CN108223499A - 一种电机直驱式动臂能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机直驱式动臂能量回收系统，平衡油缸与原驱动油缸机械并联连接，并通过力在动臂上耦合。平衡油缸活塞与电动‑发电机通过直线转旋转运动副相连。平衡油缸筒与电动‑发电机相对位置保持不变。当动臂下降时，平衡油缸活塞带动运动副运动，运动副驱动电动‑发电机将动臂的势能和动能转换成电能存储在储能单元中；当动臂上升时，电动‑发电机从储能单元中汲取电能驱动运动副旋转带动平衡缸的活塞上升，平衡部分动臂和负载重量与原驱动油缸共同驱动动臂上升，以此来减小液压泵的输出能量。通过调整电动‑发电机的转速可以控制动臂上升和下降的速度，使动臂的运动速度可控。该系统在对动臂势能进行回收和再利用时，可保证动臂运动的操控性。

Description

一种电机直驱式动臂能量回收系统

技术领域

本发明专利涉及一种能量回收系统，尤其是一种电机直驱式动臂能量回收系统。

背景技术

随着人类社会、经济的发展，全球性的环境恶化和能源紧缺等问题日益凸显。为有效扼制该类问题，众多国际组织、机构均对发动机尾气的排放提出了严格的限制法规，并倡导开发与推广节能技术、新能源技术。在这种大环境下，量大面广但效率低下的工程机械引起了工业界与学术界的高度关注。液压挖掘机作为一种典型的工程机械机种，被广泛应用于建筑、煤矿以及水利等领域。但是，挖掘机的效率普遍偏低，因此，国内外针对挖掘机的节能技术开展了大量的研究工作。其中，动臂的能量回收是一种典型的节能方案。

当前对于液压挖掘机动臂势能的回收，主要分为电气式和液压式两种。电气式能量回收是在动臂油缸的无杆腔通过液压马达-发电机将液压能转化成电能实现，而动臂下放的速度通过液压马达-发电机和比例换向阀复合控制实现。虽然目前在操控性得到了较好的解决，但是能量的再利用与能量的回收不是同一条途径，所有动臂能量需经过从势能-驱动油缸-液压控制阀-液压马达-发电机-电池/电容-电动机-液压泵-液压控制阀-驱动油缸等的多次能量转化环节方可实现动臂能量的回收和再利用，该过程能量转换环节较多，影响了系统的能量的利用效率。液压式能量回收是另一种能量回收系统，它是以液压蓄能器作为能量储能单元，因液压蓄能器具有功率密度大，回收/释放能量速度快和能量储存时间长等优点而成为研究焦点，且采用蓄能器作为能量储能单元的能量回收系统成本较低。但采用液压蓄能器的能量回收系统仍存在以下不足：1)只有当外部压力高于液压蓄能器内部压力时，能量回收系统才能工作；且只有当蓄能器内压力高于其外部压力时才能实现能量再利用。2)在回收过程中，液压蓄能器的压力将逐渐升高，会导致执行器速度控制阀两端的压差发生变化，这必然会影响执行器的操控性。3)在能量再利用时，由于蓄能器内部压力高于外部压力才能释放，而在释放的过程中，蓄能器的内部压力将逐渐减小，为有效控制蓄能器的释放压力，需在蓄能器出口外加控制阀来匹配压力，这势必会造成能量的再利用率降低。目前也有采用平衡油缸来回收动臂势能的方案，由于平衡油缸的运动为直线运动，而电气式能量回收的主要元件为电机，只能通过平衡油缸-发电机-电能储能单元的方法，但动臂势能回收和再利用必须经过能量的多次转换，降低了能量回收和再利用效率。因此一般对有平衡单元的动臂进行能量回收时，一般采用液压蓄能器作为能量储能单元，这必然存在利用蓄能器后存在的上述不足。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种动臂势能回收和再利用一体化的动臂能量回收系统，尤其是一种电机直驱式动臂能量回收系统。

为实现上述目的，本发明专利采用如下技术方案：一种电机直驱式动臂能量回收系统，包括：电动机、液压泵、溢流阀、多路阀、控制器、动臂先导控制手柄、原驱动油缸、平衡油缸、直线转旋转运动副、电动-发电机、电动-发电机控制器、电动机控制器以及储能单元；

液压泵与电动机同轴连接并受其驱动，液压泵的出口与溢流阀的入口和多路阀的P口相连，同时液压泵的出口压力信号输入到控制器中；多路阀的T口连油箱，A口与原驱动油缸和平衡油缸的无杆腔相连，B口与原驱动油缸和平衡油缸的有杆腔相连；多路阀的左右控制油路信号由控制器提供；多路阀A口和B口的压力信号输入到控制器中；多路阀的C口连油箱；

