由液压总线和开关液压源构成的液压系统 技术领域
本发明涉及增压器或流体压力转换器。
背景技术
液压系统最大的优势之一在于其多执行器特性，即可以由单个液压泵供油，同时驱动多路执行器动作。
目前大部分工矿、冶金、钢铁等企业的生产线液压系统均采用液压总线的供油方式：由泵站输出一路压力油管、一路控制油、一路回油和一路泄漏油，所有的液压执行器控制单元均挂在该液压总线上。由于液压总线上的供油压力为恒定，因而要求各执行器的负载与供油压力相适应，或者需要通过一个减压阀(将液压总线上的供油压力降低到与该执行器负载相适应)再将执行器挂到液压总线上。由于无法实现升压以及降压增流，普遍存在泵站输出压力高、各执行器的结构尺寸受执行器供油压力的限制、减压阀上节流损失大等问题。
大型工程机械的液压系统大多也采用单泵供油驱动多个执行器协调动作的方式。虽然可以通过负载敏感等方式实现泵的输出压力与最高负载压力相适应，但同样存在无法实现升压以及降压增流的问题，因而对于非最高负载压力联执行器件来说，在控制阀上的节流损失仍然很大，能量浪费严重。
发明内容
本发明的目的是设计一种由液压总线和开关液压源构成的液压系统，将开关源的输入端直接挂在液压总线上，通过高速开关方式加以升压或降压增流，最终输出与各执行器需求相适应地压力和流量。
本发明采用的技术方案如下：
它包括液压总线，数个控制阀，数个执行器，其特征在于：在液压总线的供油路P1和回油路T间装有数个开关液压源，它与各自的控制阀、执行器相连接。
工作过程：液压泵站向液压总线输出的压力为固定值(10MPa)，功率可与各执行器件所需要的总功率相匹配。各开关液压源的输入端直接挂在液压总线上，并通过对高速开关阀(开关液压源中的关键元件之一)占空比的调节实现对其输出压力的闭环控制，使输出压力降低或升高到执行器所需的压力值，为执行器提供与其消耗功率(不是流量！)相适应的流量，达到最佳节能效果。
开关液压源为升压型开关液压源，它包括液感元件、高速开关阀、单向阀、液容元件，液感元件的输入端和高速开关阀的输出端分别跨接在液压总线的供油路P1和回油路T间，装在液压总线的供油路P1上的液感元件的输出端分别接高速开关阀的输入端和单向阀的输入端，单向阀的输出端接在输出油路P2上，液容元件的两端分别跨接在输出油路P2和回油路T间；
开关液压源为降压增流型开关液压源，它包括液感元件、高速开关阀、单向阀、液容元件，高速开关阀和单向阀的输入端分别跨接在液压总线的供油路P1和回油路T间，装在液压总线的供油路P1上的高速开关阀的输出端分别接液感元件的输入端和单向阀的输出端，液感元件的输出端接在输出油路P2连接。液容元件的两端分别跨接在输出油路P2和回油路T间。
液容元件只要其两端的压差与通过该元件的流量有近似于下式所述的关系，就可以作为开关液压源中的液容元件，用下式表示：Q4=Cd(Δp2)dt]]>
其中：Q4—通过液容元件的流量
C—液容值，量纲为[(L/min)/MPa]·S
—液容元件两端压差的变化率
具有近似于上式所述关系的液容元件为蓄能器、弹簧液压缸。液感元件只要通过该元件的流量与其两端的压差有近似于下式所述的关系，就可以作为开关液压源中的敏感元件，用下式表示：Δp=LdQ1dt]]>
式中：Δp—液感元件两端的压差
L—液感值，量纲为[MPa/(L/min)]·S；
—通过液感元件的流量的变化率
具有近似于上式所述关系的液感元件为由一个高速液压马达和一个与液压马达输出轴直接相连的飞轮组成的驱动大惯量负载的液压马达。
由液压总线和开关液压源构成的新原理液压系统克服了传统液压系统无法实现升压以及降压增流的问题，是一种全新的原理的节能型液压系统。该液压系统的产业化能极大地推动节能型液压系统的发展。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是升压型开关液压源结构原理图；
图3是降压增流型开关液压源结构原理图；
图4是在开关液压源中作为液容元件用的蓄热器；
图5是在开关液压源中作为液容元件用的弹簧液压缸；
图6是在开关液压源中作为液感元件用的驱动大惯量负载的液压马达。
具体实施方式
如图1所示，在液压总线的供油路P1和回油路T间装有数个开关液压源，它与各自的控制阀、执行器连接。
根据开关液压源功能的不同，可以分为升压型开关液压源和降压增流型开关液压源两种：1.升压型开关液压源
技术方案：升压型开关液压源由液感元件、高速开关阀、单向阀和液容元件组成，其结构如图2所示：
