CN103362898A

CN103362898A - 一种多压力源节能液压***

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Publication number: CN103362898A
Application number: CN2012101033802A
Authority: CN
Inventors: 何荣志
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种多压力源节能液压***，是将中高压或高压***采用多压力源供能模式，这种多压力源根据负载需求压力的高低，一般可分成2～4种不同等级的压力，每种压力源可以相对独立工作，而每个液压回路都采用1～2种压力源供油。在选用两种压力源供油的回路中，一般情况下两种压力源不同时工作，这两种压力源根据负载实际需求由***自动选择切换，在特殊情况下也可人工切换，但无论在何种情况下，都要求液压回路根据对外作功情况来适时选取所需最小正常工作压力，避免液压执行机构输入功率远大于负载需求的高能耗情况，避免了传统单一压力源满足全部液压回路高能耗情况，达到节能目的，这种节能效果在快节奏生产中优为明显。

Description

一种多压力源节能液压***

技术领域

本发明涉及一种液压***节能控制回路，是一种多压力源适应不同负载需求，降低液压执行机构对外作功时压力输入与负载输出不匹配所造成的能量浪费。

背景技术

在工业液压领域，已经出现了多种液压节能技术，有液压站的节能，也有液压***回路的节能，但对于液压回路而言，缺少那种大型液压***综合节能的先进技术，特别是在冶金行业，一个液压站往往带有几十个甚至上百个液压回路，这种液压***的综合节能就相当重要。

在冶金机械行业中，液压站所带负载执行机构众多，各液压执行元件所需要的压力相差很大，我们往往用1～2压力源(更多的是单一的压力源)去满足所有负载需求，相当大一部分液压回路输入功率远大于负载实际输出需求，盈余的能量经控制阀和液压管路损失最终变成热能，这种比较单一的压力源很难适应现代工业的节能需求。这种输入功率与负载输出功率不匹配造成的高能耗在慢节奏生产中占液压***总能量15～30％，在快节奏生产***中能耗更高，可以占***总能耗30％以上，液压回路的节能决不容忽视。

液压***回路高能耗原因：

A、液压执行元件与其输入功率不匹配。其输入功率远大于负载实际需求，高压能经阀控元件和管路最终变成热能损失掉。例如，在一条大生产线中，我们经常使用14.0MPa高压源去满足所有液压执行元件的压力需求，很浪费。经现场调查表明，在这样的***回路中，80％液压执行元件只需要7.0MPa压力就能充分满足其实际需求，10％液压执行元件只需约3.0MPa的压力就能满足负载需求，只有另外10％液压执行元件需要12.0MPa左右的高压动力源。更进一步研究表明，液压***中各执行元件一般情况下只是单行程对外作功，另外单行程几乎空载运行，有些回路几乎双行程都空载，只在行程末端需要高压油保压；即使在单行程对外作功过程中，很多执行元件并非全行程都对外作功，这类油缸并不少见，比如钢卷小车在提升过程中，有一段空载上升距离，接触钢卷后才需要高压源提升一定距离，而下降过程中，理论上可以靠钢卷自重驱动下降，并且产生的背压能还可以回收利用；又如卷取机卷筒外支撑油缸在上升和下降全行程过程中并不需要高压源驱动，仅需要2.0MPa压力就足以推动外支撑快速运动，只有当外支撑到达行程末端接触卷筒球轴承后，才需要高压油保压，但此时并不消耗高压油，可见这种空载驱动很浪费。这种粗放式的设计理念在现代液压***中造成了大量电能浪费，这是典型的液压执行元件与其输入功率不匹配所造成的重大损失，这在快节奏周期性生产中是造成高能耗的主要因素。

B、液压***中过多地使用阀控元件造成了高能耗结果。正因为一个大***都统一使用了单一的高压动力源，所以又必须使用减压阀、节流阀、溢流阀等阀控元件，进一步增大了***能量消耗。

C、液压***压力高，造成***内泄漏量增大。液压***内泄流量与压力平方根成正比，增大***压力，必然增大***内泄漏，还是因为一个大***都统一使用了单一的高压源，造成***内泄漏大，***发热量高。

