一种压力自适应液压换向系统
技术领域
本发明涉及一种液压活塞式天然气压缩机换向系统,具体来讲,是提供一种节能高效的液压活塞式天然气压缩机的压力自适应液压换向系统。
背景技术
目前,在液压活塞式天然气压缩机换向控制系统中,一般采用位置传感器即行程开关来检测压缩缸中活塞所处位置,以此判断一次压缩行程是否结束,并以此位置传感器发出的信号进行液压系统循环方向切换,以便开始下一个压缩过程。
如图1为现有液压活塞压缩机压缩缸的示意图,压缩缸01中设置双向活塞02,标注“液压油流向”箭头的液压油口接驱动双向活塞02移动的动力驱动液压油系统,在液压油系统的作用下,压缩缸中的两个输送介质腔室压缩行程和吸气行程交替进行,实施天然气的吸气、压缩和输送。双向活塞在如图1所示的液压油接口上标注的液压油流向箭头驱动情况下,沿箭头04方向移动,使得天然气按照“天然气流向”箭头方向输送。所有天然气接口都装有单向阀,只能单向流动,液压油接口的液压油可以双向流动,液压油流向换向后,压缩行程区域与吸气行程区域即可实现互换,保证天然气输送管线上持续压缩输送天然气;位置传感器即行程开关03位于活塞行程极限位置,向控制系统反馈活塞到位信号,控制系统接到信号后,通过换向阀门切换液压油流动方向。上述换向控制系统存在如下缺陷:
1.过度压缩导致浪费能源并存在安全隐患。
由于活塞换向的触发条件只有活塞到位,在此期间的压缩过程中,即使压缩天然气的实际压力已经达到需求值或称为上限值,也要继续压缩直至活塞到位。这样,会出现两方面问题:
其一是,如果在设计过程中考虑了这种压缩过度的情况,则会在压缩天然气出口设置气体减压装置,把超过工艺要求的压力降下来,这种“加压→减压(限制压力)→符合使用要求”的方法无疑会浪费能源;
其二是,如果在设计中没有考虑上述压缩过度的情况,就会导致天然气车辆充气系统中的安全保护系统动作,其中的安全阀、爆破片开始放散过高的压力,这样,不但浪费电能,同时也在浪费天然气资源;另外,如果安全保护系统恰巧故障,则过高的气压有可能直接导致压缩缸、天然气车辆充装设备、天然气车辆储气钢瓶……设备过压爆炸,实在是存在相对较大的安全隐患。
2.传感器易损、增加成本。
如图1所示,整个系统最容易疲劳磨损的部件,除了密封部件之外,就是传感器,如果是机械式位置控制部件,比如:行程开关,在高压环境中反复与活塞碰撞,极大地缩短了行程开关的使用寿命;即使选择非接触式传感器,例如:电磁感应式、光电式……传感器,由于工作压力较高,以及一旦传感器失灵就会与活塞发生碰撞……也会导致传感器的使用寿命大大缩短。
由于大多数传感器行程开关,其本身的机械强度就不是特别高,故此,可以在高压环境承受比较大的安装扭矩(预紧力)的传感器(行程开关),其制造成本都较高。
因此,现有的液压换向系统亟待改进。
发明内容
本发明的目的在于改进现有技术的不足,提供一种能够根据被输送介质和/或动力驱动液压系统的压力进行液压换向的压力自适应液压换向系统。
本发明的目的是这样实现的:
一种压力自适应液压换向系统,用于流体压缩输送的双动式压缩机中活塞换向,其包括动力驱动液压系统,其连接在该双动式压缩机上的驱动所述活塞往复移动的两个液压油口上构成动力驱动液压回路,在该动力驱动液压回路中设置液压泵和换向装置,该换向装置关联一换向控制装置,其特征在于,该换向控制装置包括一压力检测控制装置,该压力检测控制装置可检测所述动力驱动液压回路中的压力,和/或,可检测所述流体压缩输送管线上的输送压力,该压力检测控制装置与所述换向装置相关联,以实现当所述流体压力输送管线上和/或动力驱动液压系统的压力达到设定压力而使活塞换向的目的。
本发明创新性地将通过检测活塞位置到位而启动换向方式改为通过检测输送介质和/或动力驱动液压系统的压力达到设定值而启动换向方式,可以改善现有技术的不足。
所述换向装置为换向阀。
检测压力和通过检测压力实现活塞换向的方案可以是多种多样的,例如,压力检测控制装置可以是机械式装置,也可以是电气式装置。下面是几个优选方案:
