CN108019386B - 一种大型抓钢机高效液压动臂节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型抓钢机高效液压动臂节能系统，解决了现有技术浪费能源，以及影响抓钢机在工作过程中的稳定性及使用寿命的问题。本发明包括主泵，分动箱，电动机，发动机，超级电容，交流发电机，马达，液压变量泵，换向阀，第一单向阀，电磁控制阀，第二单向阀，液压蓄能器，三位三通换向阀，三位四通换向阀，动臂液压缸，第一压力传感器，流量传感器，第二压力传感器，第三压力传感器，PLC控制器，行程传感器，第三单向阀和第四单向阀。本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，能有效将抓钢机动臂势能进行回收利用，以节约能源，同时能有效防止抓钢机动臂运行时使油温升高，以提高抓钢机工作过程中的稳定性并延长其使用寿命。

Description

一种大型抓钢机高效液压动臂节能系统

技术领域

本发明属于工程机械领域，具体涉及一种大型抓钢机高效液压动臂节能系统。

背景技术

大型液压抓钢机动臂在工作过程中动作非常频繁，几乎每个工作循环都有动臂的升降动作，且动臂下放时主要是靠节流阀控制动臂的运动速度，抓钢机的抓取动作有着很强的周期性，且动臂机构是抓钢机的主要工作装置之一，在每个工作循环中，都会有动臂液压缸活塞杆的伸缩运动。在传统动臂液压系统中为了限定工作装置的下放速度，通常会在动臂缸液压油出口处添加节流阀，当动臂下降幅度较大时，会导致大量动臂势能在节流孔处转换为液压油的内能，这不仅造成大量的能量浪费，而且使整机系统的油温升高，影响抓钢机在工作过程中的稳定性及使用寿命。

因此，需要对动臂进行能量回收，同时消除上述缺陷，动臂升降幅度存在较大差距，需要根据具体工况选择性进行能量回收，一般对于液压能的回收主要有两种方式，一种是以电容或者蓄电池为主要储能元件，另一种是以液压蓄能器为主要储能元件。对机械臂下放过程中，短时间内会有大量的液压能释放，故在采用电池的能量回收系统中，往往会因为能量吸收不充分而造成能量损失。另外，因为利用电池对能量进行回收过程中，由于存在着不同形式能量之间转换，这也对电气式能量回收系统的回收效率造成了一定的影响。同时，受电池功率密度的影响，在以电池为储能元件的系统中，使能量回收的速度受到限制。

另一种节能方法是以液压蓄能器为主要储能元件，对机械臂下放动作中所释放的重力势能进行回收。与电池相比，液压蓄能器吸收能量速度较快，可在短时间内吸收大量的液压能，而且液压蓄能器回收能量不存在不同形式能量之间的转换问题，但是，由于蓄能器需要较大储存体积且较长保存时间，这中能量回收方式也存在局限。

因此，设计一种大型抓钢机高效液压动臂节能系统，以准确、有效的实现抓钢机动臂势能的回收再利用，同时防止油温升高以提高抓钢机工作过程中的稳定性及延长其使用寿命，成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种大型抓钢机高效液压动臂节能系统，解决现有技术抓钢机动臂势能不能回收利用从而浪费能源，以及动臂运行时使油温升高，影响抓钢机在工作过程中的稳定性及使用寿命的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种大型抓钢机高效液压动臂节能系统，包括主泵，分动箱，电动机，发动机，超级电容，交流发电机，马达，液压变量泵，换向阀，第一单向阀，电磁控制阀，第二单向阀，液压蓄能器，三位三通换向阀，三位四通换向阀，动臂液压缸，第一压力传感器，流量传感器，第二压力传感器，第三压力传感器，PLC控制器，行程传感器，第三单向阀和第四单向阀；

