CN102561444A - 具有能量回收的挖掘机回转系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挖掘机回转系统及其控制方法,为解决现有液压挖掘机用于回转平台回转的能量无法回收造成大量能量损失的问题，本发明公开一种具有能量回收的挖掘机回转系统，其包括动力装置、液压泵、液压驱动装置、控制装置和蓄能器，液压驱动装置是可作为液压马达或液压泵双作用使用的液压泵/马达，控制装置在回转平台启动或加速转动时使液压泵/马达处于马达工作状态，在回转平台减速制动时使液压泵/马达处于泵工作状态，液压泵/马达处于马达工作状态时的进油口同时与蓄能器与液压泵相连。本发明同时还提供与该系统相适应的控制方法，利用该回转系统与控制方法，可实现回转能量及液压泵的盈余流量回收利用，降低机器能耗提高效率。

Description

具有能量回收的挖掘机回转系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压挖掘机，特别涉及一种具有能量回收的挖掘机回转系统及其控制方法。

技术背景

在现有的液压挖掘机中，通过动力装置驱动液压泵对液压挖掘机的动臂油缸、行走系统、回转系统等进行供油，使这些受油液压装置得以运转。在现有的液压系统中，存在巨大的能量损失，其主要表现在两方面，其一是回转马达起动以及动作过程中，由于液压泵输出的流量大于回转马达所需流量而产生的溢流损失；另一点就是回转平台在减速制动过程中，回转平台的回转动能由于未被吸收转换成热能而引起的能量损失。而液压挖掘机在工作过程中，回转平台转动频繁，能耗巨大，用于回转平台回转的能量几乎全部转变成热能，使系统温度提高，为了降低油温、散热，又将引起附加能量的消耗，因此实现回转平台节能具有相当重要意义。

发明内容

本发明的目在于针对现有液压挖掘机用于回转平台回转的能量无法回收造成大量能量损失的问题，而提供一种能够回收用于回转平台回转的能量的挖掘机回转系统及该回转系统的控制方法。

本发明的技术方案是这样实现的：构造一种具有能量回收的挖掘机回转系统，包括动力装置、由动力装置驱动的液压泵、与液压泵连接用于驱动回转平台转动的液压驱动装置、对液压驱动装置进行控制的控制装置，另外该回转系统还包括一蓄能器，液压驱动装置是可作为液压马达或液压泵双作用使用的液压泵/马达，在回转平台启动与加速转动时控制装置使所述液压泵/马达处于马达工作状态，在回转平台减速制动时控制装置使液压泵/马达处于泵工作状态，所述液压泵/马达处于马达工作状态时的进油口同时与蓄能器与液压泵相连。本发明通过蓄能器与液压泵/马达的组合，在回转平台减速制动时，液压泵/马达起泵的作用，由回转平台驱动，将液压油输入到蓄能器中，将回转平台的回转动能转化为液压势能，在回转平台启动或加速转动时，液压泵/马达起马达的作用，蓄能器中的液压油流向液压泵/马达，对其做功，使其液压势能转化为回转平台的动能，实现回转平台的回转动能的回收与利用，另外蓄能器还可以在液压泵/马达作为马达作用时将液压泵提供的大于液压泵/马达需求的流量吸收到其中，将液压泵提供盈余的液压能转化为势能储存在蓄能器中，以备需要时释放。在本发明中，蓄能器还可以与液压挖掘机的工作装置、行走系统的液压油路相通，在挖掘机进行挖掘作业、行走时释放其所储存的能量，用于挖掘作业的动臂油缸或行走马达。本发明通过设置蓄能器回收并利用回转平台的回转动能以及液压泵的盈余流量，以减少挖掘机的能耗损失，实现机械节能。

作为更进一步的技术改进，本发明中的动力装置为并联式混合动力装置，其包括动力并联输出的发动机与电动/发电机，电动/发电机与蓄电装置连接。通过采用混合动力装置，在机器高负荷时，电动/发电机起电动机的作用，由蓄电装置供电驱动，提高动力装置的输出功率，而在低负载时起发电机的作用，吸收发动机的盈余输出并转化为电能进行储存，这样可维持发动机稳定在高效区附近工作，降低液压泵提供的流量因发动机转速变化因素产生的影响，减少液压泵的流量损失。

