CN105840598A - 一种工程机械转台能量自动回收和再利用的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工程机械转台能量自动回收和再利用的驱动系统，其具有内燃机、驱动泵、先导泵，多路阀、液控单向阀、单向阀、溢流阀、电磁换向阀、液控换向阀、梭阀、液压蓄能器和转台等，转台在回转操作手柄的控制下，进行启动回转和停止制动工作循环，在此过程中由于转台的惯性使得启动瞬间和制动过程中产生具有较高压力的液压油，通过控制阀流入到液压蓄能器中，避免了能量的损耗；当蓄能器压力高于回转马达的压力时，又可以通过液控换向阀等自动释放出来，辅助驱动转台的运动，从而降低了液压泵的能量损耗。通过本发明所提供的转台驱动系统，能够实现对转台启动和制动过程中的能量进行回收和再利用，提高能量的利用率，降低能量消耗。

Description

一种工程机械转台能量自动回收和再利用的驱动系统

技术领域

本发明涉及液压控制系统领域技术，尤其是指一种工程机械转台能量自动回收和再利用的驱动系统。

背景技术

随着全球经济的发展，全球变暖和能源危机日益严重，因此各国政府均在提高能源能效、开发新能源、节能减排等方面提出了新的需求。工程机械在国民生产建设中起着重要作用，但也是当前的能耗大户，研究工程机械中的能量回收和再利用问题对于提高工程机械的效率，降低能量消耗具有重要和积极的作用。

工程机械在工作过程中需要不断的往复回转以完成相应的工作，在此过程中，转台就不断的处于启动加速和停止制动的循环之中。在传统回转系统中，当转台由静止开始启动加速过程中，由于转台是一个大惯量系统，因此液压泵提供的液压油大部分经过溢流安全阀回油箱，只有当转台的转速升高后，回转马达腔的压力降低，液压泵提供的液压油才全部进入回转马达推动转台回转；当回转操作手柄回到中位时，切断了回转马达与多路阀之间的油路，此时由于转台具有惯性仍继续回转，此时导致回油腔的压力升高，超过溢流安全阀的设定压力而产生溢流。因此在转台往复回转一个工作循环的过程中，有四次溢流损耗，造成大量的能量消耗，且产生大量的热量，严重影响工程机械的安全稳定运行。

目前对于回转能量的回收主要分为电气式和液压式两类。电气式能量回收系统的转台由电动机代替液压马达直接驱动，在减速制动时，制动动能通过电动机工作在发电机模式转化为电能储存在电池或超级电容中，但由于要额外增加液压马达-发电机和电池或超级电容，成本高，系统复杂，不具有普遍适应性。液压式能量回收系统又分为两种，一种是基于二次调节回路的节能系统，一种是基于液压蓄能器的能量回收系统。基于二次调节回路的系统，在主油路中不存在阀控节流损失，能大幅提高回转系统的效率，但是基于二次调节回路的节能系统需配备液压变压器，且规格不一，易增加系统改造成本，另外液压变压器技术还不成熟，该技术也难以在实际产品中加以推广应用。基于液压蓄能器的转台能量回收系统对原有系统的改动较小，成本较低。但现有的研究大多集中于制动能量的回收，对于起动能量的回收仅局限于方案和仿真阶段；并且各种基于液压蓄能器的能量回收和再利用系统，虽然能自动回收起动和制动能量，但能量再利用时，却需要进行单独的控制，不能根据工况自动释放，增加了控制的难度和复杂性。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种工程机械转台能量自动回收和再利用的驱动系统，其能自动回收转台启动和制动过程中产生的溢流能量，并根据回转马达和液压蓄能器的压力在转台回转过程中自动释放出来，辅助液压泵完成对转台的驱动，从而降低了能量的消耗，提高了驱动系统的效率，并有效避免由于系统因能量损耗而产生的大量热量对液压系统稳定性的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种工程机械转台能量自动回收和再利用的驱动系统，包括驱动泵、先导泵、回转操作手柄、单向阀、安全阀、多路阀、液控单向阀、溢流安全阀、补油单向阀、回转马达、减速器、转台、第一梭阀、第一二位二通液控换向阀、二位三通液控换向阀、第二二位二通液控换向阀、第二梭阀、三位三通电磁换向阀、二位二通电磁换向阀、电控系统、内燃机、液压蓄能器和溢流阀；

