CN103470557B - 一种液压回转制动节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压回转制动节能控制系统，包括油箱、发动机、第一变量泵、电磁换向阀、三位四通换向阀、第一单向阀、蓄能器、第二变量泵、第一马达、第一液控换向阀、第二单向阀、回转马达、第二溢流阀、第四单向阀、第二液控换向阀、第三液控换向阀、第三单向阀、离合器、增速器、联轴器、发电机、变压器、蓄电池、电动开关、第三溢流阀、第五单向阀、第四液控换向阀、控制器、第一溢流阀、电机。本发明在能量回收装置的基础上，添加了一种新型的能量储存的方式，对每次回转制动时产生的强大的制动力矩进行能量转换并以电能的形式储存在蓄电池中，使得回转制动过程的能量回收效益更大化。

Description

一种液压回转制动节能控制系统

技术领域

本发明涉及工程机械节能控制系统，特别是具有液压回转系统的液压挖掘机的液压回转制动节能控制系统。

背景技术

液压挖掘机作为工程机械的重要装备之一，工作环境恶劣、能耗大、尾气排放严重，节能降排研究是该领域的重点和难点。挖掘机回转机构减速制动力矩大且频繁的回转动作，势必造成大量的能量损失，同时还会引起系统发热，产生气穴等各种液压系统的缺陷，直接导致挖掘机机寿命的减少。

挖掘机在一个标准的工作循环中，存在两次回转运动。据统计，回转运动的运动时间约占液压挖掘机一个典型工作循环的50%～70%，能量消耗占总能耗的25%～40%，回转液压系统的发热量占总发热量的30%～40%。因此，对液压挖掘机的节能研究有着十分重要的意义。

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，提供一种液压回转制动节能控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种液压回转制动节能控制系统，包括油箱、发动机、第一变量泵、电磁换向阀、三位四通换向阀、第一单向阀、蓄能器、第二变量泵、第一马达、第一液控换向阀、第二单向阀、回转马达、第二溢流阀、第四单向阀、第二液控换向阀、第三液控换向阀、第三单向阀、离合器、增速器、联轴器、发电机、变压器、蓄电池、电动开关、第三溢流阀、第五单向阀、第四液控换向阀、控制器、第一溢流阀、电机；

其中，油箱管路连接第一变量泵，第一变量泵上同轴连接发动机和电机，第一变量泵的油路分成三路，一路通过电磁换向阀连通蓄能器，第二路直接连接三位四通换向阀，第三路通过第一溢流阀同时连接三位四通换向阀和油箱；三位四通换向阀引出两路连接回转马达，两路之间设有两个支路，一条支路包括第三液控换向阀、第四单向阀、第五单向阀以及第四液控换向阀，其中第四单向阀和第五单向阀之间引出管路连接第一马达，另一条管路包括第二溢流阀和第三溢流阀，第二溢流阀和第三溢流阀之间引出管路连接油箱；

第一马达同轴连接第二变量泵，第二变量泵通过第一单向阀连通蓄能器；第一马达同时连接第一液控换向阀和第二液控换向阀，第一液控换向阀通过第二单向阀连接回转马达，第二液控换向阀通过第三单向阀连接回转马达；

电机依次电连接电动开关、蓄电池、变压器以及发电机，发电机通过联轴器连接增速器，增速器连接离合器，离合器与回转马达连接；

所述发动机、电磁换向阀、离合器以及电动开关由控制器电控制。

本发明中，第一马达和第一液控换向阀之间的管路上设有分支管路连接油箱，分支管路上设有单向节流阀。

本发明中蓄能器前端设有连接控制器的第一压力传感器。

本发明中第一变量泵前端设有连接控制器的第三压力传感器。

本发明中三位四通换向阀由先导油路控制手柄控制，先导油路控制手柄连接梭阀，梭阀分别连接第三液控换向阀和第四液控换向阀的先导油口，且梭阀与第三液控换向阀和第四液控换向阀先导油口连接的管路上设有连接控制器的第二压力传感器。

