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。