一種多壓力源節能液壓站的製作方法
2023-05-20 14:12:46
一種多壓力源節能液壓站的製作方法
【專利摘要】一種多壓力源節能液壓站，可輸出2～4不同壓力等級的動力源，其中至少有一路由原動機-工作泵輸出中高壓源P0，另至少有一路由液壓壓力變換裝置將P0經減壓得到的減壓源P2，根據實際需求，還可輸出1～2路增壓源P1；液壓壓力變換裝置是利用液壓缸兩腔活塞面積不等的特性作壓力等比變換，其基本結構包括變壓缸、輸入輸出控制迴路、復位迴路及位置檢測元件，可構成單缸間斷變壓輸出和多缸連續變壓輸出。該多壓力源液壓站具有節能效率高、使用方便和可靠性好的優點。
【專利說明】一種多壓力源節能液壓站
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型節能液壓站【背景技術】
[0002]傳統液壓站，僅能提供單一輸出壓力源，為滿足系統多壓力特性需求，往往要經過減壓、溢流等技術手段來達到其壓力需要，使能量很大一部分消耗在控制閥及管路等輔助裝置上，損耗的能量最終轉換成熱量使油溫升高，並由此需要附加額外的循環冷卻系統來強制降溫，進一步加大了系統能耗；同時，系統整體上使用高壓力，也極大地增強了系統內洩能耗，這種單一壓力源已經不適合節能對液壓系統的要求，現代液壓系統需要更新的節能技術。
[0003]現行液壓系統，以單一壓力源供能造成的浪費比比皆是，比如，在軋鋼設備中，多輥軋機軋制力上推大油缸，在快速上升和下降時僅需要低壓大流量，而在正常軋制時又僅需要高壓小流量，我們在兼顧高壓和大流量需求時，單一壓力源要同時滿足高壓和大流量需求，這便造成了其設計裝機功率的最大化，造成了很大空載能耗；又如卷取機旋轉液壓缸體積很大，旋轉液壓缸在收縮或漲開過程中，僅需要很小壓力，而在漲開到位後卻需要高壓保壓，但此時幾乎不消耗壓力油；而傳統做法是以最高壓力來滿足整個過程需求；再如卷取機捲筒外支撐油缸在上升和下降全行程中並不需要高壓油驅動，僅需要2.0MPa壓力就足以推動外支撐快速運動，只有當外支撐到達行程末端接觸捲筒球軸承後，才需要高壓油保壓，而此時也幾乎不消耗高壓油，可見這種單一壓力源造成的空載驅動很浪費。這種現象在各個液壓系統中都廣泛存在，造成了液壓系統能耗的普遍浪費。
[0004]作為改進，在專利技術I《一種多壓力源節能液壓系統》(申請號:201210103380.2)中描述了一種多壓力源雙壓力控制迴路的新型節能液壓迴路系統，該發明將系統負載按時序作功需求提供其最小壓力源與之相適應，將整個液壓系統控制迴路按實際負載需求劃分為2?4個壓力源，在每個大流量高耗能重要迴路中，都將採用雙壓力源來進行分時供能。且專利技術2《一種新型節能液壓站》(申請號:201210088618.9)描述了與專利技術I配套使用的一種多壓力源新型節能液壓站，由它們可以共同構建一種全新的液壓節能系統。這種新型節能液壓系統有著極廣泛的應用前景，但與之配套的多壓力源液壓站也存在一些固有缺點:如該液壓站需要大量使用高壓或超高壓蓄能站儲存能量，在由液壓馬達驅動工作泵快速啟動時存在衝擊力大的缺點；其高壓蓄能器皮囊及高速啟動的液壓泵和液壓馬達存在易損的風險，因此，實際維護成本較高，難以大面積推廣。
[0005]本發明針對上述發明專利2作進一步改進，壓力變換裝置中的液壓馬達-液壓泵由變壓缸取代，由變壓缸形成的減壓源或增壓源組成多壓力源，該發明能很好適應大、中、小等規模液壓站的節能改造，具有低成本、高可靠性和易於維護等優點。