图中p1表示液压总线的供油压力，T示液压总线的回油压力；
p2表示开关液压源的输出压力，由于它同时又是液容两端的压力，因而该压力不能突变；
Q1表示流过液感元件的流量，该流量不能突变；
p3表示液感输出端的压力，该压力随着高速开关阀的高速切换不断地在最高输出压力和回油压力之间切换。
Q3表示流过高速开关阀的流量，该流量也随着高速开关阀的高速切换不断地在Q1和零之间切换。
Q2和Q4分别表示开关液压源的输出流量和流过液容的流量，这两个流量的和在高速开关阀切断时等于流过液感的流量，在高速开关阀接通时等于零。
如果液容元件和液感元件的内泄漏、磨擦以及液容元件的质量可以忽略，并假设高速开关阀和单向阀为理想元件(启闭过程的节流损失为零)，高速开关阀的脉宽调制波周期为T，占空比(通电时间与周期之比)为D，则开关液压源的输出压力p2与液压总线的输入压力成正比，与占空比成反比，液压总线的输入流量Q1与系统的输出流量成正比，与占空比成反比。即：p2=p1D]]>Q1=Q2D]]>
从而实现开关液压源的升压。同时，输出压力p2的波动幅值与输出流量成正比，与液容的容值C成反比，与脉宽调制波的周期成正比，与电磁铁断电时间的占空比成正比。即：p2max-p2min=Q2C(1-D)T]]>
只要高速开关阀和单向阀动态性能接近于理想的高速开关阀和单向阀，开关液压源的压力变换效率可达100％，即输出功率等于输入功率，实现液压系统的无损升压。
工作过程：为高速开关阀提供周期为T，占空比(通电时间与周期之比)为D的脉宽调制波。当高速开关阀断电(油路通)时，液感元件的输出端通回油，液感在液压总线供油压力的作用下加速，储存能量；当高速开关阀通电(油路断)时，液感元件的输出端通过单向阀向执行器供油，由于输出压力高于液压总线的供油压力，液感在液压总线反向压力差的作用下减速，释放所储存的能量；从而实现开关液压源的升压。液容元件用来进行滤波，减小因高速开关引起的输出压力纹波。
通过上述油路可以通过对脉宽调制波占空比的控制，输出所需的压力值，并为执行器提供与其消耗功率(不是流量！)相适应的流量，达到最佳节能效果。2.降压增流型开关液压源
技术方案：降压增流型开关液压源由液感元件、高速开关阀、单向阀和液容元件组成，其结构如图3所示：
图中p1表示液压总线的供油压力，T示液压总线的回油压力；
p2表示开关液压源的输出压力，由于它同时又是液容两端的压力，因而该压力不能突变；
Q1表示流过液感元件的流量，该流量不能突变；
p3表示液感输入端的压力，该压力随着高速开关阀的高速切换不断地在液压总线供油压力和回油压力之间切换。
Q3表示流过高速开关阀的流量，该流量也随着高速开关阀的高速切换不断地在Q1和零之间切换。
Q2和Q4分别表示开关液压源的输出流量和流过液容的流量，这两个流量的和等于流过液感的流量。
如果液容元件和液感元件的内泄漏、磨擦以及液容元件的质量可以忽略，并假设高速开关阀和单向阀为理想元件(启闭过程的节流损失为零)，高速开关阀的脉宽调制波周期为T，占空比(通电时间与周期之比)为D，则开关液压源的输出压力p2与液压总线的输入压力成正比，与断电时间的占空比成正比，液压总线的平均输入流量Q3与系统的输出流量成正比，与断电时间的占空比成正比。即：
p2＝(1-D)P1
Q3＝(1-D)Q2
从而实现开关液压源的降压增流。同时，输出压力p2的波动幅值与输出流量的波动成正比，与液容的容值C成反比，与脉宽调制波的周期成正比，与电磁铁通电时间的占空比成正比，即：p2max-p2min≈Q1-Q2CDT]]>
只要高速开关阀和单向阀动态性能接近于理想的高速开关阀和单向阀，开关液压源的压力变换效率可达100％，即输出功率等于输入功率，实现液压系统的无损降压。
工作过程：为高速开关阀提供周期为T，占空比(通电时间与周期之比)为D的脉宽调制波。当高速开关阀断电(油路通)时，液感元件的输入端通液压总线的供油压力，液感在液压总线供油压力的作用下加速，储存能量；当高速开关阀通电(油路断)时，液感元件的输入端通过单向阀从回油管路中吸油，由于输出压力高于液压总线的供油压力，液感在反向压力差的作用下减速，释放所储存的能量；从而实现开关液压源的降压。液容元件用来进行滤波，减小因高速开关引起的输出压力纹波。
通过上述油路可以通过对脉宽调制波占空比的控制，输出所需的压力值，并为执行器提供与其消耗功率(不是流量！)相适应的流量，达到最佳节能效果。
