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液压施工升降机总体及液压系统设计

文档作者：王菲菲		点击数：	更新时间： 2022年12月31日
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西南交通大学
硕士学位论文
液压施工升降机总体及液压系统设计
姓名：王菲菲
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及自动化
指导教师：龚邦明
20090501
西南交通大学硕士研究生学位论文第l页
摘要
施工升降机是一种用吊笼(或平台、料斗等)载人、载物沿导轨作上下运
输的施工机械。它主要应用于建筑工程施工时使用，尤其是高层建筑工程的施
工或维修时使用更为广泛。改革开放以来，我国建筑行业蓬勃发展，尤其是近
年来高层、超高层建筑的增多，对施工升降机性能的要求也相应的提高，各种
新型施工升降机的研制事在必行。随着液压技术的发展，国外也开始出现了以
原动机(电机式内燃机)——液压(静压)为传动形式的液压施工升降机。液压传
动系统具有无级调速、起制动平稳的特点，其运行速度可高达96m／min，当使
用内燃机作为动力时就可不受电缆的约束，因此可用于无电源地区和超高层建
筑物施工和维修。国内在液压施工升降机的研制方面不如国外的先进，因此研制
出应用先进控制技术的机、电、液一体化的液压施工升降机迫在眉睫。
本课题在现有机型的基础上通过优化和改进，设计出的一台提升高度高、
综合使用性能好的液压施工升降机，其提升形式采用钢丝绳式，额定起重量为
1吨，提升高度为200米，综合性能上要更加适合施工作业。
本课题所设计的液压施工升降机是在综合各方面因素及用户需求的基础
上，完成总体方案的设计以及起升机构的设计。在总体设计方案的基础上，完
成液压控制系统的设计，具体有液压执行元件——液压马达载荷力矩的组成与
计算、马达排量和流量的计算与马达选型；制定液压系统基本方案和绘制液压
系统图；液压元件——液压泵、液压阀、管道以及油箱容量的计算与选择；液
压系统性能验算等。
关键词：液压；施工升降机；控制系统；AMESim仿真
西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I页
Abstract
A construction hoist is a construction machine which iS used to carry man or
objects，moving up and down along the rail．It is mainly used in the building
construction，especially widely used in high．rise building construction or repair．
Since the reform and opening up．China’S construction industry is booming，
especially the number of high．．1evel or ultra．high．．rise building is increasing；the
requirements for the performance of the construction hoist is enhanced
correspondingly，SO it is necessary to develop various kinds of new type
construction hoist．With the development of hydraulic technology．a hydraulic
construction hoist which use combustion engine—-hydraulic power as itS driving
system emerged abroad．The character of Hydraulic drive system is its stepless
speed regulation and smooth braking and startup。its speed Call be as high as 96m|
min．when using the intemal combustion engme as a power．you will not be
bounded by cables．SO it can be used in areas without power or ultra—high—rise
building construction and maintenance．The development of construction hoist
inland iS not good as foreign countries．SO the development of construction hoist
with advanced control technology which iS integrated by mechanical．electrical and
hydraulic technology．
By optimizing and improving the existing models．a new construction hoist iS
designed in this task，which Can elevate higher and has a good synthesis
performance．The new construction hoist uses steel wires．rating lifting weight iS 1
ton．and lifting height iS 200 In which iS more suitable for construction work in the
aspect of synthesis performance．
The design of the hydraulic construction hoist is based on the user’S needs and
synthesizing variOUS factors．the task completes the overall program design as well
as the design of hoisting mechanism．Based on the overall design scheme．
finishing the design of hydraulic contr01 system。the makeup and calculating of
hydraulic executing components．hydraulic motor torque load．the volume and flux
of the motor．
Instituting the basic program of the hydraulic system and plot the drawing；
Calculating and selecting hydraulic components．hydraulic pump，hydraulic valve，
the capacity of fuel tank and pipelines．checked the performance of the hydraulic
system and SO on．
Keywords：Hydraulic；Construction hoist；Control system；AMESim Simulation
西曲南交父通迥大学罕
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意
学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文
被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编
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本学位论文属于
1．保密口，在年解密后适用本授权书；
2．不保密“使用本授权书。
(请在以上方框内打“4”)
学位论文作者签名：獬
日期： 州．孓。f箩
指删币虢李押明
日期：娜罗．5．如
西南交通大学学位论文创新性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工
作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个
人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和
集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由
本人承担。
本学位论文的主要创新点如下：
1、在对升降机总体设计时，提出了三种可选择方案并进行了论证，
从而选出一种最佳方案。
2、在对液压施工升降机液压系统简化的基础上采用AMESim软件建
立了液压控制系统模型，并对液压控制系统进行了仿真，仿真结果表明该
系统基本能够实现系统压力的实时可调。
学位论文作者签名：王菲菲糯拜
日期： 2009—5—15≥咿t孓。lr
西南交通大学硕士研究生学位论文第1页
1．1升降机发展历史
第1章绪论
升降机同电梯、起重机一样，是完成输送和起重任务中不可缺少的机电
设备，但是它们的种类和承担的具体任务并不相同。
从人类使用升降机械的历史来看，最先使用的是简单机械——绞车；后
来是复杂一点的机械——升降机；再后来出现了机电一体化的设备——电梯
和起重机。现在已发展到使用计算机、应用智能控制的现代电梯和起重机阶
段了。升降机械发展史大体上可分为四个阶段：13世纪前的绞车阶段，19世
纪末叶以前的升降机阶段，19世纪末叶以后的电梯和起重机阶段，现代电梯
和起重机阶段。
1．2课题研究的目的和意义
施工升降机是利用吊笼或平台等将人、物沿导轨上下运输的施工机械，
它在建筑施工中是不可缺少的，同塔式起重机共同承担着建筑施工中载人、
载物的任务。它主要应用于建筑施工与维修，还可以作为仓库、码头、船坞、
高塔等长期使用的垂直运输机械。
自1973年第一台国产齿轮齿条式施工升降机诞生以来，历经30多年的
不断发展，升降机在结构形式、功能、用途、安全装置等多个方面都有了很
大的变化和发展。
