CN112127415A - 一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统 - Google Patents

一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统 Download PDF

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Abstract

一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，比例阀的B1、A1口连接主换向单元的B、A口，A2、B2口均连接先导单向阀和先导溢流阀的进油口；两先导单向阀的出油口、梭阀的A口和压力补偿阀的负载压力口相连接；两先导溢流阀的出油口、主换向单元的L口相连接；压力补偿阀连通主换向单元的P口和比例阀的P1口；梭阀的B、C口分别与主换向单元的X、LS口连接；主换向单元的LS、B口分别与液压泵压力反馈口和有杆腔连接；能量再生阀的P、A口分别与主换向单元的A口和无杆腔连接；其B口通过释能单向阀与第二逆止阀的出油口连接；切换阀的P口与液压马达的B口连接，其B、T口分别与能量再生阀的T口和液压马达的A口连接。该系统能有效回收能量。

Description

一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统
技术领域
本发明属于液压传动技术领域，具体是一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统。
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单元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，本发明提供一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，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，该系统具有显著的节能效果。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，包括发动机、液压泵、主换向单元、动臂液压缸和油箱，所述发动机与液压泵同轴连接；
还包括能量再生阀、切换阀、第一溢流阀、第二溢流阀、液压马达、离合器和飞轮；
主换向单元上设置有B口、A口、P口、T口、LS口、L口和X口；主换向单元由比例阀、第一先导溢流阀、第二先导溢流阀、第一先导单向阀、第二先导单向阀、压力补偿阀和梭阀组成；比例阀上设置有B1口、B2口、A1口、A2口、T1口、T2口和P1口，比例阀的B1口和A1口通过油路分别与主换向单元的B口和A口连通，比例阀的T1口和T2口连通后通过油路与主换向单元的T口连接，比例阀的A2口分别与第一先导单向阀的进油口和第一先导溢流阀的进油口连接，比例阀的B2口分别与第二先导单向阀的进油口和第二先导溢流阀的进油口连接；第一先导单向阀的出油口和第二先导单向阀的出油口相互连通后又分别与梭阀的A口和压力补偿阀的负载压力口连接；第一先导溢流阀的出油口和第二先导溢流阀的出油口相互连通后又通过油路与主换向单元的L口连接；压力补偿阀的进油口和出油口分别与主换向单元的P口和比例阀的P1口连接；梭阀的B口和C口分别通过油路与主换向单元的X口和LS口连接；主换向单元的T口和L口均通过油路与油箱连接；主换向单元的LS口、B口分别与液压泵压力反馈口和动臂液压缸的有杆腔连接；
所述液压泵为负载敏感变量泵，其出油口P通过第二逆止阀与主换向单元的P口连接，其吸油口S与油箱连接；
所述能量再生阀的P口和A口分别与主换向单元的A口和动臂液压缸的无杆腔连接；能量再生阀的B口通过释能单向阀与第二逆止阀的出油口连接；
所述切换阀的A口和P口分别与油箱和液压马达的B口连接，切换阀的B口和T口分别与能量再生阀的T口和液压马达的A口连接；
第一溢流阀的进油口和出油口分别与切换阀的T口和油箱连接；第二溢流阀的进油口和出油口分别与切换阀的P口和油箱连接；
第二溢流阀的设定压力高于所述液压泵设定的最高工作压力；
液压马达的输出轴通过离合器与飞轮一端的转轴连接。
进一步，为了便于实现自动化的控制过程，还包括转速传感器、用于操纵动臂的手柄和控制器；
转速传感器贴近飞轮地设置，用于检测飞轮的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器；
所述手柄用于根据操作人员的控制分别发出动臂下放电信号和动臂提升电信号；
所述控制器的输入端与手柄的输出端连接，所述控制器的输出端分别与主换向单元、离合器、能量再生阀、液压泵、液压马达和切换阀连接；
所述控制器用于根据接收到的转速信号来获得飞轮的转速，并在转速达到设定最大值时控制离合器断电，控制液压马达的排量为零；用于在接收到动臂提升电信号后控制主换向单元的电磁铁Y1a得电，控制离合器得电吸合；用于在接收到动臂下放电信号后控制主换向单元的电磁铁Y1b得电，控制能量再生阀的电磁铁Y2得电吸合,控制切换阀的电磁铁Y3得电，控制离合器得电。
