ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ БЛОК РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ
HYDRAULIC POWER RECUPERATION UNIT

Изобретение относится к области объемного гидравлического привода, а именно: к гидравлическим устройствам рекуперации энергии посредством гидравлических аккумуляторов, - и может быть использовано при создании и модернизации гидроприводов, работающих с нагрузкой (силой для гидроприводов поступательного движения или вращающим моментом для гидроприводов вращательного и поворотного движения), действующей на определенной части рабочего цикла на их выходное звено (шток или плунжер для гидроцилиндров, вал для гидромоторов и поворотных гидродвигателей) в направлении движения указанного выходного звена (т. е. периодически работающих с попутной нагрузкой). В таких условиях работают, например, гидроприводы: машин и механизмов, эксплуатация которых сопровождается частыми торможениями выходного звена гидродвигателя, грузоподъемных машин и механизмов, стендов для проведения натурных испытаний труб на долговечность внутренним давлением и поперечными силами, создающими изгибающий момент, и т.п.
Известен гидравлический блок рекуперации энергии, состоящий из насоса, всасывающий канал которого соединен с гидробаком, а вал соединен с валом приводящего двигателя, гидравлического аккумулятора и системы гидрораспределителей и обратных клапанов для обеспечения соединений жидкостной полости гидравлического аккумулятора с возвратной гидролинией, гидробаком и всасывающей гидролинией насоса [1]. При этом жидкостная полость гидравлического аккумулятора соединена с возвратной гидролинией посредством обратного клапана.
Здесь и далее возвратной гидролинией называется гидролиния, по которой происходит поступление жидкости в блок из гидродвигателя (гидропривода, в составе которого используется блок рекуперации энергии). В случае соединения указанной гидролинии с гидробаком возвратная гидролиния фактически является сливной гидролинией.
В соответствии с конструкцией известного блока рабочая жидкость, вытесняемая под действием внешней попутной нагрузки из гидродвигателя по возвратной гидролинии, а также жидкость под давлением из гидроаккумулятора при работе блока в режиме рекуперации поступает через соответствующее распределительное устройство на вход насоса, вследствие чего последний фактически работает как нереверсивный насос-мотор и должен быть таковым по своему исполнению.
В том случае, когда давление на выходе насоса-мотора меньше, чем давление на его входе, насос-мотор фактически раскручивает ротор приводящего двигателя и при использования электродвигателя в качестве последнего заставляет его работать в режиме генератора. Однако, для того, чтобы вырабатываемая при этом электроэнергия вернулась в электрическую сеть, от которой питается электродвигатель, необходимо соответствующее дополнительное электрическое оборудование. В противном случае эта электроэнергия может привести к нарушению работы электрической сети и, в лучшем случае, преобразуется в тепловую энергию и, соответственно, теряется.
Помимо вышеуказанного обстоятельства известный блок рекуперации не позволяет использовать работу, совершаемую попутной нагрузкой, для увеличения энергии, запасенной в аккумуляторе, когда давление (в общем случае переменное) жидкости, вытесняемой под действием внешней попутной нагрузки из гидродвигателя (давление жидкости в возвратной гидролинии), меньше давления в жидкостной полости аккумулятора, что также является недостатком рассматриваемого блока.
Еще одним недостатком известного блока рекуперации является то, что он не позволяет регулировать расход рабочей жидкости как на этапе работы гидропривода со встречной нагрузкой, так и на этапе его работы с попутной нагрузкой.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является принятый в качестве прототипа гидравлический блок рекуперации энергии, содержащий контроллер для обработки сигналов датчиков давления и управления гидроаппаратами с электромагнитами, насос, всасывающий канал которого соединен с гидробаком, а вал соединен с валом приводящего электродвигателя, напорную гидролинию насоса, в которой установлены предохранительный и обратный клапаны, соединенную с напорной гидролинией блока, гидравлический аккумулятор, жидкостная полость которого соединена с первым каналом первого двухпозиционного гидрораспределителя, второй канал которого соединен с напорной гидролинией насоса со стороны пружинной полости обратного клапана, и с первым каналом второго гидрораспределителя, второй канал которого соединен с первым каналом третьего гидрораспределителя, второй канал которого в свою очередь соединен с возвратной гидролинией [2].
