CN108571028A - 一种液压挖掘机回转能量回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种液压挖掘机回转能量回收系统及方法，包括变量泵、电动机、压电换能装置、蓄能器、三位四通换向阀、油箱、第一二位二通换向阀、第二二位二通换向阀和液压马达；本发明动臂液压系统能够实现在节能模型下先通过压电转化结构实现液压能向电能的第一次转化，然后油液经过蓄能器时将能量进行收集存储实现了二次的能量回收。同时能量回收过程中可以实现蓄能器单独回收及蓄能器与压电转化结构共同回收的模式。
Description
技术领域
本发明属于液压振动能量回收发电技术领域，特别一种液压挖掘机回转能量回收系统及方法。
背景技术
工程机械作为装备工业的重要组成部分，它在国防建设工程、交通运输建设，能源工业建设和生产、矿山等原材料工业建设和生产、农林水利建设、工业与民用建筑、城市建设、环境保护等多个领域进行应用。而液压挖掘机作为工程机械当中的一员，具有高能耗、低排放的特点造成大量的能量浪费损耗，导致环境污染和能源浪费严重，因此，对液压挖掘机进行液压系统改进实现其节能减排的目的具有十分必要的研究意义。
液压挖掘机回转机构的运动约占整个作业循环时间的50％-70％，能量消耗占25％-40％，回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的30％-40％。为提高液压挖掘机生产率和功能利用率，而目前对该部分能量进行回收利用多采用在蓄能器或者蓄电池对能量进行存储转化，回收效率较低。随着智能材料近年来的快速发展，压电陶瓷具有机电耦合系数较高的特点，在实现能量回收转化应用方面被广泛的应用。具有转化效率高，可以快速实现能量的回收利用。同时，可以将压电转化结构与蓄能器有效的结合对能量进行回收，可有效的实现能量快速转化，提高回收效率，减少转化环节。将压电技术与液压技术结合应用更具有现实应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液压挖掘机回转能量回收系统及方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种液压挖掘机回转能量回收系统，包括变量泵、电动机、压电换能装置、蓄能器、三位四通换向阀、油箱、第一二位二通换向阀、第二二位二通换向阀和液压马达；变量泵连接油箱，变量泵的输出端连接三位四通换向阀的第一入口，变量泵连接有电动机；三位四通换向阀的第一出口分为两路，一路连接液压马达的入口，另一路连接第一二位二通换向阀，第一二位二通换向阀的第一出口连接压电换能装置的入口，压电换能装置的出口连接第二二位二通换向阀，第一二位二通换向阀的第二出口连接压电换能装置的出口；第二二位二通换向阀的出口连接到变量泵，形成回路，第二二位二通换向阀和变量泵之间设置有蓄能器；液压马达的出口连接三位四通换向阀的第二入口，三位四通换向阀的第二出口连接有油箱；液压马达用于驱动挖掘机回转平台运动。
进一步的，第一二位二通换向阀和压电换能装置之间设置有调速阀。
进一步的，液压马达的出口和入口之间设置有管道，管道上设置有两个第一单向阀，且两个单向阀的入口相对设置；两个第一单向阀之间的管道连接有油箱。
进一步的，第一二位二通换向阀的入口和液压马达出口处的第一单向阀之间设置有管道，管道上设置有第二单向阀，第二单向阀的出口连接第一二位二通换向阀的入口；三位四通换向阀连接到第一二位二通换向阀的管道上设置有第三单向阀，第三单向阀的出口连接第一二位二通换向阀。
进一步的，蓄能器和变量泵之间设置有第四单向阀，第四单向阀的入口朝向蓄能器。
进一步的，变量泵还连接有第三二位二通换向阀，第三二位二通换向阀的出口连接有油箱；变量泵和三位四通换向阀的第二出口处的油箱之间设置有溢流阀。
进一步的，压电换能装置由50组压电换能器并联或串联而成。
进一步的，一种液压挖掘机回转能量回收系统的回收方法，基于上述中任意一条所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，包括以下步骤：
步骤1，挖掘机处于满斗状态时，回转平台开始启动工作，蓄能器内无液压油，三位四通换向阀处于左位，第一二位二通换向阀和第二二位二通换向阀处于断开状态，变量泵提供经过三位四通换向阀进入液压马达的左腔，带动回转平台运动，多余的液压油经过第二单向阀，在第一二位二通阀处于左位状态下液压油直接进入调速阀抵达压电换能装置中进行能量回收发电，该处同样采用50组压电换能器并联在一起实行对损失能量的回收，然后经过第二二位二通换向阀进入蓄能器，实现能量的再次回收；