本发明中蓄电池与电量计连接，电量计电连接控制器。

本发明在实现能量回收的同时，还能实现流量再生。能量释放时，控制器通过电量计检测蓄电池中的电量，当电量大于某一数值时，首先使用蓄电池中的电能。对于蓄能器中的压力势能，主要是在挖掘机回转启动或者进行复合动作等负载突变的情况下，将压力油释放到回转系统主泵输出油路中，提高了挖掘机的工作效率，改善挖掘机的动作协调性。

有益效果：本发明在能量回收装置的基础上，添加了一种新型的能量储存的方式，对每次回转制动时产生的强大的制动力矩进行能量转换并以电能的形式储存在蓄电池中，使得回转制动过程的能量回收效益更大化。控制器通过第二压力传感器对先导油路控制手柄两端的压力进行检测后，给予离合器连接的信号，离合器连接后，回转马达的轴将强大的制动力矩传递给增速器，然后再通过联轴器、发电机、变压器、蓄电池将制动力矩转换为电能并储存于蓄电池中。与传统的节能方式只通过蓄能器储存回转马达制动相比，本发明所提出的新型的节能控制系统节能效果更好。毕竟回转马达由于惯性作用的回转行程受限于挖掘机制动精确度的影响，所以回转马达由于惯性作用的回转行程只能是很小的一段距离，因此，每一次只能有很少的压力油进入蓄能器中得到储存。

本发明中还采用了液压变压器的结构。回转马达制动时，不仅能够将压力油储存于蓄能器中，还能够实现流量再生，将回转马达排出的压力油在供给吸油端，避免了由于回转马达进油侧出现流量供给不足时造成“吸空”和“爬行”等现象，提高了挖掘机的工作效率，改善挖掘机的动作协调性。

本发明中回转马达的超载和冲击通过蓄能器得到了改善，系统的稳定性得到了提高。

本发明中采用了多对液控换向阀，它们的先导压力都来自于油路，使得节能控制系统的自动化程度得到了提高。

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，对本发明的以上叙述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明在回转系统正转时，对回转马达制动进行能量回收的工作原理图。

图3是本发明在回转系统反转时，对回转马达制动进行能量回收的工作原理图。

具体实施方式

本发明的所有附图中，附图标记如下：1、油箱，2、发动机，3、第一变量泵，4、电磁换向阀，5、第一压力传感器，6、三位四通换向阀，7、第一单向阀，8、蓄能器，9、第二变量泵，10、第一马达，11、单向节流阀，12、第一液控换向阀，13、第二单向阀，14、回转马达，15、第二溢流阀，16、第四单向阀，17、第三液控换向阀，18、第二液控换向阀，19、第三单向阀，20、离合器，21、增速器，22、联轴器，23、发电机，24、变压器，25、蓄电池，26、电动开关，27、电量计，28、第三溢流阀，29、第五单向阀，30、第四液控换向阀，31、梭阀，32、第二压力传感器，33、先导油路控制手柄，34、控制器，35、第三压力传感器，36、第一溢流阀，37、电机