Поскольку жидкостная полость гидравлического аккумулятора соединена с напорной гидролинией насоса и с возвратной гидролинией посредством гидрораспределителей, то: а) при давлении (в общем случае переменном) жидкости, вытесняемой под действием внешней попутной нагрузки из гидродвигателя (при давлении жидкости в возвратной гидролинии), меньшем давления в жидкостной полости аккумулятора, работа, совершаемая попутной нагрузкой, не может использоваться для увеличения энергии, запасенной в аккумуляторе; б) при давлении в жидкостной полости аккумулятора, меньшем давления, необходимого для преодоления встречной нагрузки на выходном звене гидродвигателя (гидропривода, в составе которого используется блок рекуперации энергии), энергия, запасенная в аккумуляторе, не может использоваться для выполнения полезной работы по преодолению внешней нагрузки. Таким образом, известный блок рекуперации обладает ограниченными функциональными возможностями как с точки зрения аккумулирования энергии попутной нагрузки, так и с точки зрения использования запасенной в гидравлическом аккумуляторе энергии, что является его существенным недостатком.
Кроме того, известный блок рекуперации не позволяет регулировать расход рабочей жидкости как на этапе работы гидропривода со встречной нагрузкой, так и на этапе его работы с попутной нагрузкой, что также является его недостатком.
Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение энергетической эффективности гидравлического блока рекуперации энергии путем расширения функциональных возможностей блока в части аккумулирования энергии (за счет работы внешней попутной нагрузки) и ее использования для совершения полезной работы при одновременном обеспечении регулирования расхода рабочей жидкости.
Для решения поставленной задачи в известном гидравлическом блоке рекуперации энергии, содержащем контроллер для обработки сигналов датчиков давления и управления гидроаппаратами с электромагнитами, насос, всасывающий канал которого соединен с гидробаком, а вал соединен с валом приводящего электродвигателя, напорную гидролинию насоса, в которой установлены предохранительный и обратный клапаны, соединенную с напорной гидролинией блока, гидравлический аккумулятор, жидкостная полость которого соединена с первым каналом первого двухпозиционного гидрораспределителя, второй канал которого соединен с напорной гидролинией насоса со стороны пружинной полости обратного клапана, и с первым каналом второго гидрораспределителя, второй канал которого соединен с первым каналом третьего гидрораспределителя, второй канал которого в свою очередь соединен с возвратной гидролинией, согласно изобретению насос выполнен регулируемым с пропорциональным электрическим управлением, блок оснащен регулируемым гидромотором с пропорциональным электрическим управлением, вал которого соединен с валом приводящего электродвигателя, и снабжен датчиком угловой скорости вращения вала электродвигателя, выход которого соединен с соответствующим входом контроллера, соответствующие выходы которого соединены с электрическими узлами управления насоса и гидромотора, входной канал гидромотора соединен с первым каналом третьего гидрораспределителя, четвертый канал которого соединен с гидробаком, выходной канал гидромотора соединен посредством первого крана с третьим каналом первого гидрораспределителя, четвертый канал которого соединен с напорной гидролинией блока, посредством второго крана с третьим каналом третьего гидрораспределителя, и посредством параллельно соединенных подпиточного и подпорного обратных клапанов и третьего крана с гидробаком, первый и третий гидрораспределители выполнены четырехлинейными, а второй гидрораспределитель двухлинейным двухпозиционным, в исходной первой рабочей позиции первого гидрораспределителя его первый и третий каналы перекрыты, а второй и четвертый каналы соединены между собой, во второй рабочей позиции первый канал соединен со вторым, а третий канал соединен с четвертым, третий гидрораспределитель выполнен трехпозиционным.
В частных случаях исполнения гидравлический блок рекуперации энергии имеет следующие отличительные признаки.
Согласно изобретению в исходной нейтральной позиции третьего гидрораспределителя все его четыре канала соединены между собой, в первой рабочей позиции первый канал соединен со вторым, а третий и четвертый канала перекрыты, во второй рабочей позиции первый канал перекрыт, а второй, третий и четвертый каналы соединены между собой.
Согласно изобретению возвратная гидролиния соединена с напорной гидролинией блока, в исходной нейтральной позиции третьего гидрораспределителя первый канал гидрораспределителя соединен с его четвертым каналом, а второй и третий каналы перекрыты, в первой рабочей позиции первый и второй каналы соединены между собой, а третий и четвертый каналы перекрыты, во второй рабочей позиции все четыре канала перекрыты.