施工升降机主要用于城市高层和超高层的各类建筑中，这主要因为这样
的建筑高度对于使用井字架、龙门架来完成作业是十分困难的。近年来，随
着建筑高度的不断增加，架设高度大的施工升降机的需求量也在不断增加。
建筑施工升降机除了应用在高层建筑中还可以应用在大桥的建设中，此外，
它还可以应用在大型化工厂冷却塔、发电厂的烟囱、广播电视塔以及煤矿等
多种施工场合下，施工升降机己成为建筑行业中一种必不可少的机械设备。
西南交通大学硕士研究生学位论文第2页
本课题的最终目的是研制出一台高性能、高效率、低成本的新型机、电、
液一体化的液压施工升降机，以弥补国内施工升降机市场的不足。同时，为
该施工升降机设计出一套符合规范要求、安全可靠、反应灵敏的液压系统，
为施工升降机的快速安全运行提供保障。液压施工升降机运行速度快，可实
现无级调速，起、制动平稳，起动时对电网的要求和冲击均很小，是200m
以上高层建筑施工理想的垂直运输机械。
1．3施工升降机国内外研究现状
近年来，国产施工升降机的发展比较迅速，国际市场上瑞典ALIMAK公
司的产品也不能独占鳌头了。国产施工升降机以其先进的技术性能，过硬的
产品质量，价格上的明显优势等诸多因素的迅速发展极大程度地冲击了它的
市场。
现代设计理论是施工升降机发展的基础。近些年来，随着各种理论的迅
速发展，给国产施工升降机的迅速崛起奠定了强大的理论基础，特别是结构
动力分析、有限元模型计算、优化方法、机械振动与模态分析、计算机辅助
设计等。人们把这些理论应用到施工升降机的研究与开发上，给施工升降机
的发展带来巨大变化，利用这些理论人们可以全面掌握任何高度位置上标准
节的任何部位的应力状态，可以得到施工升降机悬臂部分的动态特性以及由
吊笼提升速度的加大给施工升降机带来的影响。总而言之，利用这些理论，
可以完全掌握施工升降机各方面的结构特性和工作状态。
施工升降机作为垂直运送人员及物料的提升机械，它主要是由导轨架、
吊笼、起升机构和附墙结构组成，当然施工升降机还包括控制系统和安全装
置。这些年来，施工升降机的标准节一直没有大的变化，并且不论多大的架
设高度，采用的基本都是从上到下规格相同的钢材。吊笼虽然有多种型式，
但都是型钢焊接而成。近年来，国外施工升降机的提升速度已由40m／rain提
高到了60rn／min、80m／min甚至高达96m／min，单笼额定载重量在3吨以上，
而国产施工升降机的提升速度在24--一36m／min之间，单笼额定载重量基本上
不超过2吨。
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页
1．3．1我国施工升降机发展中存在的不足
目前，虽然国产施工升降机已经取得了很大的发展，但是仍然存在着许
多不足之处。
首先，没有应用不同公称尺寸的材料作为标准节来分段架设。根据现代
设计理论可以全面地掌握施工升降机在每个架设高度任何截面上的应力状
态，从结构受力状态分析，无论架设高度是多高的施工升降机其底部的标准
节都是承受应力最大的部分，而随着施工升降机架设高度的增加其应力状态
更加恶劣。而当架设高度一定时，施工升降机上部标准节的应力状态要比下
部的标准节理想的多，通过对施工升降机结构的有限元模型计算和模态分析
也同样可以验证这一结论。因此，将施工升降机按架设高度分段，选取不同
截面形式的材料作为标准节，可以大大减少施工升降机的钢材消耗量、减轻
自重、降低生产成本。
其次，产品形式较为单一，没有根据建筑工程与架设高度的需要而采用
不同结构的施工升降机。三角型截面的标准节，由于少了一根主弦杆，在成
本、钢材消耗量、安装的便利等方面有着很大优势，对于架设高度为100米
以下的建筑，使用该种施工升降机有着巨大的价格优势。可见，根据各种不
同的建筑需要，采用不同截面形状的标准节，能够真正提高性价比。根据建
筑工程与架设高度的需求，可采用大额定提升起重量的施工升降机，目前国
内绝大多数的厂家生产的施工升降机的最大额定起重量是2吨／每笼，从提高
工作效率的角度考虑，可以选择单笼的最大额定起重量为3吨或以上的机型。
大额定起重量产品的需求已经受到了施工升降机厂家的重视，瑞典ALIMAK
公司生产的SCAND0650施工升降机的额定起重量已经达到了3．2吨。
再次，升降机没有广泛地采用变频器来改善施工升降机的速度特性。变
频器在改善速度特性方面是起着极其重要的作用。过去，变频器由于技术还
不成熟，而且价格较高，大多数施工升降机厂家是不会考虑安装变频器作为
主要改变速度特性的装置。这些年来变频器已广泛使用在各种改变速度特性
的场合，而且技术成熟了，体积减小了，价格降低了，这些都为施工升降机
在改变提升速度的同时改善起、制动特性带来了可能。正因为使用变频器，
对施工升降机可以实现理想的自动平层功能，而且大大提高了施工升降机的
西南交通大学硕士研究生学位论文第4页
档次以及整机的安全性和舒适性，产品性能、可靠性和寿命也进一步提高。
最后，吊笼自重过大，影响了额定起升载重量。施工升降机作为垂直运
送人员和物料的提升机械，其吊笼是完成提升任务的具体执行装置。目前吊
笼多是两根主立柱焊接的钢结构，周围有钢丝保护网，吊笼前后分别安装着
单、双开吊笼门，顶部有活动板门，配备的专用梯可作为紧急出口，也可以
在顶部进行架设、维修和保养等工作。目前吊笼的最主要缺陷是自重过大带
来的不良影响，特别是应用在高层或超高层建筑物上时影响尤其显著。
1．3．2我国施工升降机今后的发展方向
1．施工升降机是以各类钢材为主结构的组件，因此它的利润空间是很小
的。对于施工升降机，其利润是随其架设高度的增加而增加的。如果在整个
架设高度上都使用同样规格的标准节和主弦杆，经济投入势必较大，同时从
整个结构受力状态来说，它也是不理想的。而如果能够根据载荷、危险截面
位置、架设高度将结构分成几段为其分别选取不同公称尺寸的标准节和主弦
杆，则可大大地降低施工升降机的生产成本。将整个架设高度简单的分成二
段或三段，按受力状态为各段的标准节和主弦杆选择合理的公称尺寸，则可
达到这个目标。
2．改进施工升降机的速度特性是改善其产品综合性能的一个主要方面，
它可以提高施工效率。随着高层和超高层的建筑量的不断增加，改进施工升
降机的速度特性显得尤为重要。而速度特性的改进，绝不能以影响其产品性
能为代价，提升速度增加的同时，还要具备良好的运行性能、安全性和可靠
性。因此，变频器在现代施工升降机上应用得越来越广泛。
3．提高额定起重量对国产施工升降机来说，是在今后发展中需要解决的
主要问题之一。施工升降机经过了多年的发展，仍然基本上沿用原来的机型
模式，真正意义上的突破还不多见，目前对大额定起重量施工升降机的需求
已初现端倪，提高额定载重量将是今后施工升降机的发展方向。
4．根据GB／T10054--1996《施工升降机技术条件》要求施工升降机必须
具备安全防坠器，同时对安全防坠器的各种性能指标也做出了规定。
升降机古代就有，一个绞盘、一根绳子加上滑轮，就能够组成升降机了。
但是，如果要用升降机载人，就必须解决安全防坠落问题，这是相当复杂的
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页
事情，业内人士称安全防坠落问题是升降机发展道路上的世界难题。
150年前，美国人奥的斯发明了安全钳，从此开创了升降机载客时代，他
的名字也就是当今全球最大的电梯厂商的厂名。高楼里的电梯，运行自如，
由电脑控制，运行的平稳程度远远超过施工升降机，主要是使用钢丝绳传动
的原因。但是100多年来，用钢丝绳传动的升降机在室外露天作业的安全防
坠落问题未能解决。室内电梯上的安全钳不能在环境恶劣的室外露天可靠工
作，原因是这种安全钳在露天作业时容易失灵，不能可靠地防止吊笼坠落。
曾有许多业内人士制造过钢丝绳传动式的施工升降机，但都没有成功，失败
的主要原因在于不能十分有效地解决安全防坠落问题。
近20年来，随着施工升降机行业的迅速发展，安全防坠落问题已经变得
非常严峻，引起了广泛的重视，所以业内人士加大了对该问题的研究力度。
经过不断努力，终于研制出几种性能相对较好的安全防坠器，如偏心轮式、
销式、楔块式等。但是由于技术条件的原因普遍也都存在着一定的弊端，所
以就要求对安全防坠器进行不断的改进。传统的安全防坠器由于可靠性差、
灵敏度低等诸多缺点，现在已经逐渐被淘汰。随着科技的不断进步，各式各
样新型式的安全防坠器的出现，必将为施工升降机提供更可靠的安全保障。
1．3．3我国液压施工升降机的发展
我国自行设计制造的第一台液压施工升降机是上海宝达工程机械有限公
司与建设部长沙建设机械研究院联合研制的SCD200／200Y型液压施工升降
机，它于1996年5月问世，样机经国家建筑与城建机械质量监督检测中心进
行了全面的性能测试、结构应力测试和可靠性试验，确认该机在使用性能、
结构强度和安全可靠性等方面均符合计划任务书的要求和有关国家标准的规
定。
SCD200／200Y型液压施工升降机的传动链为：电机——变量柱塞泵——
变量液压马达——圆弧圆柱蜗杆减速器——齿轮齿条啮合传动。通过电、液
比例放大的操纵手柄控制变量柱塞泵的流量，实现无级调速；又通过两点式
开关控制，使变量液压马达具有两种最高转速及相应的输出转矩，以适应正
常运行和安装加节两种不同的工况。
通过对SCD200／200Y型液压施工升降机主要技术性能参数与国际先进的
西南交通大学硕士研究生学位论文第6页
瑞典ALIMAK同类产品的比较可知，SCD200／200Y的参数与SCAND020／40C
很接近，这主要是由于SCD200／200Y采用了更小的功率；SCD200／200Y的吊
笼底面积略小，但若将对重质量提高，则吊笼底面积也可做大。至于标准节
截面尺寸，SCD200／200Y若采用650X650截面也完全可行，但因我们的升降
机比国外多设了驾驶室，同时考虑为今后系列产品生产更大的吊笼留有余地，
所以采用了800X800截面。
SCD200／200Y型液压施工升降机经过工业考核显示出设计先进、性能优
越、安全可靠，耐用性和可维修性强。尤其该机调速性能优良、起制动平稳。
考核期内未发现任何影响安全使用的情况，易损件的磨损周期均在设计范围
内，整机工作效率高、检修维护十分方便。与邻近工地使用的瑞典ALIMAK
进口液压升降机相比，SCD200／200Y的运行平稳性更好、噪音更低、齿条更
耐磨，在当时该机达到了世界上同种产品的先进水平。
1．4电液比例技术的发展概况
第二次世界大战后期，由于喷气式飞机的提速，对飞机液压控制系统的
快速性、动态精度和功率——重量比都提出了更高的要求。1940年底，在飞
机上首先出现了电液伺服系统。经过20余年的发展，到了60年代，各种结
构的电液伺服阀相继问世，电液伺服技术日臻成熟。60年代后期，各类民用
工程对电液控制技术的需求，显得更加迫切与广泛。但是，由于传统的电液
