CN110446859B - 用于调节液压机器的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在使用以转速可变方式驱动的定量泵的情况下调节液压机器，例如涡轮机、泵或泵涡轮的设备，该设备包括用于实施紧急关闭的装置，该设备的特征在于在确保满足液压机器的所有与运行和安全性相关的要求的情况下具有少能耗和高效率。

Description

用于调节液压机器的设备
技术领域
本发明涉及一种用于调节液压机器的设备，尤其是用于调节涡轮机、泵或泵涡轮的设备。
背景技术
用于调节液压机器的传统设备由一般的现有技术所公知。因此，例如DE 27 13867 A1描述了这样的设备(见图3)，它包括压力油源、液压的执行马达(液压缸)和用于对用来调整液压缸的能量进行配量的调节阀。一般而言，压力油源是用于处于高压下的液压介质的存储器。该存储器在此必须借助泵来填充，并且被带到并保持在必要的工作压力。
此外，由DE 10 2013 212 937 A1公知了一种用于打开和关闭液压机器的导向叶片的设备，在其中使用了转速可变地驱动的液压的定量泵。在该文本中，仅公开了这种设备的原则上的工作方式。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于调节液压机器的设备，其中，使用以转速可变方式驱动的液压定量泵，并且该设备确保满足液压机器的要求，例如工作时间、紧急关闭性能(即使在泵失灵时)、适用于大液压缸体积容量(Volumina)的能力等方面。与传统的设备相比，根据本发明的解决方案的突出在于具有高能效、良好的环境兼容性、易于维护并且购置成本和运行成本低。
根据本发明，该任务通过根据权利要求1的特征的用于调节液压机器的设备得以解决。根据本发明的设备的另外的有利的设计方案由从属权利要求中得出。
附图说明
下面借助附图阐述根据本发明的解决方案。其中：
图1详细示出根据本发明的设备的示意性结构。
具体实施方式
在图1的图示中用示意性的方式示出了根据本发明的用于调节液压机器的设备的结构。该设备包括用1标识的收集和补偿容器，用2标识的泵设施、用3标识的转速可变的泵驱动器、用5标识的存储器、用6标识的液压缸、用71标识的紧急关闭阀、用72标识的紧急关闭磁阀、用81和82标识的两个能解除截止的止回阀、用91和92标识的两个先导阀、用10、11和12标识的三个节流件、用20标识的可选的磁阀、用30和31标识的两个可选的限压阀、用40和50标识的两个可选的接口。液压缸6下方的箭头表示其关闭方向。
液压缸6例如可以是导向轮液压缸或者是用于调整液压机器的叶轮叶片的液压缸。这种液压缸为了运行通常需要大量的液压液体。液压缸6可以制作成同步缸，正如图1中用虚线画的第二杆所指明的那样。然而，液压缸6也可以制成针对打开侧和关闭侧具有不同体积的差动缸。
泵设施2包括两个具有能逆转的输送方向的泵。在图1中，两个泵布置在由泵驱动器3驱动的轴上。然而其他的结构上的设计方案也是可能的，例如，泵借助传动器通过泵驱动器3来驱动。甚至能想到的是，泵驱动器3针对两个泵中的每一个分别包括马达和变频器。进一步的描述涉及到图1中所示的实施例。在此，泵的接口分别与液压缸的控制线路连接，从而使其中一个泵沿轴的一个转动方向地朝着液压缸6的方向输送液压液体，而另一泵接收来自液压缸6的液压液体。沿轴的另一个转动方向时则恰恰相反。于是在图1中，下方的泵的右边的接口(经由能解除截止的止回阀82)与液压缸6的关闭侧连接，而上方的泵的左边的接口(经由能解除截止的止回阀81)与液压缸6的打开侧连接。泵的其余接口分别直接与收集和补偿容器1连接。也就是说，沿轴的其中一个转动方向地，下方的泵将液压液体从收集和补偿容器1泵送到液压缸6的关闭侧，与此同时，上方的泵将液压液体从液压缸6的打开侧泵送到收集和补偿容器1中。沿轴的另一个转动方向时，则体积流反过来。在两个泵的输送量一样大的情况下，这意味着，最终没有液压液体流动收集和补偿容器1中或者被从中取走(参见下文的同步缸)。在另一种情况下，只有泵的差额输送量才被送出到收集和补偿容器1中或从中取走(参见下文的差动缸)。在此条件分别是，止回阀81和82都是解除截止的(参见下文的运行状态描述)。