Совокупность признаков, состоящая в том, что: насос выполнен регулируемым с пропорциональным электрическим управлением, блок оснащен регулируемым гидромотором с пропорциональным электрическим управлением, вал которого соединен с валом приводящего электродвигателя, и снабжен датчиком угловой скорости вращения вала электродвигателя, выход которого соединен с соответствующим входом контроллера, соответствующие выходы которого соединены с электрическими узлами управления насоса и гидромотора, входной канал гидромотора соединен с первым каналом третьего гидрораспределителя, четвертый канал которого соединен с гидробаком, выходной канал гидромотора соединен посредством первого крана с третьим каналом первого гидрораспределителя, четвертый канал которого соединен с напорной гидролинией блока, посредством второго крана с третьим каналом третьего гидрораспределителя, и посредством параллельно соединенных подпиточного и подпорного обратных клапанов и третьего крана с гидробаком, первый и третий гидрораспределители выполнены четырехлинейными, а второй гидрораспределитель двухлинейным двухпозиционным, в исходной первой рабочей позиции первого гидрораспределителя его первый и третий каналы перекрыты, а второй и четвертый каналы соединены между собой, во второй рабочей позиции первый канал соединен со вторым, а третий канал соединен с четвертым, третий гидрораспределитель выполнен трехпозиционным, - обеспечивает повышение энергетической эффективности гидравлического блока рекуперации энергии путем расширения функциональных возможностей блока в части аккумулирования энергии (за счет работы внешней попутной нагрузки) и ее использования для совершения полезной работы при одновременном обеспечении регулирования расхода рабочей жидкости.
Исполнение третьего гидрораспределителя, при котором в его исходной нейтральной позиции все четыре канала гидрораспределителя соединены между собой, в первой рабочей позиции первый канал соединен со вторым, а третий и четвертый канала перекрыты, во второй рабочей позиции первый канал перекрыт, а второй, третий и четвертый каналы соединены между собой, является универсальным и позволяет использовать блок рекуперации в гидроприводах с гидродвигателями как двухстороннего, так и одностороннего действия.
Соединение возвратной гидролиния с напорной гидролинией блока, и исполнение третьего гидрораспределителя, при котором в его исходной нейтральной позиции первый канал гидрораспределителя соединен с его четвертым каналом, а второй и третий каналы перекрыты, в первой рабочей позиции первый и второй каналы соединены между собой, а третий и четвертый каналы перекрыты, во второй рабочей позиции все четыре канала перекрыты, является предпочтительным (с точки зрения упрощения конструкции гидропривода и минимизации гидравлических потерь энергии) при использовании блока рекуперации в гидроприводах с гидродвигателем (или группой параллельно включенных гидродвигателей) одностороннего действия.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - принципиальная гидравлическая схема гидравлического блока рекуперации энергии в составе гидропривода с гидродвигателем (гидроцилиндром) двухстороннего действия; на фиг. 2 - принципиальная гидравлическая схема гидравлического блока рекуперации энергии в составе гидропривода с гидродвигателем (плунжерным гидроцилиндром) одностороннего действия (вариант 1); на фиг. 3 - принципиальная гидравлическая схема гидравлического блока рекуперации энергии в составе гидропривода с гидродвигателем (плунжерным гидроцилиндром) одностороннего действия (вариант 2).
Гидравлический блок 1 рекуперации энергии включает в свой состав регулируемый насос 2 с пропорциональным электрическим управлением и регулируемый гидромотор 3 с пропорциональным электрическим управлением, валы которых соединены с валом приводящего электродвигателя 4, датчик 5 угловой скорости вращения вала электродвигателя 4, гидравлический аккумулятор 6, первый четырехлинейный двухпозиционный гидрораспределитель 7, второй двухлинейный двухпозиционный гидрораспределитель 8 и третий четырехлинейный трехпозиционный гидрораспределитель 9.
Жидкостная полость гидравлического аккумулятора 6 (на фиг. 1, 2, 3 аккумулятор 6 условно изображен как пневмогидравлический) соединена с первым каналом гидрораспределителя 7 и с первым каналом гидрораспределителя 8. Для контроля давления в жидкостной полости аккумулятора 6 к ней подсоединен датчик давления 10.
Всасывающий канал насоса 2 соединен с гидробаком 11, а напорный канал насоса посредством напорной гидролинии 12, в которой установлен обратный клапан 13, соединен со вторым каналом гидрораспределителя 7.
Входной канал гидромотора 3 соединен с первым каналом гидрораспределителя 9 и вторым каналом гидрораспределителя 8, а выходной канал гидромотора соединен: посредством первого крана 14 с третьим каналом гидрораспределителя 7, посредством второго крана 15 с третьим каналом гидрораспределителя 9 и посредством параллельно соединенных подпиточного 16 и подпорного 17 обратных клапанов и третьего крана 18 с гидробаком 11.