D、***内泄漏大，发热严重，必然增加额外能量。当***发热严重时，不得不使用循环泵来强制冷却液压油，也由此增加了净循环水的供给压力，进一步增大了能耗。

由以上可以看出，要因A是高能耗问题之源，解决了第一个问题，后面3个问题也就迎刃而解。

发明内容

本发明提供一个液压***多压力源的设计方法，并根据多压力源来设计具体节能液压控制回路，以及双压力源控制回路两种压力的切换控制方法。

如图1所示，为一种多压力源和带双压力控制回路的结构示意图，图中画出了包含四种压力源的典型结构(实际工作时可根据具体需求选取其中2～4种压力源)。

1、液压***压力源选择方法

对于小于等于10MPa的液压***，一般可分为低压和中压两种压力源；对于介于10MPa与16MPa之间的液压***，一般可分为低压、中压和中高压三种压力源；对于大于16MPa的液压***，小***可直接划分为低压和高压源，对于大***一般可分为低压、中压、中高压和高压四种压力源。压力源具体划分原则需结合实际情况来确定，即要实用，又要简化液压***，如果***压力源划分太多太细，则会使***复杂化，反而不容易节能。

2、液压回路压力源的选择方法

对于具体液压回路所需压力源可根据对外作功情况来选取。

当执行机构来回双行程都对外作功，且作功所需压力都相近时，选择单压力源；当作功所需压力相差较大时，可选择双压力源供能；或虽然双行程都对外作功，但至少其中之一的单行程中，大部分行程都空载，仅小部分行程实际对外作功，可选择双压力源，且其中之一为低压源。

当执行机构只有单行程对外作功，另外单行程空载时，选择双压力源供能，且其中之一为低压源。

无论选择何种压力源，都必须坚持在满足回路正常对外作功时，选择***提供的相对接近的最低压力源。

在双压力驱动回路中，在空载或小负载时采用低压源驱动，在大负载或较大负载时使用较高压力源驱动，两种压力源根据负载工况来分别控制同一执行机构，按负载所需原则选择最恰当的压力源来驱动该回路负载，以避免不必要的过高压力所造成的损耗，同时，有利于避免过多使用减压阀、安全阀、节流阀等阀控元件，以减少阀控元件的损失。

3、***各压力等级划分细则

我们在使用中高压液压站时，对于最高使用压力P≤10MPa的液压***，可以简单分为低压和中压，即P_低和P_中，一般地取P_低＝2～4MPa和P_中＝7～10MPa为正常取值范围；对于使用压力10MPa＜P≤16MPa的液压***，可以简单分为低压、中压和中高压源，即P_低、P_中和P_中高，一般地取P_低＝2～4MPa、P_中＝7～10MPa，P_中高＝12～16MPa；对于高于16MPa的液压***；对小***而言，可以简单划分为低压和高压源，即P_低＝2～4MPa，P_高＝P_max，P_max为***最高正常工作压力，而对于复杂高压大***而言，除低压、中压、中高压外，将高于16MPa的最高那一级划分为最高工作压力，即P_高＞16MPa；具体划分情况要根据实际需要，要求每两级之间的压力值间距必须大于2MPa，也不宜划分过多的压力等级，否则会使液压***和液压站设计复杂化。

4、液压回路压力等级的使用

在具体回路的应用上，每个液压回路最多使用两种压力控制源，且这两种压力源并联在一起，按照该液压执行元件实际操作需求，在该液压执行机构单个完整动作周期内，可自动(或手动)灵活选取所需要压力源，一般情况下这两种压力源不同时供油。

在应用各种压力源的组合方式上，如图2所示，一般选取下面几种组合工作模式：

中压+低压、中高压+低压或高压+低压

有些液压回路根据实际情况也可只选择单一压力源，如中压源或低压源。

5、双压力回路的切换方法

根据现场实际情况需要，有多种方法可实现两种压力源的自动或手动切换功能，常见有以下种方法：

方法一：由时间控制的双压力自动切换功能，切换时间参数由***控制程序设定。

方法二：由执行元件运动时所处的位置信号控制的双压力自动切换功能，位置信号可以是行程开关、位置感应开关、编码器或磁尺等传感器所发出的位置信号。

方法三：由压差控制的双压力自动切换功能，其主要控制元件为液控换向阀。

方法四：由人工实现控制的双压力自动切换功能，由操作者根据具体情况需求来手动实现切换功能。

以上是常见的四种双压力源回路的切换方法，我们也可以综合运用电气和液压各控制元件组合行成各种压力自动切换液压回路，具体情况就不再详细介绍。实际使用中具体选用何种控制方式，可根据实际需求而定。一般地，方法一使用灵活、方便、可靠，推荐优先使用。

