技术领域
[0001] 本
发明涉及机械传动装置技术领域，特别是涉及到液压助
力势能转换装置技术。
背景技术
[0002] 近年来，随着新
能源的快速发展，压缩空气储能、发电技术也不断提高，有很多
现有技术中可以看到很多利用压缩空气膨胀实现推动
水发电的技术。但是这种单独使用压缩空气带水发电的技术中，压缩空气的压强随着气体容积的快速变化会发生剧烈变化，对
液压马达等机械设备的使用寿命会产生较大的损害。
[0003] 在抽水蓄能发电技术不断发展的同时，传统
水轮机的设计依然是限定水轮机发电的最高效率为定
水头发电，不断变化的水头会对水轮机的
叶片产生较大损害，而且这种变水头发电也无法实现较高发电效率。
[0004] 随着城市的不断发展，现代城市的中的楼层不断增高，这种不断加高的楼层也对高层送水提出了更高的要求，使用普通的水
泵送水可能无法实现较高楼层的正常水压用水，对城市居民的日常生活会造成一定程度地不便利。
发明内容
[0005] 鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中压缩空气的压强随着气体容积的快速变化会发生剧烈变化，对液压马达等机械设备的使用寿命会产生较大的损害、不断变化的水头会对水轮机的叶片产生较大损害等问题，提出一种自适应液压势能转换装置，所述自适应液压势能转换装置两端可连接不同势能大小的高-低压势能源，通过控制
阀门的
开关状态，决定各个
液压缸连接到某一势能大小的势能源，从而产生不同大小的压力差值，获得不同方向和大小的合力，从而决定液压传动机构的运动方向和速度变化快慢，使液压传动机构的运动过程实现自适应变化。
[0006] 为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
[0007] 一种自适应液压势能转换装置，所述装置包括由多个不同截面积的液压缸组成的第一组液压缸和第二组液压缸、第一势能源、第二势能源、连接各液压缸的多个阀门、各液压缸中的
活塞以及连接活塞的
活塞杆，其中，
[0008] 第一组液压缸通过阀门连接至第一势能源，
[0009] 第二组液压缸通过阀门连接至第二势能源，
[0010] 第一组液压缸与第二组液压缸的活塞杆
串联连接，
[0011] 第一势能源通过减少势能推动第一组液压缸和第二组液压缸，第二势能源因第一组液压缸和第二组液压缸的运动增加势能，
[0012] 根据第一势能源和第二势能源运行中的压强变化，通过所述多个阀门调整第一组液压缸、第二组液压缸的和面积比，使两组势能源在活塞杆上产生的力能够最大限度相互抵消，在活塞运动中实现
能量在两组势能源间转移最大化；
[0013] 所述自适应液压势能转换装置还包括液压机构控制单元和运行参数测量附属单元，液压机构控制单元控制活塞运动的速度和方向，通过提供额外能量以实现液压机构的稳定运行并控制势能转换效率，运行参数测量附属单元通过对液压机构控制单元的输出功率或者压强或者水泵转矩进行检测，结合阀门状态和运行速度进行分析，制定正确的阀门开关策略，以确定和面积比，保证能量在两组势能源间传递效率最大化。
[0014] 所述多个不同截面积的液压缸中的每一个固定地属于第一组液压缸或第二组液压缸，第一势能源和第二势能源中的液体可以是不同类型液体。
[0015] 所述多个不同截面积的液压缸中的每一个不固定地属于第一组液压缸或第二组液压缸，第一势能源和第二势能源中的液体是相同类型液体。
[0016] 所述第一势能源和第二势能源均包括储液容器对，所述储液容器对的对端容器中的液体处于不同的压强下，其中两组势能源可以共用其中一个容器，共四个容器中分属两个势能源的容器可以有一个共用。
[0017] 所述自适应液压势能转换装置中的所述多个阀门的开闭为：