步骤2，当第一二位二通阀处于右位时，蓄能器单独实现能量回收，在液压油不断供给过程中，蓄能器达到最大压力值，此时，第二二位二通换向阀断开，第三二位二通换向阀处于接通状态，变量泵通过第三二位二通换向阀实现卸荷，蓄能器释放能量经过第四单向阀实现供油，供给到变量泵的出口处驱动电动机运转；当蓄能器中压力到达最低极限时，第二二位二通换向阀接通，蓄能器进行补油不再对油路进行供油；三位四通换向阀的换向机构在中间位置时实现回转装置的制动，由于转动惯量的存在，多余的液压油经过第二单向阀进入蓄能器存储起来，实现能量回收。
步骤3，挖掘机处于空斗状态时，回转平台开始反转，三位四通换向阀处于右位，第二二位二通换向阀接通，实现蓄能器补油；当蓄能器中最大压力值大于设定值时，第二二位二通换向阀断开，第三二位二通换向阀接通，将泵排出的油液直接排入油箱内降低液压泵的出口压力，蓄能器将回收的能量转化为液压能供给马达右侧不断向主油路进行补油增压；当蓄能器压力达到最低极限时，第二二位二通换向阀接通，第三二位二通换向阀断开，由液压泵单独供油，多余的液压油经过第三单向阀经过压电换能装置实现一次能量的回收，然后继续流入蓄能器将能量二次回收；
步骤4，在蓄能器补油过程中可以通过切第一二位二通换向阀实现蓄能器的单独回收能量和换能结构与蓄能器共同回收能量的效果；当三位四通换向阀中的换向机构处于中间位置时，实现回转装置的制动作用，此时，马达由执行机构转化为动力源向蓄能器供油，为再次动作做准备。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明动臂液压系统能够实现在节能模型下先通过压电转化结构实现液压能向电能的第一次转化，然后油液经过蓄能器时将能量进行收集存储实现了二次的能量回收。同时能量回收过程中可以实现蓄能器单独回收及蓄能器与压电转化结构共同回收的模式。
本发明较好的将压电换能装置应用于工程机械的液压系统当中，实现了压电发电技术与液压传动技术的较好结合。改变了传统的能量回收模式。
本发明回转液压系统去除了传统回转系统中的缓冲阀，减少阀的应用，实现了能量的二次回收转化。
附图说明
图1是本发明压电转化结构的液压振动能量回收原理图；
图2是本发明压电转化结构的液压振动能量回收压电转化结构串联结构示意图
图3本发明压电转化结构的液压振动能量回收压电转化结构并联结构示意图；
其中：1、油箱；2、变量泵；3、电动机；5、三位四通换向阀；7、第一单向阀；9、液压马达；10、第三单向阀；11、第二单向阀；12、调速阀；13、压电换能装置；14、第二二位二通换向阀；15、蓄能器；16、第四单向阀；17、第三二位二通换向阀；19、第一二位二通换向阀；20、溢流阀。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1-图3，一种液压挖掘机回转能量回收系统，包括变量泵2、电动机3、压电换能装置13、蓄能器15、三位四通换向阀5、油箱1、第一二位二通换向阀19、第二二位二通换向阀14和液压马达9；变量泵2连接油箱1，变量泵2的输出端连接三位四通换向阀5的第一入口，变量泵2连接有电动机3；三位四通换向阀5的第一出口分为两路，一路连接液压马达9的入口，另一路连接第一二位二通换向阀19，第一二位二通换向阀19的第一出口连接压电换能装置13的入口，压电换能装置13的出口连接第二二位二通换向阀14，第一二位二通换向阀19的第二出口连接压电换能装置13的出口；第二二位二通换向阀14的出口连接到变量泵2，形成回路，第二二位二通换向阀14和变量泵2之间设置有蓄能器15；液压马达9的出口连接三位四通换向阀5的第二入口，三位四通换向阀5的第二出口连接有油箱1；液压马达9用于驱动挖掘机回转平台运动。
第一二位二通换向阀19和压电换能装置13之间设置有调速阀12。
液压马达9的出口和入口之间设置有管道，管道上设置有两个第一单向阀7，且两个单向阀的入口相对设置；两个第一单向阀7之间的管道连接有油箱1。
第一二位二通换向阀19的入口和液压马达9出口处的第一单向阀7之间设置有管道，管道上设置有第二单向阀11，第二单向阀11的出口连接第一二位二通换向阀19的入口；三位四通换向阀5连接到第一二位二通换向阀19的管道上设置有第三单向阀10，第三单向阀10的出口连接第一二位二通换向阀19。