为了实现本发明需要的能量回收方式，本发明公开了一种液压回转制动节能控制系统，包括油箱、发动机、第一变量泵、电磁换向阀、第一压力传感器、三位四通换向阀、第一单向阀、蓄能器、第二变量泵、第一马达、单向节流阀、第一液控换向阀、第二单向阀、回转马达、第二溢流阀、第四单向阀、第二液控换向阀、第三液控换向阀、第三单向阀、离合器、增速器、联轴器、发电机、变压器、蓄电池、电动开关、电量计、第三溢流阀、第五单向阀、第四液控换向阀、梭阀、第二压力传感器、先导油路控制手柄、控制器、第三压力传感器、第一溢流阀、电机。第一变量泵的出口与三位四通换向阀的进油口连通，三位四通换向阀的第一先导油口与先导油路控制手柄的第二出口连通，三位四通换向阀的第二先导油口与先导油路控制手柄的第一出口连通；三位四通换向阀的第一出油口与第三液控换向阀的进口、第一溢流阀的进口、回转马达的进口、第二液控换向阀的先导油口以及第二单向阀的出口连通；三位四通换向阀的第二出油口与第四液控换向阀的进口、第三溢流阀的进口、回转马达的进口、第一液控换向阀的先导油口以及第三单向阀的出口连通；第二溢流阀的出口与第三溢流阀的出口相连后通往油箱；第三液控换向阀的出口与第四单向阀的进口连通，第四液控换向阀的出口与第五单向阀的进口连通，第四单向阀的出口与第五单向阀的出口相连后通往第一马达的进口，第一马达的出口与单向节流阀的进口、第一液控换向阀的进口、第二液控换向阀的进口连接；第一液控换向阀的出口与第二单向阀的进口连接，第二液控换向阀的出口与第三单向阀的进口连接；第一马达同轴安装第二变量泵，第二变量泵的进油口与油箱相连，第二变量泵的出口与第一单向阀的进口连通，第一单向阀的出口与蓄能器的进口、电磁换向阀的进口同时相连，电磁换向阀的出口与三位四通换向阀的第一进口相通；回转马达同轴安装离合器，离合器连接增速器，增速器连接联轴器，联轴器连接发电机，发电机连接变压器，变压器连接蓄电池，蓄电池一端通过电动开关连接电机，另一端通过电量计与控制器连接；控制器的控制线路与电动开关、离合器和电磁换向阀相连；第一压力传感器的两端分别与电磁换向阀的进口和控制器连接、第二压力传感器的两端分别与梭阀的出口和控制器连接、第三压力传感器的两端分别与三位四通换向阀的入口和控制器连接；第三液控换向阀、第四液控换向阀的先导油口与梭阀的出口连通。

本发明中，第二变量泵和第一马达组成了液压变压器。

本发明中，单向节流阀由节流阀和单向阀组成。

本发明中，蓄能器为液压蓄能器。

本发明中，控制器可以选用市场上常见的可编程控制器（即PLC控制器）。

实施例

如图1所示，第一变量泵3的出口与三位四通换向阀6的进油口6P连通，三位四通换向阀6的第一先导油口6M与先导油路控制手柄的第二出口33B连通，三位四通换向阀6的第二先导油口6N与先导油路控制手柄的第一出口33A连通；三位四通换向阀6的第一出油口6A与第三液控换向阀17的进口17P、第一溢流阀15的进口、回转马达14的进口、第二液控换向阀18的先导油口以及第二单向阀13的出口连通；三位四通换向阀6的第二出油口6B与第四液控换向阀30的进口30P、第三溢流阀28的进口、回转马达14的进口、第一液控换向阀12的先导油口以及第三单向阀19的出口连通；第二溢流阀15的出口与第三溢流阀28的出口相连后通往油箱；第三液控换向阀17的出口与第四单向阀16的进口连通，第四液控换向阀30的出口与第五单向阀29的进口连通，第四单向阀16的出口与第五单向阀29的出口相连后通往第一马达10的进口，第一马达10的出口与单向节流阀11的进口、第一液控换向阀12的进口、第二液控换向阀18的进口连接；第一液控换向阀12的出口与第二单向阀13的进口连接，第二液控换向阀18的出口与第三单向阀19的进口连接；第一马达10同轴安装第二变量泵9，第二变量泵9的进油口与油箱相连，第二变量泵9的出口与第一单向阀7的进口连通，第一单向阀7的出口与蓄能器8的进口、电磁换向阀4的进口同时相连，电磁换向阀4的出口与三位四通换向阀6的第一进口6P相通；回转马达14同轴安装离合器20，离合器20连接增速器21，增速器21连接联轴器22，联轴器22连接发电机23，发电机23连接变压器24，变压器24连接蓄电池25，蓄电池25一端通过电动开关26连接电机37，另一端通过电量计27与控制器34连接；控制器34的控制线路与电动开关26、离合器20和电磁换向阀4相连；第一压力传感器5的两端分别与电磁换向阀4的进口和控制器34连接、第二压力传感器32的两端分别与梭阀31的出口和控制器34连接、第三压力传感器35的两端分别与三位四通换向阀6的入口和控制器34连接；第三液控换向阀17、第四液控换向阀30的先导油口与梭阀31的出口连通。

