CN108180188A - 一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，包括设在液压缸的无杆腔中的第一压力传感器、设在液压泵/马达的P口的第二压力传感器、设在飞轮上的转速传感器；主换向阀的A口、B口分别与液压缸的无杆腔、有杆腔连接；液压泵/马达的P口分别通过第一、二换向阀与液压缸的无杆腔、有杆腔连接；液压泵/马达的A口与油箱连接；液压泵/马达通过离合器与飞轮连接；第二单向阀的进、出油口分别与油箱、液压泵/马达的P口连接；控制器分别与主换向阀、第一、二换向阀、液压泵/马达、离合器、第一、二压力传感器、转速传感器和操纵手柄连接。该系统能将动臂的势能高效地转化为机械能存储，且能高效地进行储能的再利用。

Description

一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统
技术领域
本发明属于液压控制技术领域，具体是一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统。
背景技术
大型工程机械设备的臂架具有很大的质量。以挖掘机为例，工作过程中，动臂升降动作频繁，又由于工作装置和负载质量大，在下降过程中会释放出大量的势能。该能量绝大部分消耗在主液压阀节流口并转换为热能，这造成了能量的浪费和系统的发热，同时，也降低了液压元件的寿命。因此，研究动臂势能回收与再利用问题，对延长设备使用寿命，提高能量利用率具有重要意义。
目前，工程机械的动臂势能回收方式主要有电力式和液压式。电力式主要采用液压马达、发电机为能量转化元件，蓄电池和超级电容为储能元件，以实现能量的转换和回收。但是动臂下降过程的时间非常短(3～6s)，能量大，所以功率很大。现有技术的蓄电池难以承受如此大的充电功率。而超级电容价格极为昂贵，且其占用空间大，因此电力式回收的实用性不强。液压式能量回收系统以蓄能器为储能元件。其工作原理为，当回收系统重力势能时，以高压油液的压力能的形式储存于液压蓄能器中，当系统中需要用能时，储存的油液释放出来进入液压系统工作。液压式回收方案利用了蓄能器功率密度大，能吸收压力冲击等优点，但因蓄能器储存能量的密度低，如果需要储存较多能量时会需要较大体积的蓄能器，进而会占用较大的空间，且蓄能器的安装也非常不方便。此外，蓄能器的压力会随着存储油液的增多而上升，对臂架的下落速度造成影响。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，该系统在动臂下放过程中，能将动臂的势能转化为飞轮旋转的机械能，并能进行存储，从而能避免因转化为油液热能造成的能量浪费和液压元器件升温的现象；另外，当动臂需要提升时，飞轮旋转的机械能可以转化为油液的压力进而能使动臂提升，能减少原动机的功率需求，该系统具有显著的节能效果。
为了实现上述目的，本发明提供一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，包括油源、主换向阀、液压缸、液压泵/马达、飞轮、第二单向阀、操纵手柄、控制器、设置在液压缸的无杆腔中的第一压力传感器、设置在液压泵/马达的P口的第二压力传感器、设置在飞轮上的转速传感器；所述油源通过第一单向阀与主换向阀的P口连接，主换向阀的A口、B口分别通过管路与液压缸的无杆腔、有杆腔连接；主换向阀的T口通过管路与油箱连接；
所述液压泵/马达的P口分别通过第一换向阀、第二换向阀与液压缸的无杆腔、有杆腔连接；液压泵/马达的A口通过管路与油箱连接；液压泵/马达输出轴通过离合器与所述飞轮的飞轮轴连接；
所述第二单向阀的进油口通过管路与油箱连接，第二单向阀的出油口通过管路与液压泵/马达的P口连接；
所述控制器分别与主换向阀、第一换向阀、第二换向阀、液压泵/马达、离合器、第一压力传感器、第二压力传感器、转速传感器和操纵手柄连接。
