CN111092515A - 一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置 - Google Patents

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Abstract

一种集成式机电‑液压驱动与储能一体化作动装置，其特征是在机电‑液压作动器的左侧连通设置有机电驱动与储能系统、右侧连通设置有液压驱动与储能系统，利用机电作动系统的高能效、高精度控制以及液压驱动功率密度大的优势，将机电驱动和液压驱动的优势集于一体，弥补了两种驱动的不足，增强了作动器的功率/重量比，实现了高能效、高精度驱动，解决了传统机电作动器难以适应重载、冲击振动的不足，同时增加了储能系统，将作动器工作过程中的能量进行了回收利用。

Description

一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置
技术领域
本发明涉及一种机电液一体化传动设备，具体是一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置。
背景技术
现代工业和装备制造业发展迅速，对提高作动系统的能效提出要求，传统液压驱动存在节流损失大、能量浪费严重、定位精度差等问题，因此高能效的机电作动器日益增多，机电作动器是将伺服电机与滚珠丝杠一体化集成的电-机械作动器，功能是将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，相较于传统的液压缸，机电作动器具有传动效率高、定位精度高、可靠性和安全性高、运行稳定、使用寿命长、响应快、同步性好等优点。
但是现有的机电作动器最大的不足是承载能力弱，主要用于小型机械和轻载的场合，难以用于冲击负载和重载场合，例如注塑机锁模力系统、挖掘机重载举升机构都需要较大功率，机电作动器并不适用，有些公司通过加大伺服电机功率的途径来实现，但带来的问题是电机占用空间变大、成本提高，在一些安装尺寸受限的场合并不适用，经济性也较差。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，以进一步增强整个作动器的功率密度以及承载能力，并通过机电-液压的复合驱动，提高作动器功率/重量比，在适应冲击和重载场合的同时，实现能量回收利用，将外负载力的能量转换为电能和液压能存储起来，保证作动器高效节能运行。
本发明上述目的是通过以下技术方案实现的。
一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，包括集成式机电-液压作动器、机电驱动与储能系统、液压驱动与储能系统、伺服电机、电机支座、减速器箱、底座耳环、滚珠丝杠传动箱、机电推杆、机电推杆耳环、液压活塞杆耳环、液压活塞杆、液压缸筒、液压缸筒耳环、液压缸筒支架；
所述伺服电机通过螺栓安装在电机支座上，电机支座通过螺栓安装在减速器箱的一侧，滚珠丝杠传动箱安装在减速器箱的另一侧，底座耳环焊接在减速器箱底部，机电推杆与机电推杆耳环焊接为一个整体，液压活塞杆与液压活塞杆耳环连接为一个整体，液压活塞杆耳环连接在机电推杆耳环的凸台上，焊接或是螺栓连接，液压缸筒与液压缸筒耳环焊接为一个整体，液压缸筒耳环套在减速器箱侧面的凸台上，焊接或是螺栓连接，液压缸筒支架通过螺栓安装在机电作动器的滚珠丝杠传动箱上，对液压缸筒加固；所述伺服电机通过电源线与机电驱动与储能系统连接，所述液压缸筒通过液压管路与液压驱动与储能系统连接。
所述减速器箱中，是齿轮减速器，或是同步带减速器；
所述机电驱动与储能系统中，储能元件是蓄电池，或是超级电容；
所述液压驱动与储能系统中，是阀控驱动与储能系统，或是泵控驱动与储能系统，或是其他液压驱动与储能系统的一种。
