CN110030235A - 步进式机构的传动系统及其能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量回收系统，包括液压动力单元、变频驱动单元及能量回收装置。液压动力单元包括调速电机及液压泵，调速电机与液压泵连接。变频驱动单元与调速电机连接，能量回收装置与变频驱动单元连接。变频驱动单元控制调速电机驱动液压泵运转，对液压执行元件进行容积调速控制，驱动液压执行元件动作，从而自动匹配不同工况下的负载重量，避免节流损失达到节能的效果，控制和结构简单。液压执行元件下降或者制动时，液压执行元件驱动所述调速电机处于发电状态，使液压执行元件的势能和/或动能转化为电能，经所述变频驱动单元输送至所述能量回收装置再利用。本发明还公开了一种步进式机构的传动系统，包括上述能量回收系统。

Description

步进式机构的传动系统及其能量回收系统

技术领域

本发明涉及冶金设备技术领域，具体涉及一种步进式机构的传动系统及其能量回收系统。

背景技术

步进式机构在冶金领域有着较为广泛的应用，常见的有步进式加热炉、步进式运输梁、步进式冷床等等。以步进式加热炉为例进行说明，此步进式机构由升降液压缸、平移液压缸组成的传动系统，主要用于加热炉中提升与平移钢坯，让钢坯在加热炉中受热均匀。步进式炉底机械的升降液压缸在工作过程中，要周而复始的提升与放下几百吨甚至上千吨的重量，被提升后的物体在下降过程中具有很大的重力势能；平移液压缸同样也驱动几百吨的钢坯与设备动作，在制动环节有较大的动能。

这些能量在现有的传动方式里都以节流调速的方式发热浪费掉，不仅于此，还带来了冷却等其他的能耗。此外，现有的步进式机构液压传动系统采用的都是恒压变量的动力源，不管提升重物的多少其压力都是为最大重物而准备的，同样也存在较大的空载能源浪费。

已有的工程实际中有少量用蓄能器回收下降势能再利用的，其方式主要就是采用特殊结构的液压缸或者是另外增加一个平衡缸来实现，这种方法问题在于：

1、需要增加了步进式机构的设备，且其结构相对复杂，对土建与机械机构有要求，不利于已有设备的改造；

2、为了匹配不同工况下的负载重量，其控制与调试很麻烦；

3、采用的还是阀控节流调速的控制原理，无法消除大量的液压节流损失；

4、基于恒压变量泵的动力源，存在较大空载、低负荷工况，必然存在能源浪费；

5、液压蓄能器组回收能源再利用，需要的蓄能器组占用空间大，且蓄能器的使用维护困难。

目前为止市面上还没有对步进式机构平移的动能进行回收再利用的技术方案。

此外，专利CN108383039A公开了一种节能型步进式升降机构液压控制系统，通过蓄能器组能量回收再利用与伺服电机+闭式变量泵的控制方案可以有很好的节能效果，但由于负载的变化使得蓄能器的压力匹配比较困难，当存在高低压切换的过程使得运动的稳定控制较为困难，其次蓄能器的维护困难和使用寿命有限等同样都是使用过程中存在的问题，蓄能器组的使用也同样还有安装空间的要求。此外该专利为全闭式传动系统，油液的温度与清洁度控制会更加难以控制。而且该专利也只有对机构的升降液压缸进行了控制，没有解决同一运动环节中的平移传动问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种节能效果好、控制简单和结构简单的步进式机构的传动系统及其能量回收系统。

一种能量回收系统，包括：

液压动力单元，包括调速电机及液压泵，所述调速电机与所述液压泵连接；

变频驱动单元，与所述调速电机连接；

能量回收装置，与所述变频驱动单元连接；

其中，所述变频驱动单元控制所述调速电机驱动所述液压泵运转，驱动液压执行元件动作；液压执行元件下降或者制动时，液压执行元件驱动所述调速电机处于发电状态，使液压执行元件的势能和/或动能转化为电能，经所述变频驱动单元输送至所述能量回收装置再利用。

