能量再生回路在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

能量再生回路在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

差動(dòng)回路corp能量再生電路也被稱為差動(dòng)電路，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工具部門。主要由挖掘機(jī)、測(cè)量機(jī)械等主要元件的控制裝置。差動(dòng)回路可以使單出桿液壓缸的伸出速度加倍,而無(wú)需使用較大的泵。雙出桿液壓缸成本會(huì)超過單出桿的液壓缸,額外的活塞桿密封也增加了成本,且成為另一個(gè)潛在的泄漏源。為了消除這些缺陷,可以使用如圖1所示差動(dòng)回路。差動(dòng)可以使液壓缸伸出和縮回的速度(以及推力)相同,實(shí)現(xiàn)雙出桿液壓缸一樣的功能,并且沒有額外的出桿、密封和泄漏問題。大多數(shù)差動(dòng)回路使用面積比為2∶1的液壓缸。一個(gè)2∶1面積比的液壓缸的活塞桿的面積等于活塞面積一半。在實(shí)際使用中,精確的面積比是2∶1的液壓缸其伸出和縮回的速度和輸出力是相同的(但實(shí)際產(chǎn)品中精確的2:1面積比的液壓缸幾乎沒有,除非特制)。在下述回路中所有液壓缸都假定其有2∶1的面積比。差動(dòng)回路有許多型式。本文將介紹幾種由不同的控制閥構(gòu)成的差動(dòng)控制回路,并敘述其工作原理和使用注意事項(xiàng)。1差動(dòng)回路-電磁鐵2回路圖1全時(shí)差動(dòng)回路可以用于取代使用雙出桿缸的液壓回路,在兩個(gè)運(yùn)行方向產(chǎn)生相同的輸出速度和輸出力。在圖1中一臺(tái)M機(jī)能的3位4通換向閥,與一臺(tái)面積比為2∶1的液壓缸連接組成全時(shí)差動(dòng)回路。在靜止?fàn)顟B(tài),泵通過換向閥中位卸荷到油箱。電磁鐵A1通電,啟動(dòng)差動(dòng)模式。泵輸出流量與液壓缸有桿腔流量相加,使液壓缸伸出速度比傳統(tǒng)油路快兩倍。電磁鐵B1通電使液壓缸縮回。使用中需注意,一個(gè)全時(shí)差動(dòng)回路,在兩個(gè)運(yùn)行方向上方向控制閥都需要處理兩倍的泵的流量。如果只是根據(jù)泵的流量選擇方向閥,過大的流量就會(huì)在方向閥上造成多余的壓力降從而減緩液壓缸的速度,所產(chǎn)生的壓力損失也會(huì)使系統(tǒng)油溫升高,這也是有些差動(dòng)回路由于控制閥尺寸選擇不當(dāng),造成系統(tǒng)過熱的原因。在圖2中,在液壓缸有桿腔和方向閥B油口之間連接了一臺(tái)節(jié)流閥,當(dāng)缸差動(dòng)外伸時(shí),使用此節(jié)流閥可調(diào)節(jié)液壓缸伸出時(shí)的最大速度。如果認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)速度太慢,但雙倍的速度又太快則可用此節(jié)流閥調(diào)節(jié)。這是一個(gè)流量分流的控制回路,通過打開節(jié)流閥泄放一部分流量至油箱,從而降低油缸的速度。2差動(dòng)缸差動(dòng)回路a車圖3所示為一當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力值時(shí)液壓缸輸出全部推力的差動(dòng)回路。