[0006]為此，本發明在於提供一種由工作泵和變壓缸形成的2?4種多等級液壓動力源，以此充分適應液壓執行元件對壓力需求的多樣性，使整個液壓迴路儘量不用溢流閥和減壓閥，從整體上大幅降低系統壓力，從而降低系統空載能耗和內洩漏損耗，從整體上達到節能最大化。
【發明內容】
[0007]本發明在於提供一種多壓力源節能型液壓站的構成方法，該液壓站根據液壓執行機構實際需求，可以獨立輸出2?4種不同壓力等級的動力源，且其中至少有I種由原動機-工作泵輸出的中壓或中高壓動力源Ptl,另至少有I種由Ptl經液壓壓力轉換器減壓後輸出的減壓動力源P2，還可以有I?2種由P。經壓力轉換器增壓後輸出的增壓源P1, —般地，取中壓源P。= 8?16MPa，低壓源P2 = 2?5MPa，高壓源P1 = 15?40MPa。
[0008]在這種由工作泵和變壓缸輸出的多種混合動力源中，以輸出中壓(或中高壓)P。及低壓源P2為主要驅動源，以高壓源P1為輔助動力源；且每種動力源都可以為多個液壓迴路共同使用。
[0009]液壓壓力轉換器是利用液壓缸活塞兩腔面積不等的特性進行減壓或增壓轉換，這有別於使用減壓閥得來的減壓源，也區別於使用由液壓馬達驅動工作泵得到的減壓源或增壓源；這種由液壓缸組成的液壓壓力轉換系統，簡稱「壓力轉換器」，具有結構簡單、可靠的優點。
[0010]這種缸型液壓壓力轉換器，是利用變壓缸兩腔面積S1、S2不相等特性，作等比壓力變換，當從液壓缸一側進油時，在不考慮重力和摩擦力的情況下，當活塞達到靜力平衡時，在另一側可得到與S1ZiS2成比例的壓強。利用這個原理，我們可以在一個大系統中，利用同一種壓力源，經過多組這樣的壓力變換便得到多種動力源，且在實際變換過程中，能量變換損失較小，這遠比使用壓力控制閥來獲取多種壓力源節能。
[0011]每個標準型壓力轉換器，由一件變壓缸、輸入輸出邏輯控制迴路、復位控制迴路，缸行程位置檢測元件，四大部分共同組成。液壓變壓裝置的閥控邏輯控制迴路指變壓缸的進油源Ptl及輸出源P1或P2的控制迴路；壓力轉換器的復位迴路，指變壓缸輸出到達行程末端時必須附加一個復位控制迴路，讓變壓缸能夠正常復位，以形成周期性的往復運動；變壓缸行程位置檢測元件，是指安裝在變壓缸上的檢測液壓缸行程起點和終點的位置檢測元件，檢測變壓缸的「起點」和「終點」位置並發出控制信號，其檢測元件種類可以是位置感應開關、行程開關、位置傳感器或行程編碼器等位置檢測裝置。
[0012]上述由標準壓力轉換器輸出的變壓源，當變壓缸處於復位行程中時，壓力轉換器此時無法對外提供動力源，便形成了非連續輸出的壓力源。作為改進，本發明提供使用兩件或兩件以上的標準壓力轉換器組成的複合壓力變換裝置，簡稱「壓力轉換組」，可以連續輸出壓力源；當壓力轉換組中的一件變壓缸處於對外輸出壓力源時，則另外一件處於待工作狀態；當前一件變壓缸到達行程末端時，後一件變壓缸則開始接替其輸出工作，而前一變壓缸允許復位，並迅速到達工作起點，之後又開始處於工作準備狀態。這樣，由兩件或兩件以上的變壓缸便構成了無輸出時間間隙的壓力源。
[0013]在一個節能型多壓力源輸出液壓站中，既有了由工作泵輸出的基本動力源P。，也有了減壓動力源己，還有了增壓壓力源P1，且系統中以P。和P2輸出為主，P1輸出為輔的多壓力源，這樣，便可以很好地滿足液壓迴路對多壓力特性的節能需求，為最大限度地減少泵、執行元件的空載能耗，減少系統內洩漏和閥控元件的損失創造了條件，代表液壓系統節能推廣的未來發展方向。【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]附圖Ι-a為增壓缸基本結構原理圖
