CN108194437A - 一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，包括能量回收系统和容积调速控制系统；能量回收系统包括蓄能液压缸和蓄能器；蓄能液压缸具有均连接蓄能器的上油腔和下油腔，且上油腔的液压有效面积小于下油腔的液压有效面积；容积调速控制系统包括主液压缸、第一、第二开关阀、第一、第二液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器；主液压缸具有上液腔和下液腔，且上液腔的液压有效面积小于下液腔的液压有效面积；所述下液腔、第一开关阀、第一液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器依次连接；所述上液腔、第二开关阀、第二液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器依次连接。本发明将电力式回收与液压式能量回收相结合，提高能量回收效率，改善系统的速度控制性能。

Description

一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统
技术领域
本发明涉及能量回收及控制系统，特别涉及一种工程设备的势能回收及控制系统。
背景技术
在许多工程机械中，大量的势能在下放过程中被浪费。如液压挖掘机在工作过程中，动臂上下摆动比较频繁,液压挖掘机工作装置重量重、惯性大，为防止动臂液压缸上腔因动臂下降过快而产生吸空，业内一般通过主阀节流来调速，但减速制动时工作装置大量的位能绝大部分在主阀节流口转化为热能，不仅造成了能量浪费，还会导致系统温度上升和液压元器件寿命的降低。
目前，能量回收的研究主要集中于汽车领域，但工程机械领域尤其是液压挖掘机的能量回收研究还处于起步阶段，且一般采用电力式能量回收(以超级电容或蓄电池作为储能元件)，但由于超级电容等电池技术尚未成熟，电力式能量回收的挖掘机迟迟未被市场认可；而采用液压蓄能器作为储能元件的液压式能量回收与电力式能量回收相比减少了能量转换环节，且功率密度高，整体可靠紧凑。
如授权公告号CN202391827U，授权公告日2012.08.22的中国实用新型专利公开了一种用于作业机械的起重臂的升降系统，蓄能液压缸大腔连接蓄能器，小腔与主阀相连。授权公告号为CN 104005440 A的中国发明也是同样的情况。以上方案进行势能回收时，蓄能液压缸下行，大腔中的所有油液都要充到蓄能器中，使得蓄能器的最小工作容积必须大于液压缸大腔的最大容积，因此不利于空间紧凑的行走机械等。而且上述方案仅采用液压式回收，其回收能量不充分或回收效率有待于进一步提高。如随着动臂下放，回收势能的蓄能器压力逐渐升高，能量回收效率也从底到高；此外流量控制阀前后的压差随之逐渐降低，虽然开口一样，但其速度却在逐渐减小，即系统的速度控制性能有待于进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，将电力式回收与液压式能量回收相结合，提高能量回收效率，改善系统的速度控制性能。
本发明是这样实现的：一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，包括液压式能量回收系统和具有电力式能量回收的电机调速的容积控制系统；
所述能量回收系统包括蓄能液压缸和蓄能器；蓄能液压缸具有被第一活塞分隔开的上油腔和下油腔，且上油腔的液压有效面积小于下油腔的液压有效面积，所述上油腔和所述下油腔均连接蓄能器；
所述容积调速控制系统包括主液压缸、第一开关阀、第二开关阀、第一液压泵马达一体机、第二液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器；所述主液压缸具有被第二活塞分隔开的上液腔和下液腔，且上液腔的液压有效面积小于下液腔的液压有效面积；所述下液腔、第一开关阀、第一液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器依次连接；所述上液腔、第二开关阀、第二液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器依次连接。
进一步的，所述能量回收系统还包括第一安全阀、截止阀以及油箱，所述上油腔和所述下油腔还均分别通过第一安全阀、截止阀连接所述油箱。
进一步的，所述能量回收系统还包括压力表，该压力表连接所述蓄能器。
进一步的，所述容积调速控制系统还包括齿轮箱、第一联轴器、第二联轴器以及离合器，所述第一液压泵马达一体机通过所述第一联轴器连接所述齿轮箱，所述第二液压泵马达一体机通过所述离合器连接所述齿轮箱，所述齿轮箱通过所述第二联轴器连接所述发电电动机一体机。
