CN105697475B - 一种高位出钢机的势能回收再利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高位出钢机的势能回收再利用系统及方法，属于电液控制领域。本发明系统具有两台蓄能器，两台蓄能器的油口开关分别由两台二位二通电磁换向阀控制，高位出钢机的L形钩由液压缸驱动，L形钩托着钢坯下降时，钢坯的高位势能转换为液压能大部分储存进两台蓄能器内，当L形钩空载上升和托着钢坯带载上升时，两台蓄能器分别通过二位二通电磁换向阀分阶段将储存的势能释放出去，减少液压泵排油口和吸油口之间的压差，降低电动机输出能耗，实现节能；而且可有效降低工作过程中液压油的温度，减少因油温升高造成的泄漏。

Description

一种高位出钢机的势能回收再利用系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高位出钢机的势能回收再利用系统及方法，属于电液控制领域。

背景技术

高位出钢机用于钢铁企业中板、中厚板加热炉出钢，采用梁式起重机与叉车相组合并配有一些特殊结构，水平运动由电动机通过减速器驱动小车实现。上下运动由液压缸驱动L形钩控制，取坯机构采用L形钩，完成钢坯的托起与放下。工作过程为，步进机构将钢坯运送到指定位置，炉门打开，出钢机小车带动L形钩水平前移，L形钩头部插入钢坯下面，液压缸驱动L形钩慢速上升50~100mm，钢坯被托起，小车带动L形钩及钢坯退至炉前辊道上方，炉门关闭，液压缸驱动L形钩稳速下降，将钢坯放在炉前辊道上，辊道转动，将钢坯运走，液压缸驱动L形钩上升至原始位置，完成一个工作循环。

由于加热炉出钢口和炉前辊道相对高度一般在1.2~1.8米，当液压缸驱动L形钩空载上升时，由液压泵提供液压能量；当L形钩拖着钢坯下降时，靠钢坯及形钩机构的自重驱动，为控制下降速度，在液压缸无杆腔回油管路上装有节流阀，提供背压，钢坯、L形钩机构的势能变成热能消耗在液压油中，致使液压油温度上升。不仅浪费能源，而且由于油温升高，增大了泄漏几率。

发明内容

本发明旨在提供一种高位出钢机的势能回收再利用系统及方法，是一种新的具有势能回收功能的高位出钢机液压系统，采用两台蓄能器，回收的能量分别储存进两台蓄能器中，当L形钩机构空载和带载上升时，两台蓄能器内储存的势能再分别释放出来，节约能源，降低油温，减少事故率，减少装机费用。

本发明提供了一种高位出钢机的势能回收再利用系统，包括液压缸、第一可调节流阀、第二可调节流阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第五单向阀、三位四通电磁换向阀、液压泵、三相异步电动机、溢流阀、第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第三二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀、第一蓄能器、第二蓄能器、第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器、控制器、变频器；

其连接方式如下：液压泵出油口与第三单向阀进油口连接；第三单向阀出油口、溢流阀P口及三位四通电磁换向阀P口连接；三位四通电磁换向阀A口、第二可调节流阀进油口及第二单向阀出油口连接；第二可调节流阀出油口、第二单向阀进油口、第一可调节流阀出油口及第一单向阀进油口连接；第一可调节流阀进油口、第一单向阀出油口及液压缸无杆腔通过管路连接；液压缸有杆腔与三位四通电磁换向阀B口通过管路连接；三位四通电磁换向阀T口、第五单向阀进油口及第二二位二通电磁换向阀P口连接；第二二位二通电磁换向阀T口通过管路与油箱连接；第五单向阀出油口、第一二位二通电磁换向阀P口、第三二位二通电磁换向阀P口及第四二位二通电磁换向阀P口连接；第三二位二通电磁换向阀T口通过管路与第一蓄能器液压油口连接；第四二位二通电磁换向阀T口通过管路与第二蓄能器液压油口连接；第一二位二通电磁换向阀T口、第四单向阀出油口通过管路与液压泵吸油口连接；第四单向阀进油口、溢流阀T口通过管路与油箱连接；第一压力传感器安装在第三二位二通电磁换向阀T口和第一蓄能器之间的连接管路上；第二压力传感器安装在第四二位二通电磁换向阀T口和第二蓄能器之间的连接管路上；位移传感器安装在液压缸活塞杆端部；位移传感器、第一压力传感器、第二压力传感器信号端通过导线与控制器连接；三位四通电磁换向阀电磁铁及第一、第二、第三、第四二位二通电磁换向阀电磁铁通过导线与控制器连接。