當(dāng)液壓缸接觸到工件壓力上升時(shí),打開順序閥A,接通液壓缸有桿腔至油箱油路,消除背壓,移除差動(dòng)模式。因?yàn)轫樞蜷yA有外部先導(dǎo),在壓力建立時(shí)液壓缸無(wú)桿腔的壓力油會(huì)完全打開它。方向閥A1電磁鐵通電液壓缸在差動(dòng)模式下伸出。此時(shí)順序閥A保持關(guān)閉,因?yàn)樗膲毫υO(shè)定高于移動(dòng)差動(dòng)缸的壓力。如何設(shè)定順序閥的壓力很重要,一般設(shè)定方法是:先以一個(gè)高壓設(shè)定值開始,然后隨著液壓缸的伸出慢慢地降低設(shè)定值,直到速度開始降低。當(dāng)速度減慢時(shí),提高設(shè)置值,直到速度是最大,然后在朝壓力增大的方向多調(diào)設(shè)定螺絲半圈鎖定即可。此時(shí)液壓缸差動(dòng)工作,液壓缸會(huì)以兩倍的速度和一半輸出力伸出,直到它遇到阻力。這種回路的缺點(diǎn)是,不能保證壓力建立是來自與工件接觸。任何時(shí)間壓力增加到足夠大,回路都可能會(huì)自動(dòng)使差動(dòng)模式移除,進(jìn)入最大推力輸出。該回路的另一個(gè)不好的一面是液壓缸會(huì)以全速撞擊工件,這可能導(dǎo)致?lián)p壞機(jī)器、模具或零件。為了避免這些問題,可以考慮用在液壓缸接觸工件之前用電控的方法移除差動(dòng)回路。3關(guān)閉差動(dòng)模式如圖4所示,雙點(diǎn)劃線內(nèi)表示的是由2臺(tái)外控式平衡閥和2臺(tái)單向閥組成的差動(dòng)回路。當(dāng)油缸伸出接近負(fù)載期間,無(wú)桿腔液壓油打不開平衡閥1卻能打開平衡閥2,液壓油通過平衡閥2和單向閥3進(jìn)入無(wú)桿腔,差動(dòng)模式起作用,加速油缸運(yùn)行速度。一旦油缸接觸到負(fù)載達(dá)到了由負(fù)載所決定的壓力,為了用最大的推力驅(qū)動(dòng)負(fù)載,此時(shí)單向閥3關(guān)閉,液壓油打開平衡閥1回油箱,差動(dòng)模式將自動(dòng)關(guān)閉。所謂可控就是可以設(shè)定不同的平衡閥的開啟壓力,低壓時(shí)差動(dòng)模式起作用,接近負(fù)載時(shí)高壓打開平衡閥2,自動(dòng)關(guān)閉差動(dòng)模式。此種回路用在拆卸剪切機(jī)的工作油缸控制回路,垃圾壓實(shí)機(jī)的油缸以及用于連接到挖掘機(jī)大臂下的破碎機(jī)油缸的控制回路中。4電磁鐵激勵(lì)差動(dòng)回路圖5所示一個(gè)是可根據(jù)需要改變?yōu)樽畲笸屏敵龅牟顒?dòng)回路。在回路中增加先導(dǎo)式2通電磁閥A和單向閥B,實(shí)現(xiàn)電磁鐵控制最大推力輸出。四通閥電磁鐵A1通電,液壓缸在差動(dòng)模式下伸出。當(dāng)液壓缸接觸到限位開關(guān),2通電磁閥A接通,使油缸的有桿腔與油箱相通,消除了背壓,差動(dòng)模式關(guān)閉。液壓缸速度減半但輸出最大的推力。在周期的這一部分期間,單向閥B阻擋了泵通過二通閥A到油箱的流量。用這種設(shè)計(jì)回路,液壓缸速度在接觸工件之前就被減慢,因?yàn)橄尬婚_關(guān)使差動(dòng)回路關(guān)閉,結(jié)果是減少了系統(tǒng)沖擊并可防止了機(jī)器、工具或部件的損壞。圖6顯示了使用電磁鐵激勵(lì)的另一種方式的差動(dòng)回路。在靜止時(shí),泵通過開心式方向閥和閥A卸荷,這個(gè)回路采用一臺(tái)平衡閥B用以平衡失控的負(fù)載。