所述回转马达与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与转台相连；驱动泵和先导泵与内燃机同轴安装，驱动泵和先导泵的吸油口均与油箱相通，驱动泵的出油口与单向阀的入口相通，先导泵的出口与回转操作手柄的进油口相连；单向阀的出油口一路与安全阀相连，一路与多路阀的进油口相连；多路阀回油口直接与油箱相连，多路阀的左右控制油口分别与回转操作手柄的两个出油口相连；回转操作手柄的控制由电控系统控制；回转操作手柄的两个出油口分别分三路，一路与多路阀的控制油口相连，一路与液控单向阀的控制油口相连，一路与第二梭阀的一个进油口相连；多路阀的两路出油口对称，每路各分五条支路，分别与液控单向阀的入口、溢流安全阀、补油单向阀的出口、回转马达进油口以及第一梭阀相连；液控单向阀的控制油口与回转操作手柄的出油口相连，出油口分三路，第一路与另一液控单向阀的出口相连，第二路与二位三通液控换向阀的入口相连，第三路与第一二位二通液控换向阀的入口相连；溢流安全阀的出油口与油箱相连；补油单向阀的进油口与油箱相连；

所述第一梭阀的输出油口与第一二位二通液控换向阀的下侧控制油口相连；所述第一二位二通液控换向阀的上侧控制油口与液压蓄能器的进油口相连；第一二位二通液控换向阀的出油口与液压蓄能器的进油口相连；

所述二位三通液控换向阀的上侧为弹簧，下侧的控制油口与第二梭阀的出油口相连；二位三通液控换向阀的上侧油口与液压蓄能器的油口相连，下侧油口与油箱相连，出油口与第二二位二通液控换向阀上侧的控制油口相连；

所述第二二位二通液控换向阀的下侧为弹簧，进油口与三位三通电磁换向阀的上侧油口相连，出油口与液压蓄能器相连；所述三位三通电磁换向阀的下侧油口与油箱相连，三位三通电磁换向阀的上下电磁铁由电控系统控制；

所述液压蓄能器的进油口一路与溢流阀相连，一路与第一二位二通液控换向阀的出口相连，一路与第一二位二通液控换向阀的上侧控制油口相连，一路与第二二位二通液控换向阀的出口相连，一路与二位三通液控换向阀的进油口相连，一路与二位二通电磁换向阀的进油口相连；所述二位二通电磁换向阀的电磁铁由电控单元控制；

所述内燃机、三位三通电磁换向阀、二位二通电磁换向阀、回转操作手柄的控制信号均由电控系统控制。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

通过在回转马达与液压蓄能器之间设置相应的液压阀，来检测液压泵出口压力、回转操作手柄的输出压力、回转马达两腔压力以及液压蓄能器的压力，并使相应的换向阀处于相应的工作位置，连通回转马达腔与液压蓄能器之间的不同能量流通通道，使得驱动系统不需安装很多的压力传感器即能实现压力的比较，自动完成对回转驱动系统能量的回收和再利用。一方面降低了转台驱动系统的能量消耗，增强了驱动系统运行的稳定性，另一方面简化了控制系统，提高了控制系统的可靠性。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：

附图说明

图1为本发明之较佳实施例的启动加速过程原理示意图；

图2为本发明之较佳实施例的无能量回收和再利用时的工作原理示意图；

图3为本发明之较佳实施例的制动能量回收原理示意图；

图4为本发明之较佳实施例的转台处于静止时的液压驱动系统图；

图5为本发明之较佳实施例的多级能量回收与再利用工作原理示意图。

附图标识说明：

1、驱动泵 2、先导泵

3、回转操作手柄 4、单向阀

5、安全阀 6、多路阀

71、72、液控单向阀 81、82、溢流安全阀

91、92、补油单向阀 10、回转马达

11、减速器 12、转台

13、第一梭阀 14、第一二位二通液控换向阀

15、二位三通液控换向阀 16、第二二位二通液控换向阀

17、第二梭阀 18、三位三通电磁换向阀

19、二位二通电磁换向阀 20、电控系统

21、内燃机 22、液压蓄能器

23、溢流阀

具体实施方式

请参照图1至图5所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有驱动泵1、先导泵2、回转操作手柄3、单向阀4、安全阀5、多路阀6、液控单向阀71、72、溢流安全阀81、82、补油单向阀91、92、回转马达10、减速器11、转台12、第一梭阀13、第一二位二通液控换向阀14、二位三通液控换向阀15、第二二位二通液控换向阀16、第二梭阀17、三位三通电磁换向阀18、二位二通电磁换向阀19、电控系统20、内燃机21、液压蓄能器22和溢流阀23。

