Устройство для аккумулирования сжатого воздуха
DEVICE FOR COMPRESSED AIR ACCUMULATION

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных гидроприводах грузоподъемных как стационарных, так и мобильных сельскохозяйственных, строительно-дорожных и других машинах и оборудовании, а также в станкостроении, нефтяной и горнодобывающей промышленности.
Известно устройство содержащее: гидропривод, гидравлический цилиндр, первый гидравлический силовой агрегат, второй гидравлический силовой агрегат, главный гидравлический насос, раздаточный механизм, пневмогидравлические аккумуляторы (патент №105156412 Китай, МПК: F15B 21/14, В66С 13/00, опубликовано 16.12.2015).
Недостатком известного устройства является высокая энергоемкость и низкая эффективность использования аккумулируемой энергии в гидроприводе, связанная с многоступенчатым преобразованием одного вида энергии в другой.
Известно устройство содержащее: гидропривод, гидравлический цилиндр, пневмогидравлический аккумулятор, гидравлический насос, гидравлическую насосную станцию (патент №102691682 Китай, МПК: F15B 1/04, F15B 21/14, опубликовано 26.09.2012).
Известно устройство содержащее: гидропривод, гидравлический цилиндр, первый привод, второй привод, первый гидравлический насос, второй гидравлический насос, пневмогидравлический аккумулятор, первый, второй и третий клапаны, электродвигатель (патент №2011145947 Соединенные Штаты Америки, МПК: F15B 21/14, В66С 13/02, опубликовано 24.11.2011).
Недостатком известных устройств является низкая энергоемкость и эффективность, связанная с ограниченным объемом пневмогидравлического аккумулятора при накоплении энергии.
Известно устройство содержащее: гидравлические цилиндры, гидрораспределитель, пневмогидравлический аккумулятор, гидравлический насос, обратные, редукционные и предохранительные гидравлические клапаны, гидробак, напорную и сливные гидромагистрали (патент №20090025379 США, МПК: F15B 1/00, F15B 1/02, опубликовано 29.01.2009). Принят за прототип.
Недостатками известного устройства является низкая энергоемкость и эффективность вследствие: ограниченного объема пневмогидравлического аккумулятора при накоплении энергии; отсутствия возможности независимой зарядки и разрядки накапливаемой энергии; удорожания гидропривода при увеличении объема пневмогидавлического аккумулятора или количества пневмогидравлических аккумуляторов, удорожания гидропривода при уменьшении степени сжатия газа в пневмогидралическом аккумуляторе, в результате увеличения его металлоемкости.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в разработке устройства для аккумулирования сжатого воздуха, повышающего надежность гидропривода, энергоемкость и эффективность использования аккумулируемой энергии в гидроприводах машин.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для аккумулирования сжатого воздуха, содержащем гидравлические цилиндры, гидрораспределитель, пневмогидравлический аккумулятор, гидравлический насос, обратные, редукционные и предохранительные гидравлические клапаны, гидробак, напорную гидромагистраль и сливные гидролинии, новым является, то, что устройство для аккумулирования сжатого воздуха содержит основной и дополнительные ресиверы, пневматические цилиндры, установленные параллельно гидравлическим цилиндрам, концы штоков и днища которых попарно соединены между собой, при этом порты пневматических цилиндров одним путем посредством обратных пневматических клапанов соединены с напорной пневмомагистралью, а другим - с помощью обратных пневматических клапанов с атмосферой, ресиверы подсоединены к напорной пневмомагистрали посредством регулируемых редукционных пневматических и параллельно им подсоединенных обратных пневматических клапанов, причем последовательное включение ресиверов при их зарядке и разрядке осуществляется автоматически с помощью, установленных между ними регулируемого редукционного пневматического и параллельно ему обратного пневматического клапанов, а также пневматического двухпозиционного распределителя, подсоединенного входным портом к напорной пневмомагистрали между пневмоцилиндрами и основным ресивером, а выходным портом, с помощью последовательно подсоединенного регулируемого редукционного пневматического клапана и напорной пневмолинии - к входному порту пневматического двигателя, соединенного валами с дополнительным гидравлическим насосом, причем параллельно пневматическому двухпозиционному распределителю подсоединен также регулируемый редукционный пневматический клапан, при этом выходной порт дополнительного гидронасоса соединен посредством нерегулируемого гидравлического редукционного и обратного гидравлического клапанов как с напорной гидромагистралью и пневмогидравлическим аккумулятором, так и с гидравлической линией управления гидравлическим двухпозиционным распределителем управления основного гидравлического насоса.
