一种基于液压势能的发电装置、控制方法及其使用方法

技术领域

本发明属于电液控制技术领域，具体涉及一种基于液压势能的发电装置、控制方法及其使用方法。

背景技术

随着社会的不断发展，液压系统在各行各业的运用也更加广泛，因而对于传统液压系统中浪费的液压势能能否进行回收再利用，成为了液压系统设计与发展的热门话题。与传统液压系统相比，具有势能回收的液压系统的确更具优势，但随着科技的进步，势能回收不仅对回收装置的合理性、高效性、可靠性等所有要求，对于电气控制方面的快速性、稳定性也同样具有较高要求。

目前，传统的液压设备大多采用蓄能器对液压系统中浪费的液压势能进行直接回收，这种回收方式主要有以下几个缺点：

1.需要增加蓄能器进行回收，同时也相应地增加了液压管路，进而增大了系统泄漏风险，从而导致了回收效率较低。

2.回收量受限，当蓄能器储量达到峰值时，则无法继续对浪费的势能进行回收。

3.易造成系统波动，蓄能器回收时的系统压力下降，回收完成后的系统压力升高，使得原系统的稳定性降低。

4.回收利用率低，蓄能器回收装置只是将浪费的液压势能进行直接回收，依旧属于压力能，故只能继续在液压系统中消耗掉。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的液压设备液压势能回收率低缺陷，提供了一种液压势能回收不受限、回收率高的液压势能的发电装置、控制方法及其使用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液压势能的发电装置，包括：

液压势能回收系统，与外部液压系统的高压油管路连通，用于回收外部液压系统中的液压势能；

发电系统，与所述液压势能回收系统油路连接，用以将所述液压势能回收系统回收的液压势能转换成电能；

集成阀组，安装在所述液压势能回收系统中，用于控制油路通断；

所述液压势能回收系统包括将液压系统中浪费的液压势能进行直接回收的蓄能器组件和用于将液压缸运行时浪费的液压势能进行回收的回收器；所述蓄能器组件的进油口、回收器的出油口均与所述集成阀组的工作口相连，所述蓄能器组件的回油口与所述集成阀组的回油口相连。

进一步地，所述蓄能器组件包括：

气囊式蓄能器包，与外部液压系统的高压油路连通，用于储存高压油；

第一压力变送器，与所述气囊式蓄能器包油路连通，用于检测所述气囊式蓄能器包中的压力；

第一压力表，与所述气囊式蓄能器包油路连通，用于直观监测所述气囊式蓄能器包中的压力；

蓄能器包控制阀组，用于控制所述气囊式蓄能器包与所述集成阀组之间、第一压力变送器与所述集成阀组之间以及第一压力表与所述集成阀组之间油路的通断。

进一步地，所述回收器包括，

梭阀，设置在所述液压缸与所述集成阀体的进油口之间的油路上，用于实现液压缸有杆腔和无杆腔的双向势能回收；

分配器，设在在所述梭阀与所述液压缸之间的油路上，用于汇总液压缸的多缸油路；

若干回收单向阀，设置在所述液压缸的腔体与分配器之间的油路上，用于限制油液流动方向；其中，

若干所述回收单向阀均与所述分配器的进油口连接，所述分配器出油口与所述梭阀的进油口连接，所述梭阀的出油口直接与所述集成阀组的油口相连。

进一步地，所述发电系统包括：

电比例液压马达，将所述液压势能回收系统中传输的油的压力能转化为机械能；

交流发电机，通过联轴器与所述电比例液压马达连接，将所述电比例液压马达输出的机械能转化为电能；

稳压调节器，使得所述交流发电机输出的电压稳定在一个区间值；其中，

所述交流发电机的输出负极与所述稳压调节器的负极对应连接，所述交流发电机的输出正极与所述稳压调节器的正极对应连接。

进一步地，所述集成阀组包括：

三位四通电磁换向阀，设置在所述液压势能回收系统输出端与所述电比例液压马达之间的油路上，用于实现所述电比例液压马达的正反转；

依次设置在所述主油路进油口与所述三位四通电磁换向阀之间油路上的球阀、第二压力变送器、第一两位两通电磁换向阀、第二压力表、第一单向阀、直动式减压阀以及比例调速阀；其中，所述比例调速阀用来所述主油路进油口与所述三位四通电磁换向阀之间油路的流量；所述直动式减压阀用来限制所在油路的压力；所述第一单向阀用于限制所在油路油液流动方向；所述第二压力表用来直观监测所在油路的实时压力；所述第二压力变送器为控制系统提供控制信号；所述球阀用于手动开启或断开所在油路；

