CN107034943A - 一种基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，包括接入挖掘机液压系统中的四通液压变压器、蓄能器、常开电磁阀、常闭电磁阀和控制器，并形成工作油口、压力油口和回油口；所述控制器将四通液压变压器切换至需回收液压能的液压回路中，控制器控制对应的常开电磁阀和常闭电磁阀使得工作油口的进液油从P_A口流入四通液压变压器内，经四通液压变压器减压回收液能，回收的液压能从P_O口与压力油口汇合使用或输送至蓄能器存储。该节能装置通过改变四通液压变压器的配流盘控制角来调节变压器的变压比，实现不改变负载流量的基础上改变液压回收回路的压差，即在不影响挖掘机操纵性的条件下最大限度地回收系统中的液压能。

Description

一种基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置

技术领域

本发明涉及液压传动与控制系统中的节能装置，尤其涉及一种基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置。

背景技术

现有的挖掘机液能回收装置有的采用发电-储能-电动释放方式，装置复杂，能量转换环节多效率低；液压式回收大部分采用定量马达和变量泵对拖的方案，结构复杂、体积大、重量重、成本高；还有采用三通液压变压器，不能回收负载的压差液能。

再者现在的液能回收装置只能回收某一工况单个负载的能量，如动臂下降物料的重力势能、回转机构的动能。然而液压挖掘机在正常作业时，其工况包括：挖掘、满斗回转、卸载、空斗回转等，负载包括动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、回转马达等，经常有两个以上负载同时工作，同一主泵提供油液的负载之间存在较大的压差，现在研究的方案没有考虑这种压差能量的损失。回收的能量先存在蓄能器，再通过液压能-机械能-液压能的转换使用，不能直接利用，转换环节多，效率低。大部分节能装置采用回收某一个负载的能量还用于这个负载的方案，回收到的能量利用不灵活。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种通过控制器控制节能装置中相应电磁阀动作，将四通液压变压器切换到需要回收的液压回路中，再通过控制调节四通液压变压器，不改变负载流量的基础上改变液压回收回路的压差，即实现在不影响挖掘机操纵性的条件下最大限度地回收系统中的液压能的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置。

技术方案：为实现以上目的，本发明所述的一种基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，包括接入挖掘机液压系统中的四通液压变压器、蓄能器、常开电磁阀、常闭电磁阀和控制器，并形成工作油口(A1、B1、A2、B2、O1、O2)、压力油口PP和回油口TT；所述四通液压变压器具有高压出油口P_A、低压出油口P_B、回收出油口P_O和低压吸油口P_T，所述控制器根据挖掘机工况将四通液压变压器切换至需回收液压能的液压回路中，控制器控制对应的常开电磁阀和常闭电磁阀使得工作油口的进液油从P_A口流入四通液压变压器内，经四通液压变压器减压后，从P_B口输出流量不变的油液进入相对的工作油口或接入回油口，四通液压变压器回收的液压能从P_O口与压力油口汇合使用或输送至蓄能器存储。

其中，所述节能装置还包括单向阀、安全阀、截止阀和梭阀，所述四通液压变压器液能回收的P_O口一路经常闭电磁阀再分别经由安全阀接入节能装置的回油口和经由截止阀接蓄能器，P_O口另一路经常闭电磁阀和单向阀接节能装置的压力油口；梭阀的两进液口接节能装置的工作油口，梭阀的出口经常闭电磁阀接四通液压装置的P_A口。

优选的，所述液压系统包括执行挖掘机动作的大臂油缸、斗杆油缸和回转马达，所述节能装置的工作油口(A1、B1、A2、B2)和压力油口PP上均设有压力传感器，所述蓄能器的入口设有压力传感器，所述梭阀的出口设有压力传感器，所述大臂油缸活塞杆腔入口设有压力传感器，每一压力传感器将油路中的液压压力信号转化为模拟量输入至控制器进行AD转换；控制器根据四通液压变压器的使用状态、挖掘机动作信号和压力信号分类处理工况，发出DO信号，驱动对应的常开电磁阀和常闭电磁阀得电动作，将四通液压变压器切换至需回收液能的回路或释放蓄能器存储的液能，发出AO信号，调节四通液压变压器变压比实现回收液能和释放储能。

进一步，所述节能装置还包括信号调理板、继电器驱动板、伺服驱动器和伺服减速机，该压力传感器将油路中的液压压力信号转化为电流信号，经信号调理板调节为电压信号输送至控制器AD转换，行程开关将挖掘机动作信号变为高电平作为DI信号输送至控制器；控制器根据四通液压变压器的使用状态、压力信号和DI信号分类处理工况，发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后驱动对应的常开电磁阀和常闭电磁阀得电动作，将四通液压变压器切换至需回收液能的回路或释放蓄能器存储的液能，发出AO信号，经伺服驱动器放大后，驱动伺服减速机带动四通液压变压器改变变压比实现回收液能和释放储能。

再者，所述挖掘机工况包括工况1：回收回转制动动能并储存，工况条件为回转开始标志已置位且无其他信号；工况2：回收回转制动动能并直接利用，工况条件为回转开始标志已置位且有其他信号；工况3：回收大臂油缸势能并储存，工况条件为仅有大臂下降信号；工况4：回收大臂油缸势能并直接利用，工况条件为有大臂下降信号和其他信号；工况5：回收斗杆油缸压差并直接利用，工况条件为有大臂上升和斗杆收回信号；工况6：释放储能，工况条件为没有工况1～工况5的信号，但有其他信号；所述控制器的控制方法，包括如下步骤：