进一步的，所述容积调速控制系统还包括第二安全阀和第三安全阀，所述第二安全阀连接在所述下液腔和油箱之间，所述第三安全阀连接在所述上液腔和油箱之间。
进一步的，所述容积调速控制系统还包括第三开关阀，该第三开关阀连接在所述第一液压泵马达一体机与上油腔、下油腔之间。
本发明具有如下优点：
1、本发明采用液压式能量回收与电力式能量回收并行，利用液压式能量回收的高功率密度和可靠性，以及利用电力式能量回收调速性能，提高系统的回收效率。
2、本发明将蓄能液压缸的小腔大腔以及蓄能器三者相连，当进行势能回收时，仅与蓄能液压缸活塞杆的容积相当的油液充到蓄能器(大腔最大容积与小腔最大容积之差)，减小了蓄能器的工作容积，可以做到结构更为紧凑。
3、传统液压系统一般为阀控系统，在工作过程中存在大量的节流损失，而本发明主回路为电机调速的双泵容积调速系统，避免了节流损失，减小了系统发热，提高系统效率，同时为纯电驱动或油电混合动力提供了条件。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明的势能回收及电机调速的双泵液压节能系统100，包括能量回收系统1和容积调速控制系统2；
所述能量回收系统1包括蓄能液压缸11和蓄能器12，还包括第一安全阀13、截止阀14以及油箱15，还包括压力表16；蓄能液压缸11可以为单杆双作用液压缸，具有被第一活塞113分隔开的上油腔111和下油腔112，且上油腔111的液压有效面积小于下油腔112的液压有效面积，所述上油腔111和所述下油腔112均连接蓄能器12；所述上油腔111和所述下油腔112还均分别通过第一安全阀13、截止阀14连接所述油箱15；所述压力表16连接所述蓄能器12，压力表16用于观察蓄能器12中的压力值。
所述容积调速控制系统2包括主液压缸21、第一开关阀221、第二开关阀222、第一液压泵马达一体机231、第二液压泵马达一体机232、发电电动机一体机24以及变频器25；所述主液压缸21具有被第二活塞213分隔开的上液腔211和下液腔212，且上液腔211的液压有效面积小于下液腔212的液压有效面积；所述下液腔212、第一开关阀221、第一液压泵马达一体机231、发电电动机一体机24以及变频器25依次连接；所述上液腔211、第二开关阀222、第二液压泵马达一体机232、发电电动机一体机24以及变频器25依次连接。其中第一液压泵马达一体机231和第二液压泵马达一体机232兼具液压泵和马达的功能，可以在不同的工况下，分别起到液压泵或马达的功能。
所述容积调速控制系统2还包括齿轮箱26、第一联轴器271、第二联轴器272以及离合器273，所述第一液压泵马达一体机231通过所述第一联轴器271连接所述齿轮箱26，所述第二液压泵马达一体机232通过所述离合器273连接所述齿轮箱26，所述齿轮箱26通过所述第二联轴器272连接所述发电电动机一体机24。
所述容积调速控制系统2还包括第二安全阀281和第三安全阀282，所述第二安全阀281连接在所述下液腔222和油箱29之间，所述第三安全阀连接在所述上液腔221和油箱29之间。需要说明的是，为了节约机构配件，并使结构更为紧凑，可以将油箱15、油箱29合为一个油箱。
所述容积调速控制系统还包括第三开关阀223，该第三开关阀223连接在所述第一液压泵马达一体机231与上油腔111、下油腔112之间。
本发明的工作原理如下：
将负载200承压在所述蓄能液压缸11和主液压缸21上方，其中，蓄能液压缸11和主液压缸21不限于一个，可以有多个，当负载200在最高位置时，蓄能器12中有初始压力，由于蓄能液压缸11下油腔112的液压有效面积大于上油腔111的液压有效面积，虽然压力相同，但下油腔112的产生的向上液压力大于上油腔111产生的向下液压力，因此依然能产生一个上推作用力。
1、蓄能过程：当负载200下行时，蓄能液压缸11中的油液(活塞杆容积，下油腔112排油容积与上油腔111进油容积之差)充至蓄能器12，蓄能器12压力升高，即蓄能液压缸11上下腔压力皆升高，产生一个逐渐增大的上升力(小于负载或基本相当)，储存负载回馈的势能。此时可通过压力表16观察蓄能器12中的压力值。当负载200从最低位置开始上行时，蓄能器放液给大腔(由于蓄能液压缸上下腔液压有效面积不同，大腔所需流量大于小腔输出流量)，同时提供辅助上升力，减少系统所消耗功率。
2、发电过程：当负载200下行时，在液压蓄能器蓄能的同时，发电电动机还进行发电过程，将蓄能器吸收不了的势能通过第一液压泵马达一体机231处于马达工作模式，驱动发电电动机一体机24使其运行于发电模式，回收势能。具体是：即负载200下行时，第一开关阀221、第二开关阀222处于打开状态，第三开关阀223处于关闭状态，主液压缸21的下液腔212的压力油驱动第一液压泵马达一体机231使其处于马达工作状态，通过第一联轴器271和齿轮箱26驱动发电电动机一体机24，使其处于发电状态，实现势能的电力式能量回收。第二液压泵马达一体机232则处于泵状态，将油箱29中的油液送到主液压缸21上液腔221。整个过程通过第二安全阀281和第三安全阀282来保证系统不过载。
