升降设备在稳定载荷下的势能回收系统及其使用方法.pdf

本发明涉及升降设备在稳定载荷下势能回收系统及使用方法，本系统补油泵的吸油口与油箱出油口连接，补油泵出油口分别连接单向阀进油口和第二溢流阀进油口，单向阀出油口分别连接第一电磁换向阀入口和第二电磁换向阀入口，第一电磁换向阀出口分别连接蓄能器以及势能回收缸无杆腔油口；蓄能器与势能回收缸无杆腔油口相通且均与液控单向阀的进油口连接，第二电磁换向阀的出口连接液控单向阀的控制口，液控单向阀出油口连接第一比例溢流阀进油口。本方法步骤：确定势能回收系统分担的载荷、势能回收缸和蓄能器规格、势能回收缸辅助推动载荷上升，压力传感器检测设备升降时蓄能器压力及升降缸承受的载荷。本发明能将下降时被浪费的部分重力势能回收。

1.  一种升降设备在稳定载荷下的势能回收系统，其特征在于：它包括势能回收缸、蓄能器、压力传感器、液控单向阀、补油泵、单向阀、油箱、两个溢流阀和两个电磁换向阀；
补油泵的吸油口与油箱出油口连接，补油泵的出油口分别连接单向阀的进油口和第二溢流阀的进油口，单向阀的出油口分别连接第一电磁换向阀的入口和第二电磁换向阀的入口，第一电磁换向阀的出口分别连接蓄能器以及势能回收缸的无杆腔油口，势能回收缸的有杆腔油口与油箱的第一回油口连接，第二溢流阀的回油口连接油箱的第二回油口；
蓄能器与势能回收缸无杆腔油口相通且均与液控单向阀的进油口连接，第二电磁换向阀的出口连接液控单向阀的控制口，液控单向阀的出油口连接第一溢流阀的进油口，第一溢流阀的出油口连接油箱的第三回油口；
压力传感器安装于蓄能器及势能回收缸无杆腔油口之间的管路上。

2.  根据权利要求1所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统，其特征在于：所述第一溢流阀为比例溢流阀。

3.  一种如权利要求1或2所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，它包括升降设备，所述升降设备包括载物架和升降缸，升降缸设于载物架的下部，其特征在于，所述升降设备还包括势能回收缸，势能回收缸设于载物架的下部，载物架的上部放置有载荷，升降缸和势能回收缸通过载物架共同推动载荷沿升降斜坡作升降运动，本方法包括如下步骤：
a．确定势能回收系统分担的载荷重量
                      （1）
   式（1）中，G₁: 在载荷为G₃条件下，势能回收系统分担的载荷重量；
        G₂：载物架的自重；
G₃：升降设备承受的载荷重量；
S₁: 势能回收系统分担载荷重量的系数，该系数取值范围为0～1之间；
b．根据式（1）得出G₁后，确定势能回收缸的规格 
                        （2）
式（2）中：D₁：势能回收缸无杆腔直径；
n₁：势能回收缸数量；
P₁：G₁对应的蓄能器的最低工作压力，其取值范围为10～16MPa之间；
A：升降系数；
c．确定蓄能器的规格
蓄能器的有效容积：
                     （3）
式（3）中：V₀：蓄能器组的有效容积；
 L：势能回收缸的工作行程；
确定蓄能器的总容积：
                   （4）   
式（4）中：V_w：蓄能器的总容积；
P₀：蓄能器的充气压力；
P₂：G₁对应的蓄能器的最高工作压力，其取值范围为P₂=1.1～1.2 P₁）；
             k：多变指数，常温状态：k=1，多变状态：k=1.4；
确定蓄能器的数量和规格：
                            （5）  
式（5）中：V：所选蓄能器的规格；
n_x：蓄能器的数量；
d．势能回收系统启动后，升降缸通过载物架推动载荷沿升降斜坡开始上升，势能回收缸同步辅助推动其上升，势能回收缸的动力由蓄能器提供，期间一旦压力传感器检测到的压力低于最低工作压力P₁，第一电磁换向阀得电，补油泵向蓄能器中补油，直至压力到达P₁后停止，确保蓄能器中的压力不低于P₁；
e．升降设备下降时，升降缸无杆腔的液压油流回油箱，势能回收缸无杆腔液压油被压至蓄能器中，同时第二电磁换向阀得电，使液控单向阀打开，当压力传感器检测到压力高于最高工作压力P₂时，第一溢流阀的控制信号开始降低直到压力传感器检测到的压力低于P₂后停止；
f．在载荷及载物架升降过程中，蓄能器中的压力始终在P₁～P₂之间变化，即势能回收缸通过回收的势能承担的载荷重量始终不少于G₁，升降缸承受的载荷重量G₄满足：
                     （6）
g．当G₃发生变化时，G₁根据公式一也同步变化，相应的蓄能器的P₁和P₂也发生变化，使G₁可根据载荷自重的变化自动调整。

