一种液压系统能量回收装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种液压系统能量回收装置及方法，包括液压缸、单向节流阀一、单向节流阀二、伺服滑阀、液控单向阀一、液控单向阀二、液压马达一、液压马达二、换向阀一、换向阀二，换向阀二与液压马达一、液压马达二连接，液压马达一通过液控单向阀一与单向节流阀二连接，液压马达二通过液控单向阀二与单向节流阀一连接，单向节流阀一、单向节流阀二与液压缸连接，液压马达一通过伺服滑阀与换向阀一连接。优点是：通过将两台轴向柱塞变量马达的传动轴固定连接，使两个马达转速一样。液压系统能量回收装置可回收重物W下降过程中势能变化的一部分能量，这部分能量转化为液压系统的压力能，降低液压系统节流损失，实现了回收能量。
【专利说明】
一种液压系统能量回收装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种液压系统能量回收装置及方法。
【背景技术】
[0002]液压系统中，特别是在工程机械的液压系统中，大量存在液压缸在重物的作用下下降、或者液压马达在外负载的作用下被动旋转，为了保持设备的平稳运动，必然采取节流措施，这样重物的势能、外负载的动能会转变为油液的温度上升，具体原理是重物的势能转化为液压油压力，压力油通过节流阀产生节流损失，不仅浪费能量，而且使油液温度升高导致油液变质、设备故障。因此需要一种不仅可以控制速度、减少节流损失，而且能够高效回收能量的方法。
【发明内容】
[0003]为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种液压系统能量回收装置及方法，以降低液压系统节流损失、回收能量；同时使设备在要求的速度下平稳运行。
[0004]为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现:
[0005]一种液压系统能量回收装置，包括液压缸、单向节流阀一、单向节流阀二、伺服滑阀、液控单向阀一、液控单向阀二、液压马达一、液压马达二、换向阀一、换向阀二，
[0006]换向阀二与液压马达一、液压马达二连接，液压马达一通过液控单向阀一与单向节流阀二连接，液压马达二通过液控单向阀二与单向节流阀一连接，单向节流阀一、单向节流阀二与液压缸连接，液压马达一通过伺服滑阀与换向阀一连接。
[0007]所述的液压马达一与液压马达二均为轴向柱塞变量马达，液压马达一与液压马达二的传动轴固定连接。
[0008]液压系统能量回收方法，液压缸有杆腔在承受重物负载时处于停止状态时:
[0009]液压马达一、液控单向阀一、液控单向阀二的控制油腔接回油，液压马达一的斜盘倾角α为最大，液控单向阀一、液控单向阀二处于关闭状态，换向阀一的阀芯、换向阀二的阀芯处于中位，此时液压缸处于锁定状态，液压缸不运动；
[0010]液压缸有杆腔在承受重物负载时处于下降状态，也就是能量回收状态时:
[0011]Vl = (A1/A2)V2 ；
[0012]式中，Al、A2分别是液压缸的有杆腔、无杆腔的活塞面积，Vl是液压马达一的排量，V2是液压马达二的排量且始终处于最大排量；
[0013]换向阀一、换向阀二换向，换向阀一的阀芯处于右边位置，换向阀二的阀芯处于左边位置，液控单向阀一、液控单向阀二打开，压力油通过换向阀二作用在液压马达一、液压马达二上，此时，液压马达二工作在马达状态，液压马达一工作在栗状态；
[0014]Tl = Vl (P - Pl) /2 31 , T2 = V2 (P - P2) /2 π ；
[0015]式中，Tl为液压马达一需要的转矩，Τ2为液压马达二提供的转矩，Vl液压马达一的排量，V2液压马达二的排量，Pl为液压马达一与液控单向阀一之间管路中的油液压力、P2为液压马达二与液控单向阀二之间管路中的油液压力；
