CN108894274A - 一种挖掘机回转能量回收和再利用系统 - Google Patents

Abstract

一种挖掘机回转能量回收和再利用系统，主换向阀的A口和B口分别与回转马达的A口和B口连接；回转马达通过回转支承和转台连接，回转马达的A口、B口分别通过第一溢流阀、第二溢流阀与油箱连接；第一补油单向阀和第二补油单向阀分别与第一溢流阀和第二溢流阀并联安装；辅助齿轮与回转支承的齿圈啮合；辅助齿轮的输出轴通过离合器与第二液压泵/马达连接；第一液压泵/马达和第二液压泵/马达同轴串联；第一液压泵/马达的A口和B口分别与第一蓄能器和油箱连接；第二液压泵/马达的A口和B口分别与第二蓄能器和油箱连接，第一蓄能器依次通过辅助阀、汇流单向阀与主换向阀的P口连接。该系统能在制动时回收转台的动能，能实现回收能量的再利用。

Description

一种挖掘机回转能量回收和再利用系统

技术领域

本发明属于液压传动技术领域，具体涉及一种挖掘机回转能量回收和再利用系统。

背景技术

液压挖掘机在各类施工领域中被广泛应用，液压挖掘机具有高油耗的缺点。如何提高挖掘机的能量利用效率，一直是相关技术人员研究的重点，也一直是难以攻克的技术难题。

液压挖掘机在回转制动时，由于转台的巨大惯性，回转马达并不会马上停止转动，它将继续回转并压缩出油口的油液，使回转马达出油口产生瞬时高压油液，并从溢流阀溢流。在此过程中，转台的动能转化为油液的热能，从而达到转台制动的目的。在挖掘机的典型工作循环中，回转马达需启动和制动两次。长时间工作下，回转马达制动溢流浪费掉的能量非常巨大，如果能回收制动时转台的动能，并在合适的时机对回收能量进行利用，必能节省挖掘机能量消耗，提高液压系统的工作效率。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种挖掘机回转能量回收和再利用系统，该系统能在制动时回收转台的动能，并能实现回收能量的再利用，能节省挖掘机能量的消耗，能有助于提高液压系统的工作效率，同时，该系统还能实现不同工作模式的切换。

为了实现上述目的，本发明提供一种挖掘机回转能量回收和再利用系统，包括原动机、回转液压泵、主换向阀、回转马达、转台、油箱、第一溢流阀、第二溢流阀、第一补油单向阀和第二补油单向阀；

所述原动机与回转液压泵同轴连接；所述回转液压泵的出油口P通过供油单向阀与主换向阀的P口连接；所述主换向阀的A口和B口分别与回转马达的A口和B口连接；回转液压泵的吸油口S和主换向阀的T口均与油箱连接；

所述回转马达通过回转支承和转台连接，回转马达的A口、B口分别通过第一溢流阀、第二溢流阀与油箱连接；所述第一补油单向阀和第二补油单向阀分别与第一溢流阀和第二溢流阀并联安装；

还包括旁通阀、辅助齿轮、第一液压泵/马达、第二液压泵/马达用于控制转台动作的操纵手柄和用于处理控制信号的控制器；

旁通阀的A口和B口分别与回转马达的A口和B口连接；

辅助齿轮与回转支承的齿圈啮合；辅助齿轮的输出轴通过离合器与第二液压泵/马达连接；第一液压泵/马达和第二液压泵/马达同轴串联；第一液压泵/马达的A口和B口分别与第一蓄能器和油箱连接；第二液压泵/马达的A口和B口分别与第二蓄能器和油箱连接，第一蓄能器依次通过辅助阀、汇流单向阀与主换向阀的P口连接；

在回转马达的A口和B口分别连接有第一压力传感器和第二压力传感器；

控制器的输入端分别与操纵手柄的控制信号输出端、第三压力传感器和第四压力传感器连接，其输出端分别与主换向阀、离合器、辅助阀和旁通阀连接。

本发明可以在不影响挖掘机动作性能的前提下，对挖掘机回转制动能量进行回收和再利用。与直接使用回转马达作为能量转换元件的能量回收方案相比，由于使用了相串联的第一和第二液压泵/马达，并采用了分别与第一和第二液压泵/马达相连接的第一和第二蓄能器，可以在第一蓄能器和第二蓄能器均进行充能的基础上，利用第二蓄能器中储存的液压能对第一蓄能器进行二次蓄能，使回收到第一蓄能器内的油液具有更高的压力，第一蓄能器通过辅助阀和汇流单向阀与主换阀连接，能在原动机功率不足时对系统的能量进行补足，从而有利于回收能量的再利用；能在原动机出现故障时，作为回转系统的应急使用，保证设备安全操作。本发明可用于挖掘机、起重机、旋挖钻机等具有回转机构的工程机械和其它类似液压设备中。

