一种双向式的液压缸双作用馈能系统及其方法与流程

1.本发明涉及液压缸相关技术领域，尤其是指一种双向式的液压缸双作用馈能系统及其方法。


背景技术：

2.液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。液压缸的结构型式有活塞缸、柱塞缸、摆动缸三大类，活塞缸和柱塞缸实现往复直线运动，输出速度和推力，摆动缸实现往复摆动，输出角速度 （转速） 和转矩。
3.现有的垂直安装式液压缸，下落时自重及外部负载会形成极大的势能，常规的油路是直接回油箱，容易造成能源浪费。


技术实现要素：

4.本发明是为了克服现有技术中垂直安装式液压缸内的活塞下落时，液压缸内部的压力油直接回油箱，造成能源浪费的不足，提供了一种能够将液压回油的势能转变为电能的双向式的液压缸双作用馈能系统及其方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双向式的液压缸双作用馈能系统，包括液压缸、双向油泵马达、油箱和电机，所述液压缸的顶部和液压缸的底部分别设有管道接口一和管道接口二，所述管道接口二与双向油泵马达之间、双向油泵马达与油箱之间、油箱与管道接口一之间均通过油管相连通，所述电机上和双向油泵马达上分别设有转轴一和转轴二，所述转轴一和转轴二相连接。
6.液压缸为垂直安装式液压缸。液压缸置于双向油泵马达的上方，双向油泵马达置于油箱的上方。电机和双向油泵马达的作用均为双向的：电机作为电动机时，双向油泵马达作为油泵使用，通过控制电动机上的转轴一进行正转，带动油泵上的转轴二同步正转，将油从油箱泵入液压缸中，使液压缸上的活塞杆上行；电机作为发电机时，双向油泵马达作为油马达使用，当液压缸底部的压力油在重力及外部负载的作用下经过油马达回落至油箱中时，压力油会推动油马达上的转轴二进行反转，带动发电机上的转轴一同步反转，使发电机开始发电，通过这样的设计能够很好达到将液压回油的势能转变为电能的目的，减少了资源的浪费。结构简单，实施方便。
7.作为优选，所述双向油泵马达的内部设有圆柱形腔室，所述转轴二的一端安装在圆柱形腔室的右端壁上，所述转轴二的另一端贯通圆柱形腔室的左端壁且与转轴一固定连接，所述转轴二和双向油泵马达转动连接，所述转轴二的轴心与圆柱形腔室的轴心之间相互平行且位于同一水平面上，所述转轴二的轴心与圆柱形腔室的轴心之间错开设置，所述
转轴二上套设有圆盘，所述圆盘和转轴二固定连接，所述圆盘置于圆柱形腔室内且与其转动连接，所述圆盘的直径小于圆柱形腔室的直径，所述圆盘的高度等于圆柱形腔室的高度，所述圆盘的外侧壁和圆柱形腔室的内侧壁相接触，所述圆盘的外侧壁上设有若干个叶片槽，所述叶片槽关于转轴二呈环形均匀分布，所述叶片槽内滑动连接有叶片，所述叶片的宽度等于圆柱形腔室的高度，所述叶片的一端和叶片槽的底面之间通过压缩弹簧相连接，所述叶片的另一端和圆柱形腔室的内侧壁相接触，所述圆柱形腔室的顶部和圆柱形腔室的底部分别设有上开口和下开口，所述管道接口二和上开口之间、下开口和油箱之间均通过油管相连接。叶片在压缩弹簧的弹力作用下始终压在圆柱形腔室的外侧壁上，且圆柱形腔室的内侧壁与圆盘的外侧壁之间的区域被叶片分割成若干个密封工作腔。当电机作为电动机带动转轴二及其上的圆盘进行正转时，位于下开口处的密封工作腔容积逐渐增大，从而产生真空，并通过油管将油箱内的压力油吸入，而位于上开口处的密封工作腔容积逐渐减小，从而将密封工作腔内的压力油压出至上开口，并通过油管将压力油泵入液压缸中。当液压缸底部的压力油在重力及外部负载的作用下进入位于上开口处的密封工作腔时，由于两侧叶片的受力面积不同，从而由叶片受力差构成的转矩推动圆盘（转轴二）开始反转，进而带动电机上的转轴一进行同步反转，此时电机作为发电机进行发电，很好达到将液压回油的势能转变为电能的目的，减少了资源的浪费。