在本发明中，控制装置包括操作手柄、操作手柄与左右动作感应器连接，控制器与传感器连接，接收感应器的电信号，并由此判断驾驶员对回转平台进行的回转启动加速还是减速制动的操作期望，并根据操作期望发出相关电信号至比例电磁阀，通过比例电磁阀控制液压泵/马达的工作状态以及排量。

在本发明中，控制装置还可以包括一个用于检测回转平台转速的速度感应器，速度感应器与控制器相连。控制器通过速度感应器检测获得回转平台的实际回转速度，同时也通过获得操作手柄作用动作传感器的电信号计算出驾驶员对回转平台转动的期望回转速度，比较期望回转速度和实际回转速度的差值，并根据差值相应地控制液压泵/马达的排量，以实现闭环控制。

在本发明中，蓄能器与液压泵/马达之间还可以连接有开关电磁阀，开关电磁阀与所述控制装置电连接，可由控制器控制其属于关闭或开启状态，蓄能器不吸收液压泵的盈余流量和液压泵/马达作为泵使用时输出的液压油以及蓄能器也不对外释放其能量时，开关电磁阀处于关闭状态，蓄能器需要吸收液压泵的盈余流量和液压泵/马达作为泵使用时输出的液压油以及蓄能器需要对外释放其能量时开关电磁阀处于导通开启状态。

在本发明中，蓄能器上连接有溢流阀，溢流阀可作为安全阀，防止蓄能器中的压力过高造成爆炸。

本发明为解决所述技术问题，同时还提供一种具有能量回收的挖掘机回转系统的控制方法，该方法包括的步骤如下：获取挖掘机驾驶员对回转平台的操作意图；根据驾驶员的操作意图进行如下操作：操作意图为启动或加速回转平台的转动时，液压泵/马达的控制装置使液压泵/马达处于马达工作状态从液压泵和蓄能器处获得液压油的输入；当操作意图为对回转平台的减速制动操作时，液压泵/马达的控制装置使液压泵/马达处于泵工作状态将液压油输入到蓄能器中。

在上述的控制方法，对液压泵/马达的控制还可以采取闭环控制，即在获取驾驶员操作意图的步骤中，通过检测操纵手柄先导压力传感器的感应压力值，计算出驾驶员期望的回转速度期望值，同时通过速度传感器检测回转平台的回转速度实际值，比较计算回转速度期望值与回转速度实际值的差值，控制装置根据差值的大小采用比例积分微分PID方法计算输出相应的电信号以控制液压泵/马达的变量机构改变其排量。

本发明与现有技术相比，本发明中的回转系统及其控制装置具有如下有益效果：

1、本发明回转系统中通过蓄能器与驱动回转平台的液压泵/马达的组合，吸收并利用回转平台减速制动时的动能以及液压泵的盈余流量，减少系统的能耗损失，使机器更节能，另外将其吸收的能量用于回转平台启动或加速，使回转平台在启动或加速时获得更大的流量，缩短启动或加速的时间。 

2、本发明中的控制方法，采用闭环控制，能够精确快速地对回转平台的转动动作进行控制。

附图说明

图1是本发明具有能量回收的挖掘机回转系统的工作原理图。

图中零部件名称及序号：

发动机1、电动/发电机2、液压泵3、溢流阀4、蓄能器5、开关电磁阀6、速度感应器7、操纵手柄8、左先导压力传感器9、先导阀10、控制器11、右先导压力传感器12、比例电磁阀13、变量油缸14、液压马达/ 泵15、减速机构16、回转平台17、逆变器19、超级电容18。 