进一步，为了在需要的时候能调小液压泵/马达的排量，使回收到蓄能器内的油液具有更高的压力，第一液压泵/马达和第二液压泵/马达均为变量马达。第一蓄能器和第二蓄能器上分别连接有第一压力传感器和第二压力传感器，第一液压泵/马达、第二液压泵/马达、第一压力传感器和第二压力传感器均与控制器连接。第一压力传感器和第二压力传感器能便于实时监测第一蓄能器和第二蓄能器内的压力情况。

进一步，为了保护辅助阀和汇流单向阀所在油路的压力不超过设定负荷，还包括第三溢流阀，辅助阀与汇流单向阀之间的油路通过第三溢流阀与油箱连接。

进一步，回转液压泵的出油口P还通过主溢流阀与油箱连接。主溢流阀用于控制回转液压泵的最高工作压力。

本发明能实现对挖掘机回转制动能量的回收和再利用一体化功能，可以提高系统的能量利用效率。

附图说明

图1是本发明的液压原理图。

图中：1、原动机，2、回转液压泵，3、供油单向阀，4、主换向阀，5、回转马达，6、油箱，701、第一溢流阀，702、第二溢流阀，801、第一补油单向阀，802、第二补油单向阀，9、辅助齿轮，10、回转支承，11、转台，12、主溢流阀，13、第一液压泵/马达，14、第二液压泵/马达，15、第三溢流阀，16、第一蓄能器，17、离合器，18、辅助阀，19、第二蓄能器，20、汇流单向阀，21、旁通阀。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种挖掘机回转能量回收和再利用系统，包括原动机1、回转液压泵2、主换向阀4、回转马达5、转台11、油箱6、第一溢流阀701、第二溢流阀702、第一补油单向阀801和第二补油单向阀802；

所述原动机1与回转液压泵2同轴连接，原动机1为液压泵提供动力，其可以采用柴油机等发动机，也可以采用电动机。

所述回转液压泵2的出油口P通过供油单向阀3与主换向阀4的P口连接；所述主换向阀4的A口和B口分别与回转马达5的A口和B口连接；回转液压泵2的吸油口S和主换向阀4的T口均与油箱连接；主换向阀4优选为三位四通电磁换向阀；

所述回转马达5通过回转支承10和转台11连接，回转马达5的A口、B口分别通过第一溢流阀701、第二溢流阀702与油箱6连接；所述第一补油单向阀801和第二补油单向阀802分别与第一溢流阀701和第二溢流阀702并联安装；第一溢流阀701和第二溢流阀702分别用于限制回转马达5的A口和B口的最高工作压力。所述第一补油单向阀801和第二补油单向阀802用于对回转马达5进行补油，当回转马达5的A口压力小于油箱6的压力时，油箱6内的油液可以对回转马达5的A口进行补油。同理，当回转马达5的B口压力小于油箱6的压力时，油箱6内的油液可以对回转马达5的B口进行补油。补油单向阀用于防止回转马达5出现吸空现象。

还包括旁通阀21、辅助齿轮9、第一液压泵/马达13、第二液压泵/马达14、用于控制转台动作的操纵手柄和用于处理控制信号的控制器；

旁通阀21的A口和B口分别与回转马达5的A口和B口连接；

辅助齿轮9与回转支承10的齿圈啮合；辅助齿轮9的输出轴通过离合器17与第二液压泵/马达14连接；第一液压泵/马达13和第二液压泵/马达14同轴串联；第一液压泵/马达13的A口和B口分别与第一蓄能器16和油箱6连接；第二液压泵/马达14的A口和B口分别与第二蓄能器19和油箱6连接，第一蓄能器16依次通过辅助阀18、汇流单向阀20与主换向阀4的P口连接；