所述回转马达10与减速器11的输入轴相连，减速器11的输出轴与转台12相连；驱动泵1和先导泵2与内燃机21同轴安装，驱动泵1和先导泵2的吸油口均与油箱相通，驱动泵1的出油口与单向阀4的入口相通，先导泵2的出口与回转操作手柄3的进油口相连；单向阀4的出油口一路与安全阀5相连，一路与多路阀6的进油口相连；多路阀6回油口直接与油箱相连，多路阀6的左右控制油口分别与回转操作手柄3的两个出油口相连；回转操作手柄3的控制由电控系统20控制；回转操作手柄3的两个出油口分别分三路，一路与多路阀6的控制油口相连，一路与液控单向阀71、72的控制油口相连，一路与第二梭阀17的一个进油口相连；多路阀6的两路出油口对称，每路各分五条支路，分别与液控单向阀71、72的入口、溢流安全阀81、82、补油单向阀91、92的出口、回转马达10进油口以及第一梭阀13相连；液控单向阀71的控制油口与回转操作手柄3的出油口相连，出油口分三路，第一路与另一液控单向阀72的出口相连，第二路与二位三通液控换向阀15的入口相连，第三路与第一二位二通液控换向阀14的入口相连；溢流安全阀81、82的出油口与油箱相连；补油单向阀91、92的进油口与油箱相连。

所述第一梭阀13的输出油口与第一二位二通液控换向阀14的下侧控制油口相连；所述第一二位二通液控换向阀14的上侧控制油口与液压蓄能器22的进油口相连；第一二位二通液控换向阀14的出油口与液压蓄能器22的进油口相连。

所述二位三通液控换向阀15的上侧为弹簧，下侧的控制油口与第二梭阀17的出油口相连；二位三通液控换向阀15的上侧油口与液压蓄能器22的油口相连，下侧油口与油箱相连，出油口与第二二位二通液控换向阀16上侧的控制油口相连。

所述第二二位二通液控换向阀16的下侧为弹簧，进油口与三位三通电磁换向阀18的上侧油口相连，出油口与液压蓄能器22相连；所述三位三通电磁换向阀18的下侧油口与油箱相连，三位三通电磁换向阀18的上下电磁铁18a、18b由电控系统20控制。

所述液压蓄能器22的进油口一路与溢流阀23相连，一路与第一二位二通液控换向阀14的出口相连，一路与第一二位二通液控换向阀14的上侧控制油口相连，一路与第二二位二通液控换向阀16的出口相连，一路与二位三通液控换向阀15的进油口相连，一路与二位二通电磁换向阀19的进油口相连；所述二位二通电磁换向阀19的电磁铁由电控单元控制。

所述内燃机21、三位三通电磁换向阀18、二位二通电磁换向阀19、回转操作手柄3的控制信号均由电控系统控制。

下面根据本实施例工程机械转台能量自动回收和再利用的驱动系统的不同工作阶段对本实施例的驱动系统使用做进一步说明。

(1)启动加速阶段：

当表征回转的回转操作手柄3离开中位(以左回转为例)向左运动时，电控系统20使三位三通电磁换向阀18的下位电磁铁18b通电，下位工作；同时先导泵2经回转操作手柄3左侧输出高压油，而右侧油口则输出低压油；输出的高压油分别作用于多路阀6左侧、第二梭阀17的右侧及左侧的液控单向阀71的控制油口。第二梭阀17输出高压油作用于二位三通液控换向阀15的下侧控制油口，使二位三通液控换向阀15下位工作；二位三通液控换向阀15的右侧油口与油箱连通，从而使得第二二位二通液控换向阀16的上侧控制油路压力为零，在下侧弹簧力作用下处于下位工作；第一梭阀13的左侧与处于高压状态的回转马达10左腔连通，因此第一梭阀13输出高压油作用于第一二位二通液控换向阀14的下侧控制油口，使得第一二位二通液控换向阀14下位工作。二位二通电磁换向阀19的电磁铁不通电，处于左位工作，切断液压蓄能器22与其他执行器的通路。液控单向阀71、72的控制油口接回转操作手柄3输出的高压油，允许液压油双向流通。上述各液压控制阀在启动加速过程中保持状态，如图1所示。

由于多路阀6左侧控制油压高于右侧的油压，因此多路阀6换向，驱动泵1在内燃机21的驱动下，输出的高压油经单向阀4从多路阀6左位输出，流入回转马达10的左腔；由于此时转台12处于静止状态，而且转台12属于大惯量系统，因此回转马达10也处于静止状态，此时大量涌入到回转马达10左腔的液压油不能驱动回转马达10回转，而只能打开左侧的液控单向阀71流出；从液控单向阀71流出的高压油分两路，一路经三位三通电磁换向阀18的下位和第二二位二通液控换向阀16的下位进入液压蓄能器22，另一路经第一二位二通液控换向阀14的下位进入液压蓄能器22。由于从液控单向阀71输出的液压油分成两部分，从而可以降低系统压降，提高液压蓄能器22回收的能量。

