CN110499794B - 一种大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统及方法，适用于采矿机械使用。在原动臂液压系统的基础上，设置变量马达、蓄能器、控制阀组，其中控制阀组连接动臂油缸的有杆腔和无杆腔，且控制阀与主阀并联；变量马达、控制阀组、蓄能器依次连接；动臂油缸无杆腔的高压油液经控制阀组分三路，分别进入动臂油缸的有杆腔、蓄能器和变量马达；变量马达连接发动机，组成混合动力，以共同驱动主泵。兼具流量再生和混合动力的优势，结构简单，能量转化环节少，能量利用率高，蓄能器体积小，辅助驱动力矩大，泵/马达功率等级小，系统占用空间小，控制灵活，可适应复杂工况。

Description

一种大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统及其控制 方法
技术领域
本发明涉及一种重载动臂势能回收利用系统及其控制方法，尤其适用于机械领域使用的大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统及其控制方法。
背景技术
大型液压挖掘机是露天矿联合作业的关键设备，主要配装大型自卸卡车，用于表土的剥离以及矿岩或煤炭的采装作业。大型液压挖掘机的机重一般超过100吨，整机功率一般可达几千kW，耗能惊人，但整机效率只有20%左右。
挖掘机在工作过程中，通过动臂油缸驱动动臂来举升工作装置，且升降频繁，动臂下降时产生大量的势能。通常这部分势能大部分消耗于主液压阀的节流口并转换为热能，造成了大量的能量浪费和系统发热，危及液压元件的寿命。相关研究表明，在挖掘机所有可回收的能量中，动臂势能占比最大，约占72%，因此高效回收利用动臂势能是提高挖掘机能量利用率的重要途径。
目前的电气式和液压式动臂势能回收利用系统主要应用于中小型液压挖掘机，而难以应用于大型液压挖掘机。这主要是因为大型液压挖掘机的工作装置质量巨大，动臂下降时所释放的流量和势能巨大，如果采用现有的势能回收利用系统，则需要大容量的电气式或液压式储能元件，进而需要较大的安装空间，并需要改变动臂结构。由于挖掘机的安装空间有限，导致现有的势能回收利用系统无法满足要求，需要进一步开发适用于大型液压挖掘机的重载势能回收利用系统与控制方法。
发明内容
针对目前大型液压挖掘机重载动臂势能难以回收利用的问题，本发明提供一种适用于大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统及其控制方法，其能够在有限空间内高效回收利用巨量势能，以提高大型液压挖掘机的能量利用率。
适用于大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统，在原动臂液压系统上设有能量回收利用系统构成，其特征在于：所述原动臂液压系统包括动臂和动臂油缸、主阀，主泵和发动机，其中动臂和动臂油缸相互匹配构成的完整液压臂，动臂油缸中被动臂的活塞分为有杆腔和无杆腔，有杆腔和无杆腔的管路分别通过主阀与主泵连接，主泵与发动机连接；
所述的能量回收利用系统包括顺序连接的变量马达、蓄能器和控制阀组，其中变量马达设置在主泵与发动机之间，变量马达与发动机组成混合动力共同驱动主泵从而低发动机的能耗；
所述控制阀组包括第一单向阀、液控单向阀、比例方向阀、第二单向阀和电磁换向阀，其中第一单向阀和液控单向阀同向并排设置，第一单向阀和液控单向阀的入口端分别与动臂油缸的有杆腔和无杆腔相连接从而构成差动回路，第一单向阀和液控单向阀的出口端通过三通匀与比例方向阀的入口端相连接，比例方向阀的输出端与第二单向阀的入口端相连接，蓄能器经过电磁换向阀管路连接变量马达，第二单向阀的出口端与蓄能器和电磁换向阀之间的管路相连接；动臂油缸的无杆腔的一部分高压油液通过差动回路流入有杆腔实现动臂的流量再生，另一部分高压油液进入蓄能器和变量马达，该差动回路可使进入蓄能器的油液体积减少50%，使油液压力增加1倍。
所述第二单向阀、有杆腔和无杆腔上均设有压力传感器，变量马达与发动机之间设有转速扭矩仪；比例方向阀、所有传感器、变量马达和转速扭矩仪分别通过线路连接有控制器，控制器的型号为S71200,控制器通过电缆分别控制比例方向阀的换向及开度、变量马达的排量以及电磁换向阀的换向。
