曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的方法及裝置與流程

本發明屬于電梯技術領域，具體是涉及一種曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的方法及裝置。

背景技術：

現有曳引電梯曳引機兩端分別連接轎廂和對重，曳引驅動依靠曳引輪與鋼絲繩產生的曳引力（摩擦力）進行傳動，電梯運行需滿足以下要求；

1、電梯需滿足驅動要求

曳引電梯滿足滿載時加速運動的要求，忽略轎廂、對重與外部的摩擦力，忽略鋼絲繩彈性作用，在曳引輪兩邊建立靜力方程，可表示為：

　　　　　　 （１）

其中F_f為曳引力；ｍ_ｂ為轎廂質量；式中m為實時隨機負載 ，0 ≤m≤m_q，ｍ_ｑ為額定載重量；k為固定平衡系數，取值0.45；ｍ_ｂ＋kｍ_ｑa為電梯運行最大加速度，取值1.5；g為重力加速度。(ｍ_ｂ+kｍ_ｑ)×(g+a)與(ｍ_ｂ+m)×(g+a)分別為曳引輪兩端的負載，平衡系數k起一定的平衡作用，負載差值與實時負載m成固定關系，理想工況為半載，此時曳引輪兩端負載近似相等，曳引機負載最小。

根據式1得到式2

　 （2）

式2表明，曳引電梯的曳引力要滿足曳引輪兩端的負載差，與實時負載m成固定關系。其方向為正時，表明曳引機工作在第一象限。方向為負時，表明曳引機工作在第三象限，使電動機作為發電機向電網饋電，但目前來說，饋電電壓及頻率達不到電網要求，只能利用大功率電阻對反饋電流進行消耗。

2、電梯需滿足安全要求

當曳引電梯對重完全落在緩沖上時，曳引力應不能繼續提升空載轎廂,可表示為：

（3）

當滿足以上兩個要求時，聯合式2、式3有

（4）

通過式4可知，在固定平衡系數下，轎廂的質量m_b與額定載重量m_q存在一個固定的比例關系，額定載重量越大，轎廂的質量就越大。

行業前沿有以下幾種技術嘗試解決曳引平衡問題：對重重量現場可調式，根據轎廂實時載重，現場調節對重重量，主要用于貨梯等時效要求不高的場合；流體可調式，在電梯機房和對重架中各安置一水箱，兩箱之間以柔韌水密性管路連通，同時在水路中配以電磁閥和水泵，以曳引系統平衡信號自動控制水流來實現電梯平衡狀態節能拖動；附加阻力式，利用轎廂、對重和安裝橡膠的墻體之間產生轎廂運行阻力，改變正壓力大小，從而改變摩擦力的大小，實現兩端負載平衡；附加扭矩式，對重由靜態對重和動態對重兩部分組成，靜態對重由對重支架和對重塊組成，動態對重由重量發生器和重量控制器所組成，靜態對重重量為對重裝置自重，它等于轎廂自重，動態對重的重量是重量發生器在重量控制器的控制下所產生等效的重量，它等于轎廂中的載荷重量。以上技術都能有效地實現負載平衡，減少電梯的起、制動沖擊，但均需要增加額外的能量輸入，無法同時進行能量回收利用。

有以下幾種技術嘗試節能：將制動電阻設于保溫箱內，其發出的熱量集聚在保溫箱內，再利用斯特林發電機將熱能轉化為電能回收利用；曳引機處于發電工況時，回收所產生的電能，然后通過控制器輸送至蓄電池，曳引機處于電動工況時，調節并輸送通過控制器輸出的電能，至電梯的變頻器；曳引機處于發電工況時，回收所產生的電能，然后通過控制器輸送至超級電容，曳引機處于電動工況時，調節并輸送通過控制器輸出的電能，至電梯的變頻器，但超級電容使用壽命較短，且回饋的電壓將污染電網，目前未得到大規模應用。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供一種通過重力勢能與流體能相互轉化，并在過程中控制能量轉化的速度和方向，優化電梯的運行性能的實現曳引電梯曳引動態平衡、節能與降低自重要求（對重和轎廂自重）的方法及裝置。

