CN103758689A - 利用液压能提供旋转机械动力的装置及做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明为利用液压能提供旋转机械动力的装置及做功方法，本发明的装置包括液压站，液压缸、液压活塞、液压活塞连接的曲轴；曲轴的主输出轴连接发电机和输出额外动力，发电机为液压站供电。本发明首先由液压站提供液压能，液压能驱动液压活塞，推动曲轴，由曲轴转换为低速、超大扭矩的旋转机械能，旋转机械能一方面带动发电机为液压站供电，另一方面输出额外动力，额外动力为本发明的输出动力。本发明采用电能-液压能-旋转机械能-电能的交替转换模式，利用了液压能以小功率的能耗输出大机械能的特性，同时结合稀土永磁发电机超高效的发电能力，让本发明能够在外力启动后，自行持续运转，持续输出机械能。

Description

利用液压能提供旋转机械动力的装置及做功方法

技术领域

本发明涉及一种动力输出装置，尤其是一种利用液压能转换为旋转机械能并持续输出动力的一种低能耗动力输出装置及做功方法。

背景技术

液压传动的基本原理：液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。

液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械(绞车)、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。

一个后八轮自卸车它载重40吨而它的自卸举升液压系统的驱动功率却是4.5KW，可以算出4.5KW的功率通过液压系统可以产生392000N米的力量，由此应用液压系统和机械原理就可以实现四两拨千斤就这个道理。

在当今社会下，环境和能源面临危机，一方面是石油能源的大量使用，使非再生的石油资源一步步走向枯竭，同时，石油能源的大量使用，加剧地破坏人类生存的地球环境。

所以，在环境危机与能源危机的双重压力下，需要一种低能耗，高输出功率的机械。

发明内容

为了保护环境，同进化解能源危机，本发明提供了一种充分发挥液压传动特点优势的低能耗且持续输出旋转动力的装置及做功方法。

本发明提供的技术方案如下：包括液压能提供部分，用于提供液压能；液压能控制部分，用于分配液压能及控制液压油流量；动力转换部分，用于将液压能转换为旋转动力；旋转动力输出部分，用于输出旋转动力，并为液压能提供部分提供做功驱动能源；装置启动控制部分，用于为装置提供初始启动力，并对初始启动力与持续驱动力进行切换；启动控制部分设置在液压能提供部份与旋转动力输出部分之间。

如上所述的一种利用液压能提供旋转机械动力的装置，更进一步说明为，所述的液压能提供部分包括电机及通过电机驱动的液压站，与液压站连接的储油罐。

所述的动力转换部分包括单向液压缸2、液压缸内的液压活塞4、液压缸上的液压油进油阀1与排油阀2。

液压能控制部分为液压油控制系统，设置在储油罐与液压缸2之间，用于控制液压缸进油阀1及排油阀2的开启或关断。

旋转动力输出部分为曲轴；曲轴的主输出轴连接发电机。

在液压缸上的排油阀通过排油回路与液压站连接，并在液压缸与液压站之间还设置有液压油冷却池和过滤器。

所述的启动控制部分为电源转换装置，为电机提供电源，并在外接电源与发电机电源之间进行切换。

如上所述的一种利用液压能提供旋转机械动力的装置，更进一步说明为，至少有三个液压缸及液压缸内的液压活塞，分别为第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸、第一液压活塞、第二液压活塞与第三液压活塞；液压活塞通过连杆9与曲轴的连杆轴颈10连接；

至少包括三个连杆轴颈，曲轴的工作曲柺以角度120度分布。

液压缸内顶面设置有液压活塞缓冲块12，用于缓冲液压活塞上到达上止点时的冲击力；设置有积油空间，用于存放液压活塞到达上止点时，未能完全排出的液压油；液压缸外壁上设置有冷却系统。

在液压缸下端设置有曲轴中箱7及曲轴箱，曲轴箱内设置曲轴，曲轴中箱7与液压缸同轴设置，为筒状结构，在曲轴中箱中设置稳定滑动块8，稳定滑动块与液压活塞底端固定，在曲轴中箱中随液压活塞作往复运动，用以稳定液压活塞底端，防止活塞底端摆动；稳定滑动块底部设置连接销，用于安装连杆9。

如上所述的一种利用液压能提供旋转机械动力的装置，更进一步说明为，液压缸外壁上设置的冷却系统为水冷却装置，在液压缸外壁设置冷却液循环室5，冷却液进口6及冷却液出口3，在储油罐与液压站之间还设置有安全装置，所述的发电机为稀土永磁发电机。

如上所述的一种利用液压能提供旋转机械动力的装置，更进一步说明为，本装置还包括中央监测控制装置，用于整个运行系统的操作，监视，调控。曲轴中箱设有相位传感器，检测液压活塞行程上止点和下止点，并通程序控制器控制进。

