第 1 章 绪论
1.1 课题提出的背景
随着社会的高速发展，更多人进入城市生活，高层建筑也随之增多，世界上各大城市为突显自己的经济发展实力，竞相建造摩天大厦，现如今高层建筑已成为城市现代化的标志之一[1-2]。
进入 21 世纪以来，我国经济发展飞速，高层建筑对电梯的需求也日益增多，根据相关报道，截止 2018 年，我国投入使用的电梯数量已超过 700 万台，并且仍在不停增长之中[3]。预计至 2021 年，我国整个电梯市场的每年需求量也将达至百万级别。随着高速电梯使用量不断增多，其安全问题也受到了广泛关注，虽然针对各种可能发生的问题电梯设置了相应的保护装置，如制动器，限速器，缓冲器等等，以避免严重的人员伤亡[4]。但即便如此，电梯仍会发生各种事故，尤其是失控坠落事故，往往导致严重后果。而缓冲器就安装在井道底部，当电梯发生意外工况坠落并且其他保护装置失效时，缓冲器就是电梯的最后一道安全保护装置，保护乘客和机械设备的安全[5]。
缓冲器的发展己有近百年的历史。最早出现的缓冲器是通过使用悬架弹簧来减缓冲击的。弹簧虽性能可靠结构简单，但它的缺点是无法吸收振动能量，容易产生共振。后来研究者发现通过橡胶块和弹簧组合的方式可以降低车身振动，但它无法产生双向作用。到了 1908 年，法国的 M.Handalle 以橡胶缓冲器为基础研制出首个油压缓冲器。它利用油液流过节流孔所产生的阻尼作用来实现减震的目的[6]。进入 60年代，筒式缓冲器逐渐发展完善，其中以双筒式缓冲器最为常见。筒式缓冲器的优点为成本低廉、工艺优良，其缺点是不易散热、安装不方便[7]。进入 21 世纪之后，随着科技的发展，各种新型缓冲器应运而生。但到目前为之，国内外使用最为广泛的、成本较低、制造工艺比较成熟完善的仍是油压缓冲器。其优点是可通过改良节流孔结构如芯轴式、多孔式等来优化产品的缓冲性能。
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1.2 缓冲器国内外的研究现状
1.2.1 国外研究现状
早在 20 世纪初，国外便开始了对缓冲器的研究，由于其发展非常迅速，现在已经作为一个独立的行业存在，且拥有良好的发展前景。美国以及欧洲等西方发达国家研究制造缓冲器的企业不计其数，如美国的 En Nine 公司、德国的 ACE 公司、Festo公司等[8-10]。缓冲器设计的计算机化是其重点的发展方向，CAD 技术、CFD 软件的应用，不但能够使产品质量和生产效率得到提升，还克服了缓冲器设计周期长、制造成本高的缺点。例如：在油压缓冲器初始开发时期，ACE 公司与 ADINA 公司就通过 CFD 软件对缓冲过程进行仿真模拟，根据分析结果对结构参数进行优化，从而得到最优的缓冲特性曲线[11]。FESTO 开发了面向用户的缓冲器选型和性能仿真软件。用户可以从这种软件提供的目录中选到需要的缓冲器型号，同时可以对缓冲器的缓冲过程、最大减速度、缓冲时间等进行模拟仿真，从而达到缓冲器性能优化的作用[12]。M.S. Hundal[13]、N. Chandar[14]等分别对不同缓冲器建立数学模型，通过进行实验和仿真对比了不同缓冲器在不同激励下的响应，对于设计研究不同类型的缓冲器具有很大意义。另外，国外公司还拥有非常先进的设计理论和技术，比如关于油缸浮动缓冲结构的详细计算公式及其分析只能在国外的大学实验室里找到。而我国当前所使用的实际上并非详细的计算公式，而多是经验计算公式[15]。
虽然国际上早就开始了对油压缓冲器的研究，在其缓冲原理、缓冲结构与过程等方面的研究也更为深入。但由于技术封锁等原因，国内现无法获得有关的技术资料。
1.2.2 国内研究现状
上个世纪中期，我国对缓冲器的研究刚刚起步，制造出来的产品在各个方面都落后于国外。八十年代后期，随着我国生产制造业不断发展壮大，缓冲器对机械系统的贡献也更加突出，缓冲器市场迅速扩大，国内对于油压缓冲器的研究也不断深入。
2003 年，清华大学的郝鹏飞通过仿真模拟和实验研究的方法，对多孔型油压缓冲器的动态特性进行研究，证明了缓冲器的最大吸收动能和负载的冲击质量和速度有很大关系，对小型油压缓冲器的选型和优化提供了理论依据[16]。在以往建立油压缓冲器数学模型时，经常将碰撞后的活塞和冲击物看作一个质量块分析。而上海交通大学的傅武军考虑到活塞端部橡胶垫的存在对缓冲结果影响较大，遂将活塞和冲击物看作两个独立的质量块，建立油压缓冲器仿真模型，并通过实验验证了仿真模型的准确性。
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第 2 章 缓冲器的原理及工作参数
2.1 油压缓冲器分类
(1) 按节流面积是否可变区分
油压缓冲器根据节流面积是否改变可分为恒节流和变节流缓冲。其中，恒节流式油压缓冲器的结构相对简单，因为节流缝隙面积不会随着运动速度的减小而改变，缓冲过程中压力会有较大幅度的波动，所以此类缓冲器一般只能用于缓冲要求较低的场合。
而变节流形油压缓冲器则正好相反，缓冲过程中，节流面积会随着活塞运行而改变，缓冲动作开始时，节流油路通流面积较大，随着活塞向下运动，节流面积逐渐减小，经过缝隙的油液流量减小，这样可以使缓冲过程中的压力波动相对平稳，缓冲效果较恒节流缓冲更为理想。但其拥有更为复杂的结构和更高标准的工艺要求。
(2) 按照结构形式分类
油压缓冲器按照结构形式可分为多孔式和芯轴式。多孔式油压缓冲器的基本结构如图 2-1 所示。撞头受到撞击后推动活塞向下运行，高压腔中油液受到挤压通过阻尼孔流向低压腔。因为阻尼孔面积远小于活塞面积而极大阻碍了油液的流通，从而达到节流缓冲的目的[33]。对于多孔式缓冲器来说，合适的阻尼孔直径和间距是使得节流效果趋近于理想缓冲的关键[34]。
