專利名稱：由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及增壓器或流體壓力轉換器。
背景技術：
液壓系統(tǒng)最大的優(yōu)勢之一在于其多執(zhí)行器特性，即可以由單個液壓泵供油，同時驅動多路執(zhí)行器動作。
目前大部分工礦、冶金、鋼鐵等企業(yè)的生產線液壓系統(tǒng)均采用液壓總線的供油方式由泵站輸出一路壓力油管、一路控制油、一路回油和一路泄漏油，所有的液壓執(zhí)行器控制單元均掛在該液壓總線上。由于液壓總線上的供油壓力為恒定，因而要求各執(zhí)行器的負載與供油壓力相適應，或者需要通過一個減壓閥(將液壓總線上的供油壓力降低到與該執(zhí)行器負載相適應)再將執(zhí)行器掛到液壓總線上。由于無法實現(xiàn)升壓以及降壓增流，普遍存在泵站輸出壓力高、各執(zhí)行器的結構尺寸受執(zhí)行器供油壓力的限制、減壓閥上節(jié)流損失大等問題。
大型工程機械的液壓系統(tǒng)大多也采用單泵供油驅動多個執(zhí)行器協(xié)調動作的方式。雖然可以通過負載敏感等方式實現(xiàn)泵的輸出壓力與最高負載壓力相適應，但同樣存在無法實現(xiàn)升壓以及降壓增流的問題，因而對于非最高負載壓力聯(lián)執(zhí)行器件來說，在控制閥上的節(jié)流損失仍然很大，能量浪費嚴重。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計一種由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)，將開關源的輸入端直接掛在液壓總線上，通過高速開關方式加以升壓或降壓增流，最終輸出與各執(zhí)行器需求相適應的壓力和流量。
本發(fā)明采用的技術方案如下它包括液壓總線，數(shù)個控制閥，數(shù)個執(zhí)行器，其特征在于在液壓總線的供油路P1和回油路T間裝有數(shù)個開關液壓源，它與各自的控制閥、執(zhí)行器相連接。
工作過程液壓泵站向液壓總線輸出的壓力為固定值(10MPa)，功率可與各執(zhí)行器件所需要的總功率相匹配。各開關液壓源的輸入端直接掛在液壓總線上，并通過對高速開關閥(開關液壓源中的關鍵元件之一)占空比的調節(jié)實現(xiàn)對其輸出壓力的閉環(huán)控制，使輸出壓力降低或升高到執(zhí)行器所需的壓力值，為執(zhí)行器提供與其消耗功率(不是流量！)相適應的流量，達到最佳節(jié)能效果。
開關液壓源為升壓型開關液壓源，它包括液感元件、高速開關閥、單向閥、液容元件，液感元件的輸入端和高速開關閥的輸出端分別跨接在液壓總線的供油路P1和回油路T間，裝在液壓總線的供油路P1上的液感元件的輸出端分別接高速開關閥的輸入端和單向閥的輸入端，單向閥的輸出端接在輸出油路P2上，液容元件的兩端分別跨接在輸出油路P2和回油路T間；開關液壓源為降壓增流型開關液壓源，它包括液感元件、高速開關閥、單向閥、液容元件，高速開關閥和單向閥的輸入端分別跨接在液壓總線的供油路P1和回油路T間，裝在液壓總線的供油路P1上的高速開關閥的輸出端分別接液感元件的輸入端和單向閥的輸出端，液感元件的輸出端接在輸出油路P2連接。液容元件的兩端分別跨接在輸出油路P2和回油路T間。