系统具有两台蓄能器，通过分阶段控制第三二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀分别控制第一蓄能器、第二蓄能器油口的导通和关闭，使两台蓄能器按照工况需求分阶段吸收和释放液压能。

上述电液控制系统，所述液压泵为电子控制的变排量液压泵或定量液压泵。

上述电液控制系统，所述三相异步电动机为可变频调速的普通三相异步电动机，在出钢机等待阶段或平移钢坯时，转速为零。

上述电液控制系统，所述第一蓄能器和第二蓄能器为皮囊式蓄能器或活塞式蓄能器。两台蓄能器具有不同的初始容积和充气压力，其值根据液压缸两腔容积、L形钩空载上升行程、带载上升行程及上升速度设定。

本发明提供了上述高位出钢机的电液控制系统的控制方法，包括L形钩空载上升阶段、L形钩托举钢坯上升阶段、L形钩带载下降阶段：

（1）在L形钩带载下降阶段，通过分阶段接通两台蓄能器，充分回收高位势能，从而避免了高压油直接通过节流口回油箱产生的节流损失和由此引起的油液发热；具体操作过程如下：

当L形钩托着钢坯下降时，三位四通电磁换向阀右位得电导通，第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀失电关闭，第三二位二通电磁换向阀得电导通，液压缸无杆腔内的液压油通过第五单向阀及第三二位二通电磁换向阀向第一蓄能器充液；当第一蓄能器压力达到设定压力时，第三二位二通电磁换向阀失电关闭，第四二位二通电磁换向阀得电导通，高压油通过第五单向阀及第四二位二通电磁换向阀向第二蓄能器充液，当第二蓄能器也达到设定压力时，第二二位二通电磁换向阀得电导通，多余液压油排回油箱，钢坯下降速度通过调节第一可调节流阀控制；

（2）在L形钩空载上升阶段，控制第一二位二通电磁换向阀、第三二位二通电磁换向阀及第二二位二通电磁换向阀得电导通，使第一蓄能器和液压泵吸油口接通，释放储存的能量，驱动液压缸活塞杆伸出；具体操作如下：

控制三位四通电磁换向阀左位得电导通，第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第三二位二通电磁换向阀得电导通，第一蓄能器中储存的高压液压油作为液压油源通过液压泵向液压缸无杆腔供油，由于两端存在压差，第四单向阀关闭；液压缸有杆腔油液通过三位四通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀回油箱，由于两端压差存在，第五单向阀关闭；液压缸驱动L形钩构件上升，上升速度通过第二可调节流阀控制，当上升到炉门指定高度时，第一蓄能器中储存的势能刚好释放完，恢复初始设定参数，第三二位二通电磁换向阀失电关闭，三位四通电磁换向阀失电中位关闭，L形钩构件高度固定，为出钢做好准备；通过第二可调节流阀控制上升速度；

（3）在L形钩托举钢坯上升阶段，控制第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀和第四二位二通电磁换向阀得电导通，使第二蓄能器和液压泵吸油口接通；具体操作过程如下：