平衡閥B有一外部泄油口,采用外部泄漏是非常必要的,這是因?yàn)楫?dāng)油缸差動(dòng)工作時(shí)從平衡閥輸出的流量會(huì)引起壓力降。在此回路中來自于差動(dòng)回路的背壓將阻止內(nèi)部泄油的平衡閥打開,由于平衡閥關(guān)閉,液壓缸將不會(huì)伸出。應(yīng)注意用于此回路中的四通換向閥的回油腔能夠經(jīng)受工作時(shí)所產(chǎn)生的背壓。5壓力閥的控制在大流量的大型油缸系統(tǒng)中需要大通徑、昂貴的方向閥去處理差動(dòng)回路的雙倍流量。此外,當(dāng)差動(dòng)回路的油缸與方向控制閥有一定的距離時(shí),較高的差動(dòng)流量還會(huì)引起較大的壓力降。圖7中的回路使用一個(gè)靠近液壓缸的壓力控制閥處理差動(dòng)流量,因此方向控制閥僅需處理泵的流量。該回路當(dāng)油缸接觸到負(fù)載壓力增大后,閥B在低壓下打開建立有桿腔油到無(wú)桿腔的通道,關(guān)閉差動(dòng)。其工作類似于順序閥,所以使用了外部泄漏通道。在該回路中,外部泄油通過有桿腔管道泄到油箱。當(dāng)液壓缸縮回時(shí)外部泄漏油路可以阻止順序閥打開。閥C是一臺(tái)平衡閥(閥C的設(shè)定壓力足夠高以確保液壓缸能實(shí)現(xiàn)差動(dòng))。當(dāng)液壓缸縮回時(shí)壓力閥A使無(wú)桿腔的一部分流量流回油箱。在液壓缸回程時(shí)阻止了部分較大的返回流量流經(jīng)四通閥以降低背壓。應(yīng)設(shè)置順序閥B的壓力盡可能低,以盡量減少背壓。設(shè)置平衡閥C的壓力足夠高,以確保液壓缸差動(dòng),當(dāng)液壓缸遇到阻力時(shí)其值還應(yīng)低到足以輕易打開它。圖7給出了4臺(tái)壓力閥設(shè)定值的實(shí)例。當(dāng)液壓缸伸出時(shí)閥A保持關(guān)閉,因?yàn)樗南葘?dǎo)供油來自在平衡閥C后面的有桿腔油路。6插裝閥通流回路對(duì)于流量超過200~400L/min的差動(dòng)回路,應(yīng)選擇插裝閥。四臺(tái)插裝閥的組合可用于控制雙作用液壓缸。差動(dòng)回路中使用插裝閥的主要優(yōu)勢(shì)是可以處理較大的流量。另一個(gè)原因是,在差動(dòng)期間和液壓缸縮回期間僅在一些確定的流道里,尺寸較大的插裝閥處理雙倍的流量。參見圖1,假如用一臺(tái)流量500L/min的泵驅(qū)動(dòng)一臺(tái)2∶1面積比的液壓缸做周期運(yùn)動(dòng),泵輸出的流量是500L/min,液壓缸伸出時(shí)有桿腔的流量也是500L/min,那么差動(dòng)工作時(shí)和油缸回縮時(shí)通過換向閥的流量就是1000L/min。若采用傳統(tǒng)的四通滑閥,500L/min的泵回路則需要一個(gè)1000L/min的閥門。這個(gè)規(guī)格的方向閥是非常昂貴、笨重,通徑較大,除了差動(dòng)和縮回周期的一部分。其他時(shí)刻尺寸都是過大的。在圖8的回路中,則可選擇不同通徑的插裝閥來處理不同的流量,比如確定插裝閥CV1規(guī)格能夠通流250L/min,插裝閥CV2通流500L/min,插裝閥CV3,CV4通流1000L/min。較小的插裝閥更便宜,占用的空間較小,而規(guī)格大的插裝閥可在較小的壓降下通過較大的流量。先導(dǎo)壓力通過兩臺(tái)方向閥控制保持所有插裝閥關(guān)閉。