CN106013315B - 一种挖掘机回收能量利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种挖掘机回收能量利用系统，主要由泵控风扇马达回路、蓄能器控风扇马达回路、蓄能器控驱动马达回路构成，通过将存储于蓄能器中的回收能量直接驱动用于独立散热的液压马达，中间无其他环节，传动效率高；同时，与工作油缸和马达不发生耦合，不影响整机操控性能；设计蓄能器控驱动马达回路和泵控风扇马达回路，当环境温度较低，挖掘机液压油和发动机冷却水系统不需要独立散热，或蓄能器能量不能满足独立散热系统能量需求时，本发明系统可以关闭蓄能器控风扇马达回路，切换到蓄能器控驱动马达回路，或关闭蓄能器控驱动马达回路，切换到泵控风扇马达回路，这样，可以使回收的能量高效利用，又确保了独立散热系统可靠工作。

Description

一种挖掘机回收能量利用系统
技术领域
本发明涉及一种回收能量利用系统，具体是一种挖掘机回收能量利用系统，属于挖掘机回收能量技术领域。
背景技术
随着社会经济的迅速发展，能源短缺和环境污染问题日趋严重，各国都已将降低能源损耗、保护环境提上日程。而能效比是液压挖掘机市场竞争的关键参数之一，故液压挖掘机的节能技术研究及应用尤为必要。
目前，油液混合动力技术研究已列入国家十三五科技支撑计划，如基于挖掘机能量回收的液压混合动力节能技术研究及应用，主要是对挖掘机动臂势能、回转制动能进行回收，回收的能量通过蓄能器进行存储。回收的能量再利用通常有直接和间接两种。直接利用是指将其直接用于驱动工作油缸或马达，其传动效率高，但影响了整机操控性能。间接利用是指将回收的能量通过辅助马达进行释放，与发动机共同驱动液压主泵，这种能量释放的方式对整机操控性无影响，但传递环节多，能量利用效率低。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种挖掘机回收能量利用系统，不仅可以消除蓄能器中已回收能量利用的中间传动环节，提高能量利用效率，而且与工作油缸和马达不发生耦合，不影响整机的操控性能。
为了实现上述目的，本发明采用的一种挖掘机回收能量利用系统，包括油箱、第一变量液压泵、第一变量液压马达、第二变量液压泵、第一电控方向阀、第一单向阀、第二单向阀、第二电控方向阀、第三电控方向阀、第一风扇、第二变量液压马达、第二风扇、第三变量液压马达、第三单向阀、第四电控方向阀、液压油缸、蓄能器、液压马达、溢流阀及安全阀，分为泵控风扇马达回路、蓄能器控风扇马达回路及蓄能器控驱动马达回路，三个回路可独立控制启动、停止及马达转速，也可以任意两个回路同时启动，或三个回路同时启动；所述泵控风扇马达回路由第二变量液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第三电控方向阀、第二变量液压马达、第三变量液压马达、第二电控方向阀及安全阀构成，所述蓄能器控风扇马达回路由第二变量液压马达、第三单向阀、第四电控方向阀、蓄能器及溢流阀构成，所述蓄能器控驱动马达回路由第一变量液压马达、第一电控方向阀、第三单向阀、第四电控方向阀、蓄能器及溢流阀构成，第二变量液压泵的出油口与第一单向阀、第二单向阀的进口相连，旁路与安全阀相连；第一单向阀的出口与第三电控方向阀进口相连，第二单向阀的出口与第二电控方向阀供油进口相连，第三电控方向阀供油出口与第二变量液压马达的进油A口相连，第二变量液压马达的回油B口与第三电控方向阀回油进口相连；第二电控方向阀供油出口与第三变量液压马达的供油进口A口相连，第三变量液压马达的回油B口与第二电控方向阀回油进口相连，第三电控方向阀回油出口和第二电控方向阀回油出口均与油箱相连，第二变量液压马达输出轴与第一风扇相连，第三变量液压马达输出轴与第二风扇相连；蓄能器进油口与液压油缸和液压马达油口相连，蓄能器出油口与第四电控方向阀进油口相连，蓄能器出油旁路油口与溢流阀相连，第四电控方向阀出油口与第三单向阀进油口相连，第三单向阀出油口同时与第二变量液压马达供油A口、第三变量液压马达供油A口、第一电控方向阀进油口相连，第一电控方向阀出油口与第一变量液压马达进油口相连，第一变量液压马达出油口与油箱相连；油箱与第一变量液压泵、第二变量液压泵相连。
优选地，所述第二变量液压泵分别通过第三电控方向阀和第二电控方向阀驱动第二变量液压马达和第三变量液压马达，第二变量液压马达和第三变量液压马达为容积调速，通过检测负载压力、蓄能器压力、水温、油温控制自身的排量，第二变量液压泵为两点式变量泵，最小排量为零，第二变量液压马达和第三变量液压马达为连续变量电控液压马达，第二电控方向阀、第三电控方向阀为开关阀，控制油路的开关，实际选型中根据需要设计，第二电控方向阀、第三电控方向阀用于控制第三变量液压马达和第二变量液压马达的启动和停止，安全阀控制第二变量液压泵的输出压力。