液控单向阀上还连接有先导阀组，用以控制液控单向阀的开启与关闭。
所述蓄能器为皮囊式蓄能器，比例方向阀为两位两通比例换向阀。
一种大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统的控制方法，其包括流量再生、蓄能器蓄能、下降混合动力驱动和抬升混合动力驱动四种状态；
在大型液压挖掘机的动臂下放阶段，首先同时实施流量再生，然后蓄能器蓄能与混合驱动同时进行；在大型液压挖掘机的动臂抬升阶段，蓄能器释放能量，驱动变量马达旋转，以混合驱动；
具体步骤如下：
1）流量再生：当大型液压挖掘机的动臂下降阶段时，控制器打开液控单向阀，动臂油缸无杆腔中的一部分高压油液经差动回路进入有杆腔，构成高压油液的流量再生，从而减少进入蓄能器的油液体积，并且增加蓄能器的蓄能压力从而提高变量马达的输出扭矩；
2）蓄能器蓄能：当大型液压挖掘机的动臂下降阶段时，在控制器打开液控单向阀的同时打开比例方向阀，此时动臂油缸无杆腔中的一部分高压油液进入蓄能器进行存储；
3）下降混合动力驱动：在大型液压挖掘机的动臂下降阶段时，电磁换向阀开启，动臂油缸无杆腔中的高压油液进入变量马达，辅助驱动变量马达旋转并输出扭矩，使变量马达与发动机组成混合动力，以共同驱动主泵；
4）抬升混合动力驱动：在大型液压挖掘机的动臂举升阶段时，关闭比例方向阀和液控单向阀，蓄能器释放所存储的高压油液，释放的高压油液驱动变量马达，变量马达继续辅助发动机驱动主泵；
下降混合动力驱动和抬升混合动力驱动中，变量马达的扭矩与发动机的扭矩进行混合构成混合动力，从而共同驱动主泵，通过混合动力可以利用动臂势能，降低发动机的能耗，通过调节变量马达的排量，可优化混合驱动单元的功率分配。
有益效果：该新型重载动臂节能系统兼具流量再生和混合动力的优势，结构简单，能量转化环节少，能量利用率高，蓄能器体积小：在回收同样的能量的情况下，蓄能器的体积可以减少50%，辅助驱动力矩大：采用流量再生后，进入变量马达的油液压力增加1倍，因此在同样排量下，变量马达的驱动扭矩增加1倍，变量马达功率等级小：因为进入变量马达的油液压力增加1倍，在输出同样扭矩的情况下，可选用较小功率等级的变量马达，系统占用空间小，控制灵活，可适应复杂工况。
本发明具有如下优势：
1）蓄能器体积小、辅助驱动力矩大。通过第一单向阀和液控单向阀与动臂油缸的差动连接，形成动臂流量再生，其一方面可以减少约50%的动臂流量进入蓄能器（一般动臂无杆腔与有杆腔的有效面积比为2:1），可显著减小蓄能器的体积，另一方面可增减加1倍的压力来驱动液压马达，显著提高了辅助驱动的力矩。另外，在动臂下降阶段，采用能量回收和利用并行的方式，即蓄能器蓄能与变量马达辅助驱动同步进行，进一步减小了蓄能器的体积。
2）能量利用时间延长，泵/马达功率等级减小。动臂下放结束后，蓄能器释放高压油液，继续驱动液压马达，理论上可将能量利用时间从原来动臂下放的2-3s延长至整个挖掘周期（约20s），由此在利用相同的势能时，显著降低了液压马达的功率等级，另外，通过流量再生提高了驱动液压马达的压力，在相同的驱动力矩下，可显著减少液压马达的排量。
3）兼具流量再生和混合动力的优势，且结构简单，能量转化环节少，能量利用率高。
4）控制灵活，适应复杂工况。通过控制阀组及泵/马达的控制，可适应长距离及短距离动臂下放工况、高负载及低负载工况，以满足复杂挖掘工况的要求。因此本发明可实现大型液压挖掘机的重载动臂势能的高效回收利用。
附图说明
图1是新型重载动臂势能回收利用系统的结构示意图；
图2是采用重载动臂势能回收利用系统的大型液压挖掘机实施例。
图中：1-变量马达，2-蓄能器，3-控制阀组，3.1-第一单向阀，3.2-液控单向阀，3.3-比例方向阀，3.4-第二单向阀，3.5-电磁换向阀，4-动臂，5-动臂油缸，6-主阀，7-主泵，8-发动机，9-控制器，10-压力传感器，11-转速扭矩仪，12-先导阀组，13-大型液压挖掘机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1和图2所示，本发明大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统，在原动臂液压系统上设有能量回收利用系统构成，其特征在于：所述原动臂液压系统包括动臂4和动臂油缸5、主阀6，主泵7和发动机8，其中动臂4和动臂油缸5相互匹配构成的完整液压臂，动臂油缸5中被动臂4的活塞分为有杆腔和无杆腔，有杆腔和无杆腔的管路分别通过主阀6与主泵7连接，主泵7与发动机8连接；
