【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及液壓開關變壓技術(數字開關液壓)，尤其是基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路及其工作方法。
技術介紹
1、液壓開關變壓技術理論來源于電力電子技術中的dc/dc變換理論，其通過高速開關閥的頻繁通斷實現液感元件(慣性管、馬達)與液容元件(蓄能器)間的循環充放能，實現系統輸出壓力的調節，該調節方式避免大量節流損耗的出現。液壓開關變壓器以標準化元件模塊化組合形成具備各種功能的回路，理論上該技術能實現100％的變壓效率，且以電信號為開關元件控制信號，可結合pwm、pfm控制手段，便于實現精度更高、方式更為多變的數字控制。符合數字智能控制的時代趨勢，進一步推動液壓工業的現代化發展。
2、為提高液壓開關變換技術的實用性，研究人員借鑒電力電子技術各種結構提出了液壓變壓回路和軟開關回路，如中國專利技術專利cn202110557022.8中公開了一種實現壓力升降的液壓軟開關變壓器及其工作方法，對比電路四開關拓撲結構設計了液壓四閥變壓回路，實現在液壓中的變壓功能，并設計實現軟開關的多閥導通時序；而中國專利技術專利cn202211616170.3中公開的一種基于高速開關閥的高效液壓軟開關變壓回路，借鑒電力電子零流軟開關回路設計含輔助系統的液壓升壓軟開關回路，通過輔助系統開關閥的導通控制液控單向閥的導通達到主開關閥零流開啟的條件。上次方法雖已通過理論分析驗證變壓、軟開關方案的可行性，但目前所存在的液壓開關變壓方案仍存在一些不足或其他局限，主要表現為：
3、(1)現有四閥液壓軟開關變壓器變壓和軟開關功能的實現均依賴于多
4、(2)現有基于增加輔助回路的軟開關升壓回路，雖可以在一定程度上可以改善由于開關閥切換過程引起的節流損失，但這種形式的液壓軟開關存在局限性：輔助回路需要引入許多額外元件，液壓油液粘滯摩擦疊加上元件本身的摩擦副使得回路產生較多額外損耗。
5、(3)在已有關于軟開關回路的研究中，即使解決切換損耗問題，也沒能解決軟開關實現的參數配置問題，這意味著當工作條件發生變換時，需要進行不斷嘗試尋找合適的元件參數，工程實用性不高。
技術實現思路
1、本專利技術提出基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路及其工作方法，回路結構更為簡潔，且有助于提高系統效率并提升軟開關功能的可靠性。
2、本專利技術采用以下技術方案。
3、基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，所述變壓回路包含主變壓系統和與之相連的輔助軟開關系統；所述主變壓系統包括含開關元件的壓力源組件，還包括液感元件、單向閥、液容元件及負載端；
4、所述輔助軟開關系統則包括諧振單元及單向閥；
5、所述壓力源組件為高低壓恒壓網絡油源系統；所述開關元件為高速開關閥a1；所述液感元件由液壓馬達b1和慣性飛輪b2組成；所述液容元件為囊式蓄能器d；所述負載端的設備包括液壓缸、液壓馬達，能以節流閥e作為臨時替代設備；所述諧振單元由液感元件與壓縮容腔ch1組成。
6、所述高低壓恒壓網絡油源系統的恒定高壓源ph連接高速開關閥a1的進油口，高速開關閥a1的出油口分別連接壓縮容腔ch1、液壓馬達b1的進油口及單向閥c1的出油口，液壓馬達b1出油口連接低壓源、負載節流閥e一端，所述負載端使用節流閥時，節流閥e另一端連接濾波蓄能器d，并連接單向閥c1進油口，單向閥c2反并聯于高速開關閥a1。
7、所述變壓回路通過高速開關閥a1的頻繁開關切換來執行系統儲能液感元件馬達慣性飛輪組合、液容元件蓄能器的循環充放能作業，在執行液壓恒壓網絡的變壓功能時，通過改變高速開關閥a1的周期導通時間，即開關閥的占空比，來增加液感元件的最大儲能，進而實現不同負載輸出壓力的調節。
8、所述液壓馬達b1和慣性飛輪b2的組合在單周期完全放能后存在反轉現象，所述高速開關閥a1和馬達b1之間的油路中間設置壓縮容腔ch1，使反轉的液壓馬達b1同容腔ch1發生諧振，驅動容腔ch1的壓力快速上升以平衡閥壓差。
9、所述高速開關閥a1處反并聯有用于防止壓縮容腔ch1壓力過度上升的單向閥c2，單向閥c2在容腔ch1的壓力高于高壓源時導通，以對高速開關閥前后的壓力起鉗位作用，將壓差持續保持為0，消除高速開關閥a1導通時的壓力流量重疊區，從而實現高速開關閥a1的零壓力導通。