4.  根据权利要求3所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，其特征在于：所述系数S₁取0.4～0.6。

5.  根据权利要求3所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，其特征在于：步骤c中的蓄能器的充气压力P₀=0.8～0.9 P₁。

升降设备在稳定载荷下的势能回收系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种升降设备的势能回收系统及其使用方法，具体的说是升降设备在稳定载荷下的势能回收系统及其使用方法。
背景技术
升降及步进机械在各个行业占了很大的比重，且其大部分都属于重载、连续生产工况，这些设备的升降运动大部分采用液压驱动，上升时由液压缸提供动力，下降时靠自重或动力加辅助背压。设备在下降过程中释放的重力势能大部分转化为热量被白白消耗，而此部分能量占到了提升时能耗总量的50%到70%，甚至更高。
以步进式加热炉为例，其主驱动液压系统根据步进梁上升时的最大载荷（步进梁自重、炉内钢坯最大载荷）进行配置，上升时由升降液压缸驱动，下降则靠自重。在下降过程中，步进梁以及炉内钢坯的重力势能基本都被转化为热量（节流损失、摩擦损失）被白白消耗。同时，按最大载荷配置的主驱动液压系统，其主泵电机的总功率偏大，即使在空载时，这些电机也会消耗工作状态下35%左右的电量。除步进式加热炉外，步进梁运输机、步进式冷床、升降式称重设备、液压升降机等都存在相同的问题：下降过程中大部分重力势能被白白消耗，造成了能源的极大浪费。如果能将此部分的势能进行回收再利用，将会产生巨大的经济效益和行业影响。
升降及步进机械除了采用液压驱动以外，也有采用电机驱动的形式，也存在同样的问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种升降设备在稳定载荷下的势能回收系统及其使用方法，能够成功将下降过程中被浪费的部分重力势能回收。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种升降设备在稳定载荷下的势能回收系统，其特征在于：它包括势能回收缸、蓄能器、压力传感器、液控单向阀、补油泵、单向阀、油箱、两个溢流阀和两个电磁换向阀；
补油泵的吸油口与油箱出油口连接，补油泵的出油口分别连接单向阀的进油口和第二溢流阀的进油口，单向阀的出油口分别连接第一电磁换向阀的入口和第二电磁换向阀的入口，第一电磁换向阀的出口分别连接蓄能器以及势能回收缸的无杆腔油口，势能回收缸的有杆腔油口与油箱的第一回油口连接，第二溢流阀的回油口连接油箱的第二回油口；
蓄能器与势能回收缸无杆腔油口相通且均与液控单向阀的进油口连接，第二电磁换向阀的出口连接液控单向阀的控制口，液控单向阀的出油口连接第一溢流阀的进油口，第一溢流阀的出油口连接油箱的第三回油口。
压力传感器安装于蓄能器及势能回收缸无杆腔油口之间的管路上；
所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统，其特征在于：所述第一溢流阀为比例溢流阀。
所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，它包括升降设备，所述升降设备包括载物架和升降缸，升降缸设于载物架的下部，其特征在于，所述升降设备还包括势能回收缸，势能回收缸设于载物架的下部，载物架的上部放置有载荷，升降缸和势能回收缸通过载物架共同推动载荷沿升降斜坡作升降运动，本方法包括如下步骤：
a．确定势能回收系统分担的载荷重量
                      （1）
   式（1）中，G₁: 在载荷为G₃条件下，势能回收系统分担的载荷重量；