Кроме того, относительно максимального значения давления сжатого воздуха в напорной пневмомагистрали максимальная величина давления срабатывания регулируемых редукционных пневматических клапанов должна быть: установленного между основным и дополнительным ресиверами - меньше на величину в пределах от 5 до 8%; установленных в основном и дополнительном ресиверах и параллельно пневматическому двухпозиционному распределителю - меньше в пределах от 10 до 15%; присоединенного к выходному порту пневматического двухпозиционного распределителя - соответствовать номинальному значению давления используемого пневматического двигателя; в нерегулируемом гидравлическом редукционном клапане, подсоединенном к выходному порту дополнительного гидронасоса - больше в пределах от 5 до 8% относительно максимального значения давления рабочей жидкости в напорной гидромагистрали.
Кроме того, наружные поверхности пневматических цилиндров, основного и дополнительного ресиверов и пневматических трубопроводов напорной пневмомагистрали покрыты теплоизолирующим материалом, а основной и дополнительный ресиверы снабжены теплонагревательными элементами, обеспечивающими поддержание рабочей температуры сжатого воздуха в основном и дополнительном ресиверах в пределах от 120 до 180°С.
Кроме того, в напорной пневмомагистрали перед основным ресивером установлен пневматический предохранительный клапан, а в напорной гидромагистрали параллельно дополнительному гидронасосу - гидравлический предохранительный клапан, причем давление срабатывания обоих клапанов должно быть больше на величину в пределах от 10 до 15% от максимальных значений давлений, соответственно в напорных пневмомагистрали и гидромагистрали.
Кроме того, в напорной гидромагистрали предусмотрен пневмогидравлический аккумулятор, величина номинального давления у которого должна быть меньше в пределах от 15 до 20% от величины максимального давления в напорной гидромагистрали, а его номинальная вместимость должна быть не менее 10% от суммарной вместимости гидравлических цилиндров.
На фиг. 1 изображена схема устройства для аккумулирования сжатого воздуха, поясняющая его работу.
Устройство для аккумулирования сжатого воздуха состоит из следующих основных составных частей: одного или нескольких механизмов рекуперации энергии 1, 2, гидрораспределителей управления 3, 4 гидравлическими цилиндрами механизмов рекуперации, пневматического аккумуляторного агрегата 5 и гидравлического насосного агрегата 6. Механизмы рекуперации энергии 1, 2 включают в себя параллельно установленные гидравлические цилиндры двухстороннего действия 7 и пневматические цилиндры одностороннего действия 8, концы штоков и днища которых попарно соединены между собой. Входные и выходные порты гидравлических цилиндров 7 подсоединены с помощью гибких трубопроводов с гидрораспределителями управления 3 и 4, а порты пневматических цилиндров 8 одним путем посредством пневматических обратных клапанов 9 соединены с напорной пневмомагистралью 11, а другим - с помощью пневматических обратных клапанов 10 соединены с атмосферой. Пневматический аккумуляторный агрегат 5 включает два и более последовательно включаемых в работу, параллельно соединенных основного 12 и дополнительного 13 ресиверов, которые подсоединены к напорной пневмомагистрали 11 посредством параллельно соединенных регулируемых редукционных пневматических 14, 16 и обратных пневматических клапанов 15, 17. Перед регулируемым редукционным пневматическим клапаном 16 и обратным пневматическим клапаном 17 дополнительного ресивера 13 установлен регулируемый редукционный пневматический клапан 18, а параллельно ему обратный пневматический клапан 19. Кроме этого пневматический аккумуляторный агрегат 5 включает пневматический двухпозиционный распределитель 20, подсоединенный входным портом к напорной пневмомагистрали 11 между выходами обратных пневматических клапанов 9 и входами регулируемого редукционного пневматического клапана 14 и обратного пневматического клапана 19, и входами обратного пневматического клапана 15 и регулируемого редукционного пневматического клапана 18. Параллельно пневматическому двухпозиционному распределителю 20 подсоединен регулируемый редукционный пневматический клапан 24, выход которого соединен с помощью пневматической линией управления 25 с портами управления и выхода пневматического двухпозиционного распределителя 20. Для защиты пневматического аккумуляторного агрегата 5 от перегрузок предусмотрен пневматический предохранительный клапан 26, установленный в напорной пневмомагистрали 11 перед выходами регулируемого редукционного пневматического клапана 14 и обратного пневматического клапана 19, и входами обратного пневматического клапана 15 и регулируемого редукционного пневматического клапана 18. Гидравлический насосный агрегат 6 включает в себя дополнительный гидронасос 27, вал которого соединен с валом пневматического двигателя 23, гидравлический насос 28, гидравлический двухпозиционный распределитель 29 с гидравлической линией управления 30, пневмогидравлический аккумулятор 31, нерегулируемый гидравлический редукционный 32 и предохранительные гидравлические 33 и 34 клапаны, обратные гидравлические клапаны 35 и 36, фильтры 37 и 38, напорную гидромагистраль 39, сливные гидролинии 40 и 41, гидробак 42.
