CN109797797A - 一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统 - Google Patents

Abstract

一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，液压泵的出油口P通过第一单向阀与主换向阀的P口连接，主换向阀的A口与动臂液压缸的有杆腔连接；主换向阀的B口分别与切换阀的A口、第二单向阀的进油口和第四单向阀的出油口连接，第四单向阀的进油口与第一液压马达的A口连接，第一液压马达的P口、第二单向阀的出油口和切换阀的P口均与动臂液压缸的无杆腔连接；第一液压马达依次通过单向离合器、第一离合器与飞轮的一端连接，飞轮的另一端通过第二离合器与辅助液压泵单元同轴连接；辅助液压泵单元的出油口B与第二液压马达的进油口P连接，第二液压马达与原动机、液压泵同轴连接。该系统能回收动臂的势能，并能将回收的能量用于动臂的提升。

Description

一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统

技术领域

本发明属于液压传动技术领域，具体是一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统。

背景技术

液压挖掘机在各类施工领域广泛应用，液压挖掘机具有油耗高、效率低等缺点，其节能研究迫在眉睫。

图1为当前一种普遍的挖掘机动臂系统结构示意图。其中，动臂100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸4的活塞杆做伸缩运动时，即可带动动臂100做提升和下放动作。挖掘机在工作过程中，动臂升降动作频繁，又由于工作装置和负载质量大，在下降过程中会释放出大量的势能。图2是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图。结合图2可知，上述的能量绝大部分消耗在主换向阀3的阀口上并转换为热能，这不仅造成了能量的浪费和系统的发热，同时，也降低了液压元件的寿命。因此，研究动臂势能回收与再利用问题，对延长设备使用寿命，提高能量利用率具有重要意义。

当前，对于挖掘机动臂势能回收的研究主要集中在电力式(蓄电储能)和液压式(液压储能)两方面。

电力式主要采用液压马达、发电机为能量转化元件，蓄电池和超级电容为储能元件，以实现能量的转换和回收。在系统需要能量时，发电机工作在电动机模式下，驱动液压泵/马达工作在泵模式下，对系统输出液压能。但是动臂下降过程的时间非常短(3～6s)，能量值大，所以功率很大。现有技术的蓄电池难以承受如此大的充电/放电功率。此外，电池的深度充放电寿命很短，约几千次。而超级电容价格极为昂贵，且其占用空间大，因此电力式回收的实用性不强。

液压式能量回收系统以蓄能器为储能元件。其基本工作原理为，当回收系统重力势能时，以高压油液压力能的形式储存于液压蓄能器中；当系统中需要能量时，储存的油液释放出来进入液压系统工作。液压式回收方案利用了蓄能器功率密度大，能吸收压力冲击等优点，但因蓄能器储存能量的密度低，如果需要储存较多能量时会需要较大体积的蓄能器，进而会占用较大的空间，且蓄能器的安装也非常不方便。此外，蓄能器的压力会随着存储油液的增多而上升，对动臂的下落速度造成影响。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，该系统在动臂下放过程中，能将动臂的势能转化为飞轮旋转的机械能，并能进行存储，从而能避免因转化为油液热能造成的能量浪费和液压元器件升温的现象；另外，当动臂需要提升时，飞轮旋转的机械能可以转化为油液的压力能进而能用于动臂提升，能减少对原动机的功率需求，从而减小原动机的型号，该系统具有显著的节能效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，包括原动机、液压泵、主换向阀、动臂液压缸、油箱、用于操纵动臂的操纵手柄和控制器；所述原动机与液压泵同轴连接，液压泵的出油口P通过第一单向阀与主换向阀的P口连接，液压泵的吸油口S与油箱连接，主换向阀的T口和A口分别与油箱和动臂液压缸的有杆腔连接；

主换向阀的A口与动臂液压缸的有杆腔相连的油路上设置有压力传感器，主换向阀的B口分别与切换阀的A口、第二单向阀的进油口和第四单向阀的出油口连接，第四单向阀的进油口与第一液压马达的A口连接，第一液压马达的P口、第二单向阀的出油口和切换阀的P口均与动臂液压缸的无杆腔连接；

