CN104595291B - 能量回收阀组、卷扬机构的液压系统及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量回收阀组、卷扬机构的液压系统及工程机械，以回收和利用卷扬下放时负载的重力势能，从而降低发动机能耗。能量回收阀组包括平衡阀、换向阀和补偿阀，其中：平衡阀具有关闭工作位置和开启工作位置，包括先导油口、第一进油口和第一出油口；换向阀具有第一工作位置、第二工作位置和第三工作位置，包括第二进油口、第二出油口、第一回油口以及第一控制油口和第二控制油口，第二进油口与平衡阀的第一出油口连通，第一控制油口和第二控制油口分别与第一出油口连通，且第二进油口至第一控制油口的油路上设置有阻尼元件；补偿阀具有第三进油口、第二回油口以及第三控制油口，第三进油口与阻尼元件的出油口连通。

Description

能量回收阀组、卷扬机构的液压系统及工程机械

技术领域

本发明涉及液压技术领域，特别是涉及一种能量回收阀组、卷扬机构的液压系统及工程机械。

背景技术

随着工业的发展，燃油等能源的短缺日益严重，工程机械的节能研究正成为研究热点。目前，工程机械在进行卷扬下放时，一般通过平衡阀来控制下放速度稳定，在该过程中，负载的重力势能被白白损失掉。如何回收和利用负载的重力势能，降低发动机能耗是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种能量回收阀组、卷扬机构的液压系统及工程机械，以回收和利用卷扬下放时负载的重力势能，从而降低发动机能耗。

本发明实施例所提供的能量回收阀组，包括平衡阀、换向阀和补偿阀，其中：

平衡阀具有关闭工作位置和开启工作位置，包括先导油口、第一进油口和第一出油口；先导油口可与卷扬下放供油油路连通，第一进油口可与卷扬下放压力油路连通；在关闭工作位置，第一进油口与第一出油口截止；在开启工作位置，第一进油口与第一出油口连通；

换向阀具有第一工作位置、第二工作位置和第三工作位置，包括第二进油口、第二出油口、第一回油口以及第一控制油口和第二控制油口；第二进油口与平衡阀的第一出油口连通，第二出油口可与能量回收装置连通；第一控制油口和第二控制油口分别与第一出油口连通，且第二进油口至第一控制油口的油路上设置有阻尼元件；在第一工作位置，第二进油口、第二出油口和第一回油口截止；在第二工作位置，第二进油口和第二出油口连通，第一回油口截止；在第三工作位置，第二进油口与第二出油口和第一回油口分别连通；

补偿阀具有第三进油口、第二回油口以及第三控制油口，第三进油口与阻尼元件的出油口连通，第三控制油口可与卷扬下放压力油路连通。

在本发明实施例的技术方案中，当卷扬起升时，平衡阀处于关闭工作位置，换向阀处于第一工作位置，补偿阀未工作，卷扬起升供油可直接到达卷扬马达的高压腔油口，从而带动负载起升。当卷扬下放时，能量回收阀组的工作过程可分为三个阶段。在第一阶段，平衡阀在先导压力油的作用下切换至开启工作位置，卷扬下放压力油依次经过平衡阀、换向阀的阻尼元件和补偿阀后流回油箱。补偿阀可保持平衡阀的进出口压差基本等于补偿阀的调定压力，因此，流经平衡阀的流量取决于平衡阀的开度而与负载大小无关。在该阶段，换向阀的第一控制油口和第二控制油口之间建立压差，换向阀由第一工作位置逐渐向第二工作位置移动。在第二阶段，换向阀工作在第二工作位置。流经平衡阀的压力油，大部分经过换向阀后充入能量回收装置，小部分经过阻尼元件和补偿阀后流回油箱。随着能量回收装置充液的逐渐增加，换向阀第二出油口处的压力逐渐增大，换向阀的进出口压差逐渐减小，这时换向阀会在第一控制油口和第二控制油口的压差推动下增大开度，以匹配压差的减小，从而使得充入能量回收装置的流量稳定。在第三阶段，当能量回收装置的压力接近换向阀的进口压力时，压力油无法再经过换向阀充入能量回收装置中，这时换向阀会在第一控制油口和第二控制油口的压差推动下移动至第三工作位置，以使压力油经过换向阀的第一回油口流回油箱。在该阶段，如果能量回收装置压力降低，压力油仍然会经过换向阀的第二出油口向能量回收装置充液。