8.作为优选，还包括控制阀，所述控制阀内部的左右两侧均设有空腔一，所述空腔一的顶面和空腔一的底面分别设有上通孔和下通孔，左侧空腔一的下通孔和上开口之间通过固定管相连通，左侧空腔一的上通孔和管道接口二之间、右侧空腔一的上通孔和管道接口一之间、右侧空腔一的下通孔和油箱之间均通过油管相连通，左右两个空腔一内分别固定有左导向板和右导向板，所述左导向板和右导向板上分别设有左导向通孔和右导向通孔，所述左导向通孔和右导向通孔内分别滑动连接有左滑杆和右滑杆，所述左滑杆的底端和右滑杆的顶端分别固定有左阀芯和右阀芯，所述左阀芯与左侧空腔一的下通孔相匹配，所述右阀芯与右侧空腔一的上通孔相匹配，所述左滑杆和右滑杆上分别套设有左弹簧和右弹簧，所述左弹簧的两端分别与左导向板、左阀芯相连接，所述右弹簧的两端分别与右导向板、右阀芯相连接，所述控制阀的内部设有联动组件，所述左滑杆和右滑杆均与联动组件相连接，所述固定管内设有开关组件，所述开关组件与左阀芯相连接。液压缸置于控制阀的上方，控制阀置于双向油泵马达的上方。自然状态下，左阀芯在左弹簧的弹力作用下压在左侧空腔一的下通孔处，右阀芯在右弹簧的弹力作用下压在右侧空腔一的上通孔处，此时控制阀处于关闭状态。当双向油泵马达作为油泵时，压力油在油泵的压力作用下可以自动将左阀芯从左侧空腔一的下通孔处顶开（在联动组件的作用下，右阀芯也同时被打开），此时控制阀处于自动打开状态，油箱内的压力油能顺利通过管道接口二泵入液压缸中，带动液压缸内的活塞杆上行。当液压缸内的活塞杆需要下行时，则通过开关组件将左阀芯从左侧空腔一的下通孔处顶开，（在联动组件的作用下，右阀芯也同时被打开），此时控制阀处于被动打开状态，压力油在重力及外部负载的作用下也能顺利通过管道接口二经油马达回流至油箱中，同时双向油泵马达则作为油马达带动电机发电。
9.作为优选，所述联动组件包括置于控制阀内部的空腔二，所述空腔二位于两个空腔一之间，所述空腔二的左侧壁与左侧的空腔一之间和空腔二的右侧壁与右侧的空腔一之间分别设有左连接通孔和右连接通孔，所述左连接通孔和右连接通孔内分别滑动连接有左
活动杆和右活动杆，所述左活动杆置于左滑杆的上方，所述左活动杆的左端置于左侧空腔一内且位于左滑杆的右侧，所述左活动杆与左滑杆之间设有左传动杆，所述左活动杆的左端和左滑杆的顶端分别与左传动杆的两端相铰接，所述右活动杆置于右滑杆的下方，所述右活动杆的右端置于右侧空腔一内且位于右滑杆的左侧，所述右活动杆与右滑杆之间设有右传动杆，所述右活动杆的右端和右滑杆的底端分别与右传动杆的两端相铰接，所述空腔二中安装有齿轮，所述左活动杆的右端置于空腔二内且其上固定有齿条一，所述右活动杆的左端置于空腔二内且其上固定有齿条二，所述齿条一和齿条二分别置于齿轮的上下两侧且均与齿轮相啮合，所述齿条一与空腔二的右侧壁之间通过复位弹簧一相连接，所述齿条二与空腔二的左侧壁之间通过复位弹簧二相连接。左滑杆和左传动杆之间所成的锐角始终大于45
°
；右滑杆和右传动杆之间所成的锐角始终小于45
°
。当左阀芯被顶开时，此时左滑杆向上运动，在左传动杆的传递作用下带动左活动杆（齿条一）向右运动，使得齿轮发生转动，进而带动右活动杆（齿条二）向左运动，然后在右传动杆的传递作用下带动右滑杆向下运动，使得右阀芯离开右侧空腔一的上通孔处，达到打开右阀芯的目的。其中复位弹簧一和复位弹簧二分别起到左活动杆和右活动杆的复位作用。
