CN102619817B - 飞轮蓄能节能型液压振动*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞轮蓄能节能型液压振动***，属于液压振动技术领域。在本***中，电机通过液力耦合器与飞轮连接，飞轮通过弹性联轴器和双联液压泵连接，液压泵通过液压阀与液压缸组成闭式回路，液压缸与振体连接。其中双联泵具有双泵工作和单泵工作两种工况。双泵工作时泵的输出流量增加，液压缸和振体加速，单泵工作时泵的流量减小，液压缸靠振体惯性驱动液压泵带动飞轮增速，振体自身减速。本发明的特点是，振体动量的变化主要是通过与飞轮之间的动量交换实现的。这种动量交换是可逆的，无实功消耗，故比现存节流调速型液压振动***节能。

Description

飞轮蓄能节能型液压振动***

技术领域

本发明涉及一种飞轮蓄能节能型液压振动***，属于液压振动技术领域。

背景技术

振动技术是一项广泛用于各工业领域的基础技术。激振方法主要包括机械、电动和液压三类。液压激振的主要优点是能够产生较大的激振力和位移幅值。大型液压振动台的激振力可达数百吨，位移幅值能达到数十公分。这一特点恰好弥补了机械和电动激振方法的不足，满足了航天航空、汽车、造船、冶金等领域对大吨位振动装备的需求。此外，液压振动***的力密度和功率密度也比较大，振动设备易于实现小型化和轻量化，因此，比机械和电动方法更能适应移动装备的需要。近年来，液压振动技术发展很快，但其高能耗的缺点一直没有改变。能耗高不仅浪费能源，导致***温升，还要求设备要有大的装机容量，因此，在运行过程中，对电网产生的冲击也大。上述缺点在很大程度上制约了液压振动技术的应用范围和发展空间，使其特有的技术优势得不到充分发挥。

高能耗是由液压振动***的工作机理所决定的。自问世以来，液压振动***就一直保持着阀控缸的基本回路结构，其本质上是一种节流调速回路。这种回路靠阻尼效应控制振动过程，是一种高能耗***。对于这个问题，人们也早有认识。为了提高效率，人们曾提出过一种谐振式电液振动方案[1]，即设法使***处在一种准共振状态，进而实现节能。其具体做法，一是利用蓄能器与液压缸组成刚度可变的液压弹簧，二是通过给振体配置附加质量块。用这两种做法均可改变***的固有频率，使之产生共振。但采用这些方法，频率的变化是十分有限的，其实际使用范围很小。近年来，液压振动技术研究的方向基本上是跟踪电动振动技术，主要是在改进控制方法和提高性能指标上下功夫，而在回路基础结构以及节能方面缺少研究[2-3-4-5]。

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发明内容

本发明提供一种飞轮蓄能节能型液压振动***。其主要特点是用双联泵在飞轮和液压缸之间传递动力，借助单双泵工况切换改变动力传递方向，从而改变液压缸和振体的运行速度。与纯节流调速型液压振动***相比，明显节能。

一种液压振动***，其特征在于，包括驱动装置、液压泵、液压缸、振体和液压阀。所述驱动装置包括电机、液力耦合器、飞轮和弹性联轴器，三者同轴连接。所述液压泵为双联泵，包括第一液压泵和第二液压泵，它与弹性联轴器同轴连接。所述液压阀包括两位四通电磁换向阀、第一两位四通换向阀和第二两位四通换向阀。电磁阀与第一换向阀串接在第二液压泵和液压缸之间，构成泵-阀-缸闭式回路，振体与液压缸刚性连接。其中，电磁阀的T、P油口与第二液压泵的进出油口连接，第一换向阀的A、B油口与液压缸的A、B油口连接，电磁阀的A、B口和第一换向阀的T、P口连接。电磁阀未得电时，第二液压泵的进出油口被短路，第一换向阀的T、P油口封闭。电磁阀得电时，第二液压泵经第一换向阀与液压缸连通，构成闭式回路。第一换向阀为常规两位四通阀，当其处于上位时，第二液压泵的出油口与液压缸的A口连通，泵的进油口与缸的B口连通。第一换向阀切换至下位时，泵的出油口接缸的B口，泵的进油口接缸的A口。第二换向阀为两位四通阀，其上位为直通，下位为M型滑阀机能。第二换向阀与第一液压泵和第二液压泵连接，当该阀处于上位时，两只液压泵并联，当其切换到下位时，两泵之间的连接被断开，第二液压泵被阀的M滑阀机能卸荷。

