一種液壓系統(tǒng)能量回收裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種液壓系統(tǒng)能量回收裝置及方法，包括液壓缸、單向節(jié)流閥一、單向節(jié)流閥二、伺服滑閥、液控單向閥一、液控單向閥二、液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二、換向閥一、換向閥二，換向閥二與液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二連接，液壓馬達(dá)一通過(guò)液控單向閥一與單向節(jié)流閥二連接，液壓馬達(dá)二通過(guò)液控單向閥二與單向節(jié)流閥一連接，單向節(jié)流閥一、單向節(jié)流閥二與液壓缸連接，液壓馬達(dá)一通過(guò)伺服滑閥與換向閥一連接。優(yōu)點(diǎn)是：通過(guò)將兩臺(tái)軸向柱塞變量馬達(dá)的傳動(dòng)軸固定連接，使兩個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速一樣。液壓系統(tǒng)能量回收裝置可回收重物W下降過(guò)程中勢(shì)能變化的一部分能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)的壓力能，降低液壓系統(tǒng)節(jié)流損失，實(shí)現(xiàn)了回收能量。
【專利說(shuō)明】
一種液壓系統(tǒng)能量回收裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種液壓系統(tǒng)能量回收裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]液壓系統(tǒng)中，特別是在工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)中，大量存在液壓缸在重物的作用下下降、或者液壓馬達(dá)在外負(fù)載的作用下被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，為了保持設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，必然采取節(jié)流措施，這樣重物的勢(shì)能、外負(fù)載的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛鸵旱臏囟壬仙?，具體原理是重物的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為液壓油壓力，壓力油通過(guò)節(jié)流閥產(chǎn)生節(jié)流損失，不僅浪費(fèi)能量，而且使油液溫度升高導(dǎo)致油液變質(zhì)、設(shè)備故障。因此需要一種不僅可以控制速度、減少節(jié)流損失，而且能夠高效回收能量的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種液壓系統(tǒng)能量回收裝置及方法，以降低液壓系統(tǒng)節(jié)流損失、回收能量；同時(shí)使設(shè)備在要求的速度下平穩(wěn)運(yùn)行。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]一種液壓系統(tǒng)能量回收裝置，包括液壓缸、單向節(jié)流閥一、單向節(jié)流閥二、伺服滑閥、液控單向閥一、液控單向閥二、液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二、換向閥一、換向閥二，
[0006]換向閥二與液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二連接，液壓馬達(dá)一通過(guò)液控單向閥一與單向節(jié)流閥二連接，液壓馬達(dá)二通過(guò)液控單向閥二與單向節(jié)流閥一連接，單向節(jié)流閥一、單向節(jié)流閥二與液壓缸連接，液壓馬達(dá)一通過(guò)伺服滑閥與換向閥一連接。
[0007]所述的液壓馬達(dá)一與液壓馬達(dá)二均為軸向柱塞變量馬達(dá)，液壓馬達(dá)一與液壓馬達(dá)二的傳動(dòng)軸固定連接。
[0008]液壓系統(tǒng)能量回收方法，液壓缸有桿腔在承受重物負(fù)載時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí):
[0009]液壓馬達(dá)一、液控單向閥一、液控單向閥二的控制油腔接回油，液壓馬達(dá)一的斜盤(pán)傾角α為最大，液控單向閥一、液控單向閥二處于關(guān)閉狀態(tài)，換向閥一的閥芯、換向閥二的閥芯處于中位，此時(shí)液壓缸處于鎖定狀態(tài)，液壓缸不運(yùn)動(dòng)；