10.作为优选，所述开关组件包括扭转弹簧座，所述扭转弹簧座分别固定在固定管相对两侧的内侧壁上，所述扭转弹簧座上设有转动板，所述转动板的一侧安装在扭转弹簧座上且与其转动连接，所述转动板的另一侧铰接有电磁铁，所述扭转弹簧座和电磁铁位于同一竖直平面内，所述固定管的内侧壁上固定有与电磁铁相匹配的挡板，所述挡板置于电磁铁的下方，所述左阀芯的底部设有连接杆，所述连接杆贯通左侧空腔一的下通孔置于固定管的内部，所述连接杆的一端和左阀芯固定连接，所述连接杆另一端设有与转动板相匹配的斜杆，所述斜杆的一端和连接杆固定连接且两者之间呈钝角设置，所述斜杆的另一端位于转动板的侧面且朝向转动板。其中固定管为方形管，转动板的宽度和固定管的内宽度相匹配。自然状态下，在扭转弹簧座的扭力作用下，转动板和电磁铁贴靠在固定管的内侧壁上；当需要被动打开控制阀时，可同时向两个电磁铁进行通电，使其产生相反的磁场，此时两个电磁铁在磁力的作用下相互靠近，带动两侧的转动板发生转动，将斜杆连同连接杆向上顶起，进而将左阀芯从左侧空腔一的下通孔处顶开，达到打开控制阀的目的，且此时由于两侧转动板的合拢，使得固定管内部的通道变小，压力油从固定管流向油马达的压力增大，对叶片的推动力也随着变大，进而提高了电机的发电效率。在控制阀自动打开时，挡板则起到挡住压力油的作用，防止转动板在压力油的冲击下发生转动。
11.作为优选，还包括安全阀和补油阀，所述管道接口一和油箱之间、管道接口二和油箱之间分别通过安全油管一和安全油管二相连通，所述安全油管一和安全油管二均安装在安全阀上，所述固定管的侧壁上设有侧通孔，所述侧通孔位于扭转弹簧座的上方，所述管道接口一和油箱之间、管道接口二和侧通孔之间分别通过补油管一和补油管二相连通，所述补油管一和补油管二均安装在补油阀上。安全阀起到控制安全油管一和安全油管二的开关和流速的作用；补油阀起到控制补油管一和补油管二的开关和流速的作用。通过增设旁路安全阀，一旦馈电系统出现故障，可自动切入旁路回路，不影响设备正常生产；通过增设补油阀，一旦液压缸的回落压力不足，可通过补油回路向管道接口一进行补油，保证液压缸能正常回落。
12.作为优选，还包括四象限伺服驱动器、lcl电路和三相电网，所述电机上设有电线
接头，所述电线接头、四象限伺服驱动器、lcl电路和三相电网依次串联。当电机作为电动机时，三相电网能给电动机进行供电，为电动机提供电能；当电机作为发电机时，所产生的电流经过四象限伺服驱动器、lcl电路的处理可转变成三相380v、50hz的电能，输送回电网，减少了资源的浪费。采用四象限伺服驱动器，回馈电能质量高，无畸变，馈电效果好。
13.作为优选，所述电机的类型为永磁同步电机。馈电效果好，效率可达92%。
14.本发明还提供了一种双向式的液压缸双作用馈能方法，包括以下步骤：步骤一，当液压缸需要上行时，控制电机上的转轴一进行正转，带动双向油泵马达上的转轴二正转，将油箱内的压力油泵入液压缸中，使液压缸上的活塞杆上行，此时控制阀自动打开；步骤二，当液压缸需要下行时，通过开关组件主动打开控制阀，液压缸内的压力油会在重力及外部负载的作用下经过双向油泵马达回落至油箱中，此时压力油会推动双向油泵马达上的转轴二进行反转，带动电机上的转轴一同步反转，使电机开始发电。
15.与单作用馈能相比，电机的作用是双向的，即作为电动机，也作为发电机，双向油泵马达的作用也是双向的，正转时作为油泵使用，为液压系统供油，反转时作为马达馈能使用，对电机进行驱动，带动电机发电。很好达到将液压回油的势能转变为电能的目的，减少了资源的浪费。
