CN1987124A - 一种液压配重可变的节能液压升降系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液压配重可变的节能液压升降系统，该系统的核心节能思想为变频变压容积调速和液压配重可变。它包括由变频器、交流异步电动机、定量泵/马达、液压缸或液压马达组成的主回路，由液压蓄能器(液压配重)、变量泵/马达组成的变配重回路。系统运行时，采用变频控制来实现系统所需的优越调速性能和功率适应性；应用变量泵/马达排量可变和液压蓄能器作液压配重的节能原理，将两者结合，形成变配重结构，使配重实时地与负载相匹配；系统中的异步电动机仅用来提供系统效率和摩擦损耗所需的能量，从而大幅度降低的系统的装机功率和能耗；且由于配重实时与负载相匹配，使得升降台在重载下降时的能量全部回充至蓄能器中，无能量浪费。

Description

一种液压配重可变的节能液压升降系统
技术领域
本发明涉及采用液压驱动的升降装置，具体地说是一种液压配重可变的节能液压升降系统。
背景技术
液压升降系统是靠液压缸或液压马达的运动来驱动负载上升或下降的装置，具有载重量大、运行安全平稳、结构简单等优点。其调速方式包括节流阀控和容积调速两种。节流阀控调速是采用节流调速技术来控制系统的运行速度，其优点是系统简洁，控制方便，但存在着系统节流和溢流损失大、油液温升快、系统效率低的缺点；而容积调速则具有功率适应性、能量损失小、效率较高的优点。在容积调速中又以变频器控制电机来拖动定排量泵/马达的变频变压调速(VVVF)最为热点。
采用变频变压调速的液压升降系统虽然具有功率适应性，但系统的装机功率依然由最大负载所需功率决定，因而仍存在着装机功率大的问题。
采用液压蓄能器作液压配重的节能方法应用在液压升降系统中可以达到回收系统多余能量、降低系统装机功率的目的；但由于液压蓄能器的输出功率不可人为实时地改变，且如果单独采用液压蓄能器做液压配重，还存在着蓄能器油液输出过程中其内部油液压力逐渐降低，导致输出功率逐渐减小的缺点，从而达不到与负载所需功率完全匹配的目的，因而系统装机功率仍然较大；目前在采用变频变压(VVVF)控制的升降系统中，还存在着升降台重载下降时产生的多余再生能量一般通过制动电阻消耗掉的问题，因而存在着一定的能量浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液压配重可变的节能液压升降系统。将液压蓄能器与变量泵/马达构成液压变配重装置，通过调节变量泵/马达的排量，使得配重与负载大小实时匹配。
在升降台上升时，将液压蓄能器中存储的压力能通过变量泵/马达转换成机械能(变量泵/马达此时工作在马达工况)，为主回路中定量泵/马达(变量泵/马达此时工作在泵工况)及交流异步电动机轴系提供驱动力矩和能量，该驱动力矩与负载所需的有效力矩相等，电动机提供力矩仅用来克服升降台上升时系统的效率和摩擦损耗；升降台下降时，负载重力势能转化为油液压力能，通过主回路中定量泵/马达向变配重回路中变量泵/马达提供驱动力矩和能量(变量泵/马达工作在泵工况)，最终将负载重力势能全部转化为液压蓄能器压力能存储起来，电动机提供力矩同样仅用来克服升降台下降时系统的效率和摩擦损耗，从而达到降低装机功率和能耗、减少能量损失的目的。系统控制原理表达式如下：
功率平衡方程：
pL·QL＝TLΩ＝TAΩ＝pA·QA
则变量泵/马达的流量控制方程为：
Q A = p L p A · Q L
同理，变量泵/马达的排量控制方程为：
q A = p L p A · q L
式中：pL——负载压力；
QL——负载运行所需的流量；
TL——负载作用在主回路定量泵/马达上的力矩；
Ω——定量泵/马达、变量泵/马达、电动机的角速度；
pA——液压蓄能器内油液压力；
QA——变量泵/马达的流量；
TA——液压蓄能器内油液压力作用在变量泵/马达上的力矩；