[0016]当Tl = T2时，液压马达一、液压马达二开始旋转，重物开始下降；
[0017]满足Pl = W/A1+P2*A2/A1，式中W为重物的重量，同时A2 >A1，因此即使W为0，Pl > P仍然成立，P是进入换向阀一和换向阀二的系统压力管道中油液的压力，液压马达一排出的高压油进入系统的压力管道；
[0018]液压缸有杆腔在承受重物负载时处于上升状态:
[0019]上升过程中，换向阀一的阀芯、换向阀二的阀芯处于右边位置，液控单向阀一、液控单向阀二打开，压力油经过换向阀二作用在液压马达一上，液压马达一和液压马达二的斜盘倾角均处于最大倾角，液压马达一处于马达状态，液压马达二处于栗状态，在换向阀二供油时:P1 = ff/Al, P2 = 0，P > Pl,因此 Tl = Vl (P - Ρ1)/2π > Τ2 = 0，液压马达一、液压马达二旋转，压力油通过液压马达一、液控单向阀一、单向节流阀二进入液压缸的有杆腔，无杆腔的油液经过单向节流阀一、液控单向阀二、液压马达二、换向阀二回油箱。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0021]通过将两台轴向柱塞变量马达的传动轴固定连接，使两个马达转速一样。使设备在要求的速度下平稳运行的前提下，液压系统能量回收装置可回收重物W下降过程中势能变化的一部分能量，这部分能量转化为液压系统的压力能，降低液压系统节流损失，实现了回收能量。通过节流阀产生的节流损失的80%可以回收，直接进入到液压系统的压力油管路中，提供给其它回路使用。
【附图说明】
[0022]图1是轴向柱塞变量马达结构图。
[0023]图2是图1沿A-A线的剖视图。
[0024]图3是图1沿B-B线的剖视图。
[0025]图4是液压马达一与液压马达二的连接示意图(通过联轴器连接)。
[0026]图5是液压马达一与液压马达二的连接示意图。
[0027]图6是液压系统能量回收装置原理示意图(停止状态)。
[0028]图7是液压系统能量回收装置原理示意图(下降状态)。
[0029]图8是液压系统能量回收装置原理示意图(上升状态)。
[0030]图中:1-马达控制液压缸2-弹簧3-控制油管4-斜盘5-缸体6_柱塞7-配流盘8-传动轴9-联轴器10-重物11-液压缸12-单向节流阀二 13-单向节流阀一 14-伺服滑阀15-液控单向阀一 16-液控单向阀二 17-液压马达一 18-液压马达二 19-换向阀一 20-换向阀二。
【具体实施方式】
[0031]下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
[0032]本发明采用轴向柱塞变量马达(可以是斜盘式和斜轴式)原理和节流原理，由三部分构成:节流元件、伺服滑阀14、两个传动轴8刚性连接的变量柱塞马达。
[0033]见图1-图3，轴向柱塞变量马达的工作原理(以斜盘式为例说明):斜盘4在马达控制液压缸I的控制下处于某一个位置(马达控制液压缸I在弹簧2和控制油管3提供的压力作用下，此两个力平衡时，保持斜盘4处于某一个位置；此两个力不平衡时，马达控制液压缸I带动斜盘4运动，直到二力平衡斜盘4稳定在另一个位置)，配流盘7固定不动，与缸体5紧密贴合，缸体5与传动轴8相连接，并可一起旋转；当压力油通过配油窗口进入缸体5孔作用到柱塞6端面上时，压力油将柱塞6顶出，对斜盘4产生推力，斜盘4则对处于压油区的每个柱塞6都要产生一个法向反力F，这个力的水平分力Fx与柱塞6上的液压力平衡，而垂直分力Fy则使每个柱塞6都对转子(缸体5)中心产生一个转矩，由于F Y> F Y1，在图1中，使缸体5和传动轴8做逆时针方向旋转。如果高、低压力油腔交换位置，缸体5和传动轴8做顺时针方向旋转。斜盘4倾角α越大，每转一周排出的油液体积越大。
