一种流量匹配式平衡与能量回收系统的制作方法

本实用新型属于工程机械和液压控制技术领域，特别涉及到一种流量匹配式平衡阀与能量回收系统。

背景技术：

工程机械在作业过程中，经常需要将较重的负载举升和放下。为防止立式液压缸和垂直运动工作的部件因自重而自行下降，通常需要采用液压平衡回路。基于平衡阀的液压平衡回路广泛应用于起重机械、行走机械、升降工作台等负载变化较大的大功率超越负载场合。但是平衡阀是通过液阻克服负载来工作，本身是一种耗能元件，造成较大的能量损失，使油液的温度升高导致介质变质老化，会导致元器辅件和系统的可靠性、稳定性和寿命大大降低。当需要精确地控制超越负载情况下的液压系统的位置或速度时，对平衡阀的性能要求就很高，目前使用的平衡阀很多情况下很难保证系统控制的准确性和平稳性。而且一旦系统中增加了背压后，即使在没有超越负载出现时，仍然会有节流，由此产生的节流损失也较大。

另外，工程机械中通常都工作在较重的负载情况，且负载随时间和工况的变化会有很大变化。这种变化的重载就要求液压系统具有较高的能效，也就是要求液压系统能反向吸收或利用负载势能所具有的能量，同时适合负载变化提供所需的液压功率，尽量减少流量和压力损失,真正达到节能的效果。基于平衡阀的平衡回路，即使能做到准确控制超越负载情况下的位置控制，也很难把此时的重力势能回收再利用。而且，在重载情况下，对负载位置的微小调节，也会比较困难。因此研究如何设计合适的液压回路，保证超越负载情况下系统仍能平稳运行，且能回收相应的势能，提高系统能效是十分有必要的。本实用新型专利所提出的一种流量匹配式平衡与能量回收系统，就是为实现液压系统在超越负载情况下平稳运行的同时，对相应的液压能进行再利用，从而大幅提供系统能效。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种流量匹配式平衡阀，及基于此平衡阀的闭式能量回收系统，其目标是实现液压系统在各种负载情况下均能平稳运行和可靠的锁紧，且能平稳回收和再利用液压能，最大限度提高能量利用效率。

为了实现上述技术特点，本实用新型提出了一种流量匹配式平衡与能量回收系统，包括流量匹配式平衡阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、液压泵、油箱、蓄能器以及执行油缸；所述流量匹配式平衡阀包括阀体、阀套、阀芯、球阀芯、压紧弹簧以及连通油道；所述阀套安装在所述阀体内；所述阀芯和所述阀套间隙配合，并能够在所述阀套内上下滑动，且能够阻止液压油沿配合间隙的流动；所述球阀芯和所述压紧弹簧在所述阀体的上端构成一个单向阀；所述阀体底部设有底部油口，顶部设有顶部油口；所述阀体与所述阀套在径向对应位置设有上油道及下油道；所述阀体底部油口连通系统压力油，顶部油口连通所述执行油缸；所述流量匹配式平衡阀的上油道和下油道均连通所述第一电磁阀及所述第三电磁阀的一端；所述第一电磁阀的另一端连通所述蓄能器；所述蓄能器经所述第二电磁阀接所述液压泵进油口；所述第三电磁阀的另一端接所述油箱同时经单向阀连接所述液压泵进油口。

作为一种可实施方式，所述流量匹配式平衡阀的阀芯包括上段活塞以及下段活塞，所述上段活塞与所述下段活塞连接，上段活塞沿周向设有数个连通油道；所述阀体的上油道及下油道在与阀孔内壁相交处对应设有上环形沉割槽以及下环形沉割槽。

作为一种可实施方式，上环形沉割槽与下环形沉割槽的下边沿之间的距离与上段活塞与下段活塞的下边沿之间的距离相同。

作为一种可实施方式，所述流量匹配式平衡阀的阀芯可以由多级活塞构成；多级活塞中，除底部的活塞外，其余分级活塞均沿周向设有数个连通油道；所述阀芯的活塞分段的数量，根据所述执行油缸的上下两腔所需油量匹配比决定；同时所述阀体和对应所述阀套的径向油道数量及环形沉割槽数量也须与活塞分级的数量相同。

作为一种可实施方式，所述流量匹配式平衡阀阀芯的各个环形沉割槽的下边沿之间的距离和与其对应的阀芯各级活塞的下边沿之间的距离相同；当所述阀芯在阀套内上下滑动时，三个沉割槽处形成三个环形节流口，这三个节流口总是具有完全相同的开度，此开度由机械尺寸保证，不受负载影响。