蓄能器15和变量泵2之间设置有第四单向阀16，第四单向阀14的入口朝向蓄能器15。
变量泵2还连接有第三二位二通换向阀17，第三二位二通换向阀17的出口连接有油箱1；变量泵2和三位四通换向阀5的第二出口处的油箱1之间设置有溢流阀20。
压电换能装置13由50组压电换能器并联或串联而成。
一种液压挖掘机回转能量回收系统的回收方法，基于上述中任意一条所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，包括以下步骤：
步骤1，挖掘机处于满斗状态时，回转平台开始启动工作，蓄能器15内无液压油，三位四通换向阀5处于左位，第一二位二通换向阀19和第二二位二通换向阀14处于断开状态，变量泵2提供经过三位四通换向阀5进入液压马达9的左腔，带动回转平台运动，多余的液压油经过第二单向阀11，在第一二位二通阀19处于左位状态下液压油直接进入调速阀12抵达压电换能装置13中进行能量回收发电，该处同样采用50组压电换能器并联在一起实行对损失能量的回收，然后经过第二二位二通换向阀14进入蓄能器，实现能量的再次回收；
步骤2，当第一二位二通阀19处于右位时，蓄能器单独实现能量回收，在液压油不断供给过程中，蓄能器达到最大压力值，此时，第二二位二通换向阀14断开，第三二位二通换向阀17处于接通状态，变量泵2通过第三二位二通换向阀17实现卸荷，蓄能器释放能量经过第四单向阀16实现供油，供给到变量泵的出口处驱动电动机运转；当蓄能器中压力到达最低极限时，第二二位二通换向阀14接通，蓄能器进行补油不再对油路进行供油；三位四通换向阀5的换向机构在中间位置时实现回转装置的制动，由于转动惯量的存在，多余的液压油经过第二单向阀11进入蓄能器存储起来，实现能量回收。
步骤3，挖掘机处于空斗状态时，回转平台开始反转，三位四通换向阀5处于右位，第二二位二通换向阀14接通，实现蓄能器补油；当蓄能器中最大压力值大于设定值时，第二二位二通换向阀14断开，第三二位二通换向阀17接通，将泵排出的油液直接排入油箱内降低液压泵的出口压力，蓄能器将回收的能量转化为液压能供给马达右侧不断向主油路进行补油增压；当蓄能器压力达到最低极限时，第二二位二通换向阀14接通，第三二位二通换向阀17断开，由液压泵1单独供油，多余的液压油经过第三单向阀10经过压电换能装置13实现一次能量的回收，然后继续流入蓄能器15将能量二次回收；
步骤4，在蓄能器补油过程中可以通过切第一二位二通换向阀19实现蓄能器的单独回收能量和换能结构与蓄能器共同回收能量的效果；当三位四通换向阀5中的换向机构处于中间位置时，实现回转装置的制动作用，此时，马达由执行机构转化为动力源向蓄能器供油，为再次动作做准备。
蓄能器能量回收系统包括利用蓄能器单独实现液压系统能量回收的方法，主要采用蓄能器串联在液压回转制动油路中实现能量的回收利用。压电浮能器与蓄能器结合的能量回收一方面实现液压能通过压电浮能器直接转化利用，另一方面通过蓄能器再次实现能量的收集存储，实现能量的二次回收利用，同时，也可利用蓄能器实现单独回收能量的作用。
Claims (8)
1.一种液压挖掘机回转能量回收系统，其特征在于，包括变量泵(2)、电动机(3)、压电换能装置(13)、蓄能器(15)、三位四通换向阀(5)、油箱(1)、第一二位二通换向阀(19)、第二二位二通换向阀(14)和液压马达(9)；变量泵(2)连接油箱(1)，变量泵(2)的输出端连接三位四通换向阀(5)的第一入口，变量泵(2)连接有电动机(3)；三位四通换向阀(5)的第一出口分为两路，一路连接液压马达(9)的入口，另一路连接第一二位二通换向阀(19)，第一二位二通换向阀(19)的第一出口连接压电换能装置(13)的入口，压电换能装置(13)的出口连接第二二位二通换向阀(14)，第一二位二通换向阀(19)的第二出口连接压电换能装置(13)的出口；第二二位二通换向阀(14)的出口连接到变量泵(2)，形成回路，第二二位二通换向阀(14)和变量泵(2)之间设置有蓄能器(15)；液压马达(9)的出口连接三位四通换向阀(5)的第二入口，三位四通换向阀(5)的第二出口连接有油箱(1)；液压马达(9)用于驱动挖掘机回转平台运动。
2.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，其特征在于，第一二位二通换向阀(19)和压电换能装置(13)之间设置有调速阀(12)。