[0015]附圖Ι-b為減壓缸基本結構原理圖
[0016]附圖Ι-c為附加復位缸的變壓裝置結構示意圖
[0017]附圖Ι-d為附加重力復位的變壓裝置結構示意圖
[0018]附圖Ι-e為附加復位迴路的變壓裝置結構示意圖
[0019]附圖2_a為壓力轉換組增壓連續輸出原理圖
[0020]附圖2_b為壓力轉換組減壓連續輸出原理圖
[0021]附圖3為多壓力源輸出的液壓站結構原理圖
【具體實施方式】
[0022]本發明涉及一種新型節能液壓站，該液壓站可提供多種壓力等級的液壓動力源，且其中一種動力源P。必須由原動機驅動工作泵來提供，其餘壓力等級的動力源可以由P。經變壓缸壓力變換後得到。變壓缸是利用其兩腔面積不等的特性來進行壓力轉換，由此可以得到比Ptl大的高壓源，也可以得到比Ptl小的低壓源。本發明在於提供液壓壓力轉換器和以此構成多壓力源液壓站的構成方法。
[0023]1、壓力轉換器變壓原理及基本結構
[0024]液壓壓力轉換器是·利用變壓缸活塞兩腔面積不等的特性進行減壓或增壓轉換，這有別於使用減壓閥得來的減壓源，也區別於使用由液壓馬達驅動工作泵得到的減壓源或增壓源。這種缸型液壓壓力轉換器，既可以利用傳統標準的專用增壓缸進行增壓或減壓使用，也可以使用普通雙作用液壓缸進行變壓，且普通雙作用缸結構簡單，單位體積相對較小，建議優先選用。
[0025]傳統標準型專用增壓缸是利用大小不同的兩件液壓缸活塞進行機械連接，利用兩件液壓缸活塞面積不等的特性作壓力等比變換。傳統增壓缸的用法主要是作為某單一液壓迴路增壓使用，一般不作多迴路動力源使用，也很少作為減壓源使用。這是傳統增壓缸與本發明的增壓缸在使用上的一大區別。
[0026]在本發明中，只需要調換傳統增壓缸進出油口位置及修改其控制迴路，同樣可以輸出減壓源，在本發明中，重點提倡使用普通雙作用液壓缸來進行增壓或減壓，傳統專用增壓缸可看作是普通雙作用缸使用中的特例。在具體多壓力源輸出液壓站中，以中壓源和減壓源應用為主，增壓源為輔，以形成多能級壓力源的綜合應用，達到整體節能最大化目的。
[0027]故，缸型液壓壓力轉換器總是利用其變壓缸兩腔面積Sp S2不相等特性，來作等比壓力變換。當從大腔S1—側進油時，在不考慮重力和摩擦力的情況下，當活塞達到靜力F平
衡時，在S2—側總可得到與51/&成正比例的高壓油源P1，且P1 = K1Ptl, An=1，Κι為
S 2
增壓係數；如果對進油側和出油側進行交換，使壓力油源Ptl從S2 —側進油，則當活塞達到力靜F平衡時，在S1—側可以得到與S2ZiS1成比例的低壓源匕，^ = !^^，此時h= ~< I，
OI
則K2為減壓係數。如圖ι-a為增壓缸基本結構原理圖，圖l-b為減壓缸基本結構原理圖，其中，S1為變壓缸活塞大腔面積，S2為變壓缸活塞小腔面積。[0028]變壓缸為壓力轉換器的核心器件，既可以是普通雙作用液壓缸，也可以是傳統專用增壓缸；當使用普通雙作用液壓缸時，S1指無杆腔活塞面積，S2指有杆腔活塞面積；當變壓缸使用傳統專用增壓缸時，S1指大缸活塞面積，S2指小缸活塞面積。
[0029]2、壓力轉換器的復位形式
