CN104047933B - 升降设备的势能回收系统及在载荷连续变化时的匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种升降设备的势能回收液压控制系统及在载荷连续变化时的匹配方法，本系统第一电磁换向阀第二出油口连接第六、第五电磁换向阀入油口，第六、第五电磁换向阀入油口相通并与第二液控单向阀入油口及第二单向阀出油口连接，第二压力传感器安装于第六、第五电磁换向阀入油口之间的管路上，第六电磁换向阀出油口与第二蓄能器组连接油口连接，备用泵出油口分别连接第二单向阀入油口和电磁溢流阀进油口；功能阀组出油口和第一液控单向阀出油口都与第二势能回收缸无杆腔油口连接。本方法步骤：载荷重量需满足的条件，如不成立，启动备用泵，计算势能回收缸无杆腔应保持的压力，本发明能确保升降运动不受影响。

Description

升降设备的势能回收系统及在载荷连续变化时的匹配方法

技术领域

本发明涉及一种升降设备的势能回收系统及匹配方法，具体的说是升降设备的势能回收系统及在载荷连续变化时的匹配方法。

背景技术

升降及步进机械在各个行业占了很大的比重，且其大部分都属于重载、连续生产工况，这些设备上升时由液压升降缸驱动，下降时靠自重或动力加辅助背压，也有通过减速电机驱动其升降运动。在下降过程中释放的重力势能大部分转化为热量被白白消耗，而此部分能量占到了提升时能耗总量的50％到70％，甚至更高。步进式加热炉、步进梁运输机、步进式冷床、升降式称重设备、液压升降机等都存在相同的问题：下降过程中大部分重力势能被白白消耗，造成了能源的极大浪费。如果能将此部分的势能进行回收再利用，将会产生巨大的经济效益和行业影响。升降及步进机械在稳定载荷及非稳定载荷状态下的势能回收方法，可有效回收这些升降及步进机械下降过程中的部分重力势能，并用于下一次提升，可实现节能约40％～60％。

但是受蓄能器组充气压力以及所回收势能非稳定释放过程(势能在释放时，蓄能器组内的压力也随之变化)因素的影响，势能回收系统分担的载荷必须在一定的范围内变化，这就要求设备承受载荷也必须在一定范围内波动，如果设备承受载荷变化超出一定范围时，会造成以下问题：

当载荷重量过小，势能回收系统分担的载荷重量过大时：在下降过程中，蓄能器组内的压力会随机械设备的下降而增大，当增大到一定程度时，可能会造成升降设备无法下降到位；

当载荷重量过大，势能回收系统分担的载荷重量过小时：在上升过程中，蓄能器组内的压力会随机械设备的上升而降低，当降低到一定程度时，回收的能量提前释放完毕，会造成设备无法靠升降缸的推力运行到位。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种升降设备的势能回收系统及在载荷连续变化时的匹配方法，能确保升降设备的升降运动不受影响。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种升降设备的势能回收系统，其特征在于：它包括第一势能回收缸、第二势能回收缸、第一蓄能器组、第二蓄能器组、第一压力传感器、第二压力传感器、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、第五电磁换向阀、第六电磁换向阀、第一液控单向阀、第二液控单向阀、功能阀组、第一溢流阀、第二溢流阀、补油泵、备用泵、第一单向阀、第二单向阀、安全阀、电磁溢流阀和油箱；

补油泵的吸油口与油箱的第一出油口连接，补油泵的出油口分别连接第一单向阀的入油口和安全阀的入油口，第一单向阀的出油口分别连接第一电磁换向阀的入油口、第二电磁换向阀的入油口和第三电磁换向阀的入油口，安全阀的出油口连接油箱的第四回油口；

第一电磁换向阀的第一出油口分别连接第一蓄能器组连接油口和第四电磁换向阀的入油口，第一蓄能器组连接油口和第四电磁换向阀的入油口相通且均与第一溢流阀的入油口连接，第一压力传感器安装于第一蓄能器组连接油口和第四电磁换向阀入油口之间的管路上，第一溢流阀的出油口连接油箱的第二回油口；