平衡油缸与原驱动油缸机械并联连接，并通过力在动臂上耦合；平衡油缸活塞与直线转旋转运动副机械相连；直线转旋转运动副与电动-发电机机械相连；平衡油缸筒与电动-发电机的相对位置保持不变；

电动-发电机与电动-发电机控制器相连，电动-发电机控制器与储能单元相连；电动-发电机控制器与控制器相连，由控制器向电动-发电机发布控制指令；动臂先导控制手柄的输出信号输入到控制器中，实现动臂的上升下放。

在一较佳实施例中：当动臂先导控制手柄处于表征动臂下放位置时，控制器输出信号使多路阀右侧的控制油路接高压油，多路阀处于右位工作状态，使其油口P与B口相通，油口A与油口T相通；控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油进入到动臂原驱动油缸和平衡油缸的上腔，动臂原驱动油缸和平衡油缸的下腔通过多路阀的油口A回油箱，动臂下降；平衡油缸活塞带动直线转旋转运动副向下运动，此时控制器向电动-发电机控制器发布转速控制指令，控制电动-发电机的转速进而控制动臂的下放速度，由于电动-发电机的转速方向与转矩方向相反，从而带动电动-发电机处于发电状态，将动臂的重力势能转换成电能存储在储能单元11中。

在一较佳实施例中：当动臂先导控制手柄处于表征动臂上升位置时，控制器输出信号使多路阀4左侧控制油路接高压油，使多路阀处于左位工作，使其油口P与油口A相通，油口T和油口B相通，控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油进入到动臂原驱动油缸和平衡油缸的下腔，驱动动臂上升；动臂原驱动油缸和平衡油缸的上腔通过多路阀的油口B回油箱；此时控制器向电动-发电机控制器发布转速控制指令，控制电动-发电机的转速进而带动直线转旋转运动副向上运动驱动平衡油缸活塞上升从而控制动臂上升的速度，由于电动-发电机的转速方向与转矩方向相同，电动-发电机从储能单元中汲取能量转化为动臂势能、动能实现回收能再利用。

在一较佳实施例中：当动臂处于挖掘模式时，多路阀的油口P与B相通，油口A与油口T相通；控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油进入到动臂原驱动油缸和平衡油缸的上腔即有杆腔，动臂原驱动油缸和平衡油缸的下腔即无杆腔通过多路阀的油口A回油箱，动臂下降；平衡油缸活塞带动直线转旋转运动副向下运动，此时控制器向电动-发电机控制器发布转矩控制指令，控制电动-发电机的转矩进而控制动臂的挖掘力，由于电动-发电机的转速方向与转矩方向相同，从而带动电动-发电机处于电动状态，将存储在储能单元中的电能转换成机械能进行输出。

采用上述技术方案，本发明专利具有以下有益效果：

本发明利用平衡油缸来分担原驱动油缸单独承担动臂作用力，相当于原驱动油缸驱动一个较小的负载，这样就降低了液压泵的功率输出，从而有利于降低能量消耗；同时利用直线转旋转运动副和电动-发电机作为能量转换部件，将动臂的势能、动能转化为电能进行存储或将电能直接转换成机械能驱动平衡缸活塞运动带动动臂上升。通过控制电动-发电机的转速即可控制动臂的下放、上升速度。该系统避免了传统电气式能量回收系统能量回收和再利用转换环节多造成能量利用率低的不足之处。同时，不存在液压式储能中液压蓄能器中储存的能量释放过程不受控制的弊端。当处于挖掘工况时，由于此时动臂油缸的位移很小，即所需流量小但压力大，此时可以通过控制电动-发电机的转矩驱动平衡缸驱动负载运动，从而可以使电动机低速运行为原驱动油缸和平衡油缸补油，进而降低能量消耗。平衡油缸与电动-发电机的加入，不仅能对动臂势能进行回收和再利用，且在此过程中，原动臂的操控性不变。

附图说明

图1是一种电机直驱式动臂能量回收系统在动臂下降时进行能量回收时的系统结构图；

图2是一种电机直驱式动臂能量回收系统在动臂上升时进行能量再利用时的系统结构图；

图3是一种电机直驱式动臂能量回收系统在动臂挖掘时进行能量回收时的系统结构图；

图中标示对应如下：

1-电动机；2-液压泵；3-溢流阀；4-多路阀；5-控制器；6-原驱动油缸；7-平衡油缸；8-直线转旋转运动副；9-电动-发电机；10-电动-发电机控制器；11-储能单元；12-电动机控制器；13-动臂先导控制手柄

A、B、C、P、T分别表示换向阀的各个工作油口

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明专利作进一步说明。

参考图1，一种电机直驱式动臂能量回收系统，包括：电动机1、液压泵2、溢流阀3、多路阀4、控制器5、动臂先导控制手柄13、原驱动油缸6、平衡油缸7、直线转旋转运动副8、电动-发电机9、电动-发电机控制器10、电动机控制器12以及储能单元11；