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机械系统是复杂且多样的，机械系统不同，对缓冲器性能的要求也有所差异。缓冲器能否匹配机械系统，能否最大程度降低系统受到的冲击力、提高系统使用寿命成为了评价其是否优良的依据[35]。以下是油压缓冲器的几个主要性能参数。
(1) 缓冲器的额定容量
缓冲器的额定容量是油压缓冲器选型的基本参考值，它是指作用力在缓冲器完全压缩过程中所做功的总和。从缓冲特性曲线上看是缓冲力—行程曲线的积分值。
(2) 缓冲器的耐久性
缓冲器的耐久性是指其在工作中能够满足缓冲要求容量的能力。TB1961-87 中规定，其容量应该高于额定值的 80%，如果缓冲器在多次使用后容量低于 80%，就应该及时更换。
(3) 缓冲器的额定行程
缓冲器的额定行程是一个重要参数，增加额定行程，有助于提高缓冲额定容量、降低缓冲力。但是此参数会受机械构造等因素的限制[36]。在容量相等时，额定行程越长，缓冲力就会越小，所以为了解决这个矛盾，需要缓冲器具备一个较高的初始刚度以及适合的长行程。
(4) 缓冲效率和衰减系数
缓冲效率为实际缓冲力—行程曲线对位移的积分值与最大缓冲力 F 和缓冲行程S 所围成的矩形面积之比。衰减系数是指油压缓冲器在缓冲过程中吸收与耗损的能量之比。缓冲效率和衰减系数的值都应尽量取大一些，一般大于 60%。常见缓冲器的F-S 特性曲线见图 2-3。可以明显看出，油压缓冲器的缓冲效率及额定容量远超过另外两种，通常可达 90%以上。
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第3章 芯轴式油压缓冲器的数学模型 ................................. 21
3.1 缓冲器数学建模的假设 ..................................... 21
3.2 油压缓冲器物理模型 ............................... 21
第4章 基于Simulink的油压缓冲器数值仿真 ............................. 39
4.1 Matlab 与 Simulink 简介 ..................................... 39
4.2 Simulink 仿真模型的建立 ......................................... 39
第 5 章 芯轴式油压缓冲器仿真系统设计 ............................ 55
5.1 GUI 开发方法简介 .................................... 55
5.2 系统的总体设计 ............................... 55
第 5 章 芯轴式油压缓冲器仿真系统设计
5.1 GUI 开发方法简介
通常在开发一个实际的应用程序时都会提供一个图形界面来方便用户的理解和应用。用户不需要知道程序的编译过程以及命令是如何执行的，只需要了解交互界面的操作方法即可。在 Matlab 中，图形用户界面是一种包含许多对象的图形窗口。用户需要对各个对象进行程序编辑和布局操作，这样当用户激活 GUI 每个对象时都能够执行对应的命令。
上述的工作都可以使用Matlab图形用户界面开发环境GUIDE(Matlab’s Graphical User Interface Development Environment)方便的实现。GUIDE是一个界面设计工具集，Matlab 将所有 GUI 支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。在用户对界面进行设计的同时，GUIDE 可以自动生成对应界面的 M 文件框架，用户可以直接在此框架中添加函数代码，免去了大量程序的编译过程。
创建 GUI 包括两部分内容：GUI 界面设计和程序编写。整个 GUl 的实现过程可分成如下 3 个步骤:
1) 通过设置 GUIDE 应用程序的选项来运行 GUIDE。
2) 使用界面设计编辑器进行 GUI 界面设计。
3) 进行回调函数代码的编写。
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结论
本论文从工程应用的角度出发，构建了油压缓冲器的动力学模型，搭建了油压缓冲器阻尼特性分析平台，详细分析了油压缓冲器芯轴结构尺寸对阻尼特性的影响。本论文所做的主要工作总结如下：
1) 以芯轴式油压缓冲器为研究对象，分析了其结构特点以及芯轴外轮廓表面的形状对缓冲效果的影响，确定了两锥度的芯轴结构方案。
2) 根据流体力学、气体动力学以及结构动力学等相关理论，结合两锥度芯轴式油压缓冲器的工作原理与结构特点，建立了电梯轿厢、芯轴式油压缓冲器的数学模型。
3) 以 Matlab 软件中的 Simulink 模块为平台，构建了芯轴式油压缓冲器的仿真系统，可以获得电梯轿厢、缓冲器活塞杆的位移、速度、减速度的时间历程。通过仿真结果与实验结果的对比可知，其仿真数据和实验数据结果基本一致，由此验证了数学模型的正确性。
4) 以缓冲时间和减速度为目标，分析了芯轴结构参数对缓冲效果的影响规律。得出芯轴直径的改变对缓冲过程中减速度影响较大，芯轴长度的改变主要影响缓冲行程及时间。
5) 通过 Matlab 软件中的 GUI 工具箱，设计开发了芯轴式油压缓冲器仿真系统，该软件为用户提供了简洁友好的用户界面，能够快捷、方便地获得油压缓冲器的阻尼特性参数及轿厢的运动特性曲线。
参考文献（略）