Работа устройства для аккумулирования сжатого воздуха заключается в следующем.
При работе, например, гидрофицированных манипулятора, подъемного крана или экскаватора, их стрелы совершают с помощью гидроцилиндров повороты в вертикальной плоскости относительно опорной поверхности. При этом потенциальная энергия положения стрелы с грузом или без него полезно используется при их опускании с помощью механизмов рекуперации 1, 2 и пневматического аккумуляторного агрегата 5. Поворот стрелы из верхнего положения в нижнее осуществляется путем перевода гидрораспределителя управления 3 в одно из возможных положений - «принудительное опускание» и «плавающее». В результате этого срабатывает установленный на стреле механизм рекуперации энергии 1, в котором соединенные между собой штоки гидравлического цилиндра 7 и пневматического цилиндра 8 одновременно втягиваются в цилиндры. Находящийся в пневматическом цилиндре 8 воздух сжимается и через обратный пневматический клапан 9 вытесняется в напорную пневмомагистраль 11, а из нее через обратный пневматический клапан 15 закачивается в основной ресивер 12. При последующем принудительном подъеме стрелы вверх с помощью гидравлического цилиндра 7 воздух из атмосферы вследствие образующегося разряжения поступает в пневматический цилиндр 8 через обратный пневматический клапан 10. Регулируемые редукционные пневматические клапаны 14 и 24 настроены на одинаковую величину срабатывания и выполняют при зарядке ресиверов следующие функции. Регулируемый редукционный пневматический клапан 14 обеспечивает зарядку основного ресивера 12 до установленного максимального значения давления в последнем. Регулируемый редукционный пневматический клапан 24 в период зарядки основного ресивера 12 осуществляет блокирование поступления сжатого воздуха в пневматический двигатель 23 через пневматический двухпозиционный распределитель 20, регулируемый редукционный пневматический клапан 21 и напорную пневмолинию 22. Для предотвращения преждевременного поступления сжатого воздуха в дополнительный ресивер 13 в напорной пневмомагистрали 11, между основным 12 и дополнительным 13 ресиверами, установлены регулируемый редукционный пневматический 18 и параллельно ему обратный пневматический 19 клапаны. При этом максимальная величина давления срабатывания регулируемого редукционного пневматического клапана 18 установлена на большее значение, чем такие значения у регулируемых редукционных пневматических клапанов 14 и 24.
В зависимости от интенсивности работы механизмов рекуперации энергии 1 и 2, возможны следующие два случая функционирования предлагаемого устройства для аккумулирования сжатого воздуха. Первый из них может возникнуть при относительно невысокой интенсивности работы механизмов рекуперации и, следовательно, ограниченной подачи сжатого воздуха из напорной пневмомагистрали 11 в основной ресивер 12. Создающегося давления и объемов сжатого воздуха может оказаться недостаточно для непосредственной подачи их малыми порциями с целью одновременной зарядки основного ресивера 12 и устойчивой работы пневматического двигателя 23. В этом случае пневматический аккумуляторный агрегат 5 автоматически обеспечивает включение пневматического двигателя 23 в работу лишь после полной зарядки основного ресивера 12 и его последующей разрядки до установленного минимального значения давления. Это достигается следующим образом. При достижении установленного максимального давления в напорной пневмомагистрали 11 срабатывает регулируемый редукционный пневматический клапан 24, с выходным портом которого соединена пневматическая линия управления 25, выполняющая роль управляющего элемента в пневматическом двухпозиционном распределителе 20. Сжатый воздух воздействует на золотник пневматического двухпозиционного гидрораспределителя 20 и открывает его, чем обеспечивается подача сжатого воздуха к регулируемому редукционному пневматическому клапану 21. При этом величина давления сжатого воздуха на выходе регулируемого редукционного пневматического клапана 21 предусмотрительно установлена такой, чтобы она обеспечивала устойчивую работу пневматического двигателя 23. После включения в работу пневматического двухпозиционного распределителя 20 и снижения давления в напорной пневмомагистрали 11 регулируемый редукционный пневматический клапан 24 закрывается. Несмотря на это пневматический двухпозиционный распределитель 20 остается во включенном состоянии, так как пневматическая линия