CN107700576A - 液压挖掘机动势能回收利用系统 - Google Patents

Abstract

一种液压挖掘机动势能回收利用系统，包括双泵液压控制回路、能量回收控制回路及两位两通换向阀；所述能量回收控制回路包括两位三通液控换向阀、阻尼孔、两位四通电磁换向阀、先导比例溢流阀、油箱、位移传感器、液压蓄能器、变量液压缸、液压马达/泵、电动/发电机、电机转速控制器、超级电容组、双向DC‑DC变换器及电源。本发明通过压力或扭矩的容积调控，实现存储能量的无节流，短转换链可控再生利用，提高了能量回收再生效率，降低了控制系统复杂程度。

Description

液压挖掘机动势能回收利用系统

技术领域

本发明涉及一种工程机械设备的动势能回收利用系统，尤其是一种用于液压挖掘机的动势能回收利用系统。

背景技术

液压挖掘机在工程中是一种用量大能耗高的工程机械，在工作过程中，各执行机构负载惯性大，各机械臂上下摆动频繁，尤其是动臂、斗杆这两个执行机构。并且大惯性上车回转具有的动能很大，加减速频繁。传统的液压挖掘机并没有对这一部分动势能加以利用，而是使这部分动势能在节流口以热能的形式损耗，不仅造成了能量的浪费，还使得液压系统温升破坏系统稳定性。因此，如何高效地回收利用这部分能量，寻求高效、节能的液压系统，对提高液压挖掘机整机节能具有重要意义。

对于挖掘机动势能回收，有的采用电气式回收、有的直接使用蓄能器回收以及运用它们的复合回收方法。例如在专利文献（CN105008729A）中提出了一种工程机械的能量再生系统，采用混合动力方法将制动能量通过由液压马达、电动机和蓄电池（超级电容组）构成的再生装置回收利用，为了克服制动初始大惯性负载产生的扭矩冲击，在能量回收液压马达之前设置节流阀进行调控，虽然改善了制动过程的平稳性，但增大了节流损失，而且该方法需要经过多次转换才能进行能量的再生利用，效率较低。

因此，在稳定回收挖掘机动势能的前提下，消除节流损失，尽可能提高能量回收利用率，降低挖掘机的能耗，就必须对现有的方法进行改进。

发明内容

针对上述现有液压挖掘机工作装置存在的不足，本发明提供一种液压挖掘机动势能回收利用系统，通过压力或扭矩的容积调控，实现存储能量的无节流、短转换链可控再生利用，提高能量回收再生效率，降低控制系统复杂程度，改进可控性。

本发明所提供的一种液压挖掘机动势能回收利用系统，包括有双泵液压控制回路，其特征在于：进一步增设有第Ⅰ两位两通换向阀，第Ⅱ两位两通换向阀，第Ⅲ两位两通换向阀，第Ⅳ两位两通换向阀，两位三通液控换向阀，第Ⅰ阻尼孔，第Ⅱ阻尼孔,第Ⅲ阻尼孔,两位四通电磁换向阀,先导比例溢流阀，油箱，位移传感器，液压蓄能器，变量液压缸，液压马达/泵，电动/发电机，电机转速控制器，超级电容组，双向DC-DC变换器，电源。所述第Ⅰ两位两通换向阀第一工作油口与回转液压马达第一工作油口连接，第Ⅱ两位两通换向阀第一工作油口与回转液压马达第二工作油口连接，第Ⅲ两位两通换向阀第一工作油口与斗杆液压缸有杆腔连接，第Ⅳ两位两通换向阀第一工作油口与动臂液压缸无杆腔连接。第Ⅰ-第Ⅳ两位两通换向阀的第二工作油口与液压马达/泵第二工作油口、两位四通电磁换向阀第一工作油口、两位三通液控换向阀第一控制油口以及第Ⅰ阻尼孔进油口连接。两位四通电磁换向阀第二工作油口与油箱连接，两位四通电磁换向阀第三工作油口与两位三通液控换向阀第一工作油口连接，两位四通电磁换向阀第四工作油口与两位三通液控换向阀第二工作油口连接。第Ⅰ阻尼孔的出油口与两位三通液控换向阀第二控制油口以及先导比例溢流阀进油口连接。先导比例溢流阀出油口与油箱连接。两位三通液控换向阀第三工作油口通过第Ⅱ阻尼孔与变量液压缸无杆腔连接，两位三通液控换向阀第三工作油口通过第Ⅲ阻尼孔与油箱连通。位移传感器与变量液压缸变量机构连接。液压马达/泵第一工作油口与液压蓄能器连接。电动/发电机输入端与电机转速控制器输出端连接，电动/发电机输出端与驱动液压马达/泵连接。双向DC-DC变换器与超级电容组连接电机转速控制器输入端。第Ⅰ-第Ⅳ两位两通换向阀信号由控制单元控制。