本發明所述方法的理論依據為：

1、曳引動態平衡

在本發明專利中，曳引電梯隨機負載m時，根據電梯載荷與運行信號實時調整泵馬達對轎廂的作用力F=xm_q(g+a)的大小與方向，則最小曳引力為：

（式6）

本發明其特征在于對重與轎廂的重量差與滿載重量比值作為固定平衡系數k，泵馬達作用力與滿載載荷的比值作為可變平衡系數k+x，根據實時負載m的大小實時調整泵馬達作用力的大小和方向，盡可能減少曳引輪兩端的負載差，從而減少曳引機的曳引力需求，實現更精準的曳引動態平衡，

2、節能

當轎廂乘客較少，上行時，對重負載大于轎廂負載；或當轎廂乘客較多，下行時，對重負載小于轎廂負載。在上述兩種工況下，曳引輪兩端負載合力方向與運行方向一致，曳引電機做負功。在本發明方法中，合力產生的重力勢能通過驅動泵馬達轉化為壓力能在蓄能器儲存。

當轎廂乘客較少，下行時，對重負載大于轎廂負載；或當轎廂乘客較多，上行時，對重負載小于轎廂負載。曳引電梯兩端負載合力矩與運行方向相反，曳引電機負荷較大。在本發明方法中，蓄能器內的壓力能驅動泵馬達帶動轎廂運動做功，減少曳引電機的能量需求。

3、降低自重要求

當平衡系數從固定值變為動態值時，電梯滿載時滿足驅動要求公式如下：

（式7）

同時也要滿足（式3）安全要求，結合式3、式7，如下式：

（式8）

對比式4和式8表明，通過加入輔助驅動力F，可以降低曳引輪兩端對重和轎廂自重需求。

本發明采用的技術方案是：

一種曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置，包括輔助曳引裝置、液壓儲能裝置及電氣控制裝置；所述的輔助曳引裝置包括鏈條、上鏈輪、泵馬達及下鏈輪，鏈條裝于上鏈輪與下鏈輪上，上鏈輪與泵馬達連接，下鏈輪設有張緊裝置；鏈條與轎廂連接；

液壓儲能裝置包括電比例減壓閥、蓄能器、壓力繼電器、三位四通電磁換向閥、兩位兩通電磁換向閥、梭閥、安全閥、油箱、選擇閥及行程閥，泵馬達的兩端口分別通過第一壓力油管和第二壓力油管與行程閥的進口和出口相連；所述的第一壓力油管通過多根支油管分別與三位四通電磁換向閥的A口、兩位兩通電磁換向閥進口、梭閥及選擇閥的A口相連，所述的第二壓力油管通過多根支油管分別與三位四通電磁換向閥的B口、兩位兩通電磁換向閥出口、梭閥及選擇閥的B口相連；蓄能器通過第一油管與油箱連接，第一油管上設有繼電器，蓄能器與電比例減壓閥進口相連，電比例減壓閥出口與三位四通電磁換向閥的P口相連；三位四通電磁換向閥的T口與油箱相連；第一油管通過第二油管與梭閥的C口相連；選擇閥通過吸油管與油箱相連；

電氣部分包括控制器、稱重傳感器及運行信號發生器；控制器分別與稱重傳感器、運行信號發生器、兩位兩通電磁換向閥、電比例減壓閥接線端子相連。

上述的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置中，所述的第一油管上還設有安全閥。

上述的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置中，所述的鏈條通過固定節與轎廂連接，鏈條上設有擋鐵。