伺服阀对流体介质的清洁度要求苛刻，制造成本和维护费用昂贵，系统能耗
也比较大，难以为各工业用户所接受。而传统的电液开关控制(断通控制)又
不能满足高质量控制系统的要求。电液比例控制技术的提出，就是要开发一
种可靠、廉价、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控制
技术。自70年代初以来，电液比例技术得以迅速发展，与此同时，也出现了
工业伺服控制技术。
随着现代微电子技术的发展，特别是计算机技术的发展和普及，为实现
各类工艺过程的最佳控制提供了技术基础。因此，工程控制理论的应用已逐
步从航天、航空和军事工程领域，普及到广泛的民用工程部门。电液比例技
术作为连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，己经成为现
代控制工程的基本技术形式之一。
西南交通大学硕士研究生学位论文第7页
在应用液压传动与控制和气压传动与控制的工程系统中，凡是系统的输
出量，如压力、流量、位移、转速、速度、加速度、力、力矩等，能随着输
入控制信号连续成比例地得到控制的，都可称为比例控制系统。在实际应用
中往往根据信号的不同，和系统构成的特点等，将广义的比例控制系统作出
区分：根据输入信号的方式，区分为手动(比例)控制和电液控制；根据控制
系统构成特点和技术特性，进一步将广义概念上的电液控制，区分为一般概
念上的电液比例控制和电液伺服控制。
除了模拟式电液比例元件外，早在60年代人们就开始注意数字式或脉冲
式比例元件的开发。这类元件的优点是对介质污染不敏感，工作可靠，重复
精度高，成批产品的性能一致性好。其主要缺点是由于按载频原理实现控制，
故控制信号频宽比模拟器件低。数字式电液比例元件的电——机械转换器主
要是步进马达和按脉冲形式工作的动铁式或动圈式力马达。数字式电液比例
系统实质上是一种电液数／模转换系统或载频调制系统。其控制分辨精度取决
于每一脉冲的当量步长或调制精度。
从整体看，电液比例控制技术的开发与普及，使工程系统的控制技术进
入了现代控制工程的新行列，不同程度地确立了机电一体化的技术优势。而
构成电液比例技术的液压元件，却是在传统开关型和伺服型元件基础上的进
一步发展。它们所依据的基础理论是一脉相承的，基本结构也是相同或相近
的。另外，电液比例控制器件的基本控制物理量，与开关型和伺服型器件_
样，都是压力P和流量Q。如果撇开采用电液比例技术带来的能综合发挥微
电子技术、计算机技术和液压技术优势，但从器件控制输入信号角度来看，
电液比例控制仅是诸多控制信号方式，如手动、液动、机动、电动、电液等
当中的一种，特殊性存在于共性之中。控制器件发展到80年代的一个重要特
征，就是应用于多种控制输入方式，使器件能满足不同场合、不同技术层次
的需要。
比例技术的发展大概可以分为三个阶段：
从1967年瑞士Beringer公司生产KL比例复合阀起，到70年代初日本
油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止，标志着比例技术的诞生时
期。这一阶段的比例阀，仅仅将比例型的电——机械转换器(如比例电磁铁)
用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构和设计准则几乎
没有变化，一般不含受控参数的反馈闭环。其工作频率仅在l'--5Hz之间，稳
西南交通大学硕士研究生学位论文第8页
态滞环在4～7％之间，多用于开环控制。
1975年到1980年间，可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。采用各
种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术
上日趋成熟。比例元件的工作频率已达到5～15Hz，稳态滞环亦减小到3％左
右。其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也应用于闭环控制。
80年代，比例技术的发展进入第三个阶段。比例元件的设计原理进一步
完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的
稳态精度、动态响应和稳态性都有了进一步的提高。除了因制造成本所限，
比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。
另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，开发出各种不同功能和
规格的二通、三通型比例插装阀，形成了80年代电液比例插装技术。同时，
由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例元件，电液比
例技术逐步形成了80年代的集成化趋势。第三个值得指出的进展是电液比例
容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现，为大功率工程控制系统的
节能提供了技术基础。
1．5本课题的主要研究内容
本课题的主要研究内容包括：
1、总体设计综合各方面因素及用户需求，完成液压施工升降机总体方
案的设计以及起升机构的设计。
2、机械系统的结构设计在总体设计方案的基础，完成吊笼和导轨架结
构的设计。应用有限元方法分析施工升降机在工作过程中吊笼和塔身的变形
及应力情况。
3、液压系统的设计在总体设计方案的基础，完成液压控制系统的设计，
具体有液压执行元件——液压马达载荷力矩的组成与计算、马达排量和流量
的计算与马达选型；制定液压系统基本方案和绘制液压系统图；液压元件——
液压泵、液压阀、管道以及油箱容量的计算与选择；液压系统性能验算等。
4、液压系统安全装置的设计本课题研制的液压施工升降机，除了具
备GBfl"10054《施工升降机技术条件》和GBl0055《施工升降机安全规则》
中所规定应有的安全装置外，因其具有液压系统，在安全装置方面相应作了
西南交通大学硕士研究生学位论文第9页
特殊考虑，增设安全装置。
5、液压系统仿真在总体方案和液压系统的设计完成以后，用软件
AMESim对液压系统进行仿真。
西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0页
2．1概述
第2章液压施工升降机的总体设计
施工升降机主要应用于高层和超高层建筑的施工中，随着建筑行业的迅
猛发展，施工升降机在建筑施工中发挥着非常重要的作用，主要承担着垂直
运输施工人员及货物的工作。
施工升降机使用用途广泛且有着比较复杂的机、电整合机构，又由于建
筑环境的不同而具有零碎、分散的特点，因此较难全面掌握，国内外的分类
方法不同，一般常以升降机驱动方式、使用用途、升降速度、牵引电动机供
电电源、传动机械位置、控制方式等进行分类。
2．1。1国外施工升降机的分类方法
1．按驱动升降方式分类(目前最普遍的分类)
(1)齿条齿轮式升降机：电动机在兼具齿条的导轨上，转动齿轮，带动吊
笼作上下运行。
(2)钢索式升降机，曳引电动机通过蜗杆、蜗轮、曳引绳轮、驱动曳引钢
丝两端的吊笼和对重装置作上下运行。
(3)油压式升降机：电动油泵以流体压力驱动油压缸，使柱塞伸缩直接或
间接带动吊笼作上下运行。
2．按使用用途分类
(1)客货双用升降机：为运送工作人员及搬运建材机具等小型货物而设计
的升降机，其吊笼无内部装饰，井架导轨机构简易，目前最为普遍使用于高
楼建筑工地中。
(2)载人用升降机：此为运送人员而设计的升降机，主要用于超高大楼、
高架道路桥梁、水坝等载人流量大或底层完工的建筑场所，它和客货双用升
降机最大的不同在于运送对象仅以人为主，吊笼内部装饰及围栏防护构造不
同，安全装置须较为完备且符合法规。
(3)载货用升降机：仅为搬运建材机具等货物而设计的升降机，大容量者
可连同卡车、堆高机等一起搬运。
(4)特殊用途升降机：此为特殊建筑环境、特殊条件用途而设计的升降机，
西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1页
如小型或较低建筑物施工时，所采用的油压驱动形式升降工作台，及建筑物
外部装修时，简易升降的吊笼等。
3．按升降速度分类
由于建筑高度及荷载质量需求的不同，升降机升降速度也有所差异。
(1)低速升降机：吊笼升降速度小于或等于0．1m／s。
(2)快速升降机：吊笼升降速度介于0．1～2m／s之间。
(3)高速升降机：吊笼升降速度大于或等于2m／s。
4．按牵引电动机供电电源分类
(1)交流电源供电：大都使用于须具备较大调速范围和升降速度小于lm／s
的升降机。
(2)直流电源供电：一般用于高速升降机。
5．按传动机械装设位置分类
(1)传动机械装设于升降机上部。
(2)传动机械装设于升降机下部。
(3)传动机械装设于吊笼内部，如齿条齿轮式升降机。
2．1．2国内施工升降机的分类方法
中华人民共和国国家标准GBl0052对施工升降机的允类方法是按其传动
形式分为三大类型：
(1)齿轮齿条式。此类型升降机的电动机在兼具齿条的导轨上转动齿轮，
带动吊笼作上下运行。
(2)钢丝绳式。由曳引电动机通过蜗杆、蜗轮、曳引绳轮、驱动曳引钢丝
两端的吊笼和对重装置作上下运行。具有结构简单，易于生产制造，性价比
高的特点，在建筑行业中得到广泛的应用。同时，钢丝绳具有强度高、弹性
大、韧性好、耐磨并能承受冲击荷载等特点，它破断前有断丝现象的预兆，
容易检查、便于预防事故。
(3)混合式。一般采用双吊笼，一个吊笼采用齿轮齿条驱动，另一个吊笼
采用钢丝绳驱动。
西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2页
图2-1齿轮齿条施工升降机
卜天轮2一天轮架3一钢丝绳4一附墙架
5一齿条6一导轨架7一吊笼8一司机室
9一对重10-底笼1卜混凝j{：基础
图2-2钢丝绳式施T升降机
卜底笼2一导轨架3一吊笼
4一外套架5一工作平台
本课题所研制的施工升降机为液压驱动的双笼钢丝绳提升式施工升降
机，可以载人载货两用。施工升降机系统组成包括机械系统、控制系统、安
全装置。机械系统主要由吊笼、导轨架、液压传动起升机构组成。控制系统
用来控制升降机运行、启停、调速等。安全装置用来保证升降机的运行安全，
避免事故的发生。
2．2总体方案的设计
在同样的提升能力、刚性、强度、稳定性的前提下，升降机能否用料更
合理些、提升功率更小些?总体方案的设计选择，起了关键的作用。
西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3页
施工升降机主要由导轨架、驱动装置、吊笼、安全装置、电气系统、地
面围栏等部件组成。影响料耗、功耗的，。主要是驱动、吊笼、导轨架的组合
