CN110374940B - 一种卷扬势能实时回收利用系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷扬势能实时回收利用系统及其控制方法，包括主泵、副泵、换向主阀、势能回收换向阀和平衡阀组；所述主泵通过换向主阀连接至卷扬马达的进、出油路，所述平衡阀组设置在卷扬马达的进、出油路之间，所述平衡阀组的平衡阀出口引出一回油路，所述回油路通过势能回收换向阀与换向主阀的回油口和副泵的压力油口连接；所述副泵采用与主泵同轴传动的二次元件泵/马达。本发明在卷扬稳定下放阶段实时回收利用负载下放的势能，使驱动主泵的发动机工作在零功率或低功率输出的状态，实现卷扬势实时回收再利用，具有优秀的节能效果，特别适用于工程机械使用单发动机带多泵的液压系统，不需要过多增加液压系统的成本。

Description

一种卷扬势能实时回收利用系统及其控制方法

技术领域

本发明属于卷扬液压技术，具体涉及一种卷扬势能实时回收利用系统及其控制方法。

背景技术

工程机械上大都装配了大功率的内燃机，其油耗高，尾气排放体积巨大，因而其尾气的排放对空气的污染也处于越来越不可忽视的地位，基于对国家能源安全和空气污染治理两方面的考虑，加强工程机械节能控制技术的研究，大力推广应用节能技术已经刻不容缓。工程机械卷扬系统主要用于重物的上提和下放，现阶段卷扬系统下放过程中不仅重物本身释放的重力势能以热量形式损耗，还需要液压系统提供额外的功率来推动卷扬下放，如图1所示，通过设置副泵来控制卷扬下放过程的额外控制功率。因此工程机械卷扬装置综合节能控制研究具有非常大的实际意义。

目前工程机械卷扬装置节能技术主要做有以下形式。

1、卷扬下放合流回油再生液压系统

该系统利用液压系统差动连接的原理，让卷扬马达出口处的油直接流回马达入口并和主油路中的补油组成差动连接，通过卷扬马达出口处的先导液控节流调速阀块控制卷扬的下放速度，该系统在卷扬下放过程中发动机无需对卷扬回路做功，较普通卷扬系统可以节省一部分燃油消耗，但该系统并没有将重物下放释放出的重力势能进行回收利用，因而其节能效果还没有达到最大化。

2、采用能量回收及再利用的卷扬节能系统

该卷扬液压系统可以将重物放时所释放的机械能转化成其它形式的能量储存，在其它工况中将存储的能量释放至液压系统中，从而有效减少主泵的功率输出，降低发动机的燃油消耗。目前卷扬能量回收系统主要以液压能储存与电能储存两种形式。

在以液压能储存形式的能量回收系统中，当回收的能量较大时，需要蓄能器的工作容积将非常巨大，不便于工程机械的结构设计，而且蓄能器内的压力会随着充入油液的增多而升高，使得控制卷扬匀速下放变得很困难，因此该系统没有很好地解决主卷扬系统节能控制中的两个难点。

而以电能形式储存的能量回收系统中，能量回收利用的方式上转换环节多，系统结构复杂控制难度较高，在巨大能量回收时需要采用能量密度高，占用空间小的超级电容进行能量储存，但目前超级电容价格昂贵，没有很好的解决主卷扬系统节能控制中难点中经济性的要求，制约了其在实际工程中的应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的卷扬装置节能技术存在的上述缺陷，提供一种卷扬势能实时回收利用系统及其控制方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种卷扬势能实时回收利用系统，包括主泵、副泵、换向主阀、势能回收换向阀和平衡阀组；

所述主泵通过换向主阀连接至卷扬马达的进、出油路，所述平衡阀组设置在卷扬马达的进、出油路之间，所述平衡阀组的平衡阀出口引出一回油路，所述回油路通过势能回收换向阀与换向主阀的回油口和副泵的压力油口连接；

