一种负负载直接蓄能型液压控制系统的制作方法

1.本发明涉及的是一种负负载直接蓄能型液压控制系统，属于液压控制技术领域。


背景技术：

2.在工业生产中，存在着诸多物体举升和落下的机构。在物体举升过程中，需要克服重力的作用，就必须对物体做功；在物体落下过程中，物体具有较大的势能，本不需要任何外力协助物体就可以自然落下，但物体要保持按一定规律落下，还必须付出与物体势能相等且相反方向的功（势能平衡功）才能达到目的。对电机拖动的落下过程，一般情况下采用摩擦制动实现；对液压拖动的落下过程，这种势能称为负负载能，一般情况下采用在液压缸的负负载回油腔设置节流阀或平衡阀实现。液压系统的执行元件所受的力称其为负载，当执行元件对机械设备有做功趋势时，其受力称为正负载，当机械设备对执行元件有做功趋势时，其受力称为负负载。
3.目前，步进式加热炉运动机构液压控制的节能技术主要采用势能转换 蓄能型节能液压控制系统，其原理简图见图1：该系统主要由主液压动力装置、补油液压动力装置、升降缸控制回路、势能转换装置、蓄能装置、平移缸控制回路组成，其动力装置的特点是全部选用恒压变量泵；控制回路的特点是采用比例方向调速阀 平衡阀；势能回收的技术特点是采用势能转换 蓄能器的方法。
4.然而在实际运行过程中，上述控制系统中存在的缺陷也逐步体现：1）该系统采用比例换向阀和压力补偿器构成比例方向调速阀属于液压缸入口侧速度控制，对较大负负载和较大惯性的机构不能施加“回油节流”作用，要实现稳定停止则需要额外增加元件，由节能运行转为能耗法运行必须停机条件下手动开关球阀。一定程度上增加运行成本；2）采用平衡阀平衡负负载，需要额外增加2~3mpa的开启压力，导致系统能耗提升；3）按照能量守恒原理，势能转换装置在液压能转换过程中必然产生液压能损失，并且势能转换装置结构体积大，占地面积广，还必须增加一套补油装置给势能转换装置充液、补液，导致企业运营和维护成本增加；4）节能运行和能耗法运行时，比例换向调速阀通过的流量差异很大，由此带来比例阀的控制电流变化很大，给控制程序的编制和日常维护带来很大不便。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有势能转换 蓄能型节能液压控制系统存在的上述缺陷，提出一种负负载直接蓄能型液压控制系统，从根本上解决现有液压控制系统运行成本高，节能效率差的问题。
6.本发明的技术解决方案：一种负负载直接蓄能型液压控制系统，其结构包括蓄能装置、升降缸控制阀组、平移缸控制阀组和液压动力装置，其中蓄能装置通过球阀连接升降缸控制阀组，升降缸控制阀组与平移缸控制阀组并联，并同时连接液压动力装置；所述蓄能装置包括高压蓄能器组、低压蓄能器组和补能限压阀组，其中高压蓄能器组和低压蓄能器组分别通过球阀连接液压动力装置，补能限压阀组同时连接高压蓄能器组和低压蓄能器
组。
7.进一步的，所述高压蓄能器组包括高压蓄能器、压力传感器px1、换向阀yx1和yx2；其中换向阀yx1和yx2分别设于高压蓄能器的两侧，压力传感器px1设于高压蓄能器和换向阀yx2之间；所述低压蓄能器组包括低压蓄能器、压力传感器px2、换向阀yx3和yx4；换向阀yx3和yx4分别设于低压蓄能器的两侧，压力传感器px2设于低压蓄能器和换向阀yx4之间；所述补能限压阀组同时连接高压蓄能器组和低压蓄能器组，并通过换向阀yx5连接液压动力装置，实现按负载变化规律进行分级回收势能。
8.进一步的，所述升降缸控制阀组连接升降油缸，具体包括双向比例调速阀组ybs、换向阀ys3、三位四通电磁换向阀ys1；其中升降油缸的一端接口连接双向比例调速阀组ybs，双向比例调速阀组ybs通过换向阀ys3连接三位四通电磁换向阀ys1的一端，三位四通电磁换向阀ys1的另一端连接升降油缸的另一端接口。所述平移缸控制阀组连接平移油缸，具体包括双向比例调速阀组ybp、桥式双向底板、三位四通电磁换向阀yp1；其中平移油缸的一端接口连接双向比例调速阀组ybp，双向比例调速阀组ybp通过桥式双向底板连接三位四通电磁换向阀yp1，桥式双向底板同时连接平移油缸的另一端接口。
