CN106884824B - 一种变压节能三通比例流量换向器 - Google Patents

一种变压节能三通比例流量换向器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变压节能三通比例流量换向器，包括液压变压器、配流盘转角油缸、转角控制阀和液动比例换向阀；液压变压器的PA口接系统供油，PB口接液动比例换向阀的A口，PT口接油箱，液压变压器的配流盘转角机构由配流盘转角油缸控制；液动比例换向阀为三位四通阀，B口接负载油缸的活塞腔，负载油缸的活塞杆腔接系统供油，C口和D口分别通过节流通路接转角控制阀的两个控制油口；转角控制阀为三位四通比例伺服阀，E口和F口分别接配流盘转角油缸的两个控制油口，G口接油箱，H口接系统供油。本发明的变压节能三通比例流量换向器在阀口压差很小的条件下，既能实现比例调速控制，又能回收负负载的机械能。

Description

一种变压节能三通比例流量换向器
技术领域
本发明涉及一种变压节能三通比例流量换向器，属于液压传动与控制技术。
背景技术
现在液压工程机械一般用手动先导阀来控制比例换向阀，再由比例换向阀控制负载的换向和速度。如果系统供液压力比负载压力大得多，油液经比例换向阀节流掉很大的压力，产生很大的功率损失，系统的效率很低，而且引起油液温度的升高，必须配备较大功率的散热设备把油液温度降低到系统要求的范围，这样又增加功率的消耗。
再者由于负载压力和系统压力随负载工况变化，尽管比例换向阀控制信号和阀芯位移不变，比例换向阀节流口的压差还是在变，比例换向阀输出的流量在变，被控负载的速度也在变，这样使得设备的操纵性差，特别是多个负载同时动作时，一人操作多个控制手柄，很难协调好负载之间的速度关系，造成设备动作不准确，甚至发生事故。为此需要配置压力补偿器，节流掉多余的压力，保持比例换向阀阀口压力恒定，但这又增加了发热。
发明内容
发明目的：现在的阀控液压系统，通过节流调节负载速度，把液压能转化为热能浪费掉了，使得液压油温度升高，为了防止油液因过热而老化，还需要增设降温设备，降温设备也会浪费能源。为此，本发明为工程机械液压系统设计一种变压节能三通比例流量换向器，通过变压使得供液压力与负载相适应，并能保证比例换向阀阀口压差不变，不需要压力补偿器，也能控制负载的速度稳定，设备操纵性好。使用这种比例流量换向器大大减小了液能损失，提高了系统效率，减小了系统发热和油液温升，降低了系统配备的散热设备规格。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种变压节能三通比例流量换向器，包括液压变压器、配流盘转角油缸、转角控制阀和液动比例换向阀；
所述液压变压器有三个油口，分别记为PA口、PB口和PT口，PA口接系统供油，PB口接液动比例换向阀的A口，PT口接油箱，液压变压器的配流盘转角机构通过配流盘转角油缸的两个控制油口进油压力差控制；
所述液动比例换向阀为三位四通比例伺服阀，液动比例换向阀的阀芯位置通过先导控制阀和换向阀弹簧控制，液动比例换向阀有四个油口，分别记为A口、B口、C口和D口，B口接负载油缸的活塞腔，负载油缸的活塞杆腔接系统供油，C口和D口分别作为节流通路的出口和进口：当阀芯左位工作时，油液从A口流向B口；当阀芯中位工作时，A口、B口、C口和D口均互不导通；当阀芯右位工作时，油液从B口流向A口；
所述转角控制阀为三位四通比例伺服阀，转角控制阀的阀芯位置通过转角控制阀的两个控制油口压力差和控制阀弹簧控制，转角控制阀的两个控制油口分别连接节流通路的出口和进口，转角控制阀有四个油口，分别记为E口、F口、G口和H口，E口和F口分别接配流盘转角油缸的两个控制油口，G口接油箱，H口接系统供油：当阀芯左位工作时，油液从F口流向G口，从H口流向E口；当阀芯中位工作时，E口、F口、G口和H口均互不导通；当阀芯右位工作时，油液从E口流向G口，从H口流向F口。
