CN109914519B - 一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置 - Google Patents
一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，包括节能装置和动臂油缸，节能装置包括四口液压变压器、二通比例节流阀、二位三通换向阀、常闭电磁阀、蓄能器和控制器，本发明的节能装置能将挖掘机动臂下降过程中重力势能转化的液压能存储到蓄能器中，并可在不影响挖掘机操纵性和动臂运动稳定性的前提下，将蓄能器内存储的能量释放，经四口液压变压器变压后，用于挖掘机动臂举升工况，避免了原液压系统中动臂下降时油液经液压阀而产生的节流损失，提高了液压系统的效率。
Description
技术领域
本发明涉及液压传动与控制系统中的节能装置，尤其涉及一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置。
背景技术
目前液压挖掘机在采矿、清理河道、基础设施建设等方面有着非常广泛的应用，但是其存在能耗高，液压系统效率低等问题。能量回收研究是液压挖掘机等工程机械领域的热点问题之一，在液压挖掘机典型工况中，动臂的可回收能量约占整机总可回收能量的40％以上，是进行能量回收的首选对象。
由于挖掘机在工作过程中，动臂需要频繁举升和下落，动臂下落时，在没有势能回收装置的系统中动臂的势能经过阀口节流作用转化为热能，不仅浪费能量，还会使液压油质量变差。
现有的挖掘机液能回收装置有的采用发电—储能—电动释放的方式，装置复杂，能量转化环节多，回收效率低下；液压式回收大部分采用定量马达和变量泵对拖的方案，结构复杂，体积大，重量较重，成本高，还有采用新型液压变压器，由于其自身结构及原理决定，在改变变压比的同时流量也发生变化，对挖掘机的操控性能产生影响，并导致执行元件运动不稳定。液压挖掘机在工作时，大质量动臂举升时产生的势能在其下降时经液压阀口节流转化为热能耗散，不仅浪费能源导致挖掘机液压系统效率低下，还使得液压油温度升高，为防止油液因过热而导致粘度下降而无法使用，需另加大规格冷却装置降温，增加了液压挖掘机的装机成本和工作功率。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：为提高液压挖掘机的能量利用率，减轻日益严重的环境问题，本发明的目的是提供一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，根据各压力传感器测得的压力值，通过控制器控制相应的电磁阀动作，将本发明的节能装置切入液压回路，并通过控制器调节伺服电机，改变四口液压变压器配流盘的控制角，从而改变其变压比，使挖掘机动臂下降过程中重力势能转换的液压能储存到蓄能器中，当蓄能器内存储的能量达到设定值时，通过控制器控制相应的电磁阀及二通比例节流阀，在不影响挖掘机操控性和动臂运动稳定性的前提下，将蓄能器内存储的能量释放，经四口液压变压器后用于挖掘机动臂举升工况，避免了原液压系统中动臂下降时油液经液压阀而产生的节流损失，提高了液压系统的效率，很大程度上避免了因油液温度升高而导致系统发热的现象，降低了系统配备的散热器设备的规格，具有明显的节能效果。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，其特征在于：包括接入挖掘机液压系统中具有三个工作油口(J1、J2、J3)的节能装置和动臂油缸，液压系统具有两个工作油口(U1、D1)，工作油口U1接动臂油缸的活塞杆腔和J3口，工作油口D1接J2口，动臂油缸的活塞腔接J1口；所述节能装置包括四口液压变压器、二通比例节流阀、二位三通换向阀、常闭电磁阀、蓄能器和控制器，该控制器根据挖掘机工况将节能装置切换至需回收动臂下降势能的液压回路中，当动臂开始下降瞬间且蓄能器压力未达到存储最高压力时，控制器控制对应的二位三通换向阀和常闭电磁阀使得动臂油缸活塞腔的回液油从J1口直接流入油箱；当动臂下降趋于匀速且蓄能器压力未达到存储最高压力时，控制器控制对应的二通比例节流阀、二位三通换向阀和常闭电磁阀并调节四口液压变压器得到所需变压比，使得动臂油缸活塞腔的回液油从J1口流入，经四口液压变压器变压后输送至蓄能器存储；当蓄能器压力达到存储最高压力时，控制器控制对应的二通比例节流阀、二位三通换向阀和常闭电磁阀并调节四口液压变压器得到所需变压比，使得蓄能器内的进液油从G1口经过四口液压变压器变压后流入动臂油缸活塞腔用于动臂举升。