工作过程中，机电驱动与储能系统驱动伺服电机运行，伺服电机通过减速器箱将扭矩传递给滚珠丝杠装置，滚珠丝杠装置将旋转运动转为直线运动，推动机电推杆伸出，与此同时，液压驱动与储能系统向作动器输入液压能，液压活塞杆在液压力的作用下伸出，机电推杆和液压活塞杆共同驱动外部执行器，达到机电驱动高控制精度和液压驱动高功率密度的优势，当集成式机电-液压驱动与储能一体化作动器的推杆在外力作用下缩回时，滚珠丝杠装置将机电推杆缩回的直线运动转为旋转运动，再通过减速器箱带动伺服电机发电，然后将电能存储到机电驱动与储能系统中，与此同时，液压活塞杆缩回时将高压油液压入液压驱动与储能系统中，以液压能形式存储起来，回收的电能和液压能可供下次驱动使用，达到节能的效果。
本发明与现有机电驱动或液压驱动技术相比，具有如下的突出的实质性特点和显著的进步。
首先是本发明充分利用机电作动系统的高能效、高精度控制以及液压驱动功率密度大的优势，将机电驱动和液压驱动的优势集成与一体，同时弥补了两种驱动方式的不足，增强了作动器的功率/重量比，实现了高能效、高精度驱动，解决了传统机电作动器难以适应重载、冲击振动的不足。
其次是本发明在控制作动器大小和伺服电机功率的前提下提高了作动器的承载能力，以适用安装尺寸受限且重载、冲击、振动的场合，进一步在恶劣环境下无故障长期工作，实现高强度、高速度、高精度运动，同时增加了储能系统，将作动器工作过程中的能量进行回收，进一步实现节能。
第三是本发明采用多种机电驱动与储能系统和液压驱动与储能系统，以进行模块化设计，拆装方便，适用性强。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意图。
图2是本发明不含驱动与储能系统的立体结构示意图。
图3是本发明不含驱动与储能系统的另一种结构形式的立体结构示意图。
图4是本发明第一实施方式原理结构示意图。
图5是本发明第二实施方式原理结构示意图。
图中：1-集成式机电-液压作动器；2-机电驱动与储能系统；3-液压驱动与储能系统；4-伺服电机；5-电机支座；6-减速器箱；7-底座耳环；8-滚珠丝杠传动箱；9-机电推杆；10-机电推杆耳环；11-液压活塞杆耳环；12-液压活塞杆；13-液压缸筒；14-液压缸筒耳环；15-液压缸筒支架；16-逆变器；17-平滑电容；18-直流母线；19-整流器；20-三相交流电；21-DC-DC变换器；22-超级电容；23-二位三通阀；24-蓄能器；25-二位二通阀；26-第Ⅰ单向阀；27-第Ⅱ单向阀；28-三位四通阀；29-油箱；30-异步电机；31-变量液压泵；32-安全阀。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。
如附图1和附图2所示，一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，是由机电-液压作动集成器1、机电驱动与储能系统2、液压驱动与储能系统3、伺服电机4、电机支座5、减速器箱6、底座耳环7、滚珠丝杠传动箱8、机电推杆9、机电推杆耳环10、液压活塞杆耳环11、液压活塞杆12、液压缸筒13、液压缸筒耳环14、液压缸筒支架15等组成。
所述伺服电机通过螺栓安装在电机支座上，电机支座通过螺栓安装在减速器箱的一侧，滚珠丝杠传动箱安装在减速器箱的另一侧，底座耳环焊接在减速器箱底部，机电推杆与机电推杆耳环焊接为一个整体，液压活塞杆与液压活塞杆耳环焊接为一个整体，液压活塞杆耳环套在机电推杆耳环的凸台上，焊接或是螺栓连接，液压缸筒与液压缸筒耳环焊接为一个整体，液压缸筒耳环套在减速器箱侧面的凸台上，焊接或是螺栓连接，液压缸筒支架通过螺栓安装在机电作动器的滚珠丝杠传动箱上，对液压缸筒加固。所述伺服电机通过电源线和机电驱动与储能系统连接，所述液压缸筒通过液压管路和液压驱动与储能系统连接。
所述减速器箱，是齿轮减速器，或是同步带减速器。
所述机电驱动与储能系统，储能元件是蓄电池，或是超级电容。
