CN108915021B - 一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统 - Google Patents

Abstract

一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统，主换向阀、分别与旁通阀和回转马达相关联；回转马达依次通过减速器和回转支承与转台连接；液压泵/马达分别通过第一和第二离合器与第二液压泵和辅助齿轮连接，辅助齿轮与回转支承连接；液压泵/马达的A口分别通过第一、第二液控单向阀与油箱、蓄能器连接，其B口分别通过第三、第四液控单向阀与油箱、蓄能器连接；蓄能器分别通过第一、第二辅助阀与第一液压泵、第二液压泵连接；第一控制换向阀用于控制第一和第四液控单向阀；第二控制换向阀用于控制第二和第三液控单向阀。该系统能在制动时回收转台的动能，并实现回收能量的再利用，能节省挖掘机的能耗，还能实现不同工作模式的切换。

Description

一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统

技术领域

本发明属于液压传动技术领域，具体涉及一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统。

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，其能耗问题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，本发明提供一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统，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，本发明提供一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统，包括原动机、第一液压泵、主换向阀、主溢流阀、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；

所述原动机与第一液压泵同轴连接；所述第一液压泵的出油口P与主换向阀的P口和主溢流阀的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；其中第一液压泵的吸油口S、主换向阀的T口和主溢流阀的T口均与油箱连接；

所述回转马达依次通过减速器和回转支承与转台连接，回转马达的A口通过第一溢流阀与油箱连接，回转马达的B口通过第二溢流阀与油箱连接；所述第一补油单向阀和第一溢流阀并联安装，第二补油单向阀和第二溢流阀并联安装；

还包括与第一液压泵同轴串联的第二液压泵、通过第二离合器与第二液压泵连接的液压泵/马达、通过第一离合器与液压泵/马达连接的辅助齿轮、用于控制转台动作的操纵手柄、串联在回转马达A口和B口之间的旁通阀和用于处理控制信号的控制器；

第一液压泵的出油口P还通过减压阀分别与第一控制换向阀的P口、第二控制换向阀的P口连接；第二液压泵的吸油口S与油箱连接；

液压泵/马达的A口通过第一液控单向阀与油箱连接，液压泵/马达的A口通过第二液控单向阀与蓄能器连接；液压泵/马达的B口通过第三液控单向阀与油箱连接，液压泵/马达的B口通过第四液控单向阀与蓄能器连接；蓄能器通过第一辅助阀与第一液压泵的出油口P连接，蓄能器通过第二辅助阀与第二液压泵的出油口P连接；

辅助齿轮与回转支承连接；

第一控制换向阀的A口同时与第一液控单向阀和第四液控单向阀的控制口连通，其T口与油箱连接；第二控制换向阀的A口同时与第二液控单向阀和第三液控单向阀的控制口连通，其T口与油箱连接；

在挖掘机底盘上设置有用于监测转台旋转速度和方向的转速传感器；在蓄能器的油口处还连接有第一压力传感器；

所述控制器的输入端分别与转速传感器、第一压力传感器和操纵手柄的控制信号输出端连接，控制器的输出端分别与主换向阀、旁通阀、第一离合器、第二离合器、第一辅助阀、第二辅助阀、液压泵/马达、第一控制换向阀和第二控制换向阀连接。

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，由于使用了变量液压泵/马达，可以在需要的时候调小液压泵/马达的排量，使回收到蓄能器内的油液具有更高的压力，有利于回收能量的再利用。在必要的情况下，可以将能量回收系统与挖掘机的回转系统脱离，此时的系统与传统系统一样，防止能量回收系统出现故障时影响系统的正常使用。在挖掘机自身回转系统出现故障时，本能量回收系统可以应急作为回转系统使用，保证设备安全操作。本能量回收系统还可以吸收多余的发动机功率，使发动机尽可能的工作在高效区，实现对发动机输出功率的削峰填谷的作用。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。