其中，所述节能装置还包括截止阀、溢流阀、伺服电机和单向阀，蓄能器的一路经截止阀接油箱，蓄能器的一路经溢流阀接油箱，四口液压变压器的一油口通过溢流阀与油箱连接，常闭电磁阀的入口接有单向阀，伺服电机与四口液压变压器连接，通过控制器控制伺服电机改变四口液压变压器的变压比。
优选的，所述四口液压变压器具有4个工作油口(PA、PB、PO、PT)，PA口一路与二通比例节流阀连接，PA口一路与二位三通换向阀连接，PA口一路与溢流阀进油口连接，PA口一路与常闭电磁阀连接，PB口与二位三通换向阀连接，PO口与常闭电磁阀连接，PT口与二位三通换向阀连接；伺服电机和四口液压变压器配流盘的伸出轴同轴连接，通过控制器控制伺服电机驱动四口液压变压器的配流盘转动，从而改变四口液压变压器的变压比；该四口液压变压器可四象限运行，当PA口为高压进油口，PB口为低压出油口接负载，PO口为回收出油口，PT为低压吸油口时，四口液压变压器为回收工况，回收动臂下降势能；当PO口为高压进油口，PA口为回收出油口接负载，PT口为低压出油口，PB口为低压吸油口时，四口液压变压器为释放工况，释放蓄能器存储的能量。
再者，当四口液压变压器的高压进油口和低压吸油口或回收出油口和低压出油口在其外部无油管连通时，四口液压变压器的变压比定义为回收出油口和低压吸油口的压力差与高压进油口和低压出油口压力差的比值，λ＝tanθ，θ为四口液压变压器配流盘控制角；当四口液压变压器的高压进油口和低压吸油口在其外部用油管连通而作为高压进油口，回收出油口作为低压出油口接负载，原低压出油口接油箱时，四口液压变压器的变压比定义为低压出油口与高压进油口压力的比值，λ＝2sinθ/(cosθ+sinθ)，θ为四口液压变压器配流盘控制角。
进一步，所述液压系统包括负载敏感液压泵、先导控制阀块和主控制阀块，该先导控制阀块包括先导控制阀和具有三个工作油口(A、B、C)的电磁换向阀，主控制阀块包括动臂换向阀，动臂换向阀的工作油口U1接动臂油缸的活塞杆腔和J3口，动臂换向阀的工作油口D1接J2口；其中先导控制阀输出控制油口接主控制阀块中动臂换向阀阀芯的左控制口连接，先导控制阀输出控制油口接电磁换向阀的A口，B口与主控制阀块的回油管路T连接，C口与主控制阀块中动臂换向阀阀芯的右控制口连接。
优选的，所述先导控制阀块还包括减压阀，负载敏感液压泵从油箱吸油，输出口与主控制阀块的供油管路P、先导控制阀块中的减压阀进口相连，进入先导控制阀块的压力经减压阀减压后供给先导控制阀。
再者，所述主控制阀块还包括主溢流阀、冲洗阀、LS溢流阀、过载阀和压力补偿阀，该压力补偿器补偿负载压差，并选择最大压力作为LS压力反馈给负载敏感液压泵。
进一步，所述先导控制阀上分别接有压力传感器，J1口上设有压力传感器，J3口上设有压力传感器，常闭电磁阀的进油口上设有压力传感器，蓄能器上设有压力传感器；所述节能装置还包括信号调理板、比例放大器、伺服驱动器和继电器驱动板，每一压力传感器将油路中的液压压力信号转化为电流信号，经信号调理板调节为电压信号输送至控制器的AD转换口，控制器根据压力信号分类处理工况，发出AO信号，经比例放大器放大后，对二通比例节流阀进行控制，发出AO信号，经伺服驱动器放大后，驱动伺服电机带动四口液压变压器的配流盘，从而改变其变压比，发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后，驱动对应的常闭电磁阀和二位三通换向阀得电动作，改变四口液压变压器各油口的连通方式，驱动对应的常闭电磁阀及二位三通换向阀得电动作，将节能装置切换至液压油路，回收动臂下降的势能或释放蓄能器中储存的能量供动臂举升用。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)本发明根据液压挖掘机工况利用控制器控制二位三通换向阀的电磁铁得失电，从而将节能装置切入或切出液压工作回路，对原有液压系统改动较少，安装使用方便；
(2)本发明中压力传感器将油路中的液压压力信号转化为电流信号，经信号调理板调节为电压信号输送至控制器AD转换，控制器根据压力信号处理分类后，发出AO信号，经比例放大器放大后，对二通比例节流阀开口进行控制，对流经二通比例节流阀的流量大小控制，且该控制信号取自先导控制阀的输出控制压力，从而保证了蓄能器释放能量用于动臂举升时的操纵性和稳定性；发出AO信号，经伺服驱动器放大后，驱动伺服电机旋转，调节四口液压变压器配流盘的控制角，改变其变压比，一方面保证二通比例节流阀的G口和H口之间的压差足以满足控制需求，且不至于过大而产生节流浪费，另一方面，保证挖掘机动臂下降过程中重力势能转化的液压能最大限度的存储到蓄能器中；发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后，驱动二位三通换向阀或二位三通换向阀，使得四口液压变压器的PA口与PT口或PO口与PB口在外部连通，在四口液压变压器配流盘控制角大小相同时，可实现较大的变压比，以满足高压工况需求；