以先导油路控制手柄的四种状态作详细说明。

状态1：如图2所示，将先导油路控制手柄33由中位拨向左位，此时三位四通换向阀6的左位工作，回转马达14正向运转。先导油路控制手柄33由中位拨向左位，两端形成一定的压力差，通过梭阀31作为先导压力信号作用在第三液控换向阀17和第四液控换向阀30，使第三液控换向阀17和第四液控换向阀30处于断开状态。压力油从油箱1经过第一变量泵3到达三位四通换向阀6的第一进油口6P，接着从三位四通换向阀6第一出油口6A到达回转马达14，使回转马达14正转，压力油从回转马达14出油口流出后经三位四通换向阀6油口6B到达6T后流回油箱，此过程中控制器34通过压力传感器32检测到先导油路控制手柄33两端存在压力差，于是给离合器20发出断开的信号，所以与离合器20相连的增速器21、联轴器22、发电机23等在此过程中不工作。

状态2：将先导油路控制手柄33由左位拨回中位，此时三位四通换向阀处于中位断开，回转马达由于惯性作用继续正向运转，逐渐停止。先导油路控制手柄33由左位拨回中位，两端没有压力差。一方面，通过梭阀31作为先导压力作用在第三液控换向阀17和第四液控换向阀30，使第三液控换向阀17和第四液控换向阀30回到原位，处于导通状态。回转马达由于惯性作用继续正向运转，此时的回转马达相当于泵的作用，将左侧的压力油吸入，从右侧排出，回转马达的右侧压力大于左侧，使得第一液控换向阀12导通，而第二液控换向阀18关闭。压力油从回转马达右侧排出后经第四液控换向阀30以及单向阀29后到达第一马达10，驱动第一马达10旋转，第一马达10输出扭矩带动同轴的第二变量泵9工作，第二变量泵9将油液从油缸中吸出后经单向阀7储存在蓄能器中。压力油从第一马达10排出后经第一液控换向阀12、第二单向阀13后供给回转马达14左侧；另一方面，控制器34通过压力传感器32检测到先导油路控制手柄33两端没有压力差，于是给离合器20发出连接的信号，回转马达14通过离合器20带动增速器21加速旋转，再通过联轴器22的连接带动发动机23工作，发电机23产生的电能经过变压器24的处理后储存于蓄电池25中。此过程在储存能量的同时也实现了流量再生。

状态3：如图3所示，将先导油路控制手柄33由中位拨向右位，此时三位四通换向阀6的右位工作，回转马达14反向运转。先导油路控制手柄33由中位拨向右位，两端形成一定的压力差，通过梭阀31作为先导压力信号作用在第三液控换向阀17和第四液控换向阀30，使第三液控换向阀17和第四液控换向阀30处于断开状态。压力油从油箱1经过第一变量泵3到达三位四通换向阀6的第一进油口6P，接着从三位四通换向阀6第二出油口6B到达回转马达14，使回转马达14反转，压力油从回转马达14出油口流出后经三位四通换向阀6油口6A到达6T后流回油箱，此过程中控制器34通过压力传感器32检测到先导油路控制手柄33两端存在压力差，于是给离合器20发出断开的信号，所以与离合器20相连的增速器21、联轴器22、发电机23等在此过程中不工作。

状态4：将先导油路控制手柄33由右位拨回中位，此时三位四通换向阀处于中位断开，回转马达由于惯性作用继续反向运转，逐渐停止。先导油路控制手柄33由右位拨回中位，两端没有压力差。一方面，通过梭阀31作为先导压力作用在第三液控换向阀17和第四液控换向阀30，使第三液控换向阀17和第四液控换向阀30回到原位，处于导通状态。回转马达由于惯性作用继续反向运转，此时的回转马达相当于泵的作用，将右侧的压力油吸入，从左侧排出，回转马达的左侧压力大于右侧，使得第二液控换向阀18导通，而第一液控换向阀12关闭。压力油从回转马达左侧排出后经第三液控换向阀17以及单向阀16后到达第一马达10，驱动第一马达10旋转，第一马达10输出扭矩带动同轴的第二变量泵9工作，第二变量泵9将油液从油缸中吸出后经单向阀7储存在蓄能器中。压力油从第一马达10排出后经第二液控换向阀18、第三单向阀19后供给回转马达14右侧；另一方面，控制器34通过压力传感器32检测到先导油路控制手柄33两端没有压力差，于是给离合器20发出连接的信号，回转马达14通过离合器20带动增速器21加速旋转，再通过联轴器22的连接带动发动机23工作，发电机23产生的电能经过变压器24的处理后储存于蓄电池25中。此过程在储存能量的同时也实现了流量再生。