(1)四通液压变压器在工作吗？在工作转(23)；

(2)有先导控制阀动作信号吗？有信号转(5)；

(3)回转开始标志已置位吗？未置位转(10)；

(4)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并储存在蓄能器中，回转开始标志复位，工况＝1，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(5)有大臂上升信号吗？有信号转(21)；

(6)有大臂下降信号吗？有信号转(18)；

(7)回转开始标志已置位？已置位转(14)；

(8)有回转信号吗？有信号转(13)；

(9)有其它信号吗？有信号转(11)；

(10)返回；

(11)蓄能器存储压力达到释放压力了吗？未达到了转(10)；

(12)释放存储液能再利用，工况＝6，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(13)置回转开始标志，转(9)；

(14)还有回转信号吗？有信号转(11)；

(15)还有其它信号吗？有信号转(17)；

(16)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并储存在蓄能器中，回转开始标志复位，工况＝1，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(17)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并直接利用，回转开始标志复位，工况＝2，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(18)还有其它信号吗？有信号转(17)；

(19)回收大臂油缸势能并储存，控制变压比使上腔压力接近系统压力，工况＝3，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(20)回收大臂油缸势能直接利用，控制变压比使上腔压力大于0，工况＝4，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(21)有斗杆收回信号？没有信号转(7)；

(22)回收斗杆油缸压差能，直接利用，工况＝5，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(23)工况＝1或2？不是转(10)；

(24)制动口压力已很低？否转(26)；

(25)四通液压变压器工作标志复位，复位相关阀，转(10)；

(26)工况＝3或4？不是转(29)；

(27)还有大臂下降信号吗？有信号转(10)；

(28)转(25)；

(29)工况＝5？不是转(32)；

(30)还有大臂上升和斗杆收回信号吗？有信号转(10)；

(31)转(25)；

(32)工况＝6？不是转(10)；

(33)蓄能器存储压力低于设定值吗？不是转(10)；

(34)转(25)。

优选的，所述液压系统还包括油箱、液压泵和主阀块，该主阀块包括大臂换向阀、斗杆换向阀和马达换向阀；所述斗杆换向阀的一工作口接斗杆油缸的活塞杆腔，斗杆油缸的活塞腔接B1口，A1口接斗杆换向阀的另一工作口；所述大臂换向阀的一工作口接大臂油缸的活塞杆腔，大臂油缸的活塞腔接B2口，A2口接大臂换向阀的另一工作口；所述回转马达的两工作口接马达换向阀的两工作口，同时接O1口和O2口；TT口接油箱、PP口接液压泵出口；

所述控制器根据挖掘机工况将四通液压变压器切换至需回收液压能的液压回路中，控制器控制对应的常开电磁阀和常闭电磁阀使得主阀块进油从P_A口流入四通液压变压器内，经四通液压变压器减压后，从P_B口输出流量不变的油液进入大臂油缸或斗杆油缸和/或回油，四通液压变压器回收的液压能从P_O口与液压泵输出油汇合使用或输送至蓄能器存储。

进一步，所述液压系统还包括先导控制阀块，该先导控制阀块包括先导控制阀和用于向控制器输出DI信号的行程开关。

再者，所述先导控制阀块还包括减压阀，液压泵从油箱吸油，输出口与主控阀块中的P管路、先导控制阀块中的减压阀进口相连，进入先导控制阀块的压力经减压阀减压后供给先导控制阀。

优选的，所述主控阀块包括主溢流阀、冲洗阀、LS溢流阀、过载阀和压力补偿器，该压力补偿器补偿油缸换向阀和马达换向阀的负载压差，并选择最大压力作为LS压力反馈给液压泵。

再者，所述四通液压变压器包括端盖、位于端盖内且与控制器相连接的配流盘和壳体，该壳体的左端与端盖固定连接，该壳体左端从外向内依次设有缸体和斜盘，该斜盘、配流盘和缸体均可沿自身的中心轴线转动，且配流盘和缸体同轴设置，该中心轴线与斜盘的中心轴线存在夹角；所述端盖左端面开设有四个油口，所述配流盘的左右端面位置分别开设相对应连通的四个油口，所述缸体左端面沿中心轴线均布有N个油口，且缸体右部沿中心轴线均布有与缸体左端面油口相连接的N个柱塞孔，且柱塞孔的中心线平行于缸体的中心轴线，每一柱塞孔内设置有一柱塞，柱塞的右端伸出柱塞孔与斜盘铰接；

在任意时刻，端盖左端面上任意一个油口只能通过一条油路与配流盘右端面上的油孔连通，配流盘右端面上任意一个油孔能够同时连通一个以上柱塞孔，一个柱塞孔在同一时刻只能连通配流盘右端面上的一个油孔，即通过配流盘实现四个油口与N个柱塞孔的相通和配油；

通过斜盘限定柱塞的伸出最大行程和缩回最大行程：柱塞在伸出最大行程位置时，其在端盖上的圆周位置定义为上死点TDC；柱塞在缩回最大行程时，其在端盖上的圆周位置定义为下死点BDC；上死点TDC和下死点BDC的连线经过配流盘的中心，该连线同一侧的所有柱塞孔进出油流向相同，该连线两侧的柱塞孔进出油流向相反；

