CN104372823B - 一种挖掘机回转制动能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种挖掘机回转制动能量回收系统，本发明以液压蓄能器作为储能元件，回转马达/泵作为能量转换元件，将转台的惯性能转化为液压能储存到蓄能器中，即制动时回转马达运行于泵工况，将挖掘机回转制动能量回收并存储于蓄能器中，下次启动时释放能量，通过控制发动机和蓄能器主辅动力源的能量分配，实现挖掘机回转制动能量的回收和再利用；从而达到节能的目的。

Description

一种挖掘机回转制动能量回收系统

技术领域

本发明涉及液压挖掘机的节能领域，尤其涉及一种挖掘机回转制动能量回收系统。

背景技术

目前，能量回收的研究主要集中于汽车领域，工程机械领域尤其是液压挖掘机的能量回收研究还处于起步阶段，且一般采用超级电容或蓄电池作为储能元件，虽然国内外挖掘机产品回转系统采用了防反转阀，但制动过程液压冲击和马达反转现象仍较严重。而传统的改善挖掘机回转系统制动性能的方法具有较大局限性，如降低换向阀动作速度将影响系统工作效率；降低安全阀调定溢流压力将严重影响挖掘机作业安全性。

液压挖掘机用量大而且油耗高排放差，传统液压挖掘机的总能量利用率仅为20％左右，而液压系统的效率约为30％，这是液压挖掘机效率低下的最主要原因之一。液压挖掘机转台的回转机构频繁启动制动，且转台惯性都比较大，减速制动时会释放出大量的能量，能量消耗占整个工作循环的25％～40％。制动能量多以热能形式散失，引起液压回转系统的发热，降低回转机构的工作性能，导致能量的损失较大，更会影响系统的工作寿命。此外，由于液压挖掘机回转系统制动时易产生液压冲击和回转马达反转现象，严重影响了挖掘机的使用寿命操作者的舒适性和安全感。若能将这部分能量回收并加以利用，同时防止制动时的液压冲击和转台反转，不仅在挖掘机节能方面具有一定的经济价值，而且能够有效延长其液压系统的寿命，提高系统的工作性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种挖掘机回转制动能量回收系统，实现挖掘机回转制动能量的回收和再利用；从而达到节能的目的。

本发明是这样实现的：一种挖掘机回转制动能量回收系统，所述系统包括液压蓄能器、ECU控制单元、变量泵、控制阀组件、压力传感器组件以及回转马达；所述挖掘机的发动机与所述变量泵连接，所述ECU控制单元通过控制阀组件分别控制液压蓄能器、变量泵、回转马达；所述ECU控制单元通过压力传感器组件分别采集液压蓄能器、回转马达压力；所述回转马达驱动所述挖掘机的转台；所述ECU控制单元采集压力传感器组件反馈的信号，从而控制控制阀组件的通断，将挖掘机的转台的惯性能转化为液压能储存到液压蓄能器中，即制动时挖掘机回转马达运行于泵工况，将挖掘机回转制动能量回收并存储于液压蓄能器中，下次启动时释放能量，通过控制发动机和液压蓄能器主辅动力源的能量分配，实现挖掘机回转制动能量的回收和再利用。

进一步地，所述系统还包括一先导阀、一第一电液换向阀以及一第二电液换向阀；所述控制阀组件包括：第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第五单向阀、第六单向阀、第七单向阀、第八单向阀、第一溢流阀、第二溢流阀、第三溢流阀以及多路阀；所述压力传感器组件包括：第一压力传感器、第二压力传感器、以及第三压力传感器；所述发动机驱动变量泵，发动机的油箱与变量泵的进口相连，变量泵的出口连接第一单向阀的进口，第一单向阀的出口均与多路阀的第一进口、第二单向阀的出口、第一溢流阀的进口相连，第一溢流阀的出口、多路阀的第二进口均与油箱相连，多路阀的第一液控口均与第一压力传感器、先导阀相连，多路阀的第二液控口分别与第二压力传感器、先导阀相连，多路阀的第一出口分别与第三单向阀的进口、第四单向阀的液控口相连，多路阀的第二出口均与第四单向阀的进口、第三单向阀的液控口相连，第三单向阀的出口分别与回转马达进口、第五单向阀出口、第六单向阀进口相连，第四单向阀的出口分别与回转马达出口、第七单向阀出口、第八单向阀进口相连，第五单向阀进口、第七单向阀进口均与油箱相连，第六单向阀出口、第八单向阀出口、第一电液换向阀进口均与第二溢流阀进口相连，第二溢流阀出口与油箱相连，第一电液换向阀第一出口分别连接液压蓄能器、第三压力传感器、第三溢流阀进口、第二电液换向阀进口，第一电液换向阀第二出口连接油箱，第三溢流阀出口连接油箱，第二电液换向阀出口连接第二单向阀进口；ECU控制单元分别与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一电液换向阀、第二电液换向阀、变量泵控制口相连；所述先导阀用于控制控制阀组件中的各个阀；