优选地，所述第四电控方向阀为开关阀，用于控制蓄能器的能量释放启闭控制；蓄能器驱动第二变量液压马达和第三变量液压马达工作，通过调整第二变量液压马达和第三变量液压马达的排量来控制第一风扇和第二风扇的转动；溢流阀控制蓄能器充液和释放压力。
优选地，所述第一电控方向阀为开关阀，用于控制第一变量液压马达的启动和停止。
优选地，所述第一变量液压马达与第一变量液压泵集成通过串联或取力口并联，或分动箱形式集成在一起。
优选地，预设发动机水温、液压油温、蓄能器压力及发动机负荷率工作目标值，当发动机水温和液压油温高于设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，启动蓄能器控风扇马达回路，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路；当发动机水温和液压油温在设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，启动蓄能器控风扇马达回路，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路；当发动机水温和液压油温低于设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控风扇马达回路，启动蓄能器控驱动马达回路；若蓄能器储存能量不具备释放条件，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路。
与现有技术相比，本发明主要由泵控风扇马达回路、蓄能器控风扇马达回路、蓄能器控驱动马达回路构成；将存储于蓄能器中的回收能量直接驱动用于独立散热的液压马达，中间无其他环节，传动效率高，同时，与工作油缸和马达不发生耦合，不影响整机操控性能，此外，设计蓄能器控驱动马达回路和泵控风扇马达回路，当环境温度较低，挖掘机液压油和发动机冷却水系统不需要独立散热，或蓄能器能量不能满足独立散热系统能量需求时，本发明系统可以关闭蓄能器控风扇马达回路，切换到蓄能器控驱动马达回路，或关闭蓄能器控驱动马达回路，切换到泵控风扇马达回路，这样，可以使回收的能量高效利用，又确保了独立散热系统可靠工作。本发明系统具有集成简单、可靠、成本低、传动效率高等特征。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理框图。
图中：1、油箱，2、第一变量液压泵，3、第一变量液压马达，4、第二变量液压泵，5、第一电控方向阀，6、第一单向阀，7、第二单向阀，8、第二电控方向阀，9、第三电控方向阀，10、第一风扇，11、第二变量液压马达，12、第二风扇，13、第三变量液压马达，14、第三单向阀，15、第四电控方向阀，16、液压油缸，17、蓄能器，18、液压马达，19、溢流阀，20、安全阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图2所示，一种挖掘机回收能量利用系统，主要由泵控风扇马达回路、蓄能器控风扇马达回路及蓄能器控驱动马达回路构成，三个回路可独立控制启动、停止及马达转速，也可以任意两个回路同时启动，或三个回路同时启动；包括油箱1、第一变量液压泵2、第一变量液压马达3、第二变量液压泵4、第一电控方向阀5、第一单向阀6、第二单向阀7、第二电控方向阀8、第三电控方向阀9、第一风扇10、第二变量液压马达11、第二风扇12、第三变量液压马达13、第三单向阀14、第四电控方向阀15、液压油缸16、蓄能器17、液压马达18、溢流阀19及安全阀20，所述泵控风扇马达回路由第二变量液压泵4、第一单向阀6、第二单向阀7、第三电控方向阀9、第二变量液压马达11、第三变量液压马达13、第二电控方向阀8及安全阀20构成，所述蓄能器控风扇马达回路由第二变量液压马达11、第三单向阀14、第四电控方向阀15、蓄能器17及溢流阀19构成，所述蓄能器控驱动马达回路由第一变量液压马达3、第一电控方向阀5、第三单向阀14、第四电控方向阀15、蓄能器17及溢流阀19构成，第二变量液压泵4的出油口与第一单向阀6、第二单向阀7的进口相连，旁路与安全阀20相连；第一单向阀6的出口与第三电控方向阀9进口相连，第二单向阀7的出口与第二电控方向阀8供油进口相连，第三电控方向阀9供油出口与第二变量液压马达11的进油A口相连，第二变量液压马达11的回油B口与第三电控方向阀9回油进口相连；第二电控方向阀8供油出口与第三变量液压马达13的供油进口A口相连，第三变量液压马达13的回油B口与第二电控方向阀8回油进口相连，第三电控方向阀9回油出口和第二电控方向阀8回油出口均与油箱1相连，第二变量液压马达11输出轴与第一风扇10相连，第三变量液压马达13输出轴与第二风扇12相连；蓄能器17进油口与液压油缸16和液压马达18油口相连，蓄能器17出油口与第四电控方向阀15进油口相连，蓄能器17出油旁路油口与溢流阀19相连，第四电控方向阀15出油口与第三单向阀14进油口相连，第三单向阀14出油口同时与第二变量液压马达11供油A口、第三变量液压马达13供油A口、第一电控方向阀5进油口相连，第一电控方向阀5出油口与第一变量液压马达3进油口相连，第一变量液压马达3出油口与油箱1相连；油箱1与第一变量液压泵2、第二变量液压泵4相连。