如果所使用的泵具有指定的压力和吸取接口的话，那么优选地压力接口总是与液压缸6连接，而吸取接口与收集和补偿容器1连接。
泵设施2的轴由转速可变的泵驱动器3来驱动，该泵驱动器能沿两个转动方向运行。该泵驱动器3通常包括电的伺服马达，它由变频器供电。
能解除截止的止回阀81和82布置在液压缸6与泵设施2的连接线路中，使得它们在没有被解除截止的状态下防止液压缸的活塞发生运动，这些能解除截止的止回阀分别与其中一个先导阀91、92连接。这些先导阀分别(经由阀20和72)与存储器5连接。打开先导阀91、92引起了所属的止回阀81、82被解除截止。通过液压机器的(电)调节器通过激励这些先导阀来引起先导阀91、92的打开。先导阀91、92中的每一个都可以单独地被激励。
存储器5与液压缸6的关闭侧连接。紧急关闭阀71如下这样地与液压缸6的打开侧和收集和补偿容器1连接，即，使得液压缸6的打开侧与收集和补偿容器1之间的体积流只有在紧急关闭阀71打开时才能够实现。对紧急关闭阀71的状态的控制经由紧急关闭磁阀72来进行，该紧急关闭磁阀位于紧急关闭阀71与存储器5之间的液压线路中。紧急关闭磁阀72也位于先导阀91、92与存储器5之间的线路中。(受弹簧负载的)紧急关闭磁阀72在运行时总是被持续激励，由此使得紧急关闭阀71是关闭的，并且先导阀91、92通过存储器5被供应油压(也就是止回阀81、82在这个状态下可以通过先导阀91、92被解除截止)。
也被称为“基础节流件”的节流件10位于液压缸8的打开侧与止回阀81之间的线路中，但仍然在通往紧急关闭阀71的线路的分支之前，也就是直接与液压缸6相邻。节流件11位于将存储器5与设备的剩余部分连接的线路中。节流件12位于紧急关闭阀71与收集和补偿容器1之间的线路中。在此，两个节流件11或12中一个作为可选被考虑(参见有关紧急关闭功能的实施方案)。
可选地，该设备还可以包括另外的紧急关闭阀(例如超转速阀等)。这些另外的紧急关闭阀可以经由接口50连接，该接口与紧急关闭磁阀72位于同一液压线路中。
可选地，可以经由接口40将另外的消耗器联接到存储器5上。接口40位于将存储器5与剩余的设备连接起来的液压的线路中。
接下来详尽描述处于液压机器的各个运行状态下的根据本发明的设备的工作方式，并且阐述该设备的优点。在此被视为起始状态的是，与液压缸6的关闭侧直接连接的存储器5被加载限定的压力，并且使液压缸6处于任意的中间状态下。
液压机器的调节运行：
只要还需要保持住液压缸6的定位，由液压机器的调节器所驱控的先导电磁阀91、92就处于被解除激励的状态下。由此使得通往液压缸6的打开或关闭侧的控制线路中的能解除截止的止回阀81、82同样也是关闭的，并且使缸6无泄漏地保持在它的定位中。在该状态下，转速可变的驱动器3被关断，从而没有消耗能(热)被引入系统中。由此，原则上可以取消对油的冷却，这带来了能效明显更好的优点。
如果现在需要调节过程(例如目标值变化或者调节偏差量超过特定的值(死区))，那么先导阀91和92就经由调节器被激励，这导致能解除截止的止回阀打开。现在液压缸可以直接经由转速可变的泵驱动3定位。如果液压缸6被制作成同步缸，那么通过泵设施2从吸取侧吞入的油量就和压力侧被引入到缸中的油量一样。在这种情况下，泵设施2的两个泵具有相同的输送量。如果液压缸6制作成差动缸，那么泵设施2的两个泵的输送量比例将尽可能精确地匹配差动缸。在液压缸6移动期间产生的差额油量可以经由联接在收集和补偿容器1上的相应的吸取线路或存储器5上小的振荡体积来补偿。