10、所述軟開關變壓回路在一個開關周期t內包括液壓馬達加速過程、減速過程、反轉三個不同的工作過程，液壓馬達的加速過程、減速過程用于實現回路變壓功能，而液壓馬達反轉階段則用于解決開關閥切換損耗、提升回路變壓效率。
11、所述軟開關變壓回路的一個開關周期內的動作具體為：
12、步驟a1、高速開關閥a1接受pwm信號保持導通，單向閥c1、c2保持關斷，此時液壓馬達慣性飛輪b1在高低壓差作用下開始加速儲能，低壓源pl為負載節流閥e持續供應壓力；
13、步驟a2、高速開關閥a1保持關斷，此時液壓馬達b1經單向閥c1從負載端的蓄能器d抽取油液，使其兩端的壓差開始減速放能，液壓馬達b1同負載節流閥e、單向閥c1形成通路，給負載供能，單向閥c1保持關斷；
14、步驟a3、高速開關閥a1、單向閥c1保持關斷，由于馬達慣性飛輪b1在步驟a2中減速給負載供能，而在其減速到0時刻，高速開關閥尚未接收到導通pwm信號，此時低壓源pl會給馬達慣性飛輪b1供油讓其反轉，由于閥后容腔ch1的布置，馬達慣性飛輪b1同容腔ch1發生固有諧振，容腔ch1壓力上升至高于高壓源，讓高速開關閥的反并聯單向閥，讓高速開關閥a1保持閥前后壓差為0，為新一個工作周期開關閥的零壓開啟提供條件，一個完整的工作周期結束。
15、基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路的工作方法，用于以上所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述方法中，根據所需最大負載工況確定馬達慣性飛輪組合b1連續供能的最小等量液感值，即排量與轉動慣量關系，使連續供能狀態只存在馬達慣性飛輪組合b1加速儲能、減速放能兩個階段，來實現液壓馬達反轉的過程，即回路斷續供能狀態。
16、工作方法具體包括如下步驟：
17、步驟s1：根據馬達慣性飛輪組合b1及蓄能器d壓力流量關系式，確定高速開關閥導通階段液感壓力、流量、蓄能器流量，進而確定充能階段馬達流量增量δqlm1：
18、
19、
20、式中，pm為馬達所受壓力，qm(t)為馬達流量變化關系，qc(t)為蓄能器流量關系，ph為高壓源壓力，pl為低壓源壓力，d為開關閥占空比，ts為開關閥周期，lm為馬達飛輪組合的等效液感值；
21、步驟s2：根據液壓馬達慣性飛輪組合b1及蓄能器d壓力流量關系式，確定高速開關閥關斷階段液感壓力、流量、蓄能器流量，進而確定放能階段馬達流量增量
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【技術保護點】
1.基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述變壓回路包含主變壓系統和與之相連的輔助軟開關系統；所述主變壓系統包括含開關元件的壓力源組件，還包括液感元件、單向閥、液容元件及負載端；所述輔助軟開關系統則包括諧振單元及單向閥；所述壓力源組件為高低壓恒壓網絡油源系統；所述開關元件為高速開關閥A1；所述液感元件由液壓馬達B1和慣性飛輪B2組成；所述液容元件為囊式蓄能器D；所述負載端的設備包括液壓缸、液壓馬達，能以節流閥E作為臨時替代設備；所述諧振單元由液感元件與壓縮容腔Ch1組成。
2.根據權利要求1所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述高低壓恒壓網絡油源系統的恒定高壓源PH連接高速開關閥A1的進油口，高速開關閥A1的出油口分別連接壓縮容腔Ch1、液壓馬達B1的進油口及單向閥C1的出油口，液壓馬達B1出油口連接低壓源、負載節流閥E一端，
3.根據權利要求1所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述變壓回路通過高速開關閥A1的頻繁開關切換來執行系統儲能液感元件馬達慣性飛輪組合、液容元件蓄能器的循環充放能作業，在執行
4.根據權利要求1所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述液壓馬達B1和慣性飛輪B2的組合在單周期完全放能后存在反轉現象，所述高速開關閥A1和馬達B1之間的油路中間設置壓縮容腔Ch1，使反轉的液壓馬達B1同容腔Ch1發生諧振，驅動容腔Ch1的壓力快速上升以平衡閥壓差。