在回转马达5的A口和B口分别连接有第一压力传感器和第二压力传感器；

控制器的输入端分别与操纵手柄的控制信号输出端、第三压力传感器和第四压力传感器连接，其输出端分别与主换向阀4、离合器、辅助阀18和旁通阀21连接。

第一液压泵/马达13和第二液压泵/马达14均为变量泵/马达，第一蓄能器16和第二蓄能器19上分别连接有第一压力传感器和第二压力传感器，第一液压泵/马达13、第二液压泵/马达14、第一压力传感器和第二压力传感器均与控制器连接。第一蓄能器16和第二蓄能器19优选为充气式蓄能器，也可以是弹簧式、重力式或充气式等形式，以进行液压能的储存。第一液压泵/马达13和第二液压泵/马达14的排量可以与控制器给出的控制信号的大小成比例变化，并根据工况不同工作在液压泵模式或液压马达模式。作为一种简化配置，第一液压泵/马达13和第二液压泵/马达14也可以单独或全部使用定量泵/马达。

还包括第三溢流阀15，辅助阀18与汇流单向阀20之间的油路通过第三溢流阀15与油箱6连接。

回转液压泵2的出油口P还通过主溢流阀12与油箱6连接。主溢流阀12用于控制回转液压泵2的最高工作压力。

在挖掘机底盘上还可以设置有用于监测转台11旋转速度和方向的转速传感器，转速传感器与控制器连接；

工作原理：

一、常规回转模式

当挖掘机的使用工况不适合能量回收时，可以通过控制器控制离合器17断电，使第一液压泵/马达13和辅助齿轮9的传动轴脱离连接，同时控制辅助阀18和旁通阀21不得电。此时的系统与传统的挖掘机回转液压系统一致。此模式称为常规回转模式。

下面以转台11做正向旋转运动为例做说明。操纵人员通过操纵手柄发出转台11正向旋转的控制信号，控制器根据该信号控制主换向阀4的Y1b电磁铁得电，故主换向阀4工作在上位。液压泵2输出的高压油液经供油单向阀3、主换向阀4、进入回转马达5的A口。回转马达5的回油经其B口排出，经主换向阀4的T口流回油箱。回转马达5的输出轴旋转，从而通过回转支承10驱动转台11运动。主换向阀4可以根据控制信号的大小，控制油口的通流面积，从而控制进入回转马达5的流量，实现对转台11运动速度的控制。

当转台11需要停止运动时，操纵手柄回中位，控制器将主换向阀4断电。因为挖掘机转台11的转动惯量很大，回转马达5将在转台11的带动下继续旋转一段时间。此时，回转马达5工作在泵模式，其油口A吸油，油口B排出高压油。因为主换向阀4的中位机能中油口B是封闭的，回转马达5的B口的油液只能经第二溢流阀702高压溢流回油箱6，从而完成转台11的制动。油箱6内的油液可以经第一补油单向阀801补充进回转马达5的油口A，防止回转马达5的吸空。在此过程中，转台11的动能转化成油液的热能。

对于转台11反向运动的工作原理，与其正向运动的工作原理基本一致，只是油路和油口互相倒换，故不再赘述。

二、能量回收模式

当系统工作在此模式时，系统的能量回收功能启用。在转台11旋转运动的启动阶段，其工作原理与常规回转模式一致。下面仅对转台正向旋转运动的制动工况的工作原理进行说明。

定义回转马达5的A口进高压油，B口出低压油时转台11的旋转方向为正向，则B口进入高压油，A口出低压油时其旋转方向为反向。转台11的旋转方向可以由用于监测转台11旋转速度和方向的转速传感器测出。当转台11正向旋转且回转马达B口压力高于回转马达A口压力时，控制器判定转台11处于制动工况。同理，当转台11反向旋转且回转马达A口压力高于回转马达B口压力时，控制器判定转台11处于制动工况。

