CN103469835B - 一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种挖掘机油液混合动力控制系统，包括主控制器、油箱以及分别与油箱连接的动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸，油箱上分别连接两个变量泵，其中第一变量泵与发动机连接，第一变量泵依次管道连接第一三位四通阀和动臂油缸的有杆腔；动臂油缸的有杆腔同时连接第一两位两通阀；第一三位四通阀同时连接第一梭阀，第一梭阀同时连接第五两位两通阀和第一三位三通阀，第五两位两通阀同时与斗杆油缸以及所述第一三位三通阀连接，第一三位三通阀同时连接第六两位两通阀和一二位三通阀，第六两位两通阀与所述铲斗油缸连接；所述二位三通阀同时连接液压蓄能器、增压装置、第三两位两通阀、第四两位两通阀以及第三三位三通阀。
Description
技术领域
本发明涉及一种挖掘机能量回收和转换系统，特别是具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统。
背景技术
液压挖掘机是工程机械主要机种，已经广泛用于建筑、交通、水利、矿山等其它各个领域，能量消耗大，由于全球能源危机及环保要求的不断提高，液压挖掘机节能技术的研究已成为一个非常迫切的课题。传统的液压挖掘机对动臂下降能量和回转系统在减速制动时动能没有回收利用，以致这些能量被以热能白白损失掉。当前挖掘机上现行的动臂回路只有流量再生的功能，回转系统在减速制动时，往往通过反向背压达到制动，所以大部分的能量还是通过节流作用损失掉，引起液压系统发热，导致气穴现象等液压系统缺陷，降低液压系统的寿命。因此急需要一种新的能量回收和转换系统来降低挖掘机的能量损耗。
目前，具有能量回收的挖掘机大多采用混合动力技术，混合动力技术是现阶段提高动力系统节能效果的最佳方案，混合动力一般分为油电混合技术和油液混合技术。常规的能量回收方案往往只回收动臂下降时的重力势能，而忽略了回转制动能量的回收和利用。哈尔滨工业大学姜继海在《基于能量回收再利用的液压挖掘机回转系统节能研究》中指出回转系统的发热量占总发热量的30％～40％，由此可见制动动能的回收很有必要。通常的，油电混合动力技术是将能量存储在蓄电池或超级电容中，由于将能量存储在蓄电池或超级电容中能量转化、存储效率低，且元件昂贵，使得这类方案难以得到广泛应用。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，包括主控制器、油箱以及分别与油箱连接的动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸，油箱上分别连接第一变量泵和第二变量泵，其中第一变量泵与发动机连接，第一变量泵依次管道连接第一三位四通阀和动臂油缸的有杆腔；动臂油缸的有杆腔同时连接第一两位两通阀；第一三位四通阀同时连接第一梭阀，第一梭阀同时连接第五两位两通阀和第一三位三通阀，第五两位两通阀同时与斗杆油缸以及所述第一三位三通阀连接，第一三位三通阀同时连接第六两位两通阀和一二位三通阀，第六两位两通阀与所述铲斗油缸连接；所述二位三通阀同时连接液压蓄能器、增压装置、第三两位两通阀、第四两位两通阀以及第三三位三通阀；第四两位两通阀同时连通动臂油缸的无杆腔；增压装置和第三两位两通阀同时连接定量马达；定量马达分别连接第一两位两通阀和第二三位三通阀；
所述第二变量泵通过第二梭阀分别连接第二三位四通阀和第三三位三通阀；第二三位四通阀同时连接第二三位三通阀、第一安全阀、第二安全阀、第三单向阀、第四单向阀以及回转马达；其中第三单向阀和第四单向阀引出管道连接油箱，油箱中的油液能够流过第三单向阀和第四单向阀；
所述液压蓄能器前端管路设有第一压力传感器；
所述斗杆油缸前端管路设有第二压力传感器；