[0018] 第一势能源对端容器内的液体压强差为P1，第二势能源对端容器内的液体压强差为P2，第一组液压缸中各液压缸的液压面积为SA1,SA2,SA3,...,SAm，第二组液压缸中各液压缸的液压面积为SB1,SB2,SB3,...,SBn，m为第一组液压缸的数目，n为第二组液压缸的数目，通过开闭阀门从第一组液压缸中的SA1,SA2,SA3,...,SAm选择部分液压面积接通第一势能源，从第一组液压缸中的SB1,SB2,SB3,...,SBn选择部分液压面积接通第二势能源，两者组合有m*n种，其中P2*SBj-P1*SAi在一个范围内的有k种，i和j分别属于m和n，其中k为正整数，在这k种中选择SAi最大的组合，在这些组合中选择P2*SBj-P1*SAi的绝对值最小的那个组合，从而确定SBj，进而确定各个阀门开合的状态。
[0019] 其中，所述液压机构控制单元有改变加在活塞上的纵向力和改变第二组液压缸中一个缸的液体压强、流量实现液体流动控制两种方式，其中，
[0020] 改变加在活塞上的纵向力的方式，可以由下面几种方式中之一实现，通过直线
电机控制活塞杆运动，或者通过额外液压控制系统，或者旋转电机通过皮带或者
齿轮转换后控制活塞杆运动；
[0021] 改变第二组液压缸中一个缸的液体压强流量方式，可以在第二组液压缸中一个缸体的连接管道上增加一个液体泵，采用变频调速控制
液压泵，或者在连接管道上增加
比例阀和液体泵组合，实现比例调节，或者增加伺服系统和液体泵组合，实现伺服控制；
[0022] 液压控制系统通过额外功率输出抵消掉第二势能源所产生的压力与第一势能源所产生的压力之差，通过控制活塞运行速度控制势能转换速率。
[0023] 所述多个不同截面积的液压缸中的每一个两端共有两组高压端口和低压端口，所述高压端口连接至高压管道总线，所述低压端口连接至低压管道总线，当所述液压缸运动至
活塞行程终点时，所述多个阀门开闭，使得液压缸另一端的高压端口和低压端口开启，原高压端口和低压端口关闭，推动液压缸中的活塞向相反行程方向运动，以此实现活塞往复运动。
[0024] 所述第一势能源的储液容器对中两个容器内的液体压强差可以允许在工作中不断变化，在活塞运行一次行程中，变化的压强导致的转换功率的变化主要由液压机构控制单元的输出功率弥补，在一次行程完成后，按照最后的状态确定下一行程的阀门开关策略，确保实现新压强状态下最优的阀门开关策略。
[0025] 通过采用本发明的自适应液压势能转换装置，能够实现以下技术效果。
[0026] 1本发明通过自适应液压势能转换装置可以实现两组或多组不同势能大小的能量转换和传递，也可以用于不同液压
流体之间的能量转换，而且起到了能够连续调节的作用，从而也大幅度地提高了本发明的使用范围，提高了本发明的经济效益。
[0027] 2本发明可以作为储能技术的辅助建设，实现某些工作原理下的储能技术的应用。
[0028] 3本发明作为工程实施可以实现就地安装，对地势条件的要求低，降低了建设难度，减少建设成本。
[0029] 4本发明可以用于各种需要利用高压势能源将低压势能源能量提高的工程场地，例如高压抽水等工程中。能够快速便捷地实现高低压势能之间的平稳、可调地转换。
附图说明
[0030] 图1是本发明具体实施方式中自适应液压势能转换装置混合连接方式示意图。
[0031] 图2是本发明具体实施方式中自适应液压势能转换装置固定连接方式示意图。
[0032] 图3是本发明具体实施方式中自适应液压势能转换装置的结构简图。
[0033] 图4是本发明具体实施方式中的一种，即通过自适应液压势能转换装置将不断变化的压强转换成恒定压强的情况。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图，对本发明作详细说明。
[0035] 以下公开详细的示范
实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
[0036] 然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是