还包括安全阀，安全阀的P口和蓄能器连接，安全阀的T口和油箱连接。

还包括与回转马达A口连接的第二压力传感器、与回转马达B口连接的第三压力传感器，第二压力传感器、第三压力传感器均与控制器连接。

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，同时，该系统通过传感器判别系统工况，控制器实现系统工作模式的切换，可以实现制动能量的回收与再利用，也可以实现发动机的工作点调整，使之工作在高效区，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、第一液压泵，3、第二液压泵，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、减速器，10、回转支承，11、转台，12、主溢流阀，13、辅助齿轮，14、液压泵/马达，151、第一离合器，152、第二离合器，16、蓄能器，171、第一液控单向阀，172、第二液控单向阀，173、第三液控单向阀，174、第四液控单向阀，181、第一辅助阀，182、第二辅助阀，19、安全阀，20、减压阀，21、第一控制换向阀，22、第二控制换向阀，23、转速传感器，24、控制器，25、操纵手柄，26、旁通阀，271、第一压力传感器，272、第二压力传感器，273、第三压力传感器。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统，包括原动机1、第一液压泵2、主换向阀4、主溢流阀12、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与第一液压泵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。所述第一液压泵2的出油口P与主换向阀4的P口和主溢流阀12的P口连接，作为优选，所述第一液压泵2的出油口P可以通过单向阀与主换向阀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；其中第一液压泵2的吸油口S、主换向阀4的T口和主溢流阀12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；主溢流阀12用于控制第一液压泵2的最高工作压力。

所述回转马达5依次通过减速器9和回转支承10与转台11连接，减速器9输出端的齿轮通过与回转支承10的齿圈啮合，完成驱动功能。回转马达5的A口通过第一溢流阀（701）与油箱6连接，回转马达5的B口通过第二溢流阀702与油箱6连接；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和第一溢流阀701并联安装，第二补油单向阀802和第二溢流阀702并联安装；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。

还包括与第一液压泵2同轴串联的第二液压泵3、通过第二离合器152与第二液压泵3连接的液压泵/马达14、通过第一离合器151与液压泵/马达14连接的辅助齿轮13、用于控制转台动作的操纵手柄25、串联在回转马达5的A口和B口之间的旁通阀26和用于处理控制信号的控制器24；第一液压泵2为回转作业提供油液供应，第二液压泵3为挖掘机的其他执行机构或其他液压系统提供油液供应。第一离合器151和第二离合器152在通电时吸合，在断电时断开。第一离合器151和第二离合器152的得断电由控制器24进行控制。

第一液压泵2的出油口P还通过减压阀20分别与第一控制换向阀21的P口、第二控制换向阀22的P口连接；第二液压泵3的吸油口S与油箱6连接；

减压阀20的作用是为第一控制换向阀21和第二控制换向阀22提供控制油液。作为一种替代方案，减压阀20的入口也可以与第二液压泵3的出口连接。

液压泵/马达14的A口通过第一液控单向阀171与油箱6连接，液压泵/马达14的A口通过第二液控单向阀172与蓄能器16连接；液压泵/马达14的B口通过第三液控单向阀173与油箱6连接，液压泵/马达14的B口通过第四液控单向阀174与蓄能器16连接；蓄能器16通过第一辅助阀181与第一液压泵2的出油口P连接，蓄能器16通过第二辅助阀182与第二液压泵3的出油口P连接；液压泵/马达4的排量可以与控制器24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。蓄能器16可以是弹簧式、重力式或充气式等任意形式，以进行液压能的储存。

作为优选方案，液压泵/马达4使用变量液压泵/马达。作为一种简化配置，液压泵/马达4也可以使用定量泵/马达。

辅助齿轮13的传动轴的一端与回转支承10的齿圈连接；

第一控制换向阀21的A口同时与第一液控单向阀171和第四液控单向阀174的控制口连通，其T口与油箱6连接；第二控制换向阀22的A口同时与第二液控单向阀172和第三液控单向阀173的控制口连通，其T口与油箱6连接；

在挖掘机底盘上设置有用于监测转台11旋转速度和方向的转速传感器23；在蓄能器16的油口处还连接有第一压力传感器271；

所述控制器24的输入端分别与转速传感器23、第一压力传感器271和操纵手柄25的控制信号输出端连接，控制器24的输出端分别与主换向阀4、旁通阀26、第一离合器151、第二离合器152、第一辅助阀181、第二辅助阀182、液压泵/马达14、第一控制换向阀21和第二控制换向阀22连接。第一辅助阀181和第二辅助阀182均优选为两位两通电磁换向阀。