优选方案1:所述压力检测控制装置为机械式装置,其包括两个设置在所述动力驱动液压回路和/或流体压缩输送管线的溢流阀,两个该溢流阀的出口分别联通所述换向阀的两个控制端。
优选方案2:所述压力检测控制装置为机械式装置,其包括两个设置在所述动力驱动液压回路和/或流体压缩输送管线上的溢流阀,还包括一先导换向阀,两个该溢流阀的出口分别连接所述先导换向阀的两个控制端,所述先导换向阀的两个通路分别连接所述换向阀的两个控制端。
优选方案3:所述压力检测控制装置为电气式装置,包括一压力传感器和一电气控制装置,所述压力传感器设置在所述动力驱动液压回路中,和/或,设置在所述流体压缩输送管线上,所述换向阀为电磁换向阀,所述压力传感器的信号输出端连接所述电气控制装置的信号输入端,所述电气控制装置的控制执行端连接所述电磁换向阀使之换向。
优选方案4:所述压力检测控制装置为电气式装置,包括一压力传感器和一电气控制装置,所述压力传感器设置在所述动力驱动回路中,和/或,设置在所述流体压缩输送管线上,还包括一先导换向阀,其设置在所述动力驱动液压回路中,该先导换向阀为电磁换向阀,所述压力传感器的信号输出端连接所述电气控制装置的信号输入端,所述电气控制装置的控制执行端连接所述先导换向阀使之换向,所述先导换向阀的两个通路分别连接所述换向阀的两个控制端。
所述电气控制装置可以为一可编程逻辑控制器即PLC也可以是单片机、单板机或计算机。
进一步地,在优选方案1至4的基础上,还可以增加通过活塞位置而控制换向的装置:
优选方案5:在所述压力检测控制装置中还包括一位置传感器,该位置传感器设置在该双动式压缩机的压缩缸中的设定位置上,该位置传感器的信号输出端连接一电气位置控制装置的信号输入端,该电气位置控制装置的信号输出端连接所述换向装置,以实现当所述活塞到达所述位置传感器的对应位置而使活塞换向的目的,而此时换向,所述流体压缩输送管线上的输送压力和/或动力驱动液压系统的压力小于所述设定压力。
通过这样的做法,可以使得本压力自适应液压换向系统的使用更加灵活。
所述位置传感器的设置结构具体可以是,在所述双动式压缩机的输送流体腔内设有用于检测活塞位置的位置传感器,该位置传感器的信号输出端连接电气控制装置的信号输入端,使得当输送介质腔内的活塞位置达到设定位置但该输送介质腔的压力尚未达到设定压力时,所述动力驱动回路上的相应电子阀开启或关闭从而实现活塞换向。
所述压力传感器可以是压电材料压力传感器。
所述位置传感器是行程开关、磁控开关、磁致伸缩传感器、光电传感器或光栅尺。
所述位置传感器为数字量位置传感器,或行程开关、或磁控开关的,安装在活塞指定行程尽头的压缩缸内壁上。
所述位置传感器为模拟量位置传感器,例如磁致伸缩传感器,所述活塞上的中间连杆做成中空,所述位置传感器的相应部分插在连杆里面。
所述位置传感器关联的电气位置控制装置,可以是与所述电气控制装置为一体,也可以是另外单独设置的一个电气控制装置。
所述换向阀可以是一个两位四通或三维四通换向阀。
所述先导换向阀也可以是一个两位四通或三维四通换向阀。
所述换向阀为三位四通换向阀时,非工作状态下,所述动力驱动液压回路对应所述换向阀的截止位置。开始工作,动力驱动液压回路的液压作用或PLC的作用或先导换向阀的作用施加于所述换向阀,使得该换向阀处于一种方向的导通位置;当达到换向条件时,使得该换向阀变换到另一种方向的导通位置。
所述液压泵为单级泵或双级泵。
优选地,所述动力驱动液压回路上液压泵为两个并联构成双级泵,两个液压泵,一个为高压小流量输送泵,另一个为低压大流量输送泵,构成高压小流量输送和低压大流量输送的双级输送油路,其中低压输送油路通过一压力调节阀连接一通向油箱的支路,在该支路上设置一压力调节阀。
在上述优选方案1至4中,该压力调节阀与所述压力检测控制装置关联,使得当所述动力驱动液压回路的压力与所述设定压力相差一个事先规定的数值时,该压力调节阀开通。在上述优选方案5中,该压力调节阀与所述电气位置控制装置关联。