(3)本发明的节能装置能将挖掘机动臂下降过程中重力势能转化的液压能存储到蓄能器中，并可在不影响挖掘机操纵性和动臂运动稳定性的前提下，将蓄能器内存储的能量释放，经四口液压变压器变压后，用于挖掘机动臂举升工况，避免了原液压系统中动臂下降时油液经液压阀而产生的节流损失，提高了液压系统的效率。
附图说明
图1为本发明的液压系统原理图；
图2为本发明中节能装置中控制硬件组成框图。
图中包括：负载敏感液压泵1、先导控制阀块2、主控制阀块3、节能装置4、动臂油缸5、减压阀21、先导控制阀22a～22b、压力传感器23a～23b、电磁换向阀24、主溢流阀31、冲洗阀32、LS溢流阀33、过载阀34a～34b、动臂换向阀35、压力补偿器36、四口液压变压器40、二通比例节流阀41、截止阀42、二位三通换向阀43a～43c、常闭电磁阀44a～44c、压力传感器45a～45d、溢流阀46a～46b、蓄能器47、伺服电机48、单向阀49。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，包括负载敏感液压泵1、先导控制阀块2、主控制阀块3、节能装置4和动臂油缸5。由于本发明仅考虑回收液压挖掘机动臂势能，故在图1中没有体现挖掘机的斗杆油缸、铲斗油缸、行走马达等液压回路，在图1的液压系统中除了节能装置4、压力传感器23a、压力传感器23b和电磁换向阀24外，均是原有挖掘机液压系统中具有的，没有改变现有成熟阀控液压系统的组成和功能。
本发明节能装置4具有三个工作油口，分别记为J1口、J2口和J3口，节能装置4包括四口液压变压器40、二通比例节流阀41、截止阀42、二位三通换向阀43a～43c、常闭电磁阀44a～44c、压力传感器45a～45d、溢流阀46a～46b、蓄能器47、伺服电机48和单向阀49。
二位三通换向阀43a具有3个工作油口，分别记为aD口、aE口和aF口，当二位三通换向阀43a的电磁铁失电时，在复位弹簧的作用下其阀芯右移，阀芯左位工作，此时aD口与aE口双向连通，当二位三通换向阀43a的电磁铁得电时，其阀芯左移，阀芯右位工作，此时aD口与aF口双向连通；aD口与节能装置4的工作油口J1连接，并接有压力传感器45a，aE口与节能装置4的工作油口J2连接。二位三通换向阀43b具有3个工作油口，分别记为bD口、bE口和bF口，当二位三通换向阀43b的电磁铁失电时，在复位弹簧的作用下其阀芯上移，阀芯下位工作，此时bD口与bE口双向连通，当二位三通换向阀43b的电磁铁得电时，其阀芯下移，阀芯上位工作，此时油液经bF口流向bD口；二位三通换向阀43b的bD口与四口液压变压器的PT口连接，bE口与油箱连接，bF口分别接四口液压变压器的PA口和二通比例节流阀41的H口。二位三通换向阀43c具有3个工作油口，分别记为cD口、cE口和cF口，当二位三通换向阀43c的电磁铁失电时，在复位弹簧的作用下其阀芯上移，阀芯下位工作，此时油液经cD口流向cE口，当二位三通换向阀43c的电磁铁得电时，其阀芯下移，阀芯上位工作，此时油液经cF口流向cD口；二位三通换向阀43c的cD口与四口液压变压器的PB口连接，cE口与油箱连接，cF口与蓄能器47连接。
二通比例节流阀41具有2个工作油口，分别记为H口和G口，二通比例节流阀41的阀芯位置由其左端的弹簧、比例电磁铁及控制油口X产生的作用力和其右端的控制油口Z产生的作用力控制，左端控制油口X与二通比例节流阀41的H口连通，控制油口Y与与油箱连接，右端控制油口Z与二通比例节流阀41的G口连接；当二通比例节流阀41的阀芯左端的弹簧、比例电磁铁及控制油口X产生的作用力合力大于其右端的控制油口Z产生的作用力时，二通比例节流阀41的阀芯右移，阀芯左位工作，此时其油口G和H不连通，随着二通比例节流阀41的阀芯左端作用力减小，当其小于二通比例节流阀41阀芯右端控制油口产生的作用力时，阀芯慢慢左移，节流口大小与二通比例节流阀41的阀芯左端作用力的减小量成比例增大，使得二通比例节流阀41的H口和G口双向连通，实现对流量的控制；二通比例节流阀41的G口与二位三通换向阀43a的aF口连接，H口分别与四口液压变压器的PA口、溢流阀44b的进油口和二位三通换向阀43b的bF口连接。