油阀，排油阀的关断与开启。

本发明提供旋转机械动力的做功方法，包括以下步骤：

1、为电机提供启动力，驱动电机正常工作，通过启动控制部分为电机提供外接电源。

2、电机驱动液压站开始工作，液压站输出高压力的液压能，并经过安全装置对液压油的压力能进行稳压稳流，然后液压油输入到储油罐中。

3、通过液压控制系统，将液压油按序分别输入到各个液压缸，交替推动各个液压缸中的液压活塞从上止点向下止点运动。

更进一步说明为，先打开第一液压缸上的进油阀，关闭第一液压缸上的排油阀，第二液压缸上的排油阀开启，进油阀关闭，第三液压缸上的排油阀关闭，进油阀开启；向第一液压缸及第三液压缸供油，并推动第一液压活塞从上止点向下止点运动，第三液压活塞向下运动，第二液压活塞联动，从下向上运动，并在运动过程中排出液压油；

当第一液压活塞推动曲轴连杆轴颈旋转至60度时，第三液压活塞到达下止点位置，关阀第三液压缸进油阀，打开第三液压缸排油阀并开始排油。

当第一液压活塞推动曲轴连杆轴颈旋转至120度时，第二液压活塞到达上止点位置，打开第二液压缸进油阀，关闭第二液压缸排油阀，液压油推动第二液压活塞向下运动；

当第一液压活塞推动曲轴连杆轴颈旋转至180度时，关阀第一液压缸进油阀，打开第一液压缸排油阀并开始排油。

当第一液压活塞推动曲轴连杆轴颈旋转至240度时，关阀第一液压缸进油阀，打开第一液压缸排油阀并开始排油；第三液压活塞到达上止点位置，关闭第三液压缸排油阀，打开第三液压缸进油阀，第三液压活塞开始在液压油的推动下从上止点向下止点运动。

按以上方式往复运动，曲轴持续输出旋转动力。

4、液压缸排出的液压油排出到冷却池进行油温冷却，冷却后为液压站供油。

5、曲轴输出的旋转动力一部分带动发电机动运转，发电机运转后产生的电能接入到启动控制部分，启动控制部分将电机的外接电源转换为发电机电源。

6、曲轴输出的旋转动力一部分成为本装置输出动力。

7、如权利要求6所述的利用液压能提供旋转机械动力的做功方法，其征在于，中央监测控制装置对整个运行步骤进行系统的操作、监视、调控。

有益效果：

本装置只需要启动时所耗的启动电源，在本装置启动后，本装置自带发电机便可为液压站的电机供电，使本装置的液压站电机持续工作，使用本装置持续工作。

本装置采用电能-液压能-旋转机械能-电能的交替转换模式，使本装置持续运转，同时旋转机械能除了供发电机工作外，还有更多的旋转机械能输出。

本装置采用电能-液压能-旋转机械能-电能的交替转换模式，利用了液压能以小功率的能耗输出大机械能的特性，同时结合稀土永磁发电机超高效的发电能力，让本装置能够在外力启动后，自行持续运转，持续输出机械能。

本装置采用三个液压活塞推动曲轴旋转，并使曲轴的三个连杆轴颈以角度120度进行分布，使得各活塞可以交替推动曲轴旋转，并且无卡顿或反转现象。

液压缸提供冷却装置，回流的液压油提供冷却步骤，保护本装置不过热，保证正常运行。

本发明的曲轴中箱，用于安装稳定滑动块，在曲轴中箱中随液压活塞作往复运动，用以稳定液压活塞底端，防止活塞底端摆动。液压缸内缸内顶面设置有液压活塞缓冲块，用于缓冲液压活塞上到达上止点时的冲击力；设置有积油空间，用于存放液压活塞到达上止点时，未能完全排出的液压油。

本发明通过液压能提供低速、超大扭矩的旋转机械能，并采用多缸接力式曲轴及超长工作曲柺，从而输出足够的机械能。

附图说明

图1是本发明主要结构示意图。

图2是本发明做功步骤示意图。

图3是本发明实施结构图。

图4是本发明液压缸三缸工作示意图。

图5是本发明液压缸三缸原理示意图。

图6是本发明液压缸、活塞、曲轴结构图。

具体实施方式

本发明按以下方式时行实施：

本实施方式按输出的旋转动力用以发电，并将发电机产生的电以用一部份提供液压站电机的运转，另一部分为电网供电。这样持续工作，达到低能耗高效发电的目的。

曲轴的主输出轴上通过液力耦合器软连接连发电机。

本实施方式的液压站选用机型及其工作参数计算：

流量输出选用德国力士乐排量2501／r的手动变量泵两台，由两台160KW电机驱动，两台同时使用时输出最大流量为615L／min，0-615L／min范围内可无级调节。