        G₂：载物架的自重；
G₃：升降设备承受的载荷重量；
S₁: 势能回收系统分担载荷重量的系数，该系数取值范围为0～1之间；
b．根据式（1）得出G₁后，确定势能回收缸的规格 
                        （2）
式（2）中：D₁：势能回收缸无杆腔直径；
n₁：势能回收缸数量；
P₁：G₁对应的蓄能器的最低工作压力，其取值范围为10～16MPa之间；
A：升降系数；
c．确定蓄能器的规格
蓄能器的有效容积：
                     （3）
式（3）中：V₀：蓄能器组的有效容积；
 L：势能回收缸的工作行程；
确定蓄能器的总容积：
                   （4）   
式（4）中：V_w：蓄能器的总容积；
P₀：蓄能器的充气压力；
P₂：G₁对应的蓄能器的最高工作压力，其取值范围为P₂=1.1～1.2 P₁）；
             k：多变指数，常温状态：k=1，多变状态：k=1.4；
确定蓄能器的数量和规格：
                            （5）  
式（5）中：V：所选蓄能器的规格；
n_x：蓄能器的数量；
d．势能回收系统启动后，升降缸通过载物架推动载荷沿升降斜坡开始上升，势能回收缸同步辅助推动其上升，势能回收缸的动力由蓄能器提供，期间一旦压力传感器检测到的压力低于最低工作压力P₁，第一电磁换向阀得电，补油泵向蓄能器中补油，直至压力到达P₁后停止，确保蓄能器中的压力不低于P₁；
e．升降设备下降时，升降缸无杆腔的液压油流回油箱，势能回收缸无杆腔液压油被压至蓄能器中，同时第二电磁换向阀得电，使液控单向阀打开，当压力传感器检测到压力高于最高工作压力P₂时，第一溢流阀的控制信号开始降低直到压力传感器检测到的压力低于P₂后停止；
f．在载荷及载物架升降过程中，蓄能器中的压力始终在P₁～P₂之间变化，即势能回收缸通过回收的势能承担的载荷重量始终不少于G₁，升降缸承受的载荷重量G₄满足：
                     （6）
g．当G₃发生变化时，G₁根据公式一也同步变化，相应的蓄能器的P₁和P₂也发生变化，使G₁可根据载荷自重的变化自动调整。
所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，其特征在于：所述系数S₁取0.4～0.6。
所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，其特征在于：步骤c中的蓄能器的充气压力P₀=0.8～0.9 P₁。
本发明的有益效果是：能够成功将下降过程中被浪费的部分重力势能回收，经转化后全部用于最大能耗工况，有效降低主驱动系统的负荷，可实现节能约40%—60%；可有效吸收设备在运动过程中的冲击，改善设备的受力状况，同时提高其运行的稳定性；降低驱动设备的一次性投资成本。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为升降设备的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示：一种升降设备在稳定载荷下的势能回收系统，它包括势能回收缸1、蓄能器2、压力传感器3、液控单向阀5、补油泵7、单向阀8、油箱11、两个溢流阀6、10和两个电磁换向阀9、4；
补油泵的吸油口71与油箱出油口21连接，补油泵的出油口72分别连接单向阀的进油口81和第二溢流阀的进油口101，单向阀的出油口82分别连接第一电磁换向阀的入口91和第二电磁换向阀的入口41，第一电磁换向阀的出口92分别连接蓄能器2以及势能回收缸的无杆腔油口31，势能回收缸的有杆腔油口32与油箱的第一回油口22连接，第二溢流阀的回油口102连接油箱的第二回油口23；