无论是升压型开关液压源，还是降压增流型开关液压源，都离不开液感和液容两个重要元件。可以在开关液压源中当作液感和液容使用的液压元件需具有下述特征：1.液容
技术方案：对于一个具有压力脉动吸收能力的液压元件，只要其两端的压差与通过该元件的流量有近似于下式所述的关系，就可以作为开关液压源中的液容元件，其液容值用C表示，量纲为[(L/min)/Mpa]·s。Q4=Cd(Δp2)dt]]>
具有近似于上式所述关系的液容元件有蓄能器、弹簧液压缸等等，它们可直接从蓄能器或流压缸生产厂家购置。
1)蓄能器
可以在开关液压源中作为液容元件用的蓄能器的结构与目前液压系统中常用蓄能器结构基本相同，以气囊式蓄能器为例，其结构如图4所示。
图中p0表示蓄能器的预充压力，V0表示该蓄能器气囊的初始容积；
p2表示管路中瞬时压力时，并认为蓄能器的两端压差就是p2；
Q4为流过蓄能器的流量。
由于气囊中氮气压力的变化过程是一个近似的绝热过程，因此其两端的压差与通过该蓄能器的流量有下述关系：Q4=11.4(p0p2)11.41p2dp2dt]]>该蓄能器可以在开关液压源中作为液容使用，其液容值为：C=11.4(p0p2)11.41p2]]>
2)弹簧液压缸
可以在开关液压源中作为液容元件用的弹簧液压缸由缸体、低磨擦活塞和弹簧组成，其结构如图5所示。
图中，K示弹簧的弹性系数，A和m分别表示低磨擦活塞的高压腔面积和质量，f表示活塞与缸体之间的磨擦系数；
p2与T分别表示弹簧缸两端的压力；
Q4表示流过弹簧缸的流量，x表示弹簧缸活塞的位移；
Cim表示缸的内泄漏系数。
如果忽略弹簧缸的活塞质量m、摩f和内泄漏Cim，并控制弹簧永远处于弹性范围内，则其两端的压差与通过该弹簧缸的流量有下述关系：Q4=A2kdp2dt]]>该弹簧缸可以在开关液压源中作为液容使用，其液容值为：C=A2k]]>工作过程：以蓄能器和弹簧液压缸在开关液压源中作为液容元件使用时的工作过程为例：
1)蓄能器
将蓄能器的气囊压力预充至最高平均输出压力的1/2左右，将其入口端直接接到需要吸收压力脉动的压力管路中，回油路不接。该蓄能器就可以在开关液压源中当作液容元件使用。当压力管路中的压力超过平均压力时，蓄能器的气囊体积减小，吸收部分流量，使压力管路中的流量减小，压力下降；当压力管路中的压力低于平均压力时，蓄能器的气囊体积增大，释放部分流量，使压力管路中的流量增大，压力升高。从而有效地降低了开关液压源中的压力纹波。
2)弹簧液压缸
将弹簧液压缸的两端分别接到需要吸收压力脉动的压力管路和回油路上。该弹簧液压缸就可以在开关液压源中当作液容元件使用。当压力管路和回油路的压力差超过平均压力差时，活塞上移，从压力管路中吸收部分流量，使压力管路中的流量减小，压力下降；当压力管路和回油路的压力差低于平均压力差时，活塞下移，向压力管路释放部分流量，使压力管路中的流量增大，压力升高。从而有效地降低了开关液压源中的压力纹波。2.液感技术方案：对于一个具有惯性负载的液压元件，只要通过该元件的流量与其两端的压差有近似于下式所述的关系，就可以作为开关液压源中的液感元件，其液感值用L表示，量纲为[Mpa/(Lmin)]·s。Δp=LdQ1dt]]>
具有近似于上式所述关系的液感元件之一是驱动大惯量负载的液压马达。可以在开关液压源中作为液感元件用的驱动大惯量负载的液压马达由一个高速液压马达和一个与液压马达输出轴直接相连的飞轮组成，可直接从液压马达生产厂家购置。其结构如图6所示。
图中，J表示液压马达回转部分和飞轮的总转动惯量，D表示液压马达的排量；B表示液压马达的角磨擦系数；
p1与p2分别表示该液压元件两端的压力；
Q1表示流过液压马达的流量，ω示液压马达的角速度；
Cim表示马达的内泄漏系数。如果忽略液压马达的磨擦B和泄漏Cim，则流过该马达的流量与其两端的压差有下述关系：p1-p2=JD2dQ1dt]]>该液压马达可以在开关液压源中作为液感使用，其液感值为：L=JD2]]>工作过程：仍以驱动大惯量负载的液压马达在开关液压源中作为液感元件使用时的工作过程为例：
将液压马达串联到需要确保流量不能突变，并可快速储存、释放能量的压力管路中。该液压马达就可以在开关液压源中当作液感元件使用。当入口侧的压力超过出口侧时，液压马达所驱动的大惯量体(飞轮)就会加速，使通过该液压马达的流量不能突变，将能量储存在大惯量体(飞轮)中；当入口侧的压力低于出口侧时，液压马达所驱动的大惯量体(飞轮)就会减速，使通过该液压马达的流量不能突变，释放储存在大惯量体(飞轮)中的能量。从而确保了开关液压源输出流量的连续性。