一種利用上述的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的方法，包括如下步驟：

1)控制器掃描電梯廳門、層門按鍵，若無按鍵則延時后循環掃描，若有召梯則根據傳統方式控制電梯運行直到負載檢測環節；

2)載重傳感器檢測轎廂負載，若負載超重則按傳統方式報警并打開層門、廳門，若無超重則采集轎廂負載至控制器并開始運行信號檢測環節；

3)控制器接收運行信號，并根據運行信號，判斷上行狀態或下行狀態；

4)控制器根據運行信號及負載信號判斷并控制液壓系統蓄能或是輔助驅動；

5)當滿足蓄能要求并轎廂上行時，控制器輸出控制信號使三位四通電磁換向閥處于中位，轎廂帶動隨鏈條順時針運動，鏈條帶動上鏈輪、下鏈輪順時針旋轉，上鏈輪驅動泵馬達順時針旋轉，泵馬達通過第二壓力油管、選擇閥、吸油管在油箱內吸油，通過第一壓力油管、梭閥、第一油管向蓄能器泵油，蓄能器儲存液壓能；

當滿足蓄能要求并轎廂下行時，控制器輸出控制信號使三位四通電磁換向閥處于中位，轎廂帶動隨鏈條逆時針運動，鏈條帶動上鏈輪、下鏈輪逆時針旋轉，上鏈輪驅動泵馬達逆時針旋轉，泵馬達通過第一壓力油管、選擇閥、吸油管在油箱內吸油，通過第二壓力油管、梭閥、第一油管向蓄能器泵油，蓄能器儲存液壓能；

當滿足輔助驅動要求并轎廂上行時，控制器輸出控制信號使三位四通電磁換向閥處于右位，并根據運行信號及負載信號計算控制電比例減壓閥輸出壓力；蓄能器內的壓力油經比例減壓閥、三位四通電磁換向閥右位、第二壓力油管輸入泵馬達下腔，泵馬達上腔的油經第一壓力油管、三位四通電磁換向閥右位流回油箱，泵馬達在壓力能作用下驅動上鏈輪順時針旋轉，上鏈輪驅動鏈條順時針運動，輔助驅動轎廂向上運動；

當滿足輔助驅動要求并轎廂下行時，控制器輸出控制信號使三位四通電磁換向閥處于左位，并根據運行信號及負載信號計算控制電比例減壓閥輸出壓力，蓄能器內的壓力油經比例減壓閥、三位四通電磁換向閥左位、第一壓力油管輸入泵馬達上腔，泵馬達下腔的油經第二壓力油管、三位四通電磁換向閥左位流回油箱，泵馬達在壓力作用下驅動上鏈輪逆時針旋轉，上鏈輪驅動鏈條逆時針運動，輔助驅動轎廂向下運動；

6）當轎廂到達指令層站時，控制器輸出并控制三位四通電磁換向閥處于中位，起輔助制動作用。

上述的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的方法中，步驟5）中，蓄能壓力超過設定值時，控制器接收壓力繼電器發出的開關信號，并輸出控制信號使兩位兩通電磁換向閥得電處于下位；泵馬達的兩端通過第二壓力油管、兩位兩通電磁換向閥下位、第一壓力油管連通，液壓系統不起作用。

上述的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的方法中，步驟5）中，蓄能壓力超過設定值時，若控制器失效，蓄能器及油路壓力由安全閥限定，以保護系統安全；蓄能器內的壓力油經第一油管流回油箱。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置的蓄能器將運行中多余的重力勢能轉化為液壓能儲存，將儲存的液壓能釋放并轉化為重力勢能，實現能量的回收利用；液壓能釋放的大小可控并與實時與負載匹配，實現負載與對重動態平衡；減少曳引輪的正壓力，實現降低曳引輪兩端（對重和轎廂）自重要求；減小曳引機對啟動扭矩的要求；減小曳引機對制動力矩的要求。有利于曳引電梯、特別是高速、大載重量曳引電梯啟、制動及平穩運行，是電梯綠色節能技術的發展方向之一。