转动配流盘，改变配流盘右端面油口相对上死点TDC和下死点BDC连线的角度，改变配流盘右端面油口对应进出油柱塞的个数和行程，改变回收出油口压力与高压进油口和低压出油口压差的比，实现变压。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先本发明采用四通液压变压器回收方案设计液能回收装置的液压系统，与传统液压式挖掘机节能装置相比，其结构简单、体积小、回收效率高；其次该节能装置可以综合回收单泵液压挖掘机中斗杆收回与大臂上升工况的压差液能、大臂下降工况势能转化的液能、回转制动工况惯性动能转化的液能等，实现了液压挖掘机多种工况下多个负载复合动作浪费的液压能；再者根据挖掘工况，将回收的能量直接汇入主系统利用，减少储存再释放的环节，效率高；不能直接利用就存储在蓄能器中，等合适的时机及时释放利用；最后该节能装置大大减小了单泵挖掘机液压系统的液能损失和装机功率，提高了系统效率，减小了系统发热和油液温升，降低了系统配备的散热设备规格。

附图说明

图1为本发明的单泵三负载阀控调速液压系统原理图；

图2为本发明中节能装置中控制系统的硬件组成框图；

图3为本发明中节能装置控制方法流程图；

图4为本发明中四通液压变压器的结构示意图；

图5为本发明中配流盘的右侧结构示意图；

图6(a)为本发明中四通液压变压器职能符号示意图；

图6(b)为液能回收工况不同进出油连接的四种职能符号示意图；

图6(c)为液能释放工况不同进出油连接的四种职能符号示意图。

图中包括：液压泵1、先导控制阀块2、主控阀块3、节能装置4、大臂油缸5、斗杆油缸6、回转马达7、减压阀21、先导控制阀22a～22f、行程开关23a～23f、主溢流阀31、冲洗阀32、LS溢流阀33、过载阀34a～34d、斗杆换向阀35、大臂换向阀36、马达换向阀37、压力补偿器38a～38c、单向阀40、四通液压变压器41、常开电磁阀42a～42b、常闭电磁阀43a～43i、压力传感器44a～44h、安全阀45、蓄能器46、截止阀47、伺服减速机48、梭阀49、配流盘411、缸体412、柱塞413、斜盘414、端盖415、壳体416。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于四通液压变压器液能回收的单泵三负载节能装置，其在单泵挖掘机中的应用，主要包括液压泵1、先导控制阀块2、主控阀块3、节能装置4、大臂油缸5、斗杆油缸6和回转马达7。

因为挖掘机在挖掘作业时一般不行走，铲斗油缸直径小，不考虑回收它们的液能。在安装节能装置4时，不改变铲斗油缸和行走马达的液压回路，故在图1没有体现。

发明的节能装置由节能装置液压回路、控制器及测控软件等组成，节能装置4包括单向阀40、四通液压变压器41、常开电磁阀42a～42b、常闭电磁阀43a～43i、压力传感器44a～44h、安全阀45、蓄能器46、截止阀47、伺服减速机48和梭阀49。

先导控制阀块2包括减压阀21、先导控制阀22a～22f和行程开关23a～23f，主控阀块3包括主溢流阀31、冲洗阀32、LS溢流阀33、过载阀34a～34d、斗杆换向阀35、大臂换向阀36、马达换向阀37和压力补偿器38a～38c。

在图1的液压系统中除了节能装置4、行程开关23a～23f、压力传感器44a～44h外，都是原有挖掘机液压系统中具有的，没有改变原来成熟的阀控系统的组成和功能。

液压泵1中液压泵体的排量由负载最大压力LS通过其中的液压阀控制，液压泵1从油箱吸油，输出口与主控阀块3中的P管路、先导控制阀块2中的减压阀21进口相连。

进入先导控制阀块2的压力经减压阀21减压后供给先导控制阀22a～22f，先导控制阀22a和22b出口接主控阀块3中的斗杆换向阀35阀芯的左右控制口，先导控制阀22c和22d出口接主控阀块3中的大臂换向阀36阀芯的左右控制口，先导控制阀22e和22f出口接主控阀块3中的马达换向阀37阀芯的左右控制口。挖掘机司机操作手柄使先导控制阀22a～22f有控制信号输出给换向阀，同时使相应的行程开关23a～23f有信号输出给控制器。

主控阀块3中，由压力补偿器38a～38c补偿斗杆换向阀35、大臂换向阀36、马达换向阀37的负载压差，同时选择最大压力作为LS压力反馈给液压泵控制阀；斗杆换向阀35的工作口U1接斗杆油缸的活塞杆腔，工作口D1接节能装置4的A1口；大臂换向阀36的工作口U2接大臂油缸的活塞杆腔，工作口D2接节能装置4的A2口；马达换向阀37的两工作口M1、M2接回转马达7的工作口，同时也接节能装置4的O1和O2口，TM口接回转马达7的溢流出口。

节能装置4的B1口接斗杆油缸的活塞腔，B2口接大臂油缸的活塞腔，PP口接液压泵1的出口，TT口接油箱。节能装置4内部，液压变压器41的P_A口一路经常闭电磁阀43a接A1口，一路经常闭电磁阀43b接A2口，还有一路经常闭电磁阀43d接梭阀49的出口；液压变压器41的P_B口一路经常闭电磁阀43h接B1口，一路经常闭电磁阀43i接B2口，还有一路经常闭电磁阀43g接TT口；液压变压器41液能回收的P_O口一路接常闭电磁阀43f入口，电磁阀43f的出口接安全阀45入口和经截止阀47接蓄能器46，P_O口另一路经常闭电磁阀43c和单向阀40接PP口；液压变压器41的P_T口接TT口。安全阀45出口接TT口，梭阀49的两进液口接O1和O2。常开电磁阀42a两口分别接A1和B1口，常开电磁阀42b两口分别别接A2和B2口。压力传感器44a-44h分别安装在节能装置4的A1口、A2口、B1口、B2口、PP口、蓄能器46入口、梭阀49出口、大臂油缸5活塞杆腔入口。伺服减速机48的输出轴与液压变压器41的配流盘转轴相连。