所述副泵采用与主泵同轴传动的二次元件泵/马达。

进一步的，所述平衡阀组与势能回收换向阀之间设有防止倒流的单向阀。

进一步的，所述副泵的压力油口还并联连接有工作油路，所述副泵的工作油路与势能回收换向阀之间设有防止倒流的单向阀。

进一步的，所述势能回收换向阀与换向主阀之间设有防止倒流的单向阀。

进一步的，所述回油路上还通过并联溢流阀回流油箱。

进一步的，所述回油路和溢流阀之间的油路上设有蓄能器。

进一步的，所述平衡阀组包括集成设置的减压阀、梭阀、平衡阀以及过载保护阀。

在本发明的一种卷扬势能实时回收利用系统中，所述换向主阀至少包括两个改变卷扬马达进出油方向的工作位以及截断主泵压力油的截止位。

进一步的，所述势能回收换向阀至少包括两个改变油路流通方向的工作位以及截断回油的截止位。

本发明还公开了一种卷扬势能实时回收利用系统的控制方法，采用本发明的卷扬势能实时回收利用系统，具体控制步骤如下：

步骤1、系统初始化，包括初始化卷扬马达转速N1，副泵排量V2，换向主阀开口度信号，主泵及副泵的溢流阀开口度信号，并设定卷扬马达允许工作转速N1范围以及副泵的排量V2范围；

步骤2、设定驱动主泵和副泵的发动机工作转速，进入卷扬设备的正常工作流程；

步骤3、卷扬下放开始，控制换向主阀开启工作，平衡阀开启，控制势能回收换向阀，使压力油回流至副泵作为马达驱动主泵；

步骤4、确定卷扬马达的目标转速N1，根据换向主阀开口度信号和副泵的转速确定副泵的排量V2，并判断其是否符合步骤1中的取值范围；

步骤5、检测卷扬马达的实时转速n1，得出与目标转速N1的差值Δn1作为卷扬马达排量的调节信号，通过控制器控制调节输出卷扬马达排量V1调节信号，使得Δn1值减小并趋于0；

步骤6、实时检测发动机转速n2，判断n2是否处于发动机转速设定区间，如果低于发动机设定工作转速，则控制发动机供油达到设定转速；如果高于发动机设定工作转速，则通过控制器控制调节回油路上的溢流阀压力，控制发动机转速处于正常区间；如果发动机转速正常，则副泵作为马达稳定工作，给发动机提供外部功率输入，供其驱动液压系统和其他辅助耗能设备，实时利用卷扬下放释放的势能，发动机处于极低油耗工作状态；

步骤7、卷扬下放结束，换向主阀关闭，卷扬下放势能回收与实时利用过程结束。

本发明提供的卷扬下放势能实时回收利用系统，利用卷扬下方过程中负载作用在液压系统中产生压力，在不增加工程机械制造难度及经济性问题的同时，利用该压力油直接回流到副泵，将副泵转换为马达来辅助驱动主泵运行，实时回收利用了卷扬下放过程中重力势能，特别适用于工程机械使用单发动机带多泵的液压系统，不需要过多增加液压系统的成本，并且管路连接较简单可靠，势能得到实时回收利用，节能效果明显。

综上所述，采用本发明可以在卷扬稳定下放阶段实时回收利用负载下放的势能，使发动机工作在零功率或低功率输出的状态，实现卷扬势实时回收再利用，具有优秀的节能效果。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中的工程机械卷扬液压控制示意图。

图2为实施例中的卷扬势能实时回收利用系统示意图。

图3为实施例中的卷扬势能实时回收利用系统在卷扬上提时液压油回路图。

图4为实施例中的卷扬势能实时回收利用系统在卷扬下放时液压油回路图，此时未回收卷扬下方势能。

图5为实施例中的卷扬势能实时回收利用系统在卷扬下放时进行势能实时回收利用的液压油回路图。

图6为实施例中的卷扬势能实时回收利用系统的控制流程图。

1-发动机；2-主泵；3-主泵溢流阀；4-换向主阀；5-减压阀；6-梭阀；7-先导式平衡阀；8-卷扬马达；9-过载保护阀；11、14、16-单向阀；12-蓄能器；13-势能回收换向阀；15-电比例溢流阀；17-副泵溢流阀；18-副泵。

具体实施方式

实施例

参见图2，图示中的卷扬势能实时回收利用系统为本发明的具体实施方案，包括发动机1、主泵2、主泵溢流阀3、换向主阀4、减压阀5、梭阀6、先导式平衡阀7、卷扬马达8、过载保护阀9、单向阀11/13/16、蓄能器12、势能回收换向阀13、电比例溢流阀15、副泵溢流阀17和副泵18。