蓄能器2与势能回收缸无杆腔油口31相通且均与液控单向阀的进油口51连接，第二电磁换向阀的出口42连接液控单向阀的控制口53，液控单向阀的出油口52连接第一比例溢流阀的进油口61，第一比例溢流阀的出油口62连接油箱的第三回油口24。
压力传感器3安装于蓄能器2及势能回收缸无杆腔油口31之间的管路上；
如图2所示：升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，它包括升降设备，所述升降设备包括载物架14和升降缸12，升降缸12设于载物架14的下部，所述升降设备还包括势能回收缸1，势能回收缸设于载物架14的下部，载物架的上部放置有载荷13，升降缸和势能回收缸通过载物架共同推动载荷沿升降斜坡15作升降运动，本方法包括如下步骤：
a．确定势能回收系统分担的载荷重量
                      （1）
   式（1）中，G₁: 在载荷为G₃条件下，势能回收系统分担的载荷重量；
        G₂：载物架的自重；
G₃：升降设备承受的载荷重量；
S₁: 势能回收系统分担载荷重量的系数，该系数取值范围为0～1之间；
b．根据式（1）得出G₁后，确定势能回收缸的规格 
                        （2）
式（2）中：D₁：势能回收缸无杆腔直径；
n₁：势能回收缸数量；
P₁：G₁对应的蓄能器的最低工作压力，其取值范围为10～16MPa之间；
A：升降系数；
c．确定蓄能器的规格
蓄能器的有效容积：
                     （3）
式（3）中：V₀：蓄能器组的有效容积；
 L：势能回收缸的工作行程；
确定蓄能器的总容积：
                   （4）   
式（4）中：V_w：蓄能器的总容积；
P₀：蓄能器的充气压力；
P₂：G₁对应的蓄能器的最高工作压力，其取值范围为P₂=1.1～1.2 P₁）；
             k：多变指数，常温状态：k=1，多变状态：k=1.4；
确定蓄能器的数量和规格：
                            （5）  
式（5）中：V：所选蓄能器的规格；
n_x：蓄能器的数量；
d．势能回收系统启动后，升降缸通过载物架推动载荷沿升降斜坡开始上升，势能回收缸同步辅助推动其上升，势能回收缸的动力由蓄能器提供，期间一旦压力传感器检测到的压力低于最低工作压力P₁，第一电磁换向阀得电，补油泵向蓄能器中补油，直至压力到达P₁后停止，确保蓄能器中的压力不低于P₁；
e．升降设备下降时，升降缸无杆腔的液压油流回油箱，势能回收缸无杆腔液压油被压至蓄能器中，同时第二电磁换向阀得电，使液控单向阀打开，当压力传感器检测到压力高于最高工作压力P₂时，第一溢流阀的控制信号开始降低直到压力传感器检测到的压力低于P₂后停止；
f．在载荷及载物架升降过程中，蓄能器中的压力始终在P₁～P₂之间变化，即势能回收缸通过回收的势能承担的载荷重量始终不少于G₁，升降缸承受的载荷重量G₄满足：
                     （6）
g．当G₃发生变化时，G₁根据公式一也同步变化，相应的蓄能器的P₁和P₂也发生变化，使G₁可根据载荷自重的变化自动调整。
4、根据权利要求3所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，其特征在于：所述系数S₁取0.4～0.6。
5、根据权利要求3所述的升降设备在稳定载荷下的势能回收系统的使用方法，其特征在于：步骤c中的蓄能器的充气压力P₀=0.8～0.9 P₁。
以上叙述中的升降缸12亦可以是其它型式、且具有相同功能的执行机构，如电动推杆、汽缸、减速电机配偏心轮、蜗轮蜗杆传动、连杆传动等。
以上叙述中的载物架14可采用垂直升降型式、螺旋升降型式等。