优选地，所述第二变量液压泵4分别通过第三电控方向阀9和第二电控方向阀8驱动第二变量液压马达11和第三变量液压马达13，第二变量液压马达11和第三变量液压马达13为容积调速，通过检测负载压力、蓄能器压力、水温、油温控制自身的排量；第二变量液压泵4为两点式变量泵，最小排量为零，第二变量液压马达11和第三变量液压马达13为连续变量电控液压马达；第二电控方向阀8、第三电控方向阀9为开关阀，控制油路的开关，实际选型中根据需要设计，其压力损耗越小越好，如可选二通插装阀；第二电控方向阀8、第三电控方向阀9用于控制第三变量液压马达13和第二变量液压马达11的启动和停止，安全阀20控制第二变量液压泵4的输出压力。
优选地，所述第四电控方向阀15为开关阀，控制油路的开关，实际选型中根据需要设计，其压力损耗越小越好，如可选二通插装阀，用于控制蓄能器17的能量释放启闭控制；蓄能器17驱动第二变量液压马达11和第三变量液压马达13工作，通过调整第二变量液压马达11和第三变量液压马达13的排量来控制第一风扇10和第二风扇12的转动；溢流阀19控制蓄能器17充液和释放压力。
优选地，所述第一电控方向阀5为开关阀，控制油路的开关，实际选型中根据需要设计，其压力损耗越小越好，可选二通插装阀等，主要用于控制第一变量液压马达3的启动和停止。
优选地，所述第一变量液压马达3与第一变量液压泵2集成通过串联或取力口并联，或分动箱形式集成在一起。
优选地，可通过中央控制器预设发动机水温、液压油温、蓄能器压力及发动机负荷率工作目标值，并通过发动机水温传感器、液压油温度传感器、蓄能器压力传感器及电控发动机的CAN总线，获取发动机水温、液压油温、蓄能器压力及发动机负荷率等信号，通过蓄能器压力可以计算判定蓄能器储能量；当发动机水温和液压油温高于设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，启动蓄能器控风扇马达回路，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路；当发动机水温和液压油温在设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，启动蓄能器控风扇马达回路，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路；当发动机水温和液压油温低于设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控风扇马达回路，启动蓄能器控驱动马达回路；若蓄能器储存能量不具备释放条件，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路。
工作过程：
通过中央控制器预设发动机水温、液压油温、蓄能器压力及发动机负荷率工作目标值，并通过发动机水温传感器、液压油温度传感器、蓄能器压力传感器及电控发动机的CAN总线，获取发动机水温、液压油温、蓄能器压力及发动机负荷率等信号，通过蓄能器压力可以计算判定蓄能器储能量。
当发动机水温和液压油温高于设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，启动蓄能器控风扇马达回路，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路，则第四电控方向阀15给电工作，蓄能器17能量释放，驱动第二变量液压马达11、第三变量液压马达13，中央控制器检测发动机水温和液压油温，计算与预设目标值偏差，从而控制第二变量液压马达11和第三变量液压马达13的排量，以控制第一风扇10和第二风扇12的转速，此时，中央控制器控制第二变量液压泵4为最小排量，第二电控方向阀8和第三电控方向阀9给电使油路断开，第一电控方向阀5断电，第一变量液压马达3排量调整到最小；若蓄能器17储存能量不具备释放条件，则第四电控方向阀15不给电，蓄能器17停止工作，中央控制器控制第二变量液压泵4为最大排量，第二电控方向阀8和第三电控方向阀9断电使油路打通，同时，根据发动机水温和液压油温与预设目标值偏差，控制第二变量液压马达11和第三变量液压马达13的排量，从而控制第一风扇10和第二风扇12的转速；此时，中央控制器控制第一电控方向阀5断电，第一变量液压马达3排量调整到最小；
