CN102704524B - 一种液压挖掘机回转节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种液压挖掘机回转节能系统，所述回转节能系统还包括二位四通换向阀、蓄能器、三位四通液控换向阀、储气筒、2个单向阀；2个单向阀出口与蓄能器下腔和三位四通液控换向阀P口连接、进口分别连接液压马达进出口油路；蓄能器与二位四通换向阀嵌接，活塞接近下腔尽头时与阀杆相抵，可推动换向阀杆换位，上腔连储气筒；二位四通换向阀P、O口接主控换向阀A、B口，A、B口接液压马达进出口油路；三位四通液控换向阀两侧液控口分别与主控换向阀到先导操纵阀之间油路并联，本专利简便易行，成本低，不改变原有回转液压系统性能；回转制动能量得到充分回收，效率高，液压马达超载和冲击可以通过蓄能器得到改善。

Description

一种液压挖掘机回转节能系统

技术领域

本发明涉及挖掘机械领域，具体是一种液压挖掘机回转节能系统。

背景技术

如图1所示，液压挖掘机主要由下车部分1、回转装置2、上部转台3及工作装置组成。工作装置主要包括动臂油缸4、动臂5、斗杆油缸6、斗杆7、铲斗油缸8、铲斗9及摇臂连杆机构。液压挖掘机回转装置采用液压驱动技术，由发动机带动液压泵提供液压动力，驱动液压马达通过减速机构驱动挖掘机上部转台3旋转。上部转台3与工作装置联接，带动工作装置旋转。挖掘作业时一般回转装置处于液压制动状态，以保证工作装置在确定的位置进行有效的挖掘作业。挖掘装满铲斗后，需要回转运动定位卸料位置卸料，卸料完成后，需要回转运动返回挖掘位置。

如图2所示，为液压挖掘机的回转液压系统，包括：液压马达1、过载补油阀组、主控换向阀4、先导操纵阀5，其中，过载补油阀组包括2个单向阀2和2个过载阀3，先导操纵阀5包括了2个先导阀和一个操作手柄。工作时，搬动先导阀操纵手柄打开先导阀5其中的1个先导阀，先导油驱动主控换向阀4移位到左位或右位使油泵供出的液压油进入并驱动液压马达1旋转，通过减速机构6，驱动上部转台绕回转齿圈7左转或右转。例如主控换向阀4移位至左位时，由液压泵来的油通过管路P经主控换向阀4进入右侧的油路，驱动液压马达1旋转，排出的油经左侧油路经主控换向阀4回到油箱。制动时，先导阀操纵手柄回到中位，主控换向阀4也回到中位，液压马达1在惯性力驱动下变成泵，泵出的油打开左侧过载阀3回油到油箱，右侧单向阀2打开补油进入液压马达1，此时的制动压力为过载阀3的调定压力。

图3a、图3b为回转特性图，横坐标为回转时间，纵坐标为回转角速度。图3a所示为三角形速度图，横轴上点0至点1为装满斗后的启动加速回转过程，点1至点2为制动减速过程，点2至点3为卸料后返回的启动加速回转过程，点3至点4为制动过程。图3b所示为梯形速度图，横轴上点0至点1为装满斗后的启动加速回转过程，点1至点2为匀速回转过程，点2至点3为制动减速过程，点3至点4为卸料后返回的启动加速回转过程，点4至点5为匀速回转过程，点5至点6为制动过程。实际中，具体遵循哪个特性取决于回转力矩和速度的设计以及回转的角度。由图可以看出，满斗回转过程转动惯量大，需要的能量也大，制动时的加速度(斜率)大于启动时加速度。

目前挖掘机广泛采用负荷敏感变量泵，回转启动过程泵的流量自动适应马达的流量，溢流损失减小，但由于启动瞬间压力较大，该压力仍会使溢流阀打开溢流部分液压油，制动过程回转马达变为泵，泵出的油经过载阀流出，制动能量完全转化为热能。据统计，回转液压油路的发热量约占液压系统总发热量的30％～40％。到目前为止，还没有一种液压系统能在满足回转性能控制的情况下充分回收制动能量和避免启动时的溢流损失。

