CN102561451B - 液压挖掘机能量优化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种液压挖掘机能量优化系统。其第三电磁换向阀与液压挖掘机的工作油缸的无杆腔、控制阀、第二电磁换向阀分别连通，第二电磁换向阀与蓄能器、第一电磁换向阀分别连通，第一电磁换向阀与液压挖掘机的油箱、液压马达的进油端口分别连通，第四电磁换向阀与液压马达的出油端口、蓄能器、液压挖掘机的油箱分别连通，溢流阀的进油口与蓄能器连通，溢流阀的出油口与液压挖掘机的油箱连通；液压挖掘机的发动机的信号输入端口、液压马达的排量信号端口、第一电磁换向阀的输入信号端口、第二电磁换向阀的输入信号端口、第四电磁换向阀的输入信号端口、液压挖掘机控制阀的输入信号端口、第三电磁换向阀的输入信号端口分别与控制器连接。
Description
技术领域
本发明适用于工况复杂，载荷突变情况较多的工程机械，尤其适用于以液压系统传递动力的液压挖掘机。
背景技术
液压挖掘机的使用场所多，油耗高，废气排放量大，研究挖掘机的节能减排具有很高的经济价值和环保价值。挖掘机上的能量损失主要体现以下这三方面：一、动力源上存在较大的能量损失。在传统的液压挖掘机工作时负载变化剧烈，常常造成固定油门位置的动力源发动机在调速曲线上波动，不能稳定工作于负荷曲线上，燃油经济性很低；二、液压系统中存在能量损失。各种起到控制作用的节流阀、溢流阀不可避免的在工作时损失了液压油的一部分压力能量；三、执行机构制动时的能量损失。液压挖掘机铲斗、斗杆、动臂在停止运动时往往依靠液压系统的反向压力提供制动力，执行机构的动能转化为液压系统的热能损失掉，同时对液压系统产生不利影响，增加故障几率。
目前的技术中针对上述的方面一，出现了以发动机，电动机，电池组成的油电混合动力系统，对稳定发动机的工作点具有一定的作用，但是由于电机本身的机械特性，瞬间输出大扭矩能力不足，因此在液压挖掘机等负载突变剧烈的工程机械上有一定的局限性，同时电池组复杂的监测技术和高昂的成本极大的制约了油电混合动力技术在液压挖掘机上的应用；同时也出现了以发动机，液压泵/马达一体的二次元件，蓄能器组成的油液混合动力系统，但是二次元件的成本较为昂贵，控制较为复杂使得油液混合动力技术在应用上同样受制较多。针对方面三，动臂，斗杆，回转转台等都有相应的能量回收专利，但是这些专利往往局限于单个部件的能量回收优化，对工作装置的运动状态，对蓄能器的充气压力有苛刻的要求，且能量再利用的能力较弱，再利用的机会较少。针对方面二的研究较少，主要由于液压挖掘机难以绕开阀控系统，阀体上的损失难以从根本上消除，而阀体本身的改进研究只在阀的生产厂商内部进行研究。总之，将三者结合起来进行节能措施改进的方案目前还处于空白。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的部分或全部缺陷而提供一种液压挖掘机能量优化系统。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：
本发明的液压挖掘机能量优化系统包括液压马达、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、控制器、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、溢流阀和蓄能器。第三电磁换向阀的进油口与液压挖掘机的工作油缸的无杆腔连通，第三电磁换向阀的第一出油口与液压挖掘机的控制阀的回油口连通，第三电磁换向阀的第二出油口与第二电磁换向阀的第二出油口连通，第二电磁换向阀的第一出油口与蓄能器连通，第二电磁换向阀的进油口与第一电磁换向阀的第一出油口连通，第一电磁换向阀的第二出油口与液压挖掘机的油箱连通，第一电磁换向阀的进油口与液压马达的进油端口连通，液压马达的出油端口与第四电磁换向阀的进油口连通，第四电磁换向阀的第一出油口与蓄能器连通，第四电磁换向阀的第二出油口与液压挖掘机的油箱连通，溢流阀的进油口与蓄能器连通，溢流阀的出油口与液压挖掘机的油箱连通；液压挖掘机的发动机的信号输入端口与控制器的第二信号端口连接，液压马达的排量信号端口与控制器的第三信号端口连接，第一电磁换向阀的输入信号端口与控制器的第四信号端口连接，第二电磁换向阀的输入信号端口与控制器的第五信号端口连接，第四电磁换向阀的输入信号端口与控制器的第六信号端口连接，液压挖掘机控制阀的输入信号端口与控制器的第七信号端口连接，第三电磁换向阀的输入信号端口与控制器的第一信号端口连接。
