电梯用液压缓冲器的缓冲原理与结构分析

0 引言

缓冲器一般安装在电梯井道底坑内是电梯出现蹲底或冲顶时，对轿厢（或对重）起到缓冲减震作用的必不可少的终端行程安全保护装置。

缓冲器有蓄能型缓冲器、耗能型缓冲器。液压缓冲器是一种耗能型缓冲器，与蓄能型缓冲器相比，液压缓冲器具有效率高、行程短、缓冲平稳、寿命高等优点，能够适用于各种速度的电梯。随着超高速、大提升高度和大载重量的新型电梯的不断出现，对缓冲器的性能有了更高的要求。

目前国内外有关电梯专用的液压缓冲器的研究比较少，大部分集中在比较成熟的工程车辆缓冲器的设计研究中，而且各自的研究方法、模型建立和分析方程建立各不相同。

文献[1]对液压缓冲器的缓冲特性进行了初步研究，运用MATLAB对缓冲力和行程进行了仿真分析，建立了缓冲器的三维模型，得到了缓冲器的应力场和变形场的特性，验证了结构的可靠性，

文献[2-4]研究了多孔式液压缓冲器的缓冲特性，对缓冲器的孔数、孔径以及坐标位置等结构参数进行设计分析和优化，为该种类型的液压缓冲器的设计提供一定的理论参考。

文献[5]通过对液压缓冲器的薄壁小孔和球面缝隙流的特性分析，得出液压缓冲器的静态特性和动态特性的影响因素，提出液压缓冲器的设计和检测需要考虑该部分影响因素。

文献[6]对履带车辆平衡肘限位液压缓冲器的缓冲机制进行分析并建立了缓冲模型，研究表明：活塞与缸壁的缝隙、节流孔参数对缓冲性能影响比较大；冲击载荷的初速度是最大缓冲力重要因素，而冲击物体的质量对缓冲里的影响比较小。

文献[7]运用Simulink图形化仿真工具，建立缓冲器的设计模型，通过设定的结构参数作为起始仿真数据，对流液孔等对缓冲性能的影响进行仿真分析，得到了各参数的变化对于缓冲性能的影响结果，并未得到确定的最优的缓冲器相关函数变化曲线。

文献[8]运用MATLAB对设计的应用在轨道车辆方面的新型三段阻尼结构的液气缓冲器进行建模分析，得到了相关参数的变化对缓冲特性的影响趋势，为寻找合适的液气缓冲器的设计思路提供理论指导。

本文通过对电梯中应用较多的特定的环状节流孔式液压缓冲器工作性能影响的结构参数进行初步分析并建立分析模型，为电梯专用的液压缓冲器结构及缓冲特性的改进和优化提供研究基础。

1 液压缓冲器的类型和原理

1.1 缓冲器的类型

液压缓冲器根据内部节流方式不同分为：固定式、渐变式和可调节式三种。性能曲线如图1所示。固定式节流方式由于节流孔的面积是固定的，初始阶段的缓冲阻力比较大，行程中、末端的阻力急剧减小趋于0，因此缓冲震动比较大、缓冲性能较差；渐变式节流方式在工作过程中节流面积是逐渐减小的，因此能量的吸收比较均匀，有效地避免了固定式节流方式的不足，缓冲效果较好；可调式节流方式的缓冲器可实现根据工作参数的改变而改变，能够适用不同的缓冲工况。

液压缓冲器根据复位的方式不同可分为：无复位式、弹簧复位式、气体弹簧复位式和液体弹簧复位式等，由于弹簧复位式结构简单，工作可靠，是电梯液压缓冲器中应用最多的柱塞复位方式。其中弹簧复位式有外置弹簧式和内置弹簧式两种，如图2和图3所示。将弹簧内置在缓冲器内部可靠性更好，能有效防止因为外部环境潮湿等因素导致的失效。

电梯中常用的是渐变式的节流方式，根据内部节流孔的不同主要有：油孔柱式（也叫环状油孔式）、多孔式（主要有缸体内壁溢流式和柱塞溢流式）、多槽式等，其中环状油孔式液压缓冲器是应用最多的一种液压缓冲器，也是本文中讨论研究的对象。

图1 缓冲器的性能曲线

1.2 环状油孔式液压缓冲器工作原理

液压缓冲器结构（主要在缓冲节流孔的轮廓、位置和数量等）虽有所不同，但工作原理相同，利用液体的不可压缩性和流动性以及粘性阻尼作用，将冲击载荷机械能逐渐转化为液压油的压力能和暂时储存在复位弹簧的弹性势能，液压油的压力能将进一步转化为热能散发。