所述第一三位四通阀、第二三位四通阀、第一两位两通阀、第二两位两通阀、第三两位两通阀、第四两位两通阀、第五两位两通阀、第一三位三通阀、第六两位两通阀、二位三通阀、第二三位三通阀、第三三位三通阀、第一压力传感器以及第二压力传感器分别与所述主控制器连接。
本发明中，增压装置包括与定量马达通过联轴器连接的增速器以及与增速器通过联轴器连接的液压泵。
本发明中，液压蓄能器连接增压装置的管路上设有第一单向阀，流通方向为增压装置流向液压蓄能器。
本发明中，液压蓄能器连接第三两位两通阀和第四两位两通阀的管路上设有第二单向阀，流通方向为第三两位两通阀和第四两位两通阀流向液压蓄能器。
本发明中，所述液压蓄能器前端管路设有溢流阀，溢流阀同时连接油箱。
本发明中，所述第一变量泵旁路连通有连接油箱的第三安全阀。
本发明中，所述第二变量泵旁路连通有连接油箱的第四安全阀。
本发明有益效果包括以下几点：
1、由于回转机构的能耗在挖掘机总能耗中所占比例相对其他执行机构最大，本发明方案不仅将动臂下降时的能量通过液压蓄能器进行回收，同时利用了液压蓄能器将回转制动时的动能进行回收。
2、本发明方案采用液压蓄能器作为能量回收单元，回转动能和动臂势能直接以液压能的形式进行存储，采用增压装置对液压蓄能器进行充液，提高了动臂势能和制动动能的转化利用率。
3、液压挖掘机在转移土石方工况时，一般都经历挖掘、提升、回转、卸载、转动、挖掘的工作循环。基于此，本发明方案在挖掘机回转卸载时，在动臂下降过程中直接将无杆腔中的流量通过二位二通节流阀接入斗杆油缸，实现能量的直接转换，从而降低了变量泵的输出流量，降低了油路中的沿程压力损失，进一步节约能量、降低排放。
4、本发明中包括蓄能器存储能量直接转换回路，在负载压力较小的时候可以直接进行驱动，无需发动机提供能量。当液压蓄能器的压力过低时，可以实现蓄能器的卸荷，为下次吸收压力油做准备。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明中液压挖掘机能量回收和转换的油液混合动力控制系统原理图。
图2a、图2b和图2c是本发明能量释放回路、回转回路、动臂回路原理图。
图3是本发明在液压挖掘机回转系统正向回转制动时能量回收原理图。
图4是本发明在液压挖掘机动臂下降时能量回收原理图。
图5是本发明在特别工况下蓄能器存储能量直接转换回路原理图。
具体实施方式
本发明中附图标记表示如下：主控制器1、发动机2、第一变量泵3、第二变量泵4、油箱5、三位四通阀6、三位四通阀7、两位两通阀8、定量马达9、增压装置10、两位两通阀11、梭阀12、两位两通阀13、单向阀14、单向阀15、两位两通阀16、两位两通阀17、动臂油缸18、斗杆油缸19、三位三通阀20、两位两通阀21、铲斗油缸22、液压蓄能器23、液压蓄能器24、溢流阀25、二位三通阀26、回转马达27、单向阀28、单向阀29、安全阀30、安全阀31、三位三通阀32、三位三通阀33、梭阀34、左先导控制手柄35、右先导控制手柄36、压力传感器37、压力传感器38，安全阀39，安全阀40。
本发明的连接方式为：发动机2驱动第一变量泵3为执行机构即动臂油缸18提供油源，第二变量泵4通过变量泵3以并联方式配置在发动机的一侧为回转机构即回转马达27提供油源。第一变量泵3吸油口m与油箱5相连，第一变量泵出油口与三位四通阀6的P口相连，三位四通阀6的A口分两路：第一路与动臂油缸18的有杆腔相连，第二路与两位两通阀8相连，两位两通阀8一路与连接增压装置10的定量马达9进油口相连，另一路与回转机构中的三位三通阀32相连。增压装置10包括与定量马达9通过联轴器连接的增速器以及与增速器通过联轴器连接的液压泵。三位四通阀6的B口与梭阀12的P1口相连；三位四通阀6的T口接油箱5；动臂油缸18无杆腔油路分三路：第一路与两位两通阀17的A口相连，两位两通阀17的B口与斗杆油缸19进油口相连，第二路与梭阀12的出油口相连，第三路与两位两通阀16的A口相连，两位两通阀16的B口分别与第二单向阀15的P1口和两位两通阀13的A口相连，两位两通阀13的B口分别与定量马达9出油口和两位两通阀11的A口相连，两位两通阀11的B口与油箱5相连。