CN108953309A - 一种能量回收和再利用液压系统 - Google Patents

Abstract

一种能量回收和再利用液压系统，主换向阀分别与回转马达和高压切换阀相并联；回转马达通过回转支承和转台连接；高压切换阀的上位、下位控制口分别与回转马达的A口、B口连接；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口与高压切换阀的C口连接，还通过第三补油单向阀与油箱连接；第一液压泵/马达的B口分别与第一蓄能器和辅助阀的P口连接，还通过第四补油单向阀与油箱连接，辅助阀的A口通过汇流单向阀与主换向阀的P口连接；第二液压泵/马达的A口与第二蓄能器连接，还通过第五补油单向阀与油箱连接，第二液压泵/马达的B口与油箱连接。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。

Description

一种能量回收和再利用液压系统

技术领域

本发明属于液压传动技术领域，具体涉及一种能量回收和再利用液压系统。

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，本发明提供一种能量回收和再利用液压系统，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，能减少挖掘机能量的消耗，有助于提高液压系统的能量利用效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种能量回收和再利用液压系统，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；

还包括高压切换阀、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；

高压切换阀的A口和上位控制口均与回转马达的A口连接；高压切换阀的B口和下位控制口均与回转马达的B口连接；

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口分别与高压切换阀的C口和第三补油单向阀的出油口连接，第三补油单向阀的进油口与油箱连接；第一液压泵/马达的B口分别与第一蓄能器、第四补油单向阀的出油口和辅助阀的P口连接，第四补油单向阀的进油口与油箱连接，辅助阀的A口通过汇流单向阀与主换向阀的P口连接；第二液压泵/马达的A口分别与第二蓄能器、第五补油单向阀的出油口连接，第五补油单向阀的进油口与油箱连接，第二液压泵/马达的B口与油箱连接；

控制器的输入端与操纵手柄的控制信号输出端连接，其输出端分别与主换向阀、辅助阀连接。

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，再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。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，在需要的时候可以通过调小液压泵/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/马达均为变量泵/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，为了避免第一液压泵/马达的B口的油压过高，还包括第四溢流阀，第一液压泵/马达的B口通过第四溢流阀和油箱连接。

进一步，为了避免第二液压泵/马达的A口的油压过高，还包括第五溢流阀，第二液压泵/马达的A口通过第五溢流阀和油箱连接。

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。

进一步，为了避免第一液压泵/马达的A口的油压过高，第一液压泵/马达的A口通过第三溢流阀与油箱连接。

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，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、高压切换阀，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，171、第三补油单向阀，172、第四补油单向阀，18、辅助阀，19、第四溢流阀，20、汇流单向阀，21、第二蓄能器，22、第五溢流阀，23、第五补油单向阀。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种能量回收和再利用液压系统，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。防止回转马达5出现吸空现象。

还包括高压切换阀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；

高压切换阀9的A口和上位控制口均与回转马达5的A口连接；高压切换阀9的B口和下位控制口均与回转马达5的B口连接；

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口分别与高压切换阀9的C口和第三补油单向阀171的出油口连接，第三补油单向阀171的进油口与油箱6连接；第一液压泵/马达13的B口分别与第一蓄能器16、第四补油单向阀172的出油口和辅助阀18的P口连接，第四补油单向阀172的进油口与油箱连接，辅助阀18的A口通过汇流单向阀20与主换向阀4的P口连接；第二液压泵/马达14的A口分别与第二蓄能器21、第五补油单向阀23的出油口连接，第五补油单向阀23的进油口与油箱6连接，第二液压泵/马达14的B口与油箱6连接；第一蓄能器16和第二蓄能器21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。

控制器的输入端与操纵手柄的控制信号输出端连接，其输出端分别与主换向阀4、辅助阀18连接。

进一步，在需要的时候可以通过调小液压泵/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21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也可以使用定量泵/马达。

还包括第四溢流阀19，第一液压泵/马达13的B口通过第四溢流阀19和油箱6连接。

还包括第五溢流阀22，第二液压泵/马达14的A口通过第五溢流阀22和油箱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。