当卷扬再次起升时，能量回收装置给辅助马达供油，由辅助马达和发动机共同给泵提供驱动力。本方案通过回收和利用卷扬下放时负载的重力势能，大大降低了发动机能耗。

优选的，能量回收阀组还包括防爆阀，所述防爆阀的进油口与卷扬下放压力油路连通，所述防爆阀的出油口与平衡阀的先导油口连通。

优选的，所述能量回收阀组为集成阀组，包括先导压力油口、负载压力油口、回油口、油路切换油口和能量回收油口，其中：

所述先导压力油口与平衡阀的先导油口连通；所述负载压力油口与平衡阀的第一进油口和补偿阀的第三控制油口连通；所述回油口与补偿阀的第二回油口连通；所述油路切换油口至负载压力油口单向连通，且所述油路切换油口与换向阀的第一回油口连通；所述能量回收油口与换向阀的第二出油口连通。

优选的，所述能量回收阀组还包括第一单向阀，所述第一单向阀的进油口与油路切换油口连通，所述第一单向阀的出油口与负载压力油口连通。

本发明实施例还提供了一种卷扬机构的液压系统，包括发动机、泵、主换向阀、卷扬马达、如前述任一技术方案所述的能量回收阀组、能量回收装置，以及辅助马达，其中：所述能量回收阀组中，平衡阀的先导油口与卷扬马达的低压腔油口连通，平衡阀的第一进油口与卷扬马达的高压腔油口连通；换向阀的第二出油口与能量回收装置连通；所述辅助马达的进油口与能量回收装置连通，所述辅助马达的出油口与泵的吸油口连通。该液压系统由辅助马达和发动机共同给泵提供驱动，大大降低了发动机能耗。

较佳的，液压系统还包括：设置于能量回收装置与辅助马达之间油路上的压力继电器，所述压力继电器在卷扬起升时将能量回收装置与辅助马达之间的油路导通，在卷扬下放时将能量回收装置与辅助马达之间的油路截止。

较佳的，液压系统还包括：第二单向阀，所述第二单向阀的进油口与能量回收阀组中换向阀的第二出油口连通，所述第二单向阀的出油口与能量回收装置连通。

较佳的，液压系统还包括：设置于能量回收装置至辅助马达的进油口之间油路上的溢流阀。

优选的，所述能量回收装置包括蓄能器。

本发明实施例还提供了一种工程机械，包括前述任一技术方案所述的卷扬机构的液压系统。该工程机械通过回收和利用卷扬下放时负载的重力势能，大大降低了发动机能耗。

附图说明

图1为本发明实施例的能量回收阀组结构示意图；

图2为本发明实施例的卷扬机构的液压系统结构示意图。

具体实施方式

为了回收和利用卷扬下放时负载的重力势能，从而降低发动机能耗，本发明实施例提供了一种能量回收阀组、卷扬机构的液压系统及工程机械。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一实施例提供的能量回收阀组，包括平衡阀31、换向阀32和补偿阀33，其中：

平衡阀31具有关闭工作位置(即图1所示平衡阀的右位)和开启工作位置(即图1所示平衡阀的左位)，包括先导油口313、第一进油口311和第一出油口312；先导油口313可与卷扬下放供油油路(即向图2中A口供油的油路)连通，第一进油口311可与卷扬下放压力油路(即从图2中B口出油的油路)连通；在关闭工作位置，第一进油口311与第一出油口312截止；在开启工作位置，第一进油口311与第一出油口312连通；

换向阀32具有第一工作位置(即图1所示换向阀的右位)、第二工作位置(即图1所示换向阀的中位)和第三工作位置(即图1所示换向阀的左位)，包括第二进油口321、第二出油口322、第一回油口323以及第一控制油口324和第二控制油口325；第二进油口321与平衡阀31的第一出油口312连通，第二出油口322可与能量回收装置连通；第一控制油口324和第二控制油口325分别与平衡阀31的第一出油口312(也可以看作与换向阀32的第二进油口321连通)，且第二进油口321至第一控制油口324的油路上设置有阻尼元件326；在第一工作位置，第二进油口321、第二出油口322和第一回油口323截止；在第二工作位置，第二进油口321和第二出油口322连通，第一回油口323截止；在第三工作位置，第二进油口321与第二出油口322和第一回油口323分别连通；