在该技术方案中，通过使液压泵/马达与飞轮连接，并通过使液压泵/马达的P口分别通过第一换向阀、第二换向阀与液压的无杆腔、有杆腔连接，能在动臂下降的过程中，通过液压泵/马达进行能量的转化并存储于飞轮中。由于液压泵/马达的功率密度大，飞轮储能能量密度大，因而本方案储存的能量较多，能有效提高能量转化的效率，避免了动臂下降过程中能量的浪费。同时，本方案还能再次将储存的能量反馈于液压系统中。动臂需要提升时，飞轮驱动液压泵/马达能使储存的机械能变成压力能的形式高效率的补充到液压系统中，以作用于动臂提升的过程。通过控制器控制离合器的接入或断开来控制充能或放能过程，能更便捷、高效地控制能量的转化或再利用过程。该系统结构简单，易于实现，能减少原动机的功率需求，具有显著的节能效果。
进一步，为了保证液压泵/马达的P口的压力在一定范围内，液压泵/马达的P口通过溢流阀与油箱连接，所述溢流阀的压力高于油源的最高工作压力。
进一步，为了方便改变输出传动比以及飞轮的旋转方向，所述液压泵/马达和离合器之间还连接有变速器，所述变速器与控制器连接。
作为一种优选，第一换向阀为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。
作为一种优选，第二换向阀为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。
作为一种优选，主换向阀为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y1b得电后工作在左位，其电磁铁Y1a得电后工作在右位，其不加电时工作在中位,工作在左位时，其P口和A口之间的油路连接，其T口和B口之间的油路连通；工作在右位时，其P口和B口之间的油路连接，其T口和A口之间的油路连通；工作在中位时，其P口和A口之间的油路断开，其T口和B口之间的油路连通。
附图说明
图1是本发明的电液控制系统的原理图；
图2是本发明中所涉及的仅在主换向阀的控制下，动臂下放时的简化示意图；
图3是本发明中当液压泵或液压马达进行能量回收时的简化示意图；
图4是本发明中所涉及的动臂仅在主换向阀的控制下做提升运动时的简化示意图；
图5是本发明中所涉及的动臂在主换向阀和泵/马达共同作用下做提升运动时的简化示意图；
图6是本发明中所涉及的动臂在增力挖掘动作时的简化示意图；
图7是现有工程机械动臂和液压缸的装配结构示意图。
图中：1、油源，2、第一单向阀，3、主换向阀，4、液压缸，5、油箱，6、液压泵/马达，7、第一换向阀，8、飞轮，9、离合器，10、溢流阀，11、第二单向阀，12、第一压力传感器，13、第二压力传感器，14、转速传感器，15、控制器，16、操纵手柄，17、第二换向阀，18、变速器，100、动臂，200、转台。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
图7为现有工程机械中动臂100和液压缸4的装配图，其中动臂100的端部铰接在转台200上，液压缸4的底座铰接在转台200上，液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。
如图1所示，一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，包括油源1、主换向阀3、液压缸4、液压泵/马达6、飞轮8、第二单向阀11、操纵手柄16、控制器15、设置在液压缸4的无杆腔中的第一压力传感器12、设置在液压泵/马达6的P口的第二压力传感器13、设置在飞轮8上的转速传感器14；所述油源1通过第一单向阀2与主换向阀3的P口连接，主换向阀3的A口、B口分别通过管路与液压缸4的无杆腔、有杆腔连接；主换向阀3的T口通过管路与油箱5连接；第一单向阀2保证油液单向至主换向阀3单向流量，反向阻止油液的流动。所述的主换向阀3为电磁阀，可以通过电磁铁的得电情况控制油液的流动方向，进而控制所述液压缸的伸缩运动。优选主换向阀3为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y1b得电后工作在左位，其电磁铁Y1a得电后工作在右位，其不加电时工作在中位,工作在左位时，其P口和A口之间的油路连接，其T口和B口之间的油路连通；工作在右位时，其P口和B口之间的油路连接，其T口和A口之间的油路连通；工作在中位时，其P口和A口之间的油路断开，其T口和B口之间的油路连通。所述的液压缸4作为执行机构，通过自身活塞杆的伸缩运动控制挖掘机的动臂做下降和提升运动。所述的油箱5为系统的油液提供存储空间。所述的液压泵/马达6作为能量转化元件，可以根据工况需要工作在液压泵工况或马达工况，在其传动轴的旋转方向一定的情况下，可以通过调整斜盘角度，改变两个油口的进油和出油方向。其排量的大小可以通过控制器15输出的电信号调整。没有控制信号输入的情况下，液压泵/马达6的排量为零。
