节能组合油缸液压升降系统研究.pdf

S e p．2 01 4 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o ni c s En g i n e e r i n g Vo I ．4 2 No ． 1 8 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 8 ． 0 1 2 S t ud y o n e ne r g y s a v i n g c o mp o s i t e c y l i n de r h y d r a u l i c l i f t i n g s y s t e m L u - j u n Z H A N G ． Z h i - j i a n g L I N 。 S c h o o l o f E l e c t r o m e c h a n i c a l A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ，Y a n t a i U n i v e r s i t y ， Y a n t a i 2 6 4 0 0 5 ，C h i n a ； 。 K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g a n d C o n t r o l T e c h n o l o g y i n U n i v e r s i t i e s of S h a n d o n g ，Y a n t a i 2 6 4 00 5，Chi n a； We n de n g Ag r i c u l t u r al Ma c h i n e r y Se r v i c e S t a t i o n，We n d e n g 2 6 4 4 0 0，Ch i n a 1． I n t r o du c t i o n Ab s t r a c t T h e c o n s t r u c t i o n ma c h i n e s，s u c h a s t h e c r a n e，h y d r a u l i c g r a b a n d e t c ． ，u t il i z e t h e h y dr a u l ic l if t in g s y s t e m．Th e c o n v e n t i o n a l h y dr a u l i c l iftin g s y s t e m u s u a l l y c a n n o t r e c o v er t h e p o t e n t i a l e n e r g y o f t h e h e a v y o b j e c t ．I n o r d e r t o a v o id t h e o b j e c t f a l l i n g t o o f a s t ， a t h r o t t l e v a lv e i s s e t i n t h e o il c i r c u it t o I i mit t h e f a l l i n g v e l o c i t y o f t h e o b j e c t ．T h e r e f o r e ．t h e p o t e n t i a l e n e r g y w i l l b e c o n v e a e d i n t o t h e t h e r ma l e n e r g y，wh i c h n o t o nly b r i n g s t h e e n e r g y lo s s a n d a ls o c o u ld c a u s e s o me t h e r ma l p r o b l e ms ．I n or d e r t o a v o id t h e lo s s o f en e r g y，a n e n er g y - s a v i n g c o mp o s it e c y l in - d e r h y d r au l i c l if t in g s y s t e m i s d e s i g n e d．Th i s p a p e r p r e s e n t s t h e b a s i c s t r u c t u r e a n d wo r k i n g t h e o - r y o f t h i s n e w h y d r a u l i c l if t i n g s y s t e m．By u t i l i z i n g c o mp o s it e c y l in d e r wi t h s p e c i a l s t r u c t u r e c o m- b i n e d wit h a c c u mu la t o r ． t h i s s y s t e m c a n I imit t h e lo we r in g v e l o c i t y o f h e a vy o b j e c t a n d a ls o c o u ld r e c o v e r t h e p o t e n t i a l e n e r g y o f t h e o b j e c t b e i n g lo we r e d ． T h u s ， t h i s s y s t e m h a s r e ma r k a b l e e ff e c t o f e n e r g y s a v i n g ．Th e p a r a me t e r s o f t h e a c c u mu l a t o r u s e d i n t h i s s y s t e m a r e d e t er min e d ．T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f l i ft i n g c on d i t io n is p r o p o s e d，a n d t h e s i mu l a t i o n a n a l y s is o f l ift i n g c o n d it io n is c o n d u c t e d a s we l1 ． Ke y wo r d sCo mp o s i t e c y l i n de r ，A c c u mu l a t o r ，En e r g y - s a v i n g，Hy dr a u l i c l i ft i n g s y s t e m，P o t e n t ia l e n e r g Y r e c o v e r y Lo t s o f e ng i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ma c h i n e s ，s uc h a s t h e c r a n e，h y d r a u l i c g r a b，h y d r a u l i c e l e v a t o r a n d h y d r a u l i c p u mp i n g un i t s， h a v e t h e h y d r a u l i c l i fti n g s y s t e m [ 1 - 4 ] ．