16.作为优选，步骤二中电机所产生的电流经过四象限伺服驱动器、lcl电路的处理可转变成三相380v、50hz的电能，输送回三相电网。回馈电能质量高，无畸变，馈电效果好，减少了资源的浪费。
17.本发明的有益效果是：能够将液压回油的势能转变为电能，减少了资源的浪费；结构简单，实施方便；提高了电机的发电效率；增设旁路安全阀，一旦馈电系统出现故障，可自动切入旁路回路，不影响设备正常生产；增设补油阀，一旦液压缸的回落压力不足，可通过补油回路向管道接口一进行补油，保证液压缸能正常回落；回馈电能质量高，无畸变，馈电效果好。
附图说明
18.图1是本发明的结构示意图；图2是图1中电机、双向油泵马达和控制阀三者之间的连接示意图；图3是图2的内部结构示意图；图4是图3中控制阀处的结构示意图；图5是图3中固定管处的结构示意图；图6是图3中双向油泵马达处的结构示意图；图7是图2中双向油泵马达的另一种内部结构示意图。
19.图中：1. 三相电网，2. lcl电路，3. 四象限伺服驱动器，4. 电机，5. 电线接头，6. 转轴一，7. 转轴二，8. 双向油泵马达，9. 控制阀，10. 油箱，11. 安全阀，12. 补油阀，13. 管道接口二，14. 管道接口一，15. 液压缸，16. 上通孔，17. 空腔一，18. 下通孔，19. 固定管，20. 下开口，21. 圆柱形腔室，22. 上开口，23. 左滑杆，24. 左导向板，25. 左导向通孔，26. 左弹簧，27. 左阀芯，28. 连接杆，29. 复位弹簧二，30. 齿条二，31. 空腔二，32. 右连接通孔，33. 右活动杆，34. 右传动杆，35. 右滑杆，36. 右导向板，37. 右导向通
孔，38. 右弹簧，39. 右阀芯，40. 复位弹簧一，41. 齿轮，42. 齿条一，43. 左连接通孔，44. 左活动杆，45. 左传动杆，46. 扭转弹簧座，47. 斜杆，48. 转动板，49. 电磁铁，50. 挡板，51. 侧通孔，52. 圆盘，53. 叶片，54. 叶片槽，55. 压缩弹簧。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
21.如图1所述的实施例中，一种双向式的液压缸双作用馈能系统，包括液压缸15、双向油泵马达8、油箱10和电机4，液压缸15的顶部和液压缸15的底部分别设有管道接口一14和管道接口二13，管道接口二13与双向油泵马达8之间、双向油泵马达8与油箱10之间、油箱10与管道接口一14之间均通过油管相连通，电机4上和双向油泵马达8上分别设有转轴一6和转轴二7，转轴一6和转轴二7相连接。
22.如图2和图3所示，双向油泵马达8的内部设有圆柱形腔室21，转轴二7的一端安装在圆柱形腔室21的右端壁上，转轴二7的另一端贯通圆柱形腔室21的左端壁且与转轴一6固定连接，转轴二7和双向油泵马达8转动连接，如图6和图7所示，转轴二7的轴心与圆柱形腔室21的轴心之间相互平行且位于同一水平面上，转轴二7的轴心与圆柱形腔室21的轴心之间错开设置，转轴二7上套设有圆盘52，圆盘52和转轴二7固定连接，圆盘52置于圆柱形腔室21内且与其转动连接，圆盘52的直径小于圆柱形腔室21的直径，圆盘52的高度等于圆柱形腔室21的高度，圆盘52的外侧壁和圆柱形腔室21的内侧壁相接触，圆盘52的外侧壁上设有若干个叶片槽54，叶片槽54关于转轴二7呈环形均匀分布，叶片槽54内滑动连接有叶片53，叶片53的宽度等于圆柱形腔室21的高度，叶片53的一端和叶片槽54的底面之间通过压缩弹簧55相连接，叶片53的另一端和圆柱形腔室21的内侧壁相接触，如图1和图7所示，圆柱形腔室21的顶部和圆柱形腔室21的底部分别设有上开口22和下开口20，管道接口二13和上开口22之间、下开口20和油箱10之间均通过油管相连接。