所述的能量回收利用系统包括顺序连接的变量马达1、蓄能器2和控制阀组3，其中变量马达1设置在主泵7与发动机8之间，变量马达1与发动机8组成混合动力共同驱动主泵7从而低发动机8的能耗，蓄能器2为皮囊式蓄能器，；
所述控制阀组3包括第一单向阀3.1、液控单向阀3.2、比例方向阀3.3、第二单向阀3.4和电磁换向阀3.5，其中第一单向阀3.1和液控单向阀3.2同向并排设置，第一单向阀3.1和液控单向阀3.2的入口端分别与动臂油缸5的有杆腔和无杆腔相连接从而构成差动回路，第一单向阀3.1和液控单向阀3.2的出口端通过三通匀与比例方向阀3.3的入口端相连接，比例方向阀3.3为两位两通比例换向阀，比例方向阀3.3的输出端与第二单向阀3.4的入口端相连接，蓄能器2经过电磁换向阀3.5管路连接变量马达1，第二单向阀3.4的出口端与蓄能器2和电磁换向阀3.5之间的管路相连接；动臂油缸5的无杆腔的一部分高压油液通过差动回路流入有杆腔实现动臂的流量再生，另一部分高压油液进入蓄能器2和变量马达1，该差动回路可使进入蓄能器2的油液体积减少50%，使油液压力增加1倍。进入动臂油缸（5）有杆杆腔、蓄能器（2）、变量马达（1）三部分的油液体积之和等于动臂油缸（5）无杆腔的油液体积。
液控单向阀3.2上还连接有先导阀组12，用以控制液控单向阀3.2的开启与关闭，所述第二单向阀3.4、有杆腔和无杆腔上均设有压力传感器10，变量马达1与发动机8之间设有转速扭矩仪11；比例方向阀3.3、所有传感器10、变量马达1和转速扭矩仪11分别通过线路连接有控制器9，控制器9的型号为S71200,控制器9通过电缆分别控制比例方向阀3.3的换向及开度、变量马达1的排量以及电磁换向阀3.5的换向。
一种大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统的控制方法，其包括流量再生、蓄能器蓄能、下降混合动力驱动和抬升混合动力驱动四种状态；
在大型液压挖掘机的动臂4下放阶段，首先同时实施流量再生，然后蓄能器蓄能与混合驱动同时进行；在大型液压挖掘机的动臂4抬升阶段，蓄能器释放能量，驱动变量马达旋转，以混合驱动；
具体步骤如下：
1）流量再生：当大型液压挖掘机的动臂4下降阶段时，控制器9打开液控单向阀3.2，动臂油缸5无杆腔中的部分高压油液经差动回路进入有杆腔，构成高压油液的流量再生，从而减少进入蓄能器2的油液体积，并且增加蓄能器2的蓄能压力从而提高变量马达1的输出扭矩；
2）蓄能器蓄能：当大型液压挖掘机的动臂4下降阶段时，在控制器9打开液控单向阀3.2的同时打开比例方向阀3.3，此时动臂油缸5无杆腔中的部分高压油液进入蓄能器2进行存储；
3）下降混合动力驱动：在大型液压挖掘机的动臂4下降阶段时，电磁换向阀3.5开启，动臂油缸5无杆腔中的高压油液进入变量马达1，辅助驱动变量马达1旋转并输出扭矩，使变量马达1与发动机8组成混合动力，以共同驱动主泵7；
4）抬升混合动力驱动：在大型液压挖掘机的动臂4举升阶段时，关闭比例方向阀3.3和液控单向阀3.2，蓄能器2释放所存储的高压油液，释放的高压油液驱动变量马达1，变量马达1继续辅助发动机8驱动主泵7；
下降混合动力驱动和抬升混合动力驱动中，变量马达1的扭矩与发动机8的扭矩进行混合构成混合动力，从而共同驱动主泵7，通过混合动力可以利用动臂势能，降低发动机的能耗，通过调节变量马达1的排量，可优化混合驱动单元的功率分配。

Claims (4)

1.一种大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统，在原动臂液压系统上设有能量回收利用系统构成，其特征在于：所述原动臂液压系统包括动臂（4）和动臂油缸（5）、主阀（6），主泵（7）和发动机（8），其中动臂（4）和动臂油缸（5）相互匹配构成的完整液压臂，动臂油缸（5）中被动臂（4）的活塞分为有杆腔和无杆腔，有杆腔和无杆腔的管路分别通过主阀（6）与主泵（7）连接，主泵（7）与发动机（8）连接；