增压装置10的出口与第一单向阀14的进口P1相连，第一单向阀14的出口分两路，一路与第二单向阀15的出口P2相连，另一路与第一、第二液压蓄能器23、24相连；第一、第二液压蓄能器23、24的出口分四路：第一路与连接油箱5的溢流阀25相连，起到卸荷作用；第二路与二位三通阀26的进口A相连，二位三通阀26的出口B分别与两位两通阀21的进口A和三位三通阀20的进口P相连，两位两通阀21的出口B与铲斗油缸22进油口相连，三位三通阀20的A口与梭阀12的P2口相连，三位三通阀20的出口B与斗杆油缸19的进油口相连；第三路分别与第一单向阀14的出口P2以及第二单向阀15的出口P2相连；第四路与三位三通阀33的P口相连，三位三通阀33出口A与梭阀34的进口P2相连，三位三通阀T口与油箱5相连。第二变量泵4的出油口与梭阀34的进油口P1相连，第二变量泵4的吸油口y与油箱5相连。梭阀34的出油口与三位四通阀7的进油口P相连；三位四通阀7的A口分四路：第一路与三位三通阀的32的A口相连，第二路与第一安全阀30相连，第三路与第三单向阀28的P1口相连，第四路与回转马达27的B口相连；三位四通阀7的B口分四路：第一路与三位三通阀32的B口相连，第二路与第二安全阀31相连，第三路与第四单向阀29的P1口相连，第四路与回转马达27的A口相连；第三单向阀28的P2口、第四单向阀29的P2口、第一安全阀30和第二安全阀31出油口同时与油箱5相连；三位三通阀32的P口与连接增压装置10的定量马达9相连；左、右先导控制手柄35、36与控制器输入信号线相连，第一压力传感器37的检测端接在二位三通阀26和三位三通阀33之间，用于测量蓄能器中的压力值，第一压力传感器37的电气接口与主控制器1的输入信号接口相连，第二压力传感器38的检测接口与斗杆油缸19进油口相连，用于检测斗杆油缸中负载的压力值，第二压力传感器38的电气接口与主控制器1的输入信号接口相连，主控制器1的输出信号接口与三位四通阀6和三位四通阀7电磁铁相连，主控制器的输出信号接口与图2c中动臂回路的所有两位两通阀的电磁铁相连，主控制器的输出信号接口与图2b中回转回路的所有三位三通阀、两位两通阀的电磁铁相连，主控制器的输出信号接口与图2a中能量释放回路所有电磁阀的电磁铁相连。
图2a、图2b、图2c至图5中，回转制动能量回收包括：挖掘机的主控制器1通过对左先导控制手柄35输出的压力信号进行采集和数据处理，获得先导控制压力，判断回转机构是正向回转还是反向回转。正向回转制动能量回收，如附图3，左先导控制手柄35处于左位时，三位四通阀7处于左位，回转马达正向回转，当司机将左先导控制手柄35扳回中位时，主控制器1控制三位四通阀7工作在中位，三位三通阀32处于右位，两位两通阀11工作在右位。回转马达27在惯性作用下继续转动，回转马达27起泵作用所加压的油液从第四单向阀29吸入，加压油液经三位三通阀32右位，流进增压装置10的定量马达9，通过增压装置10中的液压泵进行增压，增压后的液压油通过第一单向阀14P1口流入液压蓄能器23、24存储。液压马达9出油口油液通过两位两通阀11流回油箱5。同理，当左先导控制手柄35处于右位时，三位四通阀7处于右位，回转马达反向回转，当司机将左先导控制手柄35扳回中位时，主控制器1控制三位四通阀7工作在中位，三位三通阀32处于左位，两位两通阀11工作在右位。回转马达27在惯性作用下继续转动，回转马达27起泵作用所加压的油液从第三单向阀28吸入，经三位三通阀32左位，流进增压装置10的定量马达9，通过增压装置10中的液压泵进行增压，增压后的液压油通过第一单向阀14P1口流入液压蓄能器23、24存储。液压马达9出油口油液通过两位两通阀11流回油箱5。