形式。按导轨架与吊笼的不同组合提出以下方案：单导轨架单吊笼式，单导
轨架双吊笼式，双柱龙门架式。如图2-3所示。
(a) (b) (c)
图2．3方案
不同的方案对驱动装置的功率消耗、输出轴的径向受力有很大差异。导
轨架的顶部弯矩、顶部轴向压力、顶架滑轮的用量、钢丝绳的张力和用量、
风载也大小不一，因此导轨架受力也不同。各类不同设计方案，导轨架结构
的受力大小可以用最大独立高度，在工作状态下的受力情况作分析比较。图
2-4为最大独立高度时的受力简图：载荷、吊笼、对重、顶架、钢丝绳等的自
重共同作用，可简化成顶部轴向压力Q，、顶部弯矩M，，项架的风载形成的侧
向力f，吊笼和载荷在最高工作位置时的风载形成侧向力E，吊笼和载荷形
成的偏载弯矩M，，导轨架风载形成风载集度g，。
西南交通大学硕士研究生学位论文第14页
图2-4最大独立高度时的受力简图
通过对各个方案的比较分析，在提升能力相同时6个外载荷中，弓，M，
在不同方案中相差不多。影响力较大的是Q，M，，q，。综合比较得出适合
本课题的是方案(C)，即钢丝绳提升式液压施工升降机，其工作原理是：起
升机构的电动机通电以后，液压泵带动液压马达转动，通过起升钢丝绳提升
吊笼，使吊笼沿导轨架上的导轨上下运动，完成运输施工人员及货物的工作。
2．2．1技术指标
根据施工升降机的命名规则，本课题所设计的液压施工升降机被命名为
SSDl00／100型。其基本的技术指标如下表2-1所示。
表2-1升降机技术指标
参数名称单位指标
额定载重量kg 1000
额定提升速度n1／mln O～60
最大起升高度m 200
标准节尺寸(长术宽冰高) m 0．8×0．8×1．508
对重重量kg l 000
防坠安全器型号SAJ40—1．95
西南交通大学硕士研究生学位论文第15页
2 2 2导轨架的结构型式
施工升降机的导轨架是该机的承载系统，一般由型钢和无缝钢管组合焊
接形成格构式桁架结构，截面形式分为矩形和三角面。导轨架由项架、底架
和标准节组成。项架上布置有导向滑轮，底架上有的也布置有导向滑轮，并
与基础连接。标准节多采用冲压工艺，依靠胎膜进行焊接，具有互换性。节
与节之间采用销轴连接或螺栓连接，钢材多采用A3或20号钢。标准节的截
面型式有正方形、矩形和三角形。标准节的长度一般为】．5m左右，导轨架
的主弦杆、腹杆多选用等边角钢制造而成。标准节如图2-5所示。
按照导轨架的结构施工升降机可分为单柱和双柱两种，本课题所研制的
施工升降机采用单柱双吊笼，每个吊笼各有自己的驱动装置，并可以独立的
上、下移动，可以提高运送客、货的能力．效率远远超过双柱式施工升降机。
标准节的截面型式为正方形，使其具有更高的承载能力。
2 2 3吊笼的结构型式
图2—5标准节
吊笼是施工升降机中用以载人和载物的部件。一般要求为封闭式结构，
吊笼项部及门之外的侧面有围护。吊笼的框架结构一般为型钢组焊而成。进
料和出料两侧设有翻板门，其他侧面由钢丝网围成。吊笼的～般形式如下图
2 6所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第16页
图2 6吊笼
导轨架的主弦杆用作吊笼的导轨，吊笼与导轨架的主弦杆一般由四组导
向轮连接，如图2—7所示。导向轮保证吊笼不脱离导轨，并保证吊笼沿导轨
架平稳升降。前后导向轮和两侧导向轮承受吊笼自重及载荷，对导轨架产生
偏心弯矩。吊笼的自重对施工升降机的性能影响较大，设计时应力求使其自’
重最轻。
礴
1重i毯一J幽
图2—7吊笼与导轨的连接
一两侧导向轮2一后导向轮支点3一导轨架主弦杆4一前导向轮支点
，4；
西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7页
2．2．4对重
本课题所设计的液压施工升降机装有对重，用来平衡吊笼的重量，以减
少吊笼下降过程中液压泵输出功率，节省能源，同时也改善了导轨架的受力
状态，提高了施工升降机运行的平稳性。对重应在导轨架上运行，不可悬浮
放置。对重一般应使用金属填充物。对重由钢丝绳通过导轨架顶部的天轮和
吊笼对称悬挂。当吊笼运行时，对重装置沿吊笼对面的导轨架的主柱管反向
运行。对重的安装位置如图2—8所示。
图2-8对重的安装位置
卜天轮2一天轮架3一钢丝绳4一吊笼5一对重6一导轨架
2．2．5传动装置
l、传动形式
传动装置是驱动工作机构，随着液压技术的不断发展，在施工升降机上
出现了原动机——液压传动方式的传动装置。本课题所设计的升降机即是采
用这种形式。液压传动系统主要由原动机、轴向柱塞泵和马达、冷却器、油
箱、滤油器和若干阀组成，所有的操作手柄、仪器仪表和控制灯集中在一块
控制板上，并有功能标记。操作手柄能控制油泵的流量，从而改变液压马达
的速度，其速度调节范围可从O"-'96m_／min。在液压马达和蜗杆副减速器间配
西南交通大学硕士研究生学位论文第18页
了多盘液压制动器，能用人工释放。如果液压马达失效，借助于施工升降机
内的操纵杆，升降机就能在自重的作用下，以～定的速度(如24m／min)下降，
液压系统允许升降机缓慢滑下。液压传动系统具有无级调速、启、制动平稳
的特点，当使用内燃机作为动力时就可不受电缆的约束，因此可用于无电源
地区和超高层建筑物施工和维修。如ALIMAK公司的SCANDO
SUPER32／40C，其最大提升高度为250m，而SC．ANDOMINICD则可高达
645m，是世界上迄今提升最高的机种。
2、布置方式
根据传动副的不同，传动装置的布置方式在吊笼上的布置，分为内布置
式、侧布置式、顶布置式和顶布置内布置混合式四种。液压传动装置一般采
用顶布置方式。
2．3安全保护装置
对于客货两用的施工升降机，对其工作的可靠性要求较高，因此，除从
结构设计上提高安全系数来保障机械安全运行外，还要设置多种安全保护装
置，包括机械安全保护装置和电气安全保护装置。
2．3．1机械安全保护装置
机械安全保护装置有防坠安全器、限速器及断绳保护、制动器、缓冲器、
笼门连锁等。
1．防坠安全器当驱动吊笼的钢丝绳松弛或断裂时，防坠安全器的制动楔
块在弹簧的作用下向上托起，与导轨架摩擦而实现制动，将吊笼停止在导轨
架上。当驱动吊笼的钢丝绳张紧并向上拉时，制动楔块对导轨产生的压力消
除，回到原位。制动楔块与导轨间平时应保持一定的间隙，保证吊笼可以上、
下自由运动。制动楔块与滑道间要定期加润滑油以防止生锈，保证动作的灵
活性。防坠安全器是施工升降机最为重要的安全保护装置，其性能好坏决定
着吊笼发生坠落事故时施工人员及货物的安全，所以对其性能有比较高的要
求。
2．限速器及断绳保护吊笼应设有断绳保护和限速器，以便在悬挂或支撑
装置工作时失去作用以及吊笼失控或超速的情况下，安全装置能发挥作用，
能将吊笼制停。一旦升降机出现非正常加速运行，使吊笼运行的瞬时速度达
到限速器调定的动作速度时，即产生制动动作，将吊笼刹在导轨架上或使吊
笼缓慢下降；与此同时，其行程开关动作，将传动系统的电控网络断开。断
西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9页
绳保护装置是当吊笼的提升钢丝绳或对重悬挂钢丝绳断开时，即产生制动动
作，将吊笼或对重刹在导轨架上。
3．制动器在吊笼上装有手动制动装置，当扳动制动手柄时，制动楔块与
导轨架的无缝钢管之间产生摩擦力，实现制动。
4．缓冲器它是设在围栏内，在吊笼和对重底部对应的位置上，当下限位
开关失灵，吊笼下行撞底时起缓冲作用。
2．3．2电气安全保护装置
1．上、下限位开关施工升降机均设置了上、下限位开关，其作用是当吊
笼运行超出限位开关位置时，限位装置将切断总电源而使施工升降机停止工
作。限位开关为自动复位型，安装在导轨架和吊笼上。
2．极限开关吊笼运行超过限位开关并达到越程最终点时，使吊笼停止运
行的一种紧急开关。极限开关是非自动复位型。动作时，切断总电源开关；
动作后，只能手动复位才能使吊笼重新启动，安装在导轨架或吊笼上。
3．防松绳开关和断绳开关升降机在钢丝绳组的一端设置张力均衡装置，
并装有由相对伸长量控制的非自行复位型的松绳开关，如果其中一条钢丝绳
出现的相对伸长量超过允许值或断绳时，该开关将切断控制电路，吊笼停车。
升降机的对重钢丝绳设置断绳开关，当断绳时，该开关切断控制电路，
制动器抱闸。
4．吊笼门连锁装置吊笼门有电气或机械联锁装置，只有当吊笼门完全关
闭后，吊笼才能启动。基础防护围栏门(底笼)上设有联锁开关，只有当吊
笼位于底部所规定的位置时，基础围栏门才能开启；吊笼顶部的安全出口设
有联锁开关，当安全出口门打开时，吊笼不能启动；限速器和断绳保护装置
上设有联锁开关，当限速器和断绳保护装置动作时，联锁开关动作，切断运
行控制回路。
2．4本章小结
根据预定的技术指标要求，提出了几种施工升降机的方案，通过对各种
方案的综合分析比较，确定了液压施工升降机总体方案的设计，为进一步的
设计做好了充分的准备工作。在此基础上，对施工升降机的机械系统的各部
分进行了阐述。
西南交通大学硕士研究生学位论文第20页
第3章施工升降机械系统的结构设计
本课题所设计的施工升降机为不经常繁忙使用，故确定其工作级别为A5
级。
结构是机械系统的重要组成部分，是各种机构的承载部件，它对保证机
械系统的稳定、安全运行起到至关重要的作用。施工升降机机械系统的结构
主要包括吊笼和导轨架两部分，它们都是由型钢焊接而成的格构式部件，具
有重量轻、承载能力大的优点。
本章在使用结构力学和有限元方法对吊笼和导轨架进行力学分析基础
上，进行了结构优化，确定了吊笼的尺寸和材料，导轨架由基础到架设到最
高处的主弦杆的直径，保证其自重最轻、安全可靠。
3．1吊笼的结构设计与计算
吊笼作为提升物品的承重部件，是施工升降机工作过程中运送施工人员
及货物的载体，其上还作用有多种安全、导向装置，在工作过程中承受很大
的载荷，‘所以对其承载能力必须严格要求，必须保证具有一定的强度，同时
还应尽量减少其重量，以便最大限度的提高提升有效载荷的能力。吊笼为整
体框架结构，如图3-1所示。根据施工升降机安全规则(GBl0055—1996)中
对吊笼设计的要求及本课题的额定载荷，设计出符合本文的吊笼尺寸。
图3-1吊笼的整体框架结构
西南交通大学硕士研究生学位论文第21页
3．1．1吊笼结构受力计算
吊笼结构的主要受力杆件有主立柱，上、下纵梁；上、下边框以及斜拉
杆。
吊笼底面的四根槽钢受力计算如下：
M：Fo×一B：4250N．m(3-1)
2 2
式中M一底面单根槽钢所受弯矩(N·m)；
Fo一起重载荷(N)；
B一吊笼的宽度(m)。
茄(纠=170MPa(3-2)
式中形一截面系数(cm3)；
b卜一许用应力(MPa)。
由式(3—2)得，W>6．25 cm3。主要受力构件选择C6．3#，其截面系数