T h e h y d r a u l i c l i ft i n g s y s t e m l i ft s a n d l o w e r s t h e h e a v y o b j e c t c o n t i n u a l l y ．Wh e n l i ft i n g t h e h e a v y o b j e c t t o a h i g h p o s i t i o n ， t h e s y s t e m w i l l s t o r e l a r g e a mo u n t o f po t e n t i a l e ne r g y ． Ho we v e r ， wh e n l o w e r i n g t h e h e a v y o b j e c t d o w n ， t h e p o t e n t i a l e n e r gy Re c e i v e d2 01 405一O1 P r o j e c t s u p p o r t e d b y T e c h n o l o g i c a l D e v e l o p m e n t P l a n n i n g F u n d o f S h a n d o n g P r o v i n c e 2 0 1 3 Y D 0 3 0 5 8 十L u - j u n Z H A N G． P h D ．E m a i l z 6 9 1 0 1 6 3 ． c o m wi l l be r e l e a s e d ． Th e c o n v e n t i o n a l h y d r a u l i c l i fti n g s y s t e m c a n n o t r e c o v e r t h i s k i n d o f p o t e n t i a l e ne r gy ． I n o r d e r t o a v o i d t h e o b j e c t f a l l i n g t o o f a s t ， a t h r o t t l e v a l v e i s u s u a l l y a d o p t e d i n t h e o i l c i r c ui t t o l i mi t t h e f a l l i n g v e l o c i t y ． Th e r e f o r e，t h e p o t e n t i a l e n e r gy wi l l b e c o n v e r t e d i n t o t h e t h e r ma l e n e r gy ，wh i c h wi l l no t o n l y l e a d t o t h e e n e r gy l o s s a n d a l s o c a u s e s t h e t h e r ma I p r o b l e ms『 5 - 6] ．I n o r d e r t o a v o i d t h e l O S S o f e n e r gy ，a n e n e r gy s a v i n g c o mpo s i t e c y l i n d e r h y d r a u l i c l i ft i n g s y s t e m i s d e s i g n e d ．B y u t i l i z i n g t h e c o mp o s i t e c y l i n de r wi t h s p e c i a l s t r u c t u r e c o mbi n e d wi t h a c c u mu l a t o r ， t h i s n e w h y d r a u l i c l i fti n g s y s t e m n o t o n l y c o u l d l i m i t t h e l o w e r i n g v e l o c i t y o f h e a v y o b j e c t ，b u t a l s o c o u l d r e c o v e r t h e p o t e n t i a l e ne r gy o f t h e l o we r e d o b j e c t ．T h e r e f o r e ，t h i s s y s t e m h a s r e ma r k a b l e c h a r a c t e r i s t i c s o f e n e r gy s a v i ng ． L u - j u n Z H A N G， e t a l S t u d y o n e n e r g y s a v i n g c o mp o s i t e c y l i nd e r h y dr a u l i c l i fti n g s y s t e m 6 3 2．Ba s i c s t r u c t ur e o f t he e n e r g y s a v i n g c o mpo s i t e c y l i nd e r hy d r a ul i c l i f t i ng s y s - t e m Th e t wo t y p e s o f c o mp o s i t e c y l i n d e r f o r h y d r a u l i c l i fti n g s y s t e ms a r e s h o wn i n Fi g u r e l a nd Fi g u r e 2，r e s p e c t i v e l y．