设置两个液压泵和压力调节阀,就可以使得当动力驱动液压回路达到低压大流量液压泵的输出压力的时候,压力调节阀即打开,低压大流量液压泵卸荷,单独依靠高压小流量液压泵维持动力驱动液压回路中的压力,而当动力驱动液压回路低于低压大流量液压泵的输出压力时,该压力调节阀关闭,恢复两个液压泵一起输送液压油的状态。
本发明提供的压力自适应液压换向系统,一改通过双动式压缩机内活塞位置控制活塞换向的方式,用监控输送介质的压力实现活塞换向,使得压缩缸中的双向活塞的换向与输送介质的设定压力相关联,而以实际的系统压力作为换向的依据,现有技术中之所以通常采用位置控制活塞换向,而不采用压力控制,一方面存在技术偏见,现有技术中一般认为活塞位置控制其换向比较可靠,而压力波动较大,通过压力控制活塞换向不稳定,所以,宁可采用位置控制活塞换向而出现过压缩再降低压力,也不采用压力控制换向。本发明克服了这一技术偏见,采用动力驱动液压回路或流体输送管线上的压力控制活塞换向,取得了很好的效果,可以最大程度避免系统超压和能源浪费。另一方面,本发明进一步地,在压力检测控制装置中使用了先导换向阀,当使用溢流阀或压力传感器检测出动力驱动液压回路或流体输送管线上的压力达到设定压力后,通过液压系统管线即机械式装置或通过电气式装置作用于先导换向阀,再通过先导换向阀作用换向阀,这样的设计可以使得换向系统的换向更加稳定可靠。
下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中天然气压缩机中压缩缸的结构示意图。
图2为本发明提供的压力自适应液压换向系统的第一实施例的结构示意图,其是动力驱动液压回路中包含溢流阀、先导换向阀及换向阀的机械式装置。
图3为本发明提供的压力自适应液压换向系统的第二实施例的结构示意图,其与图2的区别在于溢流阀设置在流体输送管线上,而非在动力驱动液压回路上。
图4为本发明提供的压力自适应液压换向系统的第三实施例的结构示意图,其与图2的区别是动力驱动液压回路中包含溢流阀和换向阀。
图5为本发明提供的压力自适应液压换向系统的第四实施例的结构示意图,其是动力驱动液压回路中包含先导换向阀及换向阀、在流体输送管线上设置压力传感器与先导换向阀关联的电气式装置。
图6为本发明提供的压力自适应液压换向系统的第五实施例的结构示意图,其与图5的区别是压力传感器设置在动力驱动液压回路上。
图7为本发明提供的压力自适应液压换向系统的第六实施例的结构示意图,其与图5的区别是在动力驱动液压回路中只包括换向阀。
图8为本发明提供的压力自适应液压换向系统的第七实施例的结构示意图,其与图7的区别是在动力驱动液压回路上设置压力传感器与换向阀关联。
具体实施方式
如图2所示,本发明提供的压力自适应液压换向系统的第一实施例,用于双动式压缩机,其包括一压缩缸1,其中设置间壁11和间壁12将压缩缸分成三个空间,两端的空间为流体压缩输送腔100和流体压缩输送腔300,中间的空间为动力驱动液压油腔,在每个流体压缩输送腔的两端分别设置一工艺气入口和工艺气出口,在各个工艺气入口和工艺气出口上设置单向阀CV-1至CV-8,各个工艺气入口CV-1、CV-3、CV-5、CV-7通过管路连接工艺气总入口管400,各个工艺气出口CV-2、CV-4、CV-6、CV-8通过管路连接工艺气总出口管500。在该动力驱动液压油腔侧壁上设置进出油口14和进出油口15。一双动活塞2的活塞杆20穿过该间壁11和间壁12,该活塞杆20的两端各设置一活塞21和活塞22,活塞21和活塞22分别设置在流体压缩输送腔100和300中,活塞杆上还设有一中间活塞23,其设置在动力驱动液压油腔中,与侧壁密封,将动力驱动液压油腔分为腔室201和腔室202,进出油口14和进出油口15分别对应于腔室201和腔室202。该输送腔100和输送腔300中的两对工艺气入口和出口分别位于该输送腔中活塞的两侧。