在其中一个实施例中，当所述变频驱动单元为四象限变频器时，所述能量回收装置为四象限变频器自身，能量回馈至电网。

在其中一个实施例中，当所述变频驱动单元为二象限变频器时，所述能量回收装置为超级电容。

一种步进式机构的传动系统，包括：

液压油箱；

辅助动力源，用于抽取所述液压油箱内的液压油；

如上述任意一项所述的能量回收系统；

液压执行元件，所述液压执行元件油路的两端分别与液压泵的两个油口连接；及

液压控制回路，用于选择和控制所述液压执行元件；

其中，所述辅助动力源抽取的液压油作为液压动力单元的补油和作为所述液压控制回路的控制油。

在其中一个实施例中，所述液压执行元件包括平移液压缸和升降液压缸，所述平移液压缸与所述升降液压缸并联连接。

在其中一个实施例中，所述辅助动力源包括第一辅助动力源和第二辅助动力源，所述第一辅助动力源抽取的液压油作为所述液压控制回路的控制油，所述第二辅助动力源抽取的液压油作为所述液压动力单元的补油。

在其中一个实施例中，所述液压控制回路包括换向阀、第一切断隔离阀、第二切断隔离阀、第三切断隔离阀和第四切断隔离阀；

所述液压泵的两个油口分别为第一油口和第二油口，所述液压泵的第一油口经所述第一切断隔离阀与所述升降液压缸的无杆腔油口连接，所述升降液压缸的有杆腔油口经所述第二切断隔离阀与所述液压泵的第二油口连接；

所述液压泵的第一油口经所述第三切断隔离阀与所述平移液压缸的一个油口连接，所述平移液压缸的另一个油口经所述第四切断隔离阀与所述液压泵的第二油口连接；

所述换向阀的进油口和所述第一辅助动力源的出油口连接，所述换向阀的回油口与液压油箱连接，所述换向阀的其中一个工作油口A连接所述第一切断隔离阀和所述第二切断隔离阀的控制油口，所述换向阀的另一个工作油口B连接所述第三切断隔离阀和所述第四切断隔离阀的控制油口。

在其中一个实施例中，所述液压控制回路还包括溢流阀和第五切断隔离阀，所述第二切断隔离阀和所述第四切断隔离还经所述第五切断隔离阀和所述溢流阀和所述液压油箱连接，所述第五切断隔离阀的控制油口与所述换向阀连接所述第一切断隔离阀和所述第二切断隔离阀的工作油口A连接。

在其中一个实施例中，所述液压控制回路还包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀和所述第二单向阀的进油口均与所述第二辅助动力源的出油口连接，所述第一单向阀的出油口与所述液压泵的第一油口连接，所述第二单向阀的出油口与所述液压泵的第二油口连接。

在其中一个实施例中，还包括控制器，所述控制器与调速电机、液压泵和液压执行元件均控制连接。

上述步进式机构的传动系统及其能量回收系统至少具有以下优点：

变频驱动单元控制调速电机驱动液压泵运转，对步进式机构的液压执行元件进行容积调速控制，驱动液压执行元件动作，因此工作压力能够随着负载而改变，能够自动匹配不同工况下的负载重量，避免节流损失达到节能的效果，其控制和结构简单。在步进式机构的液压执行元件下降或者平移制动时，液压执行元件驱动调速电机处于发电状态，使液压执行元件的势能和/或动能转化为电能，经变频驱动单元输送至能量回收装置再利用，节能效果较好，投入和运行成本较低。此外，本步进式机构的传动系统与能量回收系统还具备占地面积小、负载回馈功率变化适应性强、效率高控制简单等好处，此外对于改造项目，本专利实施简单，无需对步进式机构的土建与设备结构进行修改。

附图说明

图1为本发明实施例的液压控制系统原理图；

图2为图1所示液压控制系统原理图的局部示意图；

图3为图1中变频驱动单元为四象限变频器的结构示意图；

图4为图1中变频驱动单元为二象限变频器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的步进式机构的传动系统，主要用于步进式加热炉，也可以用于步进式上料台架及步进式钢卷运输梁等的传动控制。具体地，该步进式机构的传动系统包括液压油箱100、辅助动力源200、能量回收系统300、液压执行元件400及液压控制回路500。

液压油箱100用于提供液压油。辅助动力源200用于抽取液压油箱100内的液压油。具体地，辅助动力源200包括第一辅助动力源210和第二辅助动力源220，第一辅助动力源210和第二辅助动力源220的进油口均与油箱100连接。其中，第一辅助动力源210为高压小流量恒压液压源，第二辅助动力源220为低压恒压液压源。

能量回收系统300包括液压动力单元310、变频驱动单元320及能量回收装置330。其中，辅助动力源200抽取的液压油，作为液压动力单元310的补油以及作为液压控制回路500的控制油。具体到本实施方式中，第一辅助动力源210抽取的液压油作为液压控制回路500的控制油，第二辅助动力源220抽取的液压油作为液压动力单元310的补油。

