CN116292455A - 一种高效能量回收液压驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高效能量回收液压驱动系统，针对目前抽油机、挖掘机等领域严重的负载重力势能浪费现象，提出了高效能量回收液压驱动系统。采用包含液压驱动结构和能量回收结构的液压系统与滑轮组结构形成高效能量回收液压驱动系统。采用液压能量回收结构回收负载重力势能，并可通过液压驱动结构释放出回收的能量，实现负载重力势能的回收以及再利用，同时液压驱动系统使得负载速度可调且可以适配重量频繁变化的负载，具有低能耗、效率高且可控性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效能量回收液压驱动系统，尤其适用于负载能量回收领域。
背景技术
很多系统中的负载在运行过程中，存在严重的负载重力势能浪费现象。这类系统的负载往复运动，上半程中负载上行，系统克服负载重力做功，同时负载积累重力势能；下半程中负载下行，重力势能释放，系统无法利用这部分能量，从而产生能量浪费，例如挖掘机的动臂重力势能，抽油机的驴头重力势能等。以工程液压挖掘机为例，据统计，截止到2021年，我国国内挖掘机保有量约为200万台。而数量庞大的挖掘机在带来施工效率提升的同时，也因其能量利用效率低和排放标准低的特点引起了广泛的关注。诸多研究文献指出，传统挖掘机的总效率只有约20％～30％。有研究表明，对于20吨级的挖掘机，一个动臂下放动作中浪费的势能可达178kJ。考虑到挖掘机的销量和市场保有量，其浪费的能量极为巨大。在这样的背景下，深入研究负载势能回收技术，能减少能源消耗，具有重大的现实意义。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种高效能量回收液压驱动系统，该系统主要包括液压系统和滑轮组传动结构两大部分。在负载运动过程中，液压系统中的液压泵通过高压液压油驱动液压缸活塞杆，液压缸活塞杆通过滑轮组提升负载；负载下降时，通过滑轮组拉动液压缸活塞杆，由液压系统把负载重力势能回收到液压系统储能元件中，并在下一个周期负载上行时通过液压系统释放出这部分能量，如此实现负载的往复运动并同时回收利用负载重力势能。
为实现上述目的，本发明为一种高效能量回收液压驱动系统，包括：液压系统与滑轮组传动结构。液压系统包含能量回收结构、驱动结构和传感器系统三部分，能量回收结构负责回收负载重力势能，并将其储存到液压储能元件中；驱动结构负责控制协调液压泵与液压储能元件中储存的负载重力势能两路动力源，驱动液压缸活塞杆升降负载；传感器系统负责实时监测收集液压系统信息，从而可根据传感器信息实时对系统进行调整。滑轮组传动结构包含定滑轮和动滑轮两部分，定滑轮负责把液压缸活塞杆的水平运动转化为负载的竖直运动；动滑轮负责缩短液压缸活塞杆的行程，从而可以使本系统适应一些大行程负载。
液压系统包含驱动结构、能量回收结构和传感器系统三大部分。液压驱动机构包括：液压油箱，吸油滤，液压变量泵，进油单向阀，卸荷阀，高精度过滤器，稳压蓄能器，三位四通阀，液压缸，溢流阀，回油滤。能量回收结构包括：二位三通阀，储能蓄能器，二位二通阀。传感器系统包括：油箱液位计，液压油温度传感器，流量传感器，驱动结构压力传感器，能量回收结构压力传感器。
负载上行过程中，电机驱动液压变量泵从液压油箱中吸入液压油，高压液压油经过高精度过滤器、蓄能器和负载三位四通阀后，进入液压缸有杆腔驱动液压缸活塞杆通过滑轮组提升负载，液压缸无杆腔的液压油则经过负载三位四通阀、二位三通阀和回油滤回到液压油箱，完成负载上行过程；负载下行过程中，负载通过滑轮组拉动液压缸活塞杆，与变量泵共同驱动液压缸有杆腔的液压油经过负载三位四通阀和二位三通阀之后进入储能蓄能器，实现负载重力势能的回收并完成负载下行过程；负载再次上行时，储能蓄能器与变量泵共同驱动液压缸活塞杆提升负载，实现系统回收能量的利用。