[0030]作為輸出動力源，變壓缸需要作循環往復運動，因此，當變壓缸到達行程終點時，需要有檢查其行程的感應開關或位置傳感器，當液壓缸感知到達行程終點時，則需要返回到行程起始點後，才能參與下一個循環周期；故，液壓缸需要復位裝置。變壓缸常見的復位方式有多種，如圖Ι-c為附加復位缸的變壓裝置結構示意圖，該壓力轉換器由復位液壓缸H強制復位，強制其回到行程起點，復位液壓缸的壓力和流量需求遠小於壓力轉化器的變換壓力Ptl和流量Q ;如圖Ι-d為靠外加重力(或變壓缸活塞及活塞杆的自身重力)來自動復位的變壓裝置結構示意圖，G為外加重錘，該工作方式中，壓力轉換器只能垂直安裝，並且也需要外加強制復位的控制油路來實現。這三種復位方式中，圖Ι-c靠外加液壓缸復位，需要增加一個復位液壓缸及控制迴路，其中，外加復位缸勢必佔用一定空間，在某些場合使用可能不太方便；圖Ι-d靠外加重物復位完全可行，但其復位時間可能較長，再者外加重錘，也需要佔用寶貴空間；l_e為外加低壓復位控制迴路，該結構簡單易行，為優選復位方式，本發明圍繞該復位控制迴路來說明各壓力轉換器的結構和功能。
[0031]3、壓力轉換器標準結構及工作過程說明
[0032]如圖l_e，為標準缸型壓力轉換器的完整結構原理圖，該轉換器由一件變壓缸、輸入輸出控邏輯控制迴路、復位控制迴路和位置檢測元件，這四大部分共同組成。J1為變壓缸主體，其上開有4個油口分別標記為A、B、C、D，在該圖中，A為變壓缸壓力源Ptl進油口，B為壓力源輸出油口，C為復位源己輸入油口，D為復位源回油口。在控制迴路中，4和5為進油口的邏輯控制元件，6為輸出油口的復位控制元件。在控制迴路中，Ptl油源主要由單向閥4和邏輯通斷閥5組成油路通或斷的控制功能，輸出控制油路上一般都設有單向閥6以防止輸出源逆流，它可以是普通單向閥也可以是液控單向閥，還可以是邏輯通、斷閥。在復位控制迴路中，主要由邏輯通斷閥1、單向閥2、和液控單向閥3組成，在需要復位時，邏輯閥5失電斷開，右路輸入、輸出迴路斷開，同時，左路邏輯閥I導通，液控單向閥3打開，迴路暢通，變壓缸正常復位，當復位到達液壓缸工作起點時，位置檢測元件L2信號接通，變壓器發出「復位結束」信號，由此控制邏輯閥I斷開，Ps復位源斷路，左路處於全部斷開狀態；當變壓缸需要對外輸出動力源時，邏輯閥5得電導通，Ptl控制迴路接通，同時，輸出源P1迴路也導通，而左路Ps迴路則處於斷開狀態，故，變壓源能夠正常工作；當變壓缸輸出到達行程末端時，位置檢測開關L1信號接通，系統發出「復位」控制信號，變壓裝置開始復位工作，這樣便可以形成循環往復輸出。邏輯通斷閥一般由電磁換向閥、電磁截止閥等邏輯控制閥組成，主要控制其流量大小或實現其簡單的導通或截止等功能。這是一個主動增壓變壓器原理圖，主動減壓原理也與之相似並不難獲得，在此不再詳細介紹。
[0033]4、無輸出時間間隙的壓力轉換組結構說明
[0034]上述由標準缸型壓力轉換器形成的輸出變壓源，當變壓缸處於復位行程中時，變壓裝置對外無法提供動力源，便形成了非連續輸出的壓力源。作為改進，本發明提供由兩件或兩件以上的標準型壓力轉換器構成一組複合轉換裝置，簡稱「壓力轉換組」，以此輸出連續壓力源。當壓力轉換組中的一件變壓缸處於對外提供壓力源時，則另一件處於工作準備狀態，待前一件變壓缸到達行程末端時，則後一件變壓缸便開始接替其工作，而前一件變壓缸開始復位，並迅速到達工作起點，之後便開始處於工作準備狀態，進而形成循環往復的連續輸出動力源。