补偿阀33具有第三进油口331、第二回油口332以及第三控制油口333，第三进油口331与阻尼元件326的出油口连通，第三控制油口333可与卷扬下放压力油路连通。

该能量回收阀组可应用于卷扬机构的液压系统中，工程机械的具体类型不限，例如，可以为旋挖钻机、起重机等等。能量回收装置的具体类型不限，在图2所示的实施例中，能量回收装置具体采用了蓄能器5。

具体实施时，该能量回收阀组中各液压阀元件，如平衡阀31、换向阀32、补偿阀33等均可以为独立阀件，通过油管路连接而集成组成该能量回收阀组。优选的，该能量回收阀组3还可以设计形成为一个集成阀块。如图1和图2所示，该能量回收阀组作为一个整体，包括若干与阀组外部的油路连接的外接油口，如先导压力油口(P_L口)、负载压力油口(C口)、回油口(L口)、油路切换油口(V口)、能量回收油口(R口)、测压油口(M口)，其中：

P_L口与平衡阀31的先导油口313连通；C口与平衡阀31的第一进油口311和补偿阀33的第三控制油口333连通；L口与补偿阀33的第二回油口332连通；V口至C口单向连通，并且V口与换向阀32的第一回油口323连通；R口与换向阀32的第二出油口322连通；M口与C口连通。

在将该集成阀组应用于卷扬机构的液压系统时，P_L口连接卷扬下放供油油路，R口连接蓄能器5，V口连接主换向阀11的工作油口，L口连接油箱，M口连接压力检测装置(图中未示出)，C口连接卷扬下放压力油路。

请继续参照图1所示，该能量回收阀组还包括第一单向阀34，第一单向阀34的进油口与V口连通，第一单向阀34的出油口与C口连通。当卷扬起升时，压力油可直接经V口、第一单向阀34到达C口。当卷扬下放时，由于第一单向阀34的反向截止作用，压力油无法经过C口、第一单向阀34到达V口。

优选的，能量回收阀组还包括防爆阀35，防爆阀35的进油口与卷扬下放压力油路连通，防爆阀35的出油口与平衡阀31的先导油口313连通。防爆阀35可对液压系统进行过载保护，当C口的压力大于防爆阀35的调定压力时，防爆阀开启，P_L口压力上升，从而将平衡阀31开启，使压力油流经能量回收阀组，同时实现负载下放。

如图2所示，本发明实施例提供的卷扬机构的液压系统，包括发动机10、泵9、主换向阀11、卷扬马达2、如前述实施例的能量回收阀组3、能量回收装置(该实施例具体采用了蓄能器5)，以及辅助马达8，其中：

能量回收阀组3中，平衡阀31的先导油口313与卷扬马达2的低压腔油口(即A口)连通，平衡阀31的第一进油口311与卷扬马达2的高压腔油口(即B口)连通；换向阀32的第二出油口322与蓄能器5连通；辅助马达8的进油口与蓄能器5连通，辅助马达8的出油口与泵9的吸油口连通。

在卷扬机构的液压系统中，卷扬马达2是将液体的压力能转换为旋转运动机械能的执行元件。卷扬马达2为双向马达，包括高压腔和低压腔，其中，高压腔将液压能转换为旋转运动机械能从而控制卷扬钢丝绳的起升；低压腔将液压能转换为旋转运动机械能从而控制卷扬钢丝绳的下降。主换向阀11在液压系统中起到控制流量大小和卷扬换向的作用，例如可以为三位四通换向阀等等。辅助马达8可以采用单向马达或者双向变量马达，当蓄能器5开启时，蓄能器5为辅助马达8供油，辅助马达8为泵9提供部分驱动力。蓄能器5的具体数量不限，可根据经验结合蓄能器5的规格来确定。