还包括安全阀19，安全阀19的P口和蓄能器16连接，安全阀19的T口和油箱6连接。

还包括与回转马达5A口连接的第二压力传感器272、与回转马达5B口连接的第三压力传感器273，第二压力传感器272、第三压力传感器273均与控制器24连接。第二压力传感器272和第三压力传感器273分别用于检测回转马达5的A口和B口的油压。

作为系统的一种简化配置，可以省略辅助齿轮13和液压泵/马达14之间的离合器。在需要液压泵/马达14和辅助齿轮13的传动轴脱离联接时，可以通过控制器24使第一控制换向阀21和第二控制换向阀22通电，从而实现液压泵/马达14两个油口的连通，进而达到液压泵/马达14的卸荷。

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24控制第一离合器151和第二离合器152断电，使液压泵/马达14和辅助齿轮13的传动轴脱离连接，同时控制第一辅助阀181和第二辅助阀182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25发出转台正向旋转的控制信号，控制器24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流回油箱。回转马达5的输出轴旋转，从而通过减速机9、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25回中位，控制器24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的动能转化成油液发热的热能。

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的旋转方向可以由转速传感器23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24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24判定转台11处于制动工况。

当转台11需要制动时，操纵手柄25回中位，控制器24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24使第一离合器151吸合，使液压泵/马达14和辅助齿轮13的传动轴联接。同时，控制器24使旁通阀26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13和第一离合器151驱动液压泵/马达14旋转。液压泵/马达14的A口经第一液控单向阀171从油箱6内吸油，其B口排出的高压油液经第四液控单向阀174流入蓄能器16。因此，转台11的动能就经变量泵/马达14转化成了油液的压力能并存储在蓄能器16中。随着转台11旋转速度的下降，其动能越来越少。同时，蓄能器16的压力会随着存储油液的增多而升高，使得液压泵/马达14的需要的驱动扭矩增大。在此过程中，可以通过控制器24适当减小液压泵/马达14的排量，从而液压泵/马达14可以排出更高压力的油液存储到蓄能器16中，提高了能量回收效果。

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27测得蓄能器16内的压力小于主溢流阀12的设定压力时，控制器使第二离合器152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24调整液压泵/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，液压泵/马达14工作在泵工况。油箱6内的油液经第一液控单向阀171进入液压泵/马达14的A口，液压泵/马达14排出的高压油液经第四液控单向阀174流入蓄能器16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、能量再利用模式

无论是通过主动储能模式收集的压力能，还是在回转制动过程中回收的制动能量，都以压力能的形式存储于蓄能器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24使第一辅助阀181得电，蓄能器16内的高压油液可以经第一辅助阀181的P口至A口，与第一液压泵2的油液合流，供给主换向阀4使用。如果原动机1的输出功率小于总功率需求且第二液压泵3对外输出流量时，通过控制器24使第二辅助阀182得电，蓄能器16内的高压油液可以经第二辅助阀182的P口至A口，与第二液压泵3的油液合流。

作为一种替代方案，也可以通过控制器24使第二控制换向阀22得电，蓄能器16内的油液经第二液控单向阀172流入液压泵/马达14的A口，其B口流出的油液经第三液控单向阀173流回油箱6。此时的液压泵/马达14工作在马达模式下，利用储存在蓄能器16内的压力能转化成机械能，和原动机1一起驱动负载工作。在此方案中，蓄能器16内的压力能通过液压泵/马达14转化为机械能，辅助原动机1驱动负载。从能量转化的角度看，此方案比前一方案的能量利用效率低。

五、应急模式

当因为某种原因，原回转系统损坏时，本发明所涉及的系统可以充当应急回转系统。控制器24使旁通阀26得电，从而连通回转马达5的A口和B口。这是为了避免回转马达5在转台11转动时产生阻力。同时，控制器24使第一离合器151吸合。通过第一压力传感器271可以测得蓄能器16内的油液压力。因为蓄能器16的初始充气压力已知，所以可以根据第一压力传感器271的压力值计算出蓄能器16内储存的油液体积。在蓄能器16内油液体积足够的情况下，控制器24使第二控制换向阀22得电，蓄能器16内的油液经第二液控单向阀172流入液压泵/马达14的A口，其B口流出的油液经第三液控单向阀173流回油箱6。此时，液压泵/马达14工作在马达模式下，驱动转台11正向旋转。在此过程中，通过调整液压泵/马达14的排量，可以调整转台11的回转速度。