液容元件只要其兩端的壓差與通過該元件的流量有近似于下式所述的關系，就可以作為開關液壓源中的液容元件，用下式表示Q4=Cd(Δp2)dt]]>其中Q4—通過液容元件的流量C—液容值，量綱為[(L/min)/MPa]·S —液容元件兩端壓差的變化率具有近似于上式所述關系的液容元件為蓄能器、彈簧液壓缸。液感元件只要通過該元件的流量與其兩端的壓差有近似于下式所述的關系，就可以作為開關液壓源中的敏感元件，用下式表示Δp=LdQ1dt]]>式中Δp—液感元件兩端的壓差L—液感值，量綱為[MPa/(L/min)]·S； —通過液感元件的流量的變化率具有近似于上式所述關系的液感元件為由一個高速液壓馬達和一個與液壓馬達輸出軸直接相連的飛輪組成的驅動大慣量負載的液壓馬達。
由液壓總線和開關液壓源構成的新原理液壓系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)無法實現(xiàn)升壓以及降壓增流的問題，是一種全新的原理的節(jié)能型液壓系統(tǒng)。該液壓系統(tǒng)的產業(yè)化能極大地推動節(jié)能型液壓系統(tǒng)的發(fā)展。


圖1是本發(fā)明的結構框圖；圖2是升壓型開關液壓源結構原理圖；圖3是降壓增流型開關液壓源結構原理圖；圖4是在開關液壓源中作為液容元件用的蓄熱器；圖5是在開關液壓源中作為液容元件用的彈簧液壓缸；圖6是在開關液壓源中作為液感元件用的驅動大慣量負載的液壓馬達。
具體實施例方式
如圖1所示，在液壓總線的供油路P1和回油路T間裝有數(shù)個開關液壓源，它與各自的控制閥、執(zhí)行器連接。
根據(jù)開關液壓源功能的不同，可以分為升壓型開關液壓源和降壓增流型開關液壓源兩種1.升壓型開關液壓源技術方案升壓型開關液壓源由液感元件、高速開關閥、單向閥和液容元件組成，其結構如圖2所示圖中p1表示液壓總線的供油壓力，T示液壓總線的回油壓力；p2表示開關液壓源的輸出壓力，由于它同時又是液容兩端的壓力，因而該壓力不能突變；Q1表示流過液感元件的流量，該流量不能突變；p3表示液感輸出端的壓力，該壓力隨著高速開關閥的高速切換不斷地在最高輸出壓力和回油壓力之間切換。
Q3表示流過高速開關閥的流量，該流量也隨著高速開關閥的高速切換不斷地在Q1和零之間切換。
Q2和Q4分別表示開關液壓源的輸出流量和流過液容的流量，這兩個流量的和在高速開關閥切斷時等于流過液感的流量，在高速開關閥接通時等于零。
如果液容元件和液感元件的內泄漏、磨擦以及液容元件的質量可以忽略，并假設高速開關閥和單向閥為理想元件(啟閉過程的節(jié)流損失為零)，高速開關閥的脈寬調制波周期為T，占空比(通電時間與周期之比)為D，則開關液壓源的輸出壓力p2與液壓總線的輸入壓力成正比，與占空比成反比，液壓總線的輸入流量Q1與系統(tǒng)的輸出流量成正比，與占空比成反比。即p2=p1D]]>Q1=Q2D]]>從而實現(xiàn)開關液壓源的升壓。同時，輸出壓力p2的波動幅值與輸出流量成正比，與液容的容值C成反比，與脈寬調制波的周期成正比，與電磁鐵斷電時間的占空比成正比。即p2max-p2min=Q2C(1-D)T]]>只要高速開關閥和單向閥動態(tài)性能接近于理想的高速開關閥和單向閥，開關液壓源的壓力變換效率可達100％，即輸出功率等于輸入功率，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的無損升壓。
工作過程為高速開關閥提供周期為T，占空比(通電時間與周期之比)為D的脈寬調制波。當高速開關閥斷電(油路通)時，液感元件的輸出端通回油，液感在液壓總線供油壓力的作用下加速，儲存能量；當高速開關閥通電(油路斷)時，液感元件的輸出端通過單向閥向執(zhí)行器供油，由于輸出壓力高于液壓總線的供油壓力，液感在液壓總線反向壓力差的作用下減速，釋放所儲存的能量；從而實現(xiàn)開關液壓源的升壓。液容元件用來進行濾波，減小因高速開關引起的輸出壓力紋波。