9.进一步的，所述液压动力装置包括压力传感器pb、电比例变量泵、油箱、换向阀yb1和yb2；其中多组并联的电比例变量泵分别与油箱连接，压力传感器pb通过换向阀yb1连接油箱，油箱通过换向阀yb2同时连接高压蓄能器组和低压蓄能器组，同时连接升降缸控制阀组中的三位四通电磁换向阀ys1，以及平移缸控制阀组中的三位四通电磁换向阀yp1。
10.该系统的具体工作过程如下：1）初次上升前，由液压动力装置，从油箱吸油，通过换向阀yx5得电向高压蓄能器组和低压蓄能器组充液；当蓄能器组的压力达到压力传感器px1、px2的设定值后，换向阀yx5失电，完成充液过程；2）接到上升信号后，换向阀ys1、ys3、yx3和双向比例调速阀组ybs同时得电，液压动力装置从低压蓄能器组吸压力油，通过换向阀ys1、ys3、双向比例调速阀组ybs向升降油缸的无杆腔供油，而有杆腔的油同时通过换向阀回到油箱，从而完成低压蓄能释放，轻负载半行程伸出的过程；接到位置信号后，换向阀yx3失电，换向阀yx1得电，液压动力装置从高压蓄能器组吸压力油，通过换向阀ys1、ys3、双向比例调速阀组ybs继续向升降油缸的无杆腔供油，而有杆腔的油亦同时通过换向阀回到油箱，从而完成高压蓄能释放、重负载半行程伸出的过程，相关得电元件全部失电，此时完成全部上升、蓄能装置能量释放过程；3）待平移缸完成出料后，下降过程开始：接到下降信号后，换向阀ys1、yx2、双向比例调速阀组ybs同时得电，液压动力装置从油箱吸油，通过换向阀ys1向升降缸的无杆腔供油，而有杆腔的油同时通过双向比例调速阀组ybs和换向阀yx2进入高压蓄能器组，从而完成重负负载半行程缩回和高压蓄能过程；接到位置指令信号后，换向阀yx2失电，换向阀yx4得电，主液压动力装置从油箱吸油，继续通过换向阀ys1向升降缸的无杆腔供油，而有杆腔的油同时通过ybs、yx4进入低压蓄能器组，从而完成轻负负载半行程缩回和低压蓄能过程，相关得电元件全部失电，此时完成全部下降、蓄能过程，该过程所需能量在下一个循环的上升过程中使用。
11.与现有技术相比，本发明的优点在于：1）液压动力装置选用闭式传动系统用的电比例变量泵，该泵具有吸油口允许压力
高的特点，同时还具有可调恒压变量的特点：常规恒压变量泵不论某回路所需压力多高，其泵源工作压力始终以最高压力回路为基准设定恒压变量压力值，在低压回路工作时就要通过增加流阻的节流形式消耗泵源的部分压力，以适应该回路的需要，而流阻最终转化为多余热量，导致能源浪费；而可调恒压变量的特点可根据系统各个回路的压力需求，设置不同的恒压变量点，不需以增加流阻的节流形式消耗泵源的压力，比普通恒压变量泵更加节能；2）升降缸和平移缸控制回路采用“一种基于液压缸负负载回油腔的双向调速液压控制系统（专利号zl201920530719.4）”中公开的技术特征所设计：对升降缸控制回路而言，在负负载回油腔（无杆腔）设置双向比例调阀，不仅能起到双向调速作用，而且还能在下降时充分发挥调速阀拟制负负载的功能，起到了平衡阀的作用，又不需要增加平衡阀必须的2~3mpa开启压力；对平移缸控制回路而言，在有杆腔设置双向比例调阀，不仅能起到双向调速作用，而且在有杆腔进油活塞杆伸出时（属于重负载工作行程）增加背压，还能在重负载运行过程结束时拟制惯性确保停止位置准确，在节能的同时确保控制系统的整体运行稳定；3）在蓄能装置中通过设置高、低压蓄能器组及控制阀，实现按负载变化规律进行分级回收势能，通过设置补能限压阀组巧妙地利用减压阀的特性，并利用工艺过程的时间差，在有泄露油的情况下，通过压力信号控制使蓄能器组通过一个电磁阀实现高、低压蓄能器组同时或单个自动补油，并可根据不同系统，选用皮囊式蓄能器组或活塞式蓄能器组。
12.4）升降缸控制回路在节能工作状态下上升时，液压动力装置的主泵从蓄能器组吸入压力油，以（无杆腔所需）全流量向控制回路供油；主泵吸入压力油相当于给主泵增加了一个液压推力，即便压力再低也能起到推力的作用，从而降低了电机的工作功率，相对于常规节能工作模式省去了势能转换装置和补油动力装置，装置占地面积更小，所需资金投入更少，并减少了转化过程中设备自身的能耗，相对提高了势能回收率；5）升降缸的上升过程不论是节能还是能耗工作状态，都是全流量通过比例调速阀（不同的是能耗状态下主泵是从油箱直接吸油），所以，两种状态的主控程序简单一致，其控制模式切换可以通过外部控制器进行一键操作，无缝过渡；其它回路在工作时，液压动力装置的主泵从油箱直接吸油，并可以在另一个设定的恒压变量压力下工作，这样，全系统都融入了节能的理念。