第一电磁换向阀的第二出油口分别连接第六电磁换向阀的入油口和第五电磁换向阀的入油口，第六电磁换向阀的入油口和第五电磁换向阀的入油口相通并与第二液控单向阀的入油口及第二单向阀的出油口连接，第二压力传感器安装于第六电磁换向阀的入油口和第五电磁换向阀的入油口之间的管路上，第六电磁换向阀的出油口与第二蓄能器组连接油口连接，第二液控单向阀的出油口连接第二溢流阀的入油口，第二溢流阀的出油口连接油箱的第三回油口，备用泵的吸油口与油箱的第二出油口连接，备用泵的出油口分别连接第二单向阀的入油口和电磁溢流阀的进油口，电磁溢流阀的出油口连接油箱的第五回油口；

第二电磁换向阀的出油口连接第二液控单向阀的控制油口；

第三电磁换向阀的出油口连接第一液控单向阀的控制油口；

第四电磁换向阀的出油口连接第一势能回收缸的无杆腔油口；

第五电磁换向阀的出油口连接功能阀组的入油口，功能阀组的出油口和第一液控单向阀的出油口都与第二势能回收缸的无杆腔油口连接，第五电磁换向阀的回油口和第一液控单向阀的入油口与第一势能回收缸的有杆腔油口和第二势能回收缸的有杆腔油口相通且均与油箱的第一回油口连接。

所述的升降设备的势能回收系统，其特征在于：所述第二溢流阀为比例溢流阀。

所述的升降设备的势能回收系统在载荷连续变化时的匹配方法，本方法中涉及的设备包括升降设备，所述升降设备包括载物架和升降缸，升降缸设于载物架的下部，其特征在于，所述升降设备还包括第一势能回收缸、第二势能回收缸、固定框架以及置于固定框架上部的载荷，第一势能回收缸和第二势能回收缸均设于载物架的下部，固定框架位于载物架上方，升降缸推动载物架和载荷沿升降斜坡作升降运动，第一势能回收缸和第二势能回收缸通过回收的重力势能辅助升降缸动作，包括如下步骤：

步骤一：第一势能回收缸和第一蓄能器组对载物架的自重进行势能回收，第二势能回收缸和第二蓄能器组对载荷进行势能回收，由于载荷的重量会连续变化，因此第二势能回收缸分担的载荷重量需满足：

a.第二蓄能器组的最低工作压力不低于其充气压力；

b.升降缸负载的载荷不超过其最大设计载荷；

c.第二蓄能器组达到最大工作压力时载物架能下降到位；

步骤二：一旦步骤一中有任何一个条件不成立，此时第六电磁换向阀立刻得电，切断第二蓄能器组与第二势能回收缸的连通，同时备用泵启动，代替第二蓄能器组进行能量供给，此时载荷重量全部由第二势能回收缸承担；

步骤三：备用泵启动后，延时1～2秒，电磁溢流阀得电，系统建压；

步骤四：备用泵启动的同时，第二电磁换向阀得电，使第二液控单向阀反向打开，第二溢流阀对第二压力传感器检测到的备用泵的出口压力实施自动调节；

步骤五：PLC根据当前的载荷重量计算第二势能回收缸无杆腔应保持的压力P₃：

$p_3=1.27\×\frac{G_3\·A}{n_{13}\·D_{13}^2}$

式中：G₃：当前的载荷重量；

D₁₃：第二势能回收缸无杆腔直径；

n₁₃：第二势能回收缸的数量；

A：升降系数；

步骤六：P₃计算完成后，确定第二溢流阀的初始控制信号，然后通过第二压力传感器以及第二溢流阀的闭环控制，使第二势能回收缸无杆腔压力始终在P3±Δp的范围内波动，Δp的取值范围为0.2～0.5MPa；

当第二压力传感器检测到的压力低于P₃-Δp时，第二溢流阀的控制信号自动按规律增大，直到压力不低于P₃时停止；

当第二压力传感器检测到的压力高于P₃+Δp时，第二溢流阀的控制信号自动按规律降低，直到压力不高于P₃时停止；

步骤七：当载荷重量发生变化时，P₃也同步变化，然后再次通过第二压力传感器以及第二溢流阀的闭环控制，使第二势能回收缸无杆腔压力始终在P₃±Δp的范围内波动。

本发明的有益效果是：当载荷重量发生变化时，如果势能回收系统分担的载荷重量满足其设计范围，则势能回收系统由蓄能器组供给能量，且其分担的载荷重量可在其设计范围内按某种规律自动调节；