液压动力单元310包括调速电机312及液压泵314，调速电机312与液压泵314相连接，以驱动液压泵314运转。具体地，调速电机312为伺服电机或者变频电机，调速电机312通过联轴器与液压泵314同轴连接。液压泵314为闭式变量液压泵，且液压泵314也可以是双旋向定量泵。

变频驱动单元320与调速电机312连接，变频驱动单元320控制调速电机312带动液压泵314运转，驱动液压执行元件400动作。变频驱动单元320控制调速电机312驱动液压泵314运转，以对液压执行元件400进行容积调速控制，因此工作压力能够随着负载变化而改变。能量回收装置330与变频驱动单元320连接。液压执行元件400制动或者下降时，液压执行元件400可以驱动调速电机312处于发电状态，使液压执行元件400的势能和/或动能转化为电能，经变频驱动单元320输送至能量回收装置330再利用。

请一并参阅图3及图4，具体地，变频驱动单元320可以是变频器或者伺服驱动器，变频驱动单元320为变频器时，调速电机312就是变频电机；变频驱动单元320为伺服驱动器时，则调速电机312就是伺服电机。本实施方式中，变频驱动单元320为变频器，当变频驱动单元320为四象限变频器时，能量回收装置330为四象限变频器自身，能量回馈至电网，回馈能量至电网供其他设备利用。当变频驱动单元320为二象限变频器时，能量回收装置330为超级电容。

液压执行元件400液压油路的两端分别与液压泵314的两个油口连接。具体地，液压执行元件400包括平移液压缸420和升降液压缸410，升降液压缸410的两个油口通过管路分别与液压泵314的两个油口连接，平移液压缸420与升降液压缸410并联连接。本实施方式中，升降液压缸410设置有两组，两组升降液压缸410并联设置，两组升降液压缸410可以保证升降工件20过程平稳。当然，升降液压缸410不一定设置两组，升降液压缸410的具体数量可以根据需要具体设置。

请一并参阅图2，液压控制回路500用于选择和控制液压执行元件400。具体地，液压控制回路500包括换向阀510、第一切断隔离阀520、第二切断隔离阀530、第三切断隔离阀540和第四切断隔离阀550。液压泵314的两个油口分别为第一油口a和第二油口b，其中液压泵314左侧的油口为第一油口a，液压泵314右侧的油口为第二油口b。液压泵314的第一油口a经第一切断隔离阀520与升降液压缸410的无杆腔油口连接，升降液压缸410的有杆腔油口经第二切断隔离阀530与液压泵314的第二油口b连接。同时，液压泵314的第一油口a经第三切断隔离阀540与平移液压缸420的一个油口连接，平移液压缸420的另一个油口经第四切断隔离阀550与液压泵314的第二油口b连接。换向阀510的进油口和第一辅助动力源210的出油口连接，换向阀510的回油口与液压油箱100连接，换向阀510的其中一个工作油口A连接第一切断隔离阀520和第二切断隔离阀530的控制油口，换向阀510的另一个工作油口B连接第三切断隔离阀540和第四切断隔离阀550的控制油口。

本实施方式中，平移液压缸420为对称液压缸，因此动作的过程中理论上无需补油。升降液压缸410不是对称液压缸，在工作的过程中需要对液压动力单元310进行补油和回油。液压控制回路500还包括第五切断隔离阀560和溢流阀570，第二切断隔离阀530和第四切断隔离阀550还经第五切断隔离阀560和溢流阀570后和液压油箱100连接。第五切断隔离阀560的控制油口与换向阀510连接第一切断隔离阀520和第二切断隔离阀530的工作油口A连接。

进一步地，液压控制回路500还包括第一单向阀580和第二单向阀590，第一单向阀580和第二单向阀590的进油口均与第二辅助动力源220的出油口连接，第一单向阀580的出油口与液压泵314的第一油口a连接，第二单向阀590的出油口与液压泵314的第二油口b连接。

本实施方式中，步进式机构的传动系统还包括控制器600，控制器600与调速电机312、液压泵314及液压执行元件400均控制连接，控制器600通过调速电机312、液压泵314对液压执行元件400进行传动控制工作，以实现目标的运动曲线。具体地，控制器600与平移液压缸420和升降液压缸410上的位置传感器连接，通过计算当前位置传感器状态，改变调速电机312转速或者方向，以及液压泵314的排量或者方向，实现对液压执行元件400的传动控制。控制器600优先选用PLC控制器。

