新型增压缸分级增压和卸压能量回收的研究
2014-07-11林项武
林项武
摘 要：本文简单阐述了新型的增压缸结构，将现有增压缸无杆腔B腔分为B1腔和B2腔，增压过程液压系统压力油分别输入B1腔和B1+B2的腔实现分级增压，卸压过程主缸高压油向增压缸有杆腔A腔卸压，B1腔向蓄能器组输出减压后的液压油，而后主缸再直接向蓄能器组卸压，实现分级卸压能量回收。仿真结果表明有很好的节能效果。
关键词：新型增压缸；分级增压；分级卸压；能量回收；仿真
1 概述
增压缸能够有效的降低液压系统中的主油路压力，从而延长液压泵以及液压阀件的寿命，降低液压管路的耐压等级，并减少液压漏油情况的发生。同时，配合蓄能器组的应用，在不提高泵流量的前提下，依靠蓄能器组作为辅助能源使液压系统能提供较高的峰值功率，缩短系统达到最高工作压力的时间。因此，增压缸以及蓄能器组的组合在大流量高峰值功率的液压系统中广泛使用。
增压缸的典型结构如图1所示。
由图1可知，增压缸的典型结构由前缸盖1、活塞2、缸筒3、后缸盖4组成，活塞2、活塞2杆端与前缸盖1形成A腔，活塞2、缸筒3、后缸盖4组成B腔。A腔面积小于B腔面积，其面积比通常约为1：2.0～1：2.5之间。加压过程通常包括，首先利用未经增压的系统压力油加压；然后再进行增压，增压时在液压系统的控制下，系统压力油输入到B腔，A腔向液压机的主液压缸输出增压后的液压油，完成增压过程。
某企业自动陶瓷液压机 PH5500采用的外置式增压缸如图2所示。
图2的外置式增压缸与图1的增压缸相比较，其增加了芯杆活塞5，从而增加了面积较小的C腔和D腔，其作用是减小调整活塞位置时消耗的液压油，增压时仍然是系统压力油输入到B腔，A腔向液压机的主液压缸输出增压后的液压油。
虽然在液压系统中应用增压缸有诸多好处，但是由于大吨位液压机主缸容积较大，加压过程中液压油和机架会发生弹性变形，而且加压过程中被压制成型的制品也会发生变形。因此，主缸从系统压力到增压压力的加压是一个压力逐步提高的过程，尤其是增压缸工作开始的阶段。所以，主缸的压力与增压缸工作压力压差接近20 MPa，形成瞬间的液压冲击，并将相当数额的压力能在液压阀件和管路转化为热能或噪音，能源浪费较大。
由于加压过程液压油压缩以及机架弹性变形储存能量，在卸压时这部分能量将以输出高压油的方式释放。一般的做法是直接将主缸上腔先对蓄能器组进行卸压，进行部分压力能回收后，再向回油管路卸压。但此方法与增压时一样存在很高的压力差，不但能量回收利用率较低，而且存在液压冲击，不得不使用耐压较高的蓄能器。
2 新型增压缸的技术方案
为了降低上述增压过程中的能量浪费，并设计出合理方式回收卸压时的能量，笔者考虑采用新型的增压缸结构进行改进（见图3），其原理为将增压缸B腔分为B1腔和B2腔，以实现增压过程的分级增压和卸压过程的分级卸压。
由图3可知，多面积比增压缸由前缸盖1、缸筒3、活塞6、后缸盖7、二次增压缸筒8等结构组成。活塞6的前杆端6.1与前缸盖1组成A腔；活塞6、缸筒3、后缸盖7以及活塞6的后杆端6.2组成B1腔；后缸盖7、活塞6的后杆端6.2以及二次增压缸筒8组成B2腔。
液压系统控制液压源对主液压缸加压到接近液压源压力后开始增压，其压机分级增压步骤如下：
（1） 液压系统控制液压源，对B1腔输入压力油，B2腔卸压，而A腔向主液压缸输出增压比为B1腔面积/A腔面积的经过增压的高压油，实现第一级增压；
（2） 液压系统控制液压源，对B1腔和B2腔同时输入压力油，B2腔卸压，而A腔向主液压缸输出增压比为（B1腔面积+B2腔面积）/A腔面积的经过增压的高压油，实现第二级增压，完成增压过程。
液压机完成加压过程后，分级卸压能量回收步骤如下：