四口液压变压器40具有4个工作油口，分别记为PA口、PB口、PO口和PT口，其中PA口一路与二通比例节流阀41的H口连接，一路与二位三通换向阀43b的bF口连接，一路与溢流阀46a进油口连接，还有一路与常闭电磁阀44b连接，并接有压力传感器45c，PB口与二位三通换向阀43c的cD口连接，PO口与常闭电磁阀44c连接，PT口与二位三通换向阀43b的bD口连接；伺服电机48和四口液压变压器40配流盘的伸出轴同轴连接，通过控制器控制伺服电机48驱动四口液压变压器40的配流盘转动，从而改变四口液压变压器的变压比。
本发明四口液压变压器可以四象限运行，即按图1中四口液压变压器4各口的位置设置，若PA口作为高压进油口，则PB口为低压出油口接负载，PO口为回收出油口，PT为低压吸油口，此时四口液压变压器40为回收工况；若PO口作为高压进油口，则PA口为回收出油口接负载，PT口为低压出油口、PB口为低压吸油口，此时四口液压变压器40为释放工况，释放蓄能器47存储的能量。
若四口液压变压器40的高压进油口和低压吸油口或回收出油口和低压出油口在其外部无油管连通，则其变压比定义为回收出油口和低压吸油口的压力差与高压进油口和低压出油口压力差的比值，λ＝tanθ，θ为四口液压变压器40配流盘控制角。若四口液压变压器40的高压进油口和低压吸油口在其外部用油管连通而作为高压进油口，回收出油口作为低压出油口接负载，原低压出油口接油箱，则其变压比定义为低压出油口与高压进油口压力的比值，λ＝2sinθ/(cosθ+sinθ)，θ为四口液压变压器40配流盘控制角。
蓄能器47一路接常闭电磁阀44c，一路接二位三通换向阀43c的cF口，一路接溢流阀46b，并接有压力传感器45d；还有一路经过截止阀42接油箱。
如图2所示，本发明的节能装置还包括信号调理板、控制器、继电器驱动板、比例放大器、伺服驱动器，液压系统中压力传感器将油路中的液压压力信号转化为电流信号，经信号调理板转为电压信号输送至控制器的AD转换口，控制器根据压力信号分类处理，发出AO信号，经比例放大器放大后，对二通比例节流阀41进行控制，发出AO信号，经伺服驱动器放大后，驱动伺服电机48带动四口液压变压器的配流盘，从而改变其变压比，发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后，驱动对应的常闭电磁阀及二位三通换向阀得电动作，改变四口液压变压器40各油口的连通方式，驱动对应的常闭电磁阀及二位三通换向阀得电动作，将节能装置4切换至液压油路，回收动臂下降的势能或释放蓄能器47中储存的能量供动臂举升用。
负载敏感液压泵1中液压泵的排量由负载最大压力LS通过其中的液压阀控制，负载敏感液压泵1从油箱吸油，输出口与主控阀块3中的P供油管路、先导控制阀块2中的减压阀21进油口相连，进入先导控制阀块2的压力经减压阀21减压后供给先导控制阀22a～22b。
先导控制阀块2包括减压阀21，先导控制阀22a～22b、压力传感器23a～23b和电磁换向阀24；主控制阀块3包括主溢流阀31、冲洗阀32、LS溢流阀33、过载阀34a～34b、动臂换向阀35和压力补偿器36；电磁换向阀24为二位三通电磁换向阀，其具有3个工作油口，分别记为A口、B口和C口，A油口与先导控制阀22b输出控制油口相连，B油口与主控制阀块3的回油管路T连接，C油口与主控制阀块3中动臂换向阀35阀芯的右控制口连接。
由负载敏感液压泵1输出的压力油进入先导控制阀块2，经减压阀21后供给先导控制阀22a和先导控制阀22b，先导控制阀22a输出控制油口接主控制阀块3中的动臂换向阀35阀芯的左控制口，并接有压力传感器23a，先导控制阀22b出口接电磁换向阀24的A油口，并接有压力传感器23b。当挖掘机司机操作先导控制阀22a的手柄使其有控制信号输出给动臂换向阀35的左控制油口，此时压力传感器23a有信号输入给控制器；挖掘机司机操作先导控制阀22b的手柄使其有控制信号输出给动臂换向阀35的右控制油口，此时压力传感器23b有信号输出给控制器。
主控制阀块3中由压力补偿器36，该压力补偿器36包括动臂换向阀压力补偿器、斗杆换向阀压力补偿器和回转马达换向阀压力补偿器，分别补偿动臂换向阀35、斗杆换向阀和回转马达换向阀的负载压差，同时选择最大压力作为LS压力反馈给液压泵控制阀，动臂换向阀35的工作油口U1接动臂油缸5的活塞杆腔和节能装置4的J3口，再经过常闭电磁阀44a与油箱连接，并接有压力传感器45b；工作油口D1接节能装置4的J2口，动臂油缸5的活塞腔接节能装置的J1口。