[0035]如圖2-a所示，為連續性輸出增壓源，圖2-b為連續性輸出減壓源。以圖2_a為例加以說明，該工作組由變壓缸JpJ2構成的標準型壓力變換器並聯而成，工作組變壓缸左側為壓力變換控制迴路，工作組變壓缸右側為壓力變換器復位控制迴路J1和J2的輸入壓力源Ptl通過N1點完全並聯在一起，J1和J2的輸出壓力源P1通過N2點完全並聯在一起，J1和J2的復位壓力源Ps通過N3和N4點也完全並聯在一起，其中，N3點為Ps輸入復位源上的交匯點，N4點為回油管路上的交匯點。在工作開始時，變壓缸J1和J2都處於準備工作起始位置，即變壓缸J1處於L2位置，液壓缸J2處於L4位置；正式開始工作時T1得電導通，壓力源P0通過T1導通進入變壓缸J1內，J1對外輸出增壓壓力源，而J2液壓缸仍然處於準備工作狀態，邏輯閥T2、T3、T4均失電處於斷開狀態；但當液壓缸J1到達行程末端即L1位置時，則L1發出控制信號，使J2邏輯閥T2得電導通，P0壓力源進入J2變壓缸內，由J2開始接替J1工作，同時L1發出的信號控制J1復位，使T1斷電，T3得電導通，即左側變壓主迴路斷開，且復位源Ps導通，則J1液壓缸快速復位，在J2開始工作且J1開始復位的同時，T4仍處於斷電狀態，另當J1液壓缸復位到達L2起始位置時，L2位置檢測元件發出信號「復位結束」信號，該信號控制T3斷電，Ps復位源斷開，此時，?\、Τ3均處於斷電狀態，其控制主迴路和復位迴路均處於斷路狀態，J1重新處於準備工作狀態；當液壓缸J2到達行程終點L3後，L3發出J2 「工作結束」信號，表明本周期內J2工作結束，交由下一周期J1工作，L3信號同時控制T2斷電、T4得電，T1得電，於是J1開始工作，J2開始復位，當J2快速復完畢時，L4發出「J2準備完畢」信號，該信號控制T4失電，此時，僅T1帶電導通，T2、T3和T4均處於失電斷開狀態。這樣，J1和J2組成的連續壓力變壓組始終可以交替連續輸出動力源。
[0036]同理，由2件或2件以上的標準變壓器可以組成類似連續輸出的減壓源。如圖2-b為對外無工作間隙 輸出的減壓壓力源。
[0037]在圖2中，輸入源P。和輸出源壓力P1或P2都遠大於復位動力源Ps的壓力，故，變壓缸復位需求的能量很小。
[0038]5、多壓力源輸出的典型液壓站結構
[0039]為適應負載多壓力源節能驅動的需求，本發明提供一種由工作泵、減壓缸或增壓缸混合組成的多壓力源節能型液壓站供能系統。最基本構成特徵為，液壓站由工作泵提供一種中壓或中高壓動力源P。，高於P。的動力源P1由增壓缸或增壓缸組提供，低於P。的低壓源己由減壓缸或減壓缸組來提供；同時，根據系統實際需求，可提供多種高壓壓力源，也可同時提供多種低壓動力源，各種壓力源可同時對外輸出。
[0040]一般地，由泵站提供中壓或中高壓液壓動力源P。，其取值範圍為P。= 8.0~16.0MPa，其餘動力源由P。經變換獲得；其中，高壓源？1由增壓缸(或增壓缸組)變壓獲得，一般地，根據需要，其取值範圍SP1 = 15~40.0MPa，低壓源P2由減壓缸(或減壓缸組)變換獲得，一般地，根據需要其取值範圍為P2 = 2~5.0MPa0
[0041]在混合驅動源液壓站中，壓力源等級的構成細分原則為:對於12.0MPa以下的液壓系統，一般可劃分為中高壓源P。和低壓源p2，P2 = 2.0~5.0MPa及P。= 8.0~12.0MPa兩個壓力源；對於12.0~21.0MPa的高壓源，可分為中高壓源Ptl、高壓源P1和低壓源P2,P0 = I2.0 ~I5.0MPajP1 = 15.0 ~21.0MPa 及 P2 = 2.0 ~5.0MPa 三個壓力源；對於高於21.0MPa的壓力源，除Pc^PpP2這三檔壓力源外，根據需要可再提供一個高於21.0MPa的增壓源P3，P3 = 21~40.0MPa四個壓力源，系統具體壓力源的需求主要根據實際負載迴路需求來選擇，可由各壓力轉換單元來實際構成。