所述液压驱动与储能系统，是阀控驱动与储能系统，或是泵控驱动与储能系统，或是其他液压驱动与储能系统的一种。
工作过程中，机电驱动与储能系统驱动伺服电机运行，伺服电机通过减速器箱将扭矩传递给滚珠丝杠装置，滚珠丝杠装置将旋转运动转为直线运动，推动机电推杆伸出，与此同时，液压驱动与储能系统向作动器输入液压能，液压活塞杆在液压力的作用下伸出，机电推杆和液压活塞杆共同驱动外部执行器，达到机电驱动高控制精度和液压驱动高功率密度的优势。当集成式机电-液压驱动与储能一体化作动器的推杆在外力作用下缩回时，滚珠丝杠装置将机电推杆缩回的直线运动转为旋转运动，再通过减速器箱带动伺服电机发电，然后将电能存储到机电驱动与储能系统中，与此同时，液压活塞杆缩回时将高压油液压入液压驱动与储能系统中，以液压能的形式存储起来，回收的电能和液压能可供下次驱动使用，达到节能的效果。
如附图3所示，一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置的另外一种形式，是将一个机电作动器和两个液压集成为一体，两个液压缸并列安装在机电作动器的两侧，可以提供更大的液压驱动力。
实施例1
如附图4所示为一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，集成式机电-液压作动器1的连接方式和图1相同，故不赘述。机电驱动与储能系统2中包括逆变器16、平滑电容17、直流母线18、整流器19、三相交流电20、DC-DC变换器21、超级电容22，液压驱动与储能系统3包中括二位三通阀23、蓄能器24、二位二通阀25、第Ⅰ单向阀26、第Ⅱ单向阀27、三位四通阀28、油箱29、异步电机30、变量液压泵31、安全阀32。
机电驱动与储能系统中，逆变器的输出端连接电源线，逆变器的输入端输入通过直流母线和整流器的输出端连接，平滑电容和直流母线连接，DC-DC变换器一端连接直流母线，另一端连接超级电容，整流器的输入端连接三相交流电。
液压驱动与储能系统中，异步电机输出轴连接变量液压泵，变量液压泵的出油口连接三位四通阀的P口、吸油口连接油箱，安全阀的进油口和出油口分别连接三位四通阀的T口和油箱，三位四通阀的B口通过液压管路连接液压缸筒的小腔，二位三通阀的三个油口分别连接液压缸筒的大腔、三位四通阀的A口、第Ⅰ单向阀的进油口，第Ⅰ单向阀的出油口连接蓄能器和二位二通阀，二位二通阀的另一油口连接第Ⅱ单向阀的进油口，第Ⅱ单向阀的出油口连接变量液压泵的出油口。
工作过程中，机电驱动与储能系统向集成式机电-液压作动器的伺服电机供电，液压驱动与储能系统向集成式机电-液压作动器输入高压油液，集成式机电-液压作动器在电机扭矩力和液压缸液压力的作用下伸出推杆，驱动外负载。当集成式机电-液压作动器在外负载力作用下缩回推杆时，将外部的动能或势能转换为电能存储在超级电容中、转换为液压能存储在蓄能器中。
实施例2
如附图5所示，一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，另一种实施例的机电驱动与储能系统与实施例1相同，故不赘述。液压驱动与储能系统中，液压缸筒大腔直接连接蓄能器，液压缸筒小腔直接连接油箱。这种实施方式可以应用在只存在阻抗伸出和超越收回工况的机器中，例如挖掘机动臂、叉车等。工作过程中，预先向蓄能器充入预充压力，伺服电机和蓄能器共同驱动作动器的推杆伸出，当推杆缩回时，外部的动能或势能可转化为液压能直接存入蓄能器，这种方式的液压驱动与储能系统中省去了液压阀，消除了节流损失，进一步节能。
显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

Claims (5)