第二两位两通电磁换向阀，设置在所述三位四通电磁换向阀与所述蓄能器组件之间的油路上，用于控制所在油路的通断；

第二单向阀，设置在主油路出油口与所述三位四通电磁换向阀之间油路上，用于限制所在油路中的油液流动方向。

进一步地，所述第一两位两通电磁换向阀的进油口P1与所述主油路进油口通过内部流道连通，所述两位两通电磁换向阀出油口P2经过所述内置的第一单向阀与所述直动式减压阀的进油口P连通，所述直动式减压阀的回油口T与所述主油路回油口T连通，所述直动式减压阀的出油口A与所述比例调速阀的进油口P1连通，所述比例调速阀的出油口P2分别与所述三位四通电磁换向阀的进油口P以及所述第一两位两通电磁换向阀的进油口P1连通，所述三位四通电磁换向阀的回油口T与所述主油路回油口T连通，所述三位四通电磁换向阀与所述电比例液压马达的进出口P1、P2相连。

更进一步地，还包括撬架和用于控制装置运行的控制组件；其中，

所述蓄能器组件、发电系统、控制组件均通过螺栓与所述撬架固定连接；所述集成阀组、回收器均通过焊接与所述撬架固定连接。

一种基于液压势能的发电装置的控制方法，包括以下步骤：

S1.采集初始数据，即采集各系统的当前参数和状态；

S2.数据滤波，即滤除步骤S1中采集到的初始数据中的高频噪声和干扰信号，

采用低通滤波滤除初始数据中的高频噪声和干扰信号，其滤波表达式为：

其中，f为信号频率，fc为截止频率，Hf为滤波后输出信号频率响应；

S3.判断各设备运行数据，即判断各设备的工作状态和发电系统是否长期未启动；

S4.根据步骤S3的判断结果，按照不同的控制类型，手动或自动启动各设备的运行；

S5.完成液压势能的收集和向电能的转换。

具体地，步骤S3中所述发电系统是否长期未启动具体为：若所述发电系统长期未启动则执行步骤P11，否则执行步骤P12；

P11.手动接通所述第二两位两通电磁换向阀以及所述三位四通电磁换向阀，使得所述气囊式蓄能器包内的高压液压油进入所述电比例液压马达中，随后通过联轴器带动所述交流发电机发电，继而为所述控制系统供电。

P12.进入自动控制模式，即当液压缸动作时，由于重力势能的加持使得液压油压力升高，随后通过所述梭阀进入势能回收液压系统，当液压缸不动作时，势能回收液压系统主油路上所述第二压力变送器检测到高压液压油时，接通所述两位两通电磁换向阀，高压液压油通过所述直动式减压阀以及所述比例调速阀的减压限流后，进入所述三位四通电磁换向阀并驱动所述电比例液压马达回转，随后通过联轴器带动所述交流发电机发电，继而为所述控制系统供电。