本发明中，若液压变压器的PA口输入的压力高于负载压力，液压变压器从PT口吸入低压油把高出的部分降低压力，这样系统供给的流量小于负载需要的流量，达到了节能的目的。
优选的，所述液动比例换向阀的阀芯通过换向阀弹簧对中，即先导控制阀无输出信号时，阀芯中位工作。
优选的，所述转角控制阀的阀芯由控制阀弹簧和阀芯两端压差控制，当转角控制阀的两个控制油口无输入时，转角控制阀的阀芯在弹簧力作用下阀芯左位工作；转角控制阀稳态时，转角控制阀的两个控制油口进油压力差与阀芯控制面积的乘积等于控制阀弹簧的预压缩力，通过调节控制阀弹簧的预压缩力调节转角控制阀的两个控制油口进油压力差。在液动比例换向阀控制信号和阀芯开口量不变时，液动比例换向阀输出的流量不变，负载油缸的速度不变，即负载油缸的速度不随负载及系统供油压力的变化而变化，提高系统的操纵性；但是负载或系统供油压力变化对油缸速度也会产生扰动，比例流量换向器能够自动消除这种对速度的干扰。
有益效果：现有的比例换向阀，在控制信号和阀芯开口量一定时，负载压力或系统供液压力变化时，阀的输出流量波动很大，设备的操纵性差，而且系统供液压力大于负载压力时，在阀上产生很大的节流，液能损失大，油液发热严重。如果给比例换向阀配置了压力补偿器，能保证阀口压差恒定，负载压力或系统供液压力变化时，阀的输出流量波动很小，设备的操纵性好，但系统供液压力大于负载压力时，压力补偿器产生很大的节流，液能损失大，油液发热也严重。现有的比例换向阀也不能回收负负载工况时的机械能，把负载输入的机械能全部转化为了热能。
如果只用现在的液压变压器直接控制负载，操作人员只能控制液压变压器的配流盘控制角来调节输出的流量和负载速度，系统没有节流损失和发热，也能回收负负载工况时的机械能。但负载压力或系统供液压力变化时，液压变压器输出压力将发生变化，负载将加速或减速，为了保证负载速度不变，操作人员必需时刻调节液压变压器的配流盘控制角消除输出流量的波动，这样设备的操纵性很差。
本发明的变压节能三通比例流量换向器通过调节液压变压器的配流盘控制角保证了比例换向阀的节流口压差不变，在控制信号和阀芯开口量一定时，负载压力或系统供液压力变化时，阀的输出流量没有波动，设备的操纵性好，而且系统供液压力大于负载压力时，压差降在了液压变压器上，阀口节流压差和液压能损失很小，不会引起油液严重发热。这种换向器中液压变压器也能回收负负载工况时的机械能。因此，本发明的变压节能三通比例流量换向器在阀口压差很小的条件下，既能实现比例调速控制，又能回收负负载的机械能。其控制性能和节能都优于现在的比例换向阀及液压变压器。
附图说明
图1为本发明变压节能三通比例流量换向器的结构示意图；
图2为本发明变压节能三通比例流量换向器的职能符号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种变压节能三通比例流量换向器，包括液压变压器1、配流盘转角油缸2、转角控制阀3和液动比例换向阀4。
所述液压变压器1有三个油口，分别记为PA口、PB口和PT口，PA口接系统供油，PB口接液动比例换向阀4的A口，PT口接油箱，液压变压器1的配流盘转角机构通过配流盘转角油缸2的两个控制油口进油压力差控制；
所述液动比例换向阀4为三位四通比例伺服阀，液动比例换向阀4的阀芯位置通过先导控制阀和换向阀弹簧控制，液动比例换向阀4有四个油口，分别记为A口、B口、C口和D口，B口接负载油缸5的活塞腔，负载油缸5的活塞杆腔接系统供油，C口和D口分别作为节流通路的出口和进口：当阀芯左位工作时，油液从A口流向B口；当阀芯中位工作时，A口、B口、C口和D口均互不导通；当阀芯右位工作时，油液从B口流向A口；
所述转角控制阀3为三位四通比例伺服阀，转角控制阀3的阀芯位置通过转角控制阀3的两个控制油口压力差和控制阀弹簧控制，转角控制阀3的两个控制油口分别连接节流通路的出口和进口，转角控制阀3有四个油口，分别记为E口、F口、G口和H口，E口和F口分别接配流盘转角油缸2的两个控制油口，G口接油箱，H口接系统供油：当阀芯左位工作时，油液从F口流向G口，从H口流向E口；当阀芯中位工作时，E口、F口、G口和H口均互不导通；当阀芯右位工作时，油液从E口流向G口，从H口流向F口。