作为一种优选，所述液压马达为比例排量控制马达。
作为一种优选，所述能量再生阀为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y2不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。
作为一种优选，所述切换阀为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通。
本发明能在动臂下降的过程中，通过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，还能再次将储存的能量反馈于液压系统中。本方案利用负载敏感泵的工作特性，实现了对回收能量的合理利用，可以实现降低发动机功率的目的，降低了能量消耗，且较传统的利用液压泵马达进行能量转化的方式成本更低。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。通过第一先导溢流阀的设置可以限制比例阀的A口反馈的最高压力，也限制了比例阀左位工作时变量泵的最高工作压力。通过第二先导溢流阀的设置可以限制比例阀的B口反馈的最高压力，也限制了比例阀右位工作时变量泵的最高工作压力。通过梭阀的设置，可以在系统中存在多个主换向单元时，通过主换向单元的X口进行级联，以能将最高的压力取出送至液压泵，从而能保证系统中所有执行机构均能可靠的运行。通过能量再生阀和切换阀的设置能进行能量回收和再利用过程的便捷切换。使第二溢流阀的设定压力高于所述液压泵设定的最高工作压力，可以在飞轮内有足够能量的前提下，使系统可以获得比原系统更高的工作压力，即动臂液压缸可以获得更高的驱动力。
本发明还提供了一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，包括发动机、液压泵、主换向单元、动臂液压缸和油箱，所述发动机与液压泵同轴连接；
还包括能量再生阀、切换阀、第一溢流阀、第二溢流阀、液压马达、离合器和飞轮；
主换向单元上设置有B口、A口、P口、T口、LS口、L口和X口；主换向单元由比例阀、第一先导溢流阀、第二先导溢流阀、第一先导单向阀、第二先导单向阀、压力补偿阀、第一逆止阀和梭阀组成；比例阀上设置有B1口、B2口、A1口、A2口、T1口、T2口和P1口，比例阀的B1口和A1口通过油路分别与主换向单元的B口和A口连通，比例阀的T1口和T2口连通后通过油路与主换向单元的T口连接，比例阀的A2口分别与第一先导单向阀的进油口和第一先导溢流阀的进油口连接，比例阀的B2口分别与第二先导单向阀的进油口和第二先导溢流阀的进油口连接；第一先导单向阀的出油口和第二先导单向阀的出油口相互连通后又分别与梭阀的A口和压力补偿阀的负载压力口连接；第一先导溢流阀的出油口和第二先导溢流阀的出油口相互连通后又通过油路与主换向单元的L口连接；压力补偿阀的进油口和出油口分别与主换向单元的P口和第一逆止阀的进油口连接，第一逆止阀的出油口和比例阀的P1口连接；梭阀的B口和C口分别通过油路与主换向单元的X口和LS口连接；主换向单元的T口和L口均通过油路与油箱连接；主换向单元的LS口、B口分别与液压泵压力反馈口和动臂液压缸的有杆腔连接；
所述液压泵为负载敏感变量泵，其出油口P通过油路与主换向单元的P口连接，其吸油口S与油箱连接；
所述能量再生阀的P口和A口分别与主换向单元的A口和动臂液压缸的无杆腔连接；能量再生阀的B口通过释能单向阀与第一逆止阀的出油口连接；
所述切换阀的A口和P口分别与油箱和液压马达的B口连接，切换阀的B口和T口分别与能量再生阀的T口和液压马达的A口连接；
第一溢流阀的进油口和出油口分别与切换阀的T口和油箱连接；第二溢流阀的进油口和出油口分别与切换阀的P口和油箱连接；
第二溢流阀的设定压力高于所述液压泵设定的最高工作压力；
液压马达的输出轴通过离合器与飞轮一端的转轴连接。
为了便于实现自动化的控制过程，还包括转速传感器、用于操纵动臂的手柄和控制器；
转速传感器贴近飞轮地设置，用于检测飞轮的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器；
所述手柄用于根据操作人员的控制分别发出动臂下放电信号和动臂提升电信号；
所述控制器的输入端与手柄的输出端连接，所述控制器的输出端分别与主换向单元、离合器、能量再生阀、液压泵、液压马达和切换阀连接；
所述控制器用于根据接收到的转速信号来获得飞轮的转速，并在转速达到设定最大值时控制离合器断电，控制液压马达的排量为零；用于在接收到动臂提升电信号后控制主换向单元的电磁铁Y1a得电，控制离合器得电吸合；用于在接收到动臂下放电信号后控制主换向单元的电磁铁Y1b得电，控制能量再生阀的电磁铁Y2得电吸合,控制切换阀的电磁铁Y3得电，控制离合器得电。
作为一种优选，所述液压马达为比例排量控制马达。
作为一种优选，所述能量再生阀为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y2不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。
作为一种优选，所述切换阀为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通。