[0010]液壓缸有桿腔在承受重物負(fù)載時(shí)處于下降狀態(tài)，也就是能量回收狀態(tài)時(shí):
[0011]Vl = (A1/A2)V2 ；
[0012]式中，Al、A2分別是液壓缸的有桿腔、無(wú)桿腔的活塞面積，Vl是液壓馬達(dá)一的排量，V2是液壓馬達(dá)二的排量且始終處于最大排量；
[0013]換向閥一、換向閥二換向，換向閥一的閥芯處于右邊位置，換向閥二的閥芯處于左邊位置，液控單向閥一、液控單向閥二打開(kāi)，壓力油通過(guò)換向閥二作用在液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二上，此時(shí)，液壓馬達(dá)二工作在馬達(dá)狀態(tài)，液壓馬達(dá)一工作在栗狀態(tài)；
[0014]Tl = Vl (P - Pl) /2 31 , T2 = V2 (P - P2) /2 π ；
[0015]式中，Tl為液壓馬達(dá)一需要的轉(zhuǎn)矩，Τ2為液壓馬達(dá)二提供的轉(zhuǎn)矩，Vl液壓馬達(dá)一的排量，V2液壓馬達(dá)二的排量，Pl為液壓馬達(dá)一與液控單向閥一之間管路中的油液壓力、P2為液壓馬達(dá)二與液控單向閥二之間管路中的油液壓力；
[0016]當(dāng)Tl = T2時(shí)，液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，重物開(kāi)始下降；
[0017]滿足Pl = W/A1+P2*A2/A1，式中W為重物的重量，同時(shí)A2 >A1，因此即使W為0，Pl > P仍然成立，P是進(jìn)入換向閥一和換向閥二的系統(tǒng)壓力管道中油液的壓力，液壓馬達(dá)一排出的高壓油進(jìn)入系統(tǒng)的壓力管道；
[0018]液壓缸有桿腔在承受重物負(fù)載時(shí)處于上升狀態(tài):
[0019]上升過(guò)程中，換向閥一的閥芯、換向閥二的閥芯處于右邊位置，液控單向閥一、液控單向閥二打開(kāi)，壓力油經(jīng)過(guò)換向閥二作用在液壓馬達(dá)一上，液壓馬達(dá)一和液壓馬達(dá)二的斜盤(pán)傾角均處于最大傾角，液壓馬達(dá)一處于馬達(dá)狀態(tài)，液壓馬達(dá)二處于栗狀態(tài)，在換向閥二供油時(shí):P1 = ff/Al, P2 = 0，P > Pl,因此 Tl = Vl (P - Ρ1)/2π > Τ2 = 0，液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二旋轉(zhuǎn)，壓力油通過(guò)液壓馬達(dá)一、液控單向閥一、單向節(jié)流閥二進(jìn)入液壓缸的有桿腔，無(wú)桿腔的油液經(jīng)過(guò)單向節(jié)流閥一、液控單向閥二、液壓馬達(dá)二、換向閥二回油箱。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0021]通過(guò)將兩臺(tái)軸向柱塞變量馬達(dá)的傳動(dòng)軸固定連接，使兩個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速一樣。使設(shè)備在要求的速度下平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，液壓系統(tǒng)能量回收裝置可回收重物W下降過(guò)程中勢(shì)能變化的一部分能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)的壓力能，降低液壓系統(tǒng)節(jié)流損失，實(shí)現(xiàn)了回收能量。通過(guò)節(jié)流閥產(chǎn)生的節(jié)流損失的80%可以回收，直接進(jìn)入到液壓系統(tǒng)的壓力油管路中，提供給其它回路使用。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是軸向柱塞變量馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖2是圖1沿A-A線的剖視圖。
[0024]圖3是圖1沿B-B線的剖視圖。
[0025]圖4是液壓馬達(dá)一與液壓馬達(dá)二的連接示意圖(通過(guò)聯(lián)軸器連接)。
[0026]圖5是液壓馬達(dá)一與液壓馬達(dá)二的連接示意圖。
[0027]圖6是液壓系統(tǒng)能量回收裝置原理示意圖(停止?fàn)顟B(tài))。
[0028]圖7是液壓系統(tǒng)能量回收裝置原理示意圖(下降狀態(tài))。
[0029]圖8是液壓系統(tǒng)能量回收裝置原理示意圖(上升狀態(tài))。