23.如图2和图3所示，还包括控制阀9，控制阀9内部的左右两侧均设有空腔一17，空腔一17的顶面和空腔一17的底面分别设有上通孔16和下通孔18，左侧空腔一17的下通孔18和上开口22之间通过固定管19相连通，如图1和图3所示，左侧空腔一17的上通孔16和管道接口二13之间、右侧空腔一17的上通孔16和管道接口一14之间、右侧空腔一17的下通孔18和油箱10之间均通过油管相连通，如图4所示，左右两个空腔一17内分别固定有左导向板24和右导向板36，左导向板24和右导向板36上分别设有左导向通孔25和右导向通孔37，左导向通孔25和右导向通孔37内分别滑动连接有左滑杆23和右滑杆35，左滑杆23的底端和右滑杆35的顶端分别固定有左阀芯27和右阀芯39，左阀芯27与左侧空腔一17的下通孔18相匹配，右阀芯39与右侧空腔一17的上通孔16相匹配，左滑杆23和右滑杆35上分别套设有左弹簧26和右弹簧38，左弹簧26的两端分别与左导向板24、左阀芯27相连接，右弹簧38的两端分别与右导向板36、右阀芯39相连接，控制阀9的内部设有联动组件，左滑杆23和右滑杆35均与联动组件相连接，固定管19内设有开关组件，开关组件与左阀芯27相连接。
24.如图4所示，联动组件包括置于控制阀9内部的空腔二31，空腔二31位于两个空腔一17之间，空腔二31的左侧壁与左侧的空腔一17之间和空腔二31的右侧壁与右侧的空腔一17之间分别设有左连接通孔43和右连接通孔32，左连接通孔43和右连接通孔32内分别滑动连接有左活动杆44和右活动杆33，左活动杆44置于左滑杆23的上方，左活动杆44的左端置
于左侧空腔一17内且位于左滑杆23的右侧，左活动杆44与左滑杆23之间设有左传动杆45，左活动杆44的左端和左滑杆23的顶端分别与左传动杆45的两端相铰接，右活动杆33置于右滑杆35的下方，右活动杆33的右端置于右侧空腔一17内且位于右滑杆35的左侧，右活动杆33与右滑杆35之间设有右传动杆34，右活动杆33的右端和右滑杆35的底端分别与右传动杆34的两端相铰接，空腔二31中安装有齿轮41，左活动杆44的右端置于空腔二31内且其上固定有齿条一42，右活动杆33的左端置于空腔二31内且其上固定有齿条二30，齿条一42和齿条二30分别置于齿轮41的上下两侧且均与齿轮41相啮合，齿条一42与空腔二31的右侧壁之间通过复位弹簧一40相连接，齿条二30与空腔二31的左侧壁之间通过复位弹簧二29相连接。
25.如图5所示，开关组件包括扭转弹簧座46，扭转弹簧座46分别固定在固定管19相对两侧的内侧壁上，扭转弹簧座46上设有转动板48，转动板48的一侧安装在扭转弹簧座46上且与其转动连接，转动板48的另一侧铰接有电磁铁49，扭转弹簧座46和电磁铁49位于同一竖直平面内，固定管19的内侧壁上固定有与电磁铁49相匹配的挡板50，挡板50置于电磁铁49的下方，左阀芯27的底部设有连接杆28，连接杆28贯通左侧空腔一17的下通孔18置于固定管19的内部，连接杆28的一端和左阀芯27固定连接，连接杆28另一端设有与转动板48相匹配的斜杆47，斜杆47的一端和连接杆28固定连接且两者之间呈钝角设置，斜杆47的另一端位于转动板48的侧面且朝向转动板48。