一种基于液压势能的发电装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

L1.设备调整，即根据现场设备实际的液压缸个数，增加或减少分配器上的回收接口；

L2.设备连接，将现场设备的液压缸A、B油口以及主阀的进油口P与发电系统的回收接口相连接；

L3.势能回收，即控制系统根据设备参数通过液压势能回收系统将浪费的液压势能进行回收；

L4.势能转化电能，即控制系统根据设备参数通过发电系统将L3中回收的势能转化成电能；

其中，所述液压势能回收系统、发电系统的电力由所述发电系统提供。

本发明的一种基于液压势能的发电装置的有益效果是：

通过液压势能回收系统对外部液压系统中的液压进行回收，液压势能回收系统设置有蓄能器组件和回收器，既能对液压系统中浪费的液压势能进行回收又能将液压缸运行时浪费的液压势能进行回收，解决了现有的回收系统回收受限、回收率低的问题；同时结合集成阀组和发电系统将回收的液压势能转换为电能进行使用或储存，突破传统的液压回收方式，不仅提高了势能回收的效率和容量，更使得所回收势能的利用率极大提高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明发电装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的液压势能回收系统与集成阀组的连接示意图；

图3为本发明发电系统的电气原理图；

图4为本发明的发电装置的控制流程图；

图5为本发明的电控系统各元件的走线图；

图6为本发明发电装置的部分结构图；

图7为本发明的集成阀组的总装示意图；

图8为本发明集成阀组的油口分布图；

图9为本发明发电装置的蓄能器组件的外形示意图；

图10为本发明发电装置的电控系统的布局图；

图11为本发明发电装置的分配器外形示意图；

图12为本发明发电装置的撬架外形示意图；

图13为本发明发电装置的控制系统步骤图；

图14为本发明发电装置的控制流程图；

图15为本发明发电装置的控制系统框图；

图16为本发明发电装置的控制方法流程图；

图17为本发明发电装置的挖掘机应用实例示意图；

图18为本发明发电装置的混凝土泵车应用实例示意图。

图中:1、液压势能回收系统，11、蓄能器组件，111、气囊式蓄能器包，112、第一压力变送器，113、第一压力表，114、蓄能器包控制阀组，12、回收器，121、梭阀，122、分配器，123、回收单向阀，2、发电系统，21、电比例液压马达，22、交流发电机，23、稳压调节器，3、集成阀组，31、三位四通电磁换向阀，32、球阀，33、第二压力变送器，35、第一两位两通电磁换向阀，36、第二压力表，37、第一单向阀，38、直动式减压阀，39、比例调速阀，310、第二两位两通电磁换向阀，311、第二单向阀，4、控制组件，41、断路器，42、开关电源，43、照明灯，44、控制器，45、端子排，46、中间继电器，47、指示灯，48、触摸屏，49、蓄电池，410、按钮，5、撬架。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图12所示的本发明的一种基于液压势能的发电装置的具体实施例，包括液压势能回收系统1，与外部液压系统的高压油管路连通，用于回收外部液压系统中的液压势能；

发电系统2，与液压势能回收系统1油路连接，用以将液压势能回收系统1回收的液压势能转换成电能；

集成阀组3，安装在液压势能回收系统1中，用于控制油路通断；

液压势能回收系统1包括将液压系统中浪费的液压势能进行直接回收的蓄能器组件11和用于将液压缸运行时浪费的液压势能进行回收的回收器12；蓄能器组件11的进油口、回收器12的出油口均与集成阀组3的工作口相连，蓄能器组件11的回油口与集成阀组3的回油口相连。

本发明液压系统采用集成阀组3代替管路连接，减少了管路连接点和漏点，不仅使得液压势能回收系统1更加紧凑降低了成本，更提高了液压系统的可靠性和安全性。此外在集成阀组3配合下的液压势能回收系统1具有良好的操作性，有利于控制系统对于进行精确控制和自动化控制，因而使得设备更高效、更可靠、更智能。本发明利用发电系统2将液压势能转化为电能进行回收，突破传统的液压回收方式。不仅提高了势能回收的效率和容量，更使得所回收势能的利用率极大提高。