当液压力克服转台12的惯性，推动转台12开始回转后，流入回转马达10的流量逐渐增加，而流入液压蓄能器22的流量逐渐减小。转台12处于加速回转状态。当转台12达到额定转速，驱动泵1输出的流量完全进入回转马达10，起动加速过程结束。

(2)回收能量再利用阶段

由于在加速回转阶段，液压蓄能器22吸收了大量的能量，压力升高；而回转马达10已经完成加速过程，转速趋于平稳，此时回转马达10腔的压力小于加速阶段的压力，即小于液压蓄能器22的压力。此时，在液压蓄能器22较高压力的作用下，第一二位二通液控换向阀14上位工作，切断左右回路的连通；第二梭阀17输出高压油并作用于二位三通液控换向阀15的下位控制油口，使二位三通液控换向阀15下位工作，使二位三通液控换向阀15右侧油口与油箱连通，并作用于第二二位二通液控换向阀16的上侧控制油口，第二二位二通液控换向阀16在下侧弹簧作用下处于下位工作；三位三通电磁换向阀18仍然保持下位工作。液控单向阀71、72的控制油口接回转操作手柄3输出的高压油，允许液压油双向流通。

此时由于液压蓄能器22中的压力较高，因此液压蓄能器22中的压力油经第二二位二通液控换向阀16的下位进入三位三通电磁换向阀18的下位并经左侧的液控单向阀71、72反向流出，进入回转马达10左腔，与驱动泵1提供的液压油一起，为回转马达10提供较大的流量，保证转台12的快速运转。由于液压蓄能器22提供了一部分回转马达10所需要的流量，因此降低了驱动泵1的输出，降低了系统的能量消耗。

在转台12由启动加速到正常运转过程中，是依靠液压蓄能器22与回转马达10的压力自动切换的，不需人为操作，提高了能量回收和再利用的效率和可靠性，并简化了控制流程。

(3)制动能量回收

当回转操作手柄3回中位后，回转操作手柄3切断先导泵2的对外输出，回转操作手柄3的两个先导输出油口均与油箱相通。因此，多路阀6在两侧先导油路的控制下回中位，切断驱动泵1与回转马达10腔的通道，同时也切断了回转马达10另一侧与油箱的连接通道；第二梭阀17两侧的压力为零，输出压力也为零；液控单向阀71、72的控制油口接低压油，反向流通被禁止，只能与普通单向阀一样，保持正向流通。

由于第二梭阀17的输出为零，因此二位三通液控换向阀15在上侧弹簧力作用下处于上位工作，从而使得液压蓄能器22中的液压油作用于第二二位二通液控换向阀16的上侧控制油口，使第二二位二通液控换向阀16上位工作，切断左右的油路。

由于转台12属于大惯性负载，因此在驱动泵1停止为回转马达10供油时，转台12仍然沿着原来的方向继续运转，使原来接油箱的右侧的马达腔的油液压缩，产生很高的压力，高压油打开右侧的液控单向阀72，从液控单向阀72的正向流出。由于马达右腔的压力高，因此第一梭阀13输出高压油作用于第一二位二通液控换向阀14的下侧控制油口，促使第一二位二通液控换向阀14的下位工作，连通左右油路；因此从回转马达10制动腔输出的高压油经过右侧的液控单向阀72后经第一二位二通液控换向阀14流入到液压蓄能器22中，从而实现对制动能量的回收。

(4)转台处于静止状态

当回转马达10的转速趋近于零时，此时回转马达10制动腔的压力降低，不足以克服液压蓄能器22内的压力；此时第一梭阀13和第二梭阀17均输出低压油；此时液压蓄能器22压力高于第一梭阀13的压力，因此第一二位二通液控换向阀14在液压蓄能器22作用下处于上位工作，切断左右油路的通路；第二梭阀17输出的压力较低，小于二位三通液控换向阀15上侧的弹簧力，因此在弹簧力作用下二位三通液控换向阀15上位工作，使液压蓄能器22的高压油作用于第二二位二通液控换向阀16的上侧控制油口，第二二位二通液控换向阀16在上侧压力作用下处于上位工作，使左右两侧油路断开；三位三通电磁换向阀18在电控系统20的作用下，上侧的电磁铁通电，处于上位工作，使右侧的油口与油箱相通。

当驱动系统的各液压阀处于上述工况时，此时回转马达10左腔通过单向阀4从油箱吸油，保持在较低压力；回转马达10右腔通过右侧液控单向阀72和三位三通电磁换向阀18的上位与油箱相通，也保持在较低压力；这样回转马达10两腔压力相等，能有效防止转台12停止后反向旋转，保证了转台12运转的平稳性。