当载荷重量发生变化时，如果势能回收系统分担的载荷重量无法满足其设计范围，则势能回收系统自动切换，由备用泵替代对应蓄能器组进行能量供给，此时载荷重量全部由势能回收缸分担，确保升降设备的升降运动不受影响。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为升降设备的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示：一种升降设备的势能回收系统，它包括第一势能回收缸1、第二势能回收缸2、第一蓄能器组3、第二蓄能器组4、第一压力传感器5、第二压力传感器6、第一电磁换向阀12、第二电磁换向阀13、第三电磁换向阀10、第四电磁换向阀7、第五电磁换向阀11、第六电磁换向阀21、第一液控单向阀8、第二液控单向阀14、功能阀组9、第一溢流阀16、第二溢流阀15、补油泵17、备用泵22、第一单向阀18、第二单向阀23、安全阀19、电磁溢流阀24和油箱20；

补油泵的吸油口171与油箱的第一出油口36连接，补油泵的出油口172分别连接第一单向阀的入油口181和安全阀的入油口191，第一单向阀的出油口182分别连接第一电磁换向阀的入油口121、第二电磁换向阀的入油口131和第三电磁换向阀的入油口101，安全阀的出油口192连接油箱的第四回油口34；

第一电磁换向阀的第一出油口122分别连接第一蓄能器组3连接油口和第四电磁换向阀的入油口71，第一蓄能器组连接油口和第四电磁换向阀的入油口相通且均与第一溢流阀的入油口161连接，第一压力传感器5安装于第一蓄能器组连接油口和第四电磁换向阀入油口之间的管路上，第一溢流阀的出油口162连接油箱的第二回油口32；

第一电磁换向阀的第二出油口123分别连接第六电磁换向阀的入油口211和第五电磁换向阀的入油口111，第六电磁换向阀的入油口和第五电磁换向阀的入油口相通并与第二液控单向阀的入油口141及第二单向阀的出油口232连接，第二压力传感器6安装于第六电磁换向阀的入油口和第五电磁换向阀的入油口之间的管路上，第六电磁换向阀的出油口212与第二蓄能器组4连接油口连接，第二液控单向阀的出油口142连接第二溢流阀的入油口151，第二溢流阀的出油口152连接油箱的第三回油口33，备用泵的吸油口221与油箱的第二出油口37连接，备用泵的出油口222分别连接第二单向阀的入油口231和电磁溢流阀的进油口241，电磁溢流阀的出油口242连接油箱的第五回油口35；

第二电磁换向阀的出油口132连接第二液控单向阀的控制油口143；

第三电磁换向阀的出油口102连接第一液控单向阀的控制油口83；

第四电磁换向阀的出油口72连接第一势能回收缸的无杆腔油口311；

第五电磁换向阀的出油口112连接功能阀组的入油口91，功能阀组的出油口92和第一液控单向阀的出油口82都与第二势能回收缸的无杆腔油口411连接，第五电磁换向阀的回油口113和第一液控单向阀的入油口81与第一势能回收缸的有杆腔油口312和第二势能回收缸的有杆腔油口412相通且均与油箱的第一回油口31连接。

所述第二溢流阀15为比例溢流阀。

如图2所示：一种升降设备的势能回收系统在载荷连续变化时的匹配方法，本方法中涉及的设备包括升降设备，所述升降设备包括载物架512和升降缸514，升降缸设于载物架的下部，所述升降设备还包括第一势能回收缸1、第二势能回收缸2、固定框架513以及置于固定框架上部的载荷511，第一势能回收缸和第二势能回收缸均设于载物架的下部，固定框架位于载物架上方，升降缸推动载物架和载荷沿升降斜坡515作升降运动，第一势能回收缸和第二势能回收缸通过回收的重力势能辅助升降缸动作，包括如下步骤：