***工作时先启动电机，此时电磁阀未得电，液压泵处于卸荷状态，电机带动飞轮空载加速。当飞轮转速达到规定范围时，电磁阀得电，第二液压泵、电磁阀、第一换向阀与液压缸回路连通。若第二换向阀处在上位，则两只液压泵并联，形成双泵供油，飞轮驱动液压泵向液压缸转移能量，液压缸和振体加速，飞轮减速。在缸速临近峰值时，第二换向阀切换至下位，将第二液压泵短路卸荷，余下第一液压泵单独工作并转为马达工况，液压缸靠振体惯性驱动第一液压泵(马达工况)带动飞轮加速，缸和振体减速，所减小的动能被飞轮吸收。当振体速度降低到设定范围时，第一换向阀切换，阀口关小，阀的阻尼效应使振体进一步减速直至停止，同时第二换向阀切换，双联泵重新并联运行，而此时第一换向阀也将反向开启，液压缸反向起步加速。若振动参数不变，***将重复上述过程。

在现有液压振动***中，液压缸的速度完全是由液压阀控制的。***启动时，阀口开启，阻尼效应减小，***分配给缸的能量增加使其加速。当缸速达到一定范围时，阀口开始减小，阻尼逐渐增强，缸制动减速，最终停止。靠阻尼效应调节缸速，***做的是实功，最终全部转化为热量，所以***温升和能耗高。本发明中，振体速度的改变是飞轮的惯性效应和阀的阻尼效应共同作用的结果。其中，惯性效应只产生虚功，这部分能量在缸和飞轮之间循环流动，并无消耗，故提高了***效率。

附图说明

图1为液压振动***示意图

图中标记：1.电机，2.液力耦合器，3.飞轮，4.弹性联轴器，5.第一液压泵，6.第二液压泵，7.两位两通电磁换向阀，8.第一两位四通换向阀，9.液压缸，10.振体，11.第二两位四通换向阀

图2为转阀示意图

图中标记：1.丝堵，2.阀体，3.阀芯，4.阀套，5.轴套6.端盖，7.防尘盖，8.传动轴，9.油封，10.螺旋槽

具体实施方式

本发明为一种飞轮蓄能节能型液压振动***。包括驱动装置、液压泵、液压缸和液压阀。所述驱动装置包括电机1、液力耦合器2、飞轮3和弹性联轴器4，三者同轴连接。所述液压泵为双联泵，包括第一液压泵5和第二液压泵6，它与弹性联轴器4同轴连接。所述液压阀包括两位四通电磁换向阀7、第一两位四通换向阀8和第二两位四通换向阀11。电磁阀7与第一换向阀8串接在第二液压泵6和液压缸9之间，构成泵-阀-缸闭式回路，振体10和液压缸9刚性连接。其中，电磁阀7的T、P油口与第二液压泵6的进出油口连接，A、B口和第一换向阀8的T、P口连接，第一换向阀8的A、B油口与液压缸9的A、B油口连接。电磁阀7未得电时，第二液压泵6的进出油口被短路，第一换向阀8的T、P油口被封堵。电磁阀7得电时，第二液压泵6与第一换向阀8连通。第一换向阀8处于上位时，第二液压泵6的出油口与液压缸9的A口连通，泵的进油口与缸的B口连通。第一换向阀8切换至下位时，泵的出油口接缸的B口，泵的进油口接缸的A口。第二换向阀11连接第一液压泵5与第二液压泵6，当该阀处于上位时，两只液压泵并联，当阀切换到下位时，两泵之间的连接被断开，第二液压泵6被短路卸荷。

***启动时，电机1通过液力耦合器2驱动飞轮3并带动液压泵5、6旋转。电磁阀7启动时尚未得电，液压泵6被短路。此时，若第二换向阀11处于图1所示上位，则泵5和泵6均经电磁阀7卸荷。若换向阀11处于下位，则泵6仍经电磁阀7卸荷，而泵5经换向阀11卸荷。这样，飞轮在启动阶段完全是空载加速，当其转速达到设定范围时，电磁阀7得电，液压泵6的卸荷通道中断，而它与电磁阀7、换向阀8及液压缸9的回路连通，***工作压力上升。此时，若阀11处在上位，则泵5与泵6并联，由飞轮3驱动向液压缸9供油，油缸快速启动加速。在此阶段，飞轮3因振体10加速阻力增加而减速，其减小的这部分动能转移为液压缸9的动能。当缸速临近峰值时，阀11切换至图1所示下位，泵5短路卸荷，余下泵6单独工作。由于在此瞬间泵6的流量小于液压缸9的流量，故它将从泵工况转变为马达工况，即液压缸9将依靠振体惯性驱动液压泵6，此时泵6为马达工况，它带动飞轮3加速，液压缸及振体则因能量消耗而减速，所消耗的能量被飞轮3吸收。当液压缸速度降低到设定范围时，换向阀8切换至过度中位，阀口逐渐关闭，阀的阻尼效应使缸速进一步下降直至停止运动。此后，随着阀8和阀11的反向开启，泵5与泵6再度并联，液压缸反向起步加速，随即重复前述过程。若***启动时，换向阀11处于下位，则液压泵6将单独驱动液压缸9，液压缸缓慢加速，待阀11切换至双泵供油时再使油缸快速加速至峰值，然后仍按前述过程运行。