当炉门打开，L形钩在出钢机小车驱动下进入炉内，插入钢坯下，控制三位四通电磁换向阀左位得电导通，第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀得电导通，第二蓄能器中储存的高压液压油作为液压油源通过液压泵向液压缸无杆腔供油，由于两端存在压差，第四单向阀关闭；液压缸有杆腔油液通过三位四通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀回油箱，由于两端压差存在，第五单向阀关闭；液压缸驱动L形钩构件托着钢坯上升，上升速度通过第二可调节流阀控制，当上升到设定高度时，第二蓄能器中储存的势能刚好释放完，第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀失电关闭，三位四通电磁换向阀失电中位关闭，L形钩构件高度固定，L形钩托着钢坯在出钢机小车驱动下退出加热炉至炉前辊上方，准备下放钢坯，一个工作循环完成。

本发明采用两台蓄能器吸收和释放高位势能，主要是针对高位出钢机的运动阶段及蓄能器的特性确定的，其运动分为空载上升、带载上升及带载下降三个阶段，三个阶段的运动速度要求不同。蓄能器在释放能量时，其状态参数变化呈双曲线形状，开始时压力高，结束时压力低，若采用一台蓄能器，必然造成空载上升阶段释放的压力大，而带载上升阶段释放的压力低的缺陷。本发明为稳定上升速度，采用两台蓄能器。利用两台蓄能器回收高位出钢机L形钩带载下降时的势能，两台蓄能器回收的能量分别释放于L形钩空载及带载上升阶段，不仅实现了节能，而且可有效降低工作过程中液压油的温度，减少因油温升高造成的泄漏。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过释放蓄能器中储存的液压能减少液压泵出油口和吸油口的压差，降低电动机输出能耗，实现节能，而且因减少节流损失，从而降低了因油温升高造成的事故率。

（2）与现有用于其他装备（如液压挖掘机、装载机等）中用一台蓄能器回收高位势能的电液系统相比，本发明的最大优势是采用两台蓄能器回收高位势能，分别在L形钩空载上升阶段和带载上升阶段释放能量，减小了因蓄能器释放能量时压力先大后小的缺陷造成的系统压力不稳定，使两上升阶段的运动更加平稳，更能适应高位出钢机的工况。

附图说明

图1为高位出钢机的电液控制系统图。

图中：1为液压缸、2-1为第一可调节流阀、2-2为第二可调节流阀、3-1为第一单向阀、3-2为第二单向阀、3-3为第三单向阀、3-4为第四单向阀、3-5为第五单向阀、4为三位四通电磁换向阀、5为液压泵、6为三相异步电动机、7为溢流阀、8-1为第一二位二通电磁换向阀、8-2为第二二位二通电磁换向阀、8-3为第三二位二通电磁换向阀、8-4为第四二位二通电磁换向阀、9-1为第一蓄能器、9-2为第二蓄能器、10-1为第一压力传感器、10-2为第二压力传感器、11为位移传感器、12为控制器、13为变频器。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1所示，一种高位出钢机的势能回收再利用系统，包括液压缸1、第一可调节流阀2-1、第二可调节流阀2-2、第一单向阀3-1、第二单向阀3-2、第三单向阀3-3、第四单向阀3-4、第五单向阀3-5、三位四通电磁换向阀4、液压泵5、三相异步电动机6、溢流阀7、第一二位二通电磁换向阀8-1、第二二位二通电磁换向阀8-2、第三二位二通电磁换向阀8-3、第四二位二通电磁换向阀8-4、第一蓄能器9-1、第二蓄能器9-2、第一压力传感器10-1、第二压力传感器10-2、位移传感器11、控制器12、变频器13；

