CN113251013A - 一种步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压节能技术领域，涉及一种步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，包括双旋向液压泵、差动液压缸、双旋向伺服电机、蓄能器组，所述双旋向液压泵具有两个压力油口端，分别连接蓄能器组及差动液压缸；所述双旋向伺服电机用于控制所述双旋向液压泵的输出流量和方向。本发明采用电液直驱伺服技术结合蓄能器组和电能储能装置进行差动液压缸的升降运动控制，采用差动液压缸控制方法，简化了传动控制原理，延长了液压缸的使用寿命，提高了驱动系统运动特性，无阀控节流损失，同时对重力势能和伺服电机制动能量进行回收利用，相对传统节能技术，节能效率更高，系统更简单，可靠性更高，投资更省，运行维护成本更低。

Description

一种步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统

技术领域

本发明属于液压节能技术领域，涉及一种步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统。

背景技术

步进升降机构广泛应用于各个行业，部分重载工况的步进升降机构通常选用液压驱动，譬如步进式加热炉、步进梁运输机、步进式冷床等。目前，该类步进升降机构在上升阶段采用的是液压站供油，通过液压阀节流调速控制上升速度，存在上升阶段的节流损失，增大了上升阶段的能耗；下降时靠自重或者加辅助背压驱动，通过液压阀节流控制下降速度，产生大量的节流发热，造成了能源的极大浪费。

也有部分步进升降机构采用了传统节能技术，主要分为两类，第一类单独增加平衡液压缸，平衡负载重力，从而减小液压缸驱动力，此种方法需要改变步进梁结构，同时增加了系统复杂性；第二类采用三腔液压缸替换原有升降液压缸，通过三腔液压缸的第三控制腔平衡负载重力，达到节能的效果，此种方法三腔液压缸的结构复杂，故障率高。这些传统节能技术仍然存在较大的节流能量损失和效率损失，系统复杂，维护量大，故障率高等缺点。

随着微电子技术和交流变频调速技术的迅速发展，加之伺服电动机材料、结构及控制理论有了突破性的进展，伺服电动机的响应特性和控制精度得到了极大地提高，成本也大幅下降，出现了一种新型的驱动方式，即电液直驱伺服系统。目前典型的电液直驱伺服系统采用伺服电机驱动双向液压泵，通过改变伺服电机的转速和旋向来改变双向液压泵的输出流量和方向，通过控制伺服电机的扭矩来控制系统压力，从而实现执行机构的换向、调速、调压三大功能，由于这三种功能直接由伺服电机控制，不需要常规的电液伺服阀、换向阀，从而对油液清洁度的要求大大降低。与传统液压系统相比，电液直驱系统具有伺服电机传动控制灵活、电气传动能耗低和可靠性高等多重优点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，采用电液直驱伺服技术结合蓄能器组和电能储能装置进行差动液压缸的升降运动控制，从而简化传动控制原理。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，包括双旋向液压泵、差动液压缸、双旋向伺服电机、蓄能器组，所述双旋向液压泵具有两个压力油口端，分别连接蓄能器组及差动液压缸；所述双旋向伺服电机用于控制所述双旋向液压泵的输出流量和方向。

可选的，所述双旋向液压泵为双旋向定量液压泵或者双旋向变量液压泵，且具有泵工况和马达工况两种待切换功能。

可选的，所述差动液压缸的上腔与下腔相连，形成差动连接。

可选的，所述差动液压缸上设置有采集其活塞杆伸缩位移的位移传感器，且所述差动液压缸的活塞杆的输出端连接有负载。

可选的，还包括与所述双旋向伺服电机相连的电能储能装置，在所述双旋向伺服电机处于制动发电机状态时，所产生的电能储存在电能储能装置中，供双旋向伺服电机做功时使用。

可选的，所述蓄能器组包括至少一个液压蓄能器，所述差动液压缸下降过程中的势能由双旋向液压泵压入蓄能器中存储，所述差动液压缸上升过程中由双旋向液压泵吸入由所述蓄能器组释放的压力油。

可选的，所述蓄能器组上设置有第一压力传感器。

可选的，还包括安全阀、闭式压力油箱、间歇补油泵组，所述安全阀的进油口与差动液压缸连接，所述安全阀的出油口通过所述闭式压力油箱连接至所述间歇补油泵组的吸油口，所述间歇补油泵组的出油口连接至蓄能回收器。