第一液压泵/马达13的A口通过第三溢流阀15与油箱6连接。

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、正常工作过程：

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。

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、能量回收过程

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。

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，第二溢流阀702的设定压力大于高压切换阀9的下位控制口的动作压力，回转马达5的B口的油液作用于高压切换阀9的下位控制口，油箱6内的油液经第一补油单向阀801补充进回转马达5的油口A，并由其B口排出，在此过程中，高压切换阀9工作在下位，回转马达5的B口的高压油液通过高压切换阀9的B口、C口进入第一液压泵/马达13的A口，第一液压泵/马达13工作在马达模式，第一液压泵/马达13的B口排出的油液充入第一蓄能器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21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21和第一蓄能器16的压力会随着存储油液的增多而升高，使得第一液压泵/马达13和第二液压泵/马达14的需要的驱动扭矩增大。在此过程中，可以通过控制器适当减小使得第一液压泵/马达13和第二液压泵/马达14的排量，从而使得第一液压泵/马达13、第二液压泵/马达14可以排出更高压力的油液存储到第一蓄能器16、第二蓄能器21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。随着转台11旋转速度的下降，其动能越来越少。高压切换阀9的下位控制口的油压逐渐降低，高压切换阀9渐渐工作在中位，其A口和B口均截止。

对于转台11反向运动的工作原理，与正向运动不同的是回转马达5的A口的高压油液作用于高压切换阀9的上位控制口，使高压切换阀9工作在上位，故回转马达5的A口的高压油液依次经过高压切换阀9的A口、C口进入第一液压泵/马达13的A口，与其正向运动的工作原理基本一致，故不再赘述。

三、二次蓄压过程

在转台11正常工作过程中，由于液压泵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，并且回转马达5的回油经其B口排出，经主换向阀4的T口流回油箱。因而，回转马达5的A口和B口的压力小于高压切换阀9控制弹簧的等效压力，辅助控制阀9始终工作在中位，其A口和B口均处于截止状态。在该状态下，在能量回收过程中储存在第二蓄能器21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，第二液压泵/马达14带动第一液压泵/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口因吸油而出现负压，进而第三补油单向阀171打开并向第一液压泵/马达13的A口补入油液，第一液压泵/马达13的B口排出的油液进入第一蓄能器16中进行液压能的存储，从而完成第一蓄能器16的二次蓄能的过程。

四、能量再利用过程

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可以经辅助阀18的P口至A口，经回流单向阀20、与回转液压泵2的油液合流，供给主换向阀4使用。如此，储存在第一蓄能器16内的压力能得到了再利用。

作为一种优选，高压切换阀9的切换压力值与原系统(所谓原系统，意思是指没有能量回收的老系统。)中的第一溢流阀701和第二溢流阀702的设定压力相近，且小于本方案中的第一溢流阀701和第二溢流阀702的压力。这样不仅能使转台11制动的力矩与原回转系统的制动力矩相似，而且还能保证制动时高压油液能经过高压切换阀9顺利进入蓄能器。

Claims (6)

1.一种能量回收和再利用液压系统，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，还包括高压切换阀(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；

高压切换阀(9)的A口和上位控制口均与回转马达(5)的A口连接；高压切换阀(9)的B口和下位控制口均与回转马达(5)的B口连接；

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口分别与高压切换阀(9)的C口和第三补油单向阀(171)的出油口连接，第三补油单向阀(171)的进油口与油箱(6)连接；第一液压泵/马达(13)的B口分别与第一蓄能器(16)、第四补油单向阀(172)的出油口和辅助阀(18)的P口连接，第四补油单向阀(172)的进油口与油箱(6)连接，辅助阀(18)的A口通过汇流单向阀(20)与主换向阀(4)的P口连接；第二液压泵/马达(14)的A口分别与第二蓄能器(21)、第五补油单向阀(23)的出油口连接，第五补油单向阀(23)的进油口与油箱(6)连接，第二液压泵/马达(14)的B口与油箱(6)连接；

控制器的输入端与操纵手柄的控制信号输出端连接，其输出端分别与主换向阀(4)、辅助阀(18)连接。

2.根据权利要求1所述的一种能量回收和再利用液压系统，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(21)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所述的一种能量回收和再利用液压系统，其特征在于，还包括第四溢流阀(19)，第一液压泵/马达(13)的B口通过第四溢流阀(19)和油箱(6)连接。

4.根据权利要求3所述的一种能量回收和再利用液压系统，其特征在于，还包括第五溢流阀(22)，第二液压泵/马达(14)的A口通过第五溢流阀(22)和油箱(6)连接。

5.根据权利要求4所述的一种能量回收和再利用液压系统，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。

6.根据权利要求5所述的一种能量回收和再利用液压系统，其特征在于，第一液压泵/马达(13)的A口通过第三溢流阀(15)与油箱(6)连接。