正常回转能量释放过程包括：当挖掘机进行回转动作时，司机操作左先导控制手柄35处于左位右位，三位四通阀7处于左位右位。主控制器1通过接收来自第一压力传感器37的压力信号，判断是否向三位三通阀33发送电磁信号。当蓄能器中压力值较高时，三位三通阀33处于右位，蓄能器23、24中的压力油通过三位三通阀33A口流进梭阀34的P2口。由于刚开始时，液压蓄能器中的压力油较高，所以打开梭阀34P2口流入三位四通阀7的P口，向回转回路供油。当蓄能器中压力不足以供给液压马达回转时，司机加大手柄的摆角，此时液压泵4供油，带动回路继续转动。同时，主控制器1向三位三通阀33发送控制信号，使其处于左位，液压蓄能器中未释放的压力油回油箱，为下次吸油做好准备。
动臂重力势能回收：当动臂下降时，如附图4，主控制器1通过对右先导控制手柄36输出的压力信号进行采集和数据处理，获得先导控制压力，判断动臂是快速下降，还是缓慢下降。此时，右先导控制手柄36处于后位，三位四通阀6处于右位，当动臂是缓慢下降时，动臂无杆腔回油量较少。主控制器1控制两位两通阀16处于上位，无杆腔中油液进两位两通阀16A口，油液经两位两通阀16B口流入第二单向阀15的P1口，从第二单向阀15P2口直接回收势能至液压蓄能器；当司机加大手柄摆角，先导压力较大，动臂快速下降时，动臂无杆腔回油量较大。此时，主控制器1控制两位两通阀16处于上位、两位两通阀13处于右位、两位两通阀8处于下位，油液一路经两位两通阀13B口，流入增压装置10的定量马达9进油口，通过增压装置10中的液压泵进行增压，增压后的液压油通过第一单向阀14P1口流入液压蓄能器23、24存储。定量马达9出油口的油液经两位两通阀8B口直接流入动臂的有杆腔，实现流量再生，防止动臂有杆腔出现吸空现象，另一路走第二单向阀15P1口直接回收势能至液压蓄能器。
动臂提升能量释放过程包括：当动臂提升时，主控制器1通过对右先导控制手柄36输出的压力信号进行采集和数据处理，获得先导控制压力，主控制器1控制三位四通阀6处于左位，两位两通阀16处于下位，两位两通阀17处于左位，两位两通阀8处于上位，两位两通阀11处于左位，两位两通阀13处于左位，主控制器1通过接收来自第一压力传感器37的压力信号，判断是否向三位三通阀20发送电磁信号。当蓄能器中压力值较高时，三位三通阀20处于上位，蓄能器23、24中的压力油通过三位三通阀20A口流进梭阀17的P2口。由于刚开始时，液压蓄能器中的压力油较高，所以打开梭阀34P2口流入动臂无杆腔，向动臂提升回路供油。当蓄能器中压力不足以供给液液压缸运动时，司机加大手柄的摆角，此时变量泵3供油。同时，主控制器1向二位三通阀26发送控制信号，使其处于右位，液压蓄能器中未释放的压力油回油箱，为下次吸油做好准备。
实施例
如附图5。通常挖掘机在铲运土石方时，需完成挖掘、转动、卸载、转动，一个完整的工作循环。在挖掘的过程中，动臂油缸18的上升与下降是间歇进行的，且幅度不大，此时，主控制器1控制两位两通阀16处于上位，油液通过两位两通阀16经第二单向阀15P1口流入液压蓄能器进行动臂势能的回收，挖掘结束后，左先导控制手柄35控制挖掘机回转，此时可进行正常回转能量释放。当回转工况完成后，进行制动能量的回收，液压回路如前所述。回转结束后在进行卸载工况时，通常情况下卸载工况是斗杆、铲斗和动臂复合动作，此时主控制器1通过接收来自左先导控制手柄35、右先导控制手柄36和第二压力传感器38的压力信号，来判断是进行动臂油缸的提升或者下降、斗杆油缸的伸出或收回、铲斗油缸的伸出或收回。
在此特别的说明动臂处于下降时铲斗油缸和斗杆油缸的动作过程，主控制器1通过接收来自第二压力传感器38的压力信号控制两位两通阀17中节流阀的开度，动臂油缸18中一部分回油通入斗杆油缸19，另一部分通过两位两通阀16流入第二单向阀P2口存入蓄能器；当第二压力传感器压力信号38过大时，主控制器1控制两位两通阀20处于下位，此时液压蓄能器将在挖掘时动臂下降和回转机构制动时回收的能量，通入斗杆油缸19进行卸载位置的就位，就位结束后开始卸载动作，主控制器1接收第一压力传感器37的信号，判断是否向两位两通阀21发送电磁信号。