若节能装置4不工作时，则电磁换向阀24和节能装置4中的二位三通换向阀43a～43c和常闭电磁阀44a～44c均不得电，若此时操纵先导控制阀22b，则主动控制阀块3中动臂换向阀35的阀芯左移，阀芯右位工作，此时动臂换向阀35的D1口输出油液经节能装置4的J2口，通过二位三通换向阀43a的aE口流向aD口后，经节能装置4的J1口进入到动臂油缸5的活塞腔，此时节能装置4不回收动臂下降的势能，不对液压挖掘机其作用。
下面说明当节能装置工作时，本发明的一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置处于各工况时的油液流向。
1重力势能回收
回收过程：节能装置4切入工作油路，用于回收动臂下降的势能
工作条件：操纵先导控制阀22a，压力传感器23a测得压力值；二位三通换向阀43a得电，阀芯左移，阀芯右位工作；蓄能器47压力未达到存储最高压力，释放开始压力
回收工况1：四口液压变压器40的PA口与PT口不连通，即二位三通换向阀43b电磁铁不得电，阀芯上移，阀芯下位工作。
第一阶段：为使动臂具有初始加速度，动臂油缸5活塞腔压力急剧下降，此时，难以回收；
进油路：系统P供油管路→动臂换向阀35的工作油口U1→动臂油缸5的活塞杆腔
回油路：动臂油缸5活塞腔→节能装置4的J1口→二位三通换向阀43a的aD口→二位三通换向阀43a的aF口→单向阀49→常闭电磁阀44b→油箱
第二阶段：动臂下降趋于匀速，动臂油缸5活塞腔的压力基本不变
进油路：系统供油P管路→动臂换向阀35的工作油口U1→动臂油缸5的活塞杆腔
回收油路：动臂油缸5活塞腔→节能装置4的J1口→二位三通换向阀43a的aD口→二位三通换向阀43a的aF口→二通比例节流阀41的G口→二通比例节流阀41的H口→四口液压变压器40的PA口→四口液压变压器40的PO口→常闭电磁阀44c→蓄能器47
回收工况2：四口液压变压器40的PA口与PT口连通，即二位三通换向阀43b电磁铁得电，阀芯下移，阀芯上位工作
第一阶段：为使动臂具有初始加速度，动臂油缸5活塞腔压力急剧下降，此时，难以回收；
进油路：系统供油P管路→动臂换向阀35的工作油口U1→动臂油缸5的活塞杆腔
回油路：动臂油缸5活塞腔→节能装置4的J1口→二位三通换向阀43a的aD口→二位三通换向阀43a的aF口→单向阀49→常闭电磁阀44b→油箱
第二阶段：动臂下降趋于匀速，动臂油缸5活塞腔的压力基本不变
进油路：系统供油P管路→动臂换向阀35的工作油口U1→动臂油缸5的活塞杆腔
回收油路：动臂油缸5活塞腔→节能装置4的J1口→二位三通换向阀43a的aD口→二位三通换向阀43a的aF口→二通比例节流阀41的G口→二通比例节流阀41的H口→四口液压变压器40的PA口和PT口(经二位三通换向阀43b的bF口→二位三通换向阀43b的bD口→四口液压变压器40的PT口)→四口液压变压器40的PO口→常闭电磁阀44c→蓄能器47
2释放再利用
释放再利用过程：节能装置4切入工作油路，蓄能器47释放存储的能量用于动臂举升
工作条件：操纵先导控制阀22b，压力传感器23b测得压力值，二位三通换向阀43a得电，阀芯左移，阀芯右位工作，电磁换向阀24得电，阀芯右移，阀芯左位工作，常闭电磁阀44a得电，阀芯左移，阀芯右位工作，蓄能器47存储压力达到存储最高压力，释放开始压力。
释放再利用工况1：四口液压变压器40的PO口与PB口不连通，即二位三通换向阀43c电磁铁不得电，阀芯上移，阀芯下位工作
输出油路：蓄能器47→常闭电磁阀44c→四口液压变压器40的PO口→四口液压变压器40的PA口→二通比例节流阀41的H口→二通比例节流阀41的G口→二位三通换向阀43a的aF口→二位三通换向阀43a的aD口→节能装置4的J1口→动臂油缸5的活塞腔
回油路：动臂油缸5的活塞杆腔→节能装置4的J3口→常闭电磁阀44a→油箱
释放再利用工况2：四口液压变压器的PO口与PB口连通，即二位三通换向阀43c的电磁铁得电，阀芯下移，阀芯上位工作
输出油口：蓄能器47→常闭电磁阀44c→四口液压变压器40的PO口和PB口(经二位三通换向阀43c的cF口→二位三通换向阀43c的cD口→四口液压变压器的PB口)→四口液压变压器40的PA口→二通比例节流阀41的H口→二通比例节流阀41的G口→二位三通换向阀43a的aF口→二位三通换向阀43a的aD口→节能装置4的J1口→动臂油缸5的活塞腔
回油路：动臂油缸5的活塞杆腔→节能装置4的J3口→常闭电磁阀44a→油箱
下面以回收工况1和释放再利用工况1说明本发明的节能装置的工作过程：