qA——变量泵/马达的流量；
qL——定量泵/马达的排量；
由变量泵/马达排量控制方程可知，通过实时检测负载压力和液压蓄能器内油液压力，作为输入信号，控制变量泵/马达的排量，即可实现功率匹配。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
利用变量泵/马达排量可变和液压蓄能器两者结合形成液压变配重回路，并将其中的变量泵/马达通过第一联轴器与液压系统主回路中的定量泵/马达同轴联结，控制器通过三个压力传感器得到压力检测信号，发出二位二通电磁阀通断的控制信号，通过信号线输出配重回路变量泵/马达排量的控制信号，通过速度控制信号线向变频器输出电动机转速和转向的控制信号。
1)所述的主回路：由交流矢量变频器、定量泵/马达、交流异步电动机、光电编码器、主回路二位二通电磁阀、主回路防吸空单向阀、主回路安全阀和液压缸或液压马达组成；
2)所述的变配重回路：由液压蓄能器、变配重回路二位二通电磁阀、变量泵/马达、变配重回路防吸空单向阀、变配重回路安全阀和手动放油阀组成；
3)变量泵/马达通过第一联轴器、交流异步电动机通过第二联轴器与定量泵/马达同轴连接，实现相同的转速；
4)系统液压回路中的检测及控制信号由控制器接收和发出，通过第一压力传感器及第一压力传感器信号线检测液压蓄能器内的油液压力；通过第二压力传感器及第二压力传感器信号线检测定量泵/马达P1油口的油液压力；通过第三压力传感器及第三压力传感器信号线检测液压缸或液压马达内的负载油液压力；通过第一电磁阀信号线向变配重回路的二位二通电磁阀输出通电和断电指令；通过第二电磁阀信号线向主回路二位二通电磁阀输出通电和断电指令；通过变量泵/马达排量控制信号线控制变配重回路变量泵/马达的排量；通过速度控制信号线向变频器输出电动机转速和转向指令。
本发明具有的有益效果是：应用变量泵/马达排量可变和液压蓄能器作液压配重的节能原理，将两者结合，形成变配重结构，使配重实时地与负载相匹配；系统中的异步电动机仅用来提供系统效率和摩擦损耗所需的能量，从而大幅度降低的系统的装机功率和能耗；且由于配重实时与负载相匹配，使得升降台在重载下降时的能量全部回充至蓄能器中，无能量浪费。
附图说明
附图是本发明的一种液压配重可变的节能液压升降系统结构原理示意图。
图中：1.油箱，2.变配重回路防吸空单向阀吸油管路，3.变量泵/马达第一吸油管路，4.变量泵/马达吸油过滤器，5.变量泵/马达第二吸油管路，6.定量泵/马达第一吸油管路，7.定量泵/马达吸油过滤器，8.定量泵/马达第二吸油管路，9.交流异步电动机，10.主回路防吸空单向阀吸油管路，11.变频变压(VVVF)交流电，12.三相电源，13.变频器，14.变配重回路防吸空单向阀，15.变配重回路防吸空单向阀管路，16.变量泵/马达P2油口管路，17.变量泵/马达，18.第一联轴器，19.定量泵/马达，20.第二联轴器，21.主回路安全阀管路，22.电动机轴端光电编码器，23.主回路防吸空单向阀，24.主回路安全阀，25.主回路安全阀回油管路，26.电机轴端光电编码器信号线，27.变频器控制信号线，28.变配重回路安全阀，29.变配重回路安全阀管路，30.手动放油阀，31.液压蓄能器P3油口管路，32.变配重回路二位二通电磁阀，33.第一压力传感器，34.第二压力传感器，35.第一电磁阀信号线，36.变量泵/马达排量控制信号线，37.第二电磁阀信号线，38.控制器，39.第一压力传感器信号线，40.第二压力传感器信号线，41.第三压力传感器信号线，42.液压蓄能器，43.定量泵/马达P1油口管路，44.主回路二位二通电磁阀，45.第三压力传感器，46.负载管路，47.液压缸或液压马达，48.升降平台。
具体实施方式
附图所示，本发明的液压系统具体如下：