如果节能装置不工作，节能装置4的所有常开电磁阀42a～42b和常闭电磁阀43a～43i都不得电。主控阀块3中斗杆换向阀35的D1口输出的油液，经节能装置4的A1口，通过常开电磁阀42a到B1，进入到斗杆油缸6的活塞腔；主控阀块3中大臂换向阀36的D2口输出的油液，经节能装置4的A2口，通过常开电磁阀42b到B2，进入到大臂油缸5的活塞腔。节能装置不回收系统中的液能，不对挖掘机起作用。

下面说明节能装置各工况下的油液方向：

(1)工况1：回收回转制动动能并储存在蓄能器中

条件：回转开始标志已置位但没有其它信号；

回收油路：O1或O2口→梭阀49→常闭电磁阀43d→液压变压器41P_A口→液压变压器41P_B口→常闭电磁阀43g→TT口；

输出油路：液压变压器41P_O口→常闭电磁阀43f→截止阀47→蓄能器46。

(2)工况2：回收回转制动动能直接利用

条件：回转开始标志已置位但还有其它信号；

回收油路：O1或O2口→梭阀49→常闭电磁阀43d→液压变压器41P_A口→液压变压器41P_B口→常闭电磁阀43g→TT口；

输出油路：液压变压器41P_O口→常闭电磁阀43c→单向阀40→PP口→液压泵1出口。

(3)工况3：回收大臂油缸势能并储存

条件：有大臂下降信号，但没有了其它信号；

大臂油缸进油路：液压泵1出口→大臂换向阀36→D2口→A2口→常闭电磁阀43b→液压变压器41P_A口→液压变压器41P_B口→常闭电磁阀43i→B2口→大臂油缸5活塞腔；

大臂油缸回油路：大臂油缸5活塞杆腔→U2口→大臂换向阀36→油缸T；

输出油路：液压变压器41P_O口→常闭电磁阀43f→截止阀47→蓄能器46。

(4)工况4：回收大臂油缸势能直接利用

条件：有大臂下降信号，还有其它信号；

大臂油缸进油路：液压泵1出口→大臂换向阀36→D2口→A2口→常闭电磁阀43b→液压变压器41P_A口→液压变压器41P_B口→常闭电磁阀43i→B2口→大臂油缸5活塞腔；

大臂油缸回油路：大臂油缸5活塞杆腔→U2口→大臂换向阀36→油缸T；

输出油路：液压变压器41P_O口→常闭电磁阀43c→单向阀40→PP口→液压泵1出口。

(5)工况5：回收斗杆油缸压差能直接利用

条件：有大臂上升和斗杆收回信号；

斗杆油缸进油路：液压泵1出口→斗杆换向阀35→D1口→A1口→常闭电磁阀43a→液压变压器41P_A口→液压变压器41P_B口→常闭电磁阀43h→B1口→斗杆油缸6活塞腔；

斗杆油缸回油路：斗杆油缸6活塞杆腔→U1口→斗杆换向阀35→油缸T；

输出油路：液压变压器41P_O口→常闭电磁阀43c→单向阀40→PP口→液压泵1出口。

(6)工况6：释放储存在蓄能器中的液能再利用

条件：没有工况1-5的信号，但有其它信号；

释放油路：蓄能器46→截止阀47→常闭电磁阀43f→液压变压器41P_O口；

再利用油路：液压变压器41P_A口→常闭电磁阀43e→PP口→液压泵1出口。

如图2所示，8个压力传感器43a～43h把液压系统中各处的液压压力信号转化为4～20mA的电流信号，经信号调理板调节为0～10V有电压信号送入控制器AD转换，6个行程开关23a～23f把先导控制阀22a～22f动作信号变为高电平作为DI信号送入控制器。控制器分析四通液压变压器41的使用状态、压力信号及DI信号分类处理工况，发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后驱动相应的常开电磁阀42a～42b和常闭电磁阀43a～43i得电动作，将液压变压器41切换到需要回收液能的回路或释放蓄能器46存储的液能。控制器根据需要回收的回路压力或释放的压力，采用创立线程控制方法得到控制信号，DA转换成模拟信号后，经伺服驱动器放大后，驱动伺服减速机48带动四通液压变压器41的配流盘411旋转，改变变压比达到回收液能和释放储能的目的。

如图3所示，本发明根据四通液压变压器是否在工作及挖掘机工况进行控制。对参数初始化后，用创立线程的方式对节能装置进行控制。具体实现如下：

(1)四通液压变压器在工作吗？在工作转(23)；

(2)有先导控制阀动作信号吗？有信号转(5)；

(3)回转开始标志已置位吗？未置位转(10)；

(4)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并储存在蓄能器中，回转开始标志复位，工况＝1，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(5)有大臂上升信号吗？有信号转(21)；

(6)有大臂下降信号吗？有信号转(18)；

(7)回转开始标志已置位？已置位转(14)；

(8)有回转信号吗？有信号转(13)；

(9)有其它信号吗？有信号转(11)；

(10)返回；

(11)蓄能器存储压力达到释放压力了吗？未达到了转(10)；

(12)释放存储液能再利用，工况＝6，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(13)置回转开始标志，转(9)；