为了充分节能和回收回转系统的能量，当前研究热点是采用混合动力的方法，用发电/电动机替换回转液压马达，制动时，惯性能量经发电机转化为电能存储在蓄电池和电容内，启动时再放电驱动电动机回转，但制动回收的电能不够用于启动的需求，所以一般还需要回收其它机构例如动臂下降的能量，为了利用多余的电能，还需要一台电动机与发动机串联驱动液压泵。油电混合动力系统的缺点是：由于能量转换经历了柴油机、发电机、蓄电池、电动机、液压泵、液压马达等多个环节，每一个环节都存在能量损失，因此导致整个转换过程中的能量损失仍然较大，最关键的是系统复杂，成本高，电池寿命，电源转换效率，重量，可靠性等存在一定问题，从而在一定程度上抵消了采用这种技术所能取得的节能效果。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提供一种操作便捷、结构简单的液压挖掘机回转节能系统，在保持原有挖掘机的回转启动、制动性能不变的同时节约了能源。

本发明技术方案如下：

一种液压挖掘机回转节能系统，包括挖掘机回转液压系统，该回转液压系统包括主控换向阀、过载补油阀组、液压马达、先导操纵阀，所述过载补油阀组由2个单向阀和2个过载阀构成，所述先导操纵阀包括了2个先导阀；该2个单向阀的进口与2个过载阀的出口共同连接在一起，并再与油箱连接，该2个单向阀的出油口分别连接液压马达的进出主油路；2个过载阀的进油口分别与液压马达的进出主油路连接，所述主控换向阀的P油口接油泵、O油口接油箱，所述主控换向阀的两侧液控口分别连接2个先导阀的输出口；

所述回转节能系统还包括第二单向阀组、二位四通换向阀、蓄能器、三位四通液控换向阀、储气筒；

所述第二单向阀组由2个单向阀构成，该2个单向阀的出口相连、另外两个进口分别连接液压马达的进出主油路；

所述蓄能器包括缸筒及其内的活塞，缸筒内以活塞为界分为上腔和下腔，上腔连通储气筒，下腔与所述第二单向阀组的2个单向阀的出口油路和三位四通液控换向阀的P油口连接；

所述蓄能器的活塞下行推动阀杆换位后，该二位四通换向阀的阀杆被推移到另一个阀位，即P油口、A油口导通，B油口、O油口导通，当活塞上移脱离开二位四通换向阀的阀杆时，二位四通换向阀的阀杆上移恢复到阀的初始阀位，P油口、O油口导通，A油口、B油口关闭；

所述二位四通换向阀的A油口、B油口分别与液压马达的进出主油路连接，所述二位四通换向阀的P油口连接主控换向阀的A油口，所述二位四通换向阀的O油口连接主控换向阀的B油口；

所述三位四通液控换向阀的P油口连接第二单向阀组的2个单向阀的出口油路和蓄能器的下腔油口，O油口连接过载补油阀的2个单向阀进油口和2个过载阀的出油口再连接油箱，A油口、B油口分别与液压马达的进出主油路连接，所述三位四通液控换向阀的两侧液控口分别并联到主控换向阀两侧液控口到先导阀之间的油路上，所述三位四通液控换向阀中位时4个油口全部封闭。

所述蓄能器与二位四通换向阀嵌接为一个整体，嵌接部位为密封配合。

所述二位四通换向阀阀杆有一通心孔，与缸筒下腔的油口导通。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)技术手段简便易行，成本低，不改变原有的回转液压系统。