其中，主泵2和副泵18通过发动机1同轴传动，这里所指的同轴是指主泵2和副泵18共同通过发动机1的输出轴同步传动，其中主泵2控制卷扬马达8的上提和下放，副泵18作为其他液压辅助系统提供压力油，主泵2和副泵18分别设有主泵溢流阀3和副泵溢流阀17，并且副泵18采用二次元件泵/马达，可以在泵和马达之间切换，作为泵时输出压力油到辅助系统，作为马达时，接受卷扬马达下放时产生的回油压力并转换为机械能与发动机一同驱动主泵2，实现卷扬下放势能的实时回收利用。

如图2所示，主泵2的输出压力油口通过换向主阀4分别连接至卷扬马达8的进油路和出油路，当控制换向主阀4连通主泵的输出压力油口和卷扬马达的进油路时，卷扬马达8实现卷扬上提，当控制换向主阀4连通主泵的输出压力油口和卷扬马达的出油路时，卷扬马达8反转实现下放。图示中的换向主阀4为三位四通换向阀，包括进油口P、回油口T以及分别连接卷扬马达8进、出油路的工作油口A、B，三个工作位分别对应卷扬上升时连通主泵和卷扬马达进油路的工作位、卷扬下放时连通主泵和卷扬马达出油路的工作位以及截断主泵压力油的截止位。平衡阀组设置在卷扬马达8的进油路和出油路之间，包括集成设置的减压阀5、梭阀6、先导式平衡阀7以及过载保护阀9，卷扬马达的平衡阀组目的使卷扬马达在上提和下放切换过程系统压力变换更平缓，为现有卷扬设备常用的技术手段，本实施例在此不对其平衡油路进行赘述。

本实施例从平衡阀组的平衡阀出口引出一回油路，该回油路通过势能回收换向阀13与换向主阀4的回油口和副泵18的压力油口连接，实现卷扬下放过程的回油压力利用。图示中的势能回收换向阀13为三位四通电磁换向阀，包括进油口P、回油口T以及分别连接至换向主阀4和副泵18的工作油口A、B，三个工作位包括两个工作位和一个截止位，截止位对应卷扬上提过程截断该回油路，通过势能回收换向阀的两个工作位将回油路在连通至换向主阀4回油和连通至副泵18回收势能的两个状态之间切换。

为了避免回油影响主泵以及副泵的正常工作油路，该回油路采用单向油路，只在卷扬马达处于下放工作过程中起用。具体的，在平衡阀组的平衡阀出口T与势能回收换向阀13的P口之间设有防止倒流的单向阀11，势能回收换向阀13的工作油口B连接至副泵18的压力油口P，并与副泵18的工作油路并联，在副泵18的工作油路与势能回收换向阀13的工作油口B之间设有防止倒流的单向阀14，在势能回收换向阀13的工作油口A与换向主阀4的工作油口B之间连接的油路上设有防止倒流的单向阀16，这样在卷扬下放过程中，从平衡阀组引出的压力油只能够单向通过势能换向阀回油箱或者连接至副泵回收势能，而在卷扬上提过程中，主泵和副泵的压力油均不会通过该回油路进入平衡阀组。

另外，从平衡阀组的平衡阀出口T引出的该回油路通过并联一个电比例溢流阀15回流油箱，并在回油路和电比例溢流阀15之间的油路上设置蓄能器12，通过电比例溢流阀15调节回油压力，并且通过蓄能器12提供一定的回油背压，提高卷扬下放的稳定性。

本实施例使得卷扬工作过程中具备普通工作模式、卷扬下放势能实时回收利用工作模式。

如图3所示，普通工作模式中主卷上提，操作控制换向主阀4的先导手柄，控制先导油进入换向主阀4的先导口a，先导油推动换向主阀4的阀芯移动，主泵2提供的压力油从换向主阀4的P口流入B口流出，经过平衡阀组的A口进入卷扬马达8的进油路，驱动卷扬马达上提，此时平衡阀组的A口压力油部分流至梭阀6，经过减压阀5从Br口进入卷扬马达8的制动油缸，卷扬制动打开，马达回油通过出油路从平衡阀组的B口流出，进入换向主阀4的A口经换向主阀后从T口直接回油箱,实现卷扬上提。