5.根據權利要求1所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述高速開關閥A1處反并聯有用于防止壓縮容腔Ch1壓力過度上升的單向閥C2，單向閥C2在容腔Ch1的壓力高于高壓源時導通，以對高速開關閥前后的壓力起鉗位作用，將壓差持續保持為0，消除高速開關閥A1導通時的壓力流量重疊區，從而實現高速開關閥A1的零壓力導通。
6.根據權利要求1、2、3、4、5任一項所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述軟開關變壓回路在一個開關周期T內包括液壓馬達加速過程、減速過程、反轉三個不同的工作過程，液壓馬達的加速過程、減速過程用于實現回路變壓功能，而液壓馬達反轉階段則用于解決開關閥切換損耗、提升回路變壓效率。
7.根據權利要求6所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述軟開關變壓回路的一個開關周期內的動作具體為：
8.基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路的工作方法，用于權利要求6中所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述方法中，根據所需最大負載工況確定馬達慣性飛輪組合B1連續供能的最小等量液感值，即排量與轉動慣量關系，使連續供能狀態只存在馬達慣性飛輪組合B1加速儲能、減速放能兩個階段，來實現液壓馬達反轉的過程，即回路斷續供能狀態。
9.根據權利要求8所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路的工作方法，其特征在于：工作方法具體包括如下步驟：
10.根據權利要求9所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路的工作方法，其特征在于：所述工作方法通過確定壓縮容腔的大小，來保證容腔壓力在開關閥關斷階段能充分諧振上升到高壓源壓力，方法包括的具體步驟如下：
...【技術特征摘要】
1.基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述變壓回路包含主變壓系統和與之相連的輔助軟開關系統；所述主變壓系統包括含開關元件的壓力源組件，還包括液感元件、單向閥、液容元件及負載端；所述輔助軟開關系統則包括諧振單元及單向閥；所述壓力源組件為高低壓恒壓網絡油源系統；所述開關元件為高速開關閥a1；所述液感元件由液壓馬達b1和慣性飛輪b2組成；所述液容元件為囊式蓄能器d；所述負載端的設備包括液壓缸、液壓馬達，能以節流閥e作為臨時替代設備；所述諧振單元由液感元件與壓縮容腔ch1組成。
2.根據權利要求1所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述高低壓恒壓網絡油源系統的恒定高壓源ph連接高速開關閥a1的進油口，高速開關閥a1的出油口分別連接壓縮容腔ch1、液壓馬達b1的進油口及單向閥c1的出油口，液壓馬達b1出油口連接低壓源、負載節流閥e一端，
3.根據權利要求1所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述變壓回路通過高速開關閥a1的頻繁開關切換來執行系統儲能液感元件馬達慣性飛輪組合、液容元件蓄能器的循環充放能作業，在執行液壓恒壓網絡的變壓功能時，通過改變高速開關閥a1的周期導通時間，即開關閥的占空比，來增加液感元件的最大儲能，進而實現不同負載輸出壓力的調節。
4.根據權利要求1所述的基于零壓諧振原理的液壓軟開關變壓回路，其特征在于：所述液壓馬達b1和慣性飛輪b2的組合在單周期完全放能后存在反轉現象，所述高速開關閥a1和馬達b1之間的油路中間設置壓縮容腔ch1，使反轉的液壓馬達b1同容腔ch1發生諧振，驅動容腔ch1的壓力快速上升以平衡閥壓差。
5.根據權利要...
【專利技術屬性】
技術研發人員：黃健萌，陳榮柱，杜恒，周時釗，陳鑫，張志忠，魏凌濤，陳瑞鵬，
申請(專利權)人：福州大學，
類型：發明
國別省市：
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