形=16．1 cm3>6．25 cm3，其余构件采用L40×40×5，顶板采用厚度为6mm
的钢板。
3．1．2吊笼总重量的计算
吊笼自重为：
G=m+ + m=368．943kt．／Lml m2 m3 kg = + 2 ·
式中瓯一吊笼自重(蚝)；
m。一6．3号槽钢的总质量(kg)；
m2—-L40×40×5的总质量(埏)；
m，一项板的质量(kg)。
(3-3)
西南交通大学硕士研究生学位论文第22页
安全防坠器自重G，≤50kg，其它部件为G’≤180kg。
吊笼总重为：
G=G工+GF+GI (3—4)
式中G一吊笼总重量(kg)。
将瓯、GF、G’带入式(3—4)得G≤600kg。
3．2导轨架结构的设计与计算
导轨架是施工升降机最重要的承载部件，吊笼在其上做上下运动，实现
施工人员和物品的垂直输送，其在承受吊笼作用力的同时还受到风载的影响，
此外，导轨架还必须具有承受起升钢绳断裂时安全防坠器对其的瞬时冲击的
能力，为了保证施工升降机的正常工作，导轨架必须有足够的强度、刚度和
稳定性。
起重载荷为：
忍=ro+G=16000N (3—5)
式中尼一起重载荷(N)；
Vo一装载量(N)。
导轨架的风载为：
％=C·k^。q·A=8722．5 N
式中嘞一塔身风载(N)；
C一风力系数；
屯一风力高度变化系数；
日一计算风压(N／m2)；
A一导轨架垂直于风向的迎风面积(m2)。
吊笼风载为：
(3-6)
西南交通大学硕士研究生学位论文第23页
‰=C·q·k^·A￡=2205N
式中嘞～吊笼风载(N)；
4～吊笼迎风面积(m2)。
风力产生的剪力为：
Q∥=嘞+‰=10927．5 N
式中Q彤～风力产生的剪力(N)。
风力产生的弯矩为：
M∥=％‘10+嘞‘20=131325N‘m
式中M彤一风力产生的弯矩(N·m)。
(3—7)
(3-8)
(3-9)
主弦杆为塔身的主要承载构件，合理地选用主弦杆的材料可以避免塔身
出现问题。主弦杆单肢受力如图3-2所示。
主弦杆所受合力为：
只=鱼4+
图3-2主弦杆单肢受力
+錾=98578N (3_10)
2／ 掣
西南交通大学硕士研究生学位论文第24页
式中只一主弦杆所受合力(N)；
，一两肢间距离(m)。
鲁≤纠(3-11)
式中A一材料的截面积(cm2)；
防]一许用应力(MPa)。
根据式(3_11)得彳≥高=5．799cm2，查机械设计手册，初选主弦杆8。
X6的角钢。
腹杆所受合力为：
‘=Q∥。cos45。=7726．9N (3一12)
式中乃一腹杆所受合力(N)。
F
仃2云≤纠(3_13)
式中妒一稳定系数。
由上式得：
彳彳≥≥而=3牟·79-f=3．79cm2(3-14) cm2
初诜腹杆为I，40×40X6的角钢。
西南交通大学硕士研究生学位论文第25页
4
3
2
图3—3导轨架的标准节
一卜主弦杆．2一导向轮座3一横腹杆4一斜腹杆
导轨架还包括顶架(顶节)、底架(基节)和撑杆。底架是整个导轨架的
基础，它通过地脚螺栓固定在事先打好的地基上。顶架为导轨架的上盖在施
工升降机工作承受载荷比较大，上布置有导向滑轮。撑杆对整个导轨架起到
支撑作用。
3．3导轨架结构的力学分析
当导轨架达到最大高度时，为了保证其稳定性和垂直度，应每隔一定距
离用一套附墙架把导轨架和建筑物连接起来。附墙架一般由连接环附着桁架
和附着支座组成，连接环由两个对开的半环构成，套装在导轨架的主弦杆上，
通过一些构造与导轨架箍紧。附墙架的间隔一般为两层楼的间距，约为8～
9m，导轨架顶部悬臂自由高度为10一．-1lm。附墙装置能够有效地增加导轨架
的刚度，改善导轨架的受力状况，从而增加使用高度，提高结构的可靠性。
施工升降机在安装工况时，吊笼升至最高一个附着架以上进行接节，这
时顶部悬臂部份对最上面的附着架是一种悬臂工况。上面标准节部份相当于
西南交通大学硕士研究生学位论文第26页
一个悬臂梁，此时悬臂部份标准节下部截面是危险截面之一。升降机在最大
额定载荷下工作，并且此时整个导轨架已架设到一定高度，导轨架底部标准
节不但受到额定载荷，笼重，风载对它的影响，上部巨大自重也将对它产生
一个相当大的垂直载荷作用。此工况下导轨架标准节底部截面也是另一个危
险截面。满载吊笼在上、下运行时，在它经过的标准节的主弦杆上将随机地
作用一个载荷，这时的工况不如上面讨论的工况恶劣。
当施工升降机导轨架高度达到200m时，这时整个主导轨桁架结构的危
险截面仅在基础节与顶端悬臂段，其结构分析模型如图3-4所示。
3．4本章小结
‘：
200
图3—4 导轨架高度200m时结构模型
初步完成了SCDl00／100型施工升降机吊笼的结构设计，对导轨架的整
体稳定性只做了初步的分析，为后续进行施工升降机导轨架的有限——优化
设计打下了基础。
西南交通大学硕士研究生学位论文第27页
第4章施工升降机液压系统的设计
本课题所设计的升降机其传动系统采用液压传动，液压传动使升降机运
行速度快，可实行无级调速，起制动平稳，起动时对电网的要求和冲击均很
小，液压施工升降机是200m以上高层建筑施工理想的垂直运输机械。
4．1液压传动的主要优、缺点
4．1．1优点
1．能够方便地实现无级调速，调速范围大。
2．与机械传动和电气传动相比，在相同功率情况下，液压传动系统的体积小，
重量较轻。
3．工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。
4．便于实现过载保护，而且工作油液能够使传动零件实现自润滑，因此使用
寿命较长。
5．操纵简单，便于实现自动化，特别是与电气控制联合使用，易于实现复杂
的自动工作循环。
6．液压元件实现了系列化、标准化和通用化，易于设计、制造和推广使用。
4．1．2缺点
1．液压传动中不可避免地会出现泄漏，液体也不可能绝对不可压缩，故无法
保证严格的传动比。
2．液压传动有较多的能量损失(泄漏损失、摩擦损失等)，故传动效率不高，
不宜作远距离传动。
3．液压传动对油温的变化比较敏感，不宜在很高和很低的温度下工作。
4．液压传动出现故障时不易找出原因。
西南交通大学硕士研究生学位论文第28页
4．2升降机对液压传动系统的要求
本课题所设计的升降机液压传动系统的主要任务是通过对液压马达的
控制，以足够的功率来实现对载人载物的吊笼升和降的控制。本设计的液压
系统应该满足下面的条件：
1、执行元件液压马达必须实现自身的工作循环，被驱动轮应该使吊笼
的工作速度和工作时间满足设计的要求，且整个目标的实现必须在机械系统
的辅助及电气控制系统的操作下来完成。
2、整个液压系统能在建筑施工的环境条件下随时实现升降机载人载物
的要求，基本上达到自动化，有完善的循环过程。在吊笼运行过程中应该保
证其运行的平稳可靠。
3、液压系统能满足泄漏、防尘、噪声、安全可靠性的要求。
4．3液压施工升降机的速度曲线
由于本课题所设计的升降机是人货两用升降机，在运行时，伴随着频繁
的起动加速和制动减速过程，对升降机的动力系统首先要考虑运行效率。其
次，升降机是垂直升降的运输设备，与乘坐水平方向运动的交通工具相比，
人对升降机运行速度的变化显得更为敏感。因此对升降机动力系统的控制必
须考虑乘坐舒适感。
由此可知，对升降机的运行，需要选择恰当的加速度a和加速度变化率P
的数值，使其既能满足乘坐舒适感的要求，又能使升降机运行时间尽可能地
缩短，从而提高运行效率。这样，升降机在启动时，应该是逐渐加速的过程，
并要逐渐地过渡到稳定运行阶段，而在减速时，也应该是逐渐减速，直至停
层的过程。
本液压升降机系统采用的速度曲线如图4—1所示，为抛物线形速度曲线。
V
Vm
0
西南交通大学硕士研究生学位论文第29页
t 3
职
＼／_ ——————————————————．．．．y
P
Pm
O
‘pm
t
O～t1段：
t1～t2段：
图4—1升降机系统的速度曲线
{va：=v2。a,+”-2口p。m．：：．』}．，：
(4—1)
(4-2)
f
，
m
基I'_ 办几一2
=
lI
口
V
，●J、【
西南交通大学硕士研究生学位论文第30页
本设计额定速度值为1，。=l m／s，单层运行距离3m，起、制动时间1s，
由以上的方程得出最大加加速度p。=1．6 m／s3，最大加速度口。=0．8 m／s2，基
本上满足人体对舒适度的要求。
4．4液压传动系统设计
本设计的液压系统主要由油源供给部分、控制调节部分、辅助部分和执
行部分组成。每一部分的形式和相互关系都通过整个系统回路的动作来实现
而完成的。
4．4．1液压执行元件的形式
液压执行元件大体可分为液压缸和液压马达。液压缸是把液体的液压能
转变为机械能，主要用于实现机构的直线往复运动或摆动。按结构特点，液
压缸可分为活塞式、柱塞式和摆动式三种类型。液压马达是将液体的压力能
转换为输出轴转动的机械能来驱动工作机构实现旋转运动，按其结构形式可
分为齿轮式、叶片式和柱塞式三大类，每一类还有多种不同形式。本设计所
采用的是柱塞式液压马达，驱动缠绕了钢丝绳的绳轮使吊笼作上下运动。
4．4．2液压起升机构的总体形式
液压起升机构如图4．2所示。
4．4．3液压马达载荷力矩的组成与计算
(一)力矩的组成
(1)工作载荷力矩气
(2)轴颈摩擦力矩弓=llGr
式中G一旋转部件施加于轴颈上的径向力(N)；
西南交通大学硕士研究生学位论文第31页
∥一摩擦系数；
，．一旋转轴的半径(m)。
图4-2起升机构
卜电动机2、6一弹性柱销联轴器3-{IilJ动器4一液压泵
5一液压马达7一齿轮箱8一安全防坠器
(3)惯性力矩r．=如=／竽一
At
式中￡一角加速度(rad／s2)；
△彩一角速度变化量(rad／s)；
垃一起动或制动时间(s)；
‘，一回转部件的转动惯量(kg·m)。
(二)力矩的计算
西南交通大学硕士研究生学位论文第32页
(1)吊笼满载上升起动段受力，如图4．3所示
吊笼轮1
；／G2
天轮(轮3) 对重
轮2
图4．3吊笼满载上升起动段受力
对于吊笼：
(M1+M2)‘象=鼻一／一(M-+M2)g (4-3)
． 对于轮1：
，，粤：(丘一F)x‘ (4_4)
对于轮2：
，：等=(E一最慨(4-5)
对于天轮：
以警=(c一孙％ (4-6)
对于对重：
。
M3罟叫39．‘ (4-7)
武中，一代表各轮的转动惯量，单位是N-m．s2／rad；下标是各轮的代号。
M一代表各部分质量，单位是kg；下标是代号。
，一代表各施力物体作用于受力物体的力，单位是N；下标是各段钢
丝绳的代号。
西南交通大学硕士研究生学位论文第33页
厂一代表的是摩擦力，单位是N。
g一重力加速度，单位是N·m／s2。
由以上各式得出
t=f‘，．=3642．5N‘m
弓=lxGr=108．55N‘聊
r：如：a aco：1 8．15N．聊
” 址
L=t+乃+ro=3769．2N。聊
(2)吊笼满载上升匀速段
对于吊笼：
互=／+(M1+M2)g
I t=f’r=3355．52N’聊