图2 外置弹簧式液压缓冲器

图3 内置弹簧式液压缓冲器

下面以环状油孔式液压缓冲器为例介绍基本工作原理，如图4所示。当轿厢（对重）撞击缓冲器时首先与缓冲垫3接触，随后压缩对应的缓冲器，储存在缓冲器储油腔A内的缓冲液压油5被压缩，油压压力大于排油腔B内压力，所以缓冲液压油5就通过节流油孔6从储油腔A外溢到排油腔B（位于封头13和隔离活塞14之间的空腔），由于节流孔起到一定的流量限制作用且节流杆7一般为上小下大的锥形杆，因此节流孔的面积是随着缓冲器的压缩位置的改变不断改变，当缓冲液压油5在流过节流孔时会将90%以上的冲击载荷机械能逐渐转化为液压油的热能散发掉，只有少部分的能量转化为弹性势能储存在复位弹簧4中，因此轿厢（对重）就会按照一定的缓冲减速特性减速直到停止，根据节流油孔的具体形式不同缓冲效果也不同。当轿厢（对重）在离开缓冲器时，柱塞2依靠复位弹簧4储存的弹性势能回弹，此时缓冲液压油5由排油腔B重新通过节流油孔6回到储油腔A，缓冲器恢复正常工作状态。

2 缓冲器模型建立与分析

2.1 分析假设

（1）液压缓冲器的相对运行部分和油液与缓冲器之间的摩擦阻力可以忽略不计；

（2）液压缓冲器中的液压油是不可压缩的，体积弹性模量为某一常数；

（3）忽略轿厢（对重）在撞击缓冲器并与柱塞运动速度相同时的能量损失；

图4 液压缓冲器节流孔类型

（4）除弹簧以外的其余构件都是刚体；

（5）以柱塞处于复位状态时为分析零点；

（6）分析过程默认轿厢是一直与柱塞紧密接触的，近似等效为刚性连接；

（7）为了简化分析模型，认为缓冲各个部分密封良好，无任何泄漏。

2.2 缓冲模型建立

液预设电梯轿厢及轿厢内的载荷总质量为M，轿厢接触撞击缓冲器时的速度为v0，缓冲行程为L，任意位置时柱塞（轿厢）的速度为vx，储油腔A内的压力为p A，排油腔B内的压力为p B，复位弹簧的弹性系数为k，缓冲位移为x，柱塞与缸体配合缝隙长度为l，柱塞与缸体配合缝隙宽为δ，液压油的流量系数为C d，液压油的阻力系数K阻，节流孔的节流面积为A x，液压油的密度为ρ，轿厢的减速度为a，任意时刻活塞的缓冲力F px，轿厢上所受到的阻力为F，缓冲弹簧的初始弹力F b。

根据缓冲过程中活塞的受力情况得到受力方程如下：

式中：F px=p A-p B。

在GB 7588-2003第1号修改单中要求[9]：轿厢作用在缓冲器上的平均减速度不应大于g，且2.5g以上的减速度作用的时间不得大于0.04 s，为了降低对人体的伤害程度和提高乘坐舒适度，本文中建议取减速度值为g，也就是上述公式中的轿厢的减速度a的值取g。

根据缓冲过程中的能量守恒定律，可以得到如下的能量方程：

上述公式中，等号左边是指的轿厢接触缓冲器的总的能量，其中第一部分是指轿厢撞击缓冲器时的初始动能；第二部分是指轿厢接触缓冲器时的重力势能；第三部分是指轿厢受到的外力（包括摩擦力等）在缓冲过程中所做的功，由于轿厢受到的摩擦力相对于轿厢的重量来说微不足道，可以忽略不计；等式的右边部分是指轿厢与缓冲器缓冲到任意位置时的总能量，其中第一部分是指轿厢处于任意位置时的动能；第二部分是指轿厢此时的重力势能；第三部分是指缓冲器所吸收消耗的总的能量。

分析上述公式可以看出，当轿厢处于缓冲行程末端停止位置时，公式变为：

液压缓冲器最理想的缓冲效果是等减速缓冲，其具有缓冲力平稳、缓冲效率高和最大缓冲力最小等优点，要实现等减速缓冲必须要使缓冲器的总缓冲力为常值，也就是式（3） F px+F b为常数，且复位弹簧的的弹力不能过大，一般取0.1～0.3倍的缓冲力就可以，否则将会在轿厢撞击缓冲器的瞬间产生过大的初始反冲力，影响缓冲效果。将公式（3）进行简化计算得：

为了得到轿厢与缓冲器接触并缓冲的过程中的速度vx与缓冲位移x的关系式，可以将公式（1）和（2）联立，得到如下公式：

由于液压缓冲器的节流孔的长径比一般是小于等于4的，因此流经节流孔时的流量方程可以近似按照薄壁小孔或者短孔的形式计算：

Q x为柱塞封头处油孔与节流杆配合面同心圆环缝隙的油液泄漏量；d1为节流杆的直径；δ为柱塞封头处油孔与节流杆配合面的间隙；μ为油液动力黏度；l为柱塞封头处油孔的长度；A为活塞的有效面积；D为柱塞的直径；d为柱塞封头处油孔的直径。