如图2、8、9所示，本实施例中的蓄能器组件11包括：

气囊式蓄能器包111，与外部液压系统的高压油路连通，用于储存高压油；

第一压力变送器112，与气囊式蓄能器包111油路连通，用于检测气囊式蓄能器包111中的压力；

第一压力表113，与气囊式蓄能器包111油路连通，用于直观监测气囊式蓄能器包111中的压力；

蓄能器包控制阀组114，用于控制气囊式蓄能器包111与集成阀组3之间、第一压力变送器112与集成阀组3之间以及第一压力表113与集成阀组3之间油路的通断。

作为一种实施方式，本实施例中回收器12包括，

梭阀121，设置在液压缸与集成阀体的进油口之间的油路上，用于实现液压缸有杆腔和无杆腔的双向势能回收；

分配器122，设在在梭阀121与液压缸之间的油路上，用于汇总液压缸的多缸油路；

若干回收单向阀123，设置在液压缸的腔体与分配器122之间的油路上，用于限制油液流动方向；其中，若干回收单向阀123均与分配器122的进油口连接，分配器122出油口与梭阀121的进油口连接，梭阀121的出油口直接与集成阀组3的油口相连。

通过液压势能回收系统1对外部液压系统中的液压进行回收，液压势能回收系统1设置有蓄能器组件11和回收器12，既能对液压系统中浪费的液压势能进行回收又能将液压缸运行时浪费的液压势能进行回收，解决了现有的回收系统回收受限、回收率低的问题。外部液压系统高压油管路分离一路直接与发电系统2主进油管路上的球阀32相连，同时外部液压系统的液压缸管路也分离若干路与发电系统2上分配器122的若干回收单向阀123相连，本实施例中回收单向阀123为4个，具体参见图2，而发电系统2的回油管路流经第一单向阀37后并入外部液压系统的回油管路流回油箱。这样不仅大大减少了发电装置液压系统的管路布置，降低了成本，还使得设备轻盈便捷，适用面广，回收利用率高。

如图3所示，本实施例的发电系统2包括：

电比例液压马达21，将液压势能回收系统1中传输的油的压力能转化为机械能；

交流发电机22，通过联轴器与电比例液压马达21连接，将电比例液压马达21输出的机械能转化为电能；

稳压调节器23，使得交流发电机22输出的电压稳定在一个区间值；其中，

交流发电机22的输出负极与稳压调节器23的负极对应连接，交流发电机22的输出正极与稳压调节器23的正极对应连接。

如图2所示，本实施例中集成阀组3包括：三位四通电磁换向阀31，设置在液压势能回收系统1输出端与电比例液压马达21之间的油路上，用于实现电比例液压马达21的正反转；

依次设置在主油路进油口与三位四通电磁换向阀31之间油路上的球阀32、第二压力变送器33、第一两位两通电磁换向阀35、第二压力表36、第一单向阀37、直动式减压阀38以及比例调速阀39；其中，比例调速阀39用来主油路进油口与三位四通电磁换向阀31之间油路的流量；直动式减压阀38用来限制所在油路的压力；第一单向阀37用于限制所在油路油液流动方向；压力表用来直观监测所在油路的实时压力；第二压力变送器33为控制系统提供控制信号；球阀32用于手动开启或断开所在油路；

第二两位两通电磁换向阀310，设置在三位四通电磁换向阀31与蓄能器组件11之间的油路上，用于控制所在油路的通断；

第二单向阀311，设置在主油路出油口与三位四通电磁换向阀31之间油路上，用于限制所在油路中的油液流动方向。

具体的，第一压力变送器112以及第一压力表113安装于集成阀组32上，集成阀组3的主进油口安装有球阀32、第二压力变送器33、第二压力表36，两位两通电磁换向阀进油口P1与集成阀组3主进油口通过内部流道连通，两位两通电磁换向阀出油口P2通过集成阀组3的内部流道经过内置的第一单向阀37与直动式减压阀38的进油口P连通，直动式减压阀38的回油口T通过集成阀组3的内部流道与集成阀组3的回油口T连通，直动式减压阀38的出油口A通过集成阀组3的内部流道与比例调速阀39的进油口P1连通，比例调速阀39的出油口P2通过集成阀组3的内部流道分别与三位四通电磁换向阀31的进油口P以及第二两位两通电磁换向阀310的进油口P1连通，三位四通电磁换向阀31的回油口T通过集成阀组3的内部流道与集成阀组3的回油口T连通，三位四通电磁换向阀31通过集成阀组3的工作口A、B与电比例液压马达21的进出口P1、P2相连，集成阀组3的回油路上还装有第二单向阀311。