所述分动箱分别与所述主泵、所述电动机和所述发动机连接，所述电动机和所述发动机分别通过所述分动箱以驱动所述主泵运行，所述主泵与所述换向阀管道连接，并且在所述主泵与所述换向阀连接的管道上从所述主泵至所述换向阀的方向依次设有所述第三单向阀、所述第二压力传感器和所述第一单向阀，所述换向阀、所述液压变量泵、所述马达、所述三位三通换向阀、所述三位四通换向阀和所述动臂液压缸依次连接，所述马达、所述交流发电机、所述超级电容和所述电动机依次连接，所述换向阀与所述三位三通换向阀管道连接，并且在所述换向阀与所述三位三通换向阀连接的管道上从所述换向阀至所述三位三通换向阀的方向依次设有所述第二单向阀和所述液压蓄能器，所述马达与所述三位四通换向阀管道连接，并且所述马达与所述三位四通换向阀连接的管道上从所述马达至所述三位四通换向阀的方向依次设有第一压力传感器、流量传感器、第四单向阀和电磁控制阀；

所述PLC控制器分别与所述主泵、所述电动机、所述发动机、所述超级电容、所述交流发电机、所述马达、所述液压变量泵、所述换向阀、所述电磁控制阀、所述液压蓄能器、所述三位三通换向阀、所述三位四通换向阀、所述动臂液压缸、所述第一压力传感器、所述流量传感器和所述第二压力传感器功能连接。

进一步地，所述主泵、所述液压变量泵、所述三位三通换向阀和所述电磁控制阀分别与油箱连接。

进一步地，所述液压蓄能器上设有用于检测所述液压蓄能器液压的第三压力传感器，所述第三压力传感器与所述PLC控制器功能连接。

进一步地，所述动臂液压缸的有杆腔设有用于检测动臂液压缸行程的行程传感器，所述行程传感器与所述PLC控制器功能连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，能有效将抓钢机动臂势能进行回收利用，以节约能源，同时能有效防止抓钢机动臂运行时使油温升高，以提高抓钢机工作过程中的稳定性并延长其使用寿命。

(2)本发明基于液压蓄能器和超级电容的共同作用下实现节能，相对于单一的蓄能器回收液压能存在的局限，加入能量转化元件和储能元件，使得能量回收效果更佳明显。与原有系统相比有着明显的进步。此外，由于抓钢机实际工况中存在动臂升降差异较大的情况，采用PLC控制器控制系统运行，进行选择性的能量回收，能最大限度的发挥本系统的作用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-主泵、2-分动箱、3-电动机、4-发动机、5-超级电容、6-交流发电机、7-马达、8-液压变量泵、9-换向阀、10-第一单向阀、11-电磁控制阀、12-第二单向阀、13-液压蓄能器、14-三位三通换向阀、15-三位四通换向阀、16-动臂液压缸、17-第一压力传感器、18-流量传感器、19-第二压力传感器、20-第三压力传感器、21-PLC控制器、22-行程传感器、23-第三单向阀、24-第四单向阀。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明提供的一种大型抓钢机高效液压动臂节能系统，结构简单、设计科学合理，使用方便，能有效将抓钢机动臂势能进行回收利用，以节约能源，同时能有效防止抓钢机动臂运行时使油温升高，以提高抓钢机工作过程中的稳定性并延长其使用寿命。本发明包括主泵1，分动箱2，电动机3，发动机4，超级电容5，交流发电机6，马达7，液压变量泵8，换向阀9，第一单向阀10，电磁控制阀11，第二单向阀12，液压蓄能器13，三位三通换向阀14，三位四通换向阀15，动臂液压缸16，第一压力传感器17，流量传感器18，第二压力传感器19，第三压力传感器20，PLC控制器21，行程传感器22，第三单向阀23和第四单向阀24。

