一種基于多源網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于液壓技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)及一種基于多源網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 液壓技術(shù)作為現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，被廣泛的應(yīng)用于行走機(jī)械、礦山 機(jī)械、船舶機(jī)械、航空航天機(jī)械等。液壓技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展被視為是衡量一個國家的工業(yè)化 水平和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。液壓系統(tǒng)具有高功重比、響應(yīng)快、剛度大、承載能力 強(qiáng)等優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)具有效率低、可靠性差、受溫度影響較大等缺點。
[0003] 重型機(jī)械的液壓系統(tǒng)通常具有多個液壓累（即多累源）和多個執(zhí)行元件（即多執(zhí) 行器），工作過程中各個執(zhí)行器的工況不盡相同，具有高速時輕載，低速時重載兩個特點，且 高低速相差懸殊，為了滿足系統(tǒng)工作時的需求，設(shè)計液壓系統(tǒng)時一般按液壓系統(tǒng)所需的最 大壓力和最大流量來選擇液壓累，而系統(tǒng)大部分時間工作在部分載荷區(qū)。該時累源W最大 壓力和最大流量輸出，會造成大量的液壓油從溢流閥流走，勢必會造成能量的浪費(fèi)，其根源 在于累源與執(zhí)行器不匹配。此外，液壓源與執(zhí)行器間均采用單通路連接方式，即液壓源與 執(zhí)行器之間只有一個通路，該種連接方式雖然簡單，易于控制，但是通路中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故 障，均會使整條通路無法工作，進(jìn)而導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)不能正常工作。系統(tǒng)的能量在液壓源 和各執(zhí)行器間單向傳輸，不便于能量流在各執(zhí)行器間進(jìn)行調(diào)配。因此，研究如何設(shè)計高效可 靠的液壓系統(tǒng)勢在必行。
[0004] 目前，用于提高液壓系統(tǒng)效率的常用設(shè)計方法是采用變量累作為主控元件，即累 控系統(tǒng)，但是效果并不理想，原因是當(dāng)負(fù)載變大時，液壓累的內(nèi)泄漏增加，造成液壓缸或液 壓馬達(dá)的速度特性變差。此外，快速響應(yīng)變量累的價格昂貴，維護(hù)成本高也是限制此類系統(tǒng) 應(yīng)用的一個重要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對上述液壓系統(tǒng)中存在的缺陷，提供一種基于網(wǎng)絡(luò)的具有傳動效率高、 可靠性高和能夠?qū)崿F(xiàn)能量回收的液壓多源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計方法。
[0006] 所謂多源是指改變原有的多累共源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，通過多累和蓄能單元的靈活 搭配，形成具有不同流量、壓力輸出特性、相互獨立且有一定能量儲備能力的多個液壓源。 所謂網(wǎng)絡(luò)是利用網(wǎng)絡(luò)流的拓?fù)溆成潢P(guān)系，實現(xiàn)累源和執(zhí)行器的匹配，同時選擇一個最優(yōu)路 徑，W此來減少能量損失。
[0007] 本發(fā)明的目的是該樣實現(xiàn)的：
