CN109083894A - 一种电液复合的动臂能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供一种电液复合的动臂能量回收系统，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。平衡油缸无杆腔通过控制阀与液压蓄能器相连。当动臂下降时，平衡油缸无杆腔中的高压油流进液压蓄能器中，将动臂下放过程中的部分势能和动能转化成液压能进行存储。当动臂上升时，液压蓄能器中的高压油流进平衡油缸无杆腔驱动动臂活塞上升。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

一种电液复合的动臂能量回收系统

技术领域

本发明专利涉及一种能量回收系统，尤其是一种电液复合的动臂能量回收系统。

背景技术

随着社会发展，大气污染和能源紧缺等问题日益凸显。为改善空气质量提高能源利用率，众多国际组织、机构先后推出严格的发动机尾气排放限制法规，各政府部门倡导开发与推广节能减排技术。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，但由于其低效率、高排放引起了工业界与学术界的高度关注。目前，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有效的节能方案。

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连接液压马达-发电机将机械能转化为液压能再转化成电能进行能量存储来实现。动臂下放的速度通过液压马达-发电机的转速或通过液压马达-发电机和比例换向阀复合控制实现。其中，采用液压马达-发电机控制动臂下放速度往往存在控制特性差的问题。而采用液压马达-发电机和比例换向阀复合控制虽然可以较好的解决操控性问题，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机械能-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，且采用液压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；且只有当液压蓄能器内压力高于其外部压力时才能实现能量释放。2)在能量回收过程中，液压蓄能器的压力将逐渐升高，这必然会影响执行器的操控性。3)在能量再利用时，由于液压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，液压蓄能器的内部压力将逐渐减小，为有效控制液压蓄能器的释放压力，需在液压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能源转化元件为电机。传统平衡油缸能量回收方案仍是采用平衡油缸-液压马达-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，这也必然存在利用液压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，尤其是一种电液复合的动臂能量回收系统。

为实现上述目的，本发明专利采用如下技术方案：

一种电液复合的动臂能量回收系统，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、液压蓄能器、2/2 换向阀、第一3/4换向阀、第二3/4换向阀、直线转旋转运动副、电动-发电机、电动-发电机控制器、电动机控制器以及电储能单元；

所述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口与原驱动油缸的无杆腔相连，B口与原驱动油缸的有杆腔和第一3/4换向阀P口相连；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；

所述平衡油缸的无杆腔与第二3/4换向阀A口相连，平衡油缸的有杆腔与第二3/4换向阀B口相连；第二3/4换向阀的P口与2/2换向阀A口相连，第二3/4换向阀的T口与第一3/4换向阀的A口相连；2/2换向阀B口与液压蓄能器相连；第一3/4换向阀的T口接油箱；

所述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。

在一较佳实施例中，电动-发电机与电动-发电机控制器相连，电动-发电机控制器与电储能单元相连；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。

在一较佳实施例中，电动机与电动机控制器相连，电动机控制器与电储能单元相连；电动机控制器与控制器相连，由控制器向电动机发布控制指令。

在一较佳实施例中，多路阀、第一和第二3/4换向阀、2/2换向阀、电储能单元等的控制信号均由控制器提供。

在一较佳实施例中，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。

采用上述技术方案，本发明专利具有以下有益效果：

本发明提供了一种电液复合的动臂能量回收系统，利用直线转旋转运动副、平衡油缸和原驱动油缸协同工作来承担动臂作用力，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；平衡油缸利用液压蓄能器将动臂下放过程中，油缸高压油腔的高压油进行存储。为保证动臂下放的操控性，使其不受液压蓄能器内液压油压力变化的影响。利用直线转旋转运动副和电动-发电机来控制动臂下放的速度，同时将部分动臂的势能、动能转化为电能进行存储。当动臂上升时，液压蓄能器中的液压油流进平衡油缸的无杆腔推动平衡油缸上升，同时利用直线转旋转运动副和电动-发电机控制油缸活塞上升速度，将电能转化成机械能，与原驱动油缸协同工作驱动动臂上升。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，能量存储和释放的过程压力不受控制的弊端。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，此时可以通过液压蓄能器接平衡油缸的无杆腔，利用液压蓄能器内的液压油推动动臂的同时，控制电动-发电机的转矩通过直线转旋转运动副协同驱动负载运动，从而可以使液压泵驱动电动机怠速运行，降低能量消耗。平衡油缸、液压蓄能器与电动-发电机的加入，不仅能对动臂势能进行回收和再利用，减少能量流转化路径，且在此过程中，原动臂的操控性不变。

附图说明

图1是一种电液复合的动臂能量回收系统原理图。

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-电储能单元；12-电动机控制器；13-动臂先导控制手柄；14-2/2换向阀； 15-第一3/4换向阀；16-液压蓄能器；17-第二3/4换向阀；A、B、P、T分别表示换向阀的四个工作油口

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1，一种电液复合的动臂能量回收系统，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、液压蓄能器16、2/2换向阀14、第一3/4换向阀15、第二3/4换向阀 17、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以及电储能单元11；

所述液压泵2与电动机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的无杆腔相连，B口与原驱动油缸6的有杆腔和第一3/4换向阀15P口相连；多路阀4A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；

所述平衡油缸7的无杆腔与第二3/4换向阀17A口相连，平衡油缸7的有杆腔与第二3/4换向阀17B口相连；第二3/4换向阀17的P口与2/2换向阀 14A口相连，第二3/4换向阀17的T口与第一3/4换向阀15的A口相连；2/2 换向阀14B口与液压蓄能器16相连；第一3/4换向阀15的T口接油箱；