由上式得出{乃=／．1Gr=35．23N‘聊
l瓦=t+弓2 3390·75N‘朋
对于吊笼：
吊笼
I正
』口
图4．4吊笼满载上升制动段受力
(4-8)
(4-9)
(4—10)
(M。+M：)害=一f+／+(M。+M：)g(4-1 1)
由上式得出
t=f‘r=3380．48N·m
0=pGr=91．27N·m
乞：are=，譬=1 8．15Ⅳ．肌
心-12’
△f
L=疋+乃一e=3453．6N．聊
(4)吊笼满载下降起动段受力，如图4．5所示
． 吊笼
对于吊笼：
0口
图4．5吊笼满载下降起动段受力
(Ml+M。)d衍v=一曩一／+(M+鸠)g (4一13)
ft=f·，_=2251．52N．聊
l 0=pGr=60．79N．m
由上式得出k：}a￡re==J丝t．=—．—，L=g】J-8】．8．1515N．． m
} ＆
【0=I+乃+￡=2330．46N·m
(5)吊笼满载下降匀速段
对于吊笼：
ft=f+r=291 6．48N·聊
由上式得出{弓=ltGr=30．62N．所
lL．=疋+乃=2947．1N·m
(4-14)
(4—15)
(4-16)
西南交通大学硕士研究生学位论文第35页
对于吊笼：
由上式得出
吊笼
』l f
’Gl
V G2
图4．6吊笼满载下降制动段受力
(肘，+M：)杀=鼻+厂一(肘。+M：)g
t=Ft’，=2891．52N。m
0=gGr=78．07Ⅳ’m
厂。=Je：／丝：18．15N．所“ 血
瓦=疋+乃一￡=2951．44N‘m
由以上各工况得出瓦m缸=3769．2 N·m
液压马达载荷转矩：
丁：昱=3967．6N．m
77。
式中巩一机械效率，本课题中取r／。=0．95。
4．4．4初选系统工作压力
(4一17)
(4-18)
(4一19)
根据载荷大小和设备类型以及执行元件的装配空间、经济条件等，本课
题的液压系统工作压力初步定为16MPa。
西南交通大学硕士研究生学位论文第36页
4．4．5液压马达的排量和流量
马达排量：
V=—2n—7"=1．607×10-3m3／r
卸
(4-20)
式中卸一液压马达的进出口压差(Pa)，卸=P。一P2。
马达流量：
q。=Vn。=O．00128m3／S=76．79L／min (4—21)
式中y一液压马达排量(m3／r)：
n。一液压马达的转速(r／s)。
选择液压马达：前已求出马达的排量为1．607L／r，正常工作时，输出转矩
3967．6 N·m，系统工作压力为16MPa。
选1JMD．80型径向柱塞式液压马达。其理论排量1．608 L／r，额定压力
16 MPa，额定转速为10"--100r／rain，最高转矩5．16 kN·m，机械效率大于91．5％。
4．4．6液压系统图
(1)升降机向上运行
当接到升降机向上运行的指令信号后，PLC向电动机发出正转指令和零
转速指令，此时电动机——液压泵轴系上基本没有力矩输出，升降机基本静
止不动。同时，控制器还向换向阀5的电磁铁发出通电信号，阀5的电磁铁
得电后，阀5由截止状态变为完全导通状态。之后，PLC控制器根据检测到
的升降机位置信息(由导轨架和吊笼上的各类位置检测装置进行检测)输出
与期望速度曲线相对应的速度指令信号，于是电动机带动液压泵按照此给定
的速度指令转动，于是液压马达转动，带动吊笼按照理想的速度曲线依次完
成加速，匀速，减速几个运行阶段。
西南交通大学硕士研究生学位论文第37页
曳引轮
图4—7液压系统图
卜过滤器2一电液比例变量泵3一单向阀4一溢流阀5一电磁换向阀
6一节流阀7一平衡阀8一马达9-错1J动液压缸10-单向节流阀
当吊笼到达指定楼层后，PLC控制器接收到停靠信号后，给出阀5的电
磁铁断电信号，电磁铁断电，阀5由导通状态变为截止状态，期间控制器停
止向电动机输出转向和转速指令，停止向电动机供电，电动机停转，液压马
达停转使吊笼停留在指定位置，整个上行过程完毕。
(2)升降机向下运行
当接到升降机向下运行的指令信号后，PLC向电动机发出反转指令和零
转速指令，此时电动机——液压泵轴系上基本没有力矩输出，升降机基本静
止不动。同时，控制器还向换向阀5的电磁铁发出通电信号，阀5的电磁铁
得电后，阀5由截止状态变为完全导通状态。之后，PLC控制器根据检测到
的升降机位置信息(由导轨架和吊笼上的各类位置检测装置进行检测)输出
与期望速度相对应的速度指令信号，于是电动机带动液压泵按照此给定的速
度指令转动，液压油通过阀5，阀7进入液压马达，使马达转动，带动吊笼按
西南交通大学硕士研究生学位论文第38页
照理想的速度曲线依次完成加速，匀速，减速几个运行阶段。在下行过程中，
系统图中的平衡阀7对整个系统起到平衡作用，用调整节流阀6的方法可在
一定程度上避免系统产生振荡。
当吊笼到达指定楼层后，PLC控制器接收到停靠信号后，给出阀5的电
磁铁断电信号，电磁铁断电，阀5由导通状态变为截止状态，期间控制器停
止向电动机输出转向和转速指令，停止向电动机供电，电动机停转，液压马
达停转使吊笼停留在指定位置，整个下行过程完毕。
4．4．7液压元件的选择
(一)液压泵的选择
1、液压泵工作压力的确定
压力：
P．1，=P1+yap (4—22)
式中P。一液压执行元件的最高工作压力，对于本系统，最高压力是液压马
达的入口压力P1=16MPa
Zap--泵至U执行元件间总的管路损失。由系统图可见，从泵到马达之间
串联有单向阀和一个换向阀，取Σ△p=O．5MPa。
液压泵的工作压力为Pp=16．5 MPa
2、液压泵流量的确定
流量：
g场≥K(ΣQ一) (4-23)
系统的最大流量即为马达的流量Q。。=1．28L／s。取泄露系数K为1．2，
求得液压泵流量为q场=1．536 L／s
选用63．BCYl4—1B型柱塞泵。
(二)电动机功率的确定
西南交通大学硕士研究生学位论文第39页
升降机在整个动作循环中，系统的压力和流量都是变化的，所需功率变
化较大，为满足整个工作循环的需要，按较大功率段来确定电动机功率。
从整个工况上看，升降机在起动加速阶段系统的压力和流量均较大，此
时，泵的供油压力为P，=16．5MPa，取泵的总效率77，=O．8，因此，按此工况
求出系统的功率为：
尸：生生=31．68kW (4—24)
r／P
考虑到起动时间较短，而电动机一般允许短时间超载25％，这样电动机功
率还可以降低一些。
P：31．68×塑：25．35kW
125
选取电动机为三相笼型异步电动机，额定功率30kW。
(三)液压阀的选择
选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。本系统的工作压力
在16．5Mpa左右，所以液压阀都选用高压阀。系统中所选各阀参见表4—1。
表4—1液压系统巾的阀
序号名称实际流量选用规格
／(L／s)
1 溢流阀1．575 YF．B20H
2 单向阀】．575 DF．B20H
3 三位四通电磁换向阀1．575 34DYjB20H．T
4 平衡阀1．575 FDl6FB
—a 节流阀 1．575 LF—B32C
●
6 单向阀0．3 DF．B10H
7 单向阀0．3 DF．B10H
安全辅助液压阀：
(1)安全溢流阀
安全溢流阀是液压系统中所必需的过载保护元件。本系统中安全溢流阀
并联安装在液压泵出油口上，用以限制液压泵出油口的最大工作压力。当液
压泵出油口压力因故障而急剧升高时(例如控制阀未正常开启)，高压油可通
过安全阀卸荷至油箱。
(2)防吸空单向阀
与安全溢流阀类似，在液压泵出口安装防吸空单向阀。当电动机带动液
压泵运转，而控制阀未能正常开启时，液压泵可以从该控制阀侧的防吸空单
西南交通大学硕士研究生学位论文第40页
一l液压泵吸油管道’，=0．5～1．5m／s
d-J鲁2雕蓁篓盏鎏蒜豪三淼，s
式中qv一通过管道内的流量(m3／s)；
肚为2pJ
陟】一管道材料的许用应力(Pa)，纠：旦；
表4—2系统所选管道内径
(4-25)
(4-26)
管路名称通过流量允许流速管路内径实际取值官追壁厚
／(L／s) ／(m／s) ／(m) ／(m) ／(mm)
泵吸油管1．536 v=O．9 0．047 0．050 6
泵排油管1．536 v=4．5 0．021 0．025 3
马达进油管1．28 v=4．5 0．019 0．025 3
马达回油管1．28 v--2．0 0．028 0．032 4
(五)油箱容量的确定
一般邮箱容积按照经验公式确定，即
V=aq．，=0．553m3
式中qv一液压泵每分钟排出压力油的容积(m3)；
口一经验系数，口=5～7。
(4—27)
西南交通大学硕士研究生学位论文第41页
这里根据工作条件比较恶劣，故采用闭式油箱，又考虑到有关部件要装
于油箱之上，为安装、检修方便，设计油箱尺寸为：1100×800×800；
选择液压油：考虑工作环境温度的影响，选用32号抗磨液压油。
4．4．8液压系统性能验算
(一)液压管路系统压力损失的计算
1．沿程压力损失
本系统较为简单，可按照最大工作流量绋积=1．28 L／s及最小管径
d=25 mill来判断流动类型。系统使用32号液压油，其运动粘度y=32mm2／s。
油在管路中的实际流速为：
v=旦：2．608rn／s (4—28)
至d2
4
雷诺数：
Re=一vd=2037．5<2300 (4—29)
y
故油在管路中呈层流状态，其沿程阻力系数为：
力：竺：0．0314
Re
则沿程压力损失为：
卸，=五三生=19．22×103Pa (4—30)
‘‘d 2
2．局部压力损失
局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路局部压力损失
卸：，以及通过控制阀的局部压力损失卸。。其中卸：现对来说小得多，故主
要计算通过控制阀的局部压力损失卸，。
西南交通大学硕士研究生学位论文第42页
表4-3局部压力损失的计算
项目计算式结果
单向阀卸，，。蚣卸。斟0．18Mpa
电磁换向阀卸，，： 蚣卸。㈢0．27Mpa
平衡阀卸，，， 蚣卸。蝌0．09Mpa
0．54Mpa 总局部损失卸， ap3=卸3．1+ap3．2+卸3，3
(二)液压系统的发热温升计算
液压系统工作时，除执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损
失全部转化为热量，使油温升高。
1．计算发热功率
泵驱动功率：
只：丝：28．25KW
77，
液压马达有效功率：
只=丢喜砀劬ti"-16．95Kw
系统发热功率：
只，=P一尸=1 1．3KW
2．计算散热功率
(4-31)
(4-32)
(4-33)
只，=K，A，AT=3．78KW (4—34)
式中K，一油箱散热系数：
么，一油箱散热面积；
△丁一油温与环境温度之差。
西南交通大学硕士研究生学位论文第43页
由此可见，油箱的散热远远满足不了系统散热的要求，管路散热是极小