如图4所示，普通工作模式中主卷下放，控制势能回收换向阀13的电磁铁Y1得电，操作控制换向主阀4的先导手柄，控制先导油进入换向主阀4的先导口b，先导油推动换向主阀4的阀芯移动，主泵2提供的压力油从换向主阀4的P口流入A口流出，经平衡阀组的B口进入马达的出油路，驱动卷扬马达反转下放，此时平衡阀组的B口压力油部分流至梭阀6，经过减压阀5从Br口进入卷扬马达8的制动油缸，卷扬制动打开，并且平衡阀组的B口压力油推动先导式平衡阀7的阀芯移动，马达回油经平衡阀阀芯从先导式平衡阀7的T口流出，经单向阀11进入势能回收换向阀13的P口，然后从势能回收换向阀13的A口流出，经单向阀16进入换向主阀4的B口，从换向主阀4的T口直接回油箱，实现普通工作模式下的卷扬下放。

如图5所示，卷扬下放势能实时回收利用工作模式中，控制势能回收换向阀13的电磁铁Y1得电，操作控制换向主阀4的先导手柄，控制先导油进入换向主阀4的先导口b，先导油推动换向主阀4的阀芯移动，主泵2提供的压力油从换向主阀4的P口流入A口流出，经平衡阀组的B口进入马达的出油路，驱动卷扬马达反转下放，此时平衡阀组的B口压力油部分流至梭阀6，经过减压阀5从Br口进入卷扬马达8的制动油缸，卷扬制动打开，并且平衡阀组的B口压力油推动先导式平衡阀7的阀芯移动平衡阀打开。此时下放的重物对卷扬马达做功，将重物下放释放的重力势能转换为液压油的压力能使油压升高，压力油通过先导式平衡阀7的出口T，经单向阀11进入势能回收换向阀13的P口从势能回收换向阀13的B口流出，经单向阀14到副泵18，此时副泵18的变量机构作用将副泵18切换到马达工况，副泵18将液压能转化为机械能，传递给发动机1及主泵2，发动机1在外部功率输入之后，电控喷油系统自动减小或者停止喷油，达到减少自身功率输出，实现节能。

在下放开始时，采用二次元件泵/马达的副泵18的排量还较小，回油路上的蓄能器12可以储存一定的势能，提供一定的回油背压，提高卷扬下放的稳定性，随着卷扬下放速度达到预定值以后，副泵18开始以马达工况稳定工作为发动机输入扭矩，此时蓄能器还可以继续储存一部分多余的能量，在下放完成后，蓄能器12通过势能回收换向阀13的电磁铁Y2得电，蓄能器12内部的压力油通过回油路进入势能回收换向阀13的P口，从B口流出，进入副泵的工作油路，可以为副泵控制的辅助系统提供一定的液压能，进一步利用卷扬下放过程中收集的势能降低整机工作的综合油耗。

为了保证工程机械的卷扬设备下放势能实时回收与利用节能系统在具有较高的节能性能的前提下拥有良好的操作性能，需要通过电控对整个系统进行控制，具体的控制流程如图6所示。

步骤1、系统初始化，包括初始化卷扬马达8的转速N1，副泵18的排量V2，换向主阀4的开口度信号，主泵2及副泵18的溢流阀开口度信号，并设定卷扬马达8允许工作转速N1范围以及副泵18的排量V2范围；

步骤2、设定驱动主泵2和副泵18的发动机1工作转速，进入工程机械卷扬设备的正常工作流程；

步骤3、卷扬下放开始，控制换向主阀4开启工作，先导式平衡阀7开启，控制势能回收换向阀13，使压力油回流至副泵18作为马达驱动主泵(具体的液压油路实现方式参考本实施例中关于图5的说明)；

步骤4、确定卷扬马达8的目标转速N1，根据换向主阀4的开口度信号和副泵18的转速确定副泵18的排量V2，并判断其是否符合步骤1中的取值范围；

步骤5、检测卷扬马达8的实时转速n1，得出与目标转速N1的差值Δn1作为卷扬马达排量的调节信号，通过控制器控制调节输出卷扬马达排量V1调节信号，使得Δn1值减小并趋于0；

步骤6、实时检测发动机1的转速n2，判断n2是否处于发动机转速设定区间，如果低于发动机设定工作转速，则发动机电控喷油系统加大喷油量达到设定转速；如果高于发动机设定工作转速，说明卷扬下放释放的功率过大，副泵18给发动机输入功率太大，造成发动机转速过高，通过控制器控制调节回油路上的电比例溢流阀15压力，控制发动机转速处于正常区间；如果发动机转速正常，则副泵18作为马达稳定工作，给发动机1提供外部功率输入，供其驱动液压系统和其他辅助耗能设备，实时利用卷扬下放释放的势能，发动机处于极低油耗工作状态；