对于能量的释放，分为电能和压力势能两种形式。首先对于电能，控制器34通过电量计27判断蓄电池25中的电量。当电量大于某一数值时，控制器34发出信号，使得电动开关26连接，电动机37工作，发动机2不工作，第一变量泵3由电机37带动。其次对于压力势能，由控制器34根据第一压力传感器5获得蓄能器8的储能压力以及第三压力传感器35获得主泵输出压力数据，来判断蓄能器8中的压力势能和回转系统的载荷变化，在压力势能大于某一数值或者回转系统外载荷很大的情况下，由控制系统34发出信号，使得电磁换向阀4导通，蓄能器8中的高压油被释放到主泵输出油路中，达到节能目的的同时还提高了系统稳定性。

由于回转马达制动频繁且制动时产生很大的扭矩。本实施例中，对于扭矩通过增速器、发电机转换成电能有着十分重要的意义，是本实施例的亮点、关键技术所在。

本发明提供了一种液压回转制动节能控制系统，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 (6)

1.一种液压回转制动节能控制系统，其特征在于，包括油箱、发动机、第一变量泵、电磁换向阀、三位四通换向阀、第一单向阀、蓄能器、第二变量泵、第一马达、第一液控换向阀、第二单向阀、回转马达、第二溢流阀、第四单向阀、第二液控换向阀、第三液控换向阀、第三单向阀、离合器、增速器、联轴器、发电机、变压器、蓄电池、电动开关、第三溢流阀、第五单向阀、第四液控换向阀、控制器、第一溢流阀、电机；其中，油箱管路连接第一变量泵，第一变量泵上同轴连接发动机和电机，第一变量泵的油路分成三路，一路通过电磁换向阀连通蓄能器，第二路直接连接三位四通换向阀，第三路通过第一溢流阀同时连接三位四通换向阀和油箱；三位四通换向阀引出两路连接回转马达，两路之间设有两个支路，一条支路包括第三液控换向阀、第四单向阀、第五单向阀以及第四液控换向阀，其中第四单向阀和第五单向阀之间引出管路连接第一马达，另一条支路包括第二溢流阀和第三溢流阀，第二溢流阀和第三溢流阀之间引出管路连接油箱；

第一马达同轴连接第二变量泵，第二变量泵通过第一单向阀连通蓄能器；第一马达同时连接第一液控换向阀和第二液控换向阀，第一液控换向阀通过第二单向阀连接回转马达，第二液控换向阀通过第三单向阀连接回转马达；

电机依次电连接电动开关、蓄电池、变压器以及发电机，发电机通过联轴器连接增速器，增速器连接离合器，离合器与回转马达连接；

所述发动机、电磁换向阀、离合器以及电动开关由控制器电控制。

2.根据权利要求1所述的一种液压回转制动节能控制系统，其特征在于，第一马达和第一液控换向阀之间的管路上设有分支管路连接油箱，分支管路上设有单向节流阀。

3.根据权利要求1所述的一种液压回转制动节能控制系统，其特征在于，蓄能器前端设有连接控制器的第一压力传感器。

4.根据权利要求1所述的一种液压回转制动节能控制系统，其特征在于，第一变量泵前端设有连接控制器的第三压力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种液压回转制动节能控制系统，其特征在于，三位四通换向阀由先导油路控制手柄控制，先导油路控制手柄连接梭阀，梭阀分别连接第三液控换向阀和第四液控换向阀的先导油口，且梭阀与第三液控换向阀和第四液控换向阀先导油口连接的管路上设有连接控制器的第二压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种液压回转制动节能控制系统，其特征在于，蓄电池与电量计连接，电量计电连接控制器。