变负载伺服控制系统的节能设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于液压技术应用领域，涉及一种变负载伺服控制系统的节能设计方法。
【背景技术】
[0002]液压伺服控制作为20世纪50、60年代以后发展的而形成的一门新兴科学技术，凭借其控制精度高、响应快、传动平稳、抗干扰能力强及高功率密度等优点，在国防工业、航空航天、有色冶炼、动力工程、车辆工程、石油化工等领域获得了重要应用。但由于在传统液压传动中，由于存在大量的压力不匹配、流量不匹配，造成了大量的节流损失和溢流损失。带来液压伺服系统传动效率低、发热量大等问题，造成了严重的能源浪费和环境污染，更甚影响到液压伺服技术的竞争力和应用范围。故寻求一种新型的能量匹配伺服控制系统，最大限度匹配负载力，减少系统溢流损失和节流损失，刻不容缓。
[0003]目前，针对液压系统节能设计的专利有CN101413522A公开的一种工程机械负载口独立电液负载敏感能量再生液压系统，分工况选择控制策略，减少了系统的节能损耗，实现了超越载荷的能量再生；泵控和阀控相结合实现速度和节能控制，但使用范围有限，通用性不强。专利CN201575006U公开的一种利用变频器控制泵的启停、间歇工作，达到系统的节能。但受限于变频电机的响应慢的特点，在控制精度要求较高的场合不宜使用。专利CN202215255U公开的一种正流量液压节能控制系统，通过逻辑组对所有先导控制信号的比较，将最大先导压力输出控制变量泵与之相适应，从而降低泵的旁路节流损失。但逻辑阀组的存在，不但增加了系统的复杂性，而且还影响到系统的响应速度。专利CN103174688A公开的一种使用蓄能器回收液压缸活塞杆伸出时有杆腔油液，回程时和泵源共同作为动力源，解决了回油管路和溢流管路的液压油损失，达到节能目的，但无匹配，阀口节流损失依旧严重。针对上述研宄中的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种变负载伺服控制系统的节能设计方法，该方法，同时考虑到能量回收和减小节流损失问题，全工况覆盖。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对变负载液压伺服系统中存在的能量利用率低的问题，提供一种基于负载力匹配的变负载伺服控制系统的节能设计方法。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]本发明的节能设计方法所涉及的变负载伺服控制节能系统由开关阀、电机、定量泵、单向阀、安全阀、定量泵/马达、离合器、变量泵/马达、压力传感器、蓄能器、控制器、伺服阀、换向阀、液压缸、低压油箱和油箱组成，其特征是:变负载伺服控制节能系统包括4条油路，分别为能量存储油路R和三条压力等级不同的高压油路H、中压油路M、低压油路T ;系统中定量泵由电机带动，油路在泵口分为三条并联油路:一条连接开关阀，起泵源卸荷作用；一条连接安全阀，起安全作用；一条经泵口单向阀后连接至系统高压油路H，作为工作油路，高压油路H又分别连接四支分油路，其中一支连接高压蓄能器H，起恒压源作用，并接有压力传感器，采集压力信号反馈至控制器；一支经开关阀后连接变量泵/马达，通回油箱，作为能量传递单元的一部分；剩余两支油路分别连接在左右两联开关阀中的一个，作为通向执行器的高压油路冲压油路M分别连接四支分油路，其中一支连接中压蓄能器M，起恒压源作用，并接有压力传感器，采集压力信号反馈至控制器；一支经开关阀后连接定量泵/马达，通回油箱，作为能量传递单元的一部分；剩余两支油路分别连接在左右两联开关阀中的一个，作为通向执行器的中压油路；低压油路T连接三支分油路，两支分别连接在左右两联开关阀中的一个，作为通向执行器的低压油路，剩余一支连接低压油箱后回油箱；能量存储油路R连接三支分油路，其中一支连接储能蓄能器R，起储能作用，并接有压力传感器，采集压力信号反馈至控制器；一支经开关阀后连接变量泵/马达与油箱接通，并通过离合器分别与高、中压油路的定量泵/马达连接，作为能量传递单元的一部分；剩余一支油路连接安全阀，起安全保护作用；油路经左右两联开关阀后，左联开关阀经伺服阀后连接两位四通换向阀的一油口，右联开关阀则直接连接两位四通换向阀的另一油口，两位四通换向阀出油口分别连接液压缸的进、出油口，液压缸两腔分别接有压力传感器，采集压力信号反馈至控制器；液压缸活塞杆接有位移传感器，采集位移信号反馈至控制器，控制器的输入信号为各压力传感器采集的压力信号和位移传感器采集的位移信号，输出信号为控制各开关阀的通断信号、换向阀的换向信号、控制伺服阀阀口开度和变量泵/马达的电信号。
[0007]所述控制器为PC工控机或可编程控制器。
[0008]所述的变负载伺服控制系统的节能设计方法，其节能原理具体为:
[0009]系统中设置H、M、T三条压力等级的恒压油路和蓄能油路R，无溢流损失，仅存在定量泵的卸荷损失；通过液压缸进、出油路高、中、低不同压力等级的任意两两组合，至多得出9种大小不同的输出力，控制器灵活控制不同压力等级组合的切换顺序，使液压缸输出力最大限度与负载力拟合匹配，减小伺服阀阀口的节流损失；各压力等级油路(T除外)经能量传递单元与储能油路R连通，控制器根据反馈信号，高效、合理控制各开关阀、变量泵/马达，有效管理三条压力等级的恒压油路和储能油路R，实现能量的传递(标准差动回路和等效差动回路)与储能(能量的回收)，提高了系统的节能性。
[0010]所述的三条压力等级的恒压油路两两组合，在此基础上可以设置更多的压力等级和能量传递单元，每添加一条压力等级，即增加2n+l种压力组合，液压缸的出力等级将更加密集，增强拟合变负载力的能力，取得更好的节能效果。
[0011]本发明的优点:
[0012]I)效率高。传统的液压系统中，泵口、节流阀口存在较大的溢流损失和和节流损失，而变负载伺服节能控制系统，分压力等级设计，由负载力匹配出发，任意压力等级两两组合，基本实现了负载力的匹配，减小了阀口节流损失。且系统无溢流，能量可回收，故能源利用率高、节能效果好。
[0013]2)能量再生。传统的液压系统中仅可产生标准的差动回路，而变负载伺服节能控制系统，由于能量传递单元的存在，使不同压力等级组成等效差动回路成为了可能，实现了能量的再生，进一步加强了系统的节能效果。
[0014]3)能量回收利用。变负载伺服节能控制系统，增加了储能油路R，在能量回收模式存储能量，以供其他工作模式能量释放，减小了系统的输入。
[0015]4)全工况覆盖。本发明覆盖了负载、运动方向变化的各种工况，均可达到节能效果，应用范围广，全工况覆盖。
【附图说明】
[0016]图1本发明负载力拟合匹配的结构示意图；
[0017]图2本发明变负载伺服控制系统的原理图；
[0018]图3本发明变负载伺服控制系统的控制器功能模块图；
[0019]图4本发明标准差动回路的不意图；
[0020]图5本发明等效差动回路的示意图；
[0021]图6本发明标准能量回收回路的示意图；
[0022]图7本发明等效能量回收回路的示意图。
[0023]图中:1、开关阀，2、电机，3、定量泵，4、单项阀，5、安全阀，6、变量泵/马达，7、离合器，8、定量泵/马达，9、油箱，10、压力传感器，11、蓄能器，12、低压油箱，13、控制器，14、伺服阀，15、换向阀，16、液压缸，17、位移传感器。
【具体实施方式】
[0024]变负载伺服控制节能系统主要由4条油路组成，分别为能量存储油路R和三条压力等级不同的高压油路H、中压油路M、低压油路T。系统中定量泵3由电机2带动，定量泵的出口分三条油路，分别与单向阀4、安全阀5.1、开关阀I的进油口相连；安全阀5.1、开关阀I的出油口直接与油箱9接通；单向阀4的出油口接高压油路H，高压油路H分别与高压蓄能器11.2、压力传感器10.2、左右两联开关阀1.4、1.7进油口、能量传递单元开关阀1.2进油口相连；中压油路M分别与中压蓄能器11.3、压力传感器10.3、左右两联开关阀1.5、1.8进油口、能量传递单元开关阀1.4进油口相连；低压油路T分别与低压油箱12、左右两联开关阀1.6、1.9进油口相连；低压油箱12出油口直接接油箱；能量存储油路R分别与存储蓄能器11.1、压力传感器10.1、安全阀5.2进油口、能量传递单元开关阀1.3进油口相连；能量传递单元开关阀1.2、1.3、1.4出油口分别接变量泵/马达6.1、变量泵/马达6.2和定量泵/马达8 ;变量泵/马达6.1、变量泵/马达6.2和定量泵/马达8另一油口直接接回油箱；变量泵/马达6.1、变量泵/马达6.2和定量泵/马达8之间靠离合器7.1,7.2连接；左联开关阀1.4、1.5、1.6出油口汇集连接伺服阀14进油口 ；伺服阀14出油口连接两位四通换向阀15进油口 ；右联开关阀1.7、1.8、1.9出油口汇集连接两位四通换向阀15进油口 ；两位四通换向阀15出油口分别连接液压缸的无杆腔和有杆腔，液压缸的无杆腔和有杆腔分别接压力传感器10.4、10.5，活塞杆连接位移传感器17 ;控制器分别与压力传感器10.1,10.2,10.3,10.4,10.5，位移传感器 17，开关阀 1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8、1.9，伺服阀14，换向阀15，变量泵/马达6.1,6.2电连接。
[0025]本发明的工作原理如下:
[0026]如图2所示，输入位移信号传递至控制器，压力传感器10.4、10.5实时检测液压缸两腔的压力，位移传感器17实时检测活塞杆的位移，控制器根据活塞杆移动的方向和负载力Fl= P A-PbA2的大小、方向，选择出合适的压力等级组合，使液压缸可输出力F =PA-P2A2与F之差Δ Fmin= F-F身小，降低在排液伺服阀14上的节流损失。针对如图2所示系统，根据不同的压力等级组合、负载力和运动的方向，可分为普通模式、差动模式及能量回收模式三种工作模式。工作过程中液压缸出油口经伺服阀接压力等级T，定义为普通模式；液压缸运