本發(fā)明涉及驅(qū)動器，特別是一種自動適應負載的變壓節(jié)能驅(qū)動器。

背景技術：

目前，由于液壓傳動能力高、應用靈活，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的無級調(diào)速，所以它在制造業(yè)中得到廣泛地應用。在一般的工業(yè)應用中，液壓系統(tǒng)的負載隨任務的需要動態(tài)變化。為保證系統(tǒng)正常工作，壓力源一般根據(jù)最大工作壓力需要設計，因而在工作中絕大多數(shù)時候系統(tǒng)壓力低于壓力源的最大輸出壓力，多余的壓力以溢流回流的方式被轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，既浪費了能源，又增加了液壓介質(zhì)的溫度，增加冷卻系統(tǒng)的成本。對于簡單的工業(yè)任務，工業(yè)上常采用大小泵組合對負載輸出不同的壓，這種方法可以有限地增加調(diào)壓級數(shù)，但同時卻顯著增加了液壓系統(tǒng)的體積和成本。

電氣中常采用DC-DC變換器來改變負載壓力。DC-DC變換器有升壓型和降壓型兩種。升壓變換器被稱為“焦耳小偷”，可以將工作壓力提高到供應壓力以上而在理論上不損耗能量。實際上無論是升壓還是降壓都是在負載低壓的時候?qū)⒛芰看鎯ζ饋?，等到系統(tǒng)需要較高壓力的時候再釋放出來，從而實現(xiàn)能量的合理利用。

在方攸同等人的文獻CN104454683A所公布的一種基于液容儲能的新型液壓變壓裝置中，將液容元件和液感元件與一只電磁閥相連，蓄能器與回油路連接，通過電磁閥的高速切換實現(xiàn)升壓和降壓兩種功能。該發(fā)明的優(yōu)點是可以實現(xiàn)負載所需的壓力和流量匹配，節(jié)流損失小。同時其局限性在于只能進行簡單的壓力值轉(zhuǎn)換，無法針對變化的負載實現(xiàn)自動匹配，更不能直接對液壓系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制，應用中需要額外增加驅(qū)動部分。

在顧臨怡等人的文獻CN1375636,2002所公布的復合型開關液壓源中，提出了一種新型液壓變壓器設計概念，與傳統(tǒng)液壓變壓器相比，該類型利用電氣變壓器理論以及液容液感特性設計了一種變壓型驅(qū)動器，盡管其在原理上具有很多優(yōu)點，但是要將其發(fā)展成為一個實用的液壓變壓器還要解決許多問題。同時，該專利文獻公布的技術方案中只考慮了增壓和降壓的實現(xiàn)，而沒有考慮到控制上的問題以及二次能耗的引入。還有，高壓液壓介質(zhì)一次通過回路中，一次通過需要設定好每一個元件(從開關閥1到液感元件2，單向閥3，液容元件6最后回油箱；旁路單向閥4負責從油箱倒吸低壓油；開關閥5負責液感元件輸出回油)，因而該驅(qū)動器只能對單向驅(qū)動實現(xiàn)節(jié)能。另外，該專利文獻公布的技術方案采用大慣量飛輪液壓馬達作為液感元件，在節(jié)能的同時引入了較大的二次能耗，影響節(jié)能效果。

在顧臨怡的由液壓總線和開關液壓源構成的液壓系統(tǒng)(CN1410682A，2003)專利中，對上述液壓變壓器做了改進。該專利設計在液壓總線的供油路和回油路間安裝若干個開關液壓源，每個開關液壓源擁有自己的同時升壓和降壓，在液壓總線上同時掛多個開關液壓源，改進后的設計可以將升壓型，降壓型任意組合配置給各自的控制閥和執(zhí)行器，更加靈活地控制負載壓力。

在徐兵的一種液壓變壓器(CN1455119，2003)中，介紹了一種能夠變壓的柱塞泵。該發(fā)明通過特殊的配流盤和后端蓋設計獲得較大調(diào)壓功能和節(jié)能功能。在顧臨怡的機液先導虛位移變量液壓變壓器(CN201306322Y,2009)中，介紹了一種能夠連續(xù)升壓和降壓的柱塞泵。

開關液壓源用于給既定的系統(tǒng)提供壓力變化功能，其本身并不是液壓系統(tǒng)的組成部分。開關液壓源的應用使液壓系統(tǒng)變得更加復雜，增加了設計和加工成本，使系統(tǒng)控制變得更加困難。最重要的是其調(diào)壓功能不能自動適應負載需求，不能直接實現(xiàn)閉環(huán)控制，對于變負載應用缺乏實用性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：針對上述現(xiàn)有技術中不足，提供一種能夠自動適應負載的變壓節(jié)能驅(qū)動器，該驅(qū)動器可以根據(jù)負載自動進行升壓和降壓的控制，無節(jié)流損失。