上述步进式机构的传动系统的工作过程大致分为上升、平移、下降和复位四个过程，具体如下：

首先，升降液压缸410上升。具体过程为：第一辅助动力源210抽取液压油箱100内的液压油，抽取的液压油进入到换向阀510内，换向阀510控制第一切断隔离阀520、第二切断隔离阀530打开，升降液压缸410与液压泵314之间的油路被打开。第二辅助动力源220抽取的液压油经过第一单向阀580、第二单向阀590后进入到液压泵314内。变频驱动单元320控制调速电机312带动液压泵314运转，驱动升降液压缸410上升。此时，从液压泵314的第一油口a出来的液压油进入到升降液压缸410的无杆腔内，驱动升降液压缸410的活塞杆上升，进而驱动负载平台10上升。升降液压缸410有杆腔的液压油经第二切断隔离阀530，供到液压泵314内，由于面积的不对称此时需要从第二辅助动力源220补油，具体的需要补充的油液从第二辅助动力源220引出，经第二单向阀590向液压泵314的第二油口b补油。在负载平台10承接到工件20后，由于变频驱动单元320控制调速电机312带动液压泵314运转，以对升降液压缸410继续进行容积调速控制，升降液压缸410的工作压力可以随着负载的变化而改变。工件20提升到预定高度后，控制器600控制升降液压缸410停止运动。

然后，平移液压缸420驱动工件20等平移。具体过程为：第一辅助动力源210抽取液压油箱100内的液压油，液压油进入到换向阀510内，换向阀510控制第三切断隔离阀540和第四切断隔离阀550打开，平移液压缸420与液压泵314之间的油路被打开，第一切断隔离阀520、第二切断隔离阀530和第五切断隔离阀560被关闭，升降液压缸410与液压泵314之间的油路被关闭。

此时，变频驱动单元320控制调速电机312带动液压泵314运转，驱动平移液压缸420向右平移。此时，从液压泵314的第一油口a出来的液压油进入到平移液压缸420的一个腔室内，驱动平移液压缸420的活塞杆运动，进而驱动工件20等向右移动，平移液压缸420另一个腔室内的液压油经第四切断隔离阀550回流到液压泵314中。

当工件20等被推动到合适的位置时，控制器600控制平移液压缸420制动，此时调速电机312力矩反向，平移液压缸420驱动液压泵314带动调速电机312处于发电状态，平移液压缸420的动能通过调速电机312转化为电能，传输至变频驱动单元320，变频驱动单元320将电能输送至能量回收装置330再利用。

再次，升降液压缸410下降。具体过程为：第一辅助动力源210抽取液压油箱100内的液压油，抽取的液压油进入到换向阀510内，换向阀510控制第一切断隔离阀520、第二切断隔离阀530及第五切断隔离阀560打开，升降液压缸410与液压泵314之间的油路被打开，第三切断隔离阀540和第四切断隔离阀550被关闭，平移液压缸420与液压泵314之间的油路被关闭。变频驱动单元320控制调速电机312带动液压泵314运转，驱动升降液压缸410下降，同样负载平台10及工件20也同步下降。此时，由于负载平台10及工件20重力势能产生的高压液压油经过液压泵314的第一油口a流向第二油口b，液压泵314处于马达状态。从液压泵314的第二油口b出来的液压油部分进入到升降液压缸410的有杆腔内，另一部分经第五切断隔离阀560和溢流阀570回流到油箱100内。

升降液压缸410在下降的过程中，升降液压缸410驱动液压泵314带动调速电机312处于发电状态，升降液压缸410获得的势能和动能通过液压泵314带动调速电机312转化为电能，传输至变频驱动单元320，变频驱动单元320将电能输送至能量回收装置330再利用。当工件20下降要预定高度后，负载平台10与工件20相分离，升降液压缸410继续下降，直到回到升降的原始位置。

最后，下降后的步进式机构开始复位动作，这一动作是平移的反向运动，此时液压泵314反转或者换向，高压液压油从液压泵314的第二油口b流出，推动平移液压缸420，驱动工件20等向左移动，平移缸的另外一腔的低压油经第三切断隔离阀540回流到液压泵314内形成闭式传动。

同理，当工件20等被推动到最初的位置时，控制器600控制平移液压缸420制动，此时调速电机312力矩反向，平移液压缸420驱动液压泵314带动调速电机312处于发电状态，平移液压缸420的动能通过调速电机312转化为电能，传输至变频驱动单元320，变频驱动单元320将电能输送至能量回收装置330再利用。