通過上述油路可以通過對脈寬調制波占空比的控制，輸出所需的壓力值，并為執(zhí)行器提供與其消耗功率(不是流量！)相適應的流量，達到最佳節(jié)能效果。2.降壓增流型開關液壓源技術方案降壓增流型開關液壓源由液感元件、高速開關閥、單向閥和液容元件組成，其結構如圖3所示圖中p1表示液壓總線的供油壓力，T示液壓總線的回油壓力；p2表示開關液壓源的輸出壓力，由于它同時又是液容兩端的壓力，因而該壓力不能突變；Q1表示流過液感元件的流量，該流量不能突變；p3表示液感輸入端的壓力，該壓力隨著高速開關閥的高速切換不斷地在液壓總線供油壓力和回油壓力之間切換。
Q3表示流過高速開關閥的流量，該流量也隨著高速開關閥的高速切換不斷地在Q1和零之間切換。
Q2和Q4分別表示開關液壓源的輸出流量和流過液容的流量，這兩個流量的和等于流過液感的流量。
如果液容元件和液感元件的內泄漏、磨擦以及液容元件的質量可以忽略，并假設高速開關閥和單向閥為理想元件(啟閉過程的節(jié)流損失為零)，高速開關閥的脈寬調制波周期為T，占空比(通電時間與周期之比)為D，則開關液壓源的輸出壓力p2與液壓總線的輸入壓力成正比，與斷電時間的占空比成正比，液壓總線的平均輸入流量Q3與系統(tǒng)的輸出流量成正比，與斷電時間的占空比成正比。即p2＝(1-D)P1Q3＝(1-D)Q2從而實現(xiàn)開關液壓源的降壓增流。同時，輸出壓力p2的波動幅值與輸出流量的波動成正比，與液容的容值C成反比，與脈寬調制波的周期成正比，與電磁鐵通電時間的占空比成正比，即p2max-p2min≈Q1-Q2CDT]]>只要高速開關閥和單向閥動態(tài)性能接近于理想的高速開關閥和單向閥，開關液壓源的壓力變換效率可達100％，即輸出功率等于輸入功率，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的無損降壓。
工作過程為高速開關閥提供周期為T，占空比(通電時間與周期之比)為D的脈寬調制波。當高速開關閥斷電(油路通)時，液感元件的輸入端通液壓總線的供油壓力，液感在液壓總線供油壓力的作用下加速，儲存能量；當高速開關閥通電(油路斷)時，液感元件的輸入端通過單向閥從回油管路中吸油，由于輸出壓力高于液壓總線的供油壓力，液感在反向壓力差的作用下減速，釋放所儲存的能量；從而實現(xiàn)開關液壓源的降壓。液容元件用來進行濾波，減小因高速開關引起的輸出壓力紋波。
通過上述油路可以通過對脈寬調制波占空比的控制，輸出所需的壓力值，并為執(zhí)行器提供與其消耗功率(不是流量！)相適應的流量，達到最佳節(jié)能效果。
無論是升壓型開關液壓源，還是降壓增流型開關液壓源，都離不開液感和液容兩個重要元件?？梢栽陂_關液壓源中當作液感和液容使用的液壓元件需具有下述特征1.液容技術方案對于一個具有壓力脈動吸收能力的液壓元件，只要其兩端的壓差與通過該元件的流量有近似于下式所述的關系，就可以作為開關液壓源中的液容元件，其液容值用C表示，量綱為[(L/min)/Mpa]·s。Q4=Cd(Δp2)dt]]>具有近似于上式所述關系的液容元件有蓄能器、彈簧液壓缸等等，它們可直接從蓄能器或流壓缸生產廠家購置。
1)蓄能器可以在開關液壓源中作為液容元件用的蓄能器的結構與目前液壓系統(tǒng)中常用蓄能器結構基本相同，以氣囊式蓄能器為例，其結構如圖4所示。
圖中p0表示蓄能器的預充壓力，V0表示該蓄能器氣囊的初始容積；p2表示管路中瞬時壓力時，并認為蓄能器的兩端壓差就是p2；Q4為流過蓄能器的流量。