Четвертый канал гидрораспределителя 7 соединен с напорной гидролинией 19 блока 1.
Второй канал гидрораспределителя 9 соединен с возвратной гидролинией 20, а его четвертый канал - с гидробаком 11.
К выходному каналу насоса 2 своим напорным каналом присоединен предохранительный клапан 21 с электромагнитным управлением, сливной канал которого соединен с гидробаком 11. При обесточенной электромагните пилота управления клапана 21 его проходное сечение открыто.
а
В исходной первой позиции «» гидрораспределителя 7 его первый и третий каналы перекрыты, а второй и четвертый рабочие каналы соединены между собой, во второй рабочей позиции «б» первый канал соединен со вторым, а третий канал соединен с четвертым.
а
В исходной первой позиции «» гидрораспределителя 8 его первый и второй каналы перекрыты, во второй рабочей позиции «б» указанные каналы соединены между собой.
а
В наиболее общем исполнении блока рекуперации 1, которое позволяет использовать его в составе гидроприводов с гидродвигателями как двухстороннего, так и одностороннего действия (см. фиг. 1, 2), в исходной нейтральной позиции «н» гидрораспределителя 9 все его четыре канала соединены между собой, в первой рабочей позиции «» первый канал соединен со вторым, а третий и четвертый канала перекрыты, во второй рабочей позиции «б» первый канал перекрыт, а второй, третий и четвертый каналы соединены между собой.
а
При таком исполнении блока 1 управление гидродвигателем осуществляется посредством четырехлинейного трехпозиционного гидрораспределителя 22, у которого в исходной нейтральной позиции «н» напорный, сливной и оба исполнительных канала перекрыты, в первой рабочей позиции «» первый из исполнительных каналов соединен со сливным каналом, а напорный канал соединен со вторым исполнительным каналом, во второй рабочей позиции «б» соединение каналов выполнено наоборот. При этом напорный канал гидрораспределителя 22 соединен с напорной гидролинией 19 блока 1, а сливной канал указанного гидрораспределителя соединен с возвратной гидролинией 20 блока.
На фиг. 1, 2, 3 гидрораспределители 7, 8, 9, 22 показаны как гидрораспределители с электрическим управлением. В общем случае это могут быть гидрораспределители с электрогидравлическим управлением.
При использовании в гидроприводе гидродвигателя двухстороннего действия каждый из исполнительных каналов гидрораспределителя 22 соединен с соответствующей рабочей полостью гидродвигателя.
На фиг. 1 в качестве примера представлена схема гидропривода, в котором гидродвигателем двухстороннего действия является поршневой гидроцилиндр 23 с односторонним штоком, при этом поршневая полость гидроцилиндра 23 соединена с первым исполнительным каналом гидрораспределителя 22, а штоковая полость - со вторым исполнительным каналом этого гидрораспределителя. Для контроля давления рабочей жидкости в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра 23 (в общем случае в рабочих полостях гидродвигателя) к первому и второму исполнительным каналам гидрораспределителя 22 присоединены датчики давления соответственно 24 и 25.
Датчики давления 10, 24, 25 и датчик 5 угловой скорости подключены к соответствующим входам контроллера 26, соответствующие выходы которого соединены с электрическими узлами управления насоса 2 и гидромотора 3 и электромагнитами гидрораспределителей 7, 8, 9 и 22 и предохранительного клапана 21 (на фиг. 1, 2, 3 соединения контроллера с вышеперечисленными устройствами не показаны). В составе контроллера 26 имеются устройства (например, джойстики) для ввода сигналов управления состоянием (движением) выходного звена гидродвигателя и задания режимов работы блока 1.
При использовании блока 1 в составе гидропривода с гидродвигателем двухстороннего действия проходные сечения кранов 14, 15 открыты, а проходное сечение крана 18 закрыто.
При использовании в гидроприводе гидродвигателя одностороннего действия один из исполнительных каналов гидрораспределителя 22 соединен с рабочей полостью гидродвигателя, а другой исполнительный канал не используется и заглушен.
На фиг. 2 представлена схема гидропривода с плунжерным гидроцилиндром 27, рабочая полость которого соединена с первым исполнительным каналом гидрораспределителя 22, второй исполнительный канал которого не используется и заглушен. При таком исполнении гидропривода, в состав которого входит блок рекуперации 1, проходное сечение крана 15 закрыто, а проходное сечение крана 18 открыто. Проходное сечение крана 14 в данном варианте применения блока 1 может быть как закрыто (такое состояние крана 14 является предпочтительным и показано на фиг. 2), так и открыто.