[000引本發(fā)明基于上述多源和網(wǎng)絡(luò)兩個概念提供的基于多源網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)設(shè)計方法 所設(shè)計的液壓系統(tǒng)包括油箱、變量液壓累、驅(qū)動變量液壓累的電機(jī)、定量液壓累、驅(qū)動定量 液壓累的電機(jī)、低壓蓄能器、中壓蓄能器、高壓蓄能器、低壓力安全閥、中壓力安全閥、高壓 力安全閥、開關(guān)閥、比例閥、壓力傳感器、流量傳感器、執(zhí)行器，變量液壓累和定量液壓累的 進(jìn)油口均與油箱連接，變量液壓累和定量液壓累的出口分別連接一個單向閥，然后分成= 路分油路，變量液壓累和定量液壓累的出口都配有和油箱聯(lián)通的安全閥，且定量液壓累的 出口均配有與油箱聯(lián)通的旁路卸荷閥，在分成S路的分油路中，第一路分油路作為高壓力 等級分油路，在油路上連接有高壓蓄能器，第二路分油路作為中壓力等級分油路，在油路上 連接有中壓蓄能器，第=路分油路作為低壓力等級分油路，在油路上連接有低壓蓄能器，在 低壓蓄能器、中壓蓄能器和高壓蓄能器的出口處分別配有一個開關(guān)閥，經(jīng)過壓力分級的壓 力油分油路每一路再分成=個支路，分別連接到=個并列的開關(guān)閥上，經(jīng)過開關(guān)閥后，每一 個支路連接到一個比例閥上，每一個比例閥的出口也分成=路分別連接到=個并列的開 關(guān)閥上，經(jīng)過開關(guān)閥后，每一個支路連接到一個執(zhí)行器的液壓缸進(jìn)油口上，液壓缸的回油分 成=路分別連接到=個并列的開關(guān)閥上，經(jīng)過開關(guān)閥后，每一個支路連接到一個比例閥的 油口上，S個比例閥的回油連接在一起和油箱接通。
[0009] 本發(fā)明的基于多源網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)可W分為四個模塊：多源流量級、壓力分級模 塊、功能控制閥模塊和多執(zhí)行器。多源流量級包括油箱、電機(jī)、定量累、變量累、低壓蓄能器、 中壓蓄能器、高壓蓄能器、單向閥，基于網(wǎng)絡(luò)的思想，多源流量級內(nèi)部各個定量累配有與油 箱聯(lián)通的旁路卸荷閥，且包括定量累和變量累的所有液壓累的出口都連接有一個單向閥， 油路分成=路分油路，第一路連接高壓蓄能器，第二路連接中壓蓄能器，第=路連接低壓蓄 能器，在每一個蓄能器的出口配有一個開關(guān)閥，=路分油路中任一分油路不工作時用蓄能 器出口的開關(guān)閥切斷該路的蓄能器，通過控制各開關(guān)閥能夠使液壓累單獨或與低壓蓄能 器、中壓蓄能器或高壓蓄能器中任一部件共同供油，各個液壓累出口的單向閥起隔斷作用； 壓力分級模塊包括低壓力安全閥、中壓力安全閥和高壓力安全閥；經(jīng)過壓力分級的壓力油 分油路每一路再分成=個支路，分別連接到=個并列的開關(guān)閥上，經(jīng)過并列的開關(guān)閥后，每 一個支路連接到一個比例閥上，S個并列比例閥的回油連接在一起和油箱接通海一個比 例閥的出口也分成=路支路分別連接到=個并列的開關(guān)閥上，經(jīng)過并列的開關(guān)閥后，每一 路支路連接到多執(zhí)行器中的一個執(zhí)行器的液壓缸進(jìn)油口上，液壓缸的回油分成=路支路分 別連接到相應(yīng)的開關(guān)閥上，經(jīng)過開關(guān)閥后，每一路支路連接到一個比例閥的油口上，呈現(xiàn)網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)。
[0010] 本發(fā)明的基于多源網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)的控制步驟如下：
[0011] 1)液壓累首先為低壓蓄能器充液，此時打開低壓蓄能器出口處的開關(guān)閥，低壓蓄 能器充完液后再為中壓蓄能器充液，打開中壓蓄能器出口處的開關(guān)閥，中壓蓄能器充完液 后再為高壓蓄能器充液，打開高壓蓄能器出口處的開關(guān)閥，充液完成后，系統(tǒng)開始正常工 作，此時根據(jù)具體工況的壓力和流量需求確定多源流量級的工作方式，如果此時有液壓累 不參與供油，則需要打開該累的旁路卸荷閥，累的出口油液通過旁路卸荷閥流回油箱，W此 來實現(xiàn)系統(tǒng)在不同工況下所需的各種流量，然后壓力油分S路輸出，使系統(tǒng)能夠輸出相同 流量不同壓力的油液；
[0012] 2)壓力分級模塊，實現(xiàn)不同壓力級的安全壓力控制，配合蓄能器，實現(xiàn)不同壓力輸 出；
[001引如功能控制閥模塊輸出的液壓油，分成立路，分別接到S個執(zhí)行器的液壓缸上，將 油液輸送到每個執(zhí)行器上，使各執(zhí)行器獲得各種相匹配的壓力和流量的油液，實現(xiàn)執(zhí)行器 的各種運(yùn)動；