所述的第一压力传感器12可以测量液压缸4的无杆腔的压力，并以电信号的形式送至控制器15。所述的第二压力传感器13用于测量P口的压力，并以电信号的形式送至控制器15。所述的转速传感器14用于测量所述的飞轮8的转速，并以电信号的形式送至控制器15。
油源1为液压系统提供液压能源，一般为液压泵和原动机(电动机、发动机等)组成。
所述液压泵/马达6的P口分别通过第一换向阀7、第二换向阀17与液压缸4的无杆腔、有杆腔连接；液压泵/马达6的A口通过管路与油箱5连接；液压泵/马达6输出轴通过离合器9与所述飞轮8的飞轮轴连接；所述的飞轮8为盘形质量块，可以为金属材质、碳纤维或其他复合材质，其具有较大的转动惯量，作为系统的储能元件，当其旋转时，可以储存一定的能量。所述的离合器9可以根据控制器15的控制信号接合或断开液压泵/马达6和飞轮15的连接。
所述第二单向阀11的进油口通过管路与油箱5连接，第二单向阀11的出油口通过管路与液压泵/马达6的P口连接；
所述控制器15分别与主换向阀3、第一换向阀7、第二换向阀17、液压泵/马达6、离合器9、第一压力传感器12、第二压力传感器13、转速传感器14和操纵手柄16连接。所述的操纵手柄16作为操纵人员的信号输入装置，控制液压缸4的运动。所述的操纵手柄16上集成了至少一个功能按钮。在本专利中用于挖掘机的增力功能。所述的第一换向阀7为在系统的流量较大时，可以使用电液换向阀。控制器15的作用是收集各个传感器的信号，并控制各个电磁阀、液压泵/马达6和离合器9。
液压泵/马达6的P口通过溢流阀10与油箱5连接。当液压泵/马达6的P口压力达到溢流阀10的设定值时，溢流阀10将液压泵/马达6的P口与油箱5连通，保证P口压力在一定的范围内。所述溢流阀10的压力设定值高于油源1的最高工作压力。
为了方便改变输出传动比以及飞轮的旋转方向，所述液压泵/马达6和离合器9之间还连接有变速器18，所述变速器18与控制器15连接，控制器15可以方便地控制变速器18传动比的改变。当飞轮8的重量较小时，变速器18选用增速型，从而能使飞轮8能在同样条件下达到更高的转速，从而能储存更多的能量。当飞轮8的重量较大时，变速器18选用减速型，从而使飞轮8运转在低速状态下，以储存更多的能量。同时，变速器8还可以根据需要改变飞轮8的旋转方向，更便于能量的回收。作为优选，飞轮8采用重量较小的飞轮，而变速器18采用增速型变速器，以能使装置整体的重量较轻，体积也较小。
第一换向阀7为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。
第二换向阀17为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。所述的第二单向阀11作为补油阀。当液压泵/马达6的P口压力低于油箱5的压力时，油箱5内的油液经所述的第二单向阀11进入液压泵/马达6的P口，以防止吸空和气蚀。所述的第二换向阀17为在系统的流量较大时，也可以使用电液换向阀代替。
工作原理：
一、初始阶段：
此时液压缸4的活塞缸已经伸出。当操作人员通过操纵手柄16控制动臂下放时，控制器15接收到操纵手柄16的控制信号，控制主换向阀3的电磁铁Y1a得电，其P口到B口逐渐连通，A到T口逐渐连通。油源1的油液经第一单向阀2和主换向阀3的右位，进入液压缸4的有杆腔。液压缸4的无杆腔内的油液经主换向阀3的右位流回油箱5。故液压缸4的活塞杆缩回，动臂下降。此时完全由主换向阀3控制系统的流量，因其开口较小，液压缸4的运动速度较慢。如图2所示。
二、能量回收阶段：