В исполнении блока рекуперации 1, предназначенного для использования в гидроприводах с гидродвигателем одностороннего действия (см. фиг. 3), в исходной нейтральной позиции гидрораспределителя 9 первый канал гидрораспределителя соединен с его четвертым каналом, а второй и третий каналы перекрыты, в первой рабочей позиции первый и второй каналы соединены между собой, а третий и четвертый каналы перекрыты, во второй рабочей позиции все четыре канала перекрыты (при указанном исполнении блока 1 третий канал гидрораспределителя 9 не используется). При этом напорная 19 и возвратная 20 гидролинии блока 1 соединены между и напрямую соединены с рабочей полостью гидродвигателя одностороннего действия, в качестве которого на фиг. 3 показан плунжерный гидроцилиндр 27, проходные сечения кранов 14 и 15 закрыты, а проходное сечение крана 18 открыто. Такое исполнение блока рекуперации 1 позволяет исключить необходимость в применении для управления гидродвигателем одностороннего действия дополнительного гидрораспределителя и, тем самым, упростить и удешевить конструкцию гидропривода. В данном случае датчик давления 24 присоединен к рабочей полости гидроцилиндра 27.
Далее для определенности будем считать, что выходным звеном гидроцилиндра 23 является его шток, а гидроцилиндра 27 - его плунжер.
Гидропривод с блоком рекуперации 1 и гидроцилиндром двухстороннего действия 23, принципиальная схема которого приведена на фиг. 1, работает следующим образом.
При отсутствии сигналов на изменение положения штока гидроцилиндра 23 электромагниты гидрораспределителей 7, 8, 9 и 22 и предохранительного клапана 21 обесточены, а рабочие объемы насоса 2 и гидромотора 3 в соответствии с сигналами, поступающими на их электрические узлы управления со стороны контроллера 26, равны нулю. При этом гидрораспределители 7, 8, 9 и 22 обеспечивают коммутацию каналов, соответствующую их исходной позиции (показанную на фиг. 1). Проходные сечения кранов 14 и 15 открыты, а проходное сечение крана 18 закрыто. В результате этого, рабочие полости гидроцилиндра 23 являются запертыми, а входной и выходной каналы насоса 2 и гидромотора 3 соединены с гидробаком 11, благодаря чему перепады давления на насосе 2 и гидромоторе 3 равны нулю, и затраты энергии на их привод посредством электродвигателя 4 при прочих равных условиях являются минимально возможными.
Если с помощью контроллера 26 установлен режим автоматической подзарядки гидравлического аккумулятора 6, аккумулятор разряжен, что идентифицируется на основании сигнала датчика давления 10, и отсутствует сигнал на изменение положения (втягивание или выдвижение) штока гидроцилиндра 23, то контроллером 26 формируются соответствующие управляющие электрические сигналы на электромагниты гидрораспределителя 7 и предохранительного клапана 21 и на электрический узел управления насоса 2. В результате, проходное сечение предохранительного клапана 21 закрывается, и напорная гидролиния 12 насоса 2, рабочий объем которого принимает заданное значение, посредством гидрораспределителя 7 соединяется с жидкостной полостью аккумулятора 6. Сигнал на подзарядку аккумулятора 6 от насоса 2 указанным образом может также формироваться обслуживающим персоналом гидропривода в ручном режиме. В любом случае после достижения в жидкостной полости аккумулятора 6 установленного максимального значения давления, что идентифицируется на основании сигнала датчика давления 10, процесс подзарядки аккумулятора 6 автоматически прекращается. Для этого электромагниты распределителя 7 и предохранительного клапана 21 обесточиваются, а насос 2 переводится в состояние с нулевым рабочим объемом.