[0014] 4)控制優(yōu)化方案：基于多源網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)，在多源流量級和執(zhí)行器間存在7種 (只用一個功能控制閥有自1,種，用兩個控制閥有d種，用立個控制閥有1種）可行的回路。 在系統(tǒng)方案設(shè)計階段，首先累源和執(zhí)行器呈網(wǎng)狀連接，然后通過仿真模擬進(jìn)行離線自學(xué)習(xí)。 針對不同負(fù)載工況，分別使系統(tǒng)工作在設(shè)定的3種壓力下，同時每種壓力下又有7種可選 回路，即共需進(jìn)行21次實驗來進(jìn)行離線自學(xué)習(xí)；在離線自學(xué)習(xí)的過程中，分別記錄不同工 況下的21次實驗的流量和壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，得出每個回路的能量消耗，輸送給專家 庫，并找出能耗最小的回路，進(jìn)而確定某種工況下的最優(yōu)液壓傳動系統(tǒng)及其控制方案；當(dāng)一 個點出現(xiàn)故障時，首先剔除包含該點的所有回路，再根據(jù)知識庫從剩余的回路中選擇能耗 最低的回路進(jìn)而完善液壓傳動及控制系統(tǒng)，使其具有冗余功能。
[001引本發(fā)明的優(yōu)點：
[0016] 1)效率高。傳統(tǒng)的液壓回路中，因壓力和流量均按最高的來配置，因此存在較大的 能量浪費(fèi)，而液壓多源網(wǎng)絡(luò)回路通過多源和網(wǎng)絡(luò)流，基本實現(xiàn)了負(fù)載流量和壓力的匹配，因 此系統(tǒng)基本無溢流，故效率高，能源利用率高。
[0017] 2)可靠性高。傳統(tǒng)的液壓回路中只有一條回路可用，如果回路中的某個點發(fā)生故 障，整個系統(tǒng)將無法正常工作。而多源網(wǎng)絡(luò)液壓回路的多源流量級和執(zhí)行元件間有7種回 路可用，優(yōu)先使用最節(jié)能的回路，其余回路作為系統(tǒng)的冗余存在。當(dāng)最優(yōu)回路出現(xiàn)故障時， 其余有效回路會自動替換原有回路，W此來保證系統(tǒng)繼續(xù)正常工作，故系統(tǒng)具有較高的可 靠性。
[001引扣可回收能量。多源網(wǎng)絡(luò)液壓回路有多個蓄能器，并且存在多余的回路，因此可W 根據(jù)系統(tǒng)的具體工況用來回收執(zhí)行元件多余的能量，儲存到蓄能器中，供后續(xù)使用，例如重 力勢能等。
[0019] 4)通用性。本發(fā)明不僅適用于多執(zhí)行器、多負(fù)載工況的液壓系統(tǒng)，尤其適用于可靠 性要求較高的系統(tǒng)，此外還可W為其他系統(tǒng)的可靠性設(shè)計提供幫助。
【附圖說明】
[0020] 圖1本發(fā)明的液壓多源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2液壓多源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的原理圖；
[0022] 圖3液壓多源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的原理圖。
【具體實施方式】
[002引如圖2和圖3所示，本發(fā)明共有14個元件組成，可W分為四個模塊；多源流量級、 壓力分級模塊、功能控制閥模塊和多執(zhí)行器。多源流量級包括油箱1，電機(jī)2. 1、2. 2、2. 3,液 壓累（定量累4. 1、4. 2和變量累3)，蓄能器（低壓蓄能器10、中壓蓄能器9和高壓蓄能器 8)，旁路卸荷閥7. 1、7. 2,單向閥6. 1、6. 2、6. 3 ;基于網(wǎng)絡(luò)的思想，多源流量級內(nèi)部所有的液 壓累（包括定量累4. 1、4. 2和變量累3)都要在出口連接一個單向閥6. 1、6. 2和6. 3,并 在定量累的出口配有旁路卸荷閥7. 1和7. 2,液壓累接通后再分成=路，變量累3作為第一 路連接高壓蓄能器8,定量累4. 1作為第二路連接中壓蓄能器9,定量累4. 2作為第=路連 接低壓蓄能器10,每個蓄能器的出口處均配有一個開關(guān)閥7. 3、7. 4、7. 5,當(dāng)不需要蓄能器 與累共同供油時用蓄能器出口處的開關(guān)閥切斷該蓄能器與系統(tǒng)的通路；壓力分級模塊包括 低壓力安全閥5. 3、中壓力安全閥5. 2和高壓力安全閥5. 1，多源流量級匹配后實現(xiàn)不同的 壓力輸出；經(jīng)過壓力分級的壓力油分=路分油路輸