本发明能在动臂下降的过程中，通过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，还能再次将储存的能量反馈于液压系统中。本方案利用负载敏感泵的工作特性，实现了对回收能量的合理利用，可以实现降低发动机功率的目的，降低了能量消耗，且较传统的利用液压泵马达进行能量转化的方式成本更低。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。通过第一先导溢流阀的设置可以限制比例阀的A口反馈的最高压力，也限制了比例阀左位工作时变量泵的最高工作压力。通过第二先导溢流阀的设置可以限制比例阀的B口反馈的最高压力，也限制了比例阀右位工作时变量泵的最高工作压力。通过梭阀的设置，可以在系统中存在多个主换向单元时，通过主换向单元的X口进行级联，以能将最高的压力取出送至液压泵，从而能保证系统中所有执行机构均能可靠的运行。通过能量再生阀和切换阀的设置能进行能量回收和再利用过程的便捷切换。使第二溢流阀的设定压力高于所述液压泵设定的最高工作压力，可以在飞轮内有足够能量的前提下，使系统可以获得比原系统更高的工作压力，即动臂液压缸可以获得更高的驱动力。
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是本发明中第一个实施例的液压原理图；
图4是本发明中第二个实施例的液压原理图；
图5是本发明中液压泵的液压原理图。
图中：1、发动机，2、液压泵，21、流量控制阀，22、压力切断阀，3、主换向单元，31、压力补偿阀、32、比例阀、33、第一先导溢流阀、34、第二先导溢流阀，35、梭阀，36、第一先导单向阀，37、第二先导单向阀，38、第一逆止阀，4、动臂液压缸，5、油箱，6、液压马达，7、能量再生阀，8、飞轮，9、离合器，10、释能单向阀，11、切换阀，12、第二逆止阀，151、第一溢流阀，152、第二溢流阀；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。
实施例1：
本发明提供了一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，包括发动机1、液压泵2、主换向单元3、动臂液压缸4和油箱5，所述发动机1与液压泵2同轴连接；
还包括能量再生阀7、切换阀11、第一溢流阀151、第二溢流阀152、液压马达6、离合器9和飞轮8；
主换向单元3上设置有B口、A口、P口、T口、LS口、L口和X口；主换向单元3由比例阀32、第一先导溢流阀33、第二先导溢流阀34、第一先导单向阀36、第二先导单向阀37、压力补偿阀31和梭阀35组成；比例阀32上设置有B1口、B2口、A1口、A2口、T1口、T2口和P1口，比例阀32的B1口和A1口通过油路分别与主换向单元3的B口和A口连通，比例阀32的T1口和T2口连通后通过油路与主换向单元3的T口连接，比例阀32的A2口分别与第一先导单向阀36的进油口和第一先导溢流阀33的进油口连接，比例阀32的B2口分别与第二先导单向阀37的进油口和第二先导溢流阀34的进油口连接；第一先导单向阀36的出油口和第二先导单向阀37的出油口相互连通后又分别与梭阀35的A口和压力补偿阀31的负载压力口连接；第一先导溢流阀33的出油口和第二先导溢流阀34的出油口相互连通后又通过油路与主换向单元3的L口连接；压力补偿阀31的进油口和出油口分别与主换向单元3的P口和比例阀32的P1口连接；梭阀35的B口和C口分别通过油路与主换向单元3的X口和LS口连接；主换向单元3的T口和L口均通过油路与油箱5连接；主换向单元3的LS口、B口分别与液压泵2压力反馈口和动臂液压缸4的有杆腔连接；
其中，压力补偿阀31是一个定差减压阀。结合图3，压力补偿阀右侧有弹簧，还作用有通过油路反馈回来的比例阀阀后的负载压力信号P2，左侧作用有比例阀阀前的压力信号P1。当压力补偿阀处于平衡位置工作时，使比例阀前后的压力差△P＝P1-P2与弹簧力平衡，即该压力差基本恒定。根据液压阀口的流量公式
Figure BDA0002686874190000071
Q是通过阀口的流量，C是常数，A是阀口的开度大小，△P是阀口前后的压力差。因此，通过比例阀的流量就仅取决于其阀口开度的大小，而与其对应执行元件的负载大小无关。
所述第一先导溢流阀33用于限制比例阀的A口反馈的最高压力，也限制了比例阀32左位工作时变量泵2的最高工作压力。所述第二先导溢流阀34用于限制比例阀的B口反馈的最高压力，也限制了比例阀32右位工作时变量泵2的最高工作压力。
所述梭阀35用于当系统中存在多个主换向单元3时，将最高的压力取出送至液压泵2。具体地，在存在多个主换向单元3时，通过主换向单元3的X口进行级联，从而可以将多个主换向单元3的最高压力取出送至液压泵2。
所述液压泵2为负载敏感变量泵，其出油口P通过第二逆止阀12与主换向单元3的P口连接，其吸油口S与油箱5连接；