控制器上电，对蓄能器47的存储开始压力、存储最高压力，即释放开始压力、释放结束压力等参数初始化，随后不停采集压力传感器23a～23b和压力传感器45a～45d的信号。
1、回收工况1
蓄能器47压力未达到存储最高压力，释放开始压力，节能装置4切入工作油路，用于回收动臂下降的势能，且四口液压变压器40的PA口与PT口不连通。
操纵先导控制阀22a，压力传感器23a将先导控制阀22a输出控制油液压力转化为电流信号，经信号调理板调节为电压信号输送至控制器AD转化，控制器发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后，驱动二位三通换向阀43a得电动作，阀芯左移，阀芯右位工作，为使动臂具有初始加速度，驱动常闭电磁阀44b得电动作，阀芯右移，阀芯左位工作。此过程中负载敏感液压泵1输出的高压油经减压阀21减压后，供给先导控制阀22a，其输出控制油口接动臂换向阀35阀芯的左端，控制阀芯的位移，即动臂换向阀35的阀芯开口大小与先导控制阀22a的输出控制油口压力信号成正比，负载敏感液压泵1输出的高压油同时经P管路进入主控制阀块3，给动臂换向阀35供油，经压力补偿器36补偿后经主控制阀块3的U1工作口进入动臂油缸5的活塞杆腔；而此时动臂油缸5活塞腔的油液经节能装置4的工作油口J1进入二位三通换向阀43a的aD口后，经其aF口流向单向阀49后，经常闭电磁阀44b流入油箱。
0.2～0.5s后，动臂下降获得初始加速，控制器发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后，使常闭电磁阀44b失电，阀芯左移，阀芯右位工作，驱动常闭电磁阀44c得电，阀芯下移，阀芯上位工作，此时压力传感器45a测得的二通比例节流阀41的G口的压力、压力传感器45c测得的四口液压变压器40的PA口(即二通比例节流阀41的H口)的压力、压力传感器45b测得的四口液压变压器40的PO口(即蓄能器47的压力)传送入控制器，经控制算法处理后，发出AO信号，经伺服驱动器放大后，驱动伺服电机48旋转，调节四口液压变压器40配流盘的控制角，从而改变四口液压变压器40的变压比，使四口液压变压器40的PA口(即二通比例节流阀41的H口)的压力稍低于二通比例节流阀41的G口的压力，与此同时，压力传感器23a测得的先导控制阀22a输出控制油口的压力传送入控制器，经控制算法处理后，发出AO信号，经比例放大器放大后驱动二通比例节流阀41电磁铁动作，控制阀芯位移，即改变阀开口大小对动臂下降速度进行控制，并通过调节四口液压变压器40的变压比，使二通比例节流阀41的G口和H口的压差保持恒定，使得流经二通比例节流阀41的流量大小仅与其阀开口大小有关，这样可保证系统操控性和动臂下降运动稳定性的同时最大限度的将动臂下降的重力势能转化的液压能回收并存储到蓄能器47内。此过程动臂油缸5活塞杆腔进油与前述一致，而此时动臂油缸5活塞腔的油液经节能装置4的工作油口J1进入二位三通换向阀43a的aD口后，经其aF口流向二通比例节流阀41，流量大小经二通比例节流阀41调节后，流向四口液压变压器40的PA口，经四口液压变压器40变压后，从其PO口流出，经常闭电磁换向阀44c后，存储到蓄能器47内，实现对动臂下降重力势能的回收。当先导控制阀22a有动作信号，且蓄能器47内压力未达到存储最高压力(释放开始压力)时，重复以上动作。
2释放再利用工况1
蓄能器47压力达到存储最高压力(释放开始压力)，节能装置4切入工作油路，蓄能器47释放存储的能量用于动臂举升，且四口液压变压器40的PO口与PB口不连通。
操纵先导控制阀22b，压力传感器23b将先导控制阀22b输出控制油液压力转化为电流信号，经信号调理板调节为电压信号输送至控制器AD转化，控制器发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后，驱动二位三通换向阀43a得电动作，阀芯左移，阀芯右位工作，驱动电磁换向阀24得电动作，阀芯右移，阀芯左位工作，驱动常闭电磁阀44c得电动作，阀芯下移，阀芯上位工作，与此同时，压力传感器45a测得的二通比例节流阀41的G口的压力、压力传感器45c测得的四口液压变压器40的PA口(即二通比例节流阀41的H口)的压力、压力传感器45b测得的四口液压变压器40的PO口(即蓄能器47的压力)传送入控制器，经控制算法处理后，发出AO信号，经伺服驱动器放大后，驱动伺服电机48旋转，调节四口液压变压器40配流盘的控制角，从而改变四口液压变压器40的变压比，使四口液压变压器40的PA口(即二通比例节流阀41的H口)的压力稍高于二通比例节流阀41的G口的压力，与此同时，压力传感器23b测得的先导控制阀22b输出控制油口的压力传送入控制器，经控制算法处理后，发出AO信号，经比例放大器放大后驱动二通比例节流阀41电磁铁动作，控制阀芯位移，即改变阀开口大小对动臂举升速度进行控制，并通过调节四口液压变压器40的变压比，使二通比例节流阀41的G口和H口的压差保持恒定，使得流经二通比例节流阀41的流量大小仅与其阀开口大小有关，从而保证系统操纵性和动臂举升运动的稳定性。