附图说明

图1为一种多压力源结构示意图

图2节能液压回路常见结构示意图

具体实施方式

6、多压力源节能液压回路设计法则

如图2所示，给出了典型的4种节能液压回路原理示意图。

第一法则：符合统筹学原理。坚持大部分回路用中压源和低压源来驱动，少部分用中高压或高压源驱动的原则。压力源一般划分2～3个压力等级，少数高压大***可划分成4个压力等级源。

第二法则：抓主要回路原则。在一个大***中，特别要注意研究其中油耗量和流量排前10名的重要液压执行机构回路，这种回路往往具有大流量、大压力和大体积需求，具有这“三大”特征，这种回路往往是***主要耗能者。

第三法则：坚持负载正常最低需求压力。在实际使用时，在保证满足正常生产情况下，必须坚持按照最低能量需求原则来选择压力源，当只需要低压油驱动时就提供低压压力源，当需要高压油驱动时就使用高压源供给，当需要中压源时就决不使用高压源去驱动，这样就可以把原单一的压力供给，改为使用多档压力源来满足各自需要。

例如，某钢厂引进德国SUNGDWING公司不锈钢热酸洗退火生产线，该生产线入口段和出口段各设置一套液压站，每套液压站都配置5台变量柱塞泵，其中开4台备用1台，其正常设定工作压力为14.0MPa；使用中我们发现其能耗高，发热严重。

经我们仔细研判该液压***每一个工作回路时发现，95％的液压回路只需要7.0MPa的压力就能正常工作，只有5％液压回路需要11.5MPa以上的压力源才能正常稳定工作；且每个液压执行元件都存在大量空载现象。比如，很多夹送辊在打开和压下过程中都不需要高压油，在驱动辊子压下过程中，靠辊子重力就可以实现其压下功能，只有当辊子压到位时才需要高压源保压，而辊子打开时仅需要约5.0MPa压力源，可见使用14.0MPa高压源去驱动这样的回路非常浪费。

根据以上调查情况，我们将原单一压力供给划分为三个压力等级源：高压源P_高＝12～14.0MPa、中压源P_中＝7～10.0MPa和低压源P_低＝3.0MPa，共三档压力源，而高压和中压有一定正常压力范围是因为工作泵输出时随负载有一定的脉动范围；且每档压力改由独立的工作泵供油。这三档压力中，个别回路对外作功时使用高压源，当空载回程时使用低压源；对于绝大部分执行元件在对外负载作功时，使用中压源，空载回程时使用低压源，对于极个别回路，油缸(或液压马达)双行程都要作功，统一使用单一中压源驱动。还有极个别回路，如钢卷小车在运送钢卷达到目标位置下降时，油缸在钢卷重力下下降，负载对液压***反作功，在有回收价值的压力回路中可以设计相应的能量回收装置。

7、节能液压回路具体设计

在多压力源节能液压***中，具体节能回路可以是单压力源控制回路，也可以是双压力源控制回路，常见的控制回路有5种类型，其中如图2所示，列举了其中常见4种。具体节能回路有：

●由时间控制切换的双压力源回路；

●由位置信号控制切换的双压力源回路；

●差动型单压力源节能液压回路；

●由差压力控制切换的双压力源回路；

●由其它方式控制切换的双压力源回路。

7.1、由时间控制切换的双压力源回路

如图2-A所示，在这种双压力控制回路中，P1、P2压力源经各自控制阀后又并联接入油缸(或油马达)A、B口，可以分别实现其控制功能。一般情况下，这两种压力源不同时供油，而是交替作用。对于一个设定好速度的液压回路，位置S与运行时间T成一一对应关系，图中(S1、T1)与(S2、T2)的关系可以唯一确定，如果我们需要在S2位置处进行压力切换，则我们可以在程序中设定ΔT＝T2-T1，当油缸(或油马达)由位置S1运动到S2位置时，也即经过了ΔT时间，控制程序将自动控制其电磁阀动作，实现压力源切换功能，由P1→P2或P2→P1。如果因工作需要，改变了油缸(或油马达)运行速度，则可以重新测定时间ΔT，通过修改其控制程序中相应时间参数，使用灵活、方便。比如，在生产线中的夹送辊动作时，当上辊和下辊刚好夹紧的时间可以是相对固定值，我们可以测量并使用这一个时间值，在辊子下压过程中只需要低压源驱动，当下压到位后则需要高压油保压，我们可以用时间来自动控制该回路由低压切换到高压源的切换点。又如，在带钢生产中常使用横切剪，在剪刀开始下剪过程中并不需要高压压力源，只有当剪刃接触到带钢表面时才需要高压油，这样我们可以使用两种压力源来分别控制，在开始下剪时使用低压源，当刚好要接触带钢表面时自动切换到高压源，对于一定的速度，剪刀从开始动作到开始接触带钢表面的时间ΔT也是一个定值，我们可以实际测量并应用它，当带钢被剪切完后，使用低压源让剪刀及移动机架空载回程。