步骤一：第一势能回收缸1和第一蓄能器组3对载物架512的自重进行势能回收，第二势能回收缸2和第二蓄能器组4对载荷511进行势能回收，由于载荷的重量会连续变化，因此第二势能回收缸分担的载荷重量需满足：

a.第二蓄能器组的最低工作压力不低于其充气压力；

b.升降缸负载的载荷不超过其最大设计载荷；

c.第二蓄能器组达到最大工作压力时载物架能下降到位；

步骤二：一旦步骤一中有任何一个条件不成立，此时第六电磁换向阀21立刻得电，切断第二蓄能器组4与第二势能回收缸2的连通，同时备用泵22启动，代替第二蓄能器组进行能量供给，此时载荷重量全部由第二势能回收缸2承担；

步骤三：备用泵22启动后，延时1～2秒，电磁溢流阀得电，系统建压；

步骤四：备用泵启动的同时，第二电磁换向阀得电，使第二液控单向阀反向打开，第二溢流阀15对第二压力传感器检测到的备用泵的出口压力实施自动调节；

步骤五：PLC根据当前的载荷重量计算第二势能回收缸无杆腔应保持的压力P₃：

$p_3=1.27\×\frac{G_3\·A}{n_{13}\·D_{13}^2}$

式中：G₃：当前的载荷重量；

D₁₃：第二势能回收缸无杆腔直径；

n₁₃：第二势能回收缸的数量；

A：升降系数；

步骤六：P₃计算完成后，确定第二溢流阀的初始控制信号，然后通过第二压力传感器以及第二溢流阀的闭环控制，使第二势能回收缸无杆腔压力始终在P3±Δp的范围内波动，Δp的取值范围为0.2～0.5MPa；

当第二压力传感器6检测到的压力低于P₃-Δp时，第二溢流阀的控制信号自动按规律增大，直到压力不低于P₃时停止；

当第二压力传感器检测到的压力高于P₃+Δp时，第二溢流阀的控制信号自动按规律降低，直到压力不高于P₃时停止；

步骤七：当载荷重量发生变化时，P₃也同步变化，然后再次通过第二压力传感器以及第二溢流阀的闭环控制，使第二势能回收缸无杆腔压力始终在P₃±Δp的范围内波动。

第六电磁换向阀21：用于控制第二蓄能器组是否投入使用；

第二压力传感器6：用于检测第二蓄能器组压力或备用泵出口压力；

第二电磁换向阀13：用于控制第二液控单向阀是否反向开启；

第二溢流阀15:用于控制第二蓄能器组或备用泵出口的最高压力，自动调节第二势能回收缸可承担的载荷，即当第二压力传感器检测到的第二蓄能器组或备用泵出口压力高于设定值(可调)时自动溢流；

第二液控单向阀14:用于控制第二溢流阀的调压功能是否开启，同时防止泄漏；

第二单向阀23:防止液压油回流；

电磁溢流阀24:用于控制系统是否建压，防止系统超压；

备用泵22：当流量一定时，备用泵的输出功率只受其出口压力的限制，因此，当第二蓄能器组无法满足要求时，可用备用泵代替第二蓄能器组工作，即：当第二蓄能器组被第六电磁换向阀切断时，代替第二蓄能器组供给液压油，可选用齿轮泵、柱塞泵、叶片泵等；

所述的电磁换向阀、液控单向阀、溢流阀等亦可以是具有相同功能的阀或阀组。

Claims (3)

1.一种升降设备的势能回收系统，其特征在于：它包括第一势能回收缸、第二势能回收缸、第一蓄能器组、第二蓄能器组、第一压力传感器、第二压力传感器、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、第五电磁换向阀、第六电磁换向阀、第一液控单向阀、第二液控单向阀、功能阀组、第一溢流阀、第二溢流阀、补油泵、备用泵、第一单向阀、第二单向阀、安全阀、电磁溢流阀和油箱；

补油泵的吸油口与油箱的第一出油口连接，补油泵的出油口分别连接第一单向阀的入油口和安全阀的入油口，第一单向阀的出油口分别连接第一电磁换向阀的入油口、第二电磁换向阀的入油口和第三电磁换向阀的入油口，安全阀的出油口连接油箱的第四回油口；

第一电磁换向阀的第一出油口分别连接第一蓄能器组连接油口和第四电磁换向阀的入油口，第一蓄能器组连接油口和第四电磁换向阀的入油口相通且均与第一溢流阀的入油口连接，第一压力传感器安装于第一蓄能器组连接油口和第四电磁换向阀入油口之间的管路上，第一溢流阀的出油口连接油箱的第二回油口；