[0030]圖中:1-馬達(dá)控制液壓缸2-彈簧3-控制油管4-斜盤(pán)5-缸體6_柱塞7-配流盤(pán)8-傳動(dòng)軸9-聯(lián)軸器10-重物11-液壓缸12-單向節(jié)流閥二 13-單向節(jié)流閥一 14-伺服滑閥15-液控單向閥一 16-液控單向閥二 17-液壓馬達(dá)一 18-液壓馬達(dá)二 19-換向閥一 20-換向閥二。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地描述，但是應(yīng)該指出本發(fā)明的實(shí)施不限于以下的實(shí)施方式。
[0032]本發(fā)明采用軸向柱塞變量馬達(dá)(可以是斜盤(pán)式和斜軸式)原理和節(jié)流原理，由三部分構(gòu)成:節(jié)流元件、伺服滑閥14、兩個(gè)傳動(dòng)軸8剛性連接的變量柱塞馬達(dá)。
[0033]見(jiàn)圖1-圖3，軸向柱塞變量馬達(dá)的工作原理(以斜盤(pán)式為例說(shuō)明):斜盤(pán)4在馬達(dá)控制液壓缸I的控制下處于某一個(gè)位置(馬達(dá)控制液壓缸I在彈簧2和控制油管3提供的壓力作用下，此兩個(gè)力平衡時(shí)，保持斜盤(pán)4處于某一個(gè)位置；此兩個(gè)力不平衡時(shí)，馬達(dá)控制液壓缸I帶動(dòng)斜盤(pán)4運(yùn)動(dòng)，直到二力平衡斜盤(pán)4穩(wěn)定在另一個(gè)位置)，配流盤(pán)7固定不動(dòng)，與缸體5緊密貼合，缸體5與傳動(dòng)軸8相連接，并可一起旋轉(zhuǎn)；當(dāng)壓力油通過(guò)配油窗口進(jìn)入缸體5孔作用到柱塞6端面上時(shí)，壓力油將柱塞6頂出，對(duì)斜盤(pán)4產(chǎn)生推力，斜盤(pán)4則對(duì)處于壓油區(qū)的每個(gè)柱塞6都要產(chǎn)生一個(gè)法向反力F，這個(gè)力的水平分力Fx與柱塞6上的液壓力平衡，而垂直分力Fy則使每個(gè)柱塞6都對(duì)轉(zhuǎn)子(缸體5)中心產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，由于F Y> F Y1，在圖1中，使缸體5和傳動(dòng)軸8做逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如果高、低壓力油腔交換位置，缸體5和傳動(dòng)軸8做順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。斜盤(pán)4傾角α越大，每轉(zhuǎn)一周排出的油液體積越大。
[0034]見(jiàn)圖4，液壓馬達(dá)一 17與液壓馬達(dá)二 18的兩傳動(dòng)軸8通過(guò)一個(gè)聯(lián)軸器9剛性聯(lián)接在一起，目的是使兩個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速一樣；圖5是將兩傳動(dòng)軸8直接做成一體，也可以采用其他聯(lián)接方式，只要兩個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速能夠一樣即可。見(jiàn)圖4、圖5，兩個(gè)液壓馬達(dá)的斜盤(pán)4分別受兩個(gè)控制油路控制，可以達(dá)到不同的斜盤(pán)4傾角，也就是每轉(zhuǎn)一圈輸出不同體積的油液。
[0035]圖6，表示的狀態(tài)為停止?fàn)顟B(tài)(有桿腔承受重物10負(fù)載)。液壓馬達(dá)一 17、液控單向閥一 15、液控單向閥二 16的控制油腔接回油，液壓馬達(dá)一 17的斜盤(pán)4傾角為最大，液控單向閥一 15、液控單向閥二 16處于關(guān)閉狀態(tài)，換向閥一 19的閥芯、換向閥二 20的閥芯處于中位，此時(shí)液壓缸11處于鎖定狀態(tài)，液壓缸11不運(yùn)動(dòng)。液壓馬達(dá)一 17、液壓馬達(dá)二 18采用相同的馬達(dá)。
[0036]圖5表示的狀態(tài)為下降狀態(tài)(有桿腔承受重物10負(fù)載)，也就是能量回收狀態(tài)。設(shè)液壓缸11的有桿腔、無(wú)桿腔的活塞面積分別為Α1、Α2，那么液壓馬達(dá)二 18的排量設(shè)定為V2，液壓馬達(dá)的排量Vl = (A1/A2)V2，按照V1、V2的值人工設(shè)定液壓馬達(dá)一 17、液壓馬達(dá)二18的最大斜盤(pán)4傾角，也就是說(shuō)在馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，斜盤(pán)4傾角不會(huì)大于此值。