第一液压马达的输出轴与单向离合器的输入端连接，单向离合器的输出端通过第一离合器与飞轮一端的转轴连接，飞轮另一端的转轴通过第二离合器与辅助液压泵单元同轴连接；

所述辅助液压泵单元由辅助液压泵和电比例溢流阀组成，辅助液压泵的控制口X通过电比例溢流阀与油箱连接，辅助液压泵为恒压变量泵，辅助液压泵单元的吸油口S与油箱连接，辅助液压泵单元的出油口B与第二液压马达的进油口P连接，第二液压马达的出油口A与油箱连接，第二液压马达与原动机、液压泵同轴连接，第二液压马达和液压泵之间依次串接有第三变速器和第三离合器；

所述控制器的输入端与操纵手柄的输出端和压力传感器连接，所述控制器的输出端分别与主换向阀、切换阀、第一离合器、第二离合器、第三离合器、液压泵、第一液压马达、

第二液压马达和辅助液压泵单元中的电比例溢流阀连接。

进一步，为了方便改变传动比，所述单向离合器与第一离合器之间还串接有第一变速器；所述第二离合器与辅助液压泵单元之间还串接有第二变速器。

进一步，所述切换阀为两位两通电液换向阀或两位两通电磁换向阀；当电磁铁不得电时，其P口与A口封闭；当电磁铁得电时，其P口与A口导通。

进一步，所述第一液压马达为变量马达或定量马达。

进一步，所述第二液压马达为变量马达或定量马达。

本发明在动臂下降的过程中，通过第一液压马达进行能量的转化并存储于飞轮中，避免了动臂下降过程中能量的浪费。同时，本方案还能再次将储存的能量反馈于液压系统中。动臂需要提升时，飞轮驱动辅助液压泵能使储存的能量通过辅助液压泵单元和第二液压马达转化成机械能辅助原动机驱动液压泵工作，用于动臂提升过程。通过控制器控制离合器的吸合或断开来控制充能或放能过程，能更便捷、高效地控制能量的转化或再利用过程。切换阀的设置能自动地判断出动臂下放过程是否有能量能进行回收，在动臂液压缸的有杆腔压力升高后，可自动地切换并导通内部油路，以使动臂液压缸无杆腔的油液不再经过液压马达而直接流回油箱，在动臂液压缸的有杆腔压力较低时，切换阀内部油路始终处于断开状态，以使动臂液压缸无杆腔的油液经过液压马达，以进行动臂下落过程中能量的回收。第二离合器和辅助液压泵单元的设置，能便于飞轮回收能量的再利用，辅助液压泵单元排出的高压油液供给第二液压马达，输出机械能辅助原动机工作，达到降低原动机功率的目的，减少了能量消耗。第二单向阀和第四单向阀的设置，能保证主换向阀的B口排出的油液不会驱动液压马达旋转，而会全部进入动臂液压缸的无杆腔内。本发明利用第二液压马达与原动机组成一种扭矩耦合式方案，实现了回收能量的再利用。该系统能减少对原动机的功率需求，使系统选用更小型号的原动机，具有显著的节能效果。

附图说明

图1是现有技术中挖掘机的结构示意图；

图2是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图；

图3是本发明中的液压原理图；

图4是本发明中辅助液压泵单元的液压原理图；

图5是本发明中飞轮储能单元的另一种实施方案的简化原理图。

图中：1、液压泵，2、第一单向阀，3、主换向阀，4、动臂液压缸，5、油箱，6、原动机，7、第一液压马达，8、飞轮，9、第一离合器，10、单向离合器，11、第二离合器，12、辅助液压泵单元，121、辅助液压泵，122、电比例溢流阀，13、切换阀，14、第二单向阀，15、压力传感器，17、第一变速器，18、第二变速器，21、第四单向阀，22、控制油路，23、第二液压马达，24、第三离合器，25、第三变速器，100、动臂，200、转台。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，包括原动机6、液压泵1、主换向阀3、动臂液压缸4、油箱5、用于操纵动臂的操纵手柄和控制器；所述原动机6与液压泵1同轴连接，液压泵1的出油口P通过第一单向阀2与主换向阀3的P口连接，液压泵1的吸油口S与油箱5连接，主换向阀3的T口和A口分别与油箱5和动臂液压缸4的有杆腔连接；

主换向阀3的A口与动臂液压缸4的有杆腔相连的油路上设置有压力传感器15，用于测量动臂液压缸4有杆腔的工作压力，主换向阀3的B口分别与切换阀13的A口、第二单向阀14的进油口和第四单向阀21的出油口连接，第四单向阀21的进油口与第一液压马达7的A口连接，第一液压马达7的P口、第二单向阀14的出油口和切换阀13的P口均与动臂液压缸4的无杆腔连接；