(5)多级能量回收与再利用

当液压蓄能器22的压力在设定压力范围的上限时，如果此时转台12进行启动加速或制动等动作时，启动溢流和制动溢流能量就不能被液压蓄能器22吸收，从而造成浪费，针对此问题，本发明设计了一条通路，通过二位二通电磁换向阀19将这部分能量提供给其他执行器或者存储在压力范围更高的其他液压蓄能器中，实现能量的直接利用或多级能量储存与再利用。

图5所示是当转台12开始启动时，能量的流通关系，工作原理与图2相似，只是此时启动溢流能量不是进入液压蓄能器22，而是经二位二通电磁换向阀19进入其他的执行机构或更高压力等级的其他液压蓄能器中；制动能量回收与此相似，可以参照图3和图5获得。

本发明的设计重点在于：通过在回转马达与液压蓄能器之间设置相应的液压阀，来检测液压泵出口压力、回转操作手柄的输出压力、回转马达两腔压力以及液压蓄能器的压力，并使相应的换向阀处于相应的工作位置，连通回转马达腔与液压蓄能器之间的不同能量流通通道，使得驱动系统不需安装很多的压力传感器即能实现压力的比较，自动完成对回转驱动系统能量的回收和再利用。一方面降低了转台驱动系统的能量消耗，增强了驱动系统运行的稳定性，另一方面简化了控制系统，提高了控制系统的可靠性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种工程机械转台能量自动回收和再利用的驱动系统，其特征在于：包括驱动泵、先导泵、回转操作手柄、单向阀、安全阀、多路阀、液控单向阀、溢流安全阀、补油单向阀、回转马达、减速器、转台、第一梭阀、第一二位二通液控换向阀、二位三通液控换向阀、第二二位二通液控换向阀、第二梭阀、三位三通电磁换向阀、二位二通电磁换向阀、电控系统、内燃机、液压蓄能器和溢流阀；

所述回转马达与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与转台相连,驱动泵和先导泵与内燃机同轴安装，驱动泵和先导泵的吸油口均与油箱相通，驱动泵的出油口与单向阀的入口相通，先导泵的出口与回转操作手柄的进油口相连；单向阀的出油口一路与安全阀相连，一路与多路阀的进油口相连；多路阀回油口直接与油箱相连，多路阀的左右控制油口分别与回转操作手柄的两个出油口相连；回转操作手柄的控制由电控系统控制；回转操作手柄的两个出油口分别分三路，一路与多路阀的控制油口相连，一路与液控单向阀的控制油口相连，一路与第二梭阀的一个进油口相连；多路阀的两路出油口对称，每路各分五条支路，分别与液控单向阀的入口、溢流安全阀、补油单向阀的出口、回转马达进油口以及第一梭阀相连；液控单向阀的控制油口与回转操作手柄的出油口相连，出油口分三路，第一路与另一液控单向阀的出口相连，第二路与二位三通液控换向阀的入口相连，第三路与第一二位二通液控换向阀的入口相连；溢流安全阀的出油口与油箱相连；补油单向阀的进油口与油箱相连；

所述第一梭阀的输出油口与第一二位二通液控换向阀的下侧控制油口相连；所述第一二位二通液控换向阀的上侧控制油口与液压蓄能器的进油口相连；第一二位二通液控换向阀的出油口与液压蓄能器的进油口相连；

所述二位三通液控换向阀的上侧为弹簧，下侧的控制油口与第二梭阀的出油口相连；二位三通液控换向阀的上侧油口与液压蓄能器的油口相连，下侧油口与油箱相连，出油口与第二二位二通液控换向阀上侧的控制油口相连；

所述第二二位二通液控换向阀的下侧为弹簧，进油口与三位三通电磁换向阀的上侧油口相连，出油口与液压蓄能器相连；所述三位三通电磁换向阀的下侧油口与油箱相连，三位三通电磁换向阀的上下电磁铁由电控系统控制；

所述液压蓄能器的进油口一路与溢流阀相连，一路与第一二位二通液控换向阀的出口相连，一路与第一二位二通液控换向阀的上侧控制油口相连，一路与第二二位二通液控换向阀的出口相连，一路与二位三通液控换向阀的进油口相连，一路与二位二通电磁换向阀的进油口相连；所述二位二通电磁换向阀的电磁铁由电控单元控制；

所述内燃机、三位三通电磁换向阀、二位二通电磁换向阀、回转操作手柄的控制信号均由电控系统控制。