(14)还有回转信号吗？有信号转(11)；

(15)还有其它信号吗？有信号转(17)；

(16)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并储存在蓄能器中，回转开始标志复位，工况＝1，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(17)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并直接利用，回转开始标志复位，工况＝2，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(18)还有其它信号吗？有信号转(17)；

(19)回收大臂油缸势能并储存，控制变压比使上腔压力接近系统压力，工况＝3，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(20)回收大臂油缸势能直接利用，控制变压比使上腔压力大于0，工况＝4，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(21)有斗杆收回信号？没有信号转(7)；

(22)回收斗杆油缸压差能，直接利用，工况＝5，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(23)工况＝1或2？不是转(10)；

(24)制动口压力已很低？否转(26)；

(25)四通液压变压器工作标志复位，复位相关阀，转(10)；

(26)工况＝3或4？不是转(29)；

(27)还有大臂下降信号吗？有信号转(10)；

(28)转(25)；

(29)工况＝5？不是转(32)；

(30)还有大臂上升和斗杆收回信号吗？有信号转(10)；

(31)转(25)；

(32)工况＝6？不是转(10)；

(33)蓄能器存储压力低于设定值吗？不是转(10)；

(34)转(25)。

以工况5为例说明节能装置的工作过程：

控制器上电对蓄能器46释放开始压力、释放最低压力、回收回转制动最低压力等参数初始化后，创立节能装置控制线程。此线程不停采集行程开关23a～23f和压力传感器44a～44h的信号。如果判断到液压变压器41没有在工作、同时有大臂上升信号(行程开关23b压下)和有斗杆信号(行程开关23d压下)，符合工况5的条件，控制器发出DO信号使常开电磁阀42a、常闭电磁阀43a、43c、43h得电，其它电磁阀失电，置四通液压变压器工作标志。

液压泵1输出的高压油经减压阀21减压后供给先导控制阀22b和22d，这两个先导控制阀的控制输出压力信号分别接斗杆换向阀35和大臂换向阀36阀芯的右端，控制两阀芯的位移，即阀的开口量与先导控制阀的输出压力信号成正比，液压泵1输出的高压油也经P管进入主控阀块3，给斗杆换向阀35和大臂换向阀36供油，两换向阀的一次输出液经压力补偿器38a和38b补偿后再经主控阀块3的D1和D2口输出。D1口输出的油液进入节能装置4的A1口，因常开电磁阀42a得电了，直行不能，油液经常闭电磁阀43a进入液压变压器41的P_A口，P_B口流出的油液经常闭电磁阀43h从B1口流出，进入斗杆油缸6活塞腔。斗杆油缸6活塞杆腔的回油直接进入主控阀块3的U1口，再经斗杆换向阀35流回油箱。液压变压器41回收P_A和P_B之间的压差能，从P_O口输出，经常闭电磁阀43c和单向阀40与液压泵1输出的高压油汇合再利用。

压力传感器44a测到的D1口压力、压力传感器44b测到的D2口压力送入控制器，控制器运用控制算法得到控制号，通过AO口传送给伺服驱动器，然后驱动伺服减速机48旋转，调节四通液压变压器41的配流盘411的控制角，改变四通液压变压器41变压比，使D1口压力稍低于D2口压力，这样液压变压器41回收的液压差最大，液压能最多。

D2口输出的油液经常开电磁阀42b进入大臂油缸5的活塞腔，大臂油缸6的活塞杆腔的回油经U2口和大臂换向阀36流回油箱。接着控制器不断检测大臂上升信号(行程开关23b压下)和斗杆信号(行程开关23d压下)，如果其中一个信号消失，说明不再是两负载复合工况，控制器发出DO信号使常开电磁阀42a、常闭电磁阀43a、43c、43h失电。变压器工作标志复位。至此工况5结束。

其它工况分析过程类似，不再累述。

如图4所示，本发明柱塞式进出油等流量四通液压变压器41，包括配流盘411、缸体412、柱塞413、斜盘414、端盖415和壳体416，伺服减速机48的输出轴与液压变压器41的配流盘411的转轴固定联接，端盖415、配流盘411和缸体412同轴设置在壳体416内，端盖415右端面与配流盘411左端面、配流盘411右端面与缸体412左端面通过油膜贴合。

所述端盖415左端面设置有四个油口A、B、O和T，端盖415右端面设置有四个腰型槽A'、B'、O'和T'，A与A'、B与B'、O与O'、T与T'相连通；A'和B'位置相对，O'和T'位置相对，A、B、O和T分别为高压进油口、低压出油口、回收出油口和低压吸油口。

所述配流盘411左端面设置有四个腰型槽A″、B″、O″和T″，配流盘411右端面沿中心轴线均匀设置有四个结构尺寸相同的腰型槽A″'、B″'、O″'和T″'，A″与A″'、B″与B″'、O″与O″'、T″与T″'各自通过一个径向孔连通，且A″与A″'、B″与B″'、O″与O″'、T″与T″'的截面积相等；A″和B″位置相对，O″和T″位置相对；A″'和B″'位置相对，O″'和T″'位置相对。A'、B'、A″、B″的中心线位于同一个圆柱面上，O'、T'、O″和T″的中心线位于同一个圆柱面上，两个圆柱面同轴且半径不等。

所述缸体412左端面沿中心轴线均匀设置有N个结构尺寸相同的腰型孔，缸体412右部沿中心轴线均匀设置有N个结构尺寸相同的柱塞孔，缸体412上的腰型孔和柱塞孔一一对应连通，且柱塞孔的中心线平行于缸体412的中心轴线，每个柱塞孔内设置有一个柱塞413，柱塞413的右端伸出柱塞孔并通过球形端头与斜盘414铰接。