а
В процессе работы гидропривода на основании сигналов датчиков давления 24 и 25 в контроллере производится вычисление значения силы на штоке гидроцилиндра 23. Если эта сила незначительна по величине или является встречной по отношению к направлению движения штока гидроцилиндра 23, то при подаче сигнала на втягивание или выдвижение штока гидроцилиндра и разряженном гидравлическом аккумуляторе 6 (что идентифицируется на основании сигнала датчика давления 10) контроллером 26 формируются управляющие электрические сигналы на электромагнит предохранительного клапана 21, на соответствующий электромагнит гидрораспределителя 22 и на электрический узел управления насоса 2. В результате, проходное сечение предохранительного клапана 21 закрывается, гидрораспределитель 22 из положения «н» переводится в одну из рабочих позиций: «» (для осуществления втягивания штока) или «б» (для осуществления выдвижения штока), - рабочий объем насоса 2 принимает заданное значение. Рабочая жидкость, подаваемая насосом 2, через обратный клапан 13, гидролинию 12, открытое проходное сечение гидрораспределителя 7, напорную гидролинию 19 и открытое проходное сечение гидрораспределителя 22 поступает в соответствующую (штоковую или поршневую) рабочую полость гидроцилиндра 23, а из противоположной полости (поршневой или штоковой) вытесняется в гидробак 11 через открытое проходное сечение гидрораспределителя 22, возвратную гидролинию 20 и открытое проходное сечение гидрораспределителя 9. Происходит втягивание или выдвижение штока гидроцилиндра 23 под действием рабочей жидкости, подаваемой насосом 2 за счет энергии, подводимой к нему от вала электродвигателя 4.
а
Если же гидравлический аккумулятор 6 заряжен (что идентифицируется на основании сигнала датчика давления 10), то при прочих равных условиях контроллером 26 автоматически дополнительно подаются управляющие электрические сигналы на электрический узел управления гидромотора 3, на электромагнит гидрораспределителя 8 (в результате рабочая позиция «» гидрораспределителя 8 сменяется рабочей позицией «б») и на электромагнит гидрораспределителя 9, обеспечивающий перевод последнего из нейтральной позиции «н» в рабочую позицию «б». При этом через открытое проходное сечение гидрораспределителя 8 рабочая жидкость из жидкостной полости аккумулятора 6 поступает во входной канал гидромотора 3, который посредством гидрораспределителя 9 оказывается изолированный от гидробака 11 в то время, как выходной канал гидромотора 6 посредством гидрораспределителя 9 по-прежнему остается соединенным с гидробаком 11. За счет энергии рабочей жидкости, поступающей из аккумулятора 6 (при любом текущем значении давления жидкости в заряженном аккумуляторе), на валу гидромотора 3 создается вращающий момент, благодаря которому уменьшается вращающий момент, который должен создавать электродвигатель 4 для привода насоса 2, вследствие чего снижается мощность, потребляемая электродвигателем 4 при выполнении соответствующей операции по перемещению штока гидроцилиндра 23 и преодолению внешней нагрузки. В рассматриваемом случае рабочий объем гидромотора 3 автоматически регулируется посредством сигнала, поступающего от контроллера 26 на электрический узел управления гидромотора, таким образом, чтобы угловая скорость вращения вала электродвигателя 4, которая идентифицируется на основании сигнала соответствующего датчика 5, была максимально возможной, но не превышала значение угловой скорости вращения вала электродвигателя на его холостом ходу. При таком управлении максимально снижается энергопотребление гидропривода из электросети, к которой подключен электродвигатель 4, и в то же время исключается возможность работы последнего в режиме генератора.
Изменение рабочего объема насоса 2 производится на основании сигнала, поступающего от контроллера 26 на электрический узел управления насоса, в соответствии с требуемым законом изменения скорости движения штока гидроцилиндра 23 и, соответственно, подачи насоса 2. При известной частоте вращения вала электродвигателя 4 (которая идентифицируется на основании сигнала датчика 5) скорость движения штока гидроцилиндра 23 и требуемый для ее обеспечения рабочий объем насоса 2 взаимосвязаны, и соответствующая зависимость зафиксирована в программе работы контроллера.
а
а
Если сила на штоке гидроцилиндра 23, вычисленная контроллером 26 на основании сигналов датчиков 24, 25, является значимой по величине и является попутной по отношению к направлению движения штока гидроцилиндра 23, то при подаче сигнала на втягивание или выдвижение штока гидроцилиндра контроллером 26 формируются управляющие электрические сигналы на электромагнит предохранительного клапана 21, на соответствующий электромагнит гидрораспределителя 22, на электромагнит гидрораспределителя 7 (в результате рабочая позиция «» гидрораспределителя 7 сменяется рабочей позицией «б»), на электромагнит гидрораспределителя 9, обеспечивающий перевод последнего из нейтральной позиции «н» в рабочую позицию «», и на электрические узлы управления насоса 2 и гидромотора 3.