附图说明
13.附图1是现有势能转换 蓄能型节能液压控制系统的结构原理图。
14.附图2是本发明负负载直接蓄能型液压控制系统的结构原理图。
具体实施方式
15.下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
16.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”等指示
的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”等表次序的词语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
18.如图2所示的负负载直接蓄能型液压控制系统，其结构包括蓄能装置、升降缸控制阀组、平移缸控制阀组和液压动力装置，其中蓄能装置通过球阀1连接升降缸控制阀组，升降缸控制阀组与平移缸控制阀组并联，并同时连接液压动力装置。
19.所述蓄能装置包括高压蓄能器组、低压蓄能器组和补能限压阀组，其中高压蓄能器组和低压蓄能器组分别通过球阀2和球阀3连接液压动力装置，补能限压阀组同时连接高压蓄能器组和低压蓄能器组。
20.所述高压蓄能器组包括高压蓄能器、压力传感器px1、换向阀yx1和yx2；其中换向阀yx1和yx2分别设于高压蓄能器的两侧，压力传感器px1设于高压蓄能器和换向阀yx2之间。
21.所述低压蓄能器组包括低压蓄能器、压力传感器px2、换向阀yx3和yx4；换向阀yx3和yx4分别设于低压蓄能器的两侧，压力传感器px2设于低压蓄能器和换向阀yx4之间。
22.所述补能限压阀组同时连接高压蓄能器组和低压蓄能器组，并通过换向阀yx5连接液压动力装置，通过补能限压阀组实现按负载变化规律进行分级回收势能。
23.所述升降缸控制阀组连接升降油缸，具体包括双向比例调速阀组ybs、换向阀ys3、三位四通电磁换向阀ys1；其中升降油缸的一端接口连接双向比例调速阀组ybs，双向比例调速阀组ybs通过换向阀ys3连接三位四通电磁换向阀ys1的一端，三位四通电磁换向阀ys1的另一端连接升降油缸的另一端接口。
24.所述平移缸控制阀组连接平移油缸，具体包括双向比例调速阀组ybp、桥式双向底板、三位四通电磁换向阀yp1；其中平移油缸的一端接口连接双向比例调速阀组ybp，双向比例调速阀组ybp通过桥式双向底板连接三位四通电磁换向阀yp1，桥式双向底板同时连接平移油缸的另一端接口。yp1、ybp同相关阀构成换向比例调速阀组，实现对平移缸的比例调速控制。
25.所述液压动力装置包括压力传感器pb、电比例变量泵、油箱、换向阀yb1和yb2；其中多组并联的电比例变量泵分别与油箱连接，压力传感器pb通过换向阀yb1连接油箱，油箱通过换向阀yb2同时连接高压蓄能器组和低压蓄能器组，同时连接升降缸控制阀组中的三位四通电磁换向阀ys1，以及平移缸控制阀组中的三位四通电磁换向阀yp1。其中，yb1是电磁卸荷阀，电磁卸荷阀的溢流压力和系统压力相适应，对系统起保护作用；卸荷功能只在泵组启动和停止时应用，泵组在启动和停止时其处于得电状态，即卸荷状态，目的是实现在空
载下启停泵组已实现降低启动电流和减少停机冲击振动，正常工作情况下处于失电状态。yb2是放油阀，即主系统的辅助功能，仅在检修情况下得电放油，正常工作状态下始终处于失电即关闭状态。