油量进而是存储器5中的压力保持大致恒定并确保整个系统被加预应力。通过存储器5让液压缸6具有永久性的压力预应力具有以下优点，即，使得液压缸6例如无论作用于缸6上的外力的方向如何变化总是牢固地固定保持在限定的定位中。
在到达期望的定位以后，先导阀91、92被解除激励，由此使得缸6可以再次在不被施加能量的情况下保持在它的定位上。要提到的是，存储器体积相比传统的系统不再被用于调节的目的，这是因为该任务完全被泵设施2所接管。因此，可以大大减少存储器体积并因此减小存储器的大小。这还额外地导致收集和补偿容器1更小，由此可以在总体上降低成本。
紧急关闭：
为了能够在有故障的情况下确保液压机器的安全停机，应用了紧急关闭功能，它允许设施在没有电流供电的情况下(或者在转速可变的驱动器3有问题的情况下)停止运转。在紧急关闭情况下，在运行中被永久激励的紧急关闭磁阀72被解除激励，于是紧急关闭阀71被打开。从而让“几乎闭合的”液压调节回路成为开放回路。存储器5与液压缸6的关闭侧连接，其中，打开侧现在受控转向收集和补偿容器1。与此同时，通向先导阀91、92的压力被去负荷，从而使能解除截止的止回阀81、82关闭。因此可靠地防止了，例如因泵设施2中的问题或泄露而错误地经此而可能会将存储器体积排空，从而将不再能用于进行关闭。
在该开放回路中，存储器5提供了在限定的压力极限之内的限定的体积。因此可以借助基本节流件10和额外串联连接的节流件11或12可靠地调制了限定的关闭时间。如果实际上使用了两个额外地串联连接的节流件11和12，则由此相对于例如在基本节流件11与快速关闭阀71之间的线路中出现线路断裂的情况获得了更大的灵活性和更大的稳固性，这是因为额外的节流效果被分配到两个节流件上，其中只有一个(12)因为线路断裂而失效。
在液压缸6移动时，通过基本节流件10形成了对着泵设施2起作用的背压，并且该背压因此必须保持在一定的限度内(要遵守的线路的及部件的标称压力，泵驱动器3的功率等等)。因此，需要对各个节流件10、11、12进行单独的设计。在此最重要的是，经由基本节流件10总是必须实现尽可能最大占比的总节流效果，进而实现尽可能最大占比的关闭时间。其中一个原因是，通过将基本节流件10直接布置在液压缸6的打开侧内，使得即使在例如打开控制侧出现线路断裂时(也就是基本节流件10与泵设施2之间的线路断裂)也确保了对关闭时间的限制。
由于存储器5直接布置在缸6的关闭侧并且在那里严格按照规定地充当“缓冲器”作用，使得甚至在出现假设泵驱动器3向关闭的方向超过了限定的最大转速的故障的情况下，也经由基本节流件10来限制工作时间。由于泵输送量的增加只是缓慢地提高了存储器5中的压力。
为了保护所述设备免受不允许的高压，可以分别在关于液压缸6的打开和关闭侧安装可选的限压阀30、31。显然，限压阀31也可以集成在存储器5中。
存储器充载功能：
存储器5借助相应的水平及压力传感器监控它的填充度或它的系统压力。存储器5中的油体积和压力在运行时无论液压缸6的位置如何都保持在限定的最高水平上。在使用同步缸(见上文)的情况下，或者说当没有另外的外部的消耗器经由可选的联接部位40与存储器5联接时，该水平在运行时不变化或者仅很小变化。
然而，为了也能够使用差动缸以及外部的消耗器，存储器可以借助转速可变的驱动器3和电驱控的能解除截止的止回阀81、82在运行期间与液压缸6的位置无关地被充载。
为此，先导电磁阀91和92必须处于解除激励的状态下，由此也让能解除截止的止回阀81和82关闭。泵设施2现在被如下地驱控，即，使该泵设施朝着液压缸6的关闭侧的方向进行输送。缸6的定位由此不发生变化，这是因为能解除截止的止回阀81在液压缸6的打开侧内是关闭的，并且因此不会有油能够从液压缸6中溢出。但是止回阀82朝着闭合的方向会被穿流而过，由此使得压力提升，并且使存储器5被“充载”。对此所需要的差额油量被泵设施2经由相应的线路从收集和补偿容器1吸取走。