（1） 液压系统控制A腔与主液压缸上腔连通，B2腔向回油管卸压，B1腔连通蓄能器组，主液压缸的高压油经过多面积比增压缸实现减压比为A腔面积/B1腔面积的减压后向蓄能器组充液；
（2） 液压系统控制主液压缸上腔连通蓄能器，主液压缸上腔直接向蓄能器组充液。
3 增压过程的仿真
3.1 仿真模型的建立
为了验证新型增压缸节能效果，建立仿真模型如图4所示。
仿真模型参数设定如下：
（1） 系统压力为157 bar，主液压缸容积为200 L，主液压缸先利用系统压力加压到157 bar后，分别利用现有增压缸和新型增压缸增压。
（2） 现有增压缸参数（见图1）：缸径215 mm、杆径160 mm、行程500 mm，面积比B/A=2.24：1，A、B口分别通过32通径的滑阀控制，以滑阀为主要液阻。
（3） 新型增压缸参数（见图3）：缸径215 mm 、大杆径160 mm 、小杆径128 mm、行程500 mm ，面积比 A：B1：B2=1：1.45：0.79，A、B1、B2 口分别通过一个32通径的滑阀控制，以滑阀为主要液阻。
3.2 增压过程的仿真分析
需要说明的是，为了便于观察，新型增压缸第一级增压设定为2 s，再进行第二级增压。图5为泵输入液压油与时间的关系图，图6为增压缸位移与时间的关系图，图7为主缸压力与时间变化曲线，图8为增压缸总功耗与时间的关系图。
由图5～图8可知，第一级增压和第二级增压之间有明显的停顿。新型增压缸增压分为第一级和第二级增压两个步骤进行，在增压缸输出流量相同的情况下，新型增压缸所需的流量有一定程度的减小、能耗降低。从软件读取的具体数据如表1所示。
3.3 卸压过程的仿真分析
增压后利用新型增压缸回收主液压缸卸压时的液压能。设定液压系统中使用160 L充气压力为150 bar的蓄能器进行卸压时的能量回收，建立仿真模型（见图9）。
为了方便观察，设定新型增压缸能量回收第一个步骤为2 s，之后再进行能量回收第二步骤。图10为蓄能器压力与时间的变化曲线，图11为蓄能器回收能量与时间的变化曲线、图12为蓄能器回收液压油体积与时间的变化曲线。
从图10～图12可以看出，能量回收两个步骤之间有明显的停顿。
新型增压缸增压过程系统输出的与能量回收过程回收的总流量与总能量对比如表2所示。
由表2可知，根据仿真结果利用新型增压缸进行能量回收，能够回收增压过程输入能量的66.5%。
4 结论
通过利用新型增压缸实现了增压过程的分级加压和卸压过程的分级卸压。仿真结果表明，新型增压缸在减缓了系统运行过程的压力冲击的同时大幅度降低了系统的能耗。因此，新型增压缸系统应用于陶瓷行业中节能效果较为显著，值得大力推广。endprint
摘 要：本文简单阐述了新型的增压缸结构，将现有增压缸无杆腔B腔分为B1腔和B2腔，增压过程液压系统压力油分别输入B1腔和B1+B2的腔实现分级增压，卸压过程主缸高压油向增压缸有杆腔A腔卸压，B1腔向蓄能器组输出减压后的液压油，而后主缸再直接向蓄能器组卸压，实现分级卸压能量回收。仿真结果表明有很好的节能效果。
关键词：新型增压缸；分级增压；分级卸压；能量回收；仿真
1 概述
增压缸能够有效的降低液压系统中的主油路压力，从而延长液压泵以及液压阀件的寿命，降低液压管路的耐压等级，并减少液压漏油情况的发生。同时，配合蓄能器组的应用，在不提高泵流量的前提下，依靠蓄能器组作为辅助能源使液压系统能提供较高的峰值功率，缩短系统达到最高工作压力的时间。因此，增压缸以及蓄能器组的组合在大流量高峰值功率的液压系统中广泛使用。
增压缸的典型结构如图1所示。
由图1可知，增压缸的典型结构由前缸盖1、活塞2、缸筒3、后缸盖4组成，活塞2、活塞2杆端与前缸盖1形成A腔，活塞2、缸筒3、后缸盖4组成B腔。A腔面积小于B腔面积，其面积比通常约为1：2.0～1：2.5之间。加压过程通常包括，首先利用未经增压的系统压力油加压；然后再进行增压，增压时在液压系统的控制下，系统压力油输入到B腔，A腔向液压机的主液压缸输出增压后的液压油，完成增压过程。