所述分动箱2分别与所述主泵1、所述电动机3和所述发动机4连接，所述电动机3和所述发动机4分别通过所述分动箱2以驱动所述主泵1运行，所述主泵1与所述换向阀9管道连接，并且在所述主泵1与所述换向阀9连接的管道上从所述主泵1至所述换向阀9的方向依次设有所述第三单向阀23、所述第二压力传感器19和所述第一单向阀10，所述换向阀9、所述液压变量泵8、所述马达7、所述三位三通换向阀14、所述三位四通换向阀15和所述动臂液压缸16依次连接，所述马达7、所述交流发电机6、所述超级电容5和所述电动机3依次连接，所述换向阀9与所述三位三通换向阀14管道连接，并且在所述换向阀9与所述三位三通换向阀14连接的管道上从所述换向阀9至所述三位三通换向阀14的方向依次设有所述第二单向阀12和所述液压蓄能器13，所述马达7与所述三位四通换向阀15管道连接，并且所述马达7与所述三位四通换向阀15连接的管道上从所述马达7至所述三位四通换向阀15的方向依次设有第一压力传感器17、流量传感器18、第四单向阀24和电磁控制阀11。

所述PLC控制器21分别与所述主泵1、所述电动机3、所述发动机4、所述超级电容5、所述交流发电机6、所述马达7、所述液压变量泵8、所述换向阀9、所述电磁控制阀11、所述液压蓄能器13、所述三位三通换向阀14、所述三位四通换向阀15、所述动臂液压缸16、所述第一压力传感器17、所述流量传感器18和所述第二压力传感器19功能连接。

所述主泵1、所述液压变量泵8、所述三位三通换向阀14和所述电磁控制阀11分别与油箱连接，所述液压蓄能器13上设有用于检测所述液压蓄能器13液压的第三压力传感器20，所述第三压力传感器20与所述PLC控制器21功能连接，所述动臂液压缸16的有杆腔设有用于检测动臂液压缸16行程的行程传感器22，所述行程传感器22与所述PLC控制器21功能连接。

本发明基于液压蓄能器和超级电容的共同作用下实现节能，相对于单一的蓄能器回收液压能存在的局限，加入能量转化元件和储能元件，使得能量回收效果更佳明显。与原有系统相比有着明显的进步。此外，由于抓钢机实际工况中存在动臂升降差异较大的情况，采用PLC控制器控制系统运行，进行选择性的能量回收，能最大限度的发挥本系统的作用。

本发明主泵1入口接油箱，出口与第三单向阀23相连，油液进入三位四通换向阀15，当其右位工作，油液进入动臂液压缸16的无杆腔，有杆腔油液经三位四通换向阀15和三位三通换向阀14进入油箱，此时三位三通换向阀14处于右位工作。

当三位四通换向阀15中位工作时，动臂液压缸16保持现有状态。

当三位四通换向阀15左位工作时，油液进入动臂液压缸16的有杆腔，PLC控制器21通过行程传感器22判断此时存在大量能量损失，油液依次经无杆腔、三位四通换向阀15和三位三通换向阀14驱动马达7运行，此时三位三通换向阀14为左位工作，油液驱动马达7并通过第四单向阀24和电磁控制阀11流入油缸。马达7的旋转一方面带动液压变量泵8打出油液经换向阀9和第二单向阀12进入液压蓄能器13，此时换向阀9和三位三通换向阀14处于左位工作，液压蓄能器13储存大量能量。另一方面，马达7的旋转带动交流发电机6，所产生的电能存储于超级电容5中。这个阶段动臂下降。

当动臂再次抬升时，动力源有以下三方式进行供能，第三压力传感器20实时检测液压蓄能器13中的液压，并将检测到的液压信息实时传送至PLC控制器21进行处理。

1)若液压蓄能器13中液压较高且能驱动动臂液压缸活塞杆，则PLC控制器21发出指令使主泵1停止工作让液压蓄能器13输出的能量驱动动臂液压缸。

2)若液压蓄能器13中压力较低且不能驱动动臂液压缸活塞杆，则PLC控制器21发出指令使由发动机驱动4的主泵1停止工作，让液压蓄能器13和由电动机3驱动的主泵1输出的能量驱动动臂液压缸。