所述能量回收利用控制回路具有储能和再生两种工作模式，当两位四通电磁换向阀处于左位时，工作在储能模式。由于动臂液压缸行程相对较短，动臂回落过程要求将势能在较短时间内存入所述液压蓄能器和所述超级电容组，采用压力控制的电比例压力连续可调的液压马达/泵，协同电动/发电机迅速建立起制动转矩，可按照动臂下降行程的要求，调控制动扭矩，实现可控回落；由于回转液压马达运行速度较大，回转制动过程要求将动能在较短时间内存入所述液压蓄能器和所述超级电容组，采用压力控制的电比例压力连续可调的液压马达/泵，协同电动/发电机迅速建立起制动转矩，可按照动会展角度的要求，调控制动扭矩，实现可控制动；由于斗杆液压缸行程较短，斗杆回落过程要求将势能在较短时间内存入所述液压蓄能器和所述超级电容组，采用压力控制的电比例压力连续可调的液压马达/泵，协同电动/发电机迅速建立起制动转矩，可按照斗杆回落行程的要求，调控制动扭矩，实现可控回落；当两位四通电磁换向阀处于右位时，工作在再生模式，可按压力匹配模式：如泵转速不变，控制出口压力；流量匹配模式：如设置压力值较高，改变泵转速控制流量，控制再生流量，实现无节流损失回收和利用动臂下降势能，回转制动动能以及斗杆回落势能。

所述液压挖掘机动势能回收利用系统，双泵液压控制回路可以是负流量控制回路，正流量控制回路、进出口独立控制回路或者闭式泵控制回路。

与现有技术相比，本发明上述所提供的一种液压挖掘机动势能回收利用系统具有如下技术特点。

本系统无节流损失地回收利用挖掘机动臂下降势能和回转制动的动能，回收并再生利用效率较高。

本系统将储能与再利用一体化，液压、电气双源储能，回收能量直接利用降低了主机的装机功率，减小系统发热，增加了机器持续工作时间和降低冷却功率，缓解了工程机械装备液压油箱小，液压油长期高温工作易老化的问题。

本系统设置有能量回收利用单元结构，可以作为一种有源容积式压力控制器件，代替现在耗能式节流元件，控制液压系统的压力。

本系统设置有能量回收利用单元结构，可作为独立的控制单元附加到现有的各类主机，不影响现有机器的布置和操控性，通用性强。

附图说明

图1是本发明液压挖掘机动势能回收利用系统的原理结构图。

图中：1：回转控制阀；2：回转液压马达；3：动臂液压缸控制阀Ⅰ；4：斗杆液压缸；5：液控单项阀Ⅰ；6：斗杆液压缸控制阀Ⅰ；7：斗杆液压控制阀Ⅱ；8：动臂液压缸控制阀Ⅱ；9：液控单向阀Ⅱ；10：动臂液压缸；11：第Ⅰ两位两通换向阀；12：第Ⅱ两位两通换向阀；13：第Ⅲ两位两通换向阀；14：第Ⅳ两位两通换向阀；15：两位三通液控换向阀；16a：第Ⅰ阻尼孔；16b：第Ⅱ阻尼孔；16c：第Ⅲ阻尼孔；17：两位四通电磁换向阀；18：先导比例溢流阀；19：油箱；20：位移传感器；21：液压蓄能器；22：变量液压缸；23：液压马达/泵；24：电动/发电机；25：电机转速控制器；26：超级电容组；27：双向DC-DC变换器；28：电源；29：第一主液压泵；30：控制单元；31：第二主液压泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如附图1所示，一种液压挖掘机动势能回收利用系统，主控制阀为三位六通电比例多路换向阀，动臂液压缸10采用单出杆结构，回转液压马达2采用定量液压马达，压力连续可调液压马达/泵23采用轴向柱塞结构原理，液压蓄能器21为活塞式，电动/发电机24为永磁同步结构，电机转速控制器25采用矢量控制方式，超级电容组26由基本模块串并联组合而成，双向DC-DC 变换器27可双向升压和降压，外部电源28采用电池组，溢流阀用做安全阀，主液压泵为变排量结构，第Ⅰ阻尼孔16a的直径为0.9 mm，马达/泵模式切换阀采用电控方式，主控压力阀为液控三通滑阀，第Ⅱ阻尼孔16b的直径为1 mm，先导比例溢流阀18采用锥阀结构，变量液压缸22无杆腔直径40 mm，液压马达/泵23采用轴向柱塞结构形式，第Ⅲ阻尼孔16c的直径为0.8 mm，变量液压缸22有杆腔直经为30 mm，油箱19的容积为200 L，位移传感器20采用差动变压器结构。