图5给出了典型负载敏感变量泵的原理，其变量机构中包含流量控制阀21和压力切断阀22。该泵可以根据作用在X口的外界压力信号，通过其出油口P提供仅比该外界压力信号高出某个设定压力值的油液。该设定压力值由流量控制阀21右侧的弹簧设定。当P口的压力与X口的压力差大于流量控制阀21右侧弹簧的等效压力时，液压泵2的变量机构将其排量减小，减小其排出的流量以降低P口的压力；当P口的压力与X口的压力差小于流量控制阀21右侧弹簧的等效压力时，液压泵2的变量机构将其排量变大，增大其排出的流量以升高P口的压力；当P口的压力与X口的压力差正好等于流量控制阀21右侧弹簧的等效压力时，液压泵2维持当前的排量大小不变。压力切断阀22泵的作用是在泵的工作压力超过其右侧弹簧设定值时，将泵的排量调节至最小，以使泵对外不输出流量。
所述主换向单元3具有左、中和右三个工作位，在比例阀32的电磁铁Y1b得电时工作在右位，此时，比例阀32的P1口同时与其B1口和B2口连通，进而主换向单元3的P口与B口连通，在比例阀32的电磁铁Y1a得电时工作在左位，此时，比例阀32的P1口同时与其A1口和A2口连通，进而主换向单元3的P口与A口连通，在比例阀32的电磁铁均不得电时工作在中位，此时，比例阀32的P1口、B1口、B2口、A1口和A2口均截止，进而主换向单元3的P口与B口或A口均断开；
所述能量再生阀7的P口和A口分别与主换向单元3的A口和动臂液压缸4的无杆腔连接；能量再生阀7的B口通过释能单向阀10与第二逆止阀12的出油口连接；
所述切换阀11的A口和P口分别与油箱5和液压马达6的B口连接，切换阀11的B口和T口分别与能量再生阀7的T口和液压马达6的A口连接；
第一溢流阀151的进油口和出油口分别与切换阀11的T口和油箱5连接；第二溢流阀152的进油口和出油口分别与切换阀11的P口和油箱5连接；
第二溢流阀152的设定压力高于所述液压泵2设定的最高工作压力，即高于压力切断阀22的设定值；
液压马达6的输出轴通过离合器9与飞轮8一端的转轴连接。
为了便于实现自动化的控制过程，还包括转速传感器、用于操纵动臂的手柄和控制器；作为一种优选，控制器为PLC控制器。
转速传感器贴近飞轮8地设置，用于检测飞轮8的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器；
所述手柄用于根据操作人员的控制分别发出动臂下放电信号和动臂提升电信号；
所述控制器的输入端与手柄的输出端连接，所述控制器的输出端分别与主换向单元3、离合器9、能量再生阀7、液压泵2、液压马达6和切换阀11连接；
所述控制器用于根据接收到的转速信号来获得飞轮8的转速，并在转速达到设定最大值时控制离合器9断电，控制液压马达6的排量为零；用于在接收到动臂提升电信号后控制主换向单元3的电磁铁Y1a得电，控制离合器9得电吸合；用于在接收到动臂下放电信号后控制主换向单元3的电磁铁Y1b得电，控制能量再生阀7的电磁铁Y2得电吸合,控制切换阀11的电磁铁Y3得电，控制离合器9得电。
作为一种优选，所述液压马达6为比例排量控制马达。
作为一种优选，所述能量再生阀7为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y2不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。
作为一种优选，所述切换阀11为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通。
实施例2：
本发明还提供了一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，包括发动机1、液压泵2、主换向单元3、动臂液压缸4和油箱5，所述发动机1与液压泵2同轴连接；
还包括能量再生阀7、切换阀11、第一溢流阀151、第二溢流阀152、液压马达6、离合器9和飞轮8；
主换向单元3上设置有B口、A口、P口、T口、LS口、L口和X口；主换向单元3由比例阀32、第一先导溢流阀33、第二先导溢流阀34、第一先导单向阀36、第二先导单向阀37、压力补偿阀31、第一逆止阀38和梭阀35组成；比例阀32上设置有B1口、B2口、A1口、A2口、T1口、T2口和P1口，比例阀32的B1口和A1口通过油路分别与主换向单元3的B口和A口连通，比例阀32的T1口和T2口连通后通过油路与主换向单元3的T口连接，比例阀32的A2口分别与第一先导单向阀36的进油口和第一先导溢流阀33的进油口连接，比例阀32的B2口分别与第二先导单向阀37的进油口和第二先导溢流阀34的进油口连接；第一先导单向阀36的出油口和第二先导单向阀37的出油口相互连通后又分别与梭阀35的A口和压力补偿阀31的负载压力口连接；第一先导溢流阀33的出油口和第二先导溢流阀34的出油口相互连通后又通过油路与主换向单元3的L口连接；压力补偿阀31的进油口和出油口分别与主换向单元3的P口和第一逆止阀38的进油口连接，第一逆止阀38的出油口和比例阀32的P1口连接；梭阀35的B口和C口分别通过油路与主换向单元3的X口和LS口连接；主换向单元3的T口和L口均通过油路与油箱5连接；主换向单元3的LS口、B口分别与液压泵2压力反馈口和动臂液压缸4的有杆腔连接；
其中，压力补偿阀31是一个定差减压阀。结合图3，压力补偿阀右侧有弹簧，还作用有通过油路反馈回来的比例阀阀后的负载压力信号P2，左侧作用有比例阀阀前的压力信号P1。当压力补偿阀处于平衡位置工作时，使比例阀前后的压力差△P＝P1-P2与弹簧力平衡，即该压力差基本恒定。根据液压阀口的流量公式