当蓄能器中压力油压力相对较高时，两位两通阀21处于上位，蓄能器23、24中的压力油通过二位三通阀26的B口流进两位两通阀21的A口，从而驱动铲斗油缸进行卸载。当蓄能器压力不足时，主泵驱动铲斗油缸进行动作本发明原理图未标出。同时，主控制器1向二位三通阀26发送控制信号，使其处于右位，液压蓄能器中未释放的压力油回油箱，为下次吸油做好准备。卸载完成后，左先导控制手柄35控制三位四通阀7处于左位或右位，回转机构进行回转，从而进入下一个工作循环。该回路把动臂油缸18和蓄能器中的压力油液，直接转换到斗杆油缸19和铲斗油缸22中去，降低了变量泵的输出流量，降低了油路中的沿程压力损失，实现了能量转化环节少，油液利用效率高等效果，从而进一步节约能量、降低排放。
本发明提供了一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，包括主控制器、油箱以及分别与油箱连接的动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸，油箱上分别连接两个变量泵；其中第一变量泵与发动机连接，其特征在于，第一变量泵依次管道连接第一三位四通阀和动臂油缸的有杆腔；动臂油缸的有杆腔同时连接第一两位两通阀；第一三位四通阀同时连接第一梭阀，第一梭阀同时连接第五两位两通阀和第一三位三通阀，第五两位两通阀同时与斗杆油缸以及所述第一三位三通阀连接，第一三位三通阀同时连接第六两位两通阀和一二位三通阀，第六两位两通阀与所述铲斗油缸连接；所述二位三通阀同时连接液压蓄能器、增压装置、第三两位两通阀、第四两位两通阀以及第三三位三通阀；第四两位两通阀同时连通动臂油缸的无杆腔；增压装置和第三两位两通阀同时连接定量马达；定量马达分别连接第一两位两通阀和第二三位三通阀；
第二变量泵通过第二梭阀分别连接第二三位四通阀和第三三位三通阀；第二三位四通阀同时连接第二三位三通阀、第一安全阀、第二安全阀、第三单向阀、第四单向阀以及回转马达；其中第三单向阀和第四单向阀引出管道连接油箱，油箱中的油液能够流过第三单向阀和第四单向阀；
所述液压蓄能器前端管路设有第一压力传感器；
所述斗杆油缸前端管路设有第二压力传感器；
所述第一三位四通阀、第二三位四通阀、第一两位两通阀、第二两位两通阀、第三两位两通阀、第四两位两通阀、第五两位两通阀、第一三位三通阀、第六两位两通阀、二位三通阀、第二三位三通阀、第三三位三通阀、第一压力传感器以及第二压力传感器分别与所述主控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，其特征在于，增压装置包括与定量马达通过联轴器连接的增速器以及与增速器通过联轴器连接的液压泵。
3.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，其特征在于，液压蓄能器连接增压装置的管路上设有第一单向阀，流通方向为增压装置流向液压蓄能器。
4.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，其特征在于，液压蓄能器连接第三两位两通阀和第四两位两通阀的管路上设有第二单向阀，流通方向为第三两位两通阀和第四两位两通阀流向液压蓄能器。
5.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，其特征在于，所述液压蓄能器前端管路设有溢流阀，溢流阀同时连接油箱。
6.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，其特征在于，所述第一变量泵旁路连通有连接油箱的第三安全阀。
7.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和转换的挖掘机油液混合动力控制系统，其特征在于，所述第二变量泵旁路连通有连接油箱的第四安全阀。
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