所述的能量回收利用系统包括顺序连接的变量马达（1）、蓄能器（2）和控制阀组（3），其中变量马达（1）设置在主泵（7）与发动机（8）之间，变量马达（1）与发动机（8）组成混合动力共同驱动主泵（7）从而降低发动机（8）的能耗；
所述控制阀组（3）包括第一单向阀（3.1）、液控单向阀（3.2）、比例方向阀（3.3）、第二单向阀（3.4）和电磁换向阀（3.5），其中第一单向阀（3.1）和液控单向阀（3.2）同向并排设置，第一单向阀（3.1）和液控单向阀（3.2）的入口端分别与动臂油缸（5）的有杆腔和无杆腔相连接从而构成差动回路，第一单向阀（3.1）和液控单向阀（3.2）的出口端通过三通与比例方向阀（3.3）的入口端相连接，比例方向阀（3.3）的输出端与第二单向阀（3.4）的入口端相连接，蓄能器（2）经过电磁换向阀（3.5）管路连接变量马达（1），第二单向阀（3.4）的出口端与蓄能器（2）和电磁换向阀（3.5）之间的管路相连接；动臂油缸（5）的无杆腔的一部分高压油液通过差动回路流入有杆腔，以实现动臂的流量再生，另一部分高压油液进入蓄能器（2）和变量马达（1），该差动回路可使进入蓄能器（2）的油液体积减少50%，使油液压力增加1倍；
所述第二单向阀（3.4）、有杆腔和无杆腔上均设有压力传感器（10），变量马达（1）与发动机（8）之间设有转速扭矩仪（11）；比例方向阀（3.3）、所有传感器（10）、变量马达（1）和转速扭矩仪（11）分别通过线路连接有控制器（9），控制器（9）的型号为S71200,控制器（9）通过电缆分别控制比例方向阀（3.3）的换向及开度、变量马达（1）的排量以及电磁换向阀（3.5）的换向。
2.根据权利要求1所述的大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统，其特征在于：液控单向阀（3.2）上还连接有先导阀组（12），用以控制液控单向阀（3.2）的开启与关闭。
3.根据权利要求1所述的大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统，其特征在于：所述蓄能器（2）为皮囊式蓄能器，比例方向阀（3.3）为两位两通比例换向阀。
4.一种使用权利要求1所述的大型液压挖掘机的重载动臂势能回收利用系统的控制方法，其特征在于包括流量再生、蓄能器蓄能、下降混合动力驱动和抬升混合动力驱动四种状态；
在大型液压挖掘机的动臂（4）下放阶段，首先同时实施流量再生，然后蓄能器蓄能与混合驱动同时进行；在大型液压挖掘机的动臂（4）抬升阶段，蓄能器释放能量，驱动变量马达旋转，以混合驱动；
具体步骤如下：
1）流量再生：当大型液压挖掘机的动臂（4）下降阶段时，控制器（9）打开液控单向阀（3.2），动臂油缸（5）无杆腔中的一部分高压油液经差动回路进入有杆腔，构成高压油液的流量再生，从而减少进入蓄能器（2）的油液体积，并且增加蓄能器（2）的蓄能压力从而提高变量马达（1）的输出扭矩；
2）蓄能器蓄能：当大型液压挖掘机的动臂（4）下降阶段时，在控制器（9）打开液控单向阀（3.2）的同时打开比例方向阀（3.3），此时动臂油缸（5）无杆腔中的一部分高压油液进入蓄能器（2）进行存储；
3）下降混合动力驱动：在大型液压挖掘机的动臂（4）下降阶段时，电磁换向阀（3.5）开启，动臂油缸（5）无杆腔中的一部分高压油液进入变量马达（1），辅助驱动变量马达（1）旋转并输出扭矩，使变量马达（1）与发动机（8）组成混合动力，以共同驱动主泵（7）；
4）抬升混合动力驱动：在大型液压挖掘机的动臂（4）举升阶段时，关闭比例方向阀（3.3）和液控单向阀（3.2），蓄能器（2）释放所存储的高压油液，释放的高压油液驱动变量马达（1），变量马达（1）继续辅助发动机（8）驱动主泵（7）；
下降混合动力驱动和抬升混合动力驱动中，变量马达（1）的扭矩与发动机（8）的扭矩进行混合构成混合动力，从而共同驱动主泵（7），通过混合动力可以利用动臂势能，降低发动机的能耗，通过调节变量马达（1）的排量，可优化混合驱动单元的功率分配。
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