Figure BDA0002686874190000101
Q是通过阀口的流量，C是常数，A是阀口的开度大小，△P是阀口前后的压力差。因此，通过比例阀的流量就仅取决于其阀口开度的大小，而与其对应执行元件的负载大小无关。
所述第一先导溢流阀33用于限制比例阀的A口反馈的最高压力，也限制了比例阀32左位工作时变量泵2的最高工作压力。所述第二先导溢流阀34用于限制比例阀的B口反馈的最高压力，也限制了比例阀32右位工作时变量泵2的最高工作压力。
所述梭阀35用于当系统中存在多个主换向单元3时，将最高的压力取出送至液压泵2。具体地，在存在多个主换向单元3时，通过主换向单元3的X口进行级联，从而可以将多个主换向单元3的最高压力取出送至液压泵2。
所述液压泵2为负载敏感变量泵，其出油口P通过油路与主换向单元3的P口连接，其吸油口S与油箱5连接；
图5给出了典型负载敏感变量泵的原理，其变量机构中包含流量控制阀21和压力切断阀22。该泵可以根据作用在X口的外界压力信号，通过其出油口P提供仅比该外界压力信号高出某个设定压力值的油液。该设定压力值由流量控制阀21右侧的弹簧设定。当P口的压力与X口的压力差大于流量控制阀21右侧弹簧的等效压力时，液压泵2的变量机构将其排量减小，减小其排出的流量以降低P口的压力；当P口的压力与X口的压力差小于流量控制阀21右侧弹簧的等效压力时，液压泵2的变量机构将其排量变大，增大其排出的流量以升高P口的压力；当P口的压力与X口的压力差正好等于流量控制阀21右侧弹簧的等效压力时，液压泵2维持当前的排量大小不变。压力切断阀22泵的作用是在泵的工作压力超过其右侧弹簧设定值时，将泵的排量调节至最小，以使泵对外不输出流量。
所述主换向单元3具有左、中和右三个工作位，在比例阀32的电磁铁Y1b得电时工作在右位，此时，比例阀32的P1口同时与其B1口和B2口连通，进而主换向单元3的P口与B口连通，在比例阀32的电磁铁Y1a得电时工作在左位，此时，比例阀32的P1口同时与其A1口和A2口连通，进而主换向单元3的P口与A口连通，在比例阀32的电磁铁均不得电时工作在中位，此时，比例阀32的P1口、B1口、B2口、A1口和A2口均截止，进而主换向单元3的P口与B口或A口均断开；
所述能量再生阀7的P口和A口分别与主换向单元3的A口和动臂液压缸4的无杆腔连接；能量再生阀7的B口通过释能单向阀10与第一逆止阀38的出油口连接；
所述切换阀11的A口和P口分别与油箱5和液压马达6的B口连接，切换阀11的B口和T口分别与能量再生阀7的T口和液压马达6的A口连接；
第一溢流阀151的进油口和出油口分别与切换阀11的T口和油箱5连接；第二溢流阀152的进油口和出油口分别与切换阀11的P口和油箱5连接；
第二溢流阀152的设定压力高于所述液压泵2设定的最高工作压力，即高于压力切断阀22的设定值；
液压马达6的输出轴通过离合器9与飞轮8一端的转轴连接。
为了便于实现自动化的控制过程，还包括转速传感器、用于操纵动臂的手柄和控制器；作为一种优选，控制器为PLC控制器。
转速传感器贴近飞轮8地设置，用于检测飞轮8的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器；
所述手柄用于根据操作人员的控制分别发出动臂下放电信号和动臂提升电信号；
所述控制器的输入端与手柄的输出端连接，所述控制器的输出端分别与主换向单元3、离合器9、能量再生阀7、液压泵2、液压马达6和切换阀11连接；
所述控制器用于根据接收到的转速信号来获得飞轮8的转速，并在转速达到设定最大值时控制离合器9断电，控制液压马达6的排量为零；用于在接收到动臂提升电信号后控制主换向单元3的电磁铁Y1a得电，控制离合器9得电吸合；用于在接收到动臂下放电信号后控制主换向单元3的电磁铁Y1b得电，控制能量再生阀7的电磁铁Y2得电吸合,控制切换阀11的电磁铁Y3得电，控制离合器9得电。
作为一种优选，所述液压马达6为比例排量控制马达。
作为一种优选，所述能量再生阀7为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y2不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。
作为一种优选，所述切换阀11为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通。
工作原理：
一、实施例1：
结合图3，对实施例1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)收到手柄发出的动臂下放的指令后，控制主换向单元3的电磁铁Y1b得电，控制能量再生阀7的电磁铁Y2得电而工作在右位机能，切换阀11的电磁铁Y3得电而工作在右位机能，离合器9得电吸合。结合图3，液压泵2排出的油液经逆止阀12、主换向单元3的P口、压力补偿阀31、比例阀32的P1口至B1口、主换向单元3的B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出，经能量再生阀7的A口至T口，切换阀11的B口至T口，流入液压马达6的A口；液压马达6的B口流出的低压油液经切换阀11的P口至A口流回油箱5。液压马达6输出机械能，经离合器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。可以通过控制器合理控制液压马达6的排量，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，除了部分管路及阀口的节流损失外，大部分经液压马达6转化成了飞轮8的机械能，消耗在主换向单元3的阀口上的能量很少。