如果在充载期间需要调节过程，那么该调节过程优先于充载过程。从安全技术的角度看这不是问题，这是因为水平和压力监控的相应切换点确保了，在可能的紧急关闭状况下，存储器中总是有足够的体积或压力。通过激励先导阀91和92并且驱控转速可变的驱动器3，能够立即再次实施调节运动。
存储器充载功能在正常的运行期间和液压机器停机期间是激活的。于是确保了总是为可能的紧急关闭情况提供相应的安全保障，以及在液压机器启动时能够尽可能快速地提供该功能供使用。
可选的快速关闭功能：
一般而言，泵设施2在泵的大小、转速和功率方面如下地设计，即，使得对于各个应用场合所需要的液压缸6的打开和关闭时间仅经由泵驱动器3就可以完成。
当例如存在大的液压缸体积量，并且与关闭时间相比打开时间可能需要明显更长，以便让泵设施2的和泵驱动器3的规格尺寸保持得尽可能小(空间比例关系、替换件成本等等)时，泵设施和泵驱动器如下这样地设计，即，使得液压缸6只能以最少的打开时间来完成。
为了然后实现更快速的关闭时间(例如在使用水力调节器的情况下的减载期间)，可选地设置有快速关闭磁阀20，其位于与紧急关闭磁阀72同一液压线路中。通过接通该阀20，现在可以利用存储器体积进行关闭。在此，快速关闭磁阀20被激励，由此使得紧急关闭阀71打开。同时通过该关闭磁阀而液压地分离了通向先导阀91和92的压力传送，从而让控制线路中的能解除截止的止回阀81和82也关闭。泵设施2现在可以在这个过程期间以最大的输送量朝关闭的方向被控制。通过泵设施2的辅助，使得从存储器5中提取的油量最小化。此外还有以下优点，即，存储器5被排空得不太强，并且由于存储器5中初始压力与最终压力之间的差距较小，使得能够更准确地调制经由直接在液压缸6上的基本节流件10来限定的关闭时间。
例如为了在水涡轮机中减载以后具有能够再次使机器同步的可能性，当实现限定的打开时，快速关闭阀20被再次解除激励。与此同时，“精细调节”现在再次被转移给转速可变的泵驱动器3，并且使机器可以再次同步。
在当前状态下，由于关闭过程和无法经由泵设施2提供全部的体积的事实，使得存储器被排空了如下量，该量小于直至相应的液压缸定位所需要的油量。存储器5中的压力和油量在此总是足以能够执行可能必要的紧急关闭。尽管如此，在这种状况下，存储器5仍尽可能快地再次被补满。因为在同步化过程期间和之后并且涡轮机重新推动到相应缸位置上时，调节器是激活的，并且由此使泵设施2不应被用于对存储器5进行充载，所以在这种情况下可以这样做：
在泵设施2将液压缸6推动到相应的打开期间，先导电磁阀91和92处于解除激励的状态。因此，打开侧的止回阀81可以被穿流过，关闭侧的止回阀82保持被截止。由此使得在被推动时所推挤出去的油从液压缸6直接被挤压回到存储器5中。为此所需要的油量由泵设施2经由相应的线路从收集和补偿容器1吸取。如果存储器5达到它的标称填充度，那么相应的止回阀81和82被打开，并且液压缸6可以在不继续填充存储器5的情况下移行到其最终定位上。
加热功能：
在低于限定的油温值时，经由泵设施2通过打开能解除截止的止回阀81和82引发调节。由此，产生了用来为系统加热的热。

Claims (8)

1.用于调节液压机器的设备，所述设备包括泵设施(2)、转速可变的泵驱动器(3)、存储器(5)、液压缸(6)、紧急关闭阀(71)、两个能解除截止的止回阀(81、82)和两个用于使所述止回阀(81、82)解除截止的先导阀(91、92)，其中，所述泵设施(2)包括两个具有能逆转的输送方向的泵，所述泵与所述转速可变的泵驱动器(3)连接，使得所述泵能通过所述泵驱动器(3)沿两个输送方向来驱动，其特征在于，所述设备还包括收集和补偿容器(1)、紧急关闭磁阀(72)和至少两个节流件(10、11、12)，其中，第一泵的第一接口与所述液压缸(6)的打开侧连接，而第二泵的第一接口与所述液压缸(6)的关闭侧连接，并且其中，所述泵的剩余的接口分别与所述收集和补偿容器(1)连接，从而在所述泵驱动器(3)的驱动