本实施例中的还包括撬架5和用于控制装置运行的控制组件4；其中蓄能器组件11、发电系统2、控制组件4均通过螺栓与撬架5固定连接；集成阀组3、回收器12均通过焊接与撬架5固定连接。撬架5作为整个装置的支承基座，蓄能器组件11利用螺栓连接固定于撬架5的左侧，集成阀组3利用悬梁直接焊接于撬架5内部吊梁上，回收器12焊接于撬架5的底部平台之上，发电系统2采用螺栓与撬架5上的连接板进行连接；控制组件4则直接放置于撬架5的上端平台之上并利用螺栓进行紧固。其余液压管件采用管夹固定于撬架5上并完成与对应部件的连接。

直接安装在撬架5上的控制组件4，用于控制液压势能回收系统1回收外部液压系统中的液压势能；控制发电系统2将液压势能回收系统1回收的液压势能转换成电能；控制集成阀组3中各阀的通断。如图5所示，作为一种实施方式控制系统直接安装在撬架5上，控制系统包括开关电源42、断路器41、照明灯43、控制器44即可编程控制器44PLC，端子排45、中间继电器46、指示灯47、触摸屏48以及蓄电池49，具体为断路器41的正极线与蓄电池49的正极线并联接于交流发电机22的正极线上，开关电源42的正极线与照明灯43的正极线并联接于断路器41的负极线，开关电源42的负极线与照明灯43的负极线并联接于交流发电机22的负极线上，开关电源42的24V输出端口及0V输出端口分别与PLC控制器44的L和M口相连，按钮410与PLC控制器44的数字量输入端相连，的第一压力变送器112、第二压力变送器33均与PLC控制器44的模拟量输入端相连，中间继电器46的输入端经过端子排45与PLC控制器44的数字量输出端相连，PLC控制器44的模拟量输出端经过端子排45后与比例调速阀39的线圈以及电比例液压马达21的线圈相连，指示灯47经过端子排45后与PLC控制器44的数字量输出端相连，中间继电器46的输出端分别与第一两位两通电磁换向阀35的线圈、三位四通电磁换向阀31的线圈以及第二两位两通电磁换向阀310的线圈相连，触摸屏48与PLC控制器44之间采用RS485通讯。

基于液压势能的发电装置的控制方法，如图13至图15所示，包括以下步骤：

S1.采集初始数据，即采集各系统的当前参数和状态；

S2.数据滤波，即滤除步骤S1中采集到的初始数据中的高频噪声和干扰信号，将液压马达原始电流值，经过低通滤波器处理后，将信号发送给控制器44构成前馈控制；利用电流传感器检测发电机输出的电压值，再经过低通滤波器处理后，将信号发送给控制器44构成反馈控制；

S3.判断各设备运行数据，即判断各设备的工作状态和发电系统2是否长期未启动；步骤S3中发电系统2是否长期未启动具体为：若发电系统2长期未启动则执行步骤P11，否则执行步骤P12；

P11.手动接通第二两位两通电磁换向阀310以及三位四通电磁换向阀31，使得气囊式蓄能器包111内的高压液压油进入电比例液压马达21中，随后通过联轴器带动交流发电机22发电，继而为控制系统供电，本实施例具体中即为控制柜以及蓄电池49供电。

P12.进入自动控制模式，即当液压缸动作时，由于重力势能的加持使得液压油压力升高，随后通过梭阀121进入势能回收液压系统，当液压缸不动作时，势能回收液压系统主油路上第二压力变送器33检测到高压液压油时，接通两位两通电磁换向阀，高压液压油通过直动式减压阀38以及比例调速阀39的减压限流后，进入三位四通电磁换向阀31并驱动电比例液压马达21回转，随后通过联轴器带动交流发电机22发电，继而为控制系统供电，本实施例中即为控制柜以及蓄电池49供电。当第二压力变送器33失效时，亦可通过控制柜面板上的操作按钮410完成上述操作，这里不再详细阐述。