上文的假设中默认缓冲器各个配合面密封良好无任何泄漏量，所以在此可忽略不计。通过求解公式（6）可得任意时刻活塞的缓冲力为：

由上式可以看出，缓冲力是一个关于速度和节流孔面积的函数，节流孔的面积变化将直接影响缓冲的缓冲力的大小变化，缓冲力的大小变化是反映缓冲特性的重要指标，节流孔面积的变化最根本的是节流杆的轮廓曲线的变化，因此节流杆的轮廓曲线以及节流孔的面积变化是影响缓冲特性的重要因素。

将上述式联立求解可得缓冲位移与节流孔面积的函数关系如下：

对于特定的液压油ρ、C d为常值，表示液压油的性能，可通过相关设计手册进行查询，不同性能的液压油对缓冲特性有重要影响；v0、M的值与实际的轿厢的参数和运行状态有关，若已知柱塞节流油孔的尺寸，那么可以根据式（8）近似求出节流杆的轮廓曲线，再结合实际的试验验证该曲线的合理性。

2.3 缓冲器参数对缓冲特性的影响分析

公式（4）中，当柱塞处于缓冲末端停止位置时，轿厢的机械能（包括动能和重力势能）将被缓冲器吸收转化为：缓冲弹簧的弹性势能和液压缓冲能（以热能的方式散发掉）。显然，轿厢及轿厢内的载荷总质量M和撞击缓冲器的速度v0越大，其初始动能也就越大，则需要的缓冲器的缓冲行程L也就越大，这也是超高速电梯底坑中的液压缓冲的高度比较高的原因，当然还可以考虑从节流孔的形式、液压油的粘度等方面进行设计选择，来降低缓冲器的行程L，减小底坑深度，节约建筑物占用空间。

根据公式（7）分析可以看出，当轿厢撞击缓冲器的瞬间由于速度不具有突变性，而此时节流孔面积A x发生减小，就形成了缓冲力F px由零急剧增大的启动缓冲期，当然这个时间比较短暂；随着进一步的缓冲，柱塞（轿厢）的速度v x与节流孔的节流面积A x都相应的减小，缓冲器进入均匀缓冲阶段；当缓冲器接近缓冲行程终端时，缓冲力又急剧下降。在启动缓冲期和缓冲结束期，缓冲力的急剧变化，必然会产生较大的冲击力，对轿厢和缓冲器有一定的影响，因此要着重考虑在这两个阶段采取必要的措施，专门设计起始和终端位置的节流杆轮廓或者增加额外缓冲垫等来限制和避免不利状况。

公式（8）中缓冲位移x的取值范围为0～L，当柱塞处于完全复位的状态时的初始面积，也就是x=0时的节当柱塞处于完全压缩状态时的面积，也就是x=L时的节流孔面积为：A0=0，节流孔完全关闭。此公式同样适用于多孔式液压缓冲器的设计与分析。

联合分析公式（7）和（8），当设定的缓冲器的撞击质量改变时，缓冲器所产生的缓冲力随之变化。缓冲质量变大时，缓冲器的缓冲行程将变大，缓冲力减小；缓冲质量变小时，缓冲器的缓冲行程将变小，缓冲力增大。所以液压缓冲器都有一个最大允许质量和最小允许质量，在选取时不能超过此范围使用。当撞击缓冲器的质量偏小时，会使得缓冲力过大，根本无法起到缓冲保护的作用，会对轿厢及载荷造成伤害；当撞击缓冲器的质量大于最大允许质量时，则会超过缓冲器所能吸收总能量的承受范围，同样无法起到缓冲保护的作用。因此重载情况下设计使用的缓冲器是不适用于轻载的情况的，反之亦是。

3 总结与讨论

（1）建立了缓冲器分析模型，给出了节流孔面积与缓冲距离的函数关系，将有助于缓冲器的设计者提高设计效率和对现有产品的进一步优化改进。

（2）缓冲器的节流孔的面积是影响缓冲效果的主要结构参数，节流孔的面积多大将导致起始缓冲阶段缓冲力比较小，相同撞击载荷情况下，缓冲行程较大，吸收撞击能量的能力较弱；节流孔的面积过小将导致起始缓冲阶段的缓冲力短时间内达到峰值，缓冲特性过硬，对轿厢及载荷造成一定影响，无法起到缓冲和保护的效果。因此对节流孔的相关参数设计研究是提高缓冲器缓冲性能的关键所在。

（3）对于液压油的选择一般要根据具体的使用工况（如轿厢撞击载荷的不同）进行选取，因此电梯液压缓冲器一定要更换相同牌号特性的液压油，防止液压油的不同造成缓冲特性不同，带来安全隐患。

（4）缓冲器的设计要充分考虑平均缓冲力与缓冲器的结构尺寸之间的平衡关系，寻找最优的切合点。

（5）当轿厢及载荷的总质量增大时，通常在设计缓冲器时应相应地减小一点节流孔的面积，以增大缓冲力的方式来降低缓冲行程。