第一液压马达7的输出轴与单向离合器10的输入端连接，单向离合器10的输出端通过第一离合器9与飞轮8一端的转轴连接，飞轮8另一端的转轴通过第二离合器11与辅助液压泵单元12同轴连接；

如图4所示，所述辅助液压泵单元12由辅助液压泵121和电比例溢流阀122组成，辅助液压泵121的控制口X通过电比例溢流阀122与油箱5连接，辅助液压泵121为恒压变量泵，其恒压工作压力可以通过其控制口外接溢流阀进行调整，电比例溢流阀122可以接受电信号，通过电信号可以成比例地调整电比例溢流阀122的设定压力，进而调整所述辅助液压泵121的恒压控制压力。辅助液压泵单元12的吸油口S与油箱5连接，辅助液压泵单元12的出油口B与第二液压马达23的进油口P连接，第二液压马达23的出油口A与油箱5连接，第二液压马达23与原动机6、液压泵1同轴连接，第二液压马达23和液压泵1之间依次串接有第三变速器25和第三离合器24；

所述控制器的输入端与操纵手柄的输出端和压力传感器15连接，所述控制器的输出端分别与主换向阀3、切换阀13、第一离合器9、第二离合器11、第三离合器24、液压泵1、第一液压马达7、第二液压马达23和辅助液压泵单元12中的电比例溢流阀122连接。

为了方便地改变传动比，所述单向离合器10与第一离合器9之间还串接有第一变速器17；所述第二离合器11与辅助液压泵单元12之间还串接有第二变速器18。

所述切换阀13为两位两通电液换向阀或两位两通电磁换向阀,作为一种优选，切换阀13采用两位两通电液换向阀，在流量较小的液压系统中，切换阀13也可以采用两位两通电磁换向阀；当电磁铁不得电时，其P口与A口封闭；当电磁铁得电时，其P口与A口导通。

所述第一液压马达7为变量马达或定量马达。

所述第二液压马达23为变量马达或定量马达。

工作原理：

结合图3，对系统的工作原理做进一步的说明。

1.1动臂下放过程(动臂势能回收)：

控制器(未画出)收到操纵手柄(未画出)发出的动臂下放的指令后，使主换向阀3的电磁铁Y1b得电，第一离合器9得电吸合。结合图3，液压泵1排出的油液经第一单向阀2，主换向阀3的P口至A口，进入动臂液压缸4的有杆腔。由于动臂液压缸4上作用有动臂等负载，动臂液压缸4的有杆腔的压力很小。动臂液压缸4无杆腔内的高压油液流入第一液压马达7的P口，低压油液经其A口流出后经主换向阀3的B口至T口流回油箱。第一液压马达7输出机械能，经单向离合器10和第一离合器9，驱动飞轮8加速旋转。因此，动臂势能转化成飞轮8的机械能。通过合理控制液压马达7的排量，具体通过控制器来控制，即可调整动臂液压缸4的负载的下放速度。动臂液压缸4排出的高压油液具有的压力能，大部分经液压马达7转化成了飞轮8的机械能，消耗在主换向阀3的阀口上的能量很少。

当由于某些原因，例如铲斗触地等，动臂不能继续依靠重力下放时，动臂必须在动臂液压缸4的带动下才能继续向下运动。此时，液压泵1要为动臂液压缸4有杆腔提供高压油液，无杆腔的油液也不再具有很高的压力。这意味着此时动臂没有可以回收的势能。进入动臂液压缸4有杆腔的油液压力升高后，压力传感器15的信号送至控制器(未画出)。当动臂液压缸4有杆腔的压力超过一定值后，控制器使切换阀13的电磁铁得电，切换阀13工作在左位，P口与A口导通。这样，动臂液压缸4无杆腔的油液就不再流向液压马达7，而是经切换阀13的P口至A口，主换向阀3的B口至T口流回油箱5。此时，液压马达7不再回收动臂势能。

1.2动臂提升过程(能量再利用)