方向上，所述第一泵能将液压液体从所述收集和补偿容器(1)朝着所述液压缸(6)的方向输送，而所述第二泵能将液压液体从所述液压缸(6)这侧输送到所述收集和补偿容器(1)中，并且其中，所述收集和补偿容器(1)与所述液压缸(6)的打开侧连接，而所述存储器(5)与所述液压缸(6)的关闭侧连接，并且所述紧急关闭阀(71)布置在所述液压缸(6)与所述收集和补偿容器(1)之间的线路中，并且各有一个能解除截止的止回阀(81、82)位于其中一条从泵到液压缸(6)的线路中并被定向成在所述止回阀(81、82)的每个状态下都能使液压液体朝着所述液压缸(6)的方向穿行，并且所述设备还包括将所述存储器(5)分别与两个止回阀(81、82)和所述紧急关闭阀(71)连接以便能使所述止回阀(81、82)解除截止并且能关闭所述紧急关闭阀(71)的线路，其中，这些线路至少经由其中布置有所述紧急关闭磁阀(72)的子区段形成唯一的线路，以便在液压机组运行期间是永久性激励的且在该位置中是能通行的，并且其中，所述先导阀(91、92)分别布置在所述存储器(5)与所述止回阀(81、82)之间的线路的单独延伸的子区段中并且以能电驱控的方式构造，并且其中，一个节流件(10)位于通向所述液压缸(6)的打开侧的线路中，从而在所述液压缸(6)每次运动时被液压液体穿流过，而另一节流件(11、12)要么位于所述收集和补偿容器(1)与通入从所述泵设施(2)到所述液压缸(6)的打开侧的线路中的通口之间的线路中，要么位于所述存储器(5)与通入从所述泵设施(2)到所述液压缸(6)的关闭侧的线路中的通口之间的线路中。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括另外的节流件(11、12)，所述另外的节流件要么位于所述收集和补偿容器(1)与通入从所述泵设施(2)到所述液压缸(6)的打开侧的线路中的通口之间的线路中，要么位于所述存储器(5)与通入从所述泵设施(2)到所述液压缸(6)的关闭侧的线路中的通口之间的线路中，从而使这两条线路中的每一条线路中都有节流件(11、12)。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括两个限压阀(30、31)，所述两个限压阀中各有一个限压阀联接在其中一条在所述能解除截止的止回阀(81、82)与所述液压缸(6)之间的线路上。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括能电驱控的磁阀(20)，所述能电驱控的磁阀与所述紧急关闭磁阀(72)布置在同一线路中，并且被构造成使得其在电激励时能将所述紧急关闭阀(71)打开并且能将所述先导阀(91、92)与所述存储器(5)脱耦。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于另外的紧急关闭阀的、与所述紧急关闭磁阀(72)布置在同一线路中的联接部位(50)。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于另外的液压液体消耗器的、布置在从所述存储器(5)到所述液压缸(6)的线路中的联接部位(40)。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其特征在于，所述液压缸(6)制作成同步缸，并且所述泵设施(2)的泵每转输送相同量的液压液体。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其特征在于，所述液压缸(6)制作成差动缸，并且所述泵设施(2)的泵每转输送不同量的液压液体，其中，输送量比例与所述液压缸(6)关于关闭侧和打开侧的体积比例相匹配。
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