本实施方式的液压缸设计及参数配置计算：

采用的120。接力形式续力单体液压缸，由三个单独行程500MM的单向液压缸组成。缸径Φ220×500柱塞缸3支，设计压力25MPa，对应工作力矩约100吨，流量需求19L／行程，按工作要求每分钟伸出缩回10次需要540L／min。

本实施方式曲轴设计及扭力计算：

曲轴圆点偏心250MM。周运转500MM，扭矩提升量10％。

100吨X9.8=980000+10％=1034400Mn。输出转速每分钟10转，输出力矩1034400Mn

本实施方式所选用的变速箱其工作参数计算：

采用箱式3极变速1比5比5换算输出，链接液压旋转动力系统和发电机匹配机构它是将液压动力系统输出的每分钟10转速103万Mn换算每分钟250转40000Mn。

本实施方式选用的发电机组为(型号YGDLF-1000)永磁低转速高效1100KW发电机，其参数如下：

输出功率1100KW，输出电压690V，输出电流837A，输出频率50H，转速250转每分钟，输入扭矩38700Nm，入网方式：控制柜调控稳频稳压直接进网。

如上实施例中，选用的液压站电机所需电源为160KW*2=320KW，所提供的液压油输出最大流量为615L／min，大于三支液压缸每分钟伸出缩回10次所需要540L／min流量。同时，三支液压缸输出力矩1034400Mn，经过变速机后，达到每分钟250转，力矩40000Mn。满足1100KW发电的输入力矩要求。

本发明最终的工作效率计算：

设本实施例全年以300天，每天以20小时运行，其效率如下：

发电有效输出功率    1100KW(实际容量)

驱动功率耗散        330KW

实际输出功率        700KW

总输出功率1100KW-驱动耗散功率330KW=700KW(进网实际保守数据)

年发电量700KW X20小时 X300天=4200000度

所要力矩：38700Mn。

本实施例中央监测控制装置工作方式：

中央监测控制装置集成了整个运行系统的操作，监视，调控。

其工作为：启动按钮启动、然后启动系统设备运行，然后对各机械部分的转速、压力、流量、温度、电压、电流、频率的数据进入中央监测控制装置显示，并对监测到的各项数据修正调校，在调校完成后，各项数据正常，发电机正常发电，控制连接电源并网，同时关闭启动供电系统，通过并网逆变控制器将电能进入国家电网运行。

机械运行设备工作方式：

曲轴持续输出旋转动力为每分钟10／转，通过变速器后，达到分钟250／转，然后通过液力耦合器，连接发电机运行发电。

本实施例的润滑系统：

采用电机驱动油泵方式，对液压旋转动力系统的运行机械润滑。

本实施例还设置有液压缸辅助系统

辅助供油系统，主要功能是辅助主供油的液压油系统在过渡区液压缸内保压回路的功能，在于使系统在液压缸加载不动或因工件变形而产生微小位移的工况下能保持稳定不变的压力，并且使液压站处于卸荷状态.保压性能的个主要指标为保压时间和压力稳定性。

本实施例还设置保压回路。

本实施例的冷却系统：

本实施例的冷却系统为水冷系统，采用水池多层进化过滤，电机配合高压水泵、分水控制器、进入发电机，液压缸，液压油池，进行温度控制，确保发电机，液压系统的正常运行。

根据低速液压旋转动力的输出扭矩参数结合变速器。液力耦合器选用稀土永磁高效低速发电机运行发电。

Claims (7)

1.利用液压能提供旋转机械动力的装置，其特征在于，它包括液压能提供部分，用于提供液压能；液压能控制部分，用于分配液压能及控制液压油流量；动力转换部分，用于将液压能转换为旋转动力；旋转动力输出部分，用于输出旋转动力，并为液压能提供部分提供做功驱动能源；装置启动控制部分，用于为装置提供初始启动力，并对初始启动力与持续驱动力进行切换； 

装置启动控制部分、液压能提供部分、液压能控制部分、动力转换部分、旋转动力输出部分顺序连接；旋转动力输出部分与装置启动控制部分连接，旋转动力输出部分再与外部机械连接，为外部机械持续提供旋转动力； 