作为一种可实施方式，所述阀体上端设有球阀座，所述球阀芯和所述压紧弹簧在球阀座内构成一个单向阀，且单向阀座的开启口直径与底部活塞的直径相同。

作为一种可实施方式，系统通过调节电机转速调节进入平衡系统的油量，以控制执行油缸的位置或速度。

作为一种可实施方式，所述第一电磁阀，第二电磁阀，第三电磁阀均为二位二通电磁阀，在控制器的协调下，可以实现油缸上升和下降过程中的补油、回收能量、能量再利用等不同的工作模式。

作为一种可实施方式，所述油箱可根据需要设计成弹性封闭油箱，所述弹性密封油箱为内部压力近似为大气压的弹性密闭油箱，可以保证在油缸上无负载时，可以向下运行，同时可以在需要的时候向液压泵补油；且所述弹性密封油箱在无需进行能量回收时，储存所述流量匹配式平衡阀的回油，并在需要的时向所述液压泵进油口补油。

作为一种可实施方式，整个系统可设计成闭式回路，所述液压泵的进油与所述蓄能器出口相连，以形成流量匹配式平衡与能量回收系统，系统设计成闭式回路，所述液压泵的进油与所述蓄能器出口相连，电机仅需补充推动油缸的压力。

本实用新型相比现有技术的有益效果在于：

1，基于这种流量匹配式的平衡阀设计的液压平衡系统，应用非常灵活；所设计的流量匹配式平衡阀结构简单，加工难度小，成本低，安装方便，对油液清洁度要求也不高。

2，基于流量匹配式的平衡阀，将整个系统设计成闭式回路，蓄能器出口与液压泵的进油口相连，电机消耗的功率仅为提升蓄能器中液压油的压力到油缸举升压力所需的功率，最大限度地实现了液压能的回收与再利用。

3，与传统的基于溢流式的平衡阀相比，本实用新型提出的平衡阀在无超越负载出现时，过流时的压力损失非常小，因而具有非常高的能量利用效率。

4，基于流量匹配式的平衡阀，可以方便地将流量匹配阀的阀体中汇合了进油及油缸回油的液压油引入到蓄能器中，使得流量匹配平衡阀中节流口的节流压降大幅度减小，大部分液压能储存到蓄能器中，而同时油缸动作不受影响。

5，本实用新型的流量匹配式平衡阀工作稳定可靠，通过机械加工的尺寸来保证节流阀口的开度总是同步，来保证进出油缸的液压油的流量完全可控，可以方便地实现超越负载情况下的双方向的微动功能，几乎不受外界其他干扰因素的影响。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种流量匹配式平衡与能量回收系统中的流量匹配式平衡阀的结构示意图(进出油流量匹配比为1:1)；

图2为基于图1所示的一种流量匹配式平衡与能量回收系统示意图；

图3为本实用新型提供的一种流量匹配式平衡与能量回收系统中的流量匹配式平衡阀的另一种结构示意图(进出油流量匹配比为1:2)。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述和另外的技术特征和优点进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，为本实用新型实施例提供的流量匹配式平衡阀(以下简称“平衡阀”) 的结构示意图，主要由阀体1，阀套2，阀芯3，球阀芯13，球阀座14，压紧弹簧15。其中，阀体1内设有阀孔和球阀座14；阀套2安装在阀孔内；球阀芯13由压紧弹簧 15压在阀座上，起单向阀的功能，且单向阀座的开启口直径与底部活塞5的直径相同；阀芯3主要由阀芯上部活塞4，下部活塞5连接组成；上部活塞4沿周向设有连接油道6；上部活塞4和下部活塞5中间为中间腔7；阀套2及阀体1对应处均沿径向设有上部油道10和下部油道11；且阀套2内壁与此两条油道对应相交处各设有环形沉割槽：即上部油道10在与阀套内壁相交处设有上环形沉割槽16，下部油道11 在与阀套内壁相交处设有下环形沉割槽17；且上环形沉割槽16的下边沿到上部活塞 4下边沿之间的距离，与，下环形沉割槽17的下边沿到底部活塞5下边沿之间的距离，完全相同；阀芯顶部穿过球阀座14，与球阀芯13接；当阀芯底部液压力能够克服球阀芯13上的弹簧力和液压力时，球阀芯13将会开启。

如图2所示，为基于图1流量匹配式平衡阀的一种流量匹配式平衡与能量回收系统的示意图，主要由流量匹配式平衡阀，执行油缸18，蓄能器19，第一电磁阀20，第二电磁阀21，第三电磁阀22，油箱及液压泵组成。其中，流量匹配式平衡阀的顶部油口9连接油缸18的上下两腔，底部油口8接液压泵出油口；平衡阀的上部油道 10和下部油道11一起连通第一电磁阀20及第三电磁阀22的一端；蓄能器19通过第二电磁阀21连接到液压泵的进油口；平衡阀的上部油道10及下部油道11同时通过第三电磁阀22的一端连接到弹性密闭油箱，弹性密闭油箱通过单向阀连接到液压泵进油口；第一电磁阀20的另一端连通平衡阀的上下两部油道及第三电磁阀22的另一端。