本發明的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置將運行中多余的重力勢能轉化為液壓能儲存，將儲存的液壓能釋放并轉化為重力勢能，實現能量的回收利用，以現有電梯保有量700萬臺計算，可以有效減少碳排放量，降低電梯用戶運行成本。

本發明的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置可以平衡曳引機兩端負載，與傳統曳引電梯相比，在曳引能力相同的前提下，可以提高電梯的額定載重量；在額定載重量相同的前提下，可以降低曳引驅動單元容量以降低生產成本，減少曳引力需求，減小曳引機對啟動扭矩的要求，減小曳引機對制動力矩的要求，降低電梯生產廠家采購成本。

本發明的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置降低了轎廂自重和對重質量要求，可以降低生產成本，提高電梯轎廂固有頻率，避免了其與人體器官共振的問題。有利于曳引電梯、特別是高速、大載重量曳引電梯啟、制動及平穩運行，提高了電梯乘坐舒適度。

附圖說明

圖1發明的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置原理圖。

圖2 發明的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的方法的流程圖。

圖中：1-對重，2-控制器，3-轎廂，4-稱重傳感器，6-定向輪，7-曳引輪，8-鏈條，10-擋鐵，11-上鏈輪，12-泵馬達，13-電比例減壓閥，16-蓄能器，17-壓力繼電器，18-三位四通電磁換向閥，19-兩位兩通電磁換向閥，20-梭閥，21-安全閥，22-油箱，23-選擇閥，24-行程閥，25-下鏈輪，26-固定節，27-第二壓力油管，28-第一壓力油管，30-第一油管，31-支油管，32 -支油管，33-支油管，34-支油管，35-支油管，36-第二油管，37-支油管，38-吸油管。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

如圖1所示，本發明的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置，包括輔助曳引裝置、液壓儲能裝置及電氣控制裝置；所述的輔助曳引裝置包括固定節26、鏈條8、上鏈輪11、泵馬達12、下鏈輪25及擋鐵10，鏈條8裝于上鏈輪11與下鏈輪25上，上鏈輪11與泵馬達12連接，下鏈輪25設有張緊裝置；鏈條8通過固定節26與轎廂3連接，擋鐵10裝于鏈條8上。

液壓儲能裝置包括電比例減壓閥13、蓄能器16、壓力繼電器17、三位四通電磁換向閥18、兩位兩通電磁換向閥19、梭閥20、安全閥21、油箱22、選擇閥23及行程閥24，泵馬達12的兩端口分別通過第一壓力油管28和第二壓力油管27與行程閥24的進口和出口相連；所述的第一壓力油管28通過支油管31、支油管33及、支油管37分別與三位四通電磁換向閥18的A口、兩位兩通電磁換向閥19進口、梭閥20及選擇閥23的A口相連。所述的第二壓力油管27通過支油管32、支油管35、支油管34分別與三位四通電磁換向閥18的B口、兩位兩通電磁換向閥19出口、梭閥20及選擇閥23的B口相連。蓄能器16通過第一油管與油箱連接，第一油管上設有繼電器，蓄能器16與電比例減壓閥13進口相連，電比例減壓閥13出口與三位四通電磁換向閥18的P口相連；三位四通電磁換向閥18的T口與油箱22相連；第一油管35通過第二油管36與梭閥20的C口相連；選擇閥23通過吸油管38與油箱22相連；泵馬達與上鏈輪連接；

電氣部分包括控制器2、稱重傳感器4及運行信號發生器27；控制器2分別與稱重傳感器4、運行信號發生器、兩位兩通電磁換向閥19、電比例減壓閥13接線端子相連。

如圖2所示，一種利用上述的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的裝置的曳引電梯動態平衡、節能與降低自重要求的方法，包括如下步驟：