1.2动臂提升过程(能量再利用)
控制器(未画出)收到手柄发出的动臂提升的指令后，使主换向单元3的电磁铁Y1a得电，主换向单元3工作在左位，液压泵2提供的油液经逆止阀2，主换向单元3的P口、压力补偿阀31、比例阀32的P1口至A1口、主换向单元3的A口，能量再生阀7的P口至A口，进入动臂液压缸4的无杆腔，动臂液压缸4有杆腔的油液经主换向单元3的B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)使离合器9吸合，飞轮8通过离合器9驱动液压马达6工作。此时的液压马达6工作在泵工况。油箱5中的油液经切换阀11的A口至T口进入液压马达6的A口，液压马达6的B口排出的油液经切换阀11的P口至B口，能量再生阀7的T口至B口、释能单向阀10后，与液压泵2的油液在主换向单元3的P口汇合。由于负载敏感变量泵的工作特性，液压泵2的变量机构会自动调节泵的排量。系统的流量需求是主换向单元3的控制信号决定的。这样，液压泵2自身输出给系统的流量就减少了，所以可以减小液压泵2对发动机1的功率需求，降低了能量消耗。在动臂提升过程中，根据飞轮8的转速变化情况及系统的需要，合理控制液压马达6的排量即可实现对其输出流量的控制，也就是控制了飞轮8对外能量的输出。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。
由于设置了第二逆止阀12，液压马达6排出的油液任何情况下都不会流入到液压泵2而使之反转。
二、实施例2：
结合图4，对实施例2的工作原理做进一步的说明。
2.1动臂下放过程(动臂势能回收)：
控制器(未画出)收到手柄发出的动臂下放的指令后，控制主换向单元3的电磁铁Y1b得电，控制能量再生阀7的电磁铁Y2得电而工作在右位机能，切换阀11的电磁铁Y3得电而工作在右位机能，离合器9得电吸合。结合图4，液压泵2排出的油液经主换向单元3的P口、压力补偿阀31、比例阀32的P1口至B1口、主换向单元3的B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出，经能量再生阀7的A口至T口，切换阀11的B口至T口，流入液压马达6的A口；液压马达6的B口流出的低压油液经切换阀11的P口至A口流回油箱5。液压马达6输出机械能，经离合器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。可以通过控制器合理控制液压马达6的排量，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，除了部分管路及阀口的节流损失外，大部分经液压马达6转化成了飞轮8的机械能，消耗在主换向单元3的阀口上的能量很少。
2.2动臂提升过程(能量再利用)
控制器(未画出)收到手柄发出的动臂提升的指令后，使主换向单元3的电磁铁Y1a得电，主换向单元3工作在左位，液压泵2提供的油液经主换向单元3的P口、压力补偿阀31、第一逆止阀38、比例阀32的P1口至A1口、主换向单元3的A口，能量再生阀7的P口至A口，进入动臂液压缸4的无杆腔，动臂液压缸4有杆腔的油液经主换向单元3的B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)使离合器9吸合，飞轮8通过离合器9驱动液压马达6工作。此时的液压马达6工作在泵工况。油箱5中的油液经切换阀11的A口至T口进入液压马达6的A口，液压马达6的B口排出的油液经切换阀11的P口至B口，能量再生阀7的T口至B口、释能单向阀10后，与液压泵2的油液在比例阀31的P1口汇合。由于负载敏感变量泵的工作特性，液压泵2的变量机构会自动调节泵的排量。系统的流量需求是主换向单元3的控制信号决定的。这样，液压泵2自身输出给系统的流量就减少了，所以可以减小液压泵2对发动机1的功率需求，降低了能量消耗。在动臂提升过程中，根据飞轮8的转速变化情况及系统的需要，合理控制液压马达6的排量即可实现对其输出流量的控制，也就是控制了飞轮8对外能量的输出。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。
由于设置了第一逆止阀38，液压马达6排出的油液任何情况下都不会流入到液压泵2而使之反转。
在以上的两个实施例中，为了提高飞轮8的转速，以提高系统的能量存储密度，可以在所述的液压马达6和离合器9之间、离合器9与飞轮8之间分别增设第一变速器、第二变速器。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。