的，需要另设冷却器。
冷却面积：
4=墨：二益：2．4m2 (4—35)
KAt。
式中K一传热系数，用管式冷却。
&amp;amp;。一平均温升。
考虑到冷却器长时期使用时，设备腐蚀和油垢、水垢对传热的影响，冷
却面积应比计算值大30％，实际选用冷却器散热面积为：
A=1．3×2．4=3．1m‘
1
(三)计算液压系统冲击压力
液压系统在启动或在压力调节时存在一定的液压冲击，其计算如表4-4
所示。
表4—4系统冲击压力的计算
项目计算式结果
管道内液流中冲击波铲焉870m／s
的传播速度a。
冲击波往返时间7 0．0115s
2，
g-=——
af
管道内压力增大值卸卸弘肚V手4．696×101Pa
式中E。一液压油的体积弹性模量(Pa)；
及d一管道的壁厚和内径(m)；
￡一管道材料的弹性模量(Pa)；
p一液体密度(kg／m2)；
Av一关闭或开启液流通道前后管道内流速之差(m／s)；
f一关闭或开启液流通道的时间(s)。
西南交通大学硕士研究生学位论文第44页
4．4．9液压系统的总体布局
本课题设计的升降机液压系统的控制阀采用集成化布置，其安装控制见
液压系统总体方案图，运动部件的方向控制由换向阀来控制。其中各阀都处
于安装板的中央位置，这样组成的系统标准化、通用化、集成化程度非常高，
设计加工、装配周期短，结构紧凑，体积小，重量轻，占地面积小。当系统
改变或者增减元件时，将其重新组装方便迅速。
4．5起升机构其他部件的计算
起升机构是建筑施工中不可缺少的提升设备。它是以电动机为动力源，
通过一定的传动形式，带动齿轮转动收放钢丝绳来传递牵引力，从而将施工
人员、货物提升到一定高度或返回指定地点的重要设备。
本课题所设计的施工升降机采用交流电动机驱动，工作级别A6级。该施
工升降机的起升机构主要由电动机——联轴器——制动器——变量柱塞泵一
一变量柱塞马达——齿轮箱等部件组成。
起升机构其工作原理为：电动机通过弹性柱销联轴器和变量柱塞泵连接，
通过给泵供油驱动液压马达转动，带动与马达相连接的齿轮转动，以达到传
递转矩的作用，使缠绕在齿轮上的钢丝绳收放，从而使吊笼沿导轨上下运行，
最终实现提升货物的目的。
4．5．1电动机
电动机为起升机构的主要元件，在系统中的作用非常重要，良好的电气
性能，会改善起升机构的性能，提高系统可靠性，降低制造成本。
电动机功率前己求出P=25．35 kW，根据此功率选择电动机为三相笼型异
步电动机。
4．5．2联轴器
联轴器是联接两轴或轴和回转件，在传递运动和动力过程中一同回转而
不脱开的一种装置。此外，联轴器还可能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减
振以及安全防护等功能。
西南交通大学硕士研究生学位论文第45页
联轴器最大扭矩：
P
￡=TKK。．KzK，=9550卫KK。．KzK，≤L (4—36)
式中r一理论转矩(N·m)；
只、胛一分别为驱动功率(kW)和转速(rrgmin)
K一工作情况系数；
K。一动力机系数。
经计算得出：
疋--305．76≤￡
选择联轴器型号为TLL4型带制动轮弹性套柱销联轴器。
4．5．3制动器
制动器是用于机构或机器减速或使其停止的装置。有时也用作调节或限
制机构或机器的运行速度。它是保证机构或机器正常安全工作的重要部件。
制动转矩：
T>S尸Z：Sv_QDorl：376．3 N．m (4—37)
么Z口
式中丁一制动器制动转矩(N．m)；
S。一制动安全系数；
Q一额定起升载荷(N)；
刀一机械总效率；
选择制动器的型号为YW315．500。
启、制动时间验算：
铲高尚蚺，⋯ 限38，
式中tq一启动时间(s)；
西南交通大学硕士研究生学位论文第46页
乙一电动机平均启动转矩(N·m)；
乃一电动机静阻力矩(N·m)；
tq J一推荐启动时间(s)。
启动加速度验算：
％=÷≤k，】．0．24～o．37m／s2 (4—39)
Z口
式中口。一启动平均加速度(m／s2)；
b。J一平均升降加速度推荐值(m／s2)。
4．5．4钢丝绳
钢丝绳工作静拉力：
B=16000N
式中只一钢丝绳的最大工作静拉力(N)。
钢丝绳破断拉力：
Fo≥峨=96000N
式中R一钢丝绳的破断拉力(N)；
刀一安全系数。
钢丝绳直径：
dm抽=c√B
式中drain一钢丝绳的许用最小直径(nun)；
C一安全系数。
由式(4-42)，取d=14mm，满足使用要求。
(4-40)
(4-41)
(4-42)
西南交通大学硕士研究生学位论文第47页
4．5．5天轮
天轮直径：
DJ≥exd=280mm
式中B一天轮直径(mm)；
P一天轮与钢丝绳直径比系数。
由式(4—43)，取D=300mm满足要求。
4．6本章小结
(4-43)
根据预定的技术指标要求，确定了液压施工升降机液压系统的设计，完
成了起升机构的设计，为进一步的设计做好了充分的准备工作。
西南交通大学硕士研究生学位论文第48页
第5章液压系统的仿真
5．1液压系统仿真的意义
一个较完善的液压系统不仅应有良好的静态性能而且还应具有良好的动
态性能。以前人们在研究和设计时，常常凭借设计者的知识和经验用真实的
元部件构成一个动态系统，然后在这个系统上进行实验，研究结构参数对系
统动态特性的影响。用这种方法进行参数调节比较困难，要花费大量的人力、
物力和时间，而且～次成功的把握很小。随着计算机技术的出现和发展，计
算机仿真技术为预测流体动力系统的动态特性提供了良好的工具。应用数字
仿真方法，可以在液压系统或液压元件的设计阶段预测其动态性能，在未达
到动态性能要求时，可对设计进行修改，以保证设计质量。对于己有的液压
系统或液压元件要进行改进设计时，也可以先进行数字仿真，以了解系统或
元件的薄弱环节，为改进设计提供理论分析依据，并可对改进后的设计进一
步进行数字仿真，以检查所采用的改进措施是否己达到预期目的。在仿真结
果的输出曲线中也可以看出系统在动态过程中的稳定性情况。进行动态仿真
时，系统中不同参量对系统稳定性的影响，可以用不同参量下的仿真曲线来
对比分析。采用计算机仿真技术能够使得我们在设计过程中预测系统性能，
且优化系统参数，既省时又省力。仿真技术作为液压系统或元件设计阶段的
必要手段，已被业界广泛认识。
液压仿真技术，从诞生到今天，已经有多年的历史，在我国也有多年的
发展历史。随着流体力学、现代控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学
科的发展，特别是计算机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来
越成为液压系统设计人员的有力工具。
5．2仿真软件AMES i m简介
AMESim(Advanced Modeling Enviroment for Simulation of engneering
systems)是法国IMAGINE公司自1995年开始推出的基于键和图的液压、机
械系统建模、仿真及动力学分析软件。
AMESim为用户提供了一个时域仿真建模环境，可使用已有模型和建立
新的子模型元件，来构建优化设计所需的实际原型，采用易于识别的标准ISO
西南交通大学硕士研究生学位论文第49页
图标和简单直观的多端口框图，方便用户简化复杂系统及用户所需的特定应
用实例，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真
结果，界面比较友好、操作方便。AMESim的积分运算器自动判断系统方程
的刚性及其刚性度，切换不同的数值算法，包括12种针对非刚性的亚当姆斯
算法和5种针对刚性的吉尔算法，从而使仿真速度和精度满足要求。
AMESim为流体动力(流体及气体)、机械、热流体和控制系统提供一个
完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案。
AMESim使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案，研究任何元
件或回路动力学特性。这可通过模型库的概念来实现，而模型库可通过客户
化不断升级和改进。
5．2．1 AMES i m软件的特点
(1)图形化物理建模方式使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来从而专
注于物理系统本身的设计。建模的语言是工程技术语言，仿真模型的扩充或
改变都是通过图形用户界面(GUI)来进行，不需要编写任何程序代码
(2)智能求解器能够根据用户所建模型的数学特性自动地在17种算法中选
择最佳的积分算法，并在不同的仿真时刻根据系统的特点动态地切换积分算
法和调整积分步长，以缩短仿真时间和提高仿真精度，而内嵌式数学不连续
性处理工具有效地解决了数值仿真的“间断点”问题。
(3)仿真范围广，实现了多学科的机械、液压、气动、热、电和磁等领域的
建模和仿真，且不同领域的模块之间可直接进行物理连接。
(4)基本元素确保用户用尽可能少的单元构建尽可能多的系统，这种理念的
巨大优越性在于工程师只需要掌握较少的系统建模“字母”就可以建模，从
而通过减少学习时间和避免数学建模来提高工作效率。
(5)AMESet为用户提供了一个标准化、规范化和图形化的二次开发平台，
用户不仅可以直接调用AMESim种所有模型的原代码，而且还可以把用户自
己的C或FORTRAN代码模型以图形化模块的方式综合进AMESim软件包。
(6)保留了数学方程级、方块图级、基本元素级和元件级4个层次的建模方
式，不同的用户可以根据自己的特点和专长选择合适自己的建模方式或多种
方式的综合运用。
(7)提供了线性化分析工具(如系统特征值求解、Bode图、Nichols图、根
轨迹分析)、模态分析工具、频谱分析工具(如快速傅立叶转换FFT、阶次分
析OrderAnalysis、频谱图Spectral maps)以及模型简化工具，以方便用户分
析和优化自己的系统。
西南交通大学硕士研究生学位论文第50页
(8)具有动态仿真、稳态仿真、间断连续仿真以及批处理仿真多种仿真运行
模式。
(9)提供了丰富的和其他软件的接El，如控制软件接口(Matlab，Simulink，
MaW,xX)、多维软件接口(Adams，Simpack，V1Motion，Flux)、实时仿真软件接
口(xPC，dSPACE)、优化软件接El(Isight，OPTIMUS)。
虽然AMESim是一个比较成熟的软件，但它目前也有部分缺点：
(1)元件模型也是需要设置许多参数。
(2)仿真元件比较固定，当系统仿真人员需要一个比较特殊的元件的时候，
就需要拥有非常专业的编程技巧和经验，不利于普通技术人员的使用。目前
还不能应用于更为广泛的领域。