本发明提供的压力自适应液压换向系统包括动力驱动液压系统,其连接在该双动式压缩机上压缩缸1的驱动所述活塞往复移动的两个进出油口14和15上构成动力驱动液压回路,在该动力驱动液压回路中设置液压泵和换向装置,该换向装置关联一压力检测控制装置。
图2为实施例1,其中的压力检测控制装置包括在动力驱动液压回路中设置的溢流阀PS1和溢流阀PS2及先导换向阀3,该先导换向阀3为一二位四通换向阀;换向装置为换向阀4,其为一三位四通换向阀。液压泵由液压泵P1和液压泵P2组成,其安装在一个电机M的输出轴上。液压泵P1为低压大流量液压泵,液压泵P2为高压小流量液压泵。
溢流阀PS1的进油口连接进出油口14上的管路上,溢流阀PS2的进油口连接进出油口15,两个溢流阀的出油口分别连接先导换向阀3的两个控制端(虚线),先导换向阀3的两条油路分别连接换向阀4的两个控制端(虚线),换向阀4的两条油路与压缩缸1的两个进出油口14和15的管路连接。图中的动力驱动液压回路中,虚线表示控制油路。
图2所示的压力自适应液压换向系统的工作过程是:在未工作状态,换向阀4处于截止状态。开始工作,启动电机M,液压泵P1和液压泵P2同时启动,将液压油箱B中的液压油通过管路同时输送给先导换向阀3和换向阀4,先导换向阀3导通,作用换向阀4的右侧控制端,令换向阀4导通,液压油由压缩缸1的进出油口15进入液压油腔202,推动活塞向左移动,压缩缸1的液压油腔201中的液压油由进出油口14排出压缩缸1通过换向阀4的通道返回油箱B。随着活塞左移,压力逐渐提高,当达到设定压力,溢流阀PS2的出油口排油作用先导换向阀的左边的控制端,导致先导换向阀3的出油方向改变,出油作用换向阀的右侧控制端,使得换向阀4换向。
连接压缩缸的动力驱动液压油腔空间的动力液压驱动回路上连接两个液压泵,构成其上设置高压液压泵2的高压小流量输送油路和其上设置低压液压泵1的低压大流量输送的双级输送油路,两个液压泵同轴连接电机M。其中低压大流量输送油路通过一压力调节阀连接一通向油箱的支路,使得当所述动力驱动回路的压力达到一小于压缩缸加压输送介质的输送压力设计值即设定压力的预设压力值时,该压力调节阀开通。也就是,当动力驱动回路的压力接近设定压力时,就从两个液压泵一起向压缩缸输入液压油变为有一个高压小流量的液压泵2单独输入液压油。
本压力自适应液压换向系统中的设定压力可以通过调节溢流阀上的导阀弹簧方便地调整。
此系统进一步的独到之处在于如下两个部分:
1.采用液压双联泵系统,即一台电动机M带动连在同一轴上的两个液压泵:低压液压泵P1、高压液压泵P2,区分高、低压运行工况:
在低压运行阶段,动力驱动液压系统工作效率的主要决定性因素是流量而不是最高压力,此时双联泵高、低压液压泵同时向压缩缸输送液压油保证液压油流量;当系统压力达到切换预置压力点即预置值(系统压力达到一定值)略低于设定压力时,驱动液压系统对液压油流量的需求明显减小,此时,不输送液压油的低压大流量液压泵输出回路通过设置的压力调节阀作用,被直接切入液压油箱B,卸除低压泵负载即成为空转状态,单由高压液压泵P2将压缩缸压力推升至需求压力值即设定压力。
采用双联泵的优点是,在系统处于低压运行状态时,高、低压泵同时工作加快压缩过程,当压力达到预置值时,低压泵空载,高压泵单独工作,由于即能提供高流量又能提供高压力的高压液压泵造价昂贵,故此采用高、低压液压泵协同工作的双联泵能够在满足工况需求的前提下最大限度降低系统造价。在双级泵系统中,低压泵始终处于低压大流量工作状态,高压泵始终处于高压小流量工作状态,最大限度地降低液压泵所承担的负荷,延长系统使有效用寿命,继而可以最大限度降低运行维护成本。
2.采用弹簧溢流阀代替传感器或行程开关。
弹簧式溢流阀本身与传感器相比较而言,由于溢流阀本身就是直接作用于液压回路的部件,可以直接驱动换向阀,无论是性价比还是可靠性都更高;而位置传感器或行程开关需要先把活塞位置信息转换为电信号,传递至控制系统,再由控制系统驱动换向阀,所涉及的不只是液压系统及部件,还要涉及电气部件、电缆连接、控制系统……诸多不同部件,系统结构复杂、部件多,可靠性和性价比相对较低。