步骤7、卷扬下放结束，换向主阀4关闭，卷扬下放势能回收与实时利用过程结束。

以上各个信号的控制和监控均可通过工程机械配备的电控系统实现监控和信号处理控制，具体的控制实现方式本实施例在此不做赘述。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种卷扬势能实时回收利用系统的控制方法，其特征在于：包括主泵、副泵、换向主阀、势能回收换向阀和平衡阀组；所述平衡阀组包括集成设置的减压阀、梭阀、平衡阀以及过载保护阀；所述平衡阀为两位三通液控阀；

所述主泵通过换向主阀连接至卷扬马达的进、出油路，所述两位三通液控阀的一个工作油口与卷扬马达的进油路连接，所述两位三通液控阀的另一个工作油口与卷扬马达的出油路连接，所述两位三通液控阀的左侧控制油口与卷扬马达的进油路连接，所述两位三通液控阀的右侧控制油口通过单向阀与油箱连通，所述单向阀的入口与油箱连通，所述单向阀的出口与所述右侧控制油口连通，所述平衡阀组的平衡阀出口引出一回油路，所述回油路与势能回收换向阀的进油口P连接，势能回收换向阀的工作油口A与换向主阀的工作油口B以及卷扬马达的出油路连接，势能回收换向阀的工作油口B与副泵的压力油口连接；

所述主泵和副泵通过发动机同轴传动，所述副泵采用与主泵同轴传动的二次元件泵/马达，作为泵时输出压力油到辅助系统，作为马达时，接受卷扬马达下放时产生的回油压力并转换为机械能与发动机一同驱动主泵；所述回油路上并联电比例溢流阀，所述电比例溢流阀的出口连接油箱；

所述控制方法的具体控制步骤如下：

步骤1、系统初始化，包括初始化卷扬马达目标转速N1，副泵排量V2，换向主阀开口度信号，主泵的主泵溢流阀开度信号及副泵的副泵溢流阀开口度信号，并设定卷扬马达允许目标转速N1范围以及副泵的排量V2范围；

步骤2、设定驱动主泵和副泵的发动机工作转速，进入卷扬设备的正常工作流程；

步骤3、卷扬下放开始，控制换向主阀开启工作，平衡阀开启，控制势能回收换向阀，使压力油回流至副泵作为马达驱动主泵；

步骤4、确定卷扬马达的目标转速N1，根据换向主阀开口度信号和副泵的转速确定副泵的排量V2，并判断其是否符合步骤1中的取值范围；

步骤5、检测卷扬马达的实时转速n1，得出与目标转速N1的差值Δn1作为卷扬马达排量的调节信号，通过控制器控制调节输出卷扬马达排量V1调节信号，使得Δn1值减小并趋于0；

步骤6、实时检测发动机转速n2，判断n2是否处于发动机工作转速设定区间，如果低于发动机设定工作转速，则控制发动机供油达到设定工作转速；如果高于发动机设定工作转速，则通过控制器控制调节所述电比例溢流阀压力，控制发动机转速处于设定区间；如果发动机转速正常，则副泵作为马达稳定工作，给发动机提供外部功率输入，供其驱动液压系统和其他辅助耗能设备，实时利用卷扬下放释放的势能，发动机处于极低油耗工作状态；

步骤7、卷扬下放结束，换向主阀关闭，卷扬下放势能回收与实时利用过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种卷扬势能实时回收利用系统的控制方法，所述平衡阀组与势能回收换向阀之间设有防止倒流的单向阀。

3.根据权利要求2所述的一种卷扬势能实时回收利用系统的控制方法，所述副泵的压力油口还并联连接有工作油路，所述副泵的工作油路与势能回收换向阀之间设有防止倒流的单向阀。

4.根据权利要求3所述的一种卷扬势能实时回收利用系统的控制方法，所述势能回收换向阀与换向主阀之间设有防止倒流的单向阀。

5.根据权利要求4所述的一种卷扬势能实时回收利用系统的控制方法，所述回油路和溢流阀之间的油路上设有蓄能器。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种卷扬势能实时回收利用系统的控制方法，所述换向主阀至少包括截断主泵压力油的截止位以及两个改变卷扬马达进出油方向的工作位。

7.根据权利要求6所述的一种卷扬势能实时回收利用系统的控制方法，所述势能回收换向阀至少包括截断回油的截止位以及两个改变油路流通方向的工作位。