換向閥一19、換向閥二 20換向，換向閥一 19的閥芯處于右邊位置，換向閥二 20的閥芯處于左邊位置，液控單向閥一 15和液控單向閥二 16被打開(kāi)，壓力油通過(guò)換向閥二 20作用在液壓馬達(dá)一 17、液壓馬達(dá)二 18上，此時(shí)，液壓馬達(dá)二 18工作在馬達(dá)狀態(tài)、液壓馬達(dá)一 17工作在栗狀態(tài)，當(dāng)Tl = T2時(shí)【Tl為液壓馬達(dá)一 17需要的轉(zhuǎn)矩，T2為液壓馬達(dá)二 18提供的轉(zhuǎn)矩，Tl=Vl (P - Pl) /2 Ji , T2 = V2 (P - P2) /2ττ ,Vl 液壓馬達(dá)一 17 的排量，V2 液壓馬達(dá)二 18 的排量，Ρ1、Ρ2分別為液壓馬達(dá)一 17、液壓馬達(dá)二 18后面的壓力(后面的壓力是指液壓馬達(dá)一17或液壓馬達(dá)二 18與液控單向閥一 15或液控單向閥二 16連接的管路壓力)】，液壓馬達(dá)一 17和液壓馬達(dá)二 18開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，重物10開(kāi)始下降。
[0037]因?yàn)镻l = W/A1+P2*A2/A1，式中W為重物10的重量，同時(shí)Α2 > Al，因此必然存在Pl > P，(即使W為O)液壓馬達(dá)一 17排出的高壓油進(jìn)入系統(tǒng)的壓力管道，而不是排入油箱，因此實(shí)現(xiàn)能量回收。
[0038]在重物10下降前，調(diào)節(jié)伺服滑閥14的彈簧2，使伺服滑閥14的啟動(dòng)壓力設(shè)定為2MPa，(可設(shè)定范圍I?5MPa)。在重物10下降的過(guò)程中，液壓馬達(dá)二 18的斜盤(pán)4傾角一直工作在最大位置，液壓馬達(dá)一 17的斜盤(pán)4傾角開(kāi)始時(shí)在最大位置，重物10沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，沒(méi)有油液通過(guò)單向節(jié)流閥二 12，單向節(jié)流閥二 12的兩端壓差為0，不能推動(dòng)伺服滑閥14動(dòng)作，液壓馬達(dá)一 17的斜盤(pán)4傾角為最大，隨著重物10的下降，油液通過(guò)單向節(jié)流閥二 12，單向節(jié)流閥二 12的兩端形成壓差，當(dāng)壓差大于2MPa時(shí)，伺服滑閥14的閥芯動(dòng)作，壓力油進(jìn)入液壓馬達(dá)一 17的控制液壓缸11，使液壓馬達(dá)一 17的斜盤(pán)4傾角減小、排量減小，從而使通過(guò)單向節(jié)流閥二 12的流量減小，單向節(jié)流閥二 12兩端的壓差降低，逐漸穩(wěn)定在2MPa左右，保持了通過(guò)節(jié)流閥的流量恒定，也就是說(shuō)液壓缸11的運(yùn)動(dòng)速度恒定。
[0039]在此過(guò)程中，單向節(jié)流閥二 12的兩端壓差保持在2MPa左右，而不是單獨(dú)節(jié)流調(diào)速回路中出現(xiàn)的單向節(jié)流閥二 12的兩端壓差高達(dá)10?20MPa，因此，也節(jié)約了能量。
[0040]圖6表示的狀態(tài)為上升狀態(tài)(有桿腔承受重物10負(fù)載)，上升過(guò)程中，換向閥一19的閥芯和換向閥二 20的閥芯處于右邊位置，液控單向閥一 15和液控單向閥二 16打開(kāi)，壓力油經(jīng)過(guò)換向閥二 20作用在液壓馬達(dá)一 17上，液壓馬達(dá)一 17和液壓馬達(dá)二 18的斜盤(pán)4傾角均處于最大傾角，液壓馬達(dá)一 17處于馬達(dá)狀態(tài)、液壓馬達(dá)二 18處于栗狀態(tài)，在換向閥二20 供油時(shí)，Pl = W/ALP2 = O,P > Pl，因此 Tl = Vl (P - Pl)/2 π > Τ2 = 0，液壓馬達(dá)一17和液壓馬達(dá)二 18旋轉(zhuǎn)，壓力油通過(guò)液壓馬達(dá)一 17、液控單向閥一 15、單向節(jié)流閥二 12中的單向閥進(jìn)入液壓缸11的有桿腔，無(wú)桿腔的油液經(jīng)過(guò)單向節(jié)流閥一 13中的節(jié)流閥、液控單向閥二 16、液壓馬達(dá)二 18、換向閥二 20回油箱。
[0041]因?yàn)閴毫τ筒唤?jīng)過(guò)單向節(jié)流閥12中的節(jié)流閥、而是經(jīng)過(guò)單向閥，單向節(jié)流閥二 12兩端的壓差不會(huì)超過(guò)2MPa，因此，伺服滑閥14不動(dòng)作，液壓馬達(dá)的斜盤(pán)4傾角一直處于最大位置。液壓缸11的運(yùn)動(dòng)速度由單向節(jié)流閥一 12控制，屬于回油節(jié)流。