本發(fā)明解決其技術問題采用以下的技術方案：

本發(fā)明提供的自動適應負載的變壓節(jié)能驅(qū)動器，包括液感元件、降壓級、升壓級和兩個蓄能器，其中：所述液感元件，其輸入端連接降壓級的輸出端，其輸出端連接升壓級的輸入端；降壓級的輸入端連接到恒壓網(wǎng)絡的供油路；升壓級的輸出端經(jīng)過第一蓄能器連接到負載端；降壓級和升壓級的回油路集成一路經(jīng)過第二蓄能器連接到油箱。

所述的降壓級不工作時作為升壓級的驅(qū)動級，升壓級不工作時作為降壓級的驅(qū)動級。

所述的降壓級、液感元件、升壓級依次連接。

所述的兩個蓄能器，為皮囊式蓄能器或彈簧式蓄能器，均用于吸收能量脈動。

所述的液感元件是螺旋式細長管路，管路長徑比為600，纏繞直徑d為130cm，纏繞圈數(shù)n為5.5，管壁的楊氏模量E≥1e4MPa。

所述的液感元件，其兩端的壓力差和流經(jīng)液感元件的流量具有以下關系：

$\mathrm{\Δ}P=L\frac{dQ}{dt}=\frac{4\mathrm{\ρ}l}{{\mathrm{\πd}}^2}\frac{dQ}{dt},$

式中：ΔP為液感元件兩端的壓力差，為液感元件的流量變化率，L為液感元件的液感系數(shù)，ρ為液壓油的密度，l為液感元件的長度，d為液感元件的截面直徑，Q為系統(tǒng)瞬時流量。

所述的蓄能器，其兩端的壓力差和流經(jīng)蓄能器的流量有以下關系：

$Q=C\frac{dP}{dt}=\frac{V_0}{1.4P_0}\frac{dP}{dt},$

式中：Q為通過蓄能器的流量，C為蓄能器液容系數(shù)，為蓄能器的壓力變化率，V₀為蓄能器初始體積，P₀為蓄能器預沖壓力。

所述的電磁閥均為插裝式高速開關閥。

所述的單向閥為插裝式，用于液壓系統(tǒng)內(nèi)高低壓油路隔離，并防止氣穴現(xiàn)象。

所述的負載，為油缸、液壓馬達、節(jié)流閥中的一種或任意復雜組合。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術變壓裝置相比具有以下的主要的有益效果：

1.利用高速開關閥的快速切換，用一套裝置同時實現(xiàn)升壓、降壓以及驅(qū)動功能，實現(xiàn)負載所需壓力和流量的匹配，在低負載時存儲能量供高負載時利用，實現(xiàn)能量的合理利用。

2.降壓級在不工作時作為升壓級的驅(qū)動級，升壓級在不工作時作為降壓級的驅(qū)動級，因而具有完全的驅(qū)動功能，無需另外配置液壓源或者驅(qū)動器。

3.通過調(diào)節(jié)相應控制閥的輸入信號占空比可以調(diào)節(jié)負載運動速度的大小，具有更好的控制性能。

4.當升壓級和將壓力分別作為驅(qū)動級時，可以對系統(tǒng)的流量進行二次調(diào)節(jié)，提高位移控制的性能。

5.采用降壓級-液感元件-升壓級的結構形式，一個液感元件即可滿足四種工作狀態(tài)，結構簡潔緊湊。以如下系統(tǒng)為例，試驗系統(tǒng)壓力為50bar，液壓缸活塞直徑為20mm，活塞桿直徑為10mm，行程為0.1m。如圖2所示工作狀態(tài)的開關閥的輸入PWM信號的占空比為0.7，頻率為50Hz。液壓缸活塞所受外力數(shù)值及方向如圖7至圖10所示。負載重物為40kg。圖7為重物下降時的增壓效果圖，負載壓力為60bar；圖8為重物下降時的降壓效果圖，負載壓力為30bar；圖9為重物上升的增壓效果圖，負載壓力為100bar；圖10為重物上升時的降壓效果圖，負載壓力為39bar。如圖7至圖10所示，采用帶負載的液壓缸做上下往復運動，通過試驗數(shù)據(jù)可以看出通過控制電磁閥可以對輸出壓力實現(xiàn)升壓或者降壓，并能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，節(jié)流損失小，體積小重量輕，具有顯著的技術效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的自動適應負載的變壓節(jié)能驅(qū)動器的結構示意圖。