如图2所示，液压系统还包括：设置于蓄能器5与辅助马达8之间油路上的压力继电器6，压力继电器6在卷扬起升时将蓄能器5与辅助马达8之间的油路导通，在卷扬下放时将蓄能器5与辅助马达8之间的油路截止。较佳的，液压系统还包括：第二单向阀4，第二单向阀4的进油口与能量回收阀组3中换向阀32的第二出油口连通，第二单向阀4的出油口与蓄能器5连通，第二单向阀4可避免充入蓄能器5的压力油回流。较佳的，液压系统还包括：设置于蓄能器5至辅助马达8的进油口之间油路上的溢流阀7，当该段油路压力过大时，溢流阀7溢流，为系统提供过载保护。

以下结合图1和图2详细说明卷扬机构的液压系统的工作过程。

当卷扬起升时，平衡阀31处于关闭工作位置，换向阀32处于第一工作位置，补偿阀33未工作，泵9的供油经过主换向阀11、V口、第一单向阀34、C口到达卷扬马达2的高压腔油口(B口)，卷扬马达2的输出轴驱动卷筒1旋转，从而带动负载起升，同时，卷扬马达2的低压腔油口(A口)通过主换向阀11回油。在该过程中，能量回收阀组3的平衡阀31、换向阀32、补偿阀33、防爆阀35均不工作。

当卷扬下放时，泵9的供油经过主换向阀11到达卷扬马达2的A口，卷扬马达2的B口流出的压力油流经能量回收阀组3给蓄能器5蓄能。能量回收阀组3的工作过程可分为以下三个阶段：

第一阶段，平衡阀31在流入P_L口的先导压力油的作用下切换至开启工作位置，从卷扬马达2的B口流出的压力油依次经过平衡阀31、换向阀32的阻尼元件326和补偿阀33后流回油箱。由于补偿阀33的第三控制油口333的压力等于卷扬马达的B口压力，补偿阀33的第三进油口331的压力等于阻尼元件326的出油口压力，因此，补偿阀33可保持平衡阀31的进出口压差基本等于补偿阀33的调定压力，从而使得：流经平衡阀31的流量取决于平衡阀31的开度而与负载大小无关。在该阶段，换向阀32的第一控制油口324和第二控制油口325之间建立压差，换向阀32由第一工作位置逐渐向第二工作位置移动。

第二阶段，换向阀32工作在第二工作位置。由于补偿阀33具有小通径特点并且调定压力为定值，这使得流经补偿阀33的流量基本稳定，因此，压力油在流经平衡阀31后，只有小部分经过阻尼元件326和补偿阀33后流回油箱，大部分经过换向阀32后充入蓄能器5。随着蓄能器5充液的逐渐增加，换向阀32第二出油口322处的压力逐渐增大，换向阀32的进出口压差逐渐减小，这时换向阀32会在第一控制油口324和第二控制油口325的压差推动下增大开度，以匹配压差的减小，从而使得充入蓄能器5的流量稳定。根据质量守恒定律，流经平衡阀31的流量等于流经补偿阀33的流量与流经换向阀32的流量之和。

第三阶段，当蓄能器5的压力接近换向阀32的进口压力时(有一部分压力会在阀口处损失)，压力油无法再经过换向阀32充入蓄能器5中，这时换向阀32会在第一控制油口324和第二控制油口325的压差推动下移动至第三工作位置，从而能够使压力油经过换向阀32的第一回油口323流回油箱。在该阶段，如果蓄能器5压力降低，压力油仍然会经过换向阀32的第二出油口322向蓄能器5充液。

当卷扬再次起升时，压力继电器6控制蓄能器5至辅助马达8之间的油路导通，蓄能器5给辅助马达8供油，辅助马达8和发动机10共同给泵9提供驱动力。

从以上工作过程可以看出，该能量回收阀组具有以下特点：换向阀32的阻尼元件326与补偿阀33构成液压B型半桥，换向阀32与补偿阀33的作用相当于具有换向功能主阀的先导式溢流阀；补偿阀33保证了平衡阀31的进出口压差为定值，并且实现了平衡阀31与换向阀32之间的压力流量耦合；整个阀组的流量不受负载大小影响，并且换向阀32的阀口能够自动切换，以匹配给蓄能器5充液及回油；此外，该能量回收阀组3的体积小巧，结构简单，成本较低。