所述平衡油缸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7筒与电动-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与电储能单元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。电动机1与电动机控制器12相连，电动机控制器12与电储能单元11相连；电动机控制器12与控制器5相连，由控制器5 向电动机1发布控制指令。多路阀4、第一和第二3/4换向阀17、2/2换向阀 14、电储能单元11等的控制信号均由控制器5提供。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。

下面根据本实施例一种电液复合的动臂能量回收系统的不同工作阶段作进一步说明。

当动臂操作手柄处于中位时，图示各阀均处于图1所示的位置。

(1)动臂下降能量回收：

当动臂操作手柄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44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输出信号使2/2换向阀14处于上位工作，此时油口A与B相通。控制器5输出信号使第一3/4换向阀15处于上位工作，此时油口P与A相通，油口T与B相通。控制器5输出信号使第二3/4 换向阀17处于上位工作，此时油口P与A相通，油口T与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输出的液压油部分进入到动臂原驱动油缸6，部分液压油经第一3/4换向阀15和第二3/4换向阀17进入平衡油缸7的上腔即有杆腔，动臂原驱动油缸6的下腔即无杆腔通过多路阀4的阀口A经阀口T回油箱，平衡油缸7的下腔即无杆腔通过第二3/4换向阀17和2/2换向阀14流进液压蓄能器16，动臂下放；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电储能单元11中。与原驱动系统相比，由于平衡油缸7、液压蓄能器16和电动-发电机9的存在，利用液压蓄能器16存储平衡油缸7的无杆腔中的高压油，同时通过调整电动-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，因而造成了原驱动系统的节流损失；同时与利用液压蓄能器16回收重力势能的系统相比，不会出现由于动臂的下降，液压蓄能器16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：

当动臂操作手柄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输出信号使2/2换向阀14处于上位工作，此时油口A与B相通。控制器5输出信号使第一3/4换向阀15处于下位工作，此时油口P与B相通，油口T与A相通。控制器5输出信号使第二3/4 换向阀17处于上位工作，此时油口P与A相通，油口T与A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11带动液压泵2输出的液压油进入到动臂原驱动油缸6的下腔即无杆腔。动臂原驱动油缸6的上腔即有杆腔通过多路阀4的油口B经阀口T回油箱。液压蓄能器16中的液压油通过2/2 换向阀14和第二3/4换向阀17流进平衡油缸7的下腔即无杆腔，驱动平衡油缸7的活塞上升，实现回收液压能的释放。平衡油缸7的上腔即有杆腔通过第二3/4换向阀17和第一3/4换向阀15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。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7、液压蓄能器16、直线转旋转运动副8以及电动-发电机9，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，但是需要油缸上腔即有杆腔提供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。

而在本发明专利中，可通过控制器55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。液压泵2输出的液压油经过多路阀4进入动臂原驱动油缸6上腔即有杆腔，动臂原驱动油缸6的下腔即无杆腔中的液压油通过多路阀4回油箱。控制器5输出信号使2/2换向阀14处于上位工作，此时油口A与B相通。控制器55输出信号使第一3/4换向阀15处于下位工作，此时油口P与B相通，油口T与A相通。控制器5输出信号使第二3/4换向阀17处于下位工作，此时油口P与B相通，油口T与A相通。液压蓄能器16中的高压油通过2/2换向阀14和第二3/4换向阀17流入平衡油缸77的上腔即有杆腔，平衡油缸7的下腔即无杆腔中的液压油通过第二3/4 换向阀17和第一3/4换向阀15回油箱。同时，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7活塞产生下降的驱动力进一步促使动臂向下挖掘。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。由于动臂在挖掘过程中，由平衡油缸7提供主要驱动力，液压泵2仅对动臂原驱动油缸6的有杆腔进行补油，因而降低液压泵2的功率输出。

在挖掘模式时，由于液压蓄能器16和电动-发电机9为平衡油缸7提供了挖掘所需的作用力，使液压泵2液压油仅对动臂原驱动油缸6的有杆腔进行补油，避免了大量的溢流损失且降低了液压泵2的输出功率，提高了能量的利用率。并且在此过程中，储存在液压蓄能器16中的液压能和储存在电储能单元 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，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (5)

1.一种电液复合的动臂能量回收系统，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、液压蓄能器、2/2换向阀、第一3/4换向阀、第二3/4换向阀、直线转旋转运动副、电动-发电机、电动-发电机控制器、电动机控制器以及电储能单元；

所述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口与原驱动油缸的无杆腔相连，B口与原驱动油缸的有杆腔和第一3/4换向阀P口相连；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；

所述平衡油缸的无杆腔与第二3/4换向阀A口相连，平衡油缸的有杆腔与第二3/4换向阀B口相连；第二3/4换向阀的P口与2/2换向阀A口相连，第二3/4换向阀的T口与第一3/4换向阀的A口相连；2/2换向阀B口与液压蓄能器相连；第一3/4换向阀的T口接油箱；

所述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。

2.根据权利要求1所述的一种电液复合的动臂能量回收系统，其特征在于，电动-发电机与电动-发电机控制器相连，电动-发电机控制器与电储能单元相连；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。

3.根据权利要求1所述的一种电液复合的动臂能量回收系统，其特征在于，电动机与电动机控制器相连，电动机控制器与电储能单元相连；电动机控制器与控制器相连，由控制器向电动机发布控制指令。

4.根据权利要求1所述的一种电液复合的动臂能量回收系统，其特征在于，多路阀、第一和第二3/4换向阀、2/2换向阀、电储能单元等的控制信号均由控制器提供。

5.如权利要求1所述的一种电液复合的动臂能量回收系统，其特征在于，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。