具体实施方案是第Ⅰ两位两通换向阀11第一工作油口与回转液压马达2第一工作油口连接，第Ⅱ两位两通换向阀12第一工作油口与回转液压马达2第二工作油口连接，第Ⅲ两位两通换向阀13第一工作油口与斗杆液压缸4的有杆腔连接，第Ⅳ两位两通换向阀14的第一工作油口与动臂液压缸无杆腔连接。第Ⅰ-第Ⅳ两位两通换向阀（11-14）的第二工作油口与液压马达/泵23第二工作油口、两位四通电磁换向阀17的第一工作油口、两位三通液控换向阀15的第一控制油口以及第Ⅰ阻尼孔16a的进油口连接；两位四通电磁换向阀17的第二工作油口与油箱19连接，两位四通电磁换向阀17的第三工作油口与两位三通液控换向阀15的第一工作油口连接，两位四通电磁换向阀17的第四工作油口与两位三通液控换向阀15的第二工作油口连接；第Ⅰ阻尼孔16a的出油口与两位三通液控换向阀15的第二控制油口以及先导比例溢流阀18的进油口连接；先导比例溢流阀18的出油口与油箱19连接；两位三通液控换向阀15的第三工作油口通过第Ⅱ阻尼孔16b与变量液压缸22的无杆腔连接以及通过第Ⅲ阻尼孔16c与油箱19连接；位移传感器20与变量液压缸22的变量机构连接；液压马达/泵23的第一工作油口与液压蓄能器21连接；电动/发电机24的输入端与电机转速控制器25的输出端连接；电动/发电机24的输出端与驱动液压马达/泵23连接；双向DC-DC变换器27与超级电容组26连接电机转速控制器25的输入端；第Ⅰ-第Ⅳ两位两通换向阀（11-14）信号由控制单元控制。

能量回收利用控制回路具有储能和再生两种工作模式，当两位四通电磁换向阀17处于左位时，工作在储能模式；由于动臂液压缸行程相对较短，动臂回落过程要求将势能在较短时间内存入液压蓄能器21和超级电容组26，采用压力控制的电比例压力连续可调的液压马达/泵23，协同电动/发电机24迅速建立起制动转矩，可按照动臂下降行程的要求，调控制动扭矩，实现可控回落；由于回转液压马达2运行速度较大，回转制动过程要求将动能在较短时间内存入液压蓄能器21和超级电容组26，采用压力控制的电比例压力连续可调的液压马达/泵23，协同电动/发电机24迅速建立起制动转矩，可按照动会展角度的要求，调控制动扭矩，实现可控制动；由于斗杆液压缸4行程较短，斗杆回落过程要求将势能在较短时间内存入液压蓄能器21和超级电容组26，采用压力控制的电比例压力连续可调的液压马达/泵23，协同电动/发电机24迅速建立起制动转矩，可按照斗杆回落行程的要求，调控制动扭矩，实现可控回落；当两位四通电磁换向阀17处于右位时，工作在再生模式，可按压力匹配模式，如泵转速不变，控制出口压力；流量匹配模式，如设置压力值较高，改变泵转速控制流量，控制再生流量，实现无节流损失回收和利用动臂下降势能，回转制动动能以及斗杆回落势能。