[0034]见图4，液压马达一 17与液压马达二 18的两传动轴8通过一个联轴器9刚性联接在一起，目的是使两个马达转速一样；图5是将两传动轴8直接做成一体，也可以采用其他联接方式，只要两个马达转速能够一样即可。见图4、图5，两个液压马达的斜盘4分别受两个控制油路控制，可以达到不同的斜盘4倾角，也就是每转一圈输出不同体积的油液。
[0035]图6，表示的状态为停止状态(有杆腔承受重物10负载)。液压马达一 17、液控单向阀一 15、液控单向阀二 16的控制油腔接回油，液压马达一 17的斜盘4倾角为最大，液控单向阀一 15、液控单向阀二 16处于关闭状态，换向阀一 19的阀芯、换向阀二 20的阀芯处于中位，此时液压缸11处于锁定状态，液压缸11不运动。液压马达一 17、液压马达二 18采用相同的马达。
[0036]图5表示的状态为下降状态(有杆腔承受重物10负载)，也就是能量回收状态。设液压缸11的有杆腔、无杆腔的活塞面积分别为Α1、Α2，那么液压马达二 18的排量设定为V2，液压马达的排量Vl = (A1/A2)V2，按照V1、V2的值人工设定液压马达一 17、液压马达二18的最大斜盘4倾角，也就是说在马达运转的过程中，斜盘4倾角不会大于此值。换向阀一19、换向阀二 20换向，换向阀一 19的阀芯处于右边位置，换向阀二 20的阀芯处于左边位置，液控单向阀一 15和液控单向阀二 16被打开，压力油通过换向阀二 20作用在液压马达一 17、液压马达二 18上，此时，液压马达二 18工作在马达状态、液压马达一 17工作在栗状态，当Tl = T2时【Tl为液压马达一 17需要的转矩，T2为液压马达二 18提供的转矩，Tl=Vl (P - Pl) /2 Ji , T2 = V2 (P - P2) /2ττ ,Vl 液压马达一 17 的排量，V2 液压马达二 18 的排量，Ρ1、Ρ2分别为液压马达一 17、液压马达二 18后面的压力(后面的压力是指液压马达一17或液压马达二 18与液控单向阀一 15或液控单向阀二 16连接的管路压力)】，液压马达一 17和液压马达二 18开始旋转，重物10开始下降。
[0037]因为Pl = W/A1+P2*A2/A1，式中W为重物10的重量，同时Α2 > Al，因此必然存在Pl > P，(即使W为O)液压马达一 17排出的高压油进入系统的压力管道，而不是排入油箱，因此实现能量回收。
[0038]在重物10下降前，调节伺服滑阀14的弹簧2，使伺服滑阀14的启动压力设定为2MPa，(可设定范围I?5MPa)。在重物10下降的过程中，液压马达二 18的斜盘4倾角一直工作在最大位置，液压马达一 17的斜盘4倾角开始时在最大位置，重物10没有动作时，没有油液通过单向节流阀二 12，单向节流阀二 12的两端压差为0，不能推动伺服滑阀14动作，液压马达一 17的斜盘4倾角为最大，随着重物10的下降，油液通过单向节流阀二 12，单向节流阀二 12的两端形成压差，当压差大于2MPa时，伺服滑阀14的阀芯动作，压力油进入液压马达一 17的控制液压缸11，使液压马达一 17的斜盘4倾角减小、排量减小，从而使通过单向节流阀二 12的流量减小，单向节流阀二 12两端的压差降低，逐渐稳定在2MPa左右，保持了通过节流阀的流量恒定，也就是说液压缸11的运动速度恒定。
[0039]在此过程中，单向节流阀二 12的两端压差保持在2MPa左右，而不是单独节流调速回路中出现的单向节流阀二 12的两端压差高达10?20MPa，因此，也节约了能量。
[0040]图6表示的状态为上升状态(有杆腔承受重物10负载)，上升过程中，换向阀一19的阀芯和换向阀二 20的阀芯处于右边位置，液控单向阀一 15和液控单向阀二 16打开，压力油经过换向阀二 20作用在液压马达一 17上，液压马达一 17和液压马达二 18的斜盘4倾角均处于最大倾角，液压马达一 17处于马达状态、液压马达二 18处于栗状态，在换向阀二20 供油时，Pl = W/ALP2 = O,P > Pl，因此 Tl = Vl (P - Pl)/2 π > Τ2 = 0，液压马达一17和液压马达二 18旋转，压力油通过液压马达一 17、液控单向阀一 15、单向节流阀二 12中的单向阀进入液压缸11的有杆腔，无杆腔的油液经过单向节流阀一 13中的节流阀、液控单向阀二 16、液压马达二 18、换向阀二 20回油箱。