液压泵2与电动-发电机1同轴连接并受其驱动，液压泵2的出口与溢流阀3的入口和多路阀4的P口相连，同时液压泵2的出口压力信号输入到控制器5中；多路阀4的T口连油箱，A口与原驱动油缸6和平衡油缸7的无杆腔相连，B口与原驱动油缸6和平衡油缸7的有杆腔相连；多路阀4的左右控制油路信号由控制器5提供；多路阀4的A口和B口的压力信号输入到控制器5中；多路阀4的C口连油箱；

平衡油缸7与原驱动油缸6机械并联连接，并通过力在动臂上耦合；平衡油缸7活塞与直线转旋转运动副8机械相连；直线转旋转运动副8与电动-发电机9机械相连；平衡油缸与电动-发电机9的相对位置保持不变；

电动-发电机9与电动-发电机控制器10相连，电动-发电机控制器10与储能单元11相连；电动-发电机控制器10与控制器5相连，由控制器5向电动-发电机9发布控制指令；动臂先导控制手柄13的输出信号输入到控制器5中，实现动臂的上升下放。

下面根据上述的电机直驱式动臂能量回收系统的不同工作阶段作进一步说明。

当动臂先导控制手柄处于中位时，图示多路阀处于摘要附图所示位置。

(1)动臂下降能量回收：

当动臂先导控制手柄13处于表征动臂下放位置时，此时控制器5输出信号使多路阀4右侧控制油路接高压油，使多路阀4处于右位工作，此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通。控制器5向电动机控制器12发布转速控制指令，电动机1带动液压泵2输出的液压油进入到动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的上腔即有杆腔，动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的下腔即无杆腔通过多路阀的油口A回油箱，动臂下降；平衡油缸7活塞带动直线转旋转运动副8向下运动，此时控制器5向电动-发电机控制器10发布转速控制指令，控制电动-发电机9的转速进而控制动臂的下放速度，由于电动-发电机9的转速方向与转矩方向相反，从而带动电动-发电机9处于发电状态，将动臂的重力势能转换成电能存储在储能单元11中。与原驱动系统相比，由于平衡油缸7和电动-发电机9的存在，通过调整电动-发电机9的转速，可以控制平衡油缸7活塞的运行速度，进而实现对动臂的下放速度的控制，避免了原驱动油缸6在下放过程中，为避免动臂过快下放，而设置的背压，因而降低了原驱动系统的节流损失；同时与利用蓄能器回收重力势能的系统相比，不会出现由于动臂的下降，蓄能器中的压力逐渐升高，从而影响动臂的下放的情况出现。

(2)动臂上升能量再利用：

当动臂先导控制手柄13处于表征动臂上升位置时，此时控制器5输出信号使多路阀4左侧控制油路接高压油，使多路阀4处于左位工作，使其油口P与油口A相通，油口T和油口B相通，控制器5向电动机控制器12发布转速控制指令，电动机1带动液压泵2输出的液压油进入到动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的下腔即无杆腔，驱动动臂上升。动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的上腔即有杆腔通过多路阀的油口B回油箱；此时控制器5向电动-发电机控制器10发布转速控制指令，控制电动-发电机9的转速进而带动直线转旋转运动副8向上运动驱动平衡油缸7活塞上升从而控制动臂上升的速度，由于电动-发电机9的转速方向与转矩方向相同，电动-发电机9从储能单元11中汲取能量转化为动臂势能、动能实现回收能再利用。

由于原驱动油缸6与平衡油缸7机械并联，在动臂上通过力耦合，因此相当于原驱动油缸6驱动一个较小的负载；原驱动油缸6与平衡油缸7按照其有效作用面积及压力来分配所承担的对比重量。由于平衡油缸7平衡了一部分动臂重力，因此原驱动油缸6所需要的驱动力减小，液压泵2可以输出较低的功率。通过平衡油缸、直线转旋转运动副以及电动-发电机，可以降低系统的输出功率，降低能量损耗，实现了动臂势能的再利用。

在动臂能量再利用过程中，能量的释放过程与能量的回收是同一通道，从而减少了能量转换环节，简化了系统结构，提高了能量的利用率。

(3)挖掘能量再利用：

当挖掘机处于挖掘模式时，动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的活塞的位移很小，但是需要原驱动油缸6和平衡油缸7上腔具有较大的压力来产生足够的挖掘力，在原挖掘机系统中，当处于挖掘模式时，为提供大驱动力，大量的液压油需要经溢流阀3回油箱，造成很大的溢流能量损失。