所述液动比例换向阀4的阀芯通过换向阀弹簧对中，即先导控制阀无输出信号时，阀芯中位工作。所述转角控制阀3的阀芯由控制阀弹簧和阀芯两端压差控制，当转角控制阀3的两个控制油口无输入时，转角控制阀3的阀芯在弹簧力作用下阀芯左位工作；转角控制阀3稳态时，转角控制阀3的两个控制油口进油压力差与阀芯控制面积的乘积等于控制阀弹簧的预压缩力，通过调节控制阀弹簧的预压缩力调节转角控制阀3的两个控制油口进油压力差。
下面就本发明的工种工况进行具体分析。
(一)负载压力增大工况分析
如果液动比例换向阀4控制信号不变阀芯位移和阀开口量不变，而负载压力突然增大，液动比例换向阀4的A口和B口的压差减小，液动比例换向阀4输出的流量减小，负载油缸5速度变小。转角控制阀3测量液动比例换向阀4进出口压力差，这时转角控制阀3阀芯左端的作用力大于右端的作用力，阀芯右移，转角控制阀3左位工作，系统供油进入配流盘转角油缸2的左腔，使转角油缸2的活塞向右移动，减小液压变压器1的配流盘的控制角，也就减小了压变压器1的变压比，使液压变压器1的PB口(液动比例换向阀4节流进口)压力升高，液动比例换向阀4进出口压力差回到原来的值，液动比例换向阀4输出流量和负载油缸5的速度恢复到原来的大小，转角控制阀3阀芯回到中位工作，液压变压器1的配流盘的控制角不再改变，这时因负载压力增大引起的负载油缸5速度减小得到恢复。
(二)负载压力减小工况分析
如果液动比例换向阀4控制信号不变阀芯位移和阀开口量不变，而负载压力突然减小，液动比例换向阀4的A口和B口的压差增大，比例换向阀4输出的流量增大，负载油缸5速度变大。转角控制阀3阀芯左端的作用力小于右端的作用力，阀芯左移，转角控制阀3右位工作，系统供油进入配流盘转角油缸2的右腔，使转角油缸2的活塞向左移动，增大液压变压器1的配流盘的控制角，也就增大了压变压器1的变压比，使液压变压器1的PB口(液动比例换向阀4节流进口)压力降低，液动比例换向阀4进出口压力差回到原来的值，液动比例换向阀4输出流量和负载油缸5的速度恢复到原来的大小，转角控制阀3阀芯回到中位工作，液压变压器1的配流盘的控制角不再改变，这时因负载压力减小引起的负载油缸5速度增大得到恢复。
(三)供液压力减小工况分析
如果供液压力减小，液压变压器1输出的压力即液动比例换向阀4的A口压力减小，由于负载油缸5活塞杆腔压力也减小了，负载油缸5活塞腔压力及液动比例换向阀4的B口也减小。如果B口压力减小量小于A口减小量，那么A口和B口的压差减小，液动比例换向阀4输出的流量减小，负载油缸5速度变小，与(一)负载压力增大工况分析相同；如果B口压力减小量大于A口减小量，那么A口和B口的压差增大，液动比例换向阀4输出的流量增大，负载油缸5速度变大，与(二)负载压力减小工况分析相同。
(四)供液压力增大工况分析
如果供液压力增大，液压变压器1输出的压力即液动比例换向阀4的A口压力增大，由于负载油缸5活塞杆腔压力也增大了，负载油缸5活塞腔压力及液动比例换向阀4的B口也增大。如果B口增大量小于A口增大量，那么A口和B口的压差增大，液动比例换向阀4输出的流量增大，负载油缸5速度变大，与(二)负载压力减小工况分析相同；如果B口压力增大量大于A口增大量，那么A口和B口的压差减小，液动比例换向阀4输出的流量减小，负载油缸5速度变小，与(一)负载压力增大工况分析相同。
当液动比例换向阀4左端有控制信号，阀芯右移，开口量与控制信号大小成比例，阀芯右位工作，液动比例换向阀4的B口输出油液进入负载油缸5，驱动负载油缸5的活塞杆以一稳定速度伸出；当液动比例换向阀4右端有控制信号，阀芯左移，开口量与控制信号大小成比例，阀芯左位工作，系统供油的油液进入负载油缸5，驱动负载油缸5的活塞杆以一稳定速度缩回。