(2)挖掘机回转时的制动能量得到回收，回收效率高。

(3)制动能量用于启动过程，并与液压泵供油无冲击接替，避免了液压泵启动溢流损失。

(4)系统可靠性提高，液压马达超载和冲击可以通过蓄能器得到改善。

(5)制动时过载阀处于关闭状态，消除了原有液压噪音。

附图说明

图1为现有挖掘机的构造示意图。

图2为现有挖掘机回转液压系统示意图。

图3a为液压挖掘机回转运动特性图1。

图3b为液压挖掘机回转运动特性图2。

图4为本发明液压挖掘机回转节能系统结构示意图。

图5为本发明液压挖掘机回转节能系统的蓄能器7与换向阀6的组合结构图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

图4所示，本发明液压挖掘机回转节能系统，包括挖掘机回转液压系统，该回转液压系统包括1个主控换向阀4、过载补油阀组、1个液压马达1、1个先导操纵阀5。所述过载补油阀组由2个单向阀2和2个过载阀3构成，所述先导操纵阀5包括了2个先导阀；该2个单向阀2的进口与2个过载阀3的出口共同连接在一起后再与油箱22连接，该2个单向阀2的出油口分别连接液压马达1的进出主油路。2个过载阀3的进油口分别与液压马达1的进出主油路连接，所述主控换向阀的P油口接油泵、O油口接油箱，所述主控换向阀的两侧液控口分别连接2个先导阀的输出口；

所述回转节能系统还包括第二单向阀组、二位四通换向阀6、蓄能器7、三位四通液控换向阀9、储气筒10。

所述第二单向阀组由2个单向阀8构成，该2个单向阀8的出口端相连、另外两个进口端分别连接液压马达1的进出主油路。

如图5所示(并结合图4)。所述蓄能器7包括缸筒11及其内的活塞12，缸筒11内以活塞12为界分为上腔13和下腔14，上腔13连通储气筒10，下腔14与2个单向阀的出口油路和三位四通液控换向阀的P油口连接；当活塞12下行推动阀杆换位后二位四通换向阀6的阀杆15被推移到另外一个阀位，即P油口、A油口导通，B油口、O油口导通，当活塞上移脱离开二位四通换向阀的阀杆时，二位四通换向阀的阀杆上移恢复到阀的初始阀位，P油口、O油口导通，A油口、B油口关闭；

所述二位四通换向阀6的A油口、B油口分别与液压马达1的进出主油路连接，所述二位四通换向阀6的P油口连接主控换向阀4的A油口，二位四通换向阀6的O油口连接主控换向阀4的B油口。

所述三位四通液控换向阀的P油口连接第二单向阀组的2个单向阀的出口油路和蓄能器的下腔油口，O油口连接过载补油阀的2个单向阀进油口和2个过载阀的出油口再连接油箱，A油口、B油口分别与液压马达的进出主油路连接，所述三位四通液控换向阀的两侧液控口分别并联到主控换向阀两侧液控口到先导阀之间的油路上，所述三位四通液控换向阀中位时4个油口全部封闭。

所述二位四通换向阀6的阀杆15有一通心孔，与蓄能器7的下腔14的油口导通，可以平衡阀杆15端部的压力。

本发明工作原理是如下：

回转启动操纵时，打开先导操纵阀5的其中一个先导阀，此时，先导油流打开主控换向阀4的同时也打开三位四通液控换向阀9，如果缸筒11的下腔14有油，使二位四通换向阀6处于图示阀位，则二位四通换向阀6的A油口、B油口封闭，P油口、O油口连通回油，活塞12在储气筒10的压缩氮气压力推动下下移，使下腔14内的油液经三位四通液控换向阀9进入液压马达1，驱动马达旋转，液压马达1排出的油经三位四通液控换向阀9的O油口流回油箱22或者经单向阀2给液压马达1的进油口补油，这一过程中虽然主控换向阀4打开，但油无压流回油箱22，所以液压泵(图中未示出)无载荷运转。如果缸筒11的下腔14的油逐步减少并接近用完时，活塞12会推动阀杆15，则二位四通换向阀6打开，液压泵(图中未示出)会接替蓄能器7继续供油。