其中，挖掘机进行普通回转模式为：ECU控制单元发出指令，第一电液换向阀和第二电液换向阀不通电，多路阀工作在左位，此时变量泵供高压油，流经第一单向阀、多路阀的第一进口、第三单向阀、回转马达、第四单向阀、多路阀第二出口，最后流回油箱，制动时通过第五单向阀补油，防止回转马达吸收空气，通过第二溢流阀进行液压制动；ECU控制单元发出指令，第一电液换向阀和第二电液换向阀不通电，当多路阀工作在右位时，则液压油方向与左位相反；

挖掘机进行能量回收模式为：包括制动时能量回收和启动时回收的能量再利用；制动时能量回收工况：多路阀工作于中位，第二电液换向阀不通电，第一压力传感器和第二压力传感器的压差为0，ECU控制单元发出指令，第一电液换向阀下位通电，回转马达工作于泵工况，将高压油通过第六单向阀或第八单向阀流到第一电液换向阀，并储存到液压蓄能器中，实现制动能的回收；第三压力传感器的压力不再升高时，表明制动结束；启动时回收的能量再利用工况：ECU控制单元发出指令，使第一电液换向阀上位通电，此时实现回转马达高压腔的卸荷，防止液压冲击和反转。

进一步地，所述第一电液换向阀为三位三通换向阀，第二电液换向阀为二位二通换向阀。

进一步地，所述第一压力传感器和第二压力传感器用于判断挖掘机回转的制动和能量回收；所述第三压力传感器用于判断挖掘机回转制动是否结束。

本发明具有如下优点：1.本发明是在原有挖掘机回转系统的基础上，通过添加相应的液压元件改造而成的，结构简单、工作可靠；可通过ECU控制单元控制第一电液换向阀和第二电液换向阀来实现普通回转模式与能量回收模式的切换。

2.回转制动时的制动能量回收于蓄能器；回转启动时回收于蓄能器中的能量可直接再利用于驱动回转马达；由于蓄能器可靠性好、功率密度高，可快速的回收转台制动能，且所回收能量形式为液压能，减少能量转换环节，提高能量再利用率。

3.当转台制动结束时，可通过第一电液换向阀或第二电液换向阀对回转马达高压腔进行卸载卸荷，减小液压冲击和防止转台反转。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明详细的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明的一种挖掘机回转制动能量回收系统，所述系统包括液压蓄能器1、ECU控制单元2、变量泵3、控制阀组件4、回转马达5以及压力传感器组件6；所述挖掘机(未图示)的发动机7与所述变量泵3连接，所述ECU控制单元2通过控制阀组件4分别控制液压蓄能器1、变量泵3、回转马达5；所述ECU控制单元2通过压力传感器组件5分别采集液压蓄能器1、先导阀81、回转马达5压力；所述回转马达5驱动所述挖掘机的转台8；所述ECU控制单元2采集压力传感器组件6反馈的信号，从而控制控制阀组件4的通断，将挖掘机的转台8的惯性能转化为液压能储存到液压蓄能器1中，即制动时挖掘机回转马达运行于泵工况，将挖掘机回转制动能量回收并存储于液压蓄能器1中，下次启动时释放能量，通过控制发动机7和液压蓄能器1主辅动力源的能量分配，实现挖掘机回转制动能量的回收和再利用。当转台8制动结束时，通过ECU控制单元2控制电液换向阀对液压马达高压腔进行卸荷，减小液压冲击和防止转台反转。

