自动适应负载的变压节能驱动器的制作方法

本实用新型涉及驱动器，特别是一种自动适应负载的变压节能驱动器。

背景技术：

目前，由于液压传动能力高、应用灵活，并且能够实现较大范围的无级调速，所以它在制造业中得到广泛地应用。在一般的工业应用中，液压系统的负载随任务的需要动态变化。为保证系统正常工作，压力源一般根据最大工作压力需要设计，因而在工作中绝大多数时候系统压力低于压力源的最大输出压力，多余的压力以溢流回流的方式被转换成热能消耗掉，既浪费了能源，又增加了液压介质的温度，增加冷却系统的成本。对于简单的工业任务，工业上常采用大小泵组合对负载输出不同的压，这种方法可以有限地增加调压级数，但同时却显著增加了液压系统的体积和成本。

电气中常采用DC-DC变换器来改变负载压力。DC-DC变换器有升压型和降压型两种。升压变换器被称为“焦耳小偷”，可以将工作压力提高到供应压力以上而在理论上不损耗能量。实际上无论是升压还是降压都是在负载低压的时候将能量存储起来，等到系统需要较高压力的时候再释放出来，从而实现能量的合理利用。

在方攸同等人的文献CN104454683A所公布的一种基于液容储能的新型液压变压装置中，将液容元件和液感元件与一只电磁阀相连，蓄能器与回油路连接，通过电磁阀的高速切换实现升压和降压两种功能。该发明的优点是可以实现负载所需的压力和流量匹配，节流损失小。同时其局限性在于只能进行简单的压力值转换，无法针对变化的负载实现自动匹配，更不能直接对液压系统实现闭环控制，应用中需要额外增加驱动部分。

在顾临怡等人的文献CN1375636,2002所公布的复合型开关液压源中，提出了一种新型液压变压器设计概念，与传统液压变压器相比，该类型利用电气变压器理论以及液容液感特性设计了一种变压型驱动器，尽管其在原理上具有很多优点，但是要将其发展成为一个实用的液压变压器还要解决许多问题。同时，该专利文献公布的技术方案中只考虑了增压和降压的实现，而没有考虑到控制上的问题以及二次能耗的引入。还有，高压液压介质一次通过回路中，一次通过需要设定好每一个元件(从开关阀1到液感元件2，单向阀3，液容元件6最后回油箱；旁路单向阀4负责从油箱倒吸低压油；开关阀5负责液感元件输出回油)，因而该驱动器只能对单向驱动实现节能。另外，该专利文献公布的技术方案采用大惯量飞轮液压马达作为液感元件，在节能的同时引入了较大的二次能耗，影响节能效果。

在顾临怡的由液压总线和开关液压源构成的液压系统(CN1410682A，2003)专利中，对上述液压变压器做了改进。该专利设计在液压总线的供油路和回油路间安装若干个开关液压源，每个开关液压源拥有自己的同时升压和降压，在液压总线上同时挂多个开关液压源，改进后的设计可以将升压型，降压型任意组合配置给各自的控制阀和执行器，更加灵活地控制负载压力。

在徐兵的一种液压变压器(CN1455119，2003)中，介绍了一种能够变压的柱塞泵。该发明通过特殊的配流盘和后端盖设计获得较大调压功能和节能功能。在顾临怡的机液先导虚位移变量液压变压器(CN201306322Y,2009)中，介绍了一种能够连续升压和降压的柱塞泵。

开关液压源用于给既定的系统提供压力变化功能，其本身并不是液压系统的组成部分。开关液压源的应用使液压系统变得更加复杂，增加了设计和加工成本，使系统控制变得更加困难。最重要的是其调压功能不能自动适应负载需求，不能直接实现闭环控制，对于变负载应用缺乏实用性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中不足，提供一种能够自动适应负载的变压节能驱动器，该驱动器可以根据负载自动进行升压和降压的控制，无节流损失。

本实用新型解决其技术问题采用以下的技术方案：

本实用新型提供的自动适应负载的变压节能驱动器，包括液感元件、降压级、升压级和两个蓄能器，其中：所述液感元件，其输入端连接降压级的输出端，其输出端连接升压级的输入端；降压级的输入端连接到恒压网络的供油路；升压级的输出端经过第一蓄能器连接到负载端；降压级和升压级的回油路集成一路经过第二蓄能器连接到油箱。

所述的降压级不工作时作为升压级的驱动级，升压级不工作时作为降压级的驱动级。

所述的降压级、液感元件、升压级依次连接。

所述的两个蓄能器，为皮囊式蓄能器或弹簧式蓄能器，均用于吸收能量脉动。

所述的液感元件是螺旋式细长管路，管路长径比为600，缠绕直径d为130cm，缠绕圈数n为5.5，管壁的杨氏模量E≥1e4MPa。

所述的液感元件，其两端的压力差和流经液感元件的流量具有以下关系：

式中：ΔP为液感元件两端的压力差，为液感元件的流量变化率，L为液感元件的液感系数，ρ为液压油的密度，l为液感元件的长度，d为液感元件的截面直径，Q为系统瞬时流量。