3、补油过程：由于液压系统多多少少存在泄漏，为了达到蓄能器12所需要的初始工作压力，可由容积调速系统2的第一液压泵马达一体机231来补油，此时，第一液压泵马达一体机231起到泵的功能。其工作过程如下：离合器273分离，变频器25输入变频电压控制发电电动机一体机24转速驱动通过联轴器273与其相连的齿轮箱26，齿轮箱26一端通过第一联轴器271与第一液压泵马达一体机231相联接，带动第一液压泵马达一体机231供油；此时第一开关阀221、第二开关阀222处于关闭状态，第三开关阀223处于单向导通状态，为蓄能器12充液到初始工作压力。第一安全阀13可以避免能量回收系统过载，截止阀14为能量回收系统1的泄压阀(平时处于常闭状态)。当蓄能器12达到初始工作压力时，关闭发电电动机一体机24和第三开关阀223，离合器273合上。
3、负载复位过程：负载200复位上行时，第一开关阀221、第二开关阀222处于打开状态，第三开关阀223处于关闭状态，主液压缸21的下液腔212压力油驱动第一液压泵马达一体机231使其处于泵工作状态，给下液腔212供油。第二液压泵马达一体机232处于泵或马达状态，将主液压缸21的上液腔211的油液送到油箱29。整个过程通过第二安全阀281和第三安全阀282来保证系统不过载。
另外还需说明的是：在选择参数时，由于主液压缸21运行时，上液腔211和下液腔212的进出油与其相应的有效比例是成比例的，为此，第一液压泵马达一体机231和第二液压泵马达一体机232的输出输入流量也存在比例要求。定义主液压缸21的上液腔211的液压有效面积和下液腔212的液压有效面积之比为RC。则第一液压泵马达一体机231和第二液压泵马达一体机232的输出输入流量比RP与RC基本相等：理想状态下第一液压泵马达一体机231和第二液压泵马达一体机232的排量RP与RC一致，当达不到一致时，可以通过齿轮箱26的传动来补偿，使其输出输入流量基本相等。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，其特征在于：包括能量回收系统和容积调速控制系统；
所述能量回收系统包括蓄能液压缸和蓄能器；蓄能液压缸具有被第一活塞分隔开的上油腔和下油腔，且上油腔的液压有效面积小于下油腔的液压有效面积，所述上油腔和所述下油腔均连接蓄能器；
所述容积调速控制系统包括主液压缸、第一开关阀、第二开关阀、第一液压泵马达一体机、第二液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器；所述主液压缸具有被第二活塞分隔开的上液腔和下液腔，且上液腔的液压有效面积小于下液腔的液压有效面积；所述下液腔、第一开关阀、第一液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器依次连接；所述上液腔、第二开关阀、第二液压泵马达一体机、发电电动机一体机以及变频器依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，其特征在于：所述能量回收系统还包括第一安全阀、截止阀以及油箱，所述上油腔和所述下油腔还均分别通过第一安全阀、截止阀连接所述油箱。
3.根据权利要求1或2所述的一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，其特征在于：所述能量回收系统还包括压力表，该压力表连接所述蓄能器。
4.根据权利要求1所述的一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，其特征在于：所述容积调速控制系统还包括齿轮箱、第一联轴器、第二联轴器以及离合器，所述第一液压泵马达一体机通过所述第一联轴器连接所述齿轮箱，所述第二液压泵马达一体机通过所述离合器连接所述齿轮箱，所述齿轮箱通过所述第二联轴器连接所述发电电动机一体机。
5.根据权利要求1或4所述的一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，其特征在于：所述容积调速控制系统还包括第二安全阀和第三安全阀，所述第二安全阀连接在所述下液腔和油箱之间，所述第三安全阀连接在所述上液腔和油箱之间。
6.根据权利要求1所述的一种势能回收及电机调速的双泵液压节能系统，其特征在于：所述容积调速控制系统还包括第三开关阀，该第三开关阀连接在所述第一液压泵马达一体机与上油腔、下油腔之间。
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