由于氣囊中氮氣壓力的變化過程是一個近似的絕熱過程，因此其兩端的壓差與通過該蓄能器的流量有下述關系Q4=11.4(p0p2)11.41p2dp2dt]]>該蓄能器可以在開關液壓源中作為液容使用，其液容值為C=11.4(p0p2)11.41p2]]>2)彈簧液壓缸可以在開關液壓源中作為液容元件用的彈簧液壓缸由缸體、低磨擦活塞和彈簧組成，其結構如圖5所示。
圖中，K示彈簧的彈性系數(shù)，A和m分別表示低磨擦活塞的高壓腔面積和質量，f表示活塞與缸體之間的磨擦系數(shù)；p2與T分別表示彈簧缸兩端的壓力；
Q4表示流過彈簧缸的流量，x表示彈簧缸活塞的位移；Cim表示缸的內泄漏系數(shù)。
如果忽略彈簧缸的活塞質量m、摩f和內泄漏Cim，并控制彈簧永遠處于彈性范圍內，則其兩端的壓差與通過該彈簧缸的流量有下述關系Q4=A2kdp2dt]]>該彈簧缸可以在開關液壓源中作為液容使用，其液容值為C=A2k]]>工作過程以蓄能器和彈簧液壓缸在開關液壓源中作為液容元件使用時的工作過程為例1)蓄能器將蓄能器的氣囊壓力預充至最高平均輸出壓力的1/2左右，將其入口端直接接到需要吸收壓力脈動的壓力管路中，回油路不接。該蓄能器就可以在開關液壓源中當作液容元件使用。當壓力管路中的壓力超過平均壓力時，蓄能器的氣囊體積減小，吸收部分流量，使壓力管路中的流量減小，壓力下降；當壓力管路中的壓力低于平均壓力時，蓄能器的氣囊體積增大，釋放部分流量，使壓力管路中的流量增大，壓力升高。從而有效地降低了開關液壓源中的壓力紋波。
2)彈簧液壓缸將彈簧液壓缸的兩端分別接到需要吸收壓力脈動的壓力管路和回油路上。該彈簧液壓缸就可以在開關液壓源中當作液容元件使用。當壓力管路和回油路的壓力差超過平均壓力差時，活塞上移，從壓力管路中吸收部分流量，使壓力管路中的流量減小，壓力下降；當壓力管路和回油路的壓力差低于平均壓力差時，活塞下移，向壓力管路釋放部分流量，使壓力管路中的流量增大，壓力升高。從而有效地降低了開關液壓源中的壓力紋波。2.液感技術方案對于一個具有慣性負載的液壓元件，只要通過該元件的流量與其兩端的壓差有近似于下式所述的關系，就可以作為開關液壓源中的液感元件，其液感值用L表示，量綱為[Mpa/(Lmin)]·s。Δp=LdQ1dt]]>
具有近似于上式所述關系的液感元件之一是驅動大慣量負載的液壓馬達。可以在開關液壓源中作為液感元件用的驅動大慣量負載的液壓馬達由一個高速液壓馬達和一個與液壓馬達輸出軸直接相連的飛輪組成，可直接從液壓馬達生產廠家購置。其結構如圖6所示。
圖中，J表示液壓馬達回轉部分和飛輪的總轉動慣量，D表示液壓馬達的排量；B表示液壓馬達的角磨擦系數(shù)；p1與p2分別表示該液壓元件兩端的壓力；Q1表示流過液壓馬達的流量，ω示液壓馬達的角速度；Cim表示馬達的內泄漏系數(shù)。如果忽略液壓馬達的磨擦B和泄漏Cim，則流過該馬達的流量與其兩端的壓差有下述關系p1-p2=JD2dQ1dt]]>該液壓馬達可以在開關液壓源中作為液感使用，其液感值為L=JD2]]>工作過程仍以驅動大慣量負載的液壓馬達在開關液壓源中作為液感元件使用時的工作過程為例將液壓馬達串聯(lián)到需要確保流量不能突變，并可快速儲存、釋放能量的壓力管路中。該液壓馬達就可以在開關液壓源中當作液感元件使用。當入口側的壓力超過出口側時，液壓馬達所驅動的大慣量體(飛輪)就會加速，使通過該液壓馬達的流量不能突變，將能量儲存在大慣量體(飛輪)中；當入口側的壓力低于出口側時，液壓馬達所驅動的大慣量體(飛輪)就會減速，使通過該液壓馬達的流量不能突變，釋放儲存在大慣量體(飛輪)中的能量。從而確保了開關液壓源輸出流量的連續(xù)性。
權利要求