如果负载油缸5用于举升或下放重物，如液压电梯油缸和液压挖掘机大臂油缸，负载油缸5举升重物时液压系统输入液压能，高压油液通过液压变压器1和比例换向阀4进入负载油缸5的活塞腔，经负载油缸5将液压能转化为机械能，机械能变为重物的势能，即液压系统输出液压能，在这个过程中如果负载油缸5活塞腔压力小于系统供油压力，液压变压器1把压力变低，没有节流损失，只有通过比例换向阀4节流口的压差损失，此压差是为了控制流量稳定必需的，但此压差很小只有0.5-1MPa，对于高压系统来说此压力损失比例不大。
负载油缸5下放重物时重物的势能转化为负载油缸5活塞腔的液压能，通过比例换向阀4调节流量后进入液压变压器1，经变压后输出到液压系统，即回收了重物的势能，很少一部分转化为油液的热能。
通过以上分析可知，本发明的变压节能三通比例流量换向器能够实现负载的比例流量控制，且节流很小，还能回收负载的机械能转化为系统的液压能，达到了节能的目的，流量换向器是通过变压节能的，有三个进出液通道，输出或输入流受控制信号的比例控制，所以命名为变压节能三通比例流量换向器。
为了简化变压节能三通比例流量换向器在液压系统中的画法，定义发明的这种换向器的职能符号为图2所示。外面的长方形方框代表比例换向阀，长方形方框内的两个半圆及上下连线组成的椭圆代表液压变压器，长方形方框左右的虚线代表比例流量控制信号输入端，左右还有两个阀芯对中弹簧。A和B代表换向器的进油或出油口，A口接系统供油，B口接负载，T代表换向器与油箱相连的油口，可以通过此口从油箱吸油或排油。AB之间的连线及节液符号表示换向器是通过阀口节流调节流量的，三对黑三角表示可以从三个口进出油。左右对角的斜线和箭头代表液压变压器的配流盘控制角可调。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种变压节能三通比例流量换向器，包括液压变压器(1)和转角控制阀(3)，其特征在于：还包括配流盘转角油缸(2)和液动比例换向阀(4)；
所述液压变压器(1)有三个油口，分别记为PA口、PB口和PT口，PA口接系统供油，PB口接液动比例换向阀(4)的A口，PT口接油箱，液压变压器(1)的配流盘转角机构通过配流盘转角油缸(2)的两个控制油口进油压力差控制；
所述液动比例换向阀(4)为三位四通比例伺服阀，液动比例换向阀(4)的阀芯位置通过先导控制阀和换向阀弹簧控制，液动比例换向阀(4)有四个油口，分别记为A口、B口、C口和D口，B口接负载油缸(5)的活塞腔，负载油缸(5)的活塞杆腔接系统供油，C口和D口分别作为节流通路的出口和进口：当阀芯左位工作时，油液从A口流向B口；当阀芯中位工作时，A口、B口、C口和D口均互不导通；当阀芯右位工作时，油液从B口流向A口；
所述转角控制阀(3)为三位四通比例伺服阀，转角控制阀(3)的阀芯位置通过转角控制阀(3)的两个控制油口压力差和控制阀弹簧控制，转角控制阀(3)的两个控制油口分别连接节流通路的出口和进口，转角控制阀(3)有四个油口，分别记为E口、F口、G口和H口，E口和F口分别接配流盘转角油缸(2)的两个控制油口，G口接油箱，H口接系统供油：当阀芯左位工作时，油液从F口流向G口，从H口流向E口；当阀芯中位工作时，E口、F口、G口和H口均互不导通；当阀芯右位工作时，油液从E口流向G口，从H口流向F口。
2.根据权利要求1所述的变压节能三通比例流量换向器，其特征在于：所述液动比例换向阀(4)的阀芯通过换向阀弹簧对中，即先导控制阀无输出信号时，阀芯中位工作。
3.根据权利要求1所述的变压节能三通比例流量换向器，其特征在于：所述转角控制阀(3)的阀芯由控制阀弹簧和阀芯两端压差控制，当转角控制阀(3)的两个控制油口无输入时，转角控制阀(3)的阀芯在弹簧力作用下阀芯左位工作；转角控制阀(3)稳态时，转角控制阀(3)的两个控制油口进油压力差与阀芯控制面积的乘积等于控制阀弹簧的预压缩力，通过调节控制阀弹簧的预压缩力调节转角控制阀(3)的两个控制油口进油压力差。
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