当转台11需要制动时，操纵手柄回中位，控制器将主换向阀4断电。因为挖掘机转台的转动惯量很大，回转马达5将在转台11的带动下继续旋转。控制器使离合器17吸合，使第一液压泵/马达13和辅助齿轮9的传动轴联接。同时，控制器使旁通阀21得电，故回转马达5的两个油口连通。此时，回转马达5会在转台11的反向带动下继续旋转，但因为两个油口连通，回转马达5并不会对转台11产生制动效果。同时，转台11通过回转支承10、辅助齿轮9和离合器17驱动第一液压泵/马达13旋转。第一液压泵/马达13工作在泵模式下，其A口从油箱6内吸油，其B口排出的高压油液流入第一蓄能器16。因此，转台11的动能就经第一变量泵/马达13转化成了油液的压力能并存储在第一蓄能器16中。与第一液压泵/马达13同轴连接的第二液压泵/马达14随着第一液压泵/马达13一起转动，第二液压泵/马达14工作在泵模式，第二液压泵/马达14的B口吸油、A口排油，第二液压泵/马达14从油箱6中所吸取油液排入第二蓄能器19中进行储能。随着转台11旋转速度的下降，其动能越来越少。同时，第二蓄能器19和第一蓄能器16的压力会随着存储油液的增多而升高，使得第二液压泵/马达14、第一液压泵/马达13的所需要的驱动扭矩增大。在此过程中，可以通过控制器适当减小第二液压泵/马达14和第一液压泵/马达13的排量，从而第二液压泵/马达14、第一液压泵/马达13可以排出更高压力的油液存储到第二蓄能器19、第一蓄能器16中，提高了能量回收效果。这样，正向旋转的制动过程中的回收能量就分别存储在第一蓄能器16和第二蓄能器21中。

对于转台11反向运动制动时的能量回收工作原理，与其正向运动制动时能量回收的工作原理基本一致，只是油路和油口互相倒换，故不再赘述。

三、主动储能模式

当原动机1的输出功率大于系统的需求，且第一压力传感器测得第一蓄能器16、第二蓄能器19内的压力小于主溢流阀12的设定压力时，控制器使离合器17得电吸合。同时，根据原动机1输出功率超过系统需求功率的多少情况，控制器调整第一液压泵/马达13、第二液压泵/马达14排量的大小，维持原动机1输出功率和总负载基本平衡。此时，第一液压泵/马达13和第二液压泵/马达14均工作在泵工况。油箱6内的油液经第一液压泵/马达13流入第一蓄能器16内、经第二液压泵/马达19流入第二蓄能器19内。此时，相当于主动增加了原动机1的负载，避免了原动机1多余的功率浪费。

四、二次蓄压模式

通过控制器控制体离合器17断电，使第一液压泵/马达13和辅助齿轮9的传动轴脱离连接，同时控制辅助阀18不得电。在该状态下，在能量回收过程中储存在第二蓄能器19中的高压油进入第二液压泵/马达14的A口，并由其B口排入油箱中，第二液压泵/马达14工作在马达模式下，驱动第一液压泵/马达13转动，第一液压泵/马达13工作在泵模式下，第一液压泵/马达13的A口从油箱6中吸油，并由B口排入到第一蓄能器16中，从而使第一蓄能器16进行第二次蓄能的过程。这样，就可以在蓄能器16中获得更高的压力。在包含能量相当的情况下，较高压力的油液，显然比较低压力的油液更有利用价值，便于能量的再利用。

五、能量再利用过程

在通过主动储能模式收集的压力能，在回转制动过程中回收的制动能量，最终都在二次蓄压的作用下以压力能的形式存储于第一蓄能器16中。当原动机1的输出功率小于系统总功率需求，且回转系统需要工作的时候，通过控制器使辅助阀18得电，第一蓄能器16内的储存的高压油液经辅助阀18的P口至A口、汇流单向阀20与回转液压泵2的油液合流，供给主换向阀4使用，从而能利用储存在第二蓄能器21内的压力能转化成机械能，和原动机1一起驱动负载工作。

六、应急模式

本发明所涉及的系统可以充当应急回转系统。

1、当因为某种原因，如原动机1损坏失去动力源时，或者主换向阀或马达或溢流阀等损坏的情况下：控制器使旁通阀21得电，从而连通回转马达5的A口和B口。同时，控制器24使离合器17吸合。通过第一压力传感器可以测得第一蓄能器16内的油液压力。因为第一蓄能器16的初始充气压力已知，所以可以根据第一压力传感器的压力值计算出第一蓄能器16内储存的油液体积。在第一蓄能器16内油液体积足够的情况下，控制器使离合器17得电，且辅助阀18断电，第二变量泵/马达14为零排量。第一蓄能器16内的油液流入第一液压泵/马达13的B口，其A口流出的油液流回油箱6。此时的第一液压泵/马达13工作在马达模式下，利用储存在第一蓄能器16内的压力能转化成机械能，通过辅助齿轮9、回转支承10驱动转台11旋转。假设第一变量泵/马达13为正排量时，其输出轴驱动转台11正向旋转，则第一变量泵/马达13为负排量时，其输出轴驱动转台11反向旋转。在此基础上，通过控制第一变量泵/马达13排量的大小，即可控制转台11的运动速度。该过程中，控制第一变量泵/马达13，即可以控制转台旋转方向和速度。