3.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，其特征在于，液压马达(9)的出口和入口之间设置有管道，管道上设置有两个第一单向阀(7)，且两个单向阀的入口相对设置；两个第一单向阀(7)之间的管道连接有油箱(1)。
4.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，其特征在于，第一二位二通换向阀(19)的入口和液压马达(9)出口处的第一单向阀(7)之间设置有管道，管道上设置有第二单向阀(11)，第二单向阀(11)的出口连接第一二位二通换向阀(19)的入口；三位四通换向阀(5)连接到第一二位二通换向阀(19)的管道上设置有第三单向阀(10)，第三单向阀(10)的出口连接第一二位二通换向阀(19)。
5.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，其特征在于，蓄能器(15)和变量泵(2)之间设置有第四单向阀(16)，第四单向阀(14)的入口朝向蓄能器(15)。
6.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，其特征在于，变量泵(2)还连接有第三二位二通换向阀(17)，第三二位二通换向阀(17)的出口连接有油箱(1)；变量泵(2)和三位四通换向阀(5)的第二出口处的油箱(1)之间设置有溢流阀(20)。
7.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，其特征在于，压电换能装置(13)由50组压电换能器并联或串联而成。
8.一种液压挖掘机回转能量回收系统的回收方法，其特征在于，基于权利要求1至6中任意一条所述的一种液压挖掘机回转能量回收系统，包括以下步骤：
步骤1，挖掘机处于满斗状态时，回转平台开始启动工作，蓄能器(15)内无液压油，三位四通换向阀(5)处于左位，第一二位二通换向阀(19)和第二二位二通换向阀(14)处于断开状态，变量泵(2)提供经过三位四通换向阀(5)进入液压马达(9)的左腔，带动回转平台运动，多余的液压油经过第二单向阀(11)，在第一二位二通阀(19)处于左位状态下液压油直接进入调速阀(12)抵达压电换能装置(13)中进行能量回收发电，该处同样采用50组压电换能器并联在一起实行对损失能量的回收，然后经过第二二位二通换向阀(14)进入蓄能器，实现能量的再次回收；
步骤2，当第一二位二通阀(19)处于右位时，蓄能器单独实现能量回收，在液压油不断供给过程中，蓄能器达到最大压力值，此时，第二二位二通换向阀(14)断开，第三二位二通换向阀(17)处于接通状态，变量泵(2)通过第三二位二通换向阀(17)实现卸荷，蓄能器释放能量经过第四单向阀(16)实现供油，供给到变量泵的出口处驱动电动机运转；当蓄能器中压力到达最低极限时，第二二位二通换向阀(14)接通，蓄能器进行补油不再对油路进行供油；三位四通换向阀(5)的换向机构在中间位置时实现回转装置的制动，由于转动惯量的存在，多余的液压油经过第二单向阀(11)进入蓄能器存储起来，实现能量回收；
步骤3，挖掘机处于空斗状态时，回转平台开始反转，三位四通换向阀(5)处于右位，第二二位二通换向阀(14)接通，实现蓄能器补油；当蓄能器中最大压力值大于设定值时，第二二位二通换向阀(14)断开，第三二位二通换向阀(17)接通，将泵排出的油液直接排入油箱内降低液压泵的出口压力，蓄能器将回收的能量转化为液压能供给马达右侧不断向主油路进行补油增压；当蓄能器压力达到最低极限时，第二二位二通换向阀(14)接通，第三二位二通换向阀(17)断开，由液压泵(1)单独供油，多余的液压油经过第三单向阀(10)经过压电换能装置(13)实现一次能量的回收，然后继续流入蓄能器(15)将能量二次回收；
步骤4，在蓄能器补油过程中可以通过切第一二位二通换向阀(19)实现蓄能器的单独回收能量和换能结构与蓄能器共同回收能量的效果；当三位四通换向阀(5)中的换向机构处于中间位置时，实现回转装置的制动作用，此时，马达由执行机构转化为动力源向蓄能器供油，为再次动作做准备。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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