此过程负载敏感泵1输出的高压油经减压阀21减压后供给先导控制阀22b，由于此时电磁换向阀24的阀芯左位工作，先导控制阀22b的输出控制油液与动臂换向阀35阀芯的右控制油口不连通，其对动臂换向阀35的阀芯位移不起作用。此过程中动臂油缸5的活塞杆腔的油液经节能装置4的工作油口J3和常闭电磁阀44a后流入油箱，蓄能器47内的压力油经常闭电磁阀44c流向四口液压变压器40的PO口，经四口液压变压器40变压后，从其PA口流出，流量大小经二通比例节流阀41调节后，流向二位三通换向阀43a的aF口，经其aD口和节能装置4的工作油口J1供入动臂油缸5的活塞腔，用于挖掘机动臂举升。当先导控制阀22b有动作信号，但蓄能器47内压力未达到释放开始压力(存储最高压力)时，原液压系统工作，即节能装置4在挖掘机动臂举升过程中不被切入工作油路。
其他工况工作原理分析类似，不再累述。
Claims (5)
1.一种基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，其特征在于：包括接入挖掘机液压系统中具有第一工作油口(J1)、第二工作油口(J2)和第三工作油口(J3)的节能装置(4)和动臂油缸(5)，液压系统具有第四工作油口(U1)和第五工作油口(D1)，第四工作油口(U1)接动臂油缸(5)的活塞杆腔和第三工作油口(J3)，第五工作油口(D1)接第二工作油口(J2)，动臂油缸(5)的活塞腔接第一工作油口(J1)；所述节能装置包括四口液压变压器(40)、二通比例节流阀(41)、第一二位三通换向阀(43a)、第二二位三通换向阀(43b)、第三二位三通换向阀(43c)、第一常闭电磁阀(44a)、第二常闭电磁阀(44b)、第三常闭电磁阀(44c)、蓄能器(47)和控制器，该控制器根据挖掘机工况将节能装置(4)切换至需回收动臂下降势能的液压回路中，当动臂开始下降瞬间且蓄能器(47)压力未达到存储最高压力时，控制器控制对应的二位三通换向阀和常闭电磁阀使得动臂油缸(5)活塞腔的回液油从第一工作油口(J1)直接流入油箱；当动臂下降趋于匀速且蓄能器(47)压力未达到存储最高压力时，控制器控制对应的二通比例节流阀、二位三通换向阀和常闭电磁阀并调节四口液压变压器得到所需变压比，使得动臂油缸(5)活塞腔的回液油从第一工作油口(J1)流入，经四口液压变压器变压后输送至蓄能器(47)存储；当蓄能器(47)压力达到存储最高压力时，控制器控制对应的二通比例节流阀、二位三通换向阀和常闭电磁阀并调节四口液压变压器得到所需变压比，使得蓄能器(47)内的进液油经第三常闭电磁阀(44c)流向四口液压变压器(40)，经过四口液压变压器变压后流入动臂油缸(5)活塞腔用于动臂举升；所述节能装置(4)还包括截止阀(42)、第一溢流阀(46a)、第二溢流阀(46b)、伺服电机(48)和单向阀(49)，蓄能器(47)的一路经截止阀(42)接油箱，蓄能器(47)的一路经一个第二溢流阀(46b)接油箱，四口液压变压器的一油口通过第一溢流阀(46a)与油箱连接，第二常闭电磁阀(44b)的入口接有单向阀(49)，伺服电机(48)与四口液压变压器连接，通过控制器控制伺服电机(48)改变四口液压变压器的变压比；所述四口液压变压器(40)具有第六工作油口(PA)、第七工作油口(PB)、第八工作油口(PO)和第九工作油口(PT)，第六工作油口(PA)一路与二通比例节流阀(41)连接，第六工作油口(PA)一路与第二二位三通换向阀(43b)连接，第六工作油口(PA)一路与第一溢流阀(46a)进油口连接，第六工作油口(PA)一路与第二常闭电磁阀(44b)连接，第七工作油口(PB)与第三二位三通换向阀(43c)连接，第八工作油口(PO)与第三常闭电磁阀(44c)连接，第九工作油口(PT)与第二二位三通换向阀(43b)连接；伺服电机(48)和四口液压变压器(40)配流盘的伸出轴同轴连接，通过控制器控制伺服电机(48)驱动四口液压变压器(40)的配流盘转动