当发动机水温和液压油温在设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，启动蓄能器控风扇马达回路，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路，则第四电控方向阀15给电工作，蓄能器17能量释放，驱动第二变量液压马达11、第三变量液压马达13，中央控制器检测发动机水温和液压油温，计算与预设目标值偏差，从而控制第二变量液压马达11和第三变量液压马达13的排量，以控制第一风扇10和第二风扇12的转速，此时，中央控制器控制第二变量液压泵4为最小排量，第二电控方向阀8和第三电控方向阀9给电使油路断开，第一电控方向阀5断电，第一变量液压马达3排量调整到最小，若蓄能器17能量有盈余，则同时给第一电控方向阀5供电，调整第一变量液压马达3排量，以辅助发动机驱动第一变量液压泵2；若蓄能器17储存能量不具备释放条件，则第四电控方向阀15不给电，蓄能器17停止工作，中央控制器控制第二变量液压泵4为最大排量，第二电控方向阀8和第三电控方向阀9断电使油路打通，同时，根据发动机水温和液压油温与预设目标值偏差，控制第二变量液压马达11和第三变量液压马达13的排量，从而控制第一风扇10和第二风扇12的转速，此时，中央控制器控制第一电控方向阀5断电，第一变量液压马达3排量调整到最小；
当发动机水温和液压油温低于设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控风扇马达回路，启动蓄能器控驱动马达回路，则中央控制器控制第二变量液压泵4为最小排量，第二电控方向阀8和第三电控方向阀9给电使油路断开，同时，第四电控方向阀15给电工作，第一电控方向阀5给电工作，蓄能器17能量释放，驱动第一变量液压马达3，从而与发动机共同驱动第一变量液压泵2，中央控制器控制根据发动机负荷率、第一变量液压泵2的功率设定以及蓄能器17能量状态，控制第一变量液压泵功率，充分利用蓄能器17回收的能量；若蓄能器储存能量不具备释放条件，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路，则中央控制器控制第二变量液压泵4为最小排量，第二电控方向阀8和第三电控方向阀9给电使油路断开，同时，第四电控方向阀15断电，第一电控方向阀5断电，蓄能器17停止能量释放，第一变量液压马达3排量调整到最小。
由上述结构可见，本发明泵控风扇马达回路和蓄能器控风扇马达回路均为容积调速，相比阀控马达回路传动效率高，同时，蓄能器直接驱动风扇马达进行能量释放，传动环节最少，结构简单。蓄能器所储存的能量管理高效，不仅可以通过蓄能器控风扇马达回路高效释放能量，同时，为充分利用已回收能量和吸收新的能量，可同时通过蓄能器控驱动马达回路释放能量。采用泵控风扇马达回路、蓄能器控风扇马达回路及蓄能器控驱动马达回路分别独立控制方式，不但充分利用已回收能量和吸收新的能量，同时确保系统发动机水温和液压油温始终工作在最佳状态，同时，不影响整机操控性。最终，蓄能器所储存的能量可直接利用于发动机水温和液压油温散热系统，传动效率高，新增成本低。此外，依据此系统可以采用常规液压元件研制具有高可靠性、结构简单、成本低、节油显著等特征的装置。使利用本发明所研制的装置性价比高，回收周期短，具有较高市场推广价值。

Claims (6)

1.一种挖掘机回收能量利用系统，其特征在于，包括油箱(1)、第一变量液压泵(2)、第一变量液压马达(3)、第二变量液压泵(4)、第一电控方向阀(5)、第一单向阀(6)、第二单向阀(7)、第二电控方向阀(8)、第三电控方向阀(9)、第一风扇(10)、第二变量液压马达(11)、第二风扇(12)、第三变量液压马达(13)、第三单向阀(14)、第四电控方向阀(15)、液压油缸(16)、蓄能器(17)、液压马达(18)、溢流阀(19)及安全阀(20)，分为泵控风扇马达回路、蓄能器控风扇马达回路及蓄能器控驱动马达回路，三个回路可独立控制启动、停止及马达转速，也可以任意两个回路同时启动，或三个回路同时启动；
所述泵控风扇马达回路由第二变量液压泵(4)、第一单向阀(6)、第二单向阀(7)、第三电控方向阀(9)、第二变量液压
马达(11)、第三变量液压马达(13)、第二电控方向阀(8)及安全阀(20)构成，