2、如果仅在发动机或泵损坏的情况下，还可以通过如下方式应急：当转台11需要反向旋转时，控制器使辅助阀18得电，主换向阀4的Y1b电磁铁得电，离合器17断电，旁通阀21断电，第一蓄能器16内的油液经辅助阀18、汇流单向阀20供给主动换向阀4的P口，并经其A口供给回转马达5的A口，进而，驱动转台反向旋转。在此过程中，通过调整主换向阀4的Y1b电磁铁的电流量大小，可以调整转台11的回转速度。当转台11需要正向旋转时，控制器使辅助阀18得电，主换向阀4的Y1a电磁铁得电，离合器17断电，旁通阀21断电，第一蓄能器16内的油液经辅助阀18、汇流单向阀20供给主动换向阀4的P口，并经其B口供给回转马达5的B口，进而，驱动转台正向旋转。在此过程中，通过调整主换向阀4的Y1a电磁铁的电流量大小，可以调整转台11的回转速度。

此模式可以在第一蓄能器16内油液充足的情况下，暂时替代原有回转系统。

Claims (4)

1.一种挖掘机回转能量回收和再利用系统，包括原动机(1)、回转液压泵(2)、主换向阀(4)、回转马达(5)、转台(11)、油箱(6)、第一溢流阀(701)、第二溢流阀(702)、第一补油单向阀(801)和第二补油单向阀(802)；

所述原动机(1)与回转液压泵(2)同轴连接；所述回转液压泵(2)的出油口P通过供油单向阀(3)与主换向阀(4)的P口连接；所述主换向阀(4)的A口和B口分别与回转马达(5)的A口和B口连接；回转液压泵(2)的吸油口S和主换向阀(4)的T口均与油箱连接；

所述回转马达(5)通过回转支承(10)和转台(11)连接，回转马达(5)的A口、B口分别通过第一溢流阀(701)、第二溢流阀(702)与油箱(6)连接；所述第一补油单向阀(801)和第二补油单向阀(802)分别与第一溢流阀(701)和第二溢流阀(702)并联安装；

其特征在于，还包括旁通阀(21)、辅助齿轮(9)、第一液压泵/马达(13)、第二液压泵/马达(14)用于控制转台动作的操纵手柄和用于处理控制信号的控制器；

旁通阀(21)的A口和B口分别与回转马达(5)的A口和B口连接；

辅助齿轮(9)与回转支承(10)的齿圈啮合；辅助齿轮(9)的输出轴通过离合器(17)与第二液压泵/马达(14)连接；第一液压泵/马达(13)和第二液压泵/马达(14)同轴串联；第一液压泵/马达(13)的A口和B口分别与第一蓄能器(16)和油箱(6)连接；第二液压泵/马达(14)的A口和B口分别与第二蓄能器(19)和油箱(6)连接，第一蓄能器(16)依次通过辅助阀(18)、汇流单向阀(20)与主换向阀(4)的P口连接；

在回转马达(5)的A口和B口分别连接有第一压力传感器和第二压力传感器；

控制器的输入端分别与操纵手柄的控制信号输出端、第三压力传感器和第四压力传感器连接，其输出端分别与主换向阀(4)、离合器、辅助阀(18)和旁通阀(21)连接。

2.根据权利要求1所述的一种挖掘机回转能量回收和再利用系统，其特征在于，第一液压泵/马达(13)和第二液压泵/马达(14)均为变量马达，第一蓄能器(16)和第二蓄能器(19)上分别连接有第一压力传感器和第二压力传感器，第一液压泵/马达(13)、第二液压泵/马达(14)、第一压力传感器和第二压力传感器均与控制器连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机回转能量回收和再利用系统，其特征在于，还包括第三溢流阀(15)，辅助阀(18)与汇流单向阀(20)之间的油路通过第三溢流阀(15)与油箱(6)连接。

4.根据权利要求3所述的一种挖掘机回转能量回收和再利用系统，其特征在于，回转液压泵(2)的出油口P还通过主溢流阀(12)与油箱(6)连接。