As s ho wn i n F i g u r e l，t h e c o mp o s i t e c y l i n d e r I i s c o mp o s e d o f o n e p i s t o n c y l i n d e r a n d o n e pl un g e r c y l i n d e r ． The l a r g e p i s t o n r o d o f t h e p i s t o n c y l i n d e r i s a d o p t e d t o l i ft t h e h e a v y o b j e c t ，a n d t h e s ma l l p i s t o n r o d o f t h e p i s t o n c y l i n d e r i s a l s o u s e d a s t h e p l u n g e r o f t he p l un g e r c y l i nd e r ． Th u s，t h e c o rn- p o s i t e c y l i n d e r I i s d i v i d e d i n t o t h r e e c h a mb e r s i ． e ． ， Q1 ， Q 2， a n d Q 3 ， w h o s e a c t i n g a r e a s a r e n o t e - qu a 1 ．As s h o wn i n Fi g ur e 2，t he c o mp o s i t e c y l i n d e r 1 1 i s a l s o c o mp o s e d o f o n e p i s t o n c y l i n d e r a n d o n e pl u n g e r c y l i n de r，b u t t h e c o mb i n i n g t y pe o f t he pi s - t o n c y l i nd e r a n d pl un g e r c y l i nd e r i s n o t t h e s a me ． The p l u n g e r o f t h e p l u n g e r c y l i nd e r i s a l s o u s e d a s t h e c y l i n d e r o f t h e p i s t o n c y l i n d e r ，h o we v e r ，t h e pi s t o n r o d o f t he pi s t o n c y l i n d e r i s fix e d o n t h e b a s e o f t he p l u n g e r c y l i n d e r ． T hu s，t h e c o mp o s i t e c y l i n d e r I i s a l s o d i v i d e d i n t o t h r e e c h a m b e r s i ． e ． ，Q 1 ， Q 2， a n d Q 3 ，w h o s e a c t i n g a r e a s a r e n o t e q u a l e i t h e r ．F o r t h e a b o v e h y d r a u l i c l i fti n g s y s t e ms ba s e d o n t w o t y p e s o f c o m p o s i t e c y l i n d e r ，t h e o i l i n l e t o f Q 1 c h a mbe r i s c o n n e c t e d t o t he a c c umu l a t o r ，a n d t he o i l i n l e t s o f Q 2 c h a mb e r a n d Q 3 c h a mb e r a r e c o n n e c t e d t o t wo o i l i n l e t s o f t h e d i r e c t i o n a l v a l v e 6，r e s p e c t i v e l y．Th r o u g h t h e d i r e c t i o n c ha n g i n g o f t h e d i r e c t i o na l v a l v e 6 ，Q 2 c h a m b e r a n d Q 3 c h a m b e r a r e c o n n e c t e d t o hi g h p r e s s u r e o i l a n d l o w p r e s s u r e o i l a l t e r n a t e l y． Th e r e l i e f v a l v e 2 p l a y s t h e f u n c t i o n a s s a f e g u a r d ， a n d wh e n t h e o i l p r e s s u r e i n t h e s y s t e m s u r p a s s e s t h e s e t t i n g v a l u e，t h i s v a l v e wi l l o p e n a nd o v e r f l o w t h e o i l ．T he r e d u c i n g v a l v e 4 c o n t r o l s t h e mi n i mu m p r e s s u r e o f t h e c i r c u i t o f Q 1 c h a m b e r ． a c c u m u l a t o r ．a n d t h e c i r c u i t o f t h e Q 1 c h a mb e r - - a c c u m u l a t o r i s s u p p l e ． ． me nt e d t h e o i l t hr o u g h t hi s v a l v e．Th e r e l i e f v a l v e 3 c o n t r o l s t h e ma x i mu m p r e s s u r e o f t h e c i r c u i t o f t h e Q1 c h a mb e r a c c u m u l a t o r ， a n d t h u s ma k e s t h e p r e s - s ur e o f t hi s c i r c ui t i n a c e r t a i n r a n g e ． 