控制器(未画出)收到操纵手柄发出的动臂提升的指令后，使主换向阀3的电磁铁Y1a得电，主换向阀3工作在右位，液压泵1提供的油液经第一单向阀2，主换向阀3的P口至B口，第二单向阀14进入动臂液压缸4的无杆腔，其有杆腔的油液经主换向阀3的A口至T口流回油箱5。动臂液压缸4的活塞杆伸出，对应图1中动臂提升动作。同时，控制器(未画出)使第二离合器11和第三离合器24吸合，飞轮8通过第二离合器11驱动辅助液压泵121工作。辅助液压泵121排出的油液流入第二液压马达23的P口。因为辅助液压泵121排出的油液具有一定的压力，第二液压马达23可以通过第三变速器25和第三离合器24驱动液压泵1工作，相当于降低了液压泵1对原动机6的功率需求，降低了能量消耗。控制器可以根据系统需要，调整电比例溢流阀122的控制电流大小，从而实现对辅助液压泵121工作压力的调节。辅助液压泵121的工作压力与第二液压马达23的排量大小就决定了飞轮8对液压泵1输出功率的大小。进一步，在设备的设计阶段，可以适当选用较小的原动机型号，减小设备的体积和重量。

由于设置了第二单向阀14和第四单向阀21，主换向阀3的B口排出的油液不会驱动液压马达7旋转，会全部进入动臂液压缸4的无杆腔内。

在以上的实施例中，为了提高飞轮8的转速，以提高系统的能量存储密度，可以在所述的单向离合器10和第一离合器9之间增设第一变速器17，如图5所示。同理，在能量再利用传动链上，为了使飞轮8和辅助液压泵12的速度匹配，在第二离合器11和辅助液压泵12之间增设第二变速器18。所述的第一和第二变速器可以为无级变速传动装置。作为一种简化，也可以使用有级或固定传动比的传动装置。但是，这样会降低系统的能量回收和再利用效率。

Claims (5)

1.一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，包括原动机(6)、液压泵(1)、主换向阀(3)、动臂液压缸(4)、油箱(5)和用于操纵动臂的操纵手柄，所述原动机(6)与液压泵(1)同轴连接，液压泵(1)的出油口P通过第一单向阀(2)与主换向阀(3)的P口连接，液压泵(1)的吸油口S与油箱(5)连接，主换向阀(3)的T口和A口分别与油箱(5)和动臂液压缸(4)的有杆腔连接，其特征在于，还包括控制器；

主换向阀(3)的A口与动臂液压缸(4)的有杆腔相连的油路上设置有压力传感器(15)，主换向阀(3)的B口分别与切换阀(13)的A口、第二单向阀(14)的进油口和第四单向阀(21)的出油口连接，第四单向阀(21)的进油口与第一液压马达(7)的A口连接，第一液压马达(7)的P口、第二单向阀(14)的出油口和切换阀(13)的P口均与动臂液压缸(4)的无杆腔连接；

第一液压马达(7)的输出轴与单向离合器(10)的输入端连接，单向离合器(10)的输出端通过第一离合器(9)与飞轮(8)一端的转轴连接，飞轮(8)另一端的转轴通过第二离合器(11)与辅助液压泵单元(12)同轴连接；

所述辅助液压泵单元(12)由辅助液压泵(121)和电比例溢流阀(122)组成，辅助液压泵(121)的控制口X通过电比例溢流阀(122)与油箱(5)连接，辅助液压泵(121)为恒压变量泵，辅助液压泵单元(12)的吸油口S与油箱(5)连接，辅助液压泵单元(12)的出油口B与第二液压马达(23)的进油口P连接，第二液压马达(23)的出油口A与油箱(5)连接，第二液压马达(23)与原动机(6)、液压泵(1)同轴连接，第二液压马达(23)和液压泵(1)之间依次串接有第三变速器(25)和第三离合器(24)；

所述控制器的输入端与操纵手柄的输出端和压力传感器(15)连接，所述控制器的输出端分别与主换向阀(3)、切换阀(13)、第一离合器(9)、第二离合器(11)、第三离合器(24)、液压泵(1)、第一液压马达(7)、第二液压马达(23)和辅助液压泵单元(12)中的电比例溢流阀(122)连接。

2.根据权利要求1所述的一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，所述单向离合器(10)与第一离合器(9)之间还串接有第一变速器(17)；所述第二离合器(11)与辅助液压泵单元(12)之间还串接有第二变速器(18)。

3.根据权利要求1或2所述的一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，所述切换阀(13)为两位两通电液换向阀或两位两通电磁换向阀；当电磁铁不得电时，其P口与A口封闭；当电磁铁得电时，其P口与A口导通。

4.根据权利要求3所述的一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，所述第一液压马达(7)为变量马达或定量马达。

5.根据权利要求3所述的一种扭矩耦合式挖掘机动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，所述第二液压马达(23)为变量马达或定量马达。