一個(gè)差動(dòng)回路需要兩臺(tái)先導(dǎo)閥用限位開關(guān)控制,可以使回路由差動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成輸出最大推力狀態(tài)。當(dāng)采用插裝閥處理較大流量時(shí)成本通常較低,并且具有很小的壓力損失。7液壓缸控制的影響如圖9所示,回路中的閥1和閥2提供了雙平衡的功能,其與差動(dòng)模式相結(jié)合,可用于油缸較快速地伸出。在油缸的伸出期間,差動(dòng)功能總是有效的,油缸有桿腔的油液不是無(wú)壓地直接流回油箱,而總是通過差動(dòng)旁路通道(通過閥2和閥3)進(jìn)入到管道供給無(wú)桿腔一側(cè)。典型的應(yīng)用主要用于輪式起重機(jī)的伸縮臂,在這種場(chǎng)合下差動(dòng)模式可以減少工作周期,而且不會(huì)減少機(jī)器的負(fù)載提升能力。通常這種情況負(fù)載起“拉”的作用,而不是靠液壓缸“推”。參見圖9,油缸伸出時(shí),有桿腔的油液初始時(shí)被閥2和閥4鎖定,僅當(dāng)管道V2-C2的壓力p先導(dǎo)打開閥2,閥2提供了平衡和運(yùn)動(dòng)控制功能作用在油缸的有桿側(cè),因?yàn)楫?dāng)V2-C2的先導(dǎo)壓力減少時(shí)它可以關(guān)閉,甚至鎖定。由于液壓缸的伸出控制全部由平衡閥2來完成,故平衡閥2的液壓先導(dǎo)壓力保持平滑和穩(wěn)定應(yīng)該是非常重要的。同樣一旦閥2突然打開,差動(dòng)模式被激活,這將可能引起在主管道線V2-C2上壓力峰值和壓力不穩(wěn)定。最危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)控制模式是油缸活塞桿伸出使“負(fù)載下降”這種情況,如圖9所示,因此通常在先導(dǎo)油路上有必要安裝阻尼器和穩(wěn)定裝置。液壓缸靠施加液壓油到管道V1-C1回縮,通過單向閥4,并先導(dǎo)打開平衡閥1。注意到閥2的特殊液壓回路圖,在油缸回縮時(shí)其被來自于V1的壓力加壓關(guān)閉(V1的壓力施加到了閥2的彈簧腔),這可防止由于壓力峰值使閥2偶然打開,壓力峰值將使V1處的油液通過現(xiàn)在起回油管路作用的V2管道,這樣將會(huì)減少油缸的縮回速度。8壓力p的情況圖10中所示的閥擁有雙平衡的功能,在兩個(gè)方向上具有流量控制和低壓差動(dòng)模式,可用于油缸快速伸出,與圖9相比,圖10所示回路則提供了自動(dòng)或通過操作者控制關(guān)閉差動(dòng)模式的選擇。其主要用于輪式起重機(jī)或者伸縮臂叉車,起重機(jī)的吊鉤升降控制等。參見圖10,液壓缸有桿腔初始時(shí)被閥1-閥5鎖定,僅當(dāng)壓力p(在V2-C2管道中)先導(dǎo)打開或者閥1或者閥2時(shí)油缸活塞桿才伸出。初始時(shí),壓力p先導(dǎo)打開閥2,這是因?yàn)殚y2的壓力設(shè)定值低于閥1。液壓缸活塞桿以差動(dòng)模式快速伸出,在這個(gè)階段,當(dāng)先導(dǎo)壓力在管道V2-C2壓力減少時(shí),它可能會(huì)關(guān)閉,甚至鎖住,閥2提供了平衡/運(yùn)動(dòng)控制功能用于液壓缸有桿腔的一側(cè)。隨著油缸推力增加,由于負(fù)載增加,壓力p變得愈來愈高直到它先導(dǎo)打開閥1,這使得液壓缸有桿腔的油液無(wú)載的從C1口自由流回油箱,這時(shí)差動(dòng)模式自動(dòng)關(guān)閉,同時(shí),無(wú)桿腔的壓力降為0,因此油缸可以獲得最大的推力。