1)主回路定量泵/马达19的一端通过定量泵/马达第一吸油管路6、定量泵/马达吸油过滤器7、定量泵/马达第二吸油管路8与油箱1连接，其另一端油口P1通过定量泵/马达P1油口管路43与主回路二位二通电磁阀44的A油口连接；主回路二位二通电磁阀44的B油口通过负载管路46与液压缸或液压马达47连接；主回路定量泵/马达19的油口P1通过主回路安全阀管路21、主回路安全阀24、主回路安全阀回油管路25与油箱1连通；主回路安全阀管路21还通过主回路防吸空单向阀23、主回路防吸空单向阀吸油管路10与油箱1连接；
主回路二位二通电磁阀44的作用是控制A、B油口之间的导通与截断；当主回路二位二通电磁阀44电磁铁失电，工作在上位时，其A、B油口截止；当其工作在下位时，A、B油口导通，即定量泵/马达P1油口管路43内的油液与负载管路46连通，最终与液压缸或液压马达47连通，控制升降平台48的升降；
主回路安全阀24的作用是防止主回路油液压力过高，起到安全保护作用；主回路防吸空单向阀23的作用是防止主回路定量泵/马达19在运行时出现吸空现象；
2)变配重回路变量泵/马达17的一端通过变量泵/马达第一吸油管路3、变量泵/马达吸油过滤器4、变量泵/马达第二吸油管路5与油箱1连通，其另一端油口P2通过变量泵/马达P2油口管路16、变配重回路二位二通电磁阀32、液压蓄能器P3油口管路31与液压蓄能器42连通；变配重回路安全阀28的一端通过变配重回路安全阀管路29与液压蓄能器42的油口P3连通，另一端与油箱1连通；手动放油阀30的一端通过变配重回路安全阀管路29与液压蓄能器42的油口P3连通，另一端与油箱1连通；变量泵/马达P2油口管路16还通过变配重回路防吸空单向阀管路15、变配重回路防吸空单向阀14、变配重回路防吸空单向阀吸油管路2与油箱1连接；
变配重回路安全阀28的作用是防止变配重回路油液压力过高，起到安全保护作用；手动放油阀30的作用是，当液压蓄能器42内的油液需放出时，按动手动放油阀30的杠杠，液压蓄能器42内的液压油通过手动放油阀30流到油箱1中；变配重回路防吸空单向阀14的作用是防止变配重回路变量泵/马达17在运行时出现吸空现象；
3)变配重回路变量泵/马达17通过第一联轴器18与主回路定量泵/马达19同轴联结；交流异步电动机9通过第二联轴器20与主回路定量泵/马达19同轴联结；
变频器13接上三相电源12后，输出变频变压(VVVF)交流电11控制交流异步电动机9的运行，连接在交流异步电动机9轴端的测速光电编码器22用来检测交流异步电动机9的转速，并将该转速信号通过电机轴端光电编码器信号线26输入到变频器13中，实现电动机转速的闭环矢量控制；
4)系统液压回路中的信号检测及控制信号由控制器38接收和发出，通过第一压力传感器33及第一压力传感器信号线39检测液压蓄能器42内的油液压力；通过第二压力传感器34及第二压力传感器信号线40检测主回路定量泵/马达19的P1油口油液压力；通过第三压力传感器45及第三压力传感器信号线41检测液压缸或液压马达47内的负载油液压力；通过第一电磁阀信号线35向变配重回路二位二通电磁阀32输出通电和断电指令；通过第二电磁阀信号线37向主回路二位二通电磁阀44输出通电和断电指令；通过变量泵/马达排量控制信号线36控制变配重回路变量泵/马达17的排量；
系统在运行过程中，方向和速度信号由控制器38发出至变频器13，最终控制交流异步电动机9的转向和转速来实现。
下面对分上行、下行、液压蓄能器充油、液压蓄能器放油四个工况来详细叙述液压配重可变的节能液压升降系统的工作原理(叙述前，我们假定电动机正向转动对应升降台上行，反之对应升降台下行)：
(1)上行工况