所述端盖415和壳体416固定不动，配流盘411、缸体412和斜盘414均能够沿各自的中心轴线转动，且配流盘411和缸体412的中心轴线与斜盘414的中心轴线间存在夹角。

在任意时刻，端盖415左端面上任意一个油口只能通过一条通路与配流盘411右端面上的一个腰型槽连通，配流盘411右端面上任意一个腰型槽能够同时连通一个以上柱塞孔，一个柱塞孔在同一时刻只能连通配流盘411右端面上的一个腰型槽，即通过配流盘411实现四个油口与N个柱塞孔的相通和配油；在配流盘411的转动范围内，A'与A″、B'与B″、O'与O″、T'与T″通过重叠的方式相连通，且A'、B'、O'与T'完全不会被遮挡。

通过斜盘414限定柱塞413的伸出最大行程和缩回最大行程：柱塞在伸出最大行程位置时，其在端盖415上的圆周位置定义为上死点TDC；柱塞在缩回最大行程时，其在端盖415上的圆周位置定义为下死点BDC；上死点TDC和下死点BDC的连线经过配流盘411的中心，该连线同一侧的所有柱塞孔进出油流向相同，该连线两侧的柱塞孔进出油流向相反。

基于上述描述，端盖左端油口和配流盘右端腰型槽的连通通路有通路(A→A'→A″→A″')、通路(B→B'→B″→B″')，通路(O→O'→O″→O″')，通路(T→T'→T″→T″')；假设A″'、B″'、O″'和T″'的位置设置如图5所示，且A作为高压进油口，B作为低压出油口(接负载)，O作为回收出油口，T作为低压吸油口，则该种情况下，柱塞式进出油等流量四通液压变压器的工作过程为：

(1)当A接高压油时，从A流入的高压油通过通路流入与A″'相连通的柱塞孔(为了便于说明下文以柱塞孔X₀表示，柱塞孔X₀内的柱塞以柱塞X表示)内，高压油对柱塞X的作用力使得柱塞X开始向柱塞孔X₀外伸出，柱塞X的球形端头紧紧压在斜盘上，由于斜盘对柱塞X有反作用力，该反作用力垂直于缸体中心轴线方向的分力使得柱塞X侧面对缸体产生扭矩，迫使缸体按逆时针旋转，液压能转换为机械能，A″'完成液压马达的作用。

(2)当柱塞孔X₀转过上死点与O″'相连通时，斜盘对柱塞X的作用力使柱塞X缩回柱塞孔X₀，液压油从O通路排出，O″'完成液压泵的排油作用。

(3)随着缸体的旋转，当柱塞孔X₀与B″'相连通时，通过通路排油，B″'完成液压马达排油作用。

(4)当柱塞孔X₀转过下死点与T″'相连通时，柱塞X在斜盘的作用下开始向柱塞孔X₀外伸出，柱塞孔X₀就通过通路吸油，T″'完成液压泵的吸油作用。

(5)随着缸体的旋转，柱塞孔X₀又与A″'相连通，缸体完成一周的转动。

缸体转动一周，所有柱塞都从配流盘上的四个腰形槽中吸油或排油一次，如果忽略泄漏，从通路流入的高压油和从通路流出的低压油流量相同，从通路吸入的低压油和从通路流出的高压油流量相同。该柱塞式进出油等流量四通液压变压器相当于一台液压马达和一台液压泵的结合，这种工况可以回收A油口和B油口之间的压差液能，回收的高压油从O油口排出并可再利用。

依然采用图5的位置设置：如果B作为高压进油口，A作为低压出油口(接负载)，T作为回收出油口，O作为低压吸油口，则缸体会按照顺时针旋转，我们依然可以回收B油口和A油口之间的压差液能；如果O作为高压进油口，A作为低压出油口(接负载)，T和B接油箱，则缸体顺时针转动释放回收的液压能；如果A作为高压进油口，O作为低压出油口(接负载)，T和B接油箱，则缸体逆时针转动释放回收的液压能。所以本案的柱塞式进出油等流量四通液压变压器可以四象限运行。

如图5所示，定义配流盘控制角δ为A″'的对称中心线与配流盘上死点TDC和下死点BDC所在直径的夹角。伺服减速器48驱动配流盘411转动，调节配流盘控制角δ的大小，就改变了柱塞413对应配流盘411上的四个腰形槽的行程，也就调节了A油口和O油口的流量比，从而调节了A油口和B油口的压差，由能量守恒定律推到得到压力比为λ＝P_O/(P_A-P_B)＝P_O/P_L＝tanδ，其中P_A为A油口压力，P_B为B油口压力，P_O为O油口压力(即回收的油液压力)，P_L为A油口和B油口的压差，且0≤δ≤π/2，0≤λ≤∞。

假如A油口和B油口的压差P_L不变，当δ＝0时，配流盘的腰型槽A″'对于上死点是对称的，即腰型槽A″'上死点左右的长度相等，柱塞通过腰型槽A″'时吸油和排油行程相等，相当于做功行程为零，没有流量输入，输入功率为零，此时配流盘的腰型槽O″'全部位于排油侧，柱塞通过腰型槽O″'时的排量行程最大，输出的油液流量最大压力为零，即变压比为零；当0<δ<π/4时，配流盘的腰型槽A″'在吸油侧的长度小于排油侧的长度，柱塞通过腰型槽A″'时吸油行程小和排油行程大，有流量和功率输入，此时配流盘的腰型槽O″'还是全部位于排油侧，输出的流量大于腰型槽A″'输入的流量，由能量守恒定律可知，输出的油液有压力但小于压差P_L，即变压比小于1；同理分析可知，当π/4<δ<π/2时，腰型槽O″'输出的流量小于腰型槽A″'输入的流量，输出的油液压力大于压差P_L，即变压比大于1；当δ＝π/2时，腰型槽O″'输出的流量为零，输出的油液压力为∞，即变压比这∞。实际工况δ＝0(λ＝0)和δ＝π/2(λ＝∞)没有意义，一般48°<δ<132°，0.2<λ<5。