3)随着液压蓄能器能量的释放，液压蓄能器中蕴含的能量降低，在这个过程中第三压力传感器20不断地将检测到的液压蓄能器13中的液压信息反馈给PLC控制器21，当检测到的液压降低到一定的值时，PLC控制器21会发出指令启动发动机4，增大主泵的输出量以维持动臂液压缸的伸缩速度。

液压蓄能器13中油液通过三位三通换向阀14，且三位三通换向阀14为中位工作，驱动马达7旋转，一方面，该马达同时驱动液压变量泵8，从液压变量泵8打出的油液通过换向阀9和第一单向阀10，且该换向阀9处于右位，进入主泵1出口处。在此过程中流量传感器18将检测到的流量信号传给PLC控制器21，若流量过大动臂液压缸活塞杆的伸缩速度超过设定值此时PLC控制器21发出指令，增大液压变量泵8的斜盘摆角，使液压变量泵8提供阻力扭矩变大，从而降低马达的转速，进而达到减小油液通过马达流量的目的；反之，使流经马达的液压油流量变大，加快抓钢机工作机构的下放速度；另外，马达7的旋转驱动交流发电机6，电能储存于超级电容5中。超级电容5将电流传递给电动机3驱动主泵1运行。

本发明的运行机理如下：

1)本发明发动机4驱动主泵1打出油液流经三位四通换向阀15，同时三位四通换向阀15在PLC控制器21控制下右位工作，油液进入动臂无杆腔，动臂实现初次抬升；由于该阶段回收能量少，将不启动能量回收系统。油液通过有杆腔油液经三位四通换向阀15，流入三位三通换向阀14，且此时三位三通换向阀14在PLC控制器21控制下右位工作，油液流回油箱。

2)本发明发动机4驱动主泵1打出油液流经三位四通换向阀15，同时三位四通换向阀15在PLC控制器21控制下左位工作，油液进入动臂有杆腔，动臂下降，动臂油缸行程传感器22实时检测油缸行程信息，并实时将检测到的油缸行程信息传递到PLC控制器21。此时，当PLC控制器根据油缸行程信息判断出动臂下降存在大量能量损失，将启动能量回收。无杆腔油液经三位四通换向阀15，流入三位三通换向阀14，且此时三位三通换向阀14在PLC控制器21控制下左位工作，驱动马达7运行。马达7的旋转一方面带动液压变量泵8，液压变量泵8打出油液经换向阀9和第二单向阀12进入液压蓄能器13；另一方面，马达7的旋转驱动交流发电机6运行，电能储存于超级电容5中。液压蓄能器13和超级电容5中会储存大量能量。

3)当动臂再次抬升时，液压蓄能器13中油液通过三位三通换向阀14，且此时三位三通换向阀14为中位工作，驱动马达7旋转，一方面，该马达驱动液压变量泵8运行，从液压变量泵8打出的油液通过换向阀9和第一单向阀10，且此时换向阀9处于右位，油液进入主泵1出口处。在此过程中流量传感器18将检测到的流量信号传给PLC控制器21，若流量过大动臂液压缸活塞杆的伸缩速度超过设定值时，PLC控制器21发出指令，增大液压变量泵8的斜盘摆角，使液压变量泵提供阻力扭矩变大，从而降低定量马达的转速，进而达到减小油液通过定量马达流量的目的；反之，使流经定量液压马达的液压油流量变大，加快抓钢机工作机构的下放速度；另一方面，马达7的旋转驱动交流发电机6，电能储存于超级电容5中。超级电容5将电流传递给电动机3驱动主泵1运行。