可选的，所述闭式压力油箱为与大气隔离的低压密闭油箱。

可选的，所述闭式压力油箱上设有第二压力传感器，以检测其工作压力。

可选的，所述间歇补油泵组与所述闭式压力油箱以及所述蓄能器组之间均设有单向阀。

可选的，所述差动液压缸与所述双旋向液压泵之间设有电磁切断阀。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用电液直驱伺服技术控制差动液压缸进出流量，从而对差动液压缸实现升降运动控制，简化了传动控制原理，无节流损失，节省了系统能耗，降低了系统运行成本；

2、本发明实现了步进升降负载重力势能和伺服电机制动能量回收和再利用，降低了系统油液温升，减小了装机功率，进一步提高了节能效果；

3、本发明通过电液直驱伺服技术补偿升降载荷变化对重力势能回收蓄能器的工作压力的变化要求，重力势能回收蓄能器可采用一种工作压力即可满足升降载荷变化工况，极大简化系统蓄能器配置要求，提高系统可靠性，降低系统整体投资。

当升降载荷过大时，重力势能回收蓄能器压力低于差动液压缸平衡负载压力，差动液压缸上升时伺服电机处于做功工况，差动液压缸下降时伺服电机处于制动发电工况；

当升降载荷过小时，重力势能回收蓄能器压力高于差动液压缸平衡负载压力，差动液压缸上升时伺服电机处于制动发电工况，差动液压缸下降时伺服电机处于做功工况；因此电液直驱伺服技术，可根据工况切换伺服电机工况状态，满足升降负载变化时不同工况的要求；

4、本发明采用差动液压缸方式，仅需一组控制油即可控制差动液压缸的升降运动，无需差动液压缸有杆腔的辅助背压控制油及设备，节省系统投资，减少维护量；

采用差动液压缸方式，由于差动液压缸两腔压力任何时间均相同，差动液压缸活塞杆密封的受力更均匀，有利于延长差动液压缸活塞杆密封寿命；

采用差动液压缸方式，差动液压缸两腔的内泄漏将不影响系统性能，有利于提高势能回收蓄能器内油液总量泄漏时间，从而可减少间歇补油泵组的启动次数及运行时间，更进一步节约能量，同时提高间歇补油泵组的使用寿命；

采用差动液压缸方式，有利于差动液压缸的带载或空载的长时间停位，同时可提高差动液压缸的长时间停位精度。

5、本发明不仅适用于新设备，尤其适用于旧设备的节能改造，在保持原有步进升降机构结构和液压缸形式不变的基础上，升降驱动部分改造为本系统即可达到节能高效的目的，简便易行，可靠性高，且投入少，经济性好。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明实施例二的整体结构示意图。

附图标记：双旋向伺服电机1、双旋向定量液压泵2、第一压力传感器3、势能回收蓄能器4(蓄能器组)、第一单向阀5、间歇补油泵组6、第二单向阀7、闭式压力油箱8、第二压力传感器9、安全阀10、电磁切断阀11、第三压力传感器12、位移传感器13、差动液压缸14、负载15、电能储能装置16、双旋向变量液压泵17。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

请参阅图1，为一种步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统。双旋向伺服电机1连接双旋向定量液压泵2，双旋向伺服电机1的正转带动双旋向定量液压泵2的A口出油，B口吸油；双旋向伺服电机1的反转带动双旋向定量液压泵2的B口出油，A口吸油；双旋向定量液压泵2的A口经过电磁切断阀11与差动液压缸14连接，双旋向定量液压泵2的B口与势能回收蓄能器4连接；间歇补油泵组6吸油口通过第二单向阀7与闭式压力油箱8连接，间歇补油泵组6出油口通过第一单向阀5与势能回收蓄能器4连接；安全阀10进油口与差动液压缸14连接，安全阀10出油口与闭式压力油箱8连接。

势能回收蓄能器4油路上设置有检测油液压力的第一压力传感器3；闭式压力油箱8油路上设置有检测油液压力的第二压力传感器9；差动液压缸14油路上设置有检测油液压力的第三压力传感器12；差动液压缸14上设置有检测差动液压缸位移的位移传感器13。

本实施例中的差动液压缸14可为单出杆液压缸、双出杆液压缸，可以为多个液压缸并联组成。双旋向液压泵可为定量泵、变量泵，结构形式可为齿轮泵、柱塞泵、叶片泵等。电能储能装置16可为超级电容、蓄电池组。蓄能器组4结构形式可为活塞式、皮囊式、隔膜式，可依据工况设置多组。

实施例动作准备过程：在势能回收蓄能器4中填充氮气，氮气压力需达到设定值；在闭式压力油箱8中注入液压油，并排出闭式压力油箱8、差动液压缸14及连接管道中的内部空气；再启动间歇补油泵组6将闭式压力油箱8中的液压油注入势能回收蓄能器4和差动液压缸14中，并排出内部空气，同时持续补充闭式压力油箱8中的液压油；直至势能回收蓄能器4油路上设置有检测油液压力的第一压力传感器3反馈的压力达到设定值，并且闭式压力油箱8与差动液压缸14油路上设置有检测油液压力的第二压力传感器9、第三压力传感器12也达到设定值。