其连接方式如下：液压泵5出油口与第三单向阀3-3进油口连接；第三单向阀3-3出油口、溢流阀P口及三位四通电磁换向阀4 的P口连接；三位四通电磁换向阀4 的A口、第二可调节流阀2-2进油口及第二单向阀3-2出油口连接；第二可调节流阀2-2出油口、第二单向阀3-2进油口、第一可调节流阀2-1出油口及第一单向阀3-1进油口连接；第一可调节流阀2-1进油口、第一单向阀3-1出油口及液压缸1无杆腔通过管路连接；液压缸1有杆腔与三位四通电磁换向阀4的B口通过管路连接；三位四通电磁换向阀4的T口、第五单向阀3-5进油口及第二二位二通电磁换向阀8-2的P口连接；第二二位二通电磁换向阀8-2的T口通过管路与油箱连接；第五单向阀3-5的出油口、第一二位二通电磁换向阀8-1的P口、第三二位二通电磁换向阀8-3的P口及第四二位二通电磁换向阀8-4的P口连接；第三二位二通电磁换向阀8-3的T口通过管路与第一蓄能器9-1液压油口连接；第四二位二通电磁换向阀8-4的T口通过管路与第二蓄能器9-2液压油口连接；第一二位二通电磁换向阀8-1的T口、第四单向阀3-4出油口通过管路与液压泵5吸油口连接；第四单向阀3-4进油口、溢流阀7的T口通过管路与油箱连接；第一压力传感器10-1安装在第三二位二通电磁换向阀8-3的T口和第一蓄能器9-1之间的连接管路上；第二压力传感器10-2安装在第四二位二通电磁换向阀8-4的T口和第二蓄能器9-2之间的连接管路上；位移传感器11安装在液压缸1活塞杆端部；位移传感器11、第一压力传感器10-1、第二压力传感器10-2信号端通过导线与控制器12连接；三位四通电磁换向阀4的电磁铁及第一、第二、第三、第四二位二通电磁换向阀的电磁铁通过导线与控制器12连接。

本发明采用两台蓄能器吸收和释放高位势能，主要是针对高位出钢机的运动阶段及蓄能器的特性确定的，其运动分为空载上升、带载上升及带载下降三个阶段，具体阐述如下：

带载下降：当L形钩托着钢坯下降时，三位四通电磁换向阀4右位得电导通，第一二位二通电磁换向阀8-1、第二二位二通电磁换向阀8-2、第四二位二通电磁换向阀8-4失电关闭，第三二位二通电磁换向阀8-3得电导通，液压缸1无杆腔内的液压油通过第一可调节流阀2-1、第二单向阀3-2、三位四通电磁换向阀4、第五单向阀3-5及第三二位二通电磁换向阀8-3向第一蓄能器9-1充液；当第一蓄能器9-1压力达到设定压力时，第三二位二通电磁换向阀8-3失电关闭，第四二位二通电磁换向阀8-4得电导通，高压油通过第一可调节流阀2-1、第二单向阀3-2、三位四通电磁换向阀4、第五单向阀3-5及第四二位二通电磁换向阀8-4向第二蓄能器9-2充液，当第二蓄能器9-2也达到设定压力时，第四二位二通电磁换向阀8-4失电关闭，第二二位二通电磁换向阀8-2右位打开，多余液压油排回油箱，钢坯下降速度通过调节第一可调节流阀2-1控制；这样，L形钩构件及钢坯的势能转换为液压能大部分储存进蓄能器内。当出钢机将钢坯放到炉前辊上后，炉前辊转动，将钢坯运走。

空载上升：控制三位四通电磁换向阀4左位得电导通，第一二位二通电磁换向阀8-1、第二二位二通电磁换向阀8-2、第三二位二通电磁换向阀8-3得电导通，第一蓄能器9-1通过第一二位二通电磁换向阀8-1、第三二位二通电磁换向阀8-3与液压泵5的吸油口联通，减少液压泵5的出油口和吸油口之间的压差，液压泵5通过三位四通电磁换向阀4、第二可调节流阀2-2、第一单向阀3-1向液压缸1的无杆腔供油，液压缸1的有杆腔油液通过三位四通电磁换向阀4和第二二位二通电磁换向阀8-2回油箱，由于两端压差存在，第五单向阀3-5关闭；液压缸1驱动L形钩构件上升，上升速度通过调节第一可调节流阀2-2控制，当上升到炉门指定高度时，第一蓄能器9-1中储存的势能刚好释放完，恢复初始设定参数，第三二位二通电磁换向阀8-3失电关闭，三位四通电磁换向阀4失电中位关闭，L形钩构件高度固定，为出钢做好准备。