如果操纵手柄16的摆角继续增大，控制器15给主换向阀3的控制电流继续增大，故主换向阀3的阀口继续增大。当主换向阀3的控制电流超过一定值后，控制器15发出控制信号，使第一换向阀7和第二换向阀17得电，离合器9吸合，同时将液压泵/马达6的排量调整变大，此时系统的原理简化为图3所示。液压缸4的活塞杆在动臂的重力作用下缩回，无杆腔排油，有杆腔进油。因为无杆腔排出的油液多于有杆腔进入的油液，多余的油液经液压泵/马达6流回油箱。液压泵/马达6此时作为液压马达，驱动飞轮8加速，将液压能转化为飞轮8的机械能。液压泵/马达6的排量越大，经过的流量也越多，其驱动飞轮8的扭矩越大，回收的能量也就越多。此时，仍然有一部分流量从主换向阀3的A口到T口流回油箱，但是比例较小，大部分流量经液压泵/马达6流回油箱5。此时的液压缸4的无杆腔流量较大，故运动速度较快。
控制器15可以根据转速传感器14的信号，判断飞轮8的充能情况。如果飞轮8的加速度较小，说明其转速增加很慢。这时需要控制器15逐渐增加液压泵/马达6的排量，并控制变速器18的传动比变小，使飞轮8继续加速，存储更多的能量。总体来说，就是维持飞轮8有一定的稳定的加速度。
当控制器15检测到操纵手柄16摆角变小时，控制器15减小主换向阀3的控制电流以减小其阀口大小。同时，控制器15将液压泵/马达6的排量继续减小。液压泵/马达6的排量减小，对于维持飞轮8一定的加速度而言其需要的压力就会增加，这可以减小液压缸4无杆腔油液流出的流量，从而减小了液压缸4的运动速度。当控制电流减小到一定值后，控制离合器9断开液压泵/马达6和飞轮8的连接，同时第一换向阀7和第二换向阀17失电。液压泵/马达6将会在自身惯性的作用下继续旋转一段时间，此时为液压泵工况，油箱5的内的油液经第二单向阀11进入液压泵/马达6的P口，最后再流回油箱5。因为自身的惯量很小，液压泵/马达6会很快停止转动。离合器9断开连接后，因自身惯量较大，飞轮8将会继续旋转。
以上过程中，液压缸4的活塞杆缩回，故动臂下降。
如果操纵手柄16的摆角继续减小，控制器15继续减小主换向阀3的控制电流，直到主换向阀3的阀口完全关闭。
三、动臂提升过程：
结合图4，当操作人员通过操纵手柄16控制动臂提升时，控制器15首先使主换向阀3的电磁铁Y1b得电，油源1的高油液经主换向阀3的左位进入液压缸4的无杆腔。液压缸4的有杆腔的油液经主换向阀3的B到T口流回油箱5。故液压缸4的活塞杆伸出，动臂提升。此时完全由主换向阀3控制系统的流量，因其开口较小，液压缸4的运动速度较慢。
四、能量再利用过程：
结合图5，此时需要飞轮8释放一部分能量，以高压油液的形式输出。再加上油源1的高压油液，一起推动液压缸4运动。当控制器15给主换向阀3的电流超过一定值后，控制器15控制第一换向阀7得电，同时离合器9吸合，使飞轮8与液压泵/马达6的轴连接在一起。此时的液压泵/马达6在飞轮的带动下旋转，工作在泵工况，A口变成吸油口，P口变成高压油口。液压泵/马达6排出的油液经第一换向阀7的右位，进入液压缸4的无杆腔，使液压缸4的活塞杆伸出。为了保证液压缸4运行速度平稳改变，控制器15控制液压泵/马达6的排量从小到大均匀变化。液压缸4的有杆腔的油液，经主换向阀3的左位A口到T口，排回油箱5。
控制器15可以根据转速传感器14的信号，判断飞轮8的能量释放情况。如果飞轮8的减速度较小，说明其转速减小很慢。这时需要控制器15逐渐增大液压泵/马达6的排量，使飞轮8较快地减速，释放更多的能量。如果液压泵/马达6的排量已经最大仍无法满足流量需求，控制器15可以调整变速器18的传动比，进一步增加液压泵/马达6的转速，从而增大其流量。从而，液压泵/马达6可以排出更多的油液，驱动液压缸4以更快的速度运动。
当控制器15检测到操纵手柄16摆角减小时，控制器15减小主换向阀3的控制电流以减小其阀口大小。同时，控制器15将液压泵/马达6的排量继续减小。液压泵/马达6的排量减小，这可以减小进入液压缸4无杆腔的流量，从而减小了液压缸4的运动速度。当控制电流减小到一定值后，控制离合器9断开液压泵/马达6和飞轮8的连接，同时第一换向阀7失电。液压泵/马达6停止对液压缸4的无杆腔供油。但是液压泵/马达6将会在自身惯性的作用下继续旋转一段时间，此时为仍为液压泵工况，油箱5的内的油液从液压泵/马达6的A口吸入然后P口排出，最后经溢流阀10流回油箱。因为自身的惯量很小，液压泵/马达6会很快停止转动。离合器9断开连接后，因自身惯量较大，飞轮8将会继续旋转，但是此时的旋转速度已经很低。
以上过程中，液压缸4的活塞杆伸出，故动臂提升。
如果操纵手柄16的摆角继续减小，控制器15继续减小主换向阀3的控制电流，直到主换向阀3的阀口完全关闭。