以上完成一个步进周期动作，等待下一个步进周期开始重复以上的传动控制方式。

上述步进式机构的传动系统及其能量回收系统300，在变频驱动单元320驱动通过调速电机312带动液压泵314运转，以对升降液压缸410和平移液压缸420进行容积调速控制，因此工作压力能够随着负载而改变，能够自动匹配不同工况下的负载重量，避免节流损失达到节能的效果，其控制和结构简单。升降液压缸410下降和平移液压缸420制动时，对应的液压缸驱动调速电机312处于发电状态，液压缸的势能和/或动能转化为电能输送至变频驱动单元320，变频驱动单元320输送电能给能量回收装置330再利用，节能效果较好，投入和运行成本较低。并且，不仅对升降液压缸410进行控制和能量回馈，对平移液压缸420也进行同样的传动控制和能量回馈，实现进一步节能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种能量回收系统，其特征在于，包括：

液压动力单元，包括调速电机及液压泵，所述调速电机与所述液压泵连接；

变频驱动单元，与所述调速电机连接；

能量回收装置，与所述变频驱动单元连接；

其中，所述变频驱动单元控制所述调速电机驱动所述液压泵运转，驱动液压执行元件动作；液压执行元件下降或者制动时，液压执行元件驱动所述调速电机处于发电状态，使液压执行元件的势能和/或动能转化为电能，经所述变频驱动单元输送至所述能量回收装置再利用。

2.根据权利要求1所述的能量回收系统，其特征在于，当所述变频驱动单元为四象限变频器时，所述能量回收装置为四象限变频器自身，能量回馈至电网。

3.根据权利要求1所述的能量回收系统，其特征在于，当所述变频驱动单元为二象限变频器时，所述能量回收装置为超级电容。

4.一种步进式机构的传动系统，其特征在于，包括：

液压油箱；

辅助动力源，用于抽取所述液压油箱内的液压油；

如权利要求1～3任意一项所述的能量回收系统；

液压执行元件，所述液压执行元件油路的两端分别与液压泵的两个油口连接；及

液压控制回路，用于选择和控制所述液压执行元件；

其中，所述辅助动力源抽取的液压油作为液压动力单元的补油和作为所述液压控制回路的控制油。

5.根据权利要求4所述的步进式机构的传动系统，其特征在于，所述液压执行元件包括平移液压缸和升降液压缸，所述平移液压缸与所述升降液压缸并联连接。

6.根据权利要求5所述的步进式机构的传动系统，其特征在于，所述辅助动力源包括第一辅助动力源和第二辅助动力源，所述第一辅助动力源抽取的液压油作为所述液压控制回路的控制油，所述第二辅助动力源抽取的液压油作为所述液压动力单元的补油。

7.根据权利要求6所述的步进式机构的传动系统，其特征在于，所述液压控制回路包括换向阀、第一切断隔离阀、第二切断隔离阀、第三切断隔离阀和第四切断隔离阀；

所述液压泵的两个油口分别为第一油口和第二油口，所述液压泵的第一油口经所述第一切断隔离阀与所述升降液压缸的无杆腔油口连接，所述升降液压缸的有杆腔油口经所述第二切断隔离阀与所述液压泵的第二油口连接；

所述液压泵的第一油口经所述第三切断隔离阀与所述平移液压缸的一个油口连接，所述平移液压缸的另一个油口经所述第四切断隔离阀与所述液压泵的第二油口连接；

所述换向阀的进油口和所述第一辅助动力源的出油口连接，所述换向阀的回油口与液压油箱连接，所述换向阀的其中一个工作油口A连接所述第一切断隔离阀和所述第二切断隔离阀的控制油口，所述换向阀的另一个工作油口B连接所述第三切断隔离阀和所述第四切断隔离阀的控制油口。

8.根据权利要求7所述的步进式机构的传动系统，其特征在于，所述液压控制回路还包括溢流阀和第五切断隔离阀，所述第二切断隔离阀和所述第四切断隔离还经所述第五切断隔离阀和所述溢流阀和所述液压油箱连接，所述第五切断隔离阀的控制油口与所述换向阀连接所述第一切断隔离阀和所述第二切断隔离阀的工作油口A连接。

9.根据权利要求8所述的步进式机构的传动系统，其特征在于，所述液压控制回路还包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀和所述第二单向阀的进油口均与所述第二辅助动力源的出油口连接，所述第一单向阀的出油口与所述液压泵的第一油口连接，所述第二单向阀的出油口与所述液压泵的第二油口连接。

10.根据权利要求4所述的步进式机构的传动系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与调速电机、液压泵和液压执行元件均控制连接。