实施液压挖掘机动势能回收利用系统，双泵液压控制回路采用负流量控制回路，双泵液压控制回路包括：回转控制阀1，回转液压马达2，动臂液压缸控制阀Ⅰ3，斗杆液压缸4，液控单项阀Ⅰ5，斗杆液压缸控制阀Ⅰ6，斗杆液压控制阀Ⅱ7，动臂液压缸控制阀Ⅱ8，液控单向阀Ⅱ9，动臂液压缸10，第一和第二主液压泵29和31，控制单元30；第二主液压泵31的出油口分别与动臂液压缸控制阀Ⅰ3、斗杆液压缸控制阀Ⅰ6和回转控制阀1的进油口连通，第一主液压泵29的出油口分别与动臂液压缸控制阀Ⅱ8和斗杆液压缸控制阀Ⅱ7的进油口连通，液控单向阀Ⅰ5的进油口与斗杆液压缸控制阀Ⅰ6和Ⅱ7的出油口连通，液控单向阀Ⅱ9的进油口与动臂液压缸控制阀Ⅰ3和Ⅱ8的出油口连通，动臂液压缸控制阀Ⅰ3和Ⅱ8的出油口与动臂液压缸的进出油口连通，斗杆液压缸控制阀Ⅰ6和Ⅱ7的出油口与动臂液压缸的进出油口连通，回转控制阀1的出油口与回转液压马达2的进出油口连通。

Claims (2)

1.一种液压挖掘机动势能回收利用系统，包括有双泵液压控制回路；其特征在于：

增设有第Ⅰ两位两通换向阀（11）、第Ⅱ两位两通换向阀（12）、第Ⅲ两位两通换向阀（13）、第Ⅳ两位两通换向阀（14）、两位三通液控换向阀（15）、第Ⅰ阻尼孔(16a)、第Ⅱ阻尼孔(16b)、第Ⅲ阻尼孔(16c)、两位四通电磁换向阀（17）、先导比例溢流阀(18)、油箱(19)、位移传感器（20）、液压蓄能器（21）、变量液压缸（22）、液压马达/泵（23）、电动/发电机（24）、电机转速控制器（25）、超级电容组（26）、双向DC-DC变换器（27）以及电源（28）；

所述第Ⅰ两位两通换向阀（11）的第一工作油口与回转液压马达（2）的第一工作油口连通，第Ⅱ两位两通换向阀（12）的第一工作油口与回转液压马达（2）的第二工作油口连通，第Ⅲ两位两通换向阀（13）的第一工作油口与斗杆液压缸（4）的有杆腔连通，第Ⅳ两位两通换向阀（14）的第一工作油口与动臂液压缸（9）的无杆腔连通；第Ⅰ-第Ⅳ两位两通换向阀（11-14）的第二工作油口与液压马达/泵（23）的第二工作油口、两位四通电磁换向阀（17）的第一工作油口、两位三通液控换向阀（15）的第一控制油口以及第Ⅰ阻尼孔（16a）进油口连通，两位四通电磁换向阀（17）的第二工作油口与油箱（19）连通，两位四通电磁换向阀（17）的第三工作油口与两位三通液控换向阀（15）的第一工作油口连通，两位四通电磁换向阀（17）的第四工作油口与两位三通液控换向阀（15）的第二工作油口连通；第Ⅰ阻尼孔（16a）的出油口与两位三通液控换向阀（15）的第二控制油口以及先导比例溢流阀(18)的进油口连通；先导比例溢流阀（18）的出油口与油箱（19）连通；两位三通液控换向阀（15）的第三工作油口通过第Ⅱ阻尼孔（16b）与变量液压缸（22）的无杆腔连通，两位三通液控换向阀（15）的第三工作油口通过第Ⅲ阻尼孔（16c）与油箱（19）连通；位移传感器（20）与变量液压缸（22）变量机构连接；液压马达/泵（23）的第一工作油口与液压蓄能器（21）连通；电动/发电机（24）的输入端与电机转速控制器（25）的输出端连接，电动/发电机（24）的输出端与驱动液压马达/泵（23）连接；双向DC-DC变换（27）与超级电容组（26）连接电机转速控制器（24）输入端；第Ⅰ-第Ⅳ两位两通换向阀（11-14）信号由控制单元（30）控制。

2.根据权利要求1所述的液压挖掘机动势能回收利用系统，其特征在于：所述双泵液压控制回路是负流量控制回路、正流量控制回路、进出口独立控制回路或者闭式泵控制回路。