进一步地，本发明还包括分动箱，分动箱与液压挖掘机的发动机同轴连接，液压马达和液压挖掘机的液压泵分别与分动箱连接。
进一步地，本发明还包括压力传感器，压力传感器的进油口与蓄能器连通，压力传感器的信号输出端与控制器的第八信号端口连接。
进一步地，本发明所述蓄能器为皮囊式蓄能器。
进一步地，本发明所述控制器是PLC控制器。
进一步地，本发明所述液压马达为双向液压马达。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1）通过液压马达的作用，从液压挖掘机的工作油缸回收的任意压力值的油液都可以在加压后冲入蓄能器内，由此，蓄能器的内部压力不再成为限制能量回收时的关键数值；同时，蓄能器内的初始压力值可以自由设定，可以最大化发挥蓄能器存储能量的能力，从而减少了液压挖掘机的能量回收的限制，增加了其能量回收的能力。
2）通过分动箱的扭矩传递和液压马达的扭矩输入输出，发动机理论所需的功率值为负载的平均功率，可以极大地减小发动机的装机尺寸，降低装机成本。同时，发动机可以稳定的工作于高效燃油经济区，减少燃油消耗，降低使用成本。
3）蓄能器内较高的压力值可以减小液压马达的尺寸，方便系统的安装。
4）通过分动箱将发动机的稳定工作与液压挖掘机工作油缸的能量回收结合起来，能量的利用率更高。
附图说明
图1为本发明的一种优选实施方式的结构示意图；
图2为本发明的一种优选实施方式在能量回收状态下吸收多余发动机功率的工作示意图；
图3为本发明的一种优选实施方式在非能量回收状态下吸收多余发动机功率的工作示意图；
图4为本发明的一种优选实施方式在非能量回收状态下补充发动机功率不足部分的工作示意图；
图中：1.压力传感器，2.分动箱，3.液压马达，4.第一电磁换向阀，5.第二电磁换向阀，6.控制器，7.第三电磁换向阀，8.第四电磁换向阀，9.溢流阀，10.蓄能器。
具体实施方式
参见图1，本发明液压挖掘机能量优化系统主要包括液压马达3、第一电磁换向阀4、第二电磁换向阀5、控制器6、第三电磁换向阀7、第四电磁换向阀8、溢流阀9和蓄能器10。其中，控制器6通常选用PLC控制器、单片机控制器等，蓄能器10通常选用皮囊式蓄能器，液压马达3通常选用双向液压马达。第三电磁换向阀7的进油口与液压挖掘机的工作油缸的无杆腔连通，第三电磁换向阀7的第一出油口与液压挖掘机的控制阀的回油口连通，第三电磁换向阀7的第二出油口与第二电磁换向阀5的第二出油口连通，第二电磁换向阀5的第一出油口与蓄能器10连通，第二电磁换向阀5的进油口与第一电磁换向阀4的第一出油口连通，第一电磁换向阀4的第二出油口与液压挖掘机的油箱连通，第一电磁换向阀4的进油口与液压马达3的进油端口连通，液压马达3的出油端口与第四电磁换向阀8的进油口连通，第四电磁换向阀8的第一出油口与蓄能器10连通，第四电磁换向阀8的第二出油口与液压挖掘机的油箱连通，溢流阀9的进油口与蓄能器10连通，溢流阀9的出油口与液压挖掘机的油箱连通；液压挖掘机的发动机的信号输入端口与控制器6的第二信号端口连接，液压马达3的排量信号端口与控制器6的第三信号端口连接，第一电磁换向阀4的输入信号端口与控制器6的第四信号端口连接，第二电磁换向阀5的输入信号端口与控制器6的第五信号端口连接，第四电磁换向阀8的输入信号端口与控制器6的第六信号端口连接，液压挖掘机控制阀的输入信号端口与控制器6的第七信号端口连接，第三电磁换向阀7的输入信号端口与控制器6的第一信号端口连接。以上结构形成完整的液压油能量回收和释放回路。
参见图2至图4，本发明液压挖掘机能量优化系统的工作过程如下：
如图2所示，当液压挖掘机的工作油缸处于能量回收状态，且液压马达需吸收扭矩时，控制器6获取液压挖掘机控制阀的信号，并控制第一电磁换向阀4、第二电磁换向阀5、第三电磁换向阀7和第四电磁换向阀8进行相应油路变化，使得需回收能量的油液从液压挖掘机的工作油缸的无杆腔流出依次经过第三电磁换向阀7、第二电磁换向阀5、第一电磁换向阀4，在液压马达3的加压下通过第四电磁换向阀8冲入蓄能器10。
如图3所示，当液压挖掘机的工作油缸处于非能量回收状态，且液压马达需吸收扭矩时，控制器6获取液压挖掘机控制阀的信号，并控制第一电磁换向阀4、第二电磁换向阀5、第三电磁换向阀7、第四电磁换向阀8进行相应油路变化，使得油液从油箱流出经过第一电磁换向阀4，在液压马达3的加压下通过第四电磁换向阀8冲入蓄能器10。