[0041]因为压力油不经过单向节流阀12中的节流阀、而是经过单向阀，单向节流阀二 12两端的压差不会超过2MPa，因此，伺服滑阀14不动作，液压马达的斜盘4倾角一直处于最大位置。液压缸11的运动速度由单向节流阀一 12控制，属于回油节流。
[0042]在液压缸11的上升过程中，P2的大小接近于0，因此，液压马达一 17和液压马达二18 —直能够旋转，直到换向阀一 19和换向阀二 20换向。
【主权项】
1.一种液压系统能量回收装置，其特征在于，包括液压缸、单向节流阀一、单向节流阀二、伺服滑阀、液控单向阀一、液控单向阀二、液压马达一、液压马达二、换向阀一、换向阀——-， 换向阀二与液压马达一、液压马达二连接，液压马达一通过液控单向阀一与单向节流阀二连接，液压马达二通过液控单向阀二与单向节流阀一连接，单向节流阀一、单向节流阀二与液压缸连接，液压马达一通过伺服滑阀与换向阀一连接。 所述的液压马达一与液压马达二均为轴向柱塞变量马达，液压马达一与液压马达二的传动轴固定连接。2.利用权利要求1所述的装置实现的液压系统能量回收方法，其特征在于， 液压缸有杆腔在承受重物负载时处于停止状态时: 液压马达一、液控单向阀一、液控单向阀二的控制油腔接回油，液压马达一的斜盘倾角α为最大，液控单向阀一、液控单向阀二处于关闭状态，换向阀一的阀芯、换向阀二的阀芯处于中位，此时液压缸处于锁定状态，液压缸不运动； 液压缸有杆腔在承受重物负载时处于下降状态，也就是能量回收状态时:Vl = (A1/A2)V2 ； 式中，Al、A2分别是液压缸的有杆腔、无杆腔的活塞面积，Vl是液压马达一的排量，V2是液压马达二的排量且始终处于最大排量； 换向阀一、换向阀二换向，换向阀一的阀芯处于右边位置，换向阀二的阀芯处于左边位置，液控单向阀一、液控单向阀二打开，压力油通过换向阀二作用在液压马达一、液压马达二上，此时，液压马达二工作在马达状态，液压马达一工作在栗状态； Tl = Vl (P - Pl) /2 JT , T2 = V2 (P - P2) /2 π ； 式中，Tl为液压马达一需要的转矩，Τ2为液压马达二提供的转矩，Vl液压马达一的排量，V2液压马达二的排量，Pl为液压马达一与液控单向阀一之间管路中的油液压力、Ρ2为液压马达二与液控单向阀二之间管路中的油液压力； 当Tl = Τ2时，液压马达一、液压马达二开始旋转，重物开始下降； 满足Pl = W/A1+P2*A2/A1，式中W为重物的重量，同时Α2 > Al，因此即使W为0，P1 >P仍然成立，P是进入换向阀一和换向阀二的系统压力管道中油液的压力，液压马达一排出的高压油进入系统的压力管道； 液压缸有杆腔在承受重物负载时处于上升状态: 上升过程中，换向阀一的阀芯、换向阀二的阀芯处于右边位置，液控单向阀一、液控单向阀二打开，压力油经过换向阀二作用在液压马达一上，液压马达一和液压马达二的斜盘倾角均处于最大倾角，液压马达一处于马达状态，液压马达二处于栗状态，在换向阀二供油时:P1 = W/ALP2 = O,P > P1，因此 Tl = Vl (P - Ρ1)/2π > Τ2 = O，液压马达一、液压马达二旋转，压力油通过液压马达一、液控单向阀一、单向节流阀二进入液压缸的有杆腔，无杆腔的油液经过单向节流阀一、液控单向阀二、液压马达二、换向阀二回油箱。
【文档编号】F15B21/14GK105864230SQ201510033458
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月23日
【发明人】董喜荣, 董文广
【申请人】鞍钢股份有限公司