[0042]如圖3所示，為一種典型的多壓力源輸出液壓動力系統結構示意圖。該液壓站由工作泵I和工作泵2提供基本動力源Ptl,工作泵I和2的出口並聯一起接輸出端Ptlt5增壓壓力變換單元4由標準增壓缸組成，4的輸入口接泵的輸出口 P。，4的輸出口接輸出動力源P1 ；減壓壓力變換單元5由標準減壓缸組構成，5的輸入口接泵的輸出口壓力源Ptl, 5的輸出口接輸出動力源Ρ2。單個增壓變換單元4組成間隙輸出增壓源(也可根據需要選擇增壓缸組構成無間隙動力源輸出)，減壓缸組5構成無間隙輸出減壓動力源。這三種壓力源可以各自單獨輸出，也可同時輸出，並且輸出不同等級的壓力源以適應液壓執行迴路的個性化需求。
[0043]該液壓站可同時提供3種壓力源，壓力源P。由工作泵的設定壓力決定，壓力P1由
【權利要求】
1.一種多壓力源節能液壓站，其輸出包括泵供動力源Ptl和缸供動力源P1或P2,可根據需求輸出2?4種不同壓力等級的動力源，該新型液壓站由工作泵、減壓壓力單元或增壓壓力單元組成混合液壓動力源，每種壓力源都相對獨立，並可單獨輸出各自壓力源；其中，缸供輸出動力源必須以P。為輸入為動力源，經液壓壓力轉換器壓力變換後得到減壓源P2或增壓源P1O
2.根據權利要求1所述，該新型多壓力源節能液壓站可輸出2?4種不同等級的壓力源，其中，由工作泵直接輸出8?16.0MPa中高壓動力源P。，減壓源P2由減壓壓力轉換器(或壓力轉換組)將輸入P。經壓力轉換成2?5MPa後輸出；本多壓力源液壓站，以輸出P。和P2壓力源為主，輸出增壓源P1為輔，輸出P1僅作為優選條件；可根據實際需求提供I?2種高壓源，且該高壓源P1必需由增壓壓力轉換器(或壓力轉換組)將輸入壓力源P。轉換成15?40MPa後輸出。
3.根據權利要求1所述，缸供動力源是由標準的「壓力轉換器」或「壓力轉換組」構成的輸出動力裝置；其中，「壓力轉換器」是由變壓缸主體、輸入輸出控制迴路、復位控制迴路和位置檢測元件共4大部分組成的一個有機整體；單個壓力轉換器可對外間隙性地輸出壓力源，在復位過程中則無法對外輸出；由多個壓力轉換器並聯可組成壓力變換組，由該組中的各標準壓力轉換器交替對外輸出和復位，便形成連續的對外輸出動力源。
4.根據權利要求3所述，各壓力轉換器是由變壓缸主體、輸入輸出控制迴路、復位控制迴路和位置檢測元件共4大部分組成一個有機整體，其中，變壓缸為壓力轉換器的主體，該每個變壓缸上設有A、B、C、D共4個控制口，分別連接壓力油源P。、P1 (或P2)、Ps及回油油箱，變壓缸是利用液壓缸兩腔活塞面積不等的特性作壓力等比變換，既可以增壓，也可以減壓，且每個變壓缸的輸入源為泵供壓力源Ptl，輸出壓力源則直接輸出供各負載迴路使用；輸入輸出控制迴路、復位控制迴路和位置檢測元件為變壓缸的邏輯控制元件和迴路，控制變壓缸的具體行為；位置檢測元件為各類檢測變壓缸運動位置或行程的電氣檢測元件，可以是位置感應開關、行程開關、位置傳感器或光電編碼器等電氣檢測裝置，主要是檢測變壓缸工作行程的「起點」和「終點」位置。
5.根據權利要求3所述，每個壓力轉換器在循環輸出過程中都需要復位裝置，其復位工作方式可以選用外加專用復位油缸復位，也可以選用外加重錘復位工作方式，還可以選用外加專用復位控制迴路工作方式，一般地，優先選用外加專用復位控制迴路進行復位。
【文檔編號】F15B21/00GK103851037SQ201210541770
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月29日 優先權日:2012年11月29日
【發明者】何榮志 申請人:何榮志