圖2是液壓缸-負載模型示意圖。

圖3是圖1中升壓級的結構示意圖。

圖4是降壓級的結構示意圖。

圖5是本發(fā)明的樣機結構示意圖。

圖6是圖5的閥臺的結構示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例的仿真實驗數(shù)據(jù)圖，該圖顯示了重物下降時的增壓效果。

圖8是本發(fā)明實施例的仿真實驗數(shù)據(jù)圖，該圖顯示了重物下降時的降壓效果。

圖9是本發(fā)明實施例的仿真實驗數(shù)據(jù)圖，該圖顯示了重物上升時的增壓效果。

圖10是本發(fā)明實施例的仿真實驗數(shù)據(jù)圖，該圖顯示了重物上升時的降壓效果。

圖中：1.第一電磁閥，2.第一單向閥，3.第二電磁閥，4.第二單向閥，5.第三單向閥，6.第三電磁閥，7.第四單向閥，8.第四電磁閥，9.第一蓄能器，10.第二蓄能器，11.液感元件。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種能夠自動適應負載的變壓驅(qū)動器，包括降壓級，升壓級，液感元件和兩個蓄能器，恒壓網(wǎng)絡的供油路連接到降壓級的輸入端，液感元件的輸入端和輸出端分別連接降壓級的輸出端和驅(qū)動級的輸入端，驅(qū)動級的輸出端連接蓄能器，然后輸入到負載端，升壓級的輸出端與驅(qū)動級的回油端集成一路連接蓄能器，最后回油箱。本發(fā)明利用高速開關閥的快速切換，用一套裝置實現(xiàn)升壓、降壓以及驅(qū)動功能，實現(xiàn)負載所需壓力和流量的匹配，在低負載時存儲能量供高負載時利用，實現(xiàn)能量的合理利用，同時降壓級在不工作時作為升壓級的驅(qū)動級，升壓級在不工作時作為降壓級的驅(qū)動級，因而具有完全的驅(qū)動功能，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，是一種功能完善的變壓節(jié)能驅(qū)動器。

下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

本發(fā)明提供的自動適應負載的變壓節(jié)能驅(qū)動器，其結構如圖1至圖5所示，包括降壓級、液感元件11、升壓級和兩個蓄能器，其中：恒壓網(wǎng)絡的供油路連接到降壓級的輸入端，降壓級的輸出端連接液感元件11的輸入端，液感元件11的輸出端連接升壓級的輸入端，升壓級的輸出端經(jīng)過第一蓄能器9連接到負載端，降壓級和升壓級的回油路集成一路經(jīng)過第二蓄能器10連接到油箱。

所述的降壓級不工作時作為升壓級的驅(qū)動級，升壓級不工作時作為降壓級的驅(qū)動級。

所述的降壓級包括第一電磁閥1和第三電磁閥6，第一單向閥2和第三單向閥5，第一電磁閥1和第一單向閥2的輸入端連接恒壓網(wǎng)絡的供油路，第三電磁閥6和第三單向閥5的輸出端連接回油路，第一電磁閥1和第一單向閥2的輸出端以及第三電磁閥6和第三單向閥5的輸入端集成一路連接液感元件的輸入端。

所述的升壓級包括包括第二電磁閥3和第四電磁閥8，第二單向閥4和第四單向閥7，上述四個閥的輸入端均連接液感元件的輸出端，第二電磁閥3和第二單向閥4的輸出端經(jīng)過第一蓄能器9連接負載的輸入端，第四電磁閥8和第四單向閥7的輸出端經(jīng)過第二蓄能器10最后連接到回油路。

所述的負載為油缸或液壓馬達或節(jié)流閥或任意復雜組合。

所述的兩個蓄能器，為皮囊式蓄能器或彈簧式蓄能器，均用于吸收能量脈動。

所述液感元件11是螺旋式細長管路，管路長徑比為600，纏繞直徑d為130cm，纏繞圈數(shù)n為5.5，管壁的楊氏模量E≥1e4MPa。

上述液感元件兩端的壓力差和流經(jīng)液感元件的流量具有以下關系(液感元件的計算以長導管為例)：

$\mathrm{\Δ}P=L\frac{dQ}{dt}=\frac{4\mathrm{\ρ}l}{{\mathrm{\πd}}^2}\frac{dQ}{dt}$