а
В результате, проходное сечение предохранительного клапана 21 закрывается, гидрораспределитель 22 из положения «н» переводится в одну из рабочих позиций: «» (для осуществления втягивания штока) или «б» (для осуществления выдвижения штока), - посредством гидрораспределителя 7 напорная гидролиния 12 соединяется с жидкостной полостью гидравлического аккумулятора 6, а напорная гидролиния 19 с выходным каналом гидромотора 3, который посредством гидрораспределителя 9 изолируется от гидробака 11, входной канал гидромотора 3 посредством гидрораспределителя 9 соединяется с возвратной гидролинией 20. Рабочая жидкость под действием внешней силы, действующей в направлении движения штока гидроцилиндра 23, вытесняется из соответствующей (поршневой или штоковой) рабочей полости гидроцилиндра во входной канал гидромотора 3 через открытое проходное сечение гидрораспределителя 22, возвратную гидролинию 20 и открытое проходное сечение гидрораспределителя 9, а из выходного канала гидромотора 3 поступает в противоположную (штоковую или поршневую) полость гидроцилиндра 23 через открытые проходные сечения крана 14 и гидрораспределителя 7, напорную гидролинию 19 и открытое проходное сечение гидрораспределителя 22. Рабочая жидкость, подаваемая насосом 2, через обратный клапан 13, гидролинию 12 и открытое проходное сечение гидрораспределителя 7 поступает в жидкостную полость гидравлического аккумулятора 6, обеспечивая его зарядку.
При втягивании штока гидроцилиндра 23 под действием внешней попутной нагрузки излишек жидкости, вытесняемой из поршневой полости гидроцилиндра (по отношению к жидкости, которая может поместиться в штоковую полость гидроцилиндра), с выходного канала гидромотора 3 через подпорный обратный клапан 17 сливается в гидробак 11. При выдвижении штока гидроцилиндра 23 под действием внешней попутной нагрузки недостаток жидкости, вытесняемой из штоковой полости гидроцилиндра (по отношению к жидкости, которая может поместиться в поршневую полость гидроцилиндра), восполняется за счет жидкости, поступающей из гидробака 11 через подпиточный обратный клапан 16.
За счет энергии рабочей жидкости, вытесняемой под действием внешней попутной нагрузки из гидроцилиндра 23, на валу гидромотора 3 создается вращающий момент, благодаря которому уменьшается вращающий момент, который должен создавать электродвигатель 4 для привода насоса 2 в процессе зарядки гидравлического аккумулятора 6. В рассматриваемом случае изменение рабочего объема гидромотора 3 производится на основании сигнала, поступающего от контроллера 26 на электрический узел управления гидромотора, в соответствии с требуемым законом изменения скорости движения штока гидроцилиндра 23 и, соответственно, расхода рабочей жидкости, вытесняемой из гидроцилиндра под действием внешней попутной нагрузки. При известной частоте вращения вала электродвигателя 4 (которая идентифицируется на основании сигнала датчика 5) скорость движения штока гидроцилиндра 23 и требуемый для ее обеспечения рабочий объем гидромотора 3 взаимосвязаны, и соответствующая зависимость зафиксирована в программе работы контроллера.
Рабочий объем насоса 2 автоматически регулируется посредством сигнала, поступающего от контроллера 26 на электрический узел управления насоса, таким образом, чтобы угловая скорость вращения вала электродвигателя 4, которая идентифицируется на основании сигнала соответствующего датчика 5, была максимально возможной, но не превышала значение угловой скорости вращения вала электродвигателя на его холостом ходу. При таком управлении максимально снижается энергопотребление гидропривода из электросети, к которой подключен электродвигатель 4, и в то же время исключается возможность работы последнего в режиме генератора. Причем подзарядка гидравлического аккумулятора 6 за счет энергии попутной нагрузки обеспечивается в широком диапазоне соотношения значений давления в рабочей полости гидроцилиндра 23, из которой рабочая жидкость вытесняется под действием попутной нагрузки, и в жидкостной полости аккумулятора 6 (благодаря соответствующему изменению рабочего объема насоса 2).
Если в процессе движения штока гидроцилиндра 23 под действием внешней попутной нагрузки гидравлический аккумулятор 6 оказывается полностью заряженным, то давление в напорной гидролинии 12 насоса 2 повышается до давления открытия проходного сечения предохранительного клапана 21, и жидкость, подаваемая насосом 2, сливается в гидробак 11 через открывшееся проходное сечение клапана 21. При этом возможность регулирования скорости движения штока гидроцилиндра 23 вышеуказанным образом сохраняется.