回转制动操纵时，先导操纵阀5关闭，主控换向阀4和三位四通液控换向阀9都回到中位关闭油路，液压马达1变为泵，泵出的油通过油路打开单向阀8其中的一个单向阀进入缸筒11的下腔14将液压能储存起来，直至回转运动完全停止。只要下腔14内有油，就会首先使用蓄能器7内的油，如果蓄能器7的油用完，液压泵的油就会接替，这个转换过程是连续、无冲击的，因此液压马达1没有冲击，避免了启动初期的溢流现象。一般启动所需能量大于制动能量，因此启动过程没有完全结束缸筒11下腔14的油就会用完，匀速回转过程完全是液压马达供油，没有蓄能器供油，所以转速可以得到控制。为了保证蓄能器7较为平衡的压力，采用了内装有高压氮气的储气筒10，储气筒10可以是1个或多个组成，由于储气筒10的容积较大，所以可使蓄能器7的体积小，方便安装。

蓄能器7的下腔14最大容积略大于制动过程的液流量，当活塞12上移接近上腔13的行程尽头时，压力小于过载阀3的压力，保证过载阀3无溢流，当活塞12下移至下腔14的行程尽头时，压力略小于系统设定压力，不仅使得制动与启动的平均力矩相近，同时也减小了储气筒10的容积。

如上所述便可较好地实现本专利。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种液压挖掘机回转节能系统，包括挖掘机回转液压系统，该回转液压系统包括主控换向阀、过载补油阀组、液压马达、先导操纵阀，所述过载补油阀组由2个单向阀和2个过载阀构成，所述先导操纵阀包括了2个先导阀；该2个单向阀的进口与2个过载阀的出口共同连接在一起，并再与油箱连接，该2个单向阀的出油口分别连接液压马达的进出主油路；2个过载阀的进油口分别与液压马达的进出主油路连接，所述主控换向阀的P油口接油泵、O油口接油箱，所述主控换向阀的两侧液控口分别连接2个先导阀的输出口；其特征在于：

所述回转节能系统还包括第二单向阀组、二位四通换向阀、蓄能器、三位四通液控换向阀、储气筒；

所述第二单向阀组由2个单向阀构成，该2个单向阀的出口相连、另外两个进口分别连接液压马达的进出主油路；

所述蓄能器包括缸筒及其内的活塞，缸筒内以活塞为界分为上腔和下腔，上腔连通储气筒，下腔与所述第二单向阀组的2个单向阀的出口油路和三位四通液控换向阀的P油口连接；

所述蓄能器的活塞下行推动阀杆换位后，该二位四通换向阀的阀杆被推移到另一个阀位，即P油口、A油口导通，B油口、O油口导通，当活塞上移脱离开二位四通换向阀的阀杆时，二位四通换向阀的阀杆上移恢复到阀的初始阀位，P油口、O油口导通，A油口、B油口关闭；

所述二位四通换向阀的A油口、B油口分别与液压马达的进出主油路连接，所述二位四通换向阀的P油口连接主控换向阀的A油口，所述二位四通换向阀的O油口连接主控换向阀的B油口；

所述三位四通液控换向阀的P油口连接第二单向阀组的2个单向阀的出口油路和蓄能器的下腔油口，O油口连接过载补油阀的2个单向阀进油口和2个过载阀的出油口再连接油箱，A油口、B油口分别与液压马达的进出主油路连接，所述三位四通液控换向阀的两侧液控口分别并联到主控换向阀两侧液控口到先导阀之间的油路上，所述三位四通液控换向阀中位时4个油口全部封闭。

2.根据权利要求1所述的液压挖掘机回转节能系统，其特征在于：所述蓄能器与二位四通换向阀嵌接为一个整体，嵌接部位为密封配合。

3.根据权利要求2所述的液压挖掘机回转节能系统，其特征在于：所述二位四通换向阀阀杆有一通心孔，与缸筒下腔的油口导通。

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