上升动作过程：双旋向伺服电机1正转，带动双旋向定量液压泵2的A口出油，B口从势能回收蓄能器4中吸油；电磁切断阀11得电导通油路，双旋向定量液压泵2的A口出油进入差动液压缸14内，从而驱动差动液压缸14伸出；如上升过程中双旋向伺服电机1出现制动工况，双旋向伺服电机1将处于发电机状态，制动能量由电能储能装置16存储，并输出给后续双旋向伺服电机1处于电机做功状态时使用，达到制动能量回收利用的目的。

下降动作过程：双旋向伺服电机1反转，带动双向定量液压泵18的A口吸油，B口出油并将液压油压入势能回收蓄能器4中进行存储，为伸出阶段提供压力油使用，达到升降负载15重力势能回收再利用的目的；电磁切断阀11得电导通油路，双旋向定量液压泵2的A口从差动液压缸14内吸油，导致差动液压缸14缩回。如下降过程中双旋向伺服电机1出现制动工况，双旋向伺服电机1将处于发电机状态，制动能量由电能储能装置16存储，并输出给后续双旋向伺服电机1处于电机做功状态时使用，达到制动能量回收利用的目的。

停止动作过程：升降机构到达指定位置后，电磁切断阀11失电，电磁切断阀11关闭油路，差动液压缸停止在当前位置。

功能补偿动作过程：当差动液压缸14压力超过安全阀10设定压力时，安全阀10开启，保护双旋向定量液压泵2和差动液压缸14不受高压损坏；当势能回收蓄能器4油路中设置的第一压力传感器3检测的压力低于压力设定值时，启动间歇补油泵组6，将闭式压力油箱8中的油液补充到势能回收蓄能器4，直至第一压力传感器3检测的压力达到设定值；间歇补油泵组6为间歇式工作，只有需要补充油液时才工作，其他时间停止运转；当闭式压力油箱8油路中设置的第二压力传感器9检测的压力低于压力设定值时，说明系统中存在外泄露，检查各连接处，排查处理外泄漏点。

实施例二

请参阅图2，实施例二的方案中采用双旋向变量液压泵17，与实施例一的区别在于双旋向液压泵为双旋向变量液压泵17，可结合具体负载15工况进行双旋向伺服电机转速和变量泵排量的匹配组合，从而减小伺服电机功率，其它工作原理与实施例一相同。

本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：包括双旋向液压泵、差动液压缸、双旋向伺服电机、蓄能器组，所述双旋向液压泵具有两个压力油口端，分别连接蓄能器组及差动液压缸；所述双旋向伺服电机用于控制所述双旋向液压泵的输出流量和方向。

2.根据权利要求1所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：所述双旋向液压泵为双旋向定量液压泵或者双旋向变量液压泵，且具有泵工况和马达工况两种待切换功能。

3.根据权利要求1所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：所述差动液压缸的上腔与下腔相连，形成差动连接。

4.根据权利要求1所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：所述差动液压缸上设置有采集其活塞杆伸缩位移的位移传感器，且所述差动液压缸的活塞杆的输出端连接有负载。

5.根据权利要求1所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：还包括与所述双旋向伺服电机相连的电能储能装置，在所述双旋向伺服电机处于制动发电机状态时，所产生的电能储存在电能储能装置中，供双旋向伺服电机做功时使用。

6.根据权利要求1所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：所述蓄能器组包括至少一个液压蓄能器，所述差动液压缸下降过程中的势能由双旋向液压泵压入蓄能器中存储，所述差动液压缸上升过程中由双旋向液压泵吸入由所述蓄能器组释放的压力油。

7.根据权利要求1所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：所述蓄能器组上设置有第一压力传感器。

8.根据权利要求1所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：还包括安全阀、闭式压力油箱、间歇补油泵组，所述安全阀的进油口与差动液压缸连接，所述安全阀的出油口通过所述闭式压力油箱连接至所述间歇补油泵组的吸油口，所述间歇补油泵组的出油口连接至蓄能回收器。

9.根据权利要求8所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于：所述间歇补油泵组与所述闭式压力油箱以及所述蓄能器组之间均设有单向阀。

10.根据权利要求1所述的步进升降机构电液直驱伺服闭式差动控制驱动系统，其特征在于所述差动液压缸与所述双旋向液压泵之间设有电磁切断阀。

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