7.2、由位置信号控制的双压力源回路

如图2-B所示，在自动化程度比较高的生产设备中，一般地，执行元件都装有位置感应开关或编码器计量的设备实际运行的位移，这给我们提供了另一种双压力控制回路的切换方式。如果我们要在如图S2位置处切换压力源，我们可以使控制***直接根据该位置信号控制P1、P2压力源的自动切换。在上面提到当夹送辊夹紧到位时，下限位位置感应开关发出“到位”信号，我们利用该位置信号去控制这两种压力的自动切换，即由原低压驱动自动转变为高压源驱动；再如，上述1提到横切剪的运动方式，我们在剪刀向下运动到刚要接触带钢表面的位置时，设定一个位置感应开关SQ1，用该开关信号自动控制驱动剪刀的两种压力源自动切换，即由P1→P2；当剪切完毕后，剪刀最下端的位置感应开关SQ2控制剪刀返回，液压回路中电磁阀换向并切换至低压回路，即P2→P1。

7.3、由压差控制的的双压力源

如图2-C所示，在一些回路中，我们也可以使用液压逻辑阀来实现其压力的自动切换，这种压力自动切换，一般要求该液压执行元件和出口节流阀配合使用，由该节流阀设置一定的动态背压，应用该背压反馈控制液控换向阀，该液控换向阀的一端接节流阀的下端P_j2，该液控换向阀的另一端接节流阀的上端P_j1，该节流阀使用出口节流形式，调节合适的开口度，使节流阀上端有一定的动态背压，如果该油缸到达行程末端，或低压压力源不足以推动负载继续运行，则节流阀上端背压消失，液控换向阀失衡，液控换向阀换向，P2高压油进入油缸无杆腔继续工作，高压油P2通过单向阀自动封堵右边的低压源P1，该回路中，要求弹簧力L1＜L2，同时满足P_j1+L1＞L2才能正常工作；当油缸需要正常换向时，空载回程，右边低压源电磁阀动作，低压油进入油缸有杆腔工作，同时，因液控换向阀左边压力大于右边压力，液控换向阀处于左边控制位，高压源P2被禁用。例如，上述1中的夹送辊，当夹送辊夹紧带钢后，油缸运动到极限，油缸另一侧出口节流阀背压消失，液控换向阀动态失衡，液控换向阀自动换向，高压油被接通，当夹送辊需要打开时，右侧低压源P2电磁换向阀换向，高压油推动液控换向阀再次换向，高压源被切断。

7.4、使用差动节能液压回路

如图2-D所示，差动回路是一种常见的快进回路，我们也可以应用快进回路获得一定的节能效果。在某些液压回路中，当我们使用了中压或高压源驱动的液压回路时，比如上面列举的某钢厂引进德国SUNGDWING公司不锈钢热酸洗退火生产线，我们使用了中压P_中＝7～10MPa和P_低＝3.0MPa的高、低压回路对原14.0MPa单一高压回路改造时，发现使用中高压压力源对于该回路最大负载仍然还有盈余压力，经计算该回路只需要5.0MPa压力就能满足正常需求，那么，在该回路中我们就可以使用差动回路能起到进一步节能效果，应用差动回路与上述1和2这两种回路同时使用并不矛盾，可以看作是其高压回路(或中高压回路)中的一种特例。

7.5、其它特殊的液压控制回路

以上列举了4种常见的双压力控制的液压节能回路，当然，我们也可以用其它的逻辑控制阀或电气检测手段来实现我们所需要的双压力源控制回路的自动或人工切换，比如设置双按钮，双电磁换向阀由人工操作切换等方式，这些措施可以方便灵活使用。

上述5种措施各有所长，没有固定的选择原则，根据现场实际情况和设计、使用者的爱好而定，一般地，方式1使用起来比较灵活可靠，且简单，也便于修改参数，故，建议优先选用。

效果检查

上述提及的某不锈钢热酸洗退火生产线，该生产线单位产品平均生产周期为10分钟，其中包括辅助生产时间3.5分钟。该液压站原正常设定工作压力14.0MPa，4台泵最大供油能力为800L/min。该液压站能耗很高，每小时实际能耗高达105KWH，***发热严重。