由上述可知，液压缸、振体的运动是由飞轮和液压阀共同控制的。从功能转换的角度看，阀的阻尼效应所做为实功，飞轮的惯性效应只做虚功，实功与虚功之和为总功，实功与总功的比值为***的功率因素，功率因素越小节能效果越好。为了降低功率因素，飞轮的转动惯量应足够大，这样，在驱动液压缸时，其自身转速下降较小，才会有更多的能量转移给液压缸。同理，当液压缸制动减速时，飞轮的惯量大则其转速增幅便小，这样才能从液压缸吸收更多的能量。增加飞轮惯量在技术上没有障碍，最简便的方法是增加飞轮的质量。若对设备的体积和重量有严格要求，可以考虑采用高速飞轮。近年来，这项技术发展很快，完全能够满足地面固定设备的要求。此外，泵5与泵6的排量比越大，***的换能效果也越好，即功率因素越低。因为在双泵工况下，泵5的相对排量大，就意味着液压缸的加速度大，而在单泵工作时，则意味着液压缸的制动阻力大，这与增加飞轮的转动惯量是等效的。对非定型设备应该采用双变量泵，以便根据使用的具体情况调整***惯性效应的比重。对定型设备可以考虑单台或双台定量泵，这样可以降低造价，也利于提高设备的稳定性。

由前述工作原理不难理解，***的振动频率就是第一换向阀8的换向频率，第二换向阀11的换向频率是阀8换向频率的两倍。此外，两只阀还应具有零位重合的相位关系。阀8的阀口应有一定正重叠，且面积梯度变化率不宜太大，以便对液压缸产生渐变的阻尼制动作用。液压泵在单泵和双泵状态间切换时，其输入/出流量变化很大，若阀11的面积梯度过大或切换速度过快，便会产生压力冲击，此外，***工作频率越高、功率因素越低则液压冲击也越发严重。冲击能不能转化为***的机械能，而是转化为热能。为了减缓液压冲击，阀11的阀口也应有一定正重叠量，且面积梯度变化率也不能太大，必要的话还可以考虑在阀口处开设减振槽。在飞轮与液压泵之间采用弹性联轴器4，靠联轴器的弹性也能缓和液压冲击。若以上方法仍达不到缓冲要求，还可以通过提高功率因素或降低***工作频率等措施来减小液压冲击。

换向阀8和11的工作性能很重要，可以采用转阀、滑阀、锥阀、覃阀等。阀的操控方式可以是机械、液压或电控。图2所示为一种高频液压转阀，其特征在于，包括阀体2、阀芯3、阀套4和传动轴8。阀芯3包括五段完整的圆柱面和四段周边开槽的不完整柱面，完整圆柱面与阀孔形成间隙密封，将四段开槽阀芯分割为四个密封区段。在第一密封区段，如剖面图A、B所示，阀芯3的外圆表面上，开设了四个径向对称布置、与阀芯轴线平行且尺寸相同的柱面沟槽，它们与阀孔形成四个密封油腔。其两对不相邻油腔，分别由阀芯上两个横向油孔连通，两油孔分置于A、B截面，互不相交但均与阀芯轴线垂直。在阀套4上开有四个油窗，相邻油窗中心线间夹角为45°。阀芯油槽间的密封角a略大于阀孔油窗开口对应的圆心角b，油窗轴向长度小于密封区间长度。上述四个油窗与阀体表面的四个油口P、T、A、B相通，当阀芯旋转时，油口间的连接关系将交替变换，相当于两位四通换向阀连续换向，阀转一周换向四次，其职能符号如图1中阀8。第二密封区段，如剖面图C所示。阀芯的外圆表面上也开设了四个径向对称布置、与阀芯轴线平行且尺寸相同的柱面沟槽，它们与阀孔形成四个密封油腔。阀芯上设有与其轴线垂直的十字形相交油孔，将上述四个油腔连通。在阀套4上开有两个油窗，它们在阀套圆周上对称布置，即间隔180°，油窗周向宽度对应的圆心角略小于阀芯油槽的密封间角。第三与第四密封区段阀的内部结构如图1中剖面图D、E所示，阀芯及阀套结构与第一密封区段完全相同，只是油窗在阀套4圆周上所处的相位不同，它们在阀套法平面内投影的夹角依次为90°和45°。第二至第四密封区段阀套4上共有六个油窗，与阀体表面的四个油口连通，当阀芯旋转时，油口间的连接关系发生变化，其功能相当于左位为直通，右位为M型滑阀机能的两位四通换向阀，其职能符号如图1中阀11。该阀与第一密封区段形成的换向阀同步换向，换向频率比前者高一倍，阀旋转一周换向八次。