过程中，第三压力传感器20会实时检测能量回收液压系统中液压蓄能器13中的液压信息，并将检测到的液压信息传递给PLC控制器21进行处理，若液压蓄能器13中液压较高且能驱动动臂液压缸活塞杆，则PLC控制器21发出指令使主泵1停止工作让液压蓄能器13输出的能量驱动动臂液压缸。若液压蓄能器13中压力较低且不能驱动动臂液压缸活塞杆，则PLC控制器21发出指令使由发动机驱动的主泵1停止工作，让液压蓄能器13和由电动机驱动的主泵1输出的能量驱动动臂液压缸。随着液压蓄能器能量的释放，液压蓄能器中蕴含的能量降低，在这个过程中第三压力传感器20实时对液压蓄能器13中的液压进行检测，同时实时将检测到的液压信号反馈给PLC控制器21，当PLC控制器21接收到的液压低于设定值时，PLC控制器21会发出指令启动发动机4，增大主泵的输出量以维持动臂液压缸的伸缩速度。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大型抓钢机液压动臂节能系统，包括主泵(1)，马达(7)，液压变量泵(8)，换向阀(9)，液压蓄能器(13)，其特征在于：还包括分动箱(2)，电动机(3)，发动机(4)，超级电容(5)，交流发电机(6)，第一单向阀(10)，电磁控制阀(11)，第二单向阀(12)，三位三通换向阀(14)，三位四通换向阀(15)，动臂液压缸(16)，第一压力传感器(17)，流量传感器(18)，第二压力传感器(19)，第三压力传感器(20)，PLC控制器(21)，行程传感器(22)，第三单向阀(23)和第四单向阀(24)；

所述分动箱(2)分别与所述主泵(1)、所述电动机(3)和所述发动机(4)连接，所述电动机(3)和所述发动机(4)分别通过所述分动箱(2)以驱动所述主泵(1)运行，所述主泵(1)与所述换向阀(9)管道连接，并且在所述主泵(1)与所述换向阀(9)连接的管道上从所述主泵(1)至所述换向阀(9)的方向依次设有所述第三单向阀(23)、所述第二压力传感器(19)和所述第一单向阀(10)，所述换向阀(9)、所述液压变量泵(8)、所述马达(7)、所述三位三通换向阀(14)、所述三位四通换向阀(15)和所述动臂液压缸(16)依次连接，所述马达(7)、所述交流发电机(6)、所述超级电容(5)和所述电动机(3)依次连接，所述换向阀(9)与所述三位三通换向阀(14)管道连接，并且在所述换向阀(9)与所述三位三通换向阀(14)连接的管道上从所述换向阀(9)至所述三位三通换向阀(14)的方向依次设有所述第二单向阀(12)和所述液压蓄能器(13)，所述马达(7)与所述三位四通换向阀(15)管道连接，并且所述马达(7)与所述三位四通换向阀(15)连接的管道上从所述马达(7)至所述三位四通换向阀(15)的方向依次设有第一压力传感器(17)、流量传感器(18)、第四单向阀(24)和电磁控制阀(11)；

所述PLC控制器(21)分别与所述主泵(1)、所述电动机(3)、所述发动机(4)、所述超级电容(5)、所述交流发电机(6)、所述马达(7)、所述液压变量泵(8)、所述换向阀(9)、所述电磁控制阀(11)、所述液压蓄能器(13)、所述三位三通换向阀(14)、所述三位四通换向阀(15)、所述动臂液压缸(16)、所述第一压力传感器(17)、所述流量传感器(18)和所述第二压力传感器(19)功能连接。

2.根据权利要求1所述的一种大型抓钢机液压动臂节能系统，其特征在于：所述主泵(1)、所述液压变量泵(8)、所述三位三通换向阀(14)和所述电磁控制阀(11)分别与油箱连接。

3.根据权利要求2所述的一种大型抓钢机液压动臂节能系统，其特征在于：所述液压蓄能器(13)上设有用于检测所述液压蓄能器(13)液压的第三压力传感器(20)，所述第三压力传感器(20)与所述PLC控制器(21)功能连接。

4.根据权利要求3所述的一种大型抓钢机液压动臂节能系统，其特征在于：所述动臂液压缸(16)的有杆腔设有用于检测动臂液压缸(16)行程的行程传感器(22)，所述行程传感器(22)与所述PLC控制器(21)功能连接。