26.本发明提出的负负载直接蓄能型液压控制系统的势能回收、释放的基本原理为：升降缸控制回路在节能工作状态下工作时，液压动力装置的主泵从蓄能器组吸入压力油，以全流量向控制回路供油；升降缸控制回路在能耗工作状态下工作时，液压动力装置的主泵从油箱直接吸油；不论节能还是能耗工作状态，都是全流量通过调速阀。其它回路在工作时，液压动力装置的主泵从油箱直接吸油，并可以在另一个设定的恒压变量压力下工作。实际操作时，该系统的具体工作过程如下（具体操作过程由连接系统中各阀门和传感器的控制面板所控制，采用市面上通用的控制面板即可实现）：1）初次上升前，由液压动力装置，从油箱吸油，通过换向阀yx5得电向高压蓄能器组和低压蓄能器组充液；当蓄能器组的压力达到压力传感器px1、px2的设定值后，换向阀yx5失电，完成充液过程；2）接到上升信号后，换向阀ys1、ys3、yx3和双向比例调速阀组ybs同时得电，液压动力装置从低压蓄能器组吸压力油，通过换向阀ys1、ys3、双向比例调速阀组ybs向升降油缸的无杆腔供油，而有杆腔的油同时通过换向阀回到油箱，从而完成低压蓄能释放，轻负载半行程伸出（上升）的过程；接到位置信号后，换向阀yx3失电，换向阀yx1得电，液压动力装置从高压蓄能器组吸压力油，通过换向阀ys1、ys3、双向比例调速阀组ybs继续向升降油缸的无杆腔供油，而有杆腔的油亦同时通过换向阀回到油箱，从而完成高压蓄能释放、重负载半行程伸出（上升）的过程，相关得电元件全部失电，此时完成全部上升、蓄能装置能量释放过程；3）待平移缸完成出料后，下降过程开始：接到下降信号后，换向阀ys1、yx2、双向比例调速阀组ybs同时得电，液压动力装置从油箱吸油，通过换向阀ys1向升降缸的无杆腔供油（无压补油），而有杆腔的油同时通过双向比例调速阀组ybs和换向阀yx2进入高压蓄能器组，从而完成重负负载半行程缩回（下降）和高压蓄能过程；接到位置指令信号后，换向阀yx2失电，换向阀yx4得电，主液压动力装置从油箱吸油，继续通过换向阀ys1向升降缸的无杆腔供油（无压补油），而有杆腔的油同时通过ybs、yx4进入低压蓄能器组，从而完成轻负负载半行程缩回（下降）和低压蓄能过程，相关得电元件全部失电，此时完成全部下降、蓄能过程，该过程所需能量在下一个循环的上升过程中使用。
27.本发明提出的负负载直接蓄能型液压控制系统，与现有势能转换 蓄能型节能液压控制系统的节能效果估算过程和对比如下：采用现有势能转换 蓄能型节能液压控制系统，以某公司步进加热炉为例，其重负负载和轻负负载分别对升降缸无杆腔产生的压力为11mpa（a）和4mpa（b）；下降过程需主液压动力装置向有杆腔提供2~3mpa的压力，这是平衡阀的工作特性所决定的，该压力转换为了负负载，相当于无杆腔至少增加了1.5mpa（c）的压力（升降缸活塞杆和活塞面积比按照k=0.5）；全部管道阀门的压损约为1mpa（d）；势能转换装置的压损约为1mpa（e）；平衡阀下降的平均压损（实际为变化值）约为1.5mpa（f）。
28.重负负载过程中蓄能器的蓄能压力p1和释放到升降缸无杆腔管路压力p2计算：p1
=a
‑
c
‑
d
‑
e
‑
f=(11 1.5
‑1‑1‑
1.5)=9 mpa；p2=p1
‑
d
‑
e=9
‑1‑
1=7 mpa；轻负负载过程中蓄能器的蓄能压力p1和释放到升降缸无杆腔入口压力p2计算：p1=b c
‑
d
‑
e
‑
f=4 1.5
‑1‑
1.5=3 mpa；p2=p1
‑
d
‑
e=3
‑1‑
1=1 mpa；节能效率=(7 1)/(11 4 2*1.5)=44.4%。
29.采用本发明提出的负负载直接蓄能型液压控制系统，同样以某公司步进加热炉为例，其重负负载和轻负负载分别对升降缸无杆腔产生的压力为12mpa（a）和4mpa（b）；下降过程只需主液压动力装置向有杆腔补油，几乎是零压；全部管道阀门的压损约为1mpa（d）；双向比例调速阀下降的平均压损（实际为变化值）约为1.5mpa（f），上升的压损1mpa（g）。
30.重负负载过程中蓄能器的蓄能压力p1和释放到闭式泵入口的压力p2计算：p1=a
‑
d
‑
f=11
‑1‑
1.5=8.5 mpa；p2=p1
‑
d=8.5
‑
1=7.5 mpa。轻负负载过程中蓄能器的蓄能压力p1和释放到升降缸无杆腔入口压力p2计算：p1=b
‑
d
‑
f=4
‑1‑
1.5=2.5 mpa；p2=p1
‑
d=2.5
‑
1=1.5 mpa；节能效率=(7.5 1.5)/(11 4)=60%，高于现有势能转换 蓄能型节能液压控制系统的节能效率。
31.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。