参见图1和图2，当系统需要推动油缸18带动负载向上运动时，第一电磁阀20 失电处于断开工作位，第二电磁阀21得电导通，第三电磁阀22失电断开；压力油从流量匹配式平衡阀底部油口8进入，推动阀芯向上运动，并克服球阀芯13上的弹簧力及上方液压力，推动球阀芯13向上开启。当阀芯抬起到一定高度时，阀套2内被阀芯3遮盖的上环形沉割槽16和下环形沉割槽17将会同步开启；且下环形沉割槽 17将与阀套底部油口8连通，形成一个环形节流口，这个环形节流口的流量与下部活塞5的直径成正比；而上环形沉割槽16会在阀芯的空腔内，形成另外一个环形节流口，且这个环形沉割槽的流量与上部活塞4的直径成正比。此时，由于平衡阀的上部油道10，下部油道11是相互连通的，而第一电磁阀20、第三电磁阀22断开，第二电磁阀21导通；因此，液压泵压力油将先经下部沉割槽17，再通过下部油道11，上部油道10，再通过上环形沉割槽16，连通油道7，再经球阀13，进入到执行油缸 18的下腔，推动油缸上行；且此时由于第二电磁阀21导通，蓄能器19的压力油会经过第二电磁阀21进入液压泵进油口，由于蓄能器中的液压油已有具有了较高的压力，因此电机只需提供给液压泵小部分能量，从而将泵进口的液压油压力提升到足以推动油缸上行的压力即可。并且此时平衡阀内形成的环形节流口的开度实际上取决于供油流量的大小，过流的压降很小，因此回收的液压能得到了非常高效的再利用。

当系统需要在给定位置锁紧油缸时，系统只需停止向平衡阀的底部油口8供油，则球阀芯13在压力作用下将被压紧在阀座上，从而实现液压缸位置锁紧，且此时第二电磁阀21须失电处于断开状态，防止误动作。

当需要控制执行油缸18在负载作用下向下运动并同时回收液压势能时，系统给平衡阀的底部油口8提供一定流量的压力油；同时第一电磁阀20处于导通状态，第二电磁阀21和第三电磁阀22断开；此时平衡阀的上部油道10、下部有道11均与蓄能器19连通；在系统压力油的作用下，平衡阀阀芯底部的液压力克服由负载产生的作用在球阀芯13上的压紧力及压紧弹簧力，向上滑动，且阀芯3将推动球阀芯13 开启；当阀芯向上滑动一定距离后，阀套的上下两个沉割槽会逐步打开，且由于第一电磁阀20处于导通位，则下环形沉割槽17与底部油口8，上环形沉割槽16及阀芯连通油道6，会同时连通，形成两个开度完全同步，且直径大小相同的环形节流口，这两个环形节流口，一个接系统压力油，一个接负载回油，且完全相等；并且此时，由于与这两个节流口相通的油道均被接回蓄能器19，因而系统可以回收负载下降的能量。且底部油口8的系统供油压力与顶部油口9的负载压力基本相同，从而使得经底部油口8、下环形沉割槽17回到蓄能器的油量，与，经执行油缸18、平衡阀顶部油口9、阀芯连通油道7、上部沉割槽16回到油箱的油量，总是相等的。并且无论负载大小，在压差相同时，这两个环形油口的流量总是相同。因而系统只需控制滑阀平衡阀底部油口8的进油量，就可以准确地控制油缸底部的出油量，从而准确控制油缸的位置或速度，实现系统在各种负载情况下均能平稳运行。

在没有超越负载情况出现时，也就是油缸18上没有负载时；此时系统只需通过平衡阀底部油口8提供很低的压力油，就可以开启平衡阀顶部的球阀芯13。由于平衡阀底部油口的油压取决于油缸负载的大小，因此两个节流口的过流压降也取决于油缸负载的大小。因此，这种平衡阀锁紧系统，在没有负载情况时，压降很小，能量损失也就很小。能够实现较高的能量利用效率。

只有系统在出现较大负载情况时，此平衡阀系统才会产生较大的压降损失；而这种压降损失，一般的液压平衡系统是很难避免的。

以上所述的具体实施例，可以通过不同的流量匹配式平衡阀进行改变。例如流量的匹配比例可以设定为1:2，如图3所示的阀体结构。此时，对应于液压泵在阀体底部提供的压力油，每一份流量，只有一份相同的液压油从油缸回流到阀中部的油口。其他工作过程与前述类似。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。