覆盖落入本公开范围内的所有
修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0037] 同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
[0038] 本发明的中的附图标记所代表的含义为：
[0039] I-高压端口，
[0040] II-低压端口，
[0041] III-高压管道总线，
[0042] IV-低压管道总线，
[0043] 1a-储液容器，
[0044] 1b-储液容器，
[0045] 2-自适应液压势能转换装置，
[0046] 3-高处水池，
[0047] 4-低处水池，
[0048] 5-阀门，
[0049] 6-活塞，
[0050] 7-活塞杆，
[0051] 8-液压伺服系统，
[0052] 9-液压缸。
[0053] 以上零部件名称中，例如阀门5是一个统称，实际上包括阀门5a、5b、5c、……、5p，液压缸9也是一个统称，实际上包括9a、9b、9c、9d四个液压缸。
[0054] 以上配置中，液压缸为四个，但这仅仅是为了方便说明本发明技术方案的一个示例，实际上，可以利用多个不同数量的液压缸来实施本发明的技术方案。
[0055] 本发明的自适应液压势能转换装置的工作原理为如下。
[0056] 在自适应液压势能转换装置一端接入第一势能源，另一端接入第二势能源。第一势能源或第二势能源中的液体通过高、低压管道总线和阀门与自适应液压势能转换装置的液压缸相连接。通过
控制阀门的开关状态决定自适应势能转换装置中的液压缸与之相连接的势能源。在液压传动机构开始运动的初始时刻，为了提高运动的快速性，需要有比较高的
加速度，此时，将若干液压缸连接到具有较高压强的势能源，从而产生较大的压力差值，推动整个液压传动机构的运动。待液压传动机构运动到一定速度后，为了实现恒定匀速的运动过程，需要减小第一势能源产生的压力和第二势能源产生的压力之差，尽量使第一势能源产生的压力和第二势能源产生的压力均衡，此时需要调整各个液压缸的阀门开关状态，使得第一势能源产生的压力和第二势能源产生的压力之差尽可能地减小，实现恒定匀速的运动过程。待液压传动机构接近运动行程的终点时，需要快速平稳地实现液压传动机构的减速运动，此时，调整各个液压缸的阀门状态，改变液压缸所连接的势能源中的压强高/低的元件，从而改变液压传动机构所受合力的方向，使得液压传动机构在一定阻力下实现减速运动，最终实现液压传动机构的平稳停止。这一过程中，通过液压缸中流体的运动实现自适应势能转换装置两端的第一势能源和第二势能源之间的能量传递，完成做功过程。
[0057] 待液压传动机构停止后，此时自适应势能转换装置两端的势能源能量传递方向进行对调，开始逆过程运动，开始下一轮的能量传递过程，液压传动机构运动的逆过程需要同样的控制策略。
[0058] 本发明实现的另一种工作原理是这样的：在液压传动机构运动初始阶段，设定好各个阀门开关状态，待液压传动机构开始运动后，由液压传动机构所连接的电机作为补偿力进行运动过程中实现加速、减速过程的工具方法。当需要液压传动机构进行加速运动时，电机运动方向与液压传动机构的运动方向相同；当需要液压传动机构进行减速运动时，电机运动方向与液压传动机构的运动方向相反。此电机可用直线电机或
曲柄电机实现。
[0059] 图3为本发明一个具体实施方式中自适应液压势能转换装置的结构简图。如图3所示，自适应液压势能转换装置采用分组连接方式，将图中4个液压缸分为两组，其中两个液压缸(9a、9b)为一组，称为第一组液压缸，连接储液容器(1a、1b)组成的势能源A，也被称为第一势能源。液压缸(9c、9d)为一组，称为第二组液压缸，连接高处水池3和低处水池4组成2 2
的势能源B，也被称为第二势能源。其中液压缸9a的与9b的液压面积分别为1m 和3m ，液压缸