因为所述第二溢流阀152的设定压力高于所述液压泵2设定的最高工作压力，在飞轮8内有足够能量的前提下，本系统可以获得比原系统更高的工作压力，即动臂液压缸4可以获得更高的驱动力。通过合理设计系统的油路，挖掘机的其他子系统可以获得更高的压力和驱动力。

Claims (10)

1.一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，包括发动机(1)、液压泵(2)、主换向单元(3)、动臂液压缸(4)和油箱(5)，所述发动机(1)与液压泵(2)同轴连接；
其特征在于；还包括能量再生阀(7)、切换阀(11)、第一溢流阀(151)、第二溢流阀(152)、液压马达(6)、离合器(9)和飞轮(8)；
主换向单元(3)上设置有B口、A口、P口、T口、LS口、L口和X口；主换向单元(3)由比例阀(32)、第一先导溢流阀(33)、第二先导溢流阀(34)、第一先导单向阀(36)、第二先导单向阀(37)、压力补偿阀(31)和梭阀(35)组成；比例阀(32)上设置有B1口、B2口、A1口、A2口、T1口、T2口和P1口，比例阀(32)的B1口和A1口通过油路分别与主换向单元(3)的B口和A口连通，比例阀(32)的T1口和T2口连通后通过油路与主换向单元(3)的T口连接，比例阀(32)的A2口分别与第一先导单向阀(36)的进油口和第一先导溢流阀(33)的进油口连接，比例阀(32)的B2口分别与第二先导单向阀(37)的进油口和第二先导溢流阀(34)的进油口连接；第一先导单向阀(36)的出油口和第二先导单向阀(37)的出油口相互连通后又分别与梭阀(35)的A口和压力补偿阀(31)的负载压力口连接；第一先导溢流阀(33)的出油口和第二先导溢流阀(34)的出油口相互连通后又通过油路与主换向单元(3)的L口连接；压力补偿阀(31)的进油口和出油口分别与主换向单元(3)的P口和比例阀(32)的P1口连接；梭阀(35)的B口和C口分别通过油路与主换向单元(3)的X口和LS口连接；主换向单元(3)的T口和L口均通过油路与油箱(5)连接；主换向单元(3)的LS口、B口分别与液压泵(2)压力反馈口和动臂液压缸(4)的有杆腔连接；
所述液压泵(2)为负载敏感变量泵，其出油口P通过第二逆止阀(12)与主换向单元(3)的P口连接，其吸油口S与油箱(5)连接；
所述能量再生阀(7)的P口和A口分别与主换向单元(3)的A口和动臂液压缸(4)的无杆腔连接；能量再生阀(7)的B口通过释能单向阀(10)与第二逆止阀(12)的出油口连接；
所述切换阀(11)的A口和P口分别与油箱(5)和液压马达(6)的B口连接，切换阀(11)的B口和T口分别与能量再生阀(7)的T口和液压马达(6)的A口连接；
第一溢流阀(151)的进油口和出油口分别与切换阀(11)的T口和油箱(5)连接；第二溢流阀(152)的进油口和出油口分别与切换阀(11)的P口和油箱(5)连接；
第二溢流阀(152)的设定压力高于所述液压泵(2)设定的最高工作压力；
液压马达(6)的输出轴通过离合器(9)与飞轮(8)一端的转轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，其特征在于，还包括转速传感器、用于操纵动臂的手柄和控制器；
转速传感器贴近飞轮(8)地设置，用于检测飞轮(8)的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器；
所述手柄用于根据操作人员的控制分别发出动臂下放电信号和动臂提升电信号；
所述控制器的输入端与手柄的输出端连接，所述控制器的输出端分别与主换向单元(3)、离合器(9)、能量再生阀(7)、液压泵(2)、液压马达(6)和切换阀(11)连接；
所述控制器用于根据接收到的转速信号来获得飞轮(8)的转速，并在转速达到设定最大值时控制离合器(9)断电，控制液压马达(6)的排量为零；用于在接收到动臂提升电信号后控制主换向单元(3)的电磁铁Y1a得电，控制离合器(9)得电吸合；用于在接收到动臂下放电信号后控制主换向单元(3)的电磁铁Y1b得电，控制能量再生阀(7)的电磁铁Y2得电吸合,控制切换阀(11)的电磁铁Y3得电，控制离合器(9)得电。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，其特征在于，所述液压马达(6)为比例排量控制马达。
4.根据权利要求3所述的一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，其特征在于，所述能量再生阀(7)为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y2不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。
5.根据权利要求4所述的一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，其特征在于，所述切换阀(11)为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通。