第一电磁换向阀的第二出油口分别连接第六电磁换向阀的入油口和第五电磁换向阀的入油口，第六电磁换向阀的入油口和第五电磁换向阀的入油口相通并与第二液控单向阀的入油口及第二单向阀的出油口连接，第二压力传感器安装于第六电磁换向阀的入油口和第五电磁换向阀的入油口之间的管路上，第六电磁换向阀的出油口与第二蓄能器组连接油口连接，第二液控单向阀的出油口连接第二溢流阀的入油口，第二溢流阀的出油口连接油箱的第三回油口，备用泵的吸油口与油箱的第二出油口连接，备用泵的出油口分别连接第二单向阀的入油口和电磁溢流阀的进油口，电磁溢流阀的出油口连接油箱的第五回油口；

第二电磁换向阀的出油口连接第二液控单向阀的控制油口；

第三电磁换向阀的出油口连接第一液控单向阀的控制油口；

第四电磁换向阀的出油口连接第一势能回收缸的无杆腔油口；

第五电磁换向阀的出油口连接功能阀组的入油口，功能阀组的出油口和第一液控单向阀的出油口都与第二势能回收缸的无杆腔油口连接，第五电磁换向阀的回油口和第一液控单向阀的入油口与第一势能回收缸的有杆腔油口和第二势能回收缸的有杆腔油口相通且均与油箱的第一回油口连接。

2.根据权利要求1所述的升降设备的势能回收系统，其特征在于：所述第二溢流阀为比例溢流阀。

3.根据权利要求1或2所述的升降设备的势能回收系统在载荷连续变化时的匹配方法，本方法中涉及的设备包括升降设备，所述升降设备包括载物架和升降缸，升降缸设于载物架的下部，其特征在于，所述升降设备还包括第一势能回收缸、第二势能回收缸、固定框架以及置于固定框架上部的载荷，第一势能回收缸和第二势能回收缸均设于载物架的下部，固定框架位于载物架上方，升降缸推动载物架和载荷沿升降斜坡作升降运动，第一势能回收缸和第二势能回收缸通过回收的重力势能辅助升降缸动作，包括如下步骤：

步骤一：第一势能回收缸和第一蓄能器组对载物架的自重进行势能回收，第二势能回收缸和第二蓄能器组对载荷进行势能回收，由于载荷的重量会连续变化，因此第二势能回收缸分担的载荷重量需满足：

a．第二蓄能器组的最低工作压力不低于其充气压力；

b．升降缸负载的载荷不超过其最大设计载荷；

c．第二蓄能器组达到最大工作压力时载物架能下降到位；

步骤二：一旦步骤一中有任何一个条件不成立，此时第六电磁换向阀立刻得电，切断第二蓄能器组与第二势能回收缸的连通，同时备用泵启动，代替第二蓄能器组进行能量供给，此时载荷重量全部由第二势能回收缸承担；

步骤三：备用泵启动后，延时1～2秒，电磁溢流阀得电，系统建压；

步骤四：备用泵启动的同时，第二电磁换向阀得电，使第二液控单向阀反向打开，第二溢流阀对第二压力传感器检测到的备用泵的出口压力实施自动调节；

步骤五：PLC根据当前的载荷重量计算第二势能回收缸无杆腔应保持的压力P₃：

式中：G₃：当前的载荷重量；

D₁₃：第二势能回收缸无杆腔直径；

n₁₃：第二势能回收缸的数量；

A：升降系数；

步骤六：P₃计算完成后，确定第二溢流阀的初始控制信号，然后通过第二压力传感器以及第二溢流阀的闭环控制，使第二势能回收缸无杆腔压力始终在P3±Δp的范围内波动，Δp的取值范围为0.2～0.5MPa；

当第二压力传感器检测到的压力低于P₃-Δp时，第二溢流阀的控制信号自动按规律增大，直到压力不低于P₃时停止；

当第二压力传感器检测到的压力高于P₃+Δp时，第二溢流阀的控制信号自动按规律降低，直到压力不高于P₃时停止；

步骤七：当载荷重量发生变化时，P₃也同步变化，然后再次通过第二压力传感器以及第二溢流阀的闭环控制，使第二势能回收缸无杆腔压力始终在P₃±Δp的范围内波动。