某企业自动陶瓷液压机 PH5500采用的外置式增压缸如图2所示。
图2的外置式增压缸与图1的增压缸相比较，其增加了芯杆活塞5，从而增加了面积较小的C腔和D腔，其作用是减小调整活塞位置时消耗的液压油，增压时仍然是系统压力油输入到B腔，A腔向液压机的主液压缸输出增压后的液压油。
虽然在液压系统中应用增压缸有诸多好处，但是由于大吨位液压机主缸容积较大，加压过程中液压油和机架会发生弹性变形，而且加压过程中被压制成型的制品也会发生变形。因此，主缸从系统压力到增压压力的加压是一个压力逐步提高的过程，尤其是增压缸工作开始的阶段。所以，主缸的压力与增压缸工作压力压差接近20 MPa，形成瞬间的液压冲击，并将相当数额的压力能在液压阀件和管路转化为热能或噪音，能源浪费较大。
由于加压过程液压油压缩以及机架弹性变形储存能量，在卸压时这部分能量将以输出高压油的方式释放。一般的做法是直接将主缸上腔先对蓄能器组进行卸压，进行部分压力能回收后，再向回油管路卸压。但此方法与增压时一样存在很高的压力差，不但能量回收利用率较低，而且存在液压冲击，不得不使用耐压较高的蓄能器。
2 新型增压缸的技术方案
为了降低上述增压过程中的能量浪费，并设计出合理方式回收卸压时的能量，笔者考虑采用新型的增压缸结构进行改进（见图3），其原理为将增压缸B腔分为B1腔和B2腔，以实现增压过程的分级增压和卸压过程的分级卸压。
由图3可知，多面积比增压缸由前缸盖1、缸筒3、活塞6、后缸盖7、二次增压缸筒8等结构组成。活塞6的前杆端6.1与前缸盖1组成A腔；活塞6、缸筒3、后缸盖7以及活塞6的后杆端6.2组成B1腔；后缸盖7、活塞6的后杆端6.2以及二次增压缸筒8组成B2腔。
液压系统控制液压源对主液压缸加压到接近液压源压力后开始增压，其压机分级增压步骤如下：
（1） 液压系统控制液压源，对B1腔输入压力油，B2腔卸压，而A腔向主液压缸输出增压比为B1腔面积/A腔面积的经过增压的高压油，实现第一级增压；
（2） 液压系统控制液压源，对B1腔和B2腔同时输入压力油，B2腔卸压，而A腔向主液压缸输出增压比为（B1腔面积+B2腔面积）/A腔面积的经过增压的高压油，实现第二级增压，完成增压过程。
液压机完成加压过程后，分级卸压能量回收步骤如下：
（1） 液压系统控制A腔与主液压缸上腔连通，B2腔向回油管卸压，B1腔连通蓄能器组，主液压缸的高压油经过多面积比增压缸实现减压比为A腔面积/B1腔面积的减压后向蓄能器组充液；
（2） 液压系统控制主液压缸上腔连通蓄能器，主液压缸上腔直接向蓄能器组充液。
3 增压过程的仿真
3.1 仿真模型的建立
为了验证新型增压缸节能效果，建立仿真模型如图4所示。
仿真模型参数设定如下：
（1） 系统压力为157 bar，主液压缸容积为200 L，主液压缸先利用系统压力加压到157 bar后，分别利用现有增压缸和新型增压缸增压。
（2） 现有增压缸参数（见图1）：缸径215 mm、杆径160 mm、行程500 mm，面积比B/A=2.24：1，A、B口分别通过32通径的滑阀控制，以滑阀为主要液阻。
（3） 新型增压缸参数（见图3）：缸径215 mm 、大杆径160 mm 、小杆径128 mm、行程500 mm ，面积比 A：B1：B2=1：1.45：0.79，A、B1、B2 口分别通过一个32通径的滑阀控制，以滑阀为主要液阻。
3.2 增压过程的仿真分析
需要说明的是，为了便于观察，新型增压缸第一级增压设定为2 s，再进行第二级增压。图5为泵输入液压油与时间的关系图，图6为增压缸位移与时间的关系图，图7为主缸压力与时间变化曲线，图8为增压缸总功耗与时间的关系图。