所述的蓄能器，其两端的压力差和流经蓄能器的流量有以下关系：

式中：Q为通过蓄能器的流量，C为蓄能器液容系数，为蓄能器的压力变化率，V₀为蓄能器初始体积，P₀为蓄能器预冲压力。

所述的电磁阀均为插装式高速开关阀。

所述的单向阀为插装式，用于液压系统内高低压油路隔离，并防止气穴现象。

所述的负载，为油缸、液压马达、节流阀中的一种或任意复杂组合。

本实用新型与现有技术变压装置相比具有以下的主要的有益效果：

1.利用高速开关阀的快速切换，用一套装置同时实现升压、降压以及驱动功能，实现负载所需压力和流量的匹配，在低负载时存储能量供高负载时利用，实现能量的合理利用。

2.降压级在不工作时作为升压级的驱动级，升压级在不工作时作为降压级的驱动级，因而具有完全的驱动功能，无需另外配置液压源或者驱动器。

3.通过调节相应控制阀的输入信号占空比可以调节负载运动速度的大小，具有更好的控制性能。

4.当升压级和将压力分别作为驱动级时，可以对系统的流量进行二次调节，提高位移控制的性能。

5.采用降压级-液感元件-升压级的结构形式，一个液感元件即可满足四种工作状态，结构简洁紧凑。以如下系统为例，试验系统压力为50bar，液压缸活塞直径为20mm，活塞杆直径为10mm，行程为0.1m。如图2所示工作状态的开关阀的输入PWM信号的占空比为0.7，频率为50Hz。液压缸活塞所受外力数值及方向如图7至图10所示。负载重物为40kg。图7为重物下降时的增压效果图，负载压力为60bar；图8为重物下降时的降压效果图，负载压力为30bar；图9为重物上升的增压效果图，负载压力为100bar；图10为重物上升时的降压效果图，负载压力为39bar。如图7至图10所示，采用带负载的液压缸做上下往复运动，通过试验数据可以看出通过控制电磁阀可以对输出压力实现升压或者降压，并能够实现闭环控制，节流损失小，体积小重量轻，具有显著的技术效果。

附图说明

图1是本实用新型的自动适应负载的变压节能驱动器的结构示意图。

图2是液压缸-负载模型示意图。

图3是图1中升压级的结构示意图。

图4是降压级的结构示意图。

图5是本实用新型的样机结构示意图。

图6是图5的阀台的结构示意图。

图7是本实用新型实施例的仿真实验数据图，该图显示了重物下降时的增压效果。

图8是本实用新型实施例的仿真实验数据图，该图显示了重物下降时的降压效果。

图9是本实用新型实施例的仿真实验数据图，该图显示了重物上升时的增压效果。

图10是本实用新型实施例的仿真实验数据图，该图显示了重物上升时的降压效果。

图中：1.第一电磁阀，2.第一单向阀，3.第二电磁阀，4.第二单向阀，5.第三单向阀，6.第三电磁阀，7.第四单向阀，8.第四电磁阀，9.第一蓄能器，10.第二蓄能器，11.液感元件。

具体实施方式

本实用新型公开了一种能够自动适应负载的变压驱动器，包括降压级，升压级，液感元件和两个蓄能器，恒压网络的供油路连接到降压级的输入端，液感元件的输入端和输出端分别连接降压级的输出端和驱动级的输入端，驱动级的输出端连接蓄能器，然后输入到负载端，升压级的输出端与驱动级的回油端集成一路连接蓄能器，最后回油箱。本实用新型利用高速开关阀的快速切换，用一套装置实现升压、降压以及驱动功能，实现负载所需压力和流量的匹配，在低负载时存储能量供高负载时利用，实现能量的合理利用，同时降压级在不工作时作为升压级的驱动级，升压级在不工作时作为降压级的驱动级，因而具有完全的驱动功能，可以实现闭环控制，是一种功能完善的变压节能驱动器。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型提供的自动适应负载的变压节能驱动器，其结构如图1至图5所示，包括降压级、液感元件11、升压级和两个蓄能器，其中：恒压网络的供油路连接到降压级的输入端，降压级的输出端连接液感元件11的输入端，液感元件11的输出端连接升压级的输入端，升压级的输出端经过第一蓄能器9连接到负载端，降压级和升压级的回油路集成一路经过第二蓄能器10连接到油箱。

所述的降压级不工作时作为升压级的驱动级，升压级不工作时作为降压级的驱动级。

所述的降压级包括第一电磁阀1和第三电磁阀6，第一单向阀2和第三单向阀5，第一电磁阀1和第一单向阀2的输入端连接恒压网络的供油路，第三电磁阀6和第三单向阀5的输出端连接回油路，第一电磁阀1和第一单向阀2的输出端以及第三电磁阀6和第三单向阀5的输入端集成一路连接液感元件的输入端。