(3)最后对信号的处理方面还是不够灵活，比如对某几个信号进行对比或进
行简单的操作就不那么简单。
5 2 2 AIDES i ra软件在液压系统中的应用
AMESim专门为液压系统建立了一个标准仿真模型库，如图5-1所示
图5-1 AMESim液压库
从图5-1所示可以看出，AMESirn为建立液压系统提供了几乎所有的的
元件，采用这些元件建立液压系统模型根本不需要推导公式，需要做的只是
输入一些特性参数。
西南交通大学硕士研究生学位论文第51页
鉴于液压元件多种多样，AMESim提供的液压元件有可能难于满足设计者的
需要，AMESim提供的一个HCD(HydraulicComponentDesign)库，采用该
库中的元件，设计者可以建立自己需要的液压元件，HCD库如图5-2所示：
图5-2 AMESimHCD库
5 3液压控制系统模型
液压系统工作时，液压油经三位四通电磁换向阀进八液压马达的一腔，
另一腔液压油经换向阀流回油箱，整个系统的压力由溢流阀4调节。在
AMESim软件中建立液压系统模型时，对液压系统进行一定的简化，通过仿
真元件中的流量信号代替了液压系统供油系统。并且，液压系统中的手动泵，
手动下降阀在系统正常工作时处于不工作状态，所以在建立模型时也予以省
略。液压控制系统AMESim模型如下图5-3所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第52页
图5-3液压控制系统AMESim模型
5．4液压控制系统仿真
建立完系统的模型后，现在按照要求将液压系统中元件的主要参数设置
如下：
液压系统流量：90L／min
液压系统调定压力：16．5MPa
单向阀的开启压力：0．2MPa
西南交通大学硕士研究生学位论文第53页
1——M0003-1 pre．ssure at port 1 fbafl
0 2 4 6 8 10
×：Time【s1
图5-4马达的压力曲线
仿真结果分析：
图5-4是马达的压力曲线，此曲线是在升降机只有起动和匀速运行的情
况下产生的，由此可以看出，O和1s是马达的起动阶段，压力是一点点升高，
等到升降机处于匀速阶段，马达的输出压力保持定值。
∞
∞
蚰
加
∞
∞
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西南交通大学硕士研究生学位论文第54页
论文结论
结论与展望
经过查阅大量的相关资料和技术文件，在对国内外相关产品消化吸收和
认真分析的基础上，设计了一套液压控制系统。论文以施工升降机总体与液
压控制系统为研究对象，根据实际工况对系统的要求，介绍了液压系统原理，
对液压系统进行了仿真研究，得出以下结论。
(1)基于对施工升降机的了解及用户需求，设计了升降机的总体形式及
其性能参数。
(2)施工升降机的吊笼和导轨架是主要承力部件，在计算各种载荷的基
础上，对吊笼和导轨架的结构和选材进行了设计。
(3)在对施工升降机液压控制系统简化的基础上采用ANESim软件建立
了液压控制系统模型，并对液压控制系统的流量及压力进行了仿真研究，仿
真结果表明该系统能够实现系统压力流量的实时可调，并得出最佳的系统调
节压力。
论文展望
虽然本文设计的控制系统解决了一些工程问题，但是由于工期问题、实
验条件和本人能力有限，使我不能对课题进行更深入的研究，我认为课题在
以下方面还需做进一步研究和完善：
(1)在对吊笼和导轨架结构进行设计时，由于本人的能力有限，不能够
完成基于有限元——优化的方法对吊笼和导轨架的结构进行优化设计，这需
要在今后的研究中进一步完善。
(2)因为有些液压元件的参数难以确定，因此采用AMESim软件默认的
元件，仿真效果有误差。可以考虑根据液压元件参数自己建立元件模型。
(3)所设计系统主要是针对现场设备的功能和操作性能而设计的，它对
企业经营管理层的帮助不是很大，因为管理人员需要了解现场情况还需要到
生产现场了解。系统的研究有待于在基于现场实验的基础上进～步深入，以
完成功能更完善、经济意义更大的控制系统。
西南交通大学硕士研究生学位论文第55页
致谢
本文是在导师龚帮明老师的精心指导下完成的。龚老师渊博的知识、富
有远见的眼光、严谨的治学作风、勤恳的工作态度和平易近人的待人引领我
走过了我人生中最重要的科研过程，并深深的影响着我。在三年的研究生生
活中，龚老师在学习给与方向性的指导，在生活和思想等方面给与我极大的
关心和帮助，我将铭记在心，在此谨向龚老师致以深深的敬意。
黄雀群同学在我论文完成过程中给与极大的帮助，与她一起讨论问题的
过程中也让我收益匪浅，在此表示感谢。
在两年多的科研过程中得到了张细刚、刘怀文、华保祥、陈仁杰等先进
设计与制造技术研究所全体研究生的大力支持与帮助，在此也表示感谢!
感谢我的父母，是他们在我的学习和生活中不断给与理解、支持和帮助，
正是由于他们的无私奉献才使我得以顺利我的课题研究和整个学业。
感谢所有关心、支持、帮助过我的老师、同学和朋友。
感谢母校西南交通大学的培养!
王菲菲
西南交通大学硕士研究生学位论文第56页
参考文献
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西南交通大学硕士研究生学位论文第59页
攻读硕士期间发表的论文
1．发表论文
王菲菲，龚邦明，钢轨淬火机床的控制系统设计，机械设计与制造，2009
2．参加科研项目
(1)2006"-'2007：钢轨淬火机床的研制
(2)2007～2009：液压施工升降机的研
液压施工升降机总体及液压系统设计
作者： 王菲菲
学位授予单位： 西南交通大学
相似文献(7条)
1.期刊论文孙文迁.王波无线收发芯片nRF401在施工升降机控制系统中的应用 -微计算机信息2004,20(10)
nRF401为单片无线收发芯片,施工升降机是高层建筑施工必备的运输设备之一,施工升降机自动控制系统包括楼层呼叫信号系统和吊笼主控系统.利用
nRF401芯片很好地解决了施工升降机楼层呼叫信号系统与吊笼主控系统之间的信号传输及两吊笼主控系统之间运输协调,提高了施工升降机的运输效率.
2.期刊论文孙文迁.王波施工升降机自动控制系统设计 -微计算机信息2004,20(10)
施工升降机是高层建筑施工中不可缺少的垂直运输工具,它主要担负着运送施工人员和施工设备及施工物料的任务.本文对施工升降机自动控制系统
的原理及硬、软件进行介绍,并对控制系统的特色部分作了进一步的分析.
3.期刊论文多功能 SC 200/200无级调速高速施工升降机通过部级鉴定 -建筑技术2001,32(6)
中国建筑科学研究院机械化研究分院等单位研制的多功能 SC 200/200无级调速高速施工升降机已通过鉴定。该项成果将高新技术应用于升降机拖动
和控制系统中，实现了无级调速高速运行，减小了启制动冲击，提高了运行平稳性和可靠性，使齿轮、齿条、制动器、滚轮、电气元件等机电易损件使
用寿命成倍提高，使用维护成本大大降低。该机在多项国家重点建设项目中应用，最大高度达 260 m，经历了斜线运行、直线运行、长距离不规则附着
支撑等多种工况考验，其整机技术水平达到国际先进水平。
4.学位论文黄雀群 基于PLC及触摸屏的液压施工升降机控制系统设计 2009
施工升降机是建筑施工中不可缺少的垂直运输机械，然而目前国内普遍生产电机一机械传动式施工升降机，由于其控制方式是通过接触器控制来实
现，其自动化控制水平较低，在施工运行过程中，存在大量问题，而且速度单一、启制动冲击大、乘员感觉不适等缺点，不能满足中高层、超高层建筑
项目的施工要求。因此研究施工升降机的控制系统是一个很有意义的工作，不但提高工作效率，消除安全隐患，还能产生更大的经济效益。
而液压升降机运行速度快，可实现无级调速，起动、制动平稳，因此本文以液压施工升降机为背景，对其控制系统进行了设计。在全面了解施工升
降机基本工作原理的基础之上，设计了30层的液压驱动型施工升降机控制系统。该系统主要由两部分组成：主控制系统和显示监控系统。主控制系统和
显示监控系统采用串行通信的方式完成施工升降机控制的全过程。
主控系统采用FX2N48MR-001PLC为控制核心，结合模拟量输出模块FX2N-2DA，并设计了施工升降的理想速度曲线。PLC系统完成了所有I/O信号和上位
机串口通信信号的接收，根据其内部设计程序进行集中运算处理，实现了对液压施工升降机的控制系统的逻辑信号及速度控制。另外，还根据控制系统
要求，设计了控制系统主回路、安全运行电路、电液比例控制回路等。
显示监控系统选用的是触摸屏PWS1711-STN可编程控制终端，采用其带的人机交互界面编辑软件HITECH_ADP，设计友好的选层参数的输入和运行状态
监控界面。实现了施工升降机运行过程的良好人性化。
通过对本施工升降机控制系统的设计，可大大提高施工升降机控制系统自动化控制水平。PLC和触摸屏的优势互补，提高控制系统的可操作性及安全
性。
5.期刊论文沈刚.黄其涛.吕广明.孟强.韩俊伟.SHEN Gang.HUANG Qi-tao.LV Guang-ming.MENG Qiang.HAN Junwei
升降机自动平层控制中的语音报站研究 -建筑机械化2008,29(5)
针对升降机平层控制器的语音录放系统进行分析并结合已经研制的升降机平层控制器的软硬件设计,提出了把ISD4004语音芯片应用于升降机平层控
制器进行录放音的方案,从而使该平层控制系统的功能更加完善.
6.期刊论文余志凌.翁惠辉.YU Zhi-ling.WENG Hui-hui 施工升降机智能控制系统化设计 -山西建筑2008,34(34)
指出施工升降机是高层建筑施工中不可缺少的垂直运输工具,它主要担负着运送施工人员和施工设备及施工物料的任务,对施工升降机自动控制系统
的原理及硬件进行了介绍,并对控制系统的特色部分作了进一步的描述.
7.期刊论文张树生.晁鲁强.程林.朱新军基于单片机的施工升降机自动控制系统 -建筑机械2004,""(3)
在中高层建筑施工中,施工升降机是不可缺少的垂直运输工具,它主要担负着运送施工人员、工具、设备及物料的任务.目前施工升降机自动化控制水
平较低,一般没有超载限制,只能靠控制人数或估计物料的重量,也没有楼层的呼叫及显示,没有自动选层、平层,因此目前施工升降机在工作中不能预知哪
个楼层需要停站,其运行是被动的,不能确定载荷率,使施工升降机的运输能力得不到充分发挥,很多的能量及时间浪费在空车往返运行上.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1573497.aspx
授权使用：上海海事大学(wflshyxy)，授权号：4d63ea27-665c-4bf0-8fb9-9dd600e3f821
下载时间：2010年8月18日

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