3． W or k i n g pr i nc i pl e c o mp o s i t e c y l i n de r t e rn o f t he e ne r g y- s a v i ng h y dr a u l i c l i f t i ng s y s - Be c a u s e t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f t wo t y p e s o f c o mp o s i t e c y l i nd e r h y d r a u l i c l i fti n g s y s t e m i s s i mi l a r ， t h e f o l l o wi n g wi l l t a k e t h e h y dr a ul i c l i fti n g s y s t e m b a s e d o n t h e c o mp o s i t e c y l i n d e r I a s a n e x a mp l e t o c o n d u c t t h e a n a l y s i s ． Wh e n l i ft i n g t h e h e a v y o b j e c t a t t h e fi r s t t i me ， t h e d i r e c t i o n a l v a l v e 6 i s s e t a t t he r i g h t p o s i t i o n ．Th e o i l p u m p s u p p l i e s t h e o i l t o Q 2 c h a m b e r ， a n d t h e o i l i n Q 3 c h a m b e r w i l l fl o w b a c k t o t h e o i l t a n k ．A t t h i s mo me n t ．s i nc e t h e a c c umu l a t o r i S n o t c h a r g e d i n t o t h e o i l ，t h e c i r c u i t o f t h e Q 1 c h a m b e r a c c u m u l a t o r i s i n l o w p r e s s u r e s t a t e， a n d t he r e d u c i n g v a l v e 4 o p e n s ．T h u s ． t h e o i l p u mp a l s o s u p p l i e s t h e 0 i l t o Q 1 c h a mb e r a s we l l ，a n d t h e l a r g e p i s t o n r o d 8 wi l l g o u p t o l i ft t h e h e a v y o b j e c t ． D u r i n g t h e p r o c e s s o f l o w e r i n g t h e h e a v y o b j e c t ， t h e d i r e c t i o n a l v a l v e 6 i s s e t a t t h e l e ft p o s i t i o n ．T h e o i l p u m p s u p p l i e s o i l t o Q 3 c h a m b e r ， a n d t h e o i l i n Q 2 c h a mb e r w i l l r e t u r n t o t h e o i l t a n k ．D u e t o t h e w e i g h t o f h e a v y o b j e c t a n d t h e o i l p r e s s u r e ， t h e l a r g e p i s t o n r o d 8 w i l l g o d o w n ．T h e o i l i n t h e Q 1 c h a m b e r wi l l b e d i s c h a r g e d i n t o t h e a c c u mu l a t o r ，a n d t h e a i r i n t h e a c c u mu l a t o r i s c o mp r e s s e d a n d t h e e n e r g y i s s t o r e d． At t he s a me t i me，b e c a u s e o f t h e a c t i o n o f t h e a c c u m u l a t o r ， t h e o i l i n t h e Q 1 c h a mb e r k e e p s a c e rta i n p r e s s u r e a n d g i v e s t h e s y s t e m a ba l a n c i n g r e s i s t a n c e ，t h u s p r e v e n t s t h e h e a v y o b j e c t f r o m t o o f a s t ． f a l l i ng Wh e n l i ft i n g t h e h e a v y o b j e c t a g a i n a t n e x t t i me，t h e d i r e c t i o n a l v a l v e 6 w i l l b e s e t a t t h e fi g h t p o s i t i o n ．T h e o i l p u mp s u p p l i e s o i l t o Q 2 c h a m b e r ， a n d t h e o i l i n Q 3 c h a m b e r w i l l r e t u r n t o t h e o i l t a n k ． At t h e s a me t i me，t he a c c u mul a t o r r e l e a s e s t h e r e a o v e r e d e n e r gy f r o m t h e l a s t t i m e t o Q 1 c h a m b e r ，a n d t h i s a mo u n t o f e n e r gy t o g e t h e r w i t h t h e p r e s s u r e o i l i n Q 2 c h a m b e r w i l l d r i v e t h e l a r g e p i s t o n r o d t o g o u p t o l i ft t h e h e a v y o b j e c t ．Wh e n t h e d i r e c t i o n a l v a l v e 6 i s s e t a t t h e m i d d l e p o s i t i o n ， t h e h e a v y o b j e c t c a n s t o p a t a n y l o c a t i o n ．