具体实施方式

以下结合附图及实施例描述本发明具有能量回收的挖掘机回转系统及其控制方法。

如图1所示，本实施例中具有能量回收的挖掘机回转系统包括动力装置，动力装置包括发动机1和与发动机并联输出的电动/发电机2，电动/发电机2通过逆变器19与超级电容18连接，动力装置驱动液压泵3转动，使液压泵能够向液压系统中的受油装置供油，回转平台的驱动装置通过减速机构16与回转平台16连接，驱动装置为液压泵/马达15，液压泵/马达15处于马达工作状态时的进油口同时与蓄能器5与液压泵3相连。液压泵/马达15与蓄能器5之间还连接有开关电磁阀6，在蓄能器5不吸收液压泵3的盈余流量和液压泵/马达15作为泵使用时输出的液压油以及蓄能器5也不对外释放其能量时，开关电磁阀6处于关闭状态，蓄能器5需要吸收液压泵3的盈余流量和液压泵/马达15作为泵使用时输出的液压油以及蓄能器需要对外释放其能量时开关电磁阀处于导通开启状态。在蓄能器15上设有作为溢流阀4。控制装置包括操作手柄8，手柄8的末端连接先导阀9，手柄8可作用摆动，在先导阀上设置有左先导压力传感器12和右先导压力传感器10，左先导压力传感器12和右先导压力传感器10与控制器11相连，控制器11同时与检测回转平台回转速度的速度感应器7和与控制液压泵/马达15的比例电磁阀13相连接。

在本实施例中电动/发电机2可以工作在电动或发电状态，当负载较大时，电动机2工作在电动状态，超级电容18提供的电能通过逆变器19逆变后，控制电动机2得到期望的转速和转矩，与发动机1共同作用并联输出，驱动液压泵3工作，维持发动机1稳定在高效区附近工作，降低发动机1转速变化，从而也降低液压泵3提供的流量因发动机1转速变化的影响；当负载较轻时，电动/发电机工作在发电状态，通过逆变器19可以将发动机1多余能量转化为电能储存在超级电容18中。液压泵3可泵送液压油，使液压泵/马达15驱动回转平台转动。控制器11通过检测操纵手柄左先导压力传感器12和右先导压力传感器10信号，以及通过速度传感器7获取回转平台的实际转速，由此推断出驾驶员的操作意图，并向比例电磁阀13发送相应的控制信号，控制液压泵/马达15的工作，具体为当操作者的操作意图为启动或加速回转时，控制器11输出电流控制信号驱动比例电磁阀13，推动液压泵/马达15的变量油缸14中活塞和斜盘，使斜盘增大一定的倾角，液压泵/马达15排量增大，从而实现加速，同时控制器也同时发送控制信号开启开关电磁阀6，使蓄能器5与液压泵3同时向液压泵/马达15，减少启动加速的时间。当控制器对驾驶员的操作意图作出的是减速制动操作意图时，控制器11输出电流控制信号驱动比例电磁阀13，推动液压泵/马达15的变量油缸14中活塞和斜盘，使斜盘减少一定的倾角，液压泵/马达15排量减少，或使斜盘处于负倾角的范围，使液压泵/马达15处于泵的工作状态，同时控制器也同时发送控制信号开启开关电磁阀6，使液压泵3的多余流量和液压泵/马达15作为泵工作时泵送的液压油进入到蓄能器5中得以存储。

本实施例中，对液压泵/马达15控制方法是采用闭环控制，具体如下：

控制器11通过检测手柄操纵左先导压力传感器12和右先导压力传感器10信号，转换为相应的压力值，通过控制器11计算，获得操作者期望的回转速度。利用速度感应器7（如光电编码器）检测液压泵/马达15的转速，获得回转平台17的实际回转速度，与操纵者期望的转速一起送入控制器11，由控制器11的比例积分微分PID调节器进行运算后输出控制信号，由控制器11输出电流控制信号驱动比例电磁阀13，控制液压泵/马达15的变量机构，改变其排量，实现回转平台17速度闭环控制，调节回转速度。

当控制器11计算获得操作者期望的回转速度高于速度感应器实际测得的转速时，其速度差值△                                                

>0，此时驾驶员的操作意图为启动或加速回转平台的回转。这时由控制器11的比例积分微分PID调节器进行运算后输出控制电流I，控制比例电磁阀13，使变量油缸14活塞两端产生压力差，从而推动液压泵/马达15的斜盘增大一定的倾角，液压泵/马达15排量增大，直到控制器设定的转速与实际测得的转速相等，此时液压泵/马达15的变量油缸14中活塞和斜盘停留在某一位置，液压泵/马达以设定的转速工作。此时控制器也发送控制信号使开关电磁阀6开启，使液压泵3和蓄能器5同时向液压泵/马达15供油，减少回转系统的加速时间。