经现场调研，在生产过程中，单位钢卷所需压力油体积为：1000～1100L，平均约1050L/卷。按传统设计方法，每小时需要的理论能量为：

W_原＝P_原×V_原＝850×6×14＝88200(MPa×L)＝24.5(KWH)按照新设计方法，经过上述改造后，单位钢卷平均消耗50L高压源，450L中压源和650L低压源。按上述，高压P_高＝12～14.0MPa、中压P_中＝7～10MPa和低压P_低＝3.0MPa，共三档压力使用，按每档最高压力来计算，则有W_新：

则，***最低理论能量为：

W_新＝P_高×V_高+P_中×V_中+P_低×V_低

＝50×6×14+450×6×10+650×6×3

＝42900(MPa×L)

＝11.9(KWH)

所以W_原÷W_新＝88200÷42900＝2.06

可见，使用新节能液压回路，从理论上讲，至少可以降低负载能耗50％。是一种值得提倡的精细化设计理念，这种***设计方法与《一种新型节能液压站》的发明专利一起配套使用，可以组成完整的最节能液压***。

Claims

1.本发明提供一种多压力源节能液压***的构成方法，将大型液压站中的中高压或高压***采用多种压力源供能模式，这种多压力源根据负载需求一般可分成2～4种不同等级的压力，每种压力源可以相对独立工作，而每个液压回路可根据负载需求来选择最合适的压力源，每个回路都可采用1～2种压力源供油，这样以多种压力源来高度适应***负载作功多样性需求，使液压执行元件输入功率与负载输出具有高度匹配性，减少负载输入与输出功率失衡所造成的能量损失。

2.根据权利要求1所述的一种多压力源节能液压***，各压力源等级的划分原则为：对于使用压力P≤10MPa的液压***，可划分为低压和中压源，一般取P_低＝2～4MPa，P_中＝7～10MPa；对于使用压力10MPa＜P≤16MPa的液压***，可分为低压、中压和中高压源，一般取P_低＝2～4MPa、P_中＝7～10MPa，P_中高＝12～16MPa；对于高于16MPa的液压***，对小***而言，可简单分为低压和高压源，即P_低＝2～4MPa，P_高取***最高正常工作压力，而对于复杂大***而言，除低压、中压、中高压外，将高于16MPa的最高那一级划分为高压源；具体划分情况要根据实际需要，要求每两级之间的压力间距必须大于2MPa。

3.根据权利要求1所述的一种多压力源节能液压***，该***中，每个液压回路都可根据负载作功需求选择1～2种压力源，其中之一为高压源(相对另一低压源)必须能够满足负载所有功况，且选择与之最接近的那一种压力源，既要满足压力尽量低，又要满足正常生产需要。

4.根据权利要求1所述的一种多压力源节能液压***，当执行机构双行程都对外作功，且作功所需压力都相近时，选择单压力源，当作功所需压力相差较大时，可选择双压力源供能，或虽然双行程都对外作功，但至少其中之一大部分单行程都空载，仅小部分行程实际对外作功，可选择双压力源，且其中之一为低压源；当执行机构仅单行程对外作功，另外单行程空载时，选择双压力源供能，且其中之一为低压源。

5.根据权利要求3所述的一种多压力源节能液压***，每个液压回路可选择使用一种或两种压力源，这两种压力源并联在一起，且每种压力源都有相对独立的控制元件，一般情况下这两种压力源按照一定的逻辑关系(或时间关系)分别供油，一般不同时供油；在应用各种压力源的组合方式上，一般可选取中压+低压源或中高压+低压源或高压+低压源，当选择单压力源时，一般仅选取中压源或中高压源。

6.根据权利要求3所述的多压力源节能液压***，当***回路中使用双压力源控制时，可以采用由时间控制的双压力自动切换模式，时间的设定根据执行元件运动到某位置的具体时间来确定，时间参数通过***控制程序来设定；或使用由执行元件位置信号控制的双压力自动切换模式，在需要压力切换的执行元件行程上设置位置采集信号，位置信号采集元件可以是行程开关、位置感应开关、光电编码器或磁尺等电气元件，位置信号经***程序处理后实际控制双压力源液压控制元件；或使用由回路压差控制的液控换向阀控制的双压力自动切换模式；或由人工操作按钮实现的双压力切换；还可以综合运用电气和液压各控制元件组合行成的各种双压力自动切换液压回路。