，从而改变四口液压变压器的变压比；该四口液压变压器可四象限运行，当第六工作油口(PA)为高压进油口，第七工作油口(PB)为低压出油口接负载，第八工作油口(PO)为回收出油口，第九工作油口(PT)为低压吸油口时，四口液压变压器(40)为回收工况，回收动臂下降势能；当第八工作油口(PO)为高压进油口，第六工作油口(PA)为回收出油口接负载，第九工作油口(PT)为低压出油口，第七工作油口(PB)为低压吸油口时，四口液压变压器(40)为释放工况，释放蓄能器(47)存储的能量；所述液压系统包括负载敏感液压泵(1)、先导控制阀块(2)和主控制阀块(3)，该先导控制阀块(2)包括第一先导控制阀(22a)、第二先导控制阀(22b)和具有第十工作油口(A)、第十一工作油口(B)和第十二工作油口(C)的电磁换向阀(24)，主控制阀块(3)包括动臂换向阀(35)，动臂换向阀(35)的第四工作油口(U1)接动臂油缸(5)的活塞杆腔和第三工作油口(J3)，动臂换向阀(35)的第五工作油口(D1)接第二工作油口(J2)；其中第一先导控制阀(22a)输出控制油口接主控制阀块(3)中动臂换向阀(35)阀芯的左控制口连接，第二先导控制阀(22b)输出控制油口接电磁换向阀(24)的第十工作油口(A)，第十一工作油口(B)与主控制阀块(3)的回油管路(T)连接，第十二工作油口(C)与主控制阀块(3)中动臂换向阀(35)阀芯的右控制口连接。
2.根据权利要求1所述的基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，其特征在于：当四口液压变压器(40)的高压进油口和低压吸油口或回收出油口和低压出油口在其外部无油管连通时，四口液压变压器(40)的变压比定义为回收出油口和低压吸油口的压力差与高压进油口和低压出油口压力差的比值，λ＝tanθ，θ为四口液压变压器(40)配流盘控制角；当四口液压变压器(40)的高压进油口和低压吸油口在其外部用油管连通而作为高压进油口，回收出油口作为低压出油口接负载，原低压出油口接油箱时，四口液压变压器(40)的变压比定义为低压出油口与高压进油口压力的比值，λ＝2sinθ/(cosθ+sinθ)，θ为四口液压变压器(40)配流盘控制角。
3.根据权利要求1所述的基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，其特征在于：所述先导控制阀块(2)还包括减压阀(21)，负载敏感液压泵(1)从油箱吸油，输出口与主控制阀块(3)的供油管路(P)、先导控制阀块(2)中的减压阀(21)进口相连，进入先导控制阀块(2)的压力经减压阀(21)减压后供给第一先导控制阀(22a)和第二先导控制阀(22b)。
4.根据权利要求1所述的基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，其特征在于：所述主控制阀块(3)还包括主溢流阀(31)、冲洗阀(32)、LS溢流阀(33)、第一过载阀(34a)、第二过载阀(34b)和压力补偿器(36)，该压力补偿器(36)补偿负载压差，并选择最大压力作为LS压力反馈给负载敏感液压泵(1)。
5.根据权利要求1所述的基于四口液压变压器的重力势能回收与再利用节能装置，其特征在于：所述第一先导控制阀(22a)上接有第一压力传感器(23a)，第二先导控制阀(22b)上接有第二压力传感器(23b)，第一工作油口(J1)上设有第三压力传感器(45a)，第三工作油口(J3)上设有第四压力传感器(45b)，第二常闭电磁阀(44b)的进油口上设有第五压力传感器(45c)，蓄能器(47)上设有第六压力传感器(45d)；所述节能装置(4)还包括信号调理板、比例放大器、伺服驱动器和继电器驱动板，每一压力传感器将油路中的液压压力信号转化为电流信号，经信号调理板调节为电压信号输送至控制器的AD转换口，控制器根据压力信号分类处理工况，发出AO信号，经比例放大器放大后，对二通比例节流阀(41)进行控制，发出AO信号，经伺服驱动器放大后，驱动伺服电机(48)带动四口液压变压器的配流盘，从而改变其变压比，发出DO信号，经继电器驱动板功率放大后，驱动对应的常闭电磁阀和二位三通换向阀得电动作，改变四口液压变压器(40)各油口的连通方式，驱动对应的常闭电磁阀及二位三通换向阀得电动作，将节能装置(4)切换至液压油路，回收动臂下降的势能或释放蓄能器(47)中储存的能量供动臂举升用。
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