所述蓄能器控风扇马达回路由第二变量液压马达(11)、第三单向阀(14)、第四电控方向阀(15)、蓄能器(17)及溢流阀(19)构成，
所述蓄能器控驱动马达回路由第一变量液压马达(3)、第一电控方向阀(5)、第三单向阀(14)、第四电控方向阀(15)、蓄能器(17)及溢流阀(19)构成，
第二变量液压泵(4)的出油口与第一单向阀(6)、第二单向阀(7)的进口相连，旁路与安全阀(20)相连；第一单向阀(6)的出口与第三电控方向阀(9)进口相连，第二单向阀(7)的出口与第二电控方向阀(8)供油进口相连，第三电控方向阀(9)供油出口与第二变量液压马达(11)的进油A口相连，第二变量液压马达(11)的回油B口与第三电控方向阀(9)回油进口相连；第二电控方向阀(8)供油出口与第三变量液压马达(13)的供油进口A口相连，第三变量液压马达(13)的回油B口与第二电控方向阀(8)回油进口相连，第三电控方向阀(9)回油出口和第二电控方向阀(8)回油出口均与油箱(1)相连，第二变量液压马达(11)输出轴与第一风扇(10)相连，第三变量液压马达(13)输出轴与第二风扇(12)相连；
蓄能器(17)进油口与液压油缸(16)和液压马达(18)油口相连，蓄能器(17)出油口与第四电控方向阀(15)进油口相连，蓄能器(17)出油旁路油口与溢流阀(19)相连，第四电控方向阀(15)出油口与第三单向阀(14)进油口相连，第三单向阀(14)出油口同时与第二变量液压马达(11)供油A口、第三变量液压马达(13)供油A口、第一电控方向阀(5)进油口相连，第一电控方向阀(5)出油口与第一变量液压马达(3)进油口相连，第一变量液压马达(3)出油口与油箱(1)相连；
油箱(1)与第一变量液压泵(2)、第二变量液压泵(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种挖掘机回收能量利用系统，其特征在于，所述第二变量液压泵(4)分别通过第三电控方向阀(9)和第二电控方向阀(8)驱动第二变量液压马达(11)和第三变量液压马达(13)，第二变量液压马达(11)和第三变量液压马达(13)为容积调速，通过检测负载压力、蓄能器压力、水温、油温控制自身的排量，第二变量液压泵(4)为两点式变量泵，最小排量为零，第二变量液压马达(11)和第三变量液压马达(13)为连续变量电控液压马达，第二电控方向阀(8)、第三电控方向阀(9)为开关阀，控制油路的开关，实际选型中根据需要设计，第二电控方向阀(8)、第三电控方向阀(9)用于控制第三变量液压马达(13)和第二变量液压马达(11)的启动和停止，安全阀(20)控制第二变量液压泵(4)的输出压力。
3.根据权利要求1所述的一种挖掘机回收能量利用系统，其特征在于，所述第四电控方向阀(15)为开关阀，用于控制蓄能器(17)的能量释放启闭控制；蓄能器(17)驱动第二变量液压马达(11)和第三变量液压马达(13)工作，通过调整第二变量液压马达(11)和第三变量液压马达(13)的排量来控制第一风扇(10)和第二风扇(12)的转动；溢流阀(19)控制蓄能器(17)充液和释放压力。
4.根据权利要求1所述的一种挖掘机回收能量利用系统，其特征在于，所述第一电控方向阀(5)为开关阀，用于控制第一变量液压马达(3)的启动和停止。
5.根据权利要求1所述的一种挖掘机回收能量利用系统，其特征在于，所述第一变量液压马达(3)与第一变量液压泵(2)集成通过串联或取力口并联，或分动箱形式集成在一起。
6.根据权利要求1所述的一种挖掘机回收能量利用系统，其特征在于，预设发动机水温、液压油温、蓄能器压力及发动机负荷率工作目标值，当发动机水温和液压油温高于设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，启动蓄能器控风扇马达回路，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路；当发动机水温和液压油温在设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，启动蓄能器控风扇马达回路，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路；当发动机水温和液压油温低于设定目标范围内时，若蓄能器储存能量具备释放条件，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控风扇马达回路，启动蓄能器控驱动马达回路；若蓄能器储存能量不具备释放条件，关闭泵控风扇马达回路，关闭蓄能器控风扇马达回路，关闭蓄能器控驱动马达回路。
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