управления 25 соединена также с выходом пневматического двухпозиционного распределителя 20, находящемся теперь уже под давлением. Соединенные валами с пневматическим двигателем 23 дополнительный гидравлический насос 27 совместно с нерегулируемым гидравлическим редукционным клапаном 32 предусмотрительно создают давление рабочей жидкости более высокое по величине, чем номинальное давление, создаваемое гидравлическим насосом 28. Вследствие этого, благодаря давлению рабочей жидкости в гидравлической линии управления 30, гидравлический двухпозиционный распределитель 29 переключается в положение, обеспечивающее полную разгрузку гидравлического насоса 28 путем сброса подаваемой им рабочей жидкости в гидробак 42. Так как давление рабочей жидкости на выходе нерегулируемого гидравлического редукционного клапана 32 выше давления, создаваемого гидравлическим насосом 28, то обратный гидравлический клапан 36 становится закрытым и рабочая жидкость от дополнительного гидравлического насоса 27 поступает непосредственно в напорную гидромагистраль 39. Работа устройства для аккумулирования сжатого воздуха осуществляется в этот период лишь за счет рекуперации энергии, запасенной в пневматическом аккумуляторном агрегате 5, независимо от гидравлического насосного агрегата 6. При этом в процессе поступления сжатого воздуха из основного ресивера 12 в напорную пневмомагистраль 11 в нее также продолжает поступать сжатый воздух от механизмов рекуперации энергии 1 и 2. При снижении давления в ресивере 12 до минимально установленного регулируемым редукционным пневматическим клапаном 14 величины и отсутствия или недостаточного количества сжатого воздуха, поступающего в напорную пневмомагистраль 11 от механизмов рекуперации энергии 1 и 2, золотник пневматического двухпозиционного распределителя 20 под воздействием возвратной пружины автоматически возвращается в исходное состояние. При этом пневматический двухпозиционный распределитель 20 отсоединяет от напорной пневмомагистрали 11 напорную пневмолинию 22 и пневматический двигатель 23, что приводит к прекращению работы последнего, а также дополнительного гидравлического насоса 27. Так как теперь давление рабочей жидкости отсутствует в гидравлической линии управления 30, то под действием возвратной пружины золотник гидравлического двухпозиционного распределителя 29 автоматически возвращается в исходное положение и тем самым включает в работу гидравлический насос 28. Таким образом, устройство для аккумулирования сжатого воздуха вернулось в исходное состояние и далее цикл зарядки основного ресивера 12 повторяется в аналогичном порядке.
Второй возможный случай работы предлагаемого устройства для аккумулирования сжатого воздуха заключается в следующем. При интенсивной работе механизмов рекуперации энергии 1 и 2 производимого ими сжатого воздуха достаточно уже не только для зарядки основного ресивера 12 и поддержания необходимого давления в напорной пневмомагистрали 11, но и для зарядки дополнительного ресивера 13. Аналогично предыдущему случаю, зарядка дополнительного ресивера 13 осуществляется через регулируемый редукционный пневматический клапан 16, а разрядка - через обратный пневматический клапан 17 и промежуточный обратный пневматический клапан 19. При этом зарядка дополнительного ресивера 13 становится возможной лишь при превышении величины давления сжатого воздуха в напорной пневмомагистрали 11 величины давления срабатывания у регулируемого редукционного пневматического клапана 18, установленного перед дополнительным ресивером 13. Причем величина давления срабатывания регулируемого редукционного пневматического клапана 18 также предусмотрительно установлена на немного большую величину срабатывания регулируемых редукционных пневматических клапанов 14, 16 и 24. При полностью заряженных основном 12 и дополнительном 13 ресиверах сжатый воздух поступает одновременно из них обоих в напорную пневмомагистраль 11, причем из основного ресивера 12 через регулируемый редукционный пневматический клапан 14 непосредственно, а из дополнительного ресивера 13 через регулируемый редукционный пневматический клапан 16 посредством обратного пневматического клапана 19. В остальном работа устройства для аккумулирования сжатого воздуха аналогична работе рассмотренному выше первому случаю работы механизмов рекуперации энергии 1 и 2. Аналогично подключенному дополнительному ресиверу 13, при необходимости, могут устанавливаться еще дополнительные ресиверы.