由图5～图8可知，第一级增压和第二级增压之间有明显的停顿。新型增压缸增压分为第一级和第二级增压两个步骤进行，在增压缸输出流量相同的情况下，新型增压缸所需的流量有一定程度的减小、能耗降低。从软件读取的具体数据如表1所示。
3.3 卸压过程的仿真分析
增压后利用新型增压缸回收主液压缸卸压时的液压能。设定液压系统中使用160 L充气压力为150 bar的蓄能器进行卸压时的能量回收，建立仿真模型（见图9）。
为了方便观察，设定新型增压缸能量回收第一个步骤为2 s，之后再进行能量回收第二步骤。图10为蓄能器压力与时间的变化曲线，图11为蓄能器回收能量与时间的变化曲线、图12为蓄能器回收液压油体积与时间的变化曲线。
从图10～图12可以看出，能量回收两个步骤之间有明显的停顿。
新型增压缸增压过程系统输出的与能量回收过程回收的总流量与总能量对比如表2所示。
由表2可知，根据仿真结果利用新型增压缸进行能量回收，能够回收增压过程输入能量的66.5%。
4 结论
通过利用新型增压缸实现了增压过程的分级加压和卸压过程的分级卸压。仿真结果表明，新型增压缸在减缓了系统运行过程的压力冲击的同时大幅度降低了系统的能耗。因此，新型增压缸系统应用于陶瓷行业中节能效果较为显著，值得大力推广。endprint
摘 要：本文简单阐述了新型的增压缸结构，将现有增压缸无杆腔B腔分为B1腔和B2腔，增压过程液压系统压力油分别输入B1腔和B1+B2的腔实现分级增压，卸压过程主缸高压油向增压缸有杆腔A腔卸压，B1腔向蓄能器组输出减压后的液压油，而后主缸再直接向蓄能器组卸压，实现分级卸压能量回收。仿真结果表明有很好的节能效果。
关键词：新型增压缸；分级增压；分级卸压；能量回收；仿真
1 概述
增压缸能够有效的降低液压系统中的主油路压力，从而延长液压泵以及液压阀件的寿命，降低液压管路的耐压等级，并减少液压漏油情况的发生。同时，配合蓄能器组的应用，在不提高泵流量的前提下，依靠蓄能器组作为辅助能源使液压系统能提供较高的峰值功率，缩短系统达到最高工作压力的时间。因此，增压缸以及蓄能器组的组合在大流量高峰值功率的液压系统中广泛使用。
增压缸的典型结构如图1所示。
由图1可知，增压缸的典型结构由前缸盖1、活塞2、缸筒3、后缸盖4组成，活塞2、活塞2杆端与前缸盖1形成A腔，活塞2、缸筒3、后缸盖4组成B腔。A腔面积小于B腔面积，其面积比通常约为1：2.0～1：2.5之间。加压过程通常包括，首先利用未经增压的系统压力油加压；然后再进行增压，增压时在液压系统的控制下，系统压力油输入到B腔，A腔向液压机的主液压缸输出增压后的液压油，完成增压过程。
某企业自动陶瓷液压机 PH5500采用的外置式增压缸如图2所示。
图2的外置式增压缸与图1的增压缸相比较，其增加了芯杆活塞5，从而增加了面积较小的C腔和D腔，其作用是减小调整活塞位置时消耗的液压油，增压时仍然是系统压力油输入到B腔，A腔向液压机的主液压缸输出增压后的液压油。
虽然在液压系统中应用增压缸有诸多好处，但是由于大吨位液压机主缸容积较大，加压过程中液压油和机架会发生弹性变形，而且加压过程中被压制成型的制品也会发生变形。因此，主缸从系统压力到增压压力的加压是一个压力逐步提高的过程，尤其是增压缸工作开始的阶段。所以，主缸的压力与增压缸工作压力压差接近20 MPa，形成瞬间的液压冲击，并将相当数额的压力能在液压阀件和管路转化为热能或噪音，能源浪费较大。
由于加压过程液压油压缩以及机架弹性变形储存能量，在卸压时这部分能量将以输出高压油的方式释放。一般的做法是直接将主缸上腔先对蓄能器组进行卸压，进行部分压力能回收后，再向回油管路卸压。但此方法与增压时一样存在很高的压力差，不但能量回收利用率较低，而且存在液压冲击，不得不使用耐压较高的蓄能器。
2 新型增压缸的技术方案