当转台11需要反向旋转时，控制器24使第一控制换向阀21得电，蓄能器16内的油液经第四液控单向阀174流入液压泵/马达14的B口，其A口流出的油液经第一液控单向阀171流回油箱6。此时的液压泵/马达14工作在马达模式下，利用储存在蓄能器16内的压力能转化成机械能，通过辅助齿轮13、回转支承10驱动转台11反向旋转。

Claims (4)

1.一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统，包括原动机（1）、第一液压泵（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）与第一液压泵（2）同轴连接；所述第一液压泵（2）的出油口P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；其中第一液压泵（2）的吸油口S和主换向阀（4）的T口均与油箱（6）连接；

所述回转马达（5）依次通过减速器（9）和回转支承（10）与转台（11）连接，回转马达（5）的A口通过第一溢流阀（701）与油箱（6）连接，回转马达（5）的B口通过第二溢流阀（702）与油箱（6）连接；所述第一补油单向阀（801）和第一溢流阀（701）并联安装，第二补油单向阀（802）和第二溢流阀（702）并联安装；

其特征在于，还包括与第一液压泵（2）同轴串联的第二液压泵（3）、通过第二离合器（152）与第二液压泵（3）连接的液压泵/马达（14）、通过第一离合器（151）与液压泵/马达（14）连接的辅助齿轮（13）、用于控制转台（11）动作的操纵手柄（25）、串联在回转马达（5）A口和B口之间的旁通阀（26）和用于处理控制信号的控制器（24）；

第一液压泵（2）的出油口P还通过减压阀（20）分别与第一控制换向阀（21）的P口、第二控制换向阀（22）的P口连接；第二液压泵（3）的吸油口S与油箱（6）连接；

液压泵/马达（14）的A口通过第一液控单向阀（171）与油箱（6）连接，液压泵/马达（14）的A口通过第二液控单向阀（172）与蓄能器（16）连接；液压泵/马达（14）的B口通过第三液控单向阀（173）与油箱（6）连接，液压泵/马达（14）的B口通过第四液控单向阀（174）与蓄能器（16）连接；蓄能器（16）通过第一辅助阀（181）与第一液压泵（2）的出油口P连接，蓄能器（16）通过第二辅助阀（182）与第二液压泵（3）的出油口P连接；

辅助齿轮（13）与回转支承（10）连接；

第一控制换向阀（21）的A口同时与第一液控单向阀（171）和第四液控单向阀（174）的控制口连通，其T口与油箱（6）连接；第二控制换向阀（22）的A口同时与第二液控单向阀（172）和第三液控单向阀（173）的控制口连通，其T口与油箱（6）连接；

在挖掘机底盘上设置有用于监测转台（11）旋转速度和方向的转速传感器（23）；在蓄能器（16）的油口处还连接有第一压力传感器（271）；

所述控制器（24）的输入端分别与转速传感器（23）、第一压力传感器（271）和操纵手柄（25）的控制信号输出端连接，控制器（24）的输出端分别与主换向阀（4）、旁通阀（26）、第一离合器（151）、第二离合器（152）、第一辅助阀（181）、第二辅助阀（182）、液压泵/马达（14）、第一控制换向阀（21）和第二控制换向阀（22）连接。

2.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统，其特征在于，还包括安全阀（19），安全阀（19）的P口和蓄能器（16）连接，安全阀（19）的T口和油箱（6）连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统，其特征在于，还包括与回转马达（5）A口连接的第二压力传感器（272）、与回转马达（5）B口连接的第三压力传感器（273），第二压力传感器（272）、第三压力传感器（273）均与控制器（24）连接。

4.根据权利要求3所述的一种液压挖掘机用多模式回转电液控制系统，其特征在于，所述第一液压泵（2）的出油口P通过主溢流阀（12）与油箱（6）连接。

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