五、挖掘机增力工况：
结合图6，当动臂下降到接触地面或硬岩时，可能遇到挖掘机力不够的情况。此时的工况是，主换向阀3电磁铁Y1a得电，工作在右位，动臂液压缸4的有杆腔进油，但是液压缸4的回缩力(油源的最大工作压力乘以有杆腔面积)不足以克服负载的阻力。此时，操作人员按下操纵手柄16上的功能按钮，控制器15使第二换向阀17得电，调整液压泵/马达6工作在泵工况的一个较小排量，然后使离合器9接合。液压泵/马达6在飞轮8的作用下从P口排出高压油液，经第二换向阀17进入液压缸4的有杆腔。因为溢流阀10的设定压力高于油源的最高压力，故液压缸4可以带动动臂产生更大的挖掘力。此为增力工况。
如果变速器18可以改变轴的旋转方向，那么当前方案中的变量液压泵/马达6可以更换成定量的液压泵/马达6，可以降低成本。除了不能调整排量外，其余的工作原理基本一致。

Claims (6)

1.一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，包括油源(1)、主换向阀(3)、液压缸(4)和操纵手柄(16)，所述油源(1)通过第一单向阀(2)与主换向阀(3)的P口连接，主换向阀(3)的A口、B口分别通过管路与液压缸(4)的无杆腔、有杆腔连接；主换向阀(3)的T口通过管路与油箱(5)连接；
其特征在于，还包括液压泵/马达(6)、飞轮(8)、第二单向阀(11)、控制器(15)、设置在液压缸(4)的无杆腔中的第一压力传感器(12)、设置在液压泵/马达(6)的P口的第二压力传感器(13)、设置在飞轮(8)上的转速传感器(14)；
所述液压泵/马达(6)的P口分别通过第一换向阀(7)、第二换向阀(17)与液压缸(4)的无杆腔、有杆腔连接；液压泵/马达(6)的A口通过管路与油箱(5)连接；液压泵/马达(6)输出轴通过离合器(9)与所述飞轮(8)的飞轮轴连接；
所述第二单向阀(11)的进油口通过管路与油箱(5)连接，第二单向阀(11)的出油口通过管路与液压泵/马达(6)的P口连接；
所述控制器(15)分别与主换向阀(3)、第一换向阀(7)、第二换向阀(17)、液压泵/马达(6)、离合器(9)、第一压力传感器(12)、第二压力传感器(13)、转速传感器(14)和操纵手柄(16)连接。
2.根据权利要求1所述的一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，其特征在于，液压泵/马达(6)的P口通过溢流阀(10)与油箱(5)连接，所述溢流阀(10)的压力高于油源(1)的最高工作压力。
3.根据权利要求1或2所述的一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，其特征在于，所述液压泵/马达(6)和离合器(9)之间还连接有变速器(18)，所述变速器(18)与控制器(15)连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，其特征在于，第一换向阀(7)为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。
5.根据权利要求4所述的一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，其特征在于，第二换向阀(17)为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。
6.根据权利要求5所述的一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，其特征在于，主换向阀(3)为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y1b得电后工作在左位，其电磁铁Y1a得电后工作在右位，其不加电时工作在中位,工作在左位时，其P口和A口之间的油路连接，其T口和B口之间的油路连通；工作在右位时，其P口和B口之间的油路连接，其T口和A口之间的油路连通；工作在中位时，其P口和A口之间的油路断开，其T口和B口之间的油路连通。
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