所述的升压级包括包括第二电磁阀3和第四电磁阀8，第二单向阀4和第四单向阀7，上述四个阀的输入端均连接液感元件的输出端，第二电磁阀3和第二单向阀4的输出端经过第一蓄能器9连接负载的输入端，第四电磁阀8和第四单向阀7的输出端经过第二蓄能器10最后连接到回油路。

所述的负载为油缸或液压马达或节流阀或任意复杂组合。

所述的两个蓄能器，为皮囊式蓄能器或弹簧式蓄能器，均用于吸收能量脉动。

所述液感元件11是螺旋式细长管路，管路长径比为600，缠绕直径d为130cm，缠绕圈数n为5.5，管壁的杨氏模量E≥1e4MPa。

上述液感元件两端的压力差和流经液感元件的流量具有以下关系(液感元件的计算以长导管为例)：

式中：ρ为液压油的密度，l为长导管的长度，d为长导管的截面直径，Q为系统瞬时流量。

蓄能器两端的压力差和流经蓄能器的流量有如下关系：

式中：Q为通过蓄能器的流量，为蓄能器的压力变化率，C为蓄能器液容系数；V₀为蓄能器初始体积，P₀为蓄能器预冲压力。

图1中：P₁和Q₁表示供油压力端A的压力和流量；P₂和Q₂表示负载压力端B的压力和流量，第一蓄能器9能吸收P₂的波动；P₃和Q₃表示回油压力端C的压力和流量；Q₄表示负载压力端出油时，长导管中的流量，在工作过程中有波动；Q₅表示负载压力端进油时，长导管中的流量，在工作过程中有波动。

所述的电磁阀均为插装式高速开关阀，与控制器连接，控制器输入PWM控制信号。

所述的单向阀为插装式高速单向阀，用于系统内高低压油路隔离，并防止气穴现象。

本实用新型提供的自动适应负载的变压节能驱动器，其通过电磁阀的高速切换，可同时实现升压和降压两种功能，具体实施工作过程如下：

该变压节能驱动器其有四种工作状态，假定各原件均理想状态，控制快速开关阀的脉宽调制波周期为T，占空比为D，调节脉宽调制波信号的占空比，可以输出相应的压力与流量。

第一种工作状态：

当负载压力大于供油压力、液压缸无杆腔出油时，第四快速开关阀8输入脉宽调制波，第二快速开关阀3和第三快速开关阀6输入低压信号，第一快速开关阀1输入高压信号。当第四快速开关阀8导通时，流量Q₄增加；当第四快速开关阀8关闭时，流量Q₄减小，流量Q₄的最小值大于0。液压缸无杆腔的压力、流量与供油端的压力、流量存在如下关系：

Q₂＝(1-D)Q₁

第二种工作状态：

当负载压力低于供油压力、液压缸无杆腔出油时，第一快速开关阀1输入脉宽调制波，第二快速开关阀3、第三快速开关阀6、第四快速开关阀8输入低压信号。当第一快速开关阀1导通时，流量Q₄增加；当第一快速开关阀1关闭时，流量Q₄减小，流量Q₄的最小值大于0。液压缸无杆腔的压力、流量与供油端的压力、流量存在如下关系：

P₂＝(1-D)P₁

第三种工作状态：

当负载压力大于供油压力、液压缸无杆腔进油时，第二快速开关阀3输入脉宽调制波，第三快速开关阀6、第四快速开关阀8输入低压信号，第一快速开关阀1输入高压信号。当第二快速开关阀3导通时，流量Q₅增加；当第二快速开关阀3关闭时，流量Q₅减小，流量Q₅的最小值大于0。液压缸无杆腔的压力、流量与供油端的压力、流量存在如下关系：

Q₂＝DQ₁

第四种工作状态：

当负载压力低于供油压力、液压缸无杆腔进油时，第三快速开关阀6输入脉宽调制波，第一快速开关阀1、第四快速开关阀8输入低压信号，第二快速开关阀3输入高压信号。当第三快速开关阀6导通时，流量Q₅增加；当第三快速开关阀6关闭时，流量Q₅减小，流量Q₅的最小值大于0。液压缸无杆腔的压力、流量与供油端的压力、流量存在如下关系：

P₂＝DP₁

由上可知，在理想情况下，基于快速开关阀的液压升压降压变换器的效率可以达到100％。

针对本实用新型对四种工作状态进行试验，试验系统压力为50bar，液压缸活塞直径为20mm，活塞杆直径为10mm，行程为0.1m。如图2所示工作状态的开关阀的输入PWM信号的占空比分别为0.3，0.5和0.7，频率为50Hz。液压缸活塞所受外力数值及方向如图7至图10所示。负载重物为40kg。如图7至图10所示，采用带负载的液压缸做上下往复运动，通过试验数据可以看出通过控制电磁阀可以对输出压力实现升压或者降压，并能够实现闭环控制，节流损失小，体积小重量轻，具有显著的技术效果。

上述具体实施方法用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的权利要求范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。