本方案液压系统在工作时回收利用了卷扬下放时负载的重力势能，从而降低了发动机的能耗。

本发明实施例还提供了一种工程机械，包括前述实施例的卷扬机构的液压系统。该工程机械通过回收和利用卷扬下放时负载的重力势能，大大降低了发动机能耗。工程机械的具体类型不限，例如可以为旋挖钻机、起重机等等。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种能量回收阀组，包括换向阀和补偿阀，所述换向阀具有第一工作位置、第二工作位置和第三工作位置，所述补偿阀具有第三进油口、第二回油口以及第三控制油口，其特征在于：

所述能量回收阀组还包括平衡阀，所述平衡阀具有关闭工作位置和开启工作位置，包括先导油口、第一进油口和第一出油口；所述先导油口可与卷扬下放供油油路连通，所述第一进油口可与卷扬下放压力油路连通；在所述关闭工作位置，所述第一进油口与所述第一出油口截止；在所述开启工作位置，所述第一进油口与所述第一出油口连通；

所述换向阀包括第二进油口、第二出油口、第一回油口以及第一控制油口和第二控制油口；所述第二进油口与所述平衡阀的第一出油口连通，所述第二出油口可与能量回收装置连通；所述第一控制油口和所述第二控制油口分别与所述第一出油口连通，且所述第二进油口至所述第一控制油口的油路上设置有阻尼元件；在所述第一工作位置，所述第二进油口、所述第二出油口和所述第一回油口截止；在所述第二工作位置，所述第二进油口和所述第二出油口连通，所述第一回油口截止；在所述第三工作位置，所述第二进油口与所述第二出油口和所述第一回油口分别连通；

所述补偿阀的所述第三进油口与所述阻尼元件的出油口连通，所述第三控制油口可与所述卷扬下放压力油路连通。

2.如权利要求1所述的能量回收阀组，其特征在于，还包括防爆阀，所述防爆阀的进油口与所述卷扬下放压力油路连通，所述防爆阀的出油口与所述平衡阀的先导油口连通。

3.如权利要求1或2所述的能量回收阀组，其特征在于，所述能量回收阀组为集成阀组，包括先导压力油口、负载压力油口、回油口、油路切换油口和能量回收油口，其中：

所述先导压力油口与所述平衡阀的先导油口连通；所述负载压力油口与所述平衡阀的第一进油口和所述补偿阀的第三控制油口连通；所述回油口与所述补偿阀的第二回油口连通；所述油路切换油口至所述负载压力油口单向连通，且所述油路切换油口与所述换向阀的第一回油口连通；所述能量回收油口与所述换向阀的第二出油口连通。

4.如权利要求3所述的能量回收阀组，其特征在于，所述能量回收阀组还包括第一单向阀，所述第一单向阀的进油口与所述油路切换油口连通，所述第一单向阀的出油口与所述负载压力油口连通。

5.一种卷扬机构的液压系统，包括发动机、泵、主换向阀、卷扬马达、其特征在于，液压系统还包括如权利要求1～4任一项所述的能量回收阀组、能量回收装置，以及辅助马达，其中：

所述能量回收阀组中，所述平衡阀的先导油口与所述卷扬马达的低压腔油口连通，所述平衡阀的第一进油口与所述卷扬马达的高压腔油口连通；所述换向阀的第二出油口与所述能量回收装置连通；

所述辅助马达的进油口与所述能量回收装置连通，所述辅助马达的出油口与所述泵的吸油口连通。

6.如权利要求5所述的液压系统，其特征在于，还包括：设置于所述能量回收装置与所述辅助马达之间油路上的压力继电器，所述压力继电器在卷扬起升时将所述能量回收装置与所述辅助马达之间的油路导通，在卷扬下放时将所述能量回收装置与所述辅助马达之间的油路截止。

7.如权利要求5所述的液压系统，其特征在于，还包括：第二单向阀，所述第二单向阀的进油口与所述能量回收阀组中所述换向阀的第二出油口连通，所述第二单向阀的出油口与所述能量回收装置连通。

8.如权利要求5所述的液压系统，其特征在于，还包括：设置于所述能量回收装置至所述辅助马达的进油口之间油路上的溢流阀。

9.如权利要求8所述的液压系统，其特征在于，所述能量回收装置包括蓄能器。

10.一种工程机械，其特征在于，包括如权利要求5～9任一项所述的卷扬机构的液压系统。