9c的液压面积与9d的液压面积比分别为1m2:3m2。
[0060] 第一势能源包括储液容器(1a、1b)，其中内为水气共存的介质。我们称第一势能源包括储液容器对(1a、1b)，且称储液容器1a和1b互为对端储液容器。其中储液容器1a内气体压强为1.6MPa，储液容器1b内气体压强为0.1MPa，其中储液容器1a内为封闭的高压容器罐，储液容器1b则直接与大气相连，且忽略两者的高度差。第二势能源包括高处水池3和低处水池4，相应地，高处水池3和低处水池4也组成储液容器对。高处水池3和低处水池4之间的高度差为40.8m，且两者直接与大气连接。
[0061] 本发明具体实施方式中自适应液压势能转换装置在液压传动机构运动过程中通过控制阀门的开关状态控制液压缸所连接的势能源，实现液压传动机构的自适应运动，完成两端势能源的能量传递，并且实现两个势能源间势能转换速率最大化的效果。具体过程为：储液容器1a内的高压气体膨胀推动液体进入液压缸，驱动活塞运动，从而将液体从低处水池4抽到高处水池3中，完成高压气体势能到重力势能的转化。期间通过阀门控制策略使得活塞杆上所受到的合力最小，同时使得势能转换速率最大化。
[0062] 例如储液容器1a内的高压气体膨胀，其压强从1.6MPa降至0.2Mpa，则储液容器1a与1b的压强差从1.5MPa降至0.1MPa，即P1(第一势能源对端储液容器间的压强差)的值为1.5MPa到0.1MPa，不断减小。又因为高处水池3和低处水池4之间的高度差为40.8m，且两者直接与大气连接，所以高处水池3与低处水池4两者的压强差为0.4MPa，且认为恒定不变，即P2(第二势能源对端储液容器间的压强差)为0.4MPa。
[0063] 另外，液压缸9a与9b可以组合成1m2、2m2、3m2和4m2等4个面积，将液压缸9a与9b的和面积记作SA，同理液压缸9c和9d也是如此，将其和面积记作SB。
[0064] 以下介绍本发明具体实施方式中自适应液压势能转换装置的工作机理。
[0065] 设液压伺服系统所能补偿活塞
连杆上的补偿力Fe为4×105N。
[0066] 储液容器1a中高压气体初始压强为1.6MPa，则储液容器1a与1b初始压强差为1.5MPa，又因为高处水池3和低处水池4之间的压强差为0.4MPa，根据阀门控制策略知道，要使得P2*SB-P1*SA小于Fe，同时使得P2*SB-P1*SA大于0，可以选择和面积分别为SA＝1m2、SB＝4m2。
[0067] 所以初始状态时阀门5b、5c、5g、5h、5j、5k、5n、5o开启，阀门5a、5d、5e、5f、5i、5l、5m、5p关闭，这样即实现了SA和SB各自的面积。
[0068] 初始状态情况下，合力大小为1*105N，方向为沿着活塞杆从右向左，该部分的合力由液压伺服系统补偿，且活塞由左向右做运动，到最右端的时候，阀门5a、5d、5i、5l、5m、5p开启，阀门5b、5c、5j、5k、5n、5o关闭，即所有的阀门状态为阀门5a、5d、5e、5f、5i、5l、5m、5p开启，阀门5b、5c、5g、5h、5j、5k、5n、5o关闭，从而活塞通过阀门开关变化运动方向发生改变，从右往左做运动。如此循环，活塞作反复运动。
[0069] 随着活塞的反复运动，低处水池4的液体被送入到高处水池3中，储液容器1a的液体进入储液容器1b中，且储液容器1a中的压强减小。当压强减小到1.3MPa，即储液容器1a和1b之间的压强差减低到1.2MPa时，根据阀门控制策略知，要使得P2*SB-P1*SA小于Fe，同时使得P2*SB-P1*SA大于0，这时候满足该要求的和面积选择有SA＝1m2、SB＝4m2或者SA＝1m2、SB＝3m2。再根据势能转换速率最大的原则，选择面积组合为SA＝1m2、SB＝4m2。虽然在压强差为1.2MPa的情况下，能满足的液压伺服系统出力要求的和面积比有两组，但是最终选择的和面积比和初始状态下的和面积比没有变化，所以阀门不动作。