1.由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)，它包括液壓總線，數(shù)個控制閥，數(shù)個執(zhí)行器，其特征在于在液壓總線的供油路P1和回油路T間裝有數(shù)個開關液壓源，它與各自的控制閥、執(zhí)行器相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)，其特征在于開關液壓源為升壓型開關液壓源，它包括液感元件[1]、高速開關閥[2]、單向閥[3]、液容元件[4]，液感元件[1]的輸入端和高速開關閥[2]的輸出端分別跨接在液壓總線的供油路P1和回油路T間，裝在液壓總線的供油路P1上的液感元件[1]的輸出端分別接高速開關閥[2]的輸入端和單向閥[3]的輸入端，單向閥[3]的輸出端接在輸出油路P2上，液容元件[4]的兩端分別跨接在輸出油路P2和回油路T間；
3.根據(jù)權利要求1所述的由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)，其特征在于開關液壓源為降壓增流型開關液壓源，它包括液感元件[1]、高速開關閥[2]、單向閥[3]、液容元件[4]，高速開關閥[2]和單向閥[3]的輸入端分別跨接在液壓總線的供油路P1和回油路T間，裝在液壓總線的供油路P1上的高速開關閥[2]的輸出端分別接液感元件[1]的輸入端和單向閥[3]的輸出端，液感元件[1]的輸出端接在輸出油路P2上。液容元件[4]的兩端分別跨接在輸出油路P2和回油路T間。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)，其特征在于所說的液容元件[4]只要其兩端的壓差與通過該元件的流量有近似于下式所述的關系，就可以作為開關液壓源中的液容元件，用下式表示Q4=Cd(Δp2)dt]]>其中Q4—通過液容元件的流量C—液容值，量綱為[(L/min)/MPa]·S —液容元件兩端壓差的變化率具有近似于上式所述關系的液容元件為蓄能器、彈簧液壓缸。
5.根據(jù)權利要求2或3所述的由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)，其特征在于所說的液感元件[1]只要通過該元件的流量與其兩端的壓差有近似于下式所述的關系，就可以作為開關液壓源中的敏感元件，用下式表示Δp=LdQ1dt]]>式中Δp—液感元件兩端的壓差L—液感值，量綱為[MPa/(L/min)]·S； —通過液感元件的流量的變化率具有近似于上式所述關系的液感元件為由一個高速液壓馬達和一個與液壓馬達輸出軸直接相連的飛輪組成的驅動大慣量負載的液壓馬達。
全文摘要
一種由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)，是在液壓總線的供油路和回油路間裝有數(shù)個開關液壓源，它與各自的控制閥、執(zhí)行器相連接。開關液壓源包括液感元件、高速開關閥、單向閥、液容元件，根據(jù)開關液壓源功能不同，可組合成升壓型或降壓增流型開關液壓源。由于將開關源的輸入端直接掛在液壓總線上，通過高速開關方式加以升壓或降壓增流，它克服了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)無法實現(xiàn)升壓以及降壓增流的問題，最終輸出與各執(zhí)行器需求相適應的壓力和流量。本發(fā)明的產業(yè)化能極大地推動節(jié)能型液壓系統(tǒng)的發(fā)展。
文檔編號F15B1/00GK1410682SQ0113553
公開日2003年4月16日 申請日期2001年10月10日 優(yōu)先權日2001年10月10日
發(fā)明者顧臨怡, 邱敏秀, 金波, 曹建偉, 壽松喬 申請人:浙江大學