上述阀口的轴向长度即为阀口的面积梯度，在不考虑冲击损失的情况下，其值越大***效率越高。对***固有频率与工作频率比较高的***可取大值。控制电机通过转轴8，再经阀芯左端的键槽驱动阀芯3转动，如图2，图中F截面所示为阀芯3左端键槽结构。由前述知，***的工作频率就是阀8和阀11的换向频率，故采用转阀时，工作频率由转阀的转速决定，例如，阀的转速为1200r/min时，***的工作频率为80Hz。控制电机可以是步进电机、伺服电机或小型直流电机，根据转速和转角控制精度的要求，可以采用开环或闭环控制。闭环控制加以适当的控制策略，能使电机转速和***自然频率自动匹配，这有利于***效率的提高。

因为油液具有压缩性，因此从动态角度看，图1中飞轮3和液压泵5、6，以及液压缸9与振体都是二阶振荡环节。***工作频率原则上不应高于这两个环节的固有频率，否则会降低飞轮与振体之间能量转移的效率，甚至引起工作不稳定。弹性联轴器4对缓和液压冲击是有利的，但它与液压弹簧串联会降低飞轮-马达二阶环节的固有频率，所以，该联轴器最好是刚度可调的，以便在满足***工作频率要求的前提下，尽可能多地缓解液压冲击。

作为节能***，其电机的功率应该比较小，而飞轮的惯量应该比较大。采用液力耦合器将电机与飞轮柔性连接能避免电机在启动时过载，另外，飞轮转速变化对电机的影响也比较小。

本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种飞轮蓄能节能型液压振动***，其特征在于：包括驱动装置、液压泵、液压缸、振体和液压阀；所述驱动装置包括电机(1)、液力耦合器(2)、飞轮(3)和弹性联轴器(4)，四者同轴连接；所述液压泵为双联泵，包括第一液压泵(5)和第二液压泵(6)，二者均与所述弹性联轴器(4)同轴连接；所述液压阀包括两位四通电磁换向阀(7)、第一两位四通换向阀(8)和第二两位四通换向阀(11)；两位四通电磁换向阀(7)与第一两位四通换向阀(8)串接在第二液压泵(6)和液压缸(9)之间，构成泵-阀-缸闭式回路，振体(10)和液压缸(9)刚性连接；其中，两位四通电磁换向阀(7)的T、P油口与第二液压泵(6)的进出油口连接，A、B口和第一两位四通换向阀(8)的T、P口连接，第一两位四通换向阀(8)的A、B油口与液压缸(9)的A、B油口连接；两位四通电磁换向阀(7)未得电时，第二液压泵(6)的进出油口被短路，第一两位四通换向阀(8)的T、P油口被封堵；两位四通电磁换向阀(7)得电时，第二液压泵(6)与第一两位四通换向阀(8)连通；第一两位四通换向阀(8)处于上位时，第二液压泵(6)的出油口与液压缸(9)的A口连通，第二液压泵的进油口与液压缸的B口连通；第一两位四通换向阀(8)切换至下位时第二液压泵的出油口接液压缸的B口，第二液压泵的进油口接缸的A口；第二两位四通换向阀(11)连接第一液压泵(5)与第二液压泵(6)，当第二两位四通换向阀(11)处于上位时，两只液压泵并联，当第二两位四通换向阀(11)切换到下位时，两泵之间的连接被断开，第一液压泵(5)被短路卸荷。

2.根据权利要求1所述飞轮蓄能节能型液压振动***，其特征在于：所述双联泵即所述第一液压泵(5)与第二液压泵(6)是双手动变量泵或双定量泵或采用一只定量泵与一只手动变量泵组合。

3.根据权利要求1所述飞轮蓄能节能型液压振动***，其特征在于：所述第一两位四通换向阀(8)和第二两位四通换向阀(11)是转阀、滑阀、锥阀或伺服阀。