С целью достижения устойчивой работы пневматического аккумуляторного агрегата 5 необходимо обеспечить следующие рабочие параметры регулируемых редукционных пневматических клапанов устройства для аккумулирования сжатого воздуха. Относительно максимального значения давления сжатого воздуха в напорной пневмомагистрали 11 максимальная величина давления срабатывания регулируемых редукционных пневматических клапанов должна быть: установленного между основным 12 и дополнительным 13 ресиверами регулируемого редукционного пневматического клапана 18 - меньше на величину в пределах от 5 до 8%, установленных в основном 12 и дополнительном 13 ресиверах регулируемых редукционных пневматических клапанов 14, 16 и в параллельно пневматическому двухпозиционному распределителю регулируемом редукционном пневматическом клапане 24 - меньше в пределах от 10 до 15%, в регулируемом редукционном пневматическом клапане 21, присоединенному к выходному порту пневматического двухпозиционного распределителя 20 - соответствовать номинальному значению давления используемого пневматического двигателя 23, в нерегулируемом гидравлическом редукционном клапане 32, подсоединенном к выходному порту дополнительного гидронасоса 27 - больше в пределах от 5 до 8% относительно максимального значения давления рабочей жидкости в напорной гидромагистрали 39.
Неизбежные негативные последствия тепло-массообменных процессов, характерные при работе пневмосистем частично устраняются в предлагаемом устройстве для аккумулирования сжатого воздуха следующим образом. Наружные поверхности пневматических цилиндров 8, основного 12 и дополнительного 13 ресиверов и пневмотрубопроводов напорной пневмомагистрали 11 покрыты теплоизолирующим материалом, а основной 12 и дополнительный 13 ресиверы снабжены теплонагревательными элементами, обеспечивающими поддержание рабочей температуры сжатого воздуха в основном и дополнительном ресиверах в пределах от 120 до 180°С.
Для защиты от перегрузок устройства для аккумулирования сжатого воздуха в напорной пневмомагистрали 11 перед первым основным ресивером 12 установлен пневматический предохранительный клапан 26, а в напорной гидромагистрали 39 параллельно дополнительному гидравлическому насосу 27 - гидравлический предохранительный клапан 33. При этом давление срабатывания обоих клапанов должно быть больше на величину в пределах от 10 до 15% от максимальных значений давлений, соответственно в напорной пневмомагистрали 11 и напорной гидромагистрали 39.
Кроме этого, для защиты гидравлического насосного агрегата 6 от резких перепадов давления рабочей жидкости, неизбежных при переходных процессах функционирования его элементов, а также для компенсации потерь рабочей жидкости от естественных утечек, в напорной гидромагистрали 39, предусмотрен пневмогидравлический аккумулятор 31. При этом для устойчивой и надежной работы гидравлического насосного агрегата 6 величина номинального давления у пневмогидравлического аккумулятора 31 должна быть меньше в пределах от 15 до 20% от величины максимального давления в напорной гидромагистрали 39, а его номинальная вместимость должна быть не менее 10% от суммарной вместимости гидравлических цилиндров 7 механизмов рекуперации 1 и 2.
Таким образом, предлагаемое устройство для аккумулирования сжатого воздуха позволяет повысить эффективность гидроприводов машин и оборудования за счет получения следующих преимуществ. Неограниченный объем рабочего тела - сжатого воздуха при аккумулировании путем независимой, автоматической зарядки двух и более ресиверов до заданных значений давления. Независимое аккумулирование сжатого воздуха до рабочего давления в основном ресивере и его использование в текущем масштабе времени позволяет, не дожидаясь полной зарядки дополнительных ресиверов, одновременно использовать также сжатый воздух, производимый рекуперируемыми механизмами. Обеспечивает снижение мощности и затрат энергии приводного двигателя насоса гидравлического насосного узла, благодаря периодической работе дополнительного гидравлического насоса пневматического аккумуляторного агрегата. Причем даже при принудительном опускании стрелы происходит частичная рекуперация энергии за счет возврата производимой механизмами рекуперации потенциальной энергии положения стрелы с грузом или без него. За счет демпфирующих свойств сжатого воздуха в пневмоцилиндрах механизмов рекуперации энергии снижаются нагрузки, как на сами механизмы, так и на пневмо и гидроэлементы, что повышает надежность устройства для аккумулирования сжатого воздуха в целом. Простота конструкции, вследствие отсутствия оригинальных деталей, узлов и комплектующих изделий, позволяет снизить стоимость машин и оборудования за счет использования стандартных и унифицированных пневмо и гидроэлементов, а также повысить надежность пневмо- и гидроприводов, оснащенных предлагаемым устройством для аккумулирования сжатого воздуха.