6.一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，包括发动机(1)、液压泵(2)、主换向单元(3)、动臂液压缸(4)和油箱(5)，所述发动机(1)与液压泵(2)同轴连接；
其特征在于；还包括能量再生阀(7)、切换阀(11)、第一溢流阀(151)、第二溢流阀(152)、液压马达(6)、离合器(9)和飞轮(8)；
主换向单元(3)上设置有B口、A口、P口、T口、LS口、L口和X口；主换向单元(3)由比例阀(32)、第一先导溢流阀(33)、第二先导溢流阀(34)、第一先导单向阀(36)、第二先导单向阀(37)、压力补偿阀(31)、第一逆止阀(38)和梭阀(35)组成；比例阀(32)上设置有B1口、B2口、A1口、A2口、T1口、T2口和P1口，比例阀(32)的B1口和A1口通过油路分别与主换向单元(3)的B口和A口连通，比例阀(32)的T1口和T2口连通后通过油路与主换向单元(3)的T口连接，比例阀(32)的A2口分别与第一先导单向阀(36)的进油口和第一先导溢流阀(33)的进油口连接，比例阀(32)的B2口分别与第二先导单向阀(37)的进油口和第二先导溢流阀(34)的进油口连接；第一先导单向阀(36)的出油口和第二先导单向阀(37)的出油口相互连通后又分别与梭阀(35)的A口和压力补偿阀(31)的负载压力口连接；第一先导溢流阀(33)的出油口和第二先导溢流阀(34)的出油口相互连通后又通过油路与主换向单元(3)的L口连接；压力补偿阀(31)的进油口和出油口分别与主换向单元(3)的P口和第一逆止阀(38)的进油口连接，第一逆止阀(38)的出油口和比例阀(32)的P1口连接；梭阀(35)的B口和C口分别通过油路与主换向单元(3)的X口和LS口连接；主换向单元(3)的T口和L口均通过油路与油箱(5)连接；主换向单元(3)的LS口、B口分别与液压泵(2)压力反馈口和动臂液压缸(4)的有杆腔连接；
所述液压泵(2)为负载敏感变量泵，其出油口P通过油路与主换向单元(3)的P口连接，其吸油口S与油箱(5)连接；
所述能量再生阀(7)的P口和A口分别与主换向单元(3)的A口和动臂液压缸(4)的无杆腔连接；能量再生阀(7)的B口通过释能单向阀(10)与第一逆止阀(38)的出油口连接；
所述切换阀(11)的A口和P口分别与油箱(5)和液压马达(6)的B口连接，切换阀(11)的B口和T口分别与能量再生阀(7)的T口和液压马达(6)的A口连接；
第一溢流阀(151)的进油口和出油口分别与切换阀(11)的T口和油箱(5)连接；第二溢流阀(152)的进油口和出油口分别与切换阀(11)的P口和油箱(5)连接；
第二溢流阀(152)的设定压力高于所述液压泵(2)设定的最高工作压力；
液压马达(6)的输出轴通过离合器(9)与飞轮(8)一端的转轴连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，其特征在于，还包括转速传感器、用于操纵动臂的手柄和控制器；
转速传感器贴近飞轮(8)地设置，用于检测飞轮(8)的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器；
所述手柄用于根据操作人员的控制分别发出动臂下放电信号和动臂提升电信号；
所述控制器的输入端与手柄的输出端连接，所述控制器的输出端分别与主换向单元(3)、离合器(9)、能量再生阀(7)、液压泵(2)、液压马达(6)和切换阀(11)连接；
所述控制器用于根据接收到的转速信号来获得飞轮(8)的转速，并在转速达到设定最大值时控制离合器(9)断电，控制液压马达(6)的排量为零；用于在接收到动臂提升电信号后控制主换向单元(3)的电磁铁Y1a得电，控制离合器(9)得电吸合；用于在接收到动臂下放电信号后控制主换向单元(3)的电磁铁Y1b得电，控制能量再生阀(7)的电磁铁Y2得电吸合,控制切换阀(11)的电磁铁Y3得电，控制离合器(9)得电。
8.根据权利要求7所述的一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，其特征在于，所述液压马达(6)为比例排量控制马达。
9.根据权利要求8所述的一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，其特征在于，所述能量再生阀(7)为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y2不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。
10.根据权利要求9所述的一种基于负载敏感的挖掘机动臂节能液压系统，其特征在于，所述切换阀(11)为两位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，得电后工作在右位；当工作在左位时，其P口和B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通；当工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通。
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