其中，在本发明中，所述系统还包括一先导阀81、一第一电液换向阀9以及一第二电液换向阀10；所述控制阀组件4包括：第一单向阀41、第二单向阀42、第三单向阀43、第四单向阀44、第五单向阀45、第六单向阀46、第七单向阀47、第八单向阀48、第一溢流阀49、第二溢流阀50、第三溢流阀51以及多路阀52；所述压力传感器组件6包括：第一压力传感器61、第二压力传感器62、以及第三压力传感器63；所述发动机7驱动变量泵3，发动机的油箱11与变量泵3的进口相连，变量泵3的出口连接第一单向阀41的进口，第一单向阀41的出口均与多路阀52的第一进口、第二单向阀42的出口、第一溢流阀49的进口相连，第一溢流阀49的出口、多路阀52的第二进口均与油箱11相连，多路阀52的第一液控口均与第一压力传感器61、先导阀81相连，多路阀52的第二液控口分别与第二压力传感器62、先导阀81相连，多路阀52的第一出口分别与第三单向阀43的进口、第四单向阀44的液控口相连，多路阀52的第二出口均与第四单向阀44的进口、第三单向阀43的液控口相连，第三单向阀43的出口分别与回转马达5进口、第五单向阀45出口、第六单向阀46进口相连，第四单向阀44的出口分别与回转马达5出口、第七单向阀47出口、第八单向阀48进口相连，第五单向阀45进口、第七单向阀47进口均与油箱相连，第六单向阀46出口、第八单向阀48出口、第一电液换向阀9进口均与第二溢流阀50进口相连，第二溢流阀50出口与油箱11相连，第一电液换向阀9第一出口分别连接液压蓄能器1、第三压力传感器63、第三溢流阀51进口、第二电液换向阀10进口，第一电液换向阀9第二出口连接油箱11，第三溢流阀51出口连接油箱11，第二电液换向阀10出口连接第二单向阀42进口；ECU控制单元2分别与第一压力传感器61、第二压力传感器62、第三压力传感器63、第一电液换向阀9、第二电液换向阀10、变量泵3控制口相连；所述先导阀81用于控制控制阀组件4中的各个阀；

其中，挖掘机进行普通回转模式为：ECU控制单元2发出指令，第一电液换向阀9和第二电液换向阀10不通电，多路阀52工作在左位，此时变量泵3供高压油，流经第一单向阀41、多路阀52的第一进口、第三单向阀43、回转马达5、第四单向阀44、多路阀52第二出口，最后流回油箱11，制动时通过第五单向阀45补油，防止回转马达5吸收空气，通过第二溢流阀50进行液压制动；ECU控制单元2发出指令，第一电液换向阀9和第二电液换向阀10不通电，当多路阀52工作在右位时，则液压油方向与左位相反；

挖掘机进行能量回收模式为：包括制动时能量回收和启动时回收的能量再利用；制动时能量回收工况：多路阀52工作于中位，第二电液换向阀10不通电，第一压力传感器61和第二压力传感器62的压差为0，ECU控制单元2发出指令，第一电液换向阀9下位通电，回转马达5工作于泵工况(泵的工作状况)，将高压油通过第六单向阀46或第八单向阀48流到第一电液换向阀9，并储存到液压蓄能器1中，实现制动能的回收；第三压力传感器63的压力不再升高时，表明制动结束；启动时回收的能量再利用工况：ECU控制单元2发出指令，使第一电液换向阀9上位通电，此时实现回转马达5高压腔的卸荷，防止液压冲击和反转。

