q 油容量 (8-c)。 但是，使用外置电机，最好配备 2Q 油容量，提供了最佳解决方案。

6。结论

人们认为，避免热量相关问题或至少将其最小化的最佳方法是设计热效率高的液压动力装置。 因此，应充分重视热平衡评估，以避免对电梯系统产生不良的热影响。 这种方法显然考虑了生命周期、技术和环境参数。

通过缩小工作油温范围，可以获得高质量的乘坐体验。 将热量带走的最经济方式是通过自然散热而无需冷却器。 当冷却器的必要性没有明确理由时，应考虑在水箱上使用低功率风扇。

带有外部电机的动力单元将平衡温度降低了 13% 至 16%。 带配重的牵引式电梯大大降低了电机功率和泵流量。 结果，平衡温度降低了21.5%。

采用带电子阀和外置电机的抽拉式动力装置，最好是2Q油容量，可以在更高的工作循环中安全使用，无需冷却器。

如果选择推动式升降机，机械阀非常适合低使用率，否则应首选电子阀。 但是，当使用拉动式时，机械阀也可以在使用中期与外部电机单元一起使用。

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