弹簧式溢流阀作为液压部件在高压液压回路中的使用寿命更长、安装更便捷、可靠;而位置传感器或行程开关与弹簧式溢流阀相比属于易损部件,寿命短、需要专门设计安装部位,可靠性低,容易发生泄漏。
只要按照压缩天然气压力需求,将压力值换算成溢流阀的先导式安全阀的导阀弹簧预应力,并预置入溢流阀,整个驱动液压系统和控制液压系统就能够自动循环往复运转,通过内部压力自平衡比较环节实现,压力输出持续可靠,不会超出允许范围、不受天然气入口压力、温度……外界干扰影响,而依靠位置传感器或行程开关的控制,系统在设计时必须考虑外部环境变化、出口压力超范围、电磁兼容性……诸多因素,无法实现智能化自适应。
在压力检测控制装置中,同时使用先导换向式的溢流阀和控制换向阀,比单使用两个先导溢流阀,会使得换向液压油更加平稳。
图2所示的实施例中,溢流阀PS1和溢流阀PS2设置在动力驱动液压回路中。两个溢流阀也可以设置在流体压缩输送管线上,如图3所示的第二实施例。
在上面图3的实施例2基础上,还可以简化,去除先导换向阀,如图4所示的第三实施例,直接通过溢流阀PS1和溢流阀PS2连接二位四通换向阀4-1的两个控制端,实现靠输送介质设定压力来进行活塞换向。当然,图2所示的实施例中,也可以将先导换向阀3取消,让溢流阀PS1和溢流阀PS2连接二位四通换向阀4。
另外,检测压力还可以通过压力传感器,即压力检测控制装置采用电气式控制装置。如图5所示的第四实施例,实施例4与实施例2(图3)的区别就在于,将溢流阀PS1和溢流阀PS2替换成压力传感器PT01和压力传感器PT02,相应地,将先导式换向阀3替换成电磁式换向阀3’。
当然,压力传感器PT01和压力传感器PT02也可以设置在动力驱动液压回路中,如图6所示的第五实施例。
同样地,采用压力传感器的应用,也可以做去除先导换向阀的简化,如图7所示的第六实施例以及如图8所示的第七实施例。在上述几个通过压力传感器控制的实施例中,该换向阀的两个控制端连接一可编程逻辑控制器即PLC,与在所述双动式压缩机的两个输送介质的腔室或者动力驱动液压回路内设置压力传感器之间构成信号连接关系。所述压力传感器的信号输出端连接所述PLC的信号输入端,所述PLC的信号输出端连接相应的所述电磁先导换向阀或电磁换向阀的所述控制端。
在上述图2至图8所示的各实施例基础上,还可以添加位置传感器,用于控制活塞换向。
在所述双动式压缩机的输送流体腔内还设有用于检测活塞位置的位置传感器,
该位置传感器设置在该双动式压缩机的压缩缸中的设定位置上,该位置传感器的信号输出端连接一PLC的信号输入端,该PLC的信号输出端连接所述换向装置,以实现当所述活塞到达所述位置传感器的对应位置而使活塞换向的目的,而此时换向时,所述流体压缩输送管线上的输送压力小于所述设定压力。
该位置传感器的信号输出端连接所述PLC的信号输入端,使得当输送介质腔内的活塞位置达到设定位置但该输送介质腔的压力尚未达到设定压力时,所述动力驱动液压回路上的相应电磁式换向阀或先导换向阀开启或关闭从而实现活塞换向。
所述位置传感器是行程开关、磁控开关、磁致伸缩传感器、光电传感器或光栅尺。
这种既设置压力传感器又设置位置传感器的方案,可以在当背压没有达到设定压力时及时让活塞换向,适应实际应用中输送介质压力多变的情形。压力传感器设定了一个基本换向压力。当使用中输送介质管线上的压力尚未达到该设定压力时,活塞运行到行程尽头时但输送介质压力比预设压力小时,可以通过位置传感器控制活塞在运动到其行程终点时又没有达到设定压力的时候进行换向。
使用位置传感器时分为两种情况:
1.数字量位置传感器安装在活塞指定行程尽头的压缩缸内壁上;
2.使用模拟量位置传感器的,需要将活塞杆20做成中空的,把磁致伸缩传感器的相应部分插在活塞杆20里面,如此,可以实时测量传感器与活塞杆20即活塞之间的相对距离。关于磁致伸缩传感器的应用为现有技术,在此不赘述。