如图4所示，当液压挖掘机的工作油缸处于非能量回收状态，且液压马达需输出扭矩时，控制器6获取液压挖掘机控制阀的信号，并控制第一电磁换向阀4、第二电磁换向阀5、第三电磁换向阀7、第四电磁换向阀8进行相应油路变化，使得油液从蓄能器10中流出依次经过第二电磁换向阀5、第一电磁换向阀4，在液压马达3的减压下通过第四电磁换向阀8返回油箱。
本发明通过液压马达3的加压效果以及控制器6通过电磁换向阀对油路进行相应的控制，从液压挖掘机的工作油缸回收的任意压力值的油液都可以在加压后冲入蓄能器10内，由此，蓄能器10的内部压力不再成为限制能量回收时的关键数值；同时，蓄能器10内的初始压力值可以自由设定，可以最大化发挥蓄能器存储能量的能力，从而减少了液压挖掘机的能量回收的限制，增加了其能量回收的能力。
参见图1至图4，为了稳定发动机的工作点，可以进一步在本发明装置中增加分动箱2。分动箱2 与液压挖掘机的发动机同轴连接，液压马达3和液压挖掘机的液压泵分别与分动箱2连接，由此分动箱2、液压马达3和液压挖掘机的液压泵构成液压挖掘机的能量总成机构。当发动机的最优输出扭矩低于负载扭矩时，液压马达3向能量总成机构输出扭矩；当发动机的最优输出扭矩高于负载扭矩时，液压马达3从能量总成机构吸收扭矩。无论是能量回收还是非能量回收，液压马达3所吸收的扭矩能量都将储存于蓄能器10中，并在液压马达3输出扭矩时使用，从而没有发生能量损失。
如图1至图4所示，作为本发明的优选实施方式，使用压力传感器1可以监控蓄能器10的压力值，合理地调整液压马达3的排量值，使液压马达3输出和吸收的扭矩符合发动机的最优输出扭矩和负载扭矩之间的差值。压力传感器1的进油口与蓄能器10连通，压力传感器1的信号输出端与控制器6的第八信号端口连接。压力传感器1可以随时获得蓄能器10的内部压力，将之提供给控制器6。
Claims (5)
1.一种液压挖掘机能量优化系统，其特征是：它包括双向液压马达（3）、控制器（6）、第一电磁换向阀（4）、第二电磁换向阀（5）、第三电磁换向阀（7）、第四电磁换向阀（8）、溢流阀（9）和蓄能器（10）；所述第三电磁换向阀(7)的进油口与液压挖掘机的工作油缸的无杆腔连通，第三电磁换向阀(7)的第一出油口与所述液压挖掘机的控制阀的回油口连通，第三电磁换向阀(7)的第二出油口与所述第二电磁换向阀(5)的第二出油口连通，第二电磁换向阀(5)的第一出油口与所述蓄能器(10)连通，第二电磁换向阀(5)的进油口与所述第一电磁换向阀(4)的第一出油口连通，第一电磁换向阀(4)的第二出油口与液压挖掘机的油箱连通，第一电磁换向阀(4)的进油口与所述双向液压马达(3)的进油端口连通，双向液压马达(3)的出油端口与所述第四电磁换向阀(8)的进油口连通，第四电磁换向阀(8)的第一出油口与蓄能器(10)连通，第四电磁换向阀(8)的第二出油口与液压挖掘机的油箱连通，所述溢流阀(9)的进油口与蓄能器(10)连通，溢流阀(9)的出油口与液压挖掘机的油箱连通；液压挖掘机的发动机的信号输入端口与所述控制器(6)的第二信号端口连接，双向液压马达(3)的排量信号端口与控制器(6)的第三信号端口连接，第一电磁换向阀(4)的输入信号端口与所述控制器(6)的第四信号端口连接，第二电磁换向阀(5)的输入信号端口与所述控制器(6)的第五信号端口连接，第四电磁换向阀(8)的输入信号端口与所述控制器(6)的第六信号端口连接，液压挖掘机控制阀的输入信号端口与所述控制器(6)的第七信号端口连接，第三电磁换向阀(7)的输入信号端口与所述控制器(6)的第一信号端口连接。
2.根据权利要求1所述的液压挖掘机能量优化系统，其特征是：还包括分动箱(2)，所述分动箱(2) 与所述液压挖掘机的发动机同轴连接，双向液压马达(3)和液压挖掘机的液压泵分别与所述分动箱(2)连接。
3.根据权利要求1或2所述的液压挖掘机能量优化系统，其特征是：还包括压力传感器(1)，所述压力传感器(1)的进油口与蓄能器(10)连通，压力传感器(1)的信号输出端与所述控制器(6)的第八信号端口连接。
4.根据权利要求1所述的液压挖掘机能量优化系统，其特征是:所述蓄能器(10)为皮囊式蓄能器。
5.根据权利要求1所述的液压挖掘机能量优化系统，其特征是：所述控制器(6)是PLC控制器。
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