[0042]在液壓缸11的上升過(guò)程中，P2的大小接近于0，因此，液壓馬達(dá)一 17和液壓馬達(dá)二18 —直能夠旋轉(zhuǎn)，直到換向閥一 19和換向閥二 20換向。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種液壓系統(tǒng)能量回收裝置，其特征在于，包括液壓缸、單向節(jié)流閥一、單向節(jié)流閥二、伺服滑閥、液控單向閥一、液控單向閥二、液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二、換向閥一、換向閥——-， 換向閥二與液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二連接，液壓馬達(dá)一通過(guò)液控單向閥一與單向節(jié)流閥二連接，液壓馬達(dá)二通過(guò)液控單向閥二與單向節(jié)流閥一連接，單向節(jié)流閥一、單向節(jié)流閥二與液壓缸連接，液壓馬達(dá)一通過(guò)伺服滑閥與換向閥一連接。 所述的液壓馬達(dá)一與液壓馬達(dá)二均為軸向柱塞變量馬達(dá)，液壓馬達(dá)一與液壓馬達(dá)二的傳動(dòng)軸固定連接。2.利用權(quán)利要求1所述的裝置實(shí)現(xiàn)的液壓系統(tǒng)能量回收方法，其特征在于， 液壓缸有桿腔在承受重物負(fù)載時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí): 液壓馬達(dá)一、液控單向閥一、液控單向閥二的控制油腔接回油，液壓馬達(dá)一的斜盤(pán)傾角α為最大，液控單向閥一、液控單向閥二處于關(guān)閉狀態(tài)，換向閥一的閥芯、換向閥二的閥芯處于中位，此時(shí)液壓缸處于鎖定狀態(tài)，液壓缸不運(yùn)動(dòng)； 液壓缸有桿腔在承受重物負(fù)載時(shí)處于下降狀態(tài)，也就是能量回收狀態(tài)時(shí):Vl = (A1/A2)V2 ； 式中，Al、A2分別是液壓缸的有桿腔、無(wú)桿腔的活塞面積，Vl是液壓馬達(dá)一的排量，V2是液壓馬達(dá)二的排量且始終處于最大排量； 換向閥一、換向閥二換向，換向閥一的閥芯處于右邊位置，換向閥二的閥芯處于左邊位置，液控單向閥一、液控單向閥二打開(kāi)，壓力油通過(guò)換向閥二作用在液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二上，此時(shí)，液壓馬達(dá)二工作在馬達(dá)狀態(tài)，液壓馬達(dá)一工作在栗狀態(tài)； Tl = Vl (P - Pl) /2 JT , T2 = V2 (P - P2) /2 π ； 式中，Tl為液壓馬達(dá)一需要的轉(zhuǎn)矩，Τ2為液壓馬達(dá)二提供的轉(zhuǎn)矩，Vl液壓馬達(dá)一的排量，V2液壓馬達(dá)二的排量，Pl為液壓馬達(dá)一與液控單向閥一之間管路中的油液壓力、Ρ2為液壓馬達(dá)二與液控單向閥二之間管路中的油液壓力； 當(dāng)Tl = Τ2時(shí)，液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，重物開(kāi)始下降； 滿足Pl = W/A1+P2*A2/A1，式中W為重物的重量，同時(shí)Α2 > Al，因此即使W為0，P1 >P仍然成立，P是進(jìn)入換向閥一和換向閥二的系統(tǒng)壓力管道中油液的壓力，液壓馬達(dá)一排出的高壓油進(jìn)入系統(tǒng)的壓力管道； 液壓缸有桿腔在承受重物負(fù)載時(shí)處于上升狀態(tài): 上升過(guò)程中，換向閥一的閥芯、換向閥二的閥芯處于右邊位置，液控單向閥一、液控單向閥二打開(kāi)，壓力油經(jīng)過(guò)換向閥二作用在液壓馬達(dá)一上，液壓馬達(dá)一和液壓馬達(dá)二的斜盤(pán)傾角均處于最大傾角，液壓馬達(dá)一處于馬達(dá)狀態(tài)，液壓馬達(dá)二處于栗狀態(tài)，在換向閥二供油時(shí):P1 = W/ALP2 = O,P > P1，因此 Tl = Vl (P - Ρ1)/2π > Τ2 = O，液壓馬達(dá)一、液壓馬達(dá)二旋轉(zhuǎn)，壓力油通過(guò)液壓馬達(dá)一、液控單向閥一、單向節(jié)流閥二進(jìn)入液壓缸的有桿腔，無(wú)桿腔的油液經(jīng)過(guò)單向節(jié)流閥一、液控單向閥二、液壓馬達(dá)二、換向閥二回油箱。
【文檔編號(hào)】F15B21/14GK105864230SQ201510033458
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年1月23日
【發(fā)明人】董喜榮, 董文廣
【申請(qǐng)人】鞍鋼股份有限公司