B y a d j u s t i n g t h e d i s p l a c e me n t o f t h e v a r i a b l e p ump 1，t he s p e e d o f l i ft i n g a n d l o we r i n g t h e h e a v y o b j e c t c o u l d b e a a j u s t e d ． 4． De t e r mi na t i o n o f t he p a r a me t e r s o f t he a c c u m ul a t o r Th e f o l l o wi n g c o n d i t i o n mu s t be s a t i s fie d d u r i n g t h e l i ft i n g p r o c e s s o f h e a v y o b j e c t p A 2P 1 A 1≥ W 1 W h e r e，Pp i s t h e p u mp p r e s s u r e，Pl i s t h e l o we s t p r e s s u r e o f t he a c c umu l a t o r ，A 1 a n d A2 a r e t h e a c t i n g a r e a o f t h e 0 i l p r e s s u r e i n Q 1 a n d Q 2 c h a m b e r ． r e s p e c t i v e l y ， W i s t h e w e i g h t o f t h e h e a v y o b j e c t ． Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e ring I f t h e p r e s s u r e o f p p i s c o n s t a n t ，t h e v a l u e s o f P1 a n d A 1 c o u l d b e d e t e r m i n e d b y E q ． 1 ．A f t e r A 1 h a s b e e n d e t e rm i n e d，t h e o i l v o l u me AV t h a t t h e a c c u mu l a t o r n e e d s t o s u p p l y c o u l d b e e v a l u a t e d a s f o l l o w s AVA s 2 Wh e r e ，s i s t h e s t r o k e o f l a r g e p i s t o n r o d i n F i g u r e 1 o r p l u n g e i n F i gu r e 2． Q3 Q2 Q1 1 ． Hy d r a u l i c p u mp；2，3 ．Re l i e f v a l v e ；4．Re d u c i n g v a l v e； 5 ．A c c u m u l a t o r ； 6 ． Dir e c t i o n a l v a l v e ； 7 ．C o m p o s i t e c y l i n d e r I 8 ． L a r g e p i s t o n r o d F i g u r e 1 ．Hy d r a u l i c l i ft i n g s y s t e m b a s e d o n c o mp o s i t e c y l i n d e r I 1Hy d r a u l i c p ump；2，3Re l i e f v alv e ；4Re d u c i n g v a l v e； 5 A c c u mu l a t o r ； 6 Di r e c t i o n a l v a l v e ； 7C o m p o s i t e c y l i n d e r I I； 8P l u n g e r F i g u r e 2 ．Hy d r a u l i c l i ft i n g s y s t e m b a s e d o n c o mp o s i t e c y l i n d e r Ⅱ Th e n t h e t o t a l v o l u me V0 o f t h e a c c u mu l a t o r i s 『 7 ] V 0 x v P t 一 3 1一 W he r e，Po i s t he c ha r g i n g p r e s s u r e o f t h e a c c u mu l a 。 t o r ， P 2 i s t h e h i g h e s t p r e s s u r e o f t h e a c c u mu l a t o r ． On c e t h e P1 i s d e t e rm i n e d，P0 a n d P2 c o u l d b e o bt a i n e d t h r o u g h t he f o r mu l a 0． 9 P1 PoO． 2 5 P2 ． 5． M a t he ma t i c a l mo d e l o f l i f t i n g c o nd i t i o n I n o r d e r t o a n a l y z e t h e ma t h e ma t i c a l mo de l o f l i fti n g c o n di t i o n，t h e p r e s s u r e l o s s o f o i l t h r o u g h p i p e a n d e a c h d i r e c t i o n a l v a l v e w i l l n o t b e c o n s i d e r e d ． Ac c o r d i n g q u a t i o n o f t o N e w t o n’ s s e c o n d l a w，t h e d y n a mi c e l i f t i n g p a r t c o u l d b e o bt a i n e d m 警 p A I A 一 a s fo llo w s 4 W h e r e，P。i s t h e p u mp p r e s s u r e；P i s t h e p r e s s u r e o f t h e a c c u mu l a t o r ；A l a n d A 2 a r e t h e a c t i n g a