当控制器11计算获得操作者期望的回转速度低于速度感应器实际测得的转速时，其速度差值△

<0，此时驾驶员的操作意图为减速或制动回转平台的回转。此时将控制器11输出控制信号，控制比例电磁阀13换向。液压泵/马达15斜盘倾角向负倾角摆动，液压泵/马达15进出油口互换，液压泵/马达15由马达工况转换为泵工况。控制器11根据计算获得操作者期望的回转速度与速度传感器实际测得的转速差△

，由控制器11的比例积分微分PID调节器进行运算后输出控制电流I，调节液压泵/马达15的排量，直到液压泵/马达15的输出扭矩和负载扭矩再次达到平衡，实际转速信号

与设定转速相等，两者转速之差△

=0，回转平台17匀速运动或停止，在这过程中，此时控制器也发送控制信号使开关电磁阀6开启，液压泵/马达15利用惯性能向液压蓄能器5充液，同时蓄能器也吸收液压泵3的盈余流量，实现制动能量以及液压泵盈余流量的回收，这部分能量在回转平台17起动或加速时使用。

在本发明中，蓄能器中存储的能量还可用于挖掘机的工作装置、行走系统，例如在工作装置进行挖掘和提升时，蓄能器可以与液压泵一起向动臂油缸等受油装置供油，也可以在机器行走时可以与液压泵一起向行走马达供油。

Claims (8)

1.一种具有能量回收的挖掘机回转系统，包括动力装置、由动力装置驱动的液压泵、与液压泵连接用于驱动回转平台转动的液压驱动装置、对液压驱动装置进行控制的控制装置，其特征在于还包括一蓄能器，所述液压驱动装置是可作为液压马达或液压泵双作用使用的液压泵/马达，在回转平台启动或加速转动时控制装置使所述液压泵/马达处于马达工作状态，在回转平台减速制动时控制装置使液压泵/马达处于泵工作状态，由回转平台驱动液压泵/马达转动向蓄能器泵送液压油，所述液压泵/马达处于马达工作状态时的进油口同时与蓄能器与液压泵相连。

2.根据权利要求1所述的具有能量回收的挖掘机回转系统，其特征在于，所述的动力装置为并联式混合动力装置，其包括动力并联输出的发动机与电动/发电机，所述电动/发电机与蓄电装置连接。

3.根据权利要求1所述的具有能量回收的挖掘机回转系统，其特征在于，所述控制装置包括操作手柄、控制器、与控制器电连接用于检测操作手柄左右动作的感应器、与控制器电连接用于控制液压泵/马达工作状态的比例电磁阀。

4.根据权利要求3所述的具有能量回收的挖掘机回转系统，其特征在于，所述控制装置还包括一个用于检测回转平台转速的速度感应器，所述速度感应器与所述控制器相连。

5.根据权利要求1所述的具有能量回收的挖掘机回转系统，其特征在于，所述蓄能器与液压泵/马达之间连接有开关电磁阀，所述开关电磁阀与所述控制装置电连接。

6.根据权利要求1所述的具有能量回收的挖掘机回转系统，其特征在于，所述蓄能器上连接有溢流阀。

7.一种具有能量回收的挖掘机回转系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：获取挖掘机驾驶员对回转平台的操作意图；根据驾驶员的操作意图进行如下操作：操作意图为启动或加速回转平台的转动时，液压泵/马达的控制装置使液压泵/马达处于马达工作状态从液压泵和蓄能器处获得液压油的输入；当操作意图为对回转平台的减速制动操作时，液压泵/马达的控制装置使液压泵/马达处于泵工作状态将液压油输入到蓄能器中。

8.根据权利要求7所述的具有能量回收的挖掘机回转系统的控制方法，其特征在于，获取驾驶员操作意图的步骤中包括，通过检测操纵手柄左先导压力传感器和右先导压力传感器的压力值，计算出驾驶员期望的回转速度期望值，通过速度传感器检测回转平台的回转速度实际值，比较计算回转速度期望值与回转速度实际值的差值，控制装置根据差值的大小采用比例积分微分PID方法计算输出控制信号控制液压泵/马达的变量机构改变其排量。

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