從現(xiàn)在開始,油缸以一個(gè)正常的速度(沒有差動(dòng)模式)繼續(xù)伸出,壓力p作用于整個(gè)活塞表面,活塞桿端無(wú)背壓,油缸可以輸出最大的力。在這個(gè)階段,平衡功能由閥1來完成。油缸縮回靠施加液壓油到管道V1-C1,通過單向閥5,并先導(dǎo)打開平衡閥3。9先導(dǎo)控制裝置圖11中的閥結(jié)合了雙平衡功能,具有兩個(gè)運(yùn)行方向上的流量和運(yùn)動(dòng)控制功能,在油缸伸出期間還具有手動(dòng)可控差動(dòng)模式和無(wú)桿腔壓力限制用于最大推力的控制,例如可防止吊車的大臂超載。典型用于輪式吊車的伸縮臂,或者吊車吊鉤油缸。參見圖11,在差動(dòng)模式下油缸的伸出。取得這種模式是使電磁閥4通電關(guān)閉,當(dāng)方向閥分配油到液壓缸無(wú)桿側(cè)(管道V2-C2),有桿腔由于閥1和閥2關(guān)閉被鎖定,僅當(dāng)壓力p(在管道V2-C2)先導(dǎo)打開閥1活塞桿才伸出,加壓的有桿腔液壓油通過單向閥3,進(jìn)入V2-C2管道并與來自于方向閥的壓力油合并進(jìn)入油缸無(wú)桿腔。有桿腔壓力油必須通過對(duì)于油缸的有桿側(cè)提供平衡和運(yùn)動(dòng)控制的閥1進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔,因?yàn)楫?dāng)先導(dǎo)壓力V2-C2減少時(shí),閥1會(huì)關(guān)閉甚至鎖死。一旦方向閥4關(guān)閉,溢流閥被禁止打開,這是因?yàn)樗倪M(jìn)出油口都連接著相同的壓力。活塞桿伸出控制全部由平衡閥1來執(zhí)行,由于這個(gè)原因,對(duì)液壓先導(dǎo)的平衡閥1來講先導(dǎo)壓力油的平滑和穩(wěn)定是及其重要的,同樣因?yàn)椴顒?dòng)模式被激活,一旦閥1突然打開這將可能引起在主管道V2-C2上壓力峰值和壓力不穩(wěn)定。在標(biāo)準(zhǔn)的條件下沒有差動(dòng)功能時(shí)若使油缸伸出,只需使電磁閥4打開。有桿腔的液壓油在通過閥1以后,會(huì)無(wú)載荷地通過單向閥5卸回油箱,流向油口V1。在這種情況下,閥1對(duì)于活塞桿伸出執(zhí)行了平衡的功能。當(dāng)電磁閥4打開時(shí),溢流閥6限制了在V2-C2管道中最高壓力,也就限制了油缸在標(biāo)準(zhǔn)無(wú)差動(dòng)條件下可獲得的最大的推力。通常,電磁閥4一般情況下是打開的,油缸一般以標(biāo)準(zhǔn)的速度伸出,使用全部的運(yùn)動(dòng)控制,若操作者為了增加大臂的速度引進(jìn)差動(dòng)模式可以使閥4通電。油缸縮回。通過單向閥2施加的液壓油進(jìn)入V1-C1,油缸縮回,并先導(dǎo)打開控制油缸無(wú)桿腔釋放油流量的平衡閥7。在油缸縮回期間,單向閥5保護(hù)了電磁閥4不受壓力峰值的影響。10流量2倍的選擇需要選擇合適的控制閥去選擇適當(dāng)?shù)牧髁?1)差動(dòng)回路主要使用面積比為2∶1液壓缸(活塞和活塞桿的面積比)。假如使用小直徑活塞桿的液壓缸,伸出速度將太快,輸出力會(huì)太小,返回的速度會(huì)很慢;(2)當(dāng)一臺(tái)2∶1面積比的油缸縮回時(shí),來自于液壓缸無(wú)桿腔排出的流量是泵的流量的2倍,所以應(yīng)選擇合適的控制閥去處理加倍的流量;(3)一臺(tái)面積比2∶1的油缸用于差動(dòng)回路,在伸出行程期間,假如排放的油液被