所述第一电液换向阀9为三位三通换向阀，第二电液换向阀10为二位二通换向阀。

所述第一压力传感器61和第二压力传感器62用于判断挖掘机回转的制动和能量回收；所述第三压力传感器63用于判断挖掘机回转制动是否结束。

总之，本发明以液压蓄能器作为储能元件，回转马达/泵作为能量转换元件，将转台的惯性能转化为液压能储存到蓄能器中，即制动时回转马达运行于泵工况，将挖掘机回转制动能量回收并存储于蓄能器中，下次启动时释放能量，通过控制发动机和蓄能器主辅动力源的能量分配，实现挖掘机回转制动能量的回收和再利用；从而达到节能的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征在于：所述系统包括液压蓄能器、ECU控制单元、变量泵、控制阀组件、压力传感器组件以及回转马达；所述挖掘机的发动机与所述变量泵连接，所述ECU控制单元通过控制阀组件分别控制液压蓄能器、变量泵、回转马达；所述ECU控制单元通过压力传感器组件分别采集液压蓄能器、回转马达压力；所述回转马达驱动所述挖掘机的转台；所述ECU控制单元采集压力传感器组件反馈的信号，从而控制控制阀组件的通断，将挖掘机的转台的惯性能转化为液压能储存到液压蓄能器中，即制动时挖掘机回转马达运行于泵工况，将挖掘机回转制动能量回收并存储于液压蓄能器中，下次启动时释放能量，通过控制发动机和液压蓄能器主辅动力源的能量分配，实现挖掘机回转制动能量的回收和再利用；

所述系统还包括一先导阀、一第一电液换向阀以及一第二电液换向阀；所述控制阀组件包括：第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第五单向阀、第六单向阀、第七单向阀、第八单向阀、第一溢流阀、第二溢流阀、第三溢流阀以及多路阀；所述压力传感器组件包括：第一压力传感器、第二压力传感器、以及第三压力传感器；所述发动机驱动变量泵，发动机的油箱与变量泵的进口相连，变量泵的出口连接第一单向阀的进口，第一单向阀的出口均与多路阀的第一进口、第二单向阀的出口、第一溢流阀的进口相连，第一溢流阀的出口、多路阀的第二进口均与油箱相连，多路阀的第一液控口均与第一压力传感器、先导阀相连，多路阀的第二液控口分别与第二压力传感器、先导阀相连，多路阀的第一出口分别与第三单向阀的进口、第四单向阀的液控口相连，多路阀的第二出口均与第四单向阀的进口、第三单向阀的液控口相连，第三单向阀的出口分别与回转马达进口、第五单向阀出口、第六单向阀进口相连，第四单向阀的出口分别与回转马达出口、第七单向阀出口、第八单向阀进口相连，第五单向阀进口、第七单向阀进口均与油箱相连，第六单向阀出口、第八单向阀出口、第一电液换向阀进口均与第二溢流阀进口相连，第二溢流阀出口与油箱相连，第一电液换向阀第一出口分别连接液压蓄能器、第三压力传感器、第三溢流阀进口、第二电液换向阀进口，第一电液换向阀第二出口连接油箱，第三溢流阀出口连接油箱，第二电液换向阀出口连接第二单向阀进口；ECU控制单元分别与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一电液换向阀、第二电液换向阀、变量泵控制口相连；所述先导阀用于控制控制阀组件中的各个阀。

2.根据权利要求1所述的一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征在于：

其中，挖掘机进行普通回转模式为：ECU控制单元发出指令，第一电液换向阀和第二电液换向阀不通电，多路阀工作在左位，此时变量泵供高压油，流经第一单向阀、多路阀的第一进口、第三单向阀、回转马达、第四单向阀、多路阀第二出口，最后流回油箱，制动时通过第五单向阀补油，防止回转马达吸收空气，通过第二溢流阀进行液压制动；ECU控制单元发出指令，第一电液换向阀和第二电液换向阀不通电，当多路阀工作在右位时，则液压油方向与左位相反；

挖掘机进行能量回收模式为：包括制动时能量回收和启动时回收的能量再利用；制动时能量回收工况：多路阀工作于中位，第二电液换向阀不通电，第一压力传感器和第二压力传感器的压差为0，ECU控制单元发出指令，第一电液换向阀下位通电，回转马达工作于泵工况，将高压油通过第六单向阀或第八单向阀流到第一电液换向阀，并储存到液压蓄能器中，实现制动能的回收；第三压力传感器的压力不再升高时，表明制动结束；启动时回收的能量再利用工况：ECU控制单元发出指令，使第一电液换向阀上位通电，此时实现回转马达高压腔的卸荷，防止液压冲击和反转。

3.根据权利要求1所述的一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征在于：所述第一电液换向阀为三位三通换向阀，第二电液换向阀为二位二通换向阀。

4.根据权利要求1所述的一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征在于：所述第一压力传感器和第二压力传感器用于判断挖掘机回转的制动和能量回收；所述第三压力传感器用于判断挖掘机回转制动是否结束。