При исполнении блока 1 рекуперации энергии в виде, представленном на фиг. 1, он может использоваться в гидроприводах с гидродвигателем одностороннего действия, например, с плунжерным гидроцилиндром 27, как показано на фиг. 2. Поскольку у такого гидродвигателя вторая рабочая полость отсутствует, то один из исполнительных каналов гидрораспределителя 22 не используется и заглушен, а также нет необходимости в подводе жидкости к гидродвигателю при вытеснении жидкости из его единственной рабочей полости, что всегда происходит под действием внешней нагрузки. В связи с этим, при рассматриваемом применении блока рекуперации проходное сечение крана 15 должно быть закрыто, а проходное сечение крана 18 должно быть открыто. Проходное сечение крана 14 в данном варианте применения блока 1 может быть как закрыто (такое состояние крана 14 является предпочтительным и показано на фиг. 2), так и открыто.
При работе гидропривода, выполненного в соответствии со схемой, представленной на фиг. 2, выходной канал гидромотора 3 посредством крана 18 постоянно соединен с гидробаком 11, а обратные клапаны 16 и 17, а также третий канал гидрораспределителя 9 не используются (не участвуют в работе блока 1).
а
Конструкция гидропривода с гидродвигателем одностороннего действия существенно упрощается при использовании в ней гидрораспределителя 9, у которого в исходной нейтральной позиции «н» первый канал соединен с четвертым каналом, а второй и третий каналы перекрыты, в первой рабочей позиции «» первый и второй каналы соединены между собой, а третий и четвертый каналы перекрыты, во второй рабочей позиции «б» все четыре канала перекрыты (см. фиг. 3). В этом случае при закрытых проходных сечениях кранов 14 и 15 и открытом проходном сечении крана 18, при соединении между собой напорной 19 и возвратной 20 гидролиний можно обеспечить управление гидродвигателем одностороннего действия без применения в гидроприводе дополнительного гидрораспределителя, соединив рабочую полость гидродвигателя (плунжерного гидроцилиндра 1 на фиг. 3) непосредственно с любой из гидролиний 19 и 20.
В последнем случае запертое состояние рабочей полости плунжерного гидроцилиндра 1 при отсутствии управляющего сигнала на перемещение его плунжера обеспечивается с помощью обратного клапана 13, крана 14 и гидрораспределителя 9.
Подзарядка гидравлического аккумулятора 6 от насоса 2, выдвижение плунжера гидроцилиндра 27 под воздействием рабочей жидкости, подаваемой насосом за счет энергии электродвигателя 4 и/или энергии, запасенной в аккумуляторе 6, вдвижение плунжера гидроцилиндра 27 под действием внешней силы с использованием работы, совершаемой этой силой, для зарядки аккумулятора 6 осуществляется аналогично тому, как это изложено выше.
а
При малом значении внешней силы, под действием которой происходит вдвижение плунжера гидроцилиндра 27 (что идентифицируется на основании сигнала датчика давления 24, присоединенного к рабочей полости гидроцилиндра 27), при выполнении указанной операции (осуществляемой при переводе гидрораспределителя 7 в рабочую позицию «б», а гидрораспределителя 9 в рабочую позицию «») для снижения энергопотребления управляющий электрический сигнал на электромагнит предохранительного клапана 21 не подается, а рабочий объем насоса 2 поддерживается, равным нулю.
Как следует из вышеизложенного, предлагаемый гидравлический блок рекуперации энергии обеспечивает: подзарядку гидравлического аккумулятора за счет энергии попутной нагрузки, действующей на выходное звено гидродвигателя, в широком диапазоне соотношения значений давления в рабочей полости гидродвигателя, из которой рабочая жидкость вытесняется под действием попутной нагрузки, и в жидкостной полости аккумулятора; возможность использования энергии, запасенной в гидравлическом аккумуляторе, для совершения работы по преодолению встречной нагрузки на выходной звене гидродвигателя при любом текущем значении давления жидкости в аккумуляторе. Благодаря этому повышается энергетическая эффективность (при прочих равных условиях снижается энергопотребление) гидропривода, в составе которого используется блок. Кроме того, при использовании блока обеспечивается возможность регулирования скорости движения выходного звена гидродвигателя при работе гидропривода как со встречной, так и с попутной нагрузкой на выходном звене гидродвигателя.
Литературные источники
1. Блок рекуперации: Патент на полезную модель RU №66365. МПК E02F 9/22. Заявлено 28.05.2007. Опубликовано 10.09.2007.
2. Hydraulic accumulator and method for recovering energy in a hydraulic system (Гидравлический аккумулятор и способ рекуперации энергии в гидравлической системе): Заявка на изобретение WO 2015/036005 А1 (РСТ/ЕР 2013/002779). МПК F15B 1/02, F15B 21/14, В66В 9/04. Заявлено 16.09.2013. Опубликовано 19.03.2015.