定义柱塞式进出油等流量四通液压变压器职能符号如图6(a)所示，椭圆代表液压变压器的壳体416，P_A、P_B、P_O和P_T分别表示高压进油口、低压出油口、回收出油口和低压吸油口，箭头代表配流盘的角度可调，内部的黑三角代表油液的方向，每个油口都有两个三角(说明每个油口在不同的工况下进油或出油)，对角油口之间的连线表示对角两个油口的流量相等。油口关系：左右同侧两油口都是进油或都是出油，上下同侧两油口都是低压(低压出油口和低压吸油口)或高压(高压进油口和回收出油口)，对角油口一进一出流量相等。图6(b)是液能回收工况不同进出油连接的四种职能符号，图6(c)是液能释放工况不同进出油连接的四种职能符号。

Claims (10)

1.一种基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：包括接入挖掘机液压系统中的四通液压变压器(41)、蓄能器(46)、常开电磁阀(42a～42b)、常闭电磁阀(43a～43i)和控制器，并形成工作油口(A1、B1、A2、B2、O1、O2)、压力油口(PP)和回油口(TT)；所述四通液压变压器(41)具有高压出油口(P_A)、低压出油口(P_B)、回收出油口(P_O)和低压吸油口(P_T)，所述控制器根据挖掘机工况将四通液压变压器切换至需回收液压能的液压回路中，控制器控制对应的常开电磁阀和常闭电磁阀使得工作油口的进液油从P_A口流入四通液压变压器内，经四通液压变压器减压后，从P_B口输出流量不变的油液进入相对的工作油口或接入回油口，四通液压变压器回收的液压能从P_O口与系统供油的压力油口汇合使用或输送至蓄能器存储。

2.根据权利要求1所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：还包括单向阀(40)、安全阀(45)、截止阀(47)和梭阀(49)，所述四通液压变压器液能回收的P_O口一路经常闭电磁阀再分别经由安全阀接入节能装置的回油口和经由截止阀接蓄能器，P_O口另一路经常闭电磁阀和单向阀接节能装置的压力油口；梭阀的两进液口接节能装置的工作油口，梭阀的出口经常闭电磁阀接四通液压装置的P_A口。

3.根据权利要求2所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：所述液压系统包括执行挖掘机动作的大臂油缸(5)、斗杆油缸(6)和回转马达(7)，所述节能装置的工作油口(A1、B1、A2、B2)和压力油口PP上均设有压力传感器(44a、44b、44c、44d、44e)，所述蓄能器的入口设有压力传感器(44f)，所述梭阀的出口设有压力传感器(44g)，所述大臂油缸活塞杆腔入口设有压力传感器(44h)，每一压力传感器将油路中的液压压力信号转化为模拟量输入至控制器进行AD转换；控制器根据四通液压变压器的使用状态、挖掘机动作信号和压力信号分类处理工况，发出DO信号，驱动对应的常开电磁阀和常闭电磁阀得电动作，将四通液压变压器切换至需回收液能的回路或释放蓄能器存储的液能，发出AO信号，调节四通液压变压器变压比实现回收液能和释放储能。

4.根据权利要求3所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：所述节能装置还包括信号调理板、继电器驱动板、伺服驱动器和伺服减速机(48)，该压力传感器将油路中的液压压力信号转化为电流信号，经信号调理板调节为电压信号输送至控制器AD转换，行程开关将挖掘机动作信号变为高电平作为DI信号输送至控制器；控制器根据四通液压变压器的使用状态、压力信号和DI信号分类处理工况，发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后驱动对应的常开电磁阀和常闭电磁阀得电动作，将四通液压变压器切换至需回收液能的回路或释放蓄能器存储的液能，发出AO信号，经伺服驱动器放大后，驱动伺服减速机带动四通液压变压器改变变压比实现回收液能和释放储能。

5.根据权利要求4所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：所述挖掘机工况包括工况1：回收回转制动动能并储存，工况条件为回转开始标志已置位且无其他信号；工况2：回收回转制动动能并直接利用，工况条件为回转开始标志已置位且有其他信号；工况3：回收大臂油缸势能并储存，工况条件为仅有大臂下降信号；工况4：回收大臂油缸势能并直接利用，工况条件为有大臂下降信号和其他信号；工况5：回收斗杆油缸压差并直接利用，工况条件为有大臂上升和斗杆收回信号；工况6：释放储能，工况条件为没有工况1～工况5的信号，但有其他信号；所述控制器的控制方法，包括如下步骤：

(1)四通液压变压器在工作吗？在工作转(23)；

(2)有先导控制阀动作信号吗？有信号转(5)；

(3)回转开始标志已置位吗？未置位转(10)；

(4)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并储存在蓄能器中，回转开始标志复位，工况＝1，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(5)有大臂上升信号吗？有信号转(21)；