控制器38接到上行的指令信号后，通过变频器控制信号线27向变频器13输出对应的低速正转指令，进而通过变频变压(VVVF)交流电11输出相应的信号，使交流异步电动机9工作在低速正转工况；同时，控制器38通过第一压力传感器33及第一压力传感器信号线39检测液压蓄能器42内的油液压力；通过第二压力传感器34及第二压力传感器信号线40检测定量泵/马达P1油口的油液压力；通过第三压力传感器45及第三压力传感器信号线41检测液压缸47内的负载油液压力；通过变量泵/马达控制信号36实时地控制变配重回路变量泵/马达17的排量；控制器38通过第一电磁阀信号线35向变配重回路二位二通电磁阀32输出通电指令，使变配重回路二位二通电磁阀32工作在导通状态；
主回路定量泵/马达19向P1口输出压力油，当控制器38检测到定量泵/马达P1油口的油液压力逐渐上升至与液压缸或液压马达47内的负载油液压力相等时，控制器38通过第二电磁阀信号线37向主回路二位二通电磁阀44输出通电指令，使主回路二位二通电磁阀44工作在下位，其A、B油口导通；控制器38再读取预先设定在其存储器中的上行期望运行曲线数据，变频器13控制交流异步电动机9按照给定指令运转，进而带动变配重回路变量泵/马达17和主回路定量泵/马达19正向转动；
此时液压蓄能器42内的压力油驱动变配重回路变量泵/马达17工作在马达工况；主回路定量泵/马达19工作在泵工况，由主回路定量泵/马达19输出到液压缸或液压马达47的液压油流量与速度指令相对应，进而使升降台48按照给定理想的速度曲线依次完成加速、匀速、减速运行阶段。
当升降台48到达指定位置，控制器38接收到停靠信号后，通过第一电磁阀信号线35向变配重回路二位二通电磁阀32输出断电指令，使变配重回路二位二通电磁阀32工作在截止状态；同时通过第二电磁阀信号线37向主回路二位二通电磁阀44输出断电指令，使主回路二位二通电磁阀44工作在上位截止状态；同时，停止向变频器13输出速度指令，变频器13停止向交流异步电动机9输出电信号，升降台48停靠。
(2)下行工况
控制器38接到下行的指令信号后，为防止升降台产生下行初始瞬时的失重，必须首先对主回路二位二通电磁阀44两端的压力进行平衡控制。通过变频器控制信号线27向变频器13输出对应的低速正转指令，进而通过变频变压(VVVF)交流电11输出相应的信号，使交流异步电动机9工作在低速正转工况，直到检测到定量泵/马达P1油口的油液压力逐渐上升至与液压缸或液压马达47内的负载油液压力相等；
此时控制器38通过第一电磁阀信号线35向变配重回路二位二通电磁阀32输出通电指令，使变配重回路二位二通电磁阀32工作在导通状态；通过第二电磁阀信号线37向主回路二位二通电磁阀44输出通电指令，使主回路二位二通电磁阀44工作在下位，其A、B油口导通；控制器38再读取预先设定在其存储器中的下行期望运行曲线数据，变频器13控制交流异步电动机9按照给定指令运转，进而带动变配重回路变量泵/马达17和主回路定量泵/马达19反向转动；
此时液压缸或液压马达47内的压力油驱动主回路定量泵/马达19，使其工作在马达工况；进而驱动变配重回路变量泵/马达17，使其工作在泵工况；即从油箱1中吸油，充至液压蓄能器42中；
由液压缸或液压马达47输出至主回路定量泵/马达19的液压油流量与速度指令相对应，进而使升降台48按照给定理想的下行速度曲线依次完成加速、匀速、减速运行阶段。
当升降台48到达指定位置，控制器38接收到停靠信号后，通过第一电磁阀信号线35向变配重回路二位二通电磁阀32输出断电指令，使变配重回路二位二通电磁阀32工作在截止状态；通过第二电磁阀信号线37向主回路二位二通电磁阀44输出断电指令，使主回路二位二通电磁阀44工作在截止状态：同时，停止向变频器13输出速度指令，变频器13停止向交流异步电动机9输出电信号，升降台48停靠。
(3)液压蓄能器充油
在进行第一次运行之前，需往液压蓄能器42中充一定的液压油以满足后面系统运行的需要。由系统运行原理可知，系统在正常下行工况(交流异步电动机9反转)，液压缸或液压马达47内的液压油通过主回路定量泵/马达19流回油箱1，同时，变配重回路变量泵/马达17从油箱1中吸油，充至液压蓄能器42中。因此，在第一次运行前给液压蓄能器42充油时，通过控制器38、变频器13给出反转信号，起动交流异步电动机9反转。