1.一种集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，包括集成式机电-液压作动器、机电驱动与储能系统及液压驱动与储能系统；其特征在于：所述集成式机电-液压作动器（1）的左侧连通设置有机电驱动与储能系统（2），右侧连通设置有液压驱动与储能系统（3）；
所述集成式机电-液压作动器（1）是将伺服电机通过螺栓安装在电机支座上，电机支座通过螺栓安装在减速器箱的一侧，滚珠丝杠传动箱安装在减速器箱的另一侧，底座耳环焊接在减速器箱底部，机电推杆与机电推杆耳环焊接为一个整体，液压活塞杆与液压活塞杆耳环连接为一个整体，液压活塞杆耳环连接在机电推杆耳环的凸台上，焊接或是螺栓连接，液压缸筒与液压缸筒耳环焊接为一个整体，液压缸筒耳环套在减速器箱侧面的凸台上，焊接或是螺栓连接，液压缸筒支架通过螺栓安装在机电作动器的滚珠丝杠传动箱上，对液压缸筒加固；
所述伺服电机通过电源线与机电驱动与储能系统连接，所述液压缸筒通过液压管路与液压驱动与储能系统连接；
所述机电驱动与储能系统（2）是为伺服电机提供电力和回收电能的装置，逆变器的输出端连接电源线，逆变器的输入端输入通过直流母线和整流器的输出端连接，平滑电容和直流母线连接，DC-DC变换器一端连接直流母线，另一端连接超级电容，整流器的输入端连接三相交流电；
所述液压驱动与储能系统（3）是提供液压能和回收液压能的装置，异步电机输出轴连接变量液压泵，变量液压泵的出油口连接三位四通阀的P口、吸油口连接油箱，安全阀的进油口和出油口分别连接三位四通阀的T口和油箱，三位四通阀的B口通过液压管路连接液压缸筒的小腔，二位三通阀的三个油口分别连接液压缸筒的大腔、三位四通阀的A口、第Ⅰ单向阀的进油口，第Ⅰ单向阀的出油口连接蓄能器和二位二通阀，二位二通阀的另一油口连接第Ⅱ单向阀的进油口，第Ⅱ单向阀的出油口连接变量液压泵的出油口，或是直接采用一个液压蓄能器和一个油箱分别连接集成式机电-液压作动器中液压缸筒的两个油口，被动驱动和回收能量。
2.如权利要求1所述的集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，其特征在于：所述减速器箱（6）中的减速器是齿轮减速器，或是同步带减速器。
3.如权利要求1所述的集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，其特征在于：所述机电驱动与储能系统（2）中的储能元件是蓄电池，或是超级电容。
4.如权利要求1所述的机集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，其特征在于：所述液压驱动与储能系统（3）是阀控液压驱动与储能系统，或是泵控液压驱动与储能系统，或是其他液压驱动与储能系统中的一种。
5.如权利要求1所述的集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置，其特征在于：所述集成式机电-液压驱动与储能一体化作动装置工作方法如下：
机电驱动与储能系统（2）驱动伺服电机（4）运行，伺服电机（4）通过减速器箱（6）将扭矩传递给滚珠丝杠传动箱（8），滚珠丝杠传动箱（8）将旋转运动转为直线运动，推动机电推杆（9）伸出，同时液压驱动与储能系统（3）向集成式机电-液压作动器（1）输入液压能，液压活塞杆（12）在液压力的作用下伸出，机电推杆（9）和液压活塞杆（12）共同驱动外部执行器，达到机电驱动高控制精度和液压驱动高功率密度的优势；当机电-液压驱动与储能一体化作动推杆在外力作用下缩回时，滚珠丝杠传动箱（8）将机电推杆（9）缩回的直线运动转为旋转运动，再通过减速器箱（6）带动伺服电机（4）发电，然后将电能存储到机电驱动与储能系统（2）中，同时液压活塞杆（12）缩回时将高压油液压入液压驱动与储能系统（3）中，以液压能形式存储起来，回收的电能和液压能供下次驱动使用，实现节能效果。
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