带载上升：当炉门打开，L形钩在出钢机小车驱动下进入炉内，插入钢坯下，控制三位四通电磁换向阀4左位得电导通，第一二位二通电磁换向阀8-1、第二二位二通电磁换向阀8-2、第四二位二通电磁换向阀8-4得电导通，第二蓄能器9-2通过第四二位二通电磁换向阀8-4、第一二位二通电磁换向阀8-1与液压泵5的吸油口联通，减少液压泵5的出油口和吸油口之间的压差，液压泵5通过三位四通电磁换向阀4、第二可调节流阀2-2、第一单向阀3-1向液压缸1无杆腔供油，液压缸1有杆腔油液通过三位四通电磁换向阀4和第二二位二通电磁换向阀8-2回油箱，由于两端压差存在，第五单向阀3-5关闭；液压缸1驱动L形钩构件托着钢坯上升，上升速度通过调节第二可调节流阀2-2控制，当上升到设定高度时，第二蓄能器9-2中储存的势能刚好释放完，第一二位二通电磁换向阀8-1、第二二位二通电磁换向阀8-2、第四二位二通电磁换向阀8-4失电关闭，三位四通电磁换向阀4失电中位关闭，L形钩构件高度固定，L形钩托着钢坯在出钢机小车驱动下退出加热炉至炉前辊上方，准备下放钢坯，一个工作循环完成。

Claims (5)

1.一种高位出钢机的势能回收再利用系统，其特征在于：包括液压缸、第一可调节流阀、第二可调节流阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第五单向阀、三位四通电磁换向阀、液压泵、三相异步电动机、溢流阀、第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第三二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀、第一蓄能器、第二蓄能器、第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器、控制器、变频器；

所述液压泵出油口与第三单向阀进油口连接；第三单向阀出油口、溢流阀P口及三位四通电磁换向阀P口连接；三位四通电磁换向阀A口、第二可调节流阀进油口及第二单向阀出油口连接；第二可调节流阀出油口、第二单向阀进油口、第一可调节流阀出油口及第一单向阀进油口连接；第一可调节流阀进油口、第一单向阀出油口及液压缸无杆腔通过管路连接；液压缸有杆腔与三位四通电磁换向阀B口通过管路连接；三位四通电磁换向阀T口、第五单向阀进油口及第二二位二通电磁换向阀P口连接；第二二位二通电磁换向阀T口通过管路与油箱连接；第五单向阀出油口、第一二位二通电磁换向阀P口、第三二位二通电磁换向阀P口及第四二位二通电磁换向阀P口连接；第三二位二通电磁换向阀T口通过管路与第一蓄能器液压油口连接；第四二位二通电磁换向阀T口通过管路与第二蓄能器液压油口连接；第一二位二通电磁换向阀T口、第四单向阀出油口通过管路与液压泵吸油口连接；第四单向阀进油口、溢流阀T口通过管路与油箱连接；第一压力传感器安装在第三二位二通电磁换向阀T口和第一蓄能器之间的连接管路上；第二压力传感器安装在第四二位二通电磁换向阀T口和第二蓄能器之间的连接管路上；位移传感器安装在液压缸活塞杆端部；位移传感器、第一压力传感器、第二压力传感器信号端通过导线与控制器连接；三位四通电磁换向阀电磁铁及第一、第二、第三、第四二位二通电磁换向阀电磁铁通过导线与控制器连接；

所述第一蓄能器和第二蓄能器为皮囊式蓄能器或活塞式蓄能器；两台蓄能器具有不同的初始容积和充气压力，初始容积和充气压力的值根据液压缸两腔容积、L形钩空载上升行程、带载上升行程及上升速度设定。