1)控制器2掃描電梯廳門、層門按鍵，若無按鍵則延時后循環掃描，若有召梯則根據傳統方式控制電梯運行直到負載檢測環節。

2)載重傳感器4檢測轎廂3負載，若負載超重則按傳統方式報警并打開層門、廳門，若無超重則采集轎廂負載至控制器2并開始運行信號檢測環節。

3)控制器2接收運行信號，并根據運行信號，判斷上行狀態或下行狀態。 若轎廂達到極限位置，擋鐵10壓下行程控制閥24，切斷油路以保護系統安全。

4)控制器2根據運行信號及負載信號，判斷并控制液壓系統蓄能或是輔助驅動。

5)當滿足蓄能要求并轎廂上行時，控制器2輸出控制信號使三位四通電磁換向閥18處于中位，轎廂3通過固定節26隨鏈條8順時針運動，鏈條8帶動上鏈輪11、下鏈輪25順時針旋轉，上鏈輪11驅動泵馬達12順時針旋轉，泵馬達12通過第二壓力油管27、支油管32、支油管35、選擇閥23、吸油管38在油箱22內吸油。泵馬達12通過第一壓力油管28、支油管37、梭閥20、第二油管36、第一油管30向蓄能器16泵油，蓄能器16儲存液壓能。

當滿足蓄能要求并轎廂下行時，控制器2輸出控制信號使電磁換向閥18處于中位，轎廂3通過固定節26隨鏈條8逆時針運動，鏈條8帶動上鏈輪11、下鏈輪25逆時針旋轉，上鏈輪11驅動泵馬達12逆時針旋轉，泵馬達12通過第一壓力油管28、支油管37、選擇閥23、吸油管38在油箱22內吸油。泵馬達12通過第二壓力油管27、支油管32、支油管35、梭閥20、第二油管36、第一油管30向蓄能器16泵油，蓄能器16儲存液壓能。

蓄能壓力超過設定值時，控制器2接收壓力繼電器17發出的開關信號，并輸出控制信號使兩位兩通電磁換向閥19得電處于下位，泵馬達12的兩端通過第一壓力油管28、支油管33、兩位兩通電磁換向閥19下位、支油管35、支油管32和第二壓力油管27直接連通，泵馬達12空轉，液壓系統不起作用。

若控制器2電控系統失效，蓄能器16及油路壓力由安全閥21限定，以保護系統安全。蓄能器16內的壓力油經第一油管30、安全閥21溢流流回油箱22。

當滿足輔助驅動要求并轎廂上行時，控制器2輸出控制信號使三維四通電磁換向閥18處于右位，并根據運行信號及負載信號計算控制電比例減壓閥13輸出壓力。蓄能器16內的壓力油經電比例減壓閥13、三位四通電磁換向閥18右位、支油管35、支油管32、第二壓力油管27輸入泵馬達12下腔，泵馬達12上腔的油經第一壓力油管28、支油管31、三位四通電磁換向閥18右位流回油箱22，泵馬達12在壓力能作用下驅動上鏈輪11順時針旋轉，上鏈輪11驅動鏈條8順時針運動，輔助驅動轎廂3向上運動。

當滿足輔助驅動要求并轎廂下行時，控制器2輸出控制信號使三位四通電磁換向閥18處于左位，并根據運行信號及負載信號計算控制電比例減壓閥輸出壓力，蓄能器16內的壓力油經電比例減壓閥13、三位四通電磁換向閥18左位、支油管31、第一壓力油管28輸入泵馬達12上腔，泵馬達12下腔的油經第二壓力油管27、支油管32、三位四通電磁換向閥18左位流回油箱22，泵馬達12在壓力作用下驅動上鏈輪11逆時針旋轉，上鏈輪11驅動鏈條8逆時針運動，輔助驅動轎廂3向下運動。

6）當轎廂到達指令層站時，控制器輸出并控制三位四通電磁換向閥處于中位，起輔助制動作用。

最后應說明的是：以上實施例僅用于說明本發明而非限制本發明所描述的技術方案；因此，盡管本說明書參考上述實施例對本發明已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或等同替換；而一切不脫離本發明的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍中。