[0070] 当压强继续降低到1.2MPa到0.8MPa之间时，同样根据阀门控制策略知，选择的面积分别为SA＝1m2、SB＝3m2，所以阀门的开关需要发生变化。假设这个时候阀门状态为阀门5b、5c、5g、5h、5j、5k、5n、5o开启，阀门5a、5d、5e、5f、5i、5l、5m、5p关闭。则因为压强差降低到1.2MPa到0.8MPa之间而发生的阀门变化为阀门5k关闭、阀门5i开启，即所有的阀门的状态为阀门5b、5c、5g、5h、5i、5j、5n、5o开启，阀门5a、5d、5e、5f、5k、5l、5m、5p关闭。从而活塞从左向右做运动，到最右端的时候，阀门5a、5d、5m、5p开启，阀门5b、5c、5n、5o关闭，即所有的阀门状态为阀门5a、5d、5g、5h、5i、5j、5m、5p开启，阀门5b、5c、5e、5f、5k、5l、5n、5o关闭。
从而活塞通过阀门开关变化运动方向发生改变，从右往左做运动。如此循环，活塞作反复运动。
[0071] 因此，本发明的具体实施方式中公开了一种自适应液压势能转换装置，所述装置包括由多个不同截面积的液压缸组成的第一组液压缸和第二组液压缸、第一势能源、第二势能源、连接各液压缸的多个阀门、各液压缸中的活塞以及连接活塞的活塞杆，其中，[0072] 第一组液压缸通过阀门连接至第一势能源，
[0073] 第二组液压缸通过阀门连接至第二势能源，
[0074] 第一组液压缸与第二组液压缸的活塞杆串联连接，
[0075] 第一势能源通过减少势能推动第一组液压缸和第二组液压缸，第二势能源因第一组液压缸和第二组液压缸的运动增加势能，
[0076] 根据第一势能源和第二势能源的势能改变，通过所述多个阀门调整第一组液压缸、第二组液压缸的和面积比。
[0077] 因而本发明通过自适应液压势能转换装置可以实现两组或多组不同势能大小的能量转换和传递，也可以用于不同液压流体之间的能量转换，而且起到了能够连续调节的作用，从而也大幅度地提高了本发明的使用范围，提高了本发明的经济效益。
[0078] 如此重复上面的步骤，储液容器1a中的压强逐渐减小，储液容器1a和1b的压强差也逐渐减少，压强差变化范围内所对应的第一组液压缸与第二组液压缸和面积比以及最优的和面积比具体如下表(1)所示。相对于不同的和面积对应着不同阀门开关状态，如表(2)所示。
[0079] 表(1)不同压强差对应的面积比以及最优和面积比选择
[0080]
[0081]
[0082] 表(2)不同面积所对应阀门开闭状态
[0083]
[0084]
[0085] 储液容器1a中的压强逐渐减小，储液容器1a和1b的压强差逐渐减少至0.1MPa，工作完成。在这个过程中，储液容器1a中的高压气体膨胀，低处水池4的水不断地被抽送到高处水池3，完成了高压势能到液体重力势能的转换。同时通过阀门控制策略实现自适应的功能，同时使得外部供给能量最小的情况下，势能转换速率达到最大化。
[0086] 图4是本发明具体实施方式中的一种，即通过自适应液压势能转换装置将不断变化的压强转换成恒定压强的情况。图中左侧为不规则山体，山体中的流水接入到高压端口中I中，由于山体不规则、且流水情况多变，所以接入到高压端口I中的压强是变化的。图中右侧的山体的顶部设置有一个水池，水池接入到高压端口I中，由于山体的水池高度一定，所以所产生的压强为恒定。
[0087] 本实施方式中自适应液体势能转换装置将压强不断变化的势能源的能量转换成压强恒定的势能源的能量。如图1所示，在一个具体实施方式中，所述多个不同截面积的液压缸中的每一个不固定地属于第一组液压缸或第二组液压缸，例如某一个液压缸根据需要可以属于第一组液压缸，也可以属于第二组液压缸，可以连接至第一势能源，也可以连接至第二势能源，因此第一势能源和第二势能源中的液体可能会混合，因此在此具体实施方式中，所述第一势能源和第二势能源中的液体是相同类型液体。