2.根据权利要求1所述的高位出钢机的势能回收再利用系统，其特征在于：所述液压泵为电子控制的变排量液压泵或定量液压泵。

3.根据权利要求1所述的高位出钢机的势能回收再利用系统，其特征在于：所述三相异步电动机为可变频调速的普通三相异步电动机，在出钢机等待阶段或平移钢坯时，转速为零。

4.一种高位出钢机的势能回收再利用方法，采用权利要求1~3任一项所述的高位出钢机的势能回收再利用系统，其特征在于：通过分阶段控制第三二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀分别控制第一蓄能器、第二蓄能器油口的导通和关闭，使两台蓄能器按照工况需求分阶段吸收和释放液压能，实现L形钩空载上升阶段、L形钩托举钢坯上升阶段、L形钩带载下降阶段。

5.根据权利要求4所述的高位出钢机的势能回收再利用方法，其特征在于：包括以下过程：

（1）在L形钩带载下降阶段，通过分阶段接通两台蓄能器，充分回收高位势能，从而避免了高压油直接通过节流口回油箱产生的节流损失和由此引起的油液发热；具体操作过程如下：

当L形钩托着钢坯下降时，三位四通电磁换向阀右位得电导通，第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀失电关闭，第三二位二通电磁换向阀得电导通，液压缸无杆腔内的液压油通过第五单向阀及第三二位二通电磁换向阀向第一蓄能器充液；当第一蓄能器压力达到设定压力时，第三二位二通电磁换向阀失电关闭，第四二位二通电磁换向阀得电导通，高压油通过第五单向阀及第四二位二通电磁换向阀向第二蓄能器充液，当第二蓄能器也达到设定压力时，第二二位二通电磁换向阀得电导通，多余液压油排回油箱，钢坯下降速度通过调节第一可调节流阀控制；

（2）在L形钩空载上升阶段，控制第一二位二通电磁换向阀、第三二位二通电磁换向阀及第二二位二通电磁换向阀得电导通，使第一蓄能器和液压泵吸油口接通，释放储存的能量，驱动液压缸活塞杆伸出；具体操作如下：

控制三位四通电磁换向阀左位得电导通，第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第三二位二通电磁换向阀得电导通，第一蓄能器中储存的高压液压油作为液压油源通过液压泵向液压缸无杆腔供油，由于两端存在压差，第四单向阀关闭；液压缸有杆腔油液通过三位四通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀回油箱，由于两端压差存在，第五单向阀关闭；液压缸驱动L形钩构件上升，上升速度通过第二可调节流阀控制，当上升到炉门指定高度时，第一蓄能器中储存的势能刚好释放完，恢复初始设定参数，第三二位二通电磁换向阀失电关闭，三位四通电磁换向阀失电中位关闭，L形钩构件高度固定，为出钢做好准备；通过第二可调节流阀控制上升速度；

（3）在L形钩托举钢坯上升阶段，控制第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀和第四二位二通电磁换向阀得电导通，使第二蓄能器和液压泵吸油口接通；具体操作过程如下：

当炉门打开，L形钩在出钢机小车驱动下进入炉内，插入钢坯下，控制三位四通电磁换向阀左位得电导通，第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀得电导通，第二蓄能器中储存的高压液压油作为液压油源通过液压泵向液压缸无杆腔供油，由于两端存在压差，第四单向阀关闭；液压缸有杆腔油液通过三位四通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀回油箱，由于两端压差存在，第五单向阀关闭；液压缸驱动L形钩构件托着钢坯上升，上升速度通过第二可调节流阀控制，当上升到设定高度时，第二蓄能器中储存的势能刚好释放完，第一二位二通电磁换向阀、第二二位二通电磁换向阀、第四二位二通电磁换向阀失电关闭，三位四通电磁换向阀失电中位关闭，L形钩构件高度固定，L形钩托着钢坯在出钢机小车驱动下退出加热炉至炉前辊上方，准备下放钢坯，一个工作循环完成。