S4.根据步骤S3的判断结果，按照不同的控制类型，手动或自动启动各设备的运行；

S5.完成液压势能的收集和向电能的转换。

本实施例中，步骤S2中数据滤波采用低通滤波器滤除高频噪声、消除信号采集中的干扰信号，使得所采集的信号具有更好的稳定性和准确性。

其中低通滤波器表达式为：

其中，f为信号频率，fc为截止频率，Hf为滤波后输出信号频率响应。

需要进一步说明的是，步骤S4中，不同的控制类型包括三种控制器44的响应过程，具体为：

第一个控制响应过程：根据主进油压力传感器信号，控制器44向第一、第二两位两通电磁换向阀310以及三位四通电磁换向阀31左位发送接通命令；

第二个控制响应过程：根据蓄能器压力信号，判别增大还是减小液压马达比例电流，当蓄能器压力低时，则降低液压马达比例电流；反之，则升高液压马达比例电流。

第三个控制响应过程：将蓄电池49电流传感器的反馈信号与电比例液压马达21的前馈信号以及所有能耗信息进行整合，比较出输出电压的期望值与实际值之间的偏差传输给控制器44，经过ADRC自抗扰控制算法中的跟踪微分器输出一个过渡信号来跟踪目标信号，从而避免误差过大导致跟踪时间过长或超调，随后将扩张状态观测器输出的反馈信号、反馈微分信号与过度信号及目标微分信号进行非线性整合，得到控制器44的初步输出，然后将扩张状态观测器的扰动控制信号与控制器44的初步输出进行叠加，再除以系统的控制器44增益，继而得到最终的控制器44输出。

本实施例中跟踪微分器的传递函数表达式：

其中，S为函数在初始条件下，对时间t求拉氏变换所得、T

令上述公式中的T2无限接近于T1，此时跟踪微分器就相当于一个纯微分环节S与一个二阶系统双极点滤波器的乘积，这样便可以降低噪声的放大效应，使得控制系统更加敏感的响应输入信号的变化。

扩张状态观测器的表达式：

利用状态空间模型来描述系统的动态行为，它反应了系统的状态与时间的变化关系。

基于上述发电装置的使用方法，如图16所示，包括以下步骤：

L1.设备调整，即根据现场设备实际的液压缸个数，增加或减少分配器122上的回收接口；

L2.设备连接，将现场设备的液压缸A、B油口以及主阀的进油口P与发电系统2的回收接口相连接；

L3.势能回收，即控制系统根据设备参数通过液压势能回收系统1将浪费的液压势能进行回收；

L4.势能转化电能，即控制系统根据设备参数通过发电系统2将L3中回收的势能转化成电能；

其中，液压势能回收系统1、发电系统2的电力由发电系统2提供。液压势能回收系统1上所有能耗元件的电力均由自身蓄电池49组供应，此外液压势能回收系统1还向外提供24V电源以供其他设备使用。

本实施例中的发电装置具有可实施性和广泛应用性，将液压势能回收系统1中回收的液压势能在发电系统2和集成阀组3的共同作用下，将液压势能转换成的电能应用到如图17的挖掘机和如图18的混凝土泵车上，在实际应用中，结合了上述发电装置的挖掘机和混凝土泵车具有以下优点：

1.节能减排：液压势能回收可以减少液压系统中油液的消耗，从而降低挖掘机或混凝土泵车的能耗，达到节能减排的目的。

2.提高效率：液压势能回收可以使挖掘机或混凝土泵车在工作过程中的动力更加充分利用，提高工作效率。

3.延长寿命：液压势能回收可以降低液压系统的工作压力和温度，延长液压元件的使用寿命。

4.减少故障：液压势能回收可以减少液压系统的工作负荷和运行压力，降低系统故障率，减少维修成本。

5.增加安全性：液压势能回收可以降低挖掘机或混凝土泵车在工作过程中的能量消耗，减少动能的释放，从而增加挖掘机或混凝土泵车的安全性。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。