为了降低上述增压过程中的能量浪费，并设计出合理方式回收卸压时的能量，笔者考虑采用新型的增压缸结构进行改进（见图3），其原理为将增压缸B腔分为B1腔和B2腔，以实现增压过程的分级增压和卸压过程的分级卸压。
由图3可知，多面积比增压缸由前缸盖1、缸筒3、活塞6、后缸盖7、二次增压缸筒8等结构组成。活塞6的前杆端6.1与前缸盖1组成A腔；活塞6、缸筒3、后缸盖7以及活塞6的后杆端6.2组成B1腔；后缸盖7、活塞6的后杆端6.2以及二次增压缸筒8组成B2腔。
液压系统控制液压源对主液压缸加压到接近液压源压力后开始增压，其压机分级增压步骤如下：
（1） 液压系统控制液压源，对B1腔输入压力油，B2腔卸压，而A腔向主液压缸输出增压比为B1腔面积/A腔面积的经过增压的高压油，实现第一级增压；
（2） 液压系统控制液压源，对B1腔和B2腔同时输入压力油，B2腔卸压，而A腔向主液压缸输出增压比为（B1腔面积+B2腔面积）/A腔面积的经过增压的高压油，实现第二级增压，完成增压过程。
液压机完成加压过程后，分级卸压能量回收步骤如下：
（1） 液压系统控制A腔与主液压缸上腔连通，B2腔向回油管卸压，B1腔连通蓄能器组，主液压缸的高压油经过多面积比增压缸实现减压比为A腔面积/B1腔面积的减压后向蓄能器组充液；
（2） 液压系统控制主液压缸上腔连通蓄能器，主液压缸上腔直接向蓄能器组充液。
3 增压过程的仿真
3.1 仿真模型的建立
为了验证新型增压缸节能效果，建立仿真模型如图4所示。
仿真模型参数设定如下：
（1） 系统压力为157 bar，主液压缸容积为200 L，主液压缸先利用系统压力加压到157 bar后，分别利用现有增压缸和新型增压缸增压。
（2） 现有增压缸参数（见图1）：缸径215 mm、杆径160 mm、行程500 mm，面积比B/A=2.24：1，A、B口分别通过32通径的滑阀控制，以滑阀为主要液阻。
（3） 新型增压缸参数（见图3）：缸径215 mm 、大杆径160 mm 、小杆径128 mm、行程500 mm ，面积比 A：B1：B2=1：1.45：0.79，A、B1、B2 口分别通过一个32通径的滑阀控制，以滑阀为主要液阻。
3.2 增压过程的仿真分析
需要说明的是，为了便于观察，新型增压缸第一级增压设定为2 s，再进行第二级增压。图5为泵输入液压油与时间的关系图，图6为增压缸位移与时间的关系图，图7为主缸压力与时间变化曲线，图8为增压缸总功耗与时间的关系图。
由图5～图8可知，第一级增压和第二级增压之间有明显的停顿。新型增压缸增压分为第一级和第二级增压两个步骤进行，在增压缸输出流量相同的情况下，新型增压缸所需的流量有一定程度的减小、能耗降低。从软件读取的具体数据如表1所示。
3.3 卸压过程的仿真分析
增压后利用新型增压缸回收主液压缸卸压时的液压能。设定液压系统中使用160 L充气压力为150 bar的蓄能器进行卸压时的能量回收，建立仿真模型（见图9）。
为了方便观察，设定新型增压缸能量回收第一个步骤为2 s，之后再进行能量回收第二步骤。图10为蓄能器压力与时间的变化曲线，图11为蓄能器回收能量与时间的变化曲线、图12为蓄能器回收液压油体积与时间的变化曲线。
从图10～图12可以看出，能量回收两个步骤之间有明显的停顿。
新型增压缸增压过程系统输出的与能量回收过程回收的总流量与总能量对比如表2所示。
由表2可知，根据仿真结果利用新型增压缸进行能量回收，能够回收增压过程输入能量的66.5%。
4 结论
通过利用新型增压缸实现了增压过程的分级加压和卸压过程的分级卸压。仿真结果表明，新型增压缸在减缓了系统运行过程的压力冲击的同时大幅度降低了系统的能耗。因此，新型增压缸系统应用于陶瓷行业中节能效果较为显著，值得大力推广。endprint