此时，主回路二位二通电磁阀44不给通电信号，工作在截止状态；主回路定量泵/马达19在交流异步电动机9的带动下处于卸荷工况，通过主回路安全阀管路21、主回路防吸空单向阀23、主回路防吸空单向阀吸油管路10从油箱1中吸油，油液排出至油箱1中。
变配重回路中，控制器38通过第一电磁阀信号线35控制变配重回路二位二通电磁阀32，使之工作在导通状态，变配重回路变量泵/马达17在在交流异步电动机9的带动下工作在泵工况，通过变量泵/马达第一吸油管路3、变量泵/马达吸油过滤器4、变量泵/马达第二吸油管路5从油箱1中吸油，其油口P2通过变量泵/马达P2油口管路16、变配重回路二位二通电磁阀32、液压蓄能器P3油口管路31往液压蓄能器42中充油；
当控制器38通过第一压力传感器33及第一压力传感器信号线39检测到液压蓄能器42内的油液压力达到所需压力时，控制器38停止向变频器13输出速度指令，变频器13停止向交流异步电动机9输出电信号使之停止运转；控制器38同时通过第一电磁阀信号线35控制变配重回路二位二通电磁阀32，使之工作在截至状态，充油过程完毕。
(4)液压蓄能器放油
当液压升降系统需维修、故障等情况需要将液压蓄能器42内的液压油放出部分或全部时，通过人工按动手动放油阀30的杠杠，液压蓄能器42内的液压油通过手动放油阀30流到油箱1中，直到液压蓄能器42内的油液压力达到所需值或全部放出时，松开手动放油阀30的杠杠。
以上采用的变频器和控制器，可选用市场上通用的器件。

Claims (2)

1.一种液压配重可变的节能液压升降系统，其特征在于：利用变量泵/马达排量可变和液压蓄能器两者结合形成液压变配重回路，并将其中的变量泵/马达通过第一联轴器与液压系统主回路中的定量泵/马达同轴联结，控制器通过三个压力传感器得到压力检测信号，发出二位二通电磁阀通断的控制信号，通过信号线输出配重回路变量泵/马达排量的控制信号，通过速度控制信号线向变频器输出电动机转速和转向的控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种液压配重可变的节能液压升降系统，其特征在于：
1)所述的主回路：由交流矢量变频器(13)、定量泵/马达(19)、交流异步电动机(9)、光电编码器(22)、主回路二位二通电磁阀(44)、主回路防吸空单向阀(23)、主回路安全阀(24)和液压缸或液压马达(47)组成；
2)所述的变配重回路：由液压蓄能器(42)、变配重回路二位二通电磁阀(32)、变量泵/马达(17)、变配重回路防吸空单向阀(14)、变配重回路安全阀(28)和手动放油阀(30)组成；
3)变量泵/马达(17)通过第一联轴器(18)、交流异步电动机(9)通过第二联轴器(20)与定量泵/马达(19)同轴连接，实现相同的转速；
4)系统液压回路中的检测及控制信号由控制器(38)接收和发出，通过第一压力传感器(33)及第一压力传感器信号线(39)检测液压蓄能器(42)内的油液压力；通过第二压力传感器(34)及第二压力传感器信号线(40)检测定量泵/马达(19)P1油口的油液压力；通过第三压力传感器(45)及第三压力传感器信号线(41)检测液压缸或液压马达(47)内的负载油液压力；通过第一电磁阀信号线(35)向变配重回路的二位二通电磁阀(32)输出通电和断电指令；通过第二电磁阀信号线(37)向主回路二位二通电磁阀(44)输出通电和断电指令；通过变量泵/马达排量控制信号线(36)控制变配重回路变量泵/马达(17)的排量；通过速度控制信号线(27)向变频器(13)输出电动机转速和转向指令。
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