在本发明所示的系统中，控制器5输出信号使多路阀4处于右位工作，此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通。控制器5向电动机控制器12发布转速控制指令，电动机1带动液压泵2输出的液压油进入到动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的上腔进行补油，动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的下腔通过多路阀的油口A回油箱。此时控制器5向电动-发电机控制器10发布转矩控制指令，控制电动-发电机9的转矩带动直线转旋转运动副8下放，从而带动平衡油缸活塞产生下降的驱动力使动臂向下挖掘。由于电动-发电机9的转速方向与转矩方向相同，电动-发电机9从储能单元11中汲取能量转化为动臂挖掘的驱动力实现能量再利用。

在挖掘模式时，由于平衡油缸7提供了挖掘所需的作用力，使液压泵2仅需对原动臂驱动油缸6和平衡油缸7的上腔进行补油，避免了大量的溢流损失，提高了能量的利用率。并且在此过程中，储存在储能单元11中的电能释放通道与能量回收通道以及动臂上升时的能量再利用通道一致，减少了能量转换环节，简化了系统结构。

以上所述仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明的技术范围，故凡依本发明的技术实质及说明书内容所作的等效变化与修饰，均应属本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种电机直驱式动臂能量回收系统，其特征在于包括：电动机、液压泵、溢流阀、多路阀、控制器、动臂先导控制手柄、原驱动油缸、平衡油缸、直线转旋转运动副、电动-发电机、电动-发电机控制器、电动机控制器以及储能单元；

液压泵与电动机同轴连接并受其驱动，液压泵的出口与溢流阀的入口和多路阀的P口相连，同时液压泵的出口压力信号输入到控制器中；多路阀的T口连油箱，A口与原驱动油缸和平衡油缸的无杆腔相连，B口与原驱动油缸和平衡油缸的有杆腔相连；多路阀的左右控制油路信号由控制器提供；多路阀A口和B口的压力信号输入到控制器中；多路阀的C口连油箱；

平衡油缸与原驱动油缸机械并联连接，并通过力在动臂上耦合；平衡油缸活塞与直线转旋转运动副机械相连；直线转旋转运动副与电动-发电机机械相连；平衡油缸筒与电动-发电机的相对位置保持不变；

电动-发电机与电动-发电机控制器相连，电动-发电机控制器与储能单元相连；电动-发电机控制器与控制器相连，由控制器向电动-发电机发布控制指令；动臂先导控制手柄的输出信号输入到控制器中，实现动臂的上升下放。

2.根据权利要求1所述的一种电机直驱式动臂能量回收系统，其特征在于：当动臂先导控制手柄处于表征动臂下放位置时，控制器输出信号使多路阀右侧的控制油路接高压油，多路阀处于右位工作状态，使其油口P与B口相通，油口A与油口T相通；控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油进入到动臂原驱动油缸和平衡油缸的上腔，动臂原驱动油缸和平衡油缸的下腔通过多路阀的油口A回油箱，动臂下降；平衡油缸活塞带动直线转旋转运动副向下运动，此时控制器向电动-发电机控制器发布转速控制指令，控制电动-发电机的转速进而控制动臂的下放速度，由于电动-发电机的转速方向与转矩方向相反，从而带动电动-发电机处于发电状态，将动臂的重力势能转换成电能存储在储能单元11中。

3.根据权利要求1所述的一种电机直驱式动臂能量回收系统，其特征在于：当动臂先导控制手柄处于表征动臂上升位置时，控制器输出信号使多路阀4左侧控制油路接高压油，使多路阀处于左位工作，使其油口P与油口A相通，油口T和油口B相通，控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油进入到动臂原驱动油缸和平衡油缸的下腔，驱动动臂上升；动臂原驱动油缸和平衡油缸的上腔通过多路阀的油口B回油箱；此时控制器向电动-发电机控制器发布转速控制指令，控制电动-发电机的转速进而带动直线转旋转运动副向上运动驱动平衡油缸活塞上升从而控制动臂上升的速度，由于电动-发电机的转速方向与转矩方向相同，电动-发电机从储能单元中汲取能量转化为动臂势能、动能实现回收能再利用。

4.根据权利要求1所述的一种电机直驱式动臂能量回收系统，其特征在于：当动臂处于挖掘模式时，多路阀的油口P与B相通，油口A与油口T相通；控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油进入到动臂原驱动油缸和平衡油缸的上腔，动臂原驱动油缸和平衡油缸的下腔通过多路阀的油口A回油箱，动臂下降；平衡油缸活塞带动直线转旋转运动副向下运动，此时控制器向电动-发电机控制器发布转矩控制指令，控制电动-发电机的转矩进而控制动臂的挖掘力，由于电动-发电机的转速方向与转矩方向相同，从而带动电动-发电机处于电动状态，将存储在储能单元中的电能转换成机械能进行输出。