26.如图1所示，还包括安全阀11和补油阀12，管道接口一14和油箱10之间、管道接口二13和油箱10之间分别通过安全油管一和安全油管二相连通，安全油管一和安全油管二均安装在安全阀11上，固定管19的侧壁上设有侧通孔51，侧通孔51位于扭转弹簧座46的上方，管道接口一14和油箱10之间、管道接口二13和侧通孔51之间分别通过补油管一和补油管二相连通，补油管一和补油管二均安装在补油阀12上。
27.如图1所示，还包括四象限伺服驱动器3、lcl电路2和三相电网1，电机4上设有电线接头5，电线接头5、四象限伺服驱动器3、lcl电路2和三相电网1依次串联。
28.电机4的类型为永磁同步电机。
29.本发明还提供一种双向式的液压缸双作用馈能方法，包括以下步骤：步骤一，当液压缸15需要上行时，控制电机4上的转轴一6进行正转，带动双向油泵马达8上的转轴二7正转，将油箱10内的压力油泵入液压缸15中，使液压缸15上的活塞杆上行，此时控制阀9自动打开；步骤二，当液压缸15需要下行时，通过开关组件主动打开控制阀9，液压缸15内的压力油会在重力及外部负载的作用下经过双向油泵马达8回落至油箱10中，此时压力油会推动双向油泵马达8上的转轴二7进行反转，带动电机4上的转轴一6同步反转，使电机4开始发电。
30.步骤二中电机4所产生的电流经过四象限伺服驱动器3、lcl电路2的处理可转变成三相380v、50hz的电能，输送回三相电网1。
31.一、液压缸15上行原理：电机4作为电动机使用，双向油泵马达8作为油泵使用。
32.三相电网1给电机4进行供电，控制电机4上的转轴一6进行正转，带动双向油泵马达8上的转轴二7及其上的圆盘52同步正转，位于下开口20处的密封工作腔容积逐渐增大，
从而产生负压真空，并通过油管将油箱10内的压力油吸入，而位于上开口22处的密封工作腔容积逐渐减小，从而将密封工作腔内的压力油压出至上开口22，并通过固定管19泵向控制阀9。
33.压力油在双向油泵马达8的压力作用下自动将左阀芯27从左侧空腔一17的下通孔18处顶开，当左阀芯27被顶开时，此时左滑杆23向上运动，在左传动杆45的传递作用下带动左活动杆44（齿条一42）向右运动，使得齿轮41发生转动，进而带动右活动杆33（齿条二30）向左运动，然后在右传动杆34的传递作用下带动右滑杆35向下运动，使得右阀芯39同时离开右侧空腔一17的上通孔16处，此时控制阀9处于自动打开状态，油箱10内的压力油能顺利通过管道接口二13泵入液压缸15中，带动液压缸15上的活塞杆上行。
34.二、液压缸15下行原理：电机4作为发电机使用，双向油泵马达8作为油马达使用。
35.同时向两个电磁铁49进行通电，使其产生相反的磁场，此时两个电磁铁49在磁力的作用下相互靠近，带动两侧的转动板48发生转动，将斜杆47连同连接杆28向上顶起，进而将左阀芯27从左侧空腔一17的下通孔18处顶开（同时右阀芯39也离开右侧空腔一17的上通孔16处），此时控制阀9处于被动打开状态，液压缸15底部的压力油会在重力及外部负载的作用下经过控制阀9和双向油泵马达8回落至油箱10中。
36.当压力油通过固定管19进入位于双向油泵马达8的上开口22处的密封工作腔时，由于两侧叶片53的受力面积不同，从而由叶片53的受力差形成的转矩推动圆盘52（转轴二7）开始反转，进而带动电机4上的转轴一6进行同步反转，使电机4开始发电，所产生的电流经过四象限伺服驱动器3、lcl电路2的处理可转变成三相380v、50hz的电能，输送回三相电网1。