[0088] 如图2所示，在另一个具体实施方式中，所述多个不同截面积的液压缸中的每一个固定地属于第一组液压缸或第二组液压缸，例如某一个液压缸只能属于第一组液压缸，或者只能属于第二组液压缸，相应地，只能连接至第一势能源和第二势能源，因此第一势能源和第二势能源中的液体不会混合，所述第一势能源和第二势能源中的液体可以是不同类型液体。
[0089] 所述第一势能源和第二势能源均包括储液容器对，所述储液容器对的对端容器中储有不同压强的液体。
[0090] 另外，所述第一势能源的储液容器对中对端容器内的液体压强差由对端容器中的气体压强实现，所述第二势能源的储液容器对中对端容器内的液体压强差由对端容器的高度差来实现。
[0091] 改变加在活塞上的纵向力的方式，可以由下面几种方式中之一实现，通过直线电机控制活塞杆运动，或者通过额外液压控制系统，或者旋转电机通过皮带或者齿轮转换后控制活塞杆运动。
[0092] 改变第二组液压缸中一个缸的液体压强流量方式，可以在第二组液压缸中一个缸体的连接管道上增加一个液体泵，采用变频调速控制液压泵，或者在连接管道上增加比例阀和液体泵组合，实现比例调节，或者增加伺服系统和液体泵组合，实现伺服控制。
[0093] 液压控制系统通过额外功率输出抵消掉第二势能源所产生的压力与第一势能源所产生的压力之差，通过控制活塞运行速度控制势能转换速率。
[0094] 所述自适应液压势能转换装置还包括运行参数测量附属单元和液压伺服单元，所述运行参数测量附属单元对液压机构控制单元的输出功率或者压强或者水泵转矩进行检测，结合阀门状态和运行速度进行分析，制定正确的阀门开关策略，以确定和面积比，保证能量在两组势能源间传递效率最大化，所述液压伺服单元根据运行参数测量附属单元的功率检测结果，控制所述多个阀门的开闭。
[0095] 所述液压伺服单元控制所述多个阀门的开闭为：第一势能源对端容器内的液体压强差为P1，第二势能源对端容器内的液体压强差为P2，第一组液压缸中各液压缸的液压面积为SA1,SA2,SA3,...,SAm，第二组液压缸中各液压缸的液压面积为SB1,SB2,SB3,...,SBn，m和n分别为第一组液压缸和第二组液压缸的数目，通过开闭阀门从第一组液压缸中的SA1,SA2,SA3,...,SAm选择部分液压面积接通第一势能源，从第一组液压缸中的SB1,SB2,SB3,...,SBn选择部分液压面积接通第二势能源，两者组合有m*n种，其中P2*SBj-P1*SAi在一个范围内的有k种，i和j分别属于m和n，其中k为正整数，在这k种中选择SAi最大的组合，在这些组合中选择P2*SBj-P1*SAi的绝对值最小的那个组合，从而确定SBj，进而确定各个阀门开合的状态。
[0096] 其中，所述液压伺服单元通过控制所述多个阀门的开闭，使得第二势能源所产生的压力减去第一势能源所产生的压力和液压伺服系统的补偿力后获得期待的驱动力，以控制势能转换速率。
[0097] 特别地，所述第一组液压缸包括第一液压缸和第二液压缸，所述第二液压缸组包括第三液压缸和第四液压缸，所述第一液压缸与第二液压缸的液压面积比为1：3，所述第三压液缸和第四液压缸的液压面积比为1：3。
[0098] 所述多个不同截面积的液压缸中的每一个两端共有两组高压端口和低压端口，所述高压端口连接至高压管道总线，所述低压端口连接至低压管道总线，当所述液压缸运动至活塞行程终点时，所述多个阀门开闭，使得液压缸另一端的高压端口和低压端口开启，原高压端口和低压端口关闭，推动液压缸中的活塞向相反行程运动，以此实现活塞往复运动。
[0099] 因此，本发明的自适应液压势能转换装置可以用于各种需要利用高压势能源将低压势能源能量提高的工程场地，例如高压抽水等工程中。能够快速便捷地实现高低压势能之间的平稳、可调地转换。
[0100] 需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。