(6)有大臂下降信号吗？有信号转(18)；

(7)回转开始标志已置位？已置位转(14)；

(8)有回转信号吗？有信号转(13)；

(9)有其它信号吗？有信号转(11)；

(10)返回；

(11)蓄能器存储压力达到释放压力了吗？未达到了转(10)；

(12)释放存储液能再利用，工况＝6，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(13)置回转开始标志，转(9)；

(14)还有回转信号吗？有信号转(11)；

(15)还有其它信号吗？有信号转(17)；

(16)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并储存在蓄能器中，回转开始标志复位，工况＝1，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(17)节能装置切入回转制动出液口，回收回转制动动能并直接利用，回转开始标志复位，工况＝2，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(18)还有其它信号吗？有信号转(17)；

(19)回收大臂油缸势能并储存，控制变压比使上腔压力接近系统压力，工况＝3，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(20)回收大臂油缸势能直接利用，控制变压比使上腔压力大于0，工况＝4，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(21)有斗杆收回信号？没有信号转(7)；

(22)回收斗杆油缸压差能，直接利用，工况＝5，置四通液压变压器工作标志，转(10)；

(23)工况＝1或2？不是转(10)；

(24)制动口压力已很低？否转(26)；

(25)四通液压变压器工作标志复位，复位相关阀，转(10)；

(26)工况＝3或4？不是转(29)；

(27)还有大臂下降信号吗？有信号转(10)；

(28)转(25)；

(29)工况＝5？不是转(32)；

(30)还有大臂上升和斗杆收回信号吗？有信号转(10)；

(31)转(25)；

(32)工况＝6？不是转(10)；

(33)蓄能器存储压力低于设定值吗？不是转(10)；

(34)转(25)。

6.根据权利要求1～5任一所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：所述液压系统还包括油箱、液压泵(1)和主阀块(3)，该主阀块(3)包括大臂换向阀(36)、斗杆换向阀(35)和马达换向阀(37)；所述斗杆换向阀的一工作口接斗杆油缸的活塞杆腔，斗杆油缸的活塞腔接B1口，A1口接斗杆换向阀的另一工作口；所述大臂换向阀的一工作口接大臂油缸的活塞杆腔，大臂油缸的活塞腔接B2口，A2口接大臂换向阀的另一工作口；所述回转马达的两工作口接马达换向阀的两工作口，同时接O1口和O2口；TT口接油箱、PP口接液压泵出口；

所述控制器根据挖掘机工况将四通液压变压器切换至需回收液压能的液压回路中，控制器控制对应的常开电磁阀和常闭电磁阀使得主阀块进油从P_A口流入四通液压变压器内，经四通液压变压器减压后，从P_B口输出流量不变的油液进入大臂油缸或斗杆油缸和/或回油，四通液压变压器回收的液压能从P_O口与液压泵输出油汇合使用或输送至蓄能器存储。

7.根据权利要求6所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：所述液压系统还包括先导控制阀块(2)，该先导控制阀块(2)包括先导控制阀(22a～22f)和用于向控制器输出DI信号的行程开关(23a～23f)。

8.根据权利要求7所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：所述先导控制阀块(2)还包括减压阀(21)，液压泵从油箱吸油，输出口与主控阀块中的P管路、先导控制阀块中的减压阀进口相连，进入先导控制阀块的压力经减压阀减压后供给先导控制阀。

9.根据权利要求6所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：所述主控阀块(3)包括主溢流阀(31)、冲洗阀(32)、LS溢流阀(33)、过载阀(34a～34d)和压力补偿器(38a～38c)，该压力补偿器补偿油缸换向阀和马达换向阀的负载压差，并选择最大压力作为LS压力反馈给液压泵。

10.根据权利要求1所述的基于四通液压变压器液能回收的单泵挖掘机节能装置，其特征在于：所述四通液压变压器包括端盖、位于端盖内且与控制器相连接的配流盘和壳体，该壳体的左端与端盖固定连接，该壳体左端从外向内依次设有缸体和斜盘，该斜盘、配流盘和缸体均可沿自身的中心轴线转动，且配流盘和缸体同轴设置，该中心轴线与斜盘的中心轴线存在夹角；所述端盖左端面开设有四个油口，所述配流盘的左右端面位置分别开设相对应连通的四个油口，所述缸体左端面沿中心轴线均布有N个油口，且缸体右部沿中心轴线均布有与缸体左端面油口相连接的N个柱塞孔，且柱塞孔的中心线平行于缸体的中心轴线，每一柱塞孔内设置有一柱塞，柱塞的右端伸出柱塞孔与斜盘铰接；

在任意时刻，端盖左端面上任意一个油口只能通过一条油路与配流盘右端面上的油孔连通，配流盘右端面上任意一个油孔能够同时连通一个以上柱塞孔，一个柱塞孔在同一时刻只能连通配流盘右端面上的一个油孔，即通过配流盘实现四个油口与N个柱塞孔的相通和配油；

通过斜盘限定柱塞的伸出最大行程和缩回最大行程：柱塞在伸出最大行程位置时，其在端盖上的圆周位置定义为上死点TDC；柱塞在缩回最大行程时，其在端盖上的圆周位置定义为下死点BDC；上死点TDC和下死点BDC的连线经过配流盘的中心，该连线同一侧的所有柱塞孔进出油流向相同，该连线两侧的柱塞孔进出油流向相反；

转动配流盘，改变配流盘右端面油口相对上死点TDC和下死点BDC连线的角度，改变配流盘右端面油口对应进出油柱塞的个数和行程，改变回收出油口压力与高压进油口和低压出油口压差的比，实现变压。