启动控制部分设置在液压能提供部份与旋转动力输出部分之间。 

2.如权利要求1所述的一种利用液压能提供旋转机械动力的装置，其特征在于，所述的液压能提供部分包括电机及通过电机驱动的液压站，与液压站连接的储油罐； 

所述的动力转换部分包括单向液压缸(2)、液压缸内的液压活塞(4)、液压缸上的液压油进油阀(1)与排油阀(2)； 

液压能控制部分为液压油控制系统，设置在储油罐与液压缸(2)之间，用于控制液压缸进油阀(1)及排油阀(2)的开启或关断； 

旋转动力输出部分为曲轴；曲轴的主输出轴连接发电机； 

在液压缸上的排油阀通过排油回路与液压站连接，并在液压缸与液压站之间还设置有液压油冷却池和过滤器； 

所述的启动控制部分为电源转换装置，为电机提供电源，并在外接电源与发电机电源之间进行切换。 

3.如权利要求2所述的一种利用液压能提供旋转机械动力的装置，其特征在于，至少有三个液压缸及液压缸内的液压活塞，分别为第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸、第一液压活塞、第二液压活塞与第三液压活塞；液压活塞通过连杆(9)与曲轴的连杆轴颈(10)连接； 

至少包括三个连杆轴颈，曲轴的工作曲柺以角度120度分布； 

液压缸内顶面设置有液压活塞缓冲块(12)，用于缓冲液压活塞上到达上止点时的冲击力；设置有积油空间，用于存放液压活塞到达上止点时，未能完全排出的液压油；液压缸外壁 上设置有冷却系统。 

在液压缸下端设置有曲轴中箱(7)及曲轴箱，曲轴箱内设置曲轴，曲轴中箱(7)与液压缸同轴设置，为筒状结构，在曲轴中箱中设置稳定滑动块(8)，稳定滑动块与液压活塞底端固定，在曲轴中箱中随液压活塞作往复运动，用以稳定液压活塞底端，防止活塞底端摆动；稳定滑动块底部设置连接销，用于安装连杆(9)。 

4.如权利要求2所述的一种利用液压能提供旋转机械动力的装置，其特征在于，液压缸外壁上设置的冷却系统为水冷却装置，在液压缸外壁设置冷却液循环室(5)，冷却液进口(6)及冷却液出口(3)，在储油罐与液压站之间还设置有安全装置，所述的发电机为稀土永磁发电机。 

5.如权利要求1所述的利用液压能提供旋转机械动力的装置，其特征在于，本装置还包括中央监测控制装置，用于整个运行系统的操作，监视，调控；曲轴中箱设有相位传感器，检测液压活塞行程上止点和下止点，并通程序控制器控制进油阀，排油阀的关断与开启。 

6.利用液压能提供旋转机械动力的做功方法，包括以下步骤， 

6.1.为电机提供启动力，驱动电机正常工作，通过启动控制部分为电机提供外接电源； 

6.2.电机驱动液压站开始工作，液压站输出高压力的液压能，并经过安全装置对液压油的压力能进行稳压稳流，然后液压油输入到储油罐中； 

6.3.通过液压控制系统，将液压油按序分别输入到各个液压缸，交替推动各个液压缸中的液压活塞从上止点向下止点运动； 

更进一步说明为，先打开第一液压缸上的进油阀，关闭第一液压缸上的排油阀，第二液压缸上的排油阀开启，进油阀关闭，第三液压缸上的排油阀关闭，进油阀开启；向第一液压缸及第三液压缸供油，并推动第一液压活塞从上止点向下止点运动，第三液压活塞向下运动，第二液压活塞联动，从下向上运动，并在运动过程中排出液压油； 

当第一液压活塞推动曲轴连杆轴颈旋转至60度时，第三液压活塞到达下止点位置，关阀第三液压缸进油阀，打开第三液压缸排油阀并开始排油； 

当第一液压活塞推动曲轴连杆轴颈旋转至120度时，第二液压活塞到达上止点位置，打开第二液压缸进油阀，关闭第二液压缸排油阀，液压油推动第二液压活塞向下运动； 

当第一液压活塞推动曲轴连杆轴颈旋转至180度时，关阀第一液压缸进油阀，打开第一液压缸排油阀并开始排油； 

当第一液压活塞推动曲轴连杆轴颈旋转至240度时，关阀第一液压缸进油阀，打开第一 液压缸排油阀并开始排油；第三液压活塞到达上止点位置，关闭第三液压缸排油阀，打开第三液压缸进油阀，第三液压活塞开始在液压油的推动下从上止点向下止点运动； 

按以上方式往复运动，曲轴持续输出旋转动力； 

6.4.液压缸排出的液压油排出到冷却池进行油温冷却，冷却后为液压站供油； 

6.5.曲轴输出的旋转动力一部分带动发电机动运转，发电机运转后产生的电能接入到启动控制部分，启动控制部分将电机的外接电源转换为发电机电源； 

6.6.曲轴输出的旋转动力一部分成为本装置输出动力。 

7.如权利要求6所述的利用液压能提供旋转机械动力的做功方法，其征在于，中央监测控制装置对整个运行步骤进行系统的操作、监视、调控。 

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