液压传感器机构包含两类传感器，一类传感器保证液压系统安全运行，包括：温度传感器、液位计。温度传感器与液位计位于油箱中，用于监测油液温度以及油箱中液压油液位，当液压油温度过高、油箱液位过高或过低时，都应立刻停止系统运行并进行检查。另一类传感器负责液压系统的信息采集，包括：流量传感器、驱动结构压力传感器和能量回收结构压力传感器。流量传感器监测液压系统流量；驱动结构压力传感器监测系统动力液压油压力；能量回收结构压力传感器监测储能蓄能器压力。信息采集传感器为系统控制机构时刻提供整个抽油机系统的关键数据，控制系统依据传感器数据对相应控件做出开关状态切换或数值大小调整控制，使得整个系统能根据动力源状态和负载状态变化做出实时调整，保证整个系统拥有高度可靠性以及较高自动化程度。
本高效能量回收液压驱动系统工作流程：初始时，卸荷阀处于左位卸荷态，三位四通阀处于中位截止态，二位三通阀处于左位，二位二通阀处于右位截止态。当系统初始启动时，由于电机启动时带载能力较差，此时应该让电机带动变量泵无负载空转，在电机启动30s后，即电机运行稳定时，将负载三位四通阀切换至左位，并切换卸荷阀至右位负载态，此时系统进入工作状态，高压液压油驱动液压缸活塞杆向左移动，通过滑轮组，负载开始向上移动。当负载接近其最高位时，降低变量泵排量，从而减小负载速度，使得负载到达最高位时其速度为0，此时切换三位四通阀至右位，同时切换二位三通阀至右位，此时负载开始下行，储能蓄能器开始蓄能，当负载接近其最低位时，调整变量泵排量，减小负载速度，使得负载到达最低位时其速度为0。此时切换三位四通阀至左位，切换二位三通阀至左位，同时切换二位二通阀至左位，把储能蓄能器接入液压动力结构中，释放其中存储的负载重力势能，负载再次上行，负载接近最高位时，降低变量泵排量，从而减小负载速度，使得负载到达最高位时其速度为0，切换三位四通阀至右位，切换二位三通阀至右位，同时切换二位二通阀至右位，负载开始下行并再次向储能蓄能器中储能。如此往复，即可实现负载的升降运动，同时回收利用其重力势能。
优选地，本系统设计有液压能量回收结构，可以回收负载重力势能；
优选地，本系统可以控制液压动力结构与液压能量回收结构的连通与截断，从而实现系统内部对回收负载重力势能的再利用；
优选地，本系统通过变量泵等可调参液压元件，可以实现对负载速度的控制，并可以适配重量频繁变化的负载；
优选地，本系统采用了滑轮组传动，利用定滑轮把负载的竖直运动转化为液压缸活塞杆水平运动的同时，利用动滑轮缩短了活塞杆的行程，对于一些大行程的负载，本系统拥有更大的普适性；
优选地，本系统搭配了全方位传感器系统，可以实时根据负载情况对系统做出相应调整，整个系统具有优良的可靠性及高度自动化特点。
本发明为一种高效能量回收液压驱动系统，系统中液压驱动结构负责驱动负载竖直往复运动，液压能量回收结构负责回收负载下行时的重力势能，并在负载上行时通过驱动机构把回收的能量用于驱动负载提升，从而实现负载势能的回收，达到减少能源消耗的效果。
附图说明
下面结合附图对本发明进行说明。其中：
图1是根据本发明一个实施方式的高效能量回收液压驱动系统液压原理示意图。
具体实施方式
下文将结合附图详细说明本发明的具体实施方式。应当理解，下面的说明的实施方式仅仅是示例性的，而非限制性。
如图1所示，高效能量回收液压驱动系统包括：电动机1、吸油滤2、变量泵3、单向阀4、卸荷阀5、过滤器6、流量传感器7、稳压蓄能器8、驱动结构压力传感器9、三位四通阀10、液压缸11、二位三通阀12、储能蓄能器13、能量回收结构压力传感器14、二位二通阀15、溢流阀16、回油滤17、温度传感器18、液位计19、液压油箱20、动滑轮21、定滑轮22、负载23。