式中：ρ為液壓油的密度，l為長導管的長度，d為長導管的截面直徑，Q為系統(tǒng)瞬時流量。

蓄能器兩端的壓力差和流經(jīng)蓄能器的流量有如下關系：

$Q=C\frac{dP}{dt}=\frac{V_0}{1.4P_0}\frac{dP}{dt}$

式中：Q為通過蓄能器的流量，為蓄能器的壓力變化率，C為蓄能器液容系數(shù)；V₀為蓄能器初始體積，P₀為蓄能器預沖壓力。

圖1中：P₁和Q₁表示供油壓力端A的壓力和流量；P₂和Q₂表示負載壓力端B的壓力和流量，第一蓄能器9能吸收P₂的波動；P₃和Q₃表示回油壓力端C的壓力和流量；Q₄表示負載壓力端出油時，長導管中的流量，在工作過程中有波動；Q₅表示負載壓力端進油時，長導管中的流量，在工作過程中有波動。

所述的電磁閥均為插裝式高速開關閥，與控制器連接，控制器輸入PWM控制信號。

所述的單向閥為插裝式高速單向閥，用于系統(tǒng)內(nèi)高低壓油路隔離，并防止氣穴現(xiàn)象。

本發(fā)明提供的自動適應負載的變壓節(jié)能驅(qū)動器，其通過電磁閥的高速切換，可同時實現(xiàn)升壓和降壓兩種功能，具體實施工作過程如下：

該變壓節(jié)能驅(qū)動器其有四種工作狀態(tài)，假定各原件均理想狀態(tài)，控制快速開關閥的脈寬調(diào)制波周期為T，占空比為D，調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制波信號的占空比，可以輸出相應的壓力與流量。

第一種工作狀態(tài)：

當負載壓力大于供油壓力、液壓缸無桿腔出油時，第四快速開關閥8輸入脈寬調(diào)制波，第二快速開關閥3和第三快速開關閥6輸入低壓信號，第一快速開關閥1輸入高壓信號。當?shù)谒目焖匍_關閥8導通時，流量Q₄增加；當?shù)谒目焖匍_關閥8關閉時，流量Q₄減小，流量Q₄的最小值大于0。液壓缸無桿腔的壓力、流量與供油端的壓力、流量存在如下關系：

$P_2=\frac{P_1}{1-D}$

$Q_2=(1-D)Q_1$

第二種工作狀態(tài)：

當負載壓力低于供油壓力、液壓缸無桿腔出油時，第一快速開關閥1輸入脈寬調(diào)制波，第二快速開關閥3、第三快速開關閥6、第四快速開關閥8輸入低壓信號。當?shù)谝豢焖匍_關閥1導通時，流量Q₄增加；當?shù)谝豢焖匍_關閥1關閉時，流量Q₄減小，流量Q₄的最小值大于0。液壓缸無桿腔的壓力、流量與供油端的壓力、流量存在如下關系：

P₂＝(1-D)P₁

$Q_2=\frac{Q_1}{1-D}$

第三種工作狀態(tài)：

當負載壓力大于供油壓力、液壓缸無桿腔進油時，第二快速開關閥3輸入脈寬調(diào)制波，第三快速開關閥6、第四快速開關閥8輸入低壓信號，第一快速開關閥1輸入高壓信號。當?shù)诙焖匍_關閥3導通時，流量Q₅增加；當?shù)诙焖匍_關閥3關閉時，流量Q₅減小，流量Q₅的最小值大于0。液壓缸無桿腔的壓力、流量與供油端的壓力、流量存在如下關系：

$P_2=\frac{P_1}{D}$

Q₂＝DQ₁

第四種工作狀態(tài)：

當負載壓力低于供油壓力、液壓缸無桿腔進油時，第三快速開關閥6輸入脈寬調(diào)制波，第一快速開關閥1、第四快速開關閥8輸入低壓信號，第二快速開關閥3輸入高壓信號。當?shù)谌焖匍_關閥6導通時，流量Q₅增加；當?shù)谌焖匍_關閥6關閉時，流量Q₅減小，流量Q₅的最小值大于0。液壓缸無桿腔的壓力、流量與供油端的壓力、流量存在如下關系：

P₂＝DP₁

$Q_2=\frac{Q_1}{D}$

由上可知，在理想情況下，基于快速開關閥的液壓升壓降壓變換器的效率可以達到100％。

針對本發(fā)明對四種工作狀態(tài)進行試驗，試驗系統(tǒng)壓力為50bar，液壓缸活塞直徑為20mm，活塞桿直徑為10mm，行程為0.1m。如圖2所示工作狀態(tài)的開關閥的輸入PWM信號的占空比分別為0.3，0.5和0.7，頻率為50Hz。液壓缸活塞所受外力數(shù)值及方向如圖7至圖10所示。負載重物為40kg。如圖7至圖10所示，采用帶負載的液壓缸做上下往復運動，通過試驗數(shù)據(jù)可以看出通過控制電磁閥可以對輸出壓力實現(xiàn)升壓或者降壓，并能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，節(jié)流損失小，體積小重量輕，具有顯著的技術效果。

上述具體實施方法用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的權利要求范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。