如图1所示，负载上行时，电机1带动变量泵3转动，变量泵3通过吸油滤2从液压油箱20中吸取液压油，液压油经单向阀4到达卸荷阀5，经过过滤器6过滤程序后，经流量传感器7、稳压蓄能器8、驱动结构压力传感器9与三位四通阀10左位后，进入液压缸11有杆腔推动活塞杆向左移动，活塞杆通过动滑轮21与定滑轮22带动负载23向上移动，同时推动液压缸11无杆腔液压油经过三位四通阀10左位、二位三通阀12左位和回油滤17后回到液压油箱20。负载23下行时，此时驱动结构端动力液压油经由三位四通阀10右位进入液压缸11无杆腔，与负载23通过动滑轮21与定滑轮22共同带动液压缸11活塞杆向右移动，液压缸11有杆腔液压油经过三位四通阀10右位与二位三通阀12右位进入储能蓄能器13。负载再次上行时，储能蓄能器13中的液压油经过能量回收结构压力传感器14与二位二通阀15左位后，作为一路动力源，与驱动结构端高压液压油耦合，共同经过三位四通阀10左位进入液压缸11有杆腔带动负载23向上移动，无杆腔液压油经过三位四通阀10左位、二位三通阀12左位和回油滤17后回到液压油箱20。如此往复，实现负载23的升降运动并同时回收利用其重力势能。流量传感器7用于监测液压系统流量；蓄能器8负责吸收液压系统波动，起到稳定液压系统压力的作用；驱动结构压力传感器9负责监测液压系统驱动结构油液压力；储能蓄能器13负责存储回收的负载重力势能；能量回收结构压力传感器14负责监测储能蓄能器13中油液压力大小；位于液压油箱20中的温度传感器18与液位计19分别负责监测液压油温度与油箱中液压油液位。液压系统中的溢流阀16用于限定液压系统最高压力，保证整个液压系统安全。
基于该公开，在图示和说明特征的配置和操作序列中的许多变形对于本领域技术人员而言是明显的。因而，应当领略的是，在不偏离权利要求主题的精神和范畴的情况下，可以对本专利做出各种改变。
Claims (1)
1.一种高效能量回收液压驱动系统，其特征在于包括：电动机(1)、吸油滤(2)、变量泵(3)、单向阀(4)、卸荷阀(5)、过滤器(6)、流量传感器(7)、稳压蓄能器(8)、驱动结构压力传感器(9)、三位四通阀(10)、液压缸(11)、二位三通阀(12)、储能蓄能器(13)、能量回收结构压力传感器(14)、二位二通阀(15)、溢流阀(16)、回油滤(17)、温度传感器(18)、液位计(19)、液压油箱(20)、动滑轮(21)、定滑轮(22)、负载(23)；
负载上行时，电机(1)带动变量泵(3)转动，变量泵(3)通过吸油滤(2)从液压油箱(20)中吸取液压油，液压油经单向阀(4)到达卸荷阀(5)，经过过滤器(6)过滤后，经流量传感器(7)、稳压蓄能器(8)、驱动结构压力传感器(9)与三位四通阀(10)左位后，进入液压缸(11)有杆腔推动活塞杆向左移动，活塞杆通过动滑轮(21)与定滑轮(22)带动负载(23)向上移动，同时推动液压缸(11)无杆腔液压油经过三位四通阀(10)左位、二位三通阀(12)左位和回油滤(17)后回到液压油箱(20)；负载(23)下行时，电机(1)带动变量泵(3)转动，变量泵(3)通过吸油滤(2)从液压油箱(20)中吸取液压油，液压油经单向阀(4)到达卸荷阀(5)，经过过滤器(6)过滤程序后，经流量传感器(7)、稳压蓄能器(8)、驱动结构压力传感器(9)与三位四通阀(10)右位进入液压缸(11)无杆腔，与负载(23)通过动滑轮(21)与定滑轮(22)共同带动液压缸(11)活塞杆向右移动，液压缸(11)有杆腔液压油经过三位四通阀(10)右位与二位三通阀(12)右位进入储能蓄能器(13)；负载再次上行时，储能蓄能器(13)中的液压油经过能量回收结构压力传感器(14)与二位二通阀(15)左位后，作为一路动力源，与驱动结构端高压液压油耦合，共同经过三位四通阀(10)左位进入液压缸(11)有杆腔带动负载(23)向上移动，无杆腔液压油经过三位四通阀(10)左位、二位三通阀(12)左位和回油滤(17)后回到液压油箱(20)；如此往复，实现负载(23)的升降运动并同时回收利用其重力势能；流量传感器(7)用于监测液压系统流量；蓄能器(8)负责吸收液压系统波动，起到稳定液压系统压力的作用；驱动结构压力传感器(9)负责监测液压系统驱动结构油液压力；储能蓄能器(13)负责存储回收的负载重力势能；能量回收结构压力传感器(14)负责监测储能蓄能器(13)中油液压力大小；位于液压油箱(20)中的温度传感器(18)与液位计(19)分别负责监测液压油温
度与油箱中液压油液位；液压系统中的溢流阀(16)用于限定液压系统最高压力，
保证整个液压系统安全。
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