CN112343872B - 辅助举升液压系统及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液压系统，为解决如何回收利用工程机械上动臂举升后势能；提供一种辅助举升液压系统和工程机械，其中辅助举升液压系统包括充液压力油源、辅助举升油缸、蓄能器、液压油箱、集成阀。集成阀具有与所述充液压力油源连接的P油口、与辅助举升油缸的大腔与小腔连接的A油口和B油口、与液压油箱连接的T油口、与蓄能器连接的AC油口。集成阀包括充液开关阀、与充液开关阀的液控端连接用于控制充液开关阀关闭或导通的充液控制阀、用于控制辅助举升油缸的油缸控制主阀、与油缸控制主阀的液控端连接用于控制油缸控制阀换向的换向控制阀。本发明中辅助举升液压系统回收动臂下降时的势能，并在动臂举升时进行利用，实现机械节能减排降耗。

Description

辅助举升液压系统及工程机械

技术领域

本发明涉及一种液压系统，更具体地说，涉及一种辅助举升液压系统及工程机械。

背景技术

挖掘机是用途非常多的机器,且操作精度好，而被广泛使用于多种工程建设项目当中，然而其庞大的机械结构在工作过程中消耗了很多能量。在挖掘机中，其动臂、斗杆、铲斗等部件的质量巨大，作业时举升动臂需要消耗大量的能量，而动臂下降是其巨大的势能也随之消耗。

随着节能降耗、排放等要求的法律法规要求的提高，传统的柴油机驱动的挖掘机能耗过高的不足愈发凸显。能耗问题一直是客户关注的重要性能指标之一，降低油耗直接降低客户使用成本，因此如何降低挖掘机的能耗就成为当前挖掘机制造行业迫切面临的问题。

挖掘机中，动臂的升降所消耗的占据着挖掘总能耗的大部分，因此，如何回收及利用动臂举升后动臂下降过程的势能成为当前行业节能减排的重点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对如何回收利用工程机械上被举升动臂的势能的问题，而提供一种辅助举升液压系统和工程机械，以回收和利用工程机械动臂下降时的势能。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种辅助举升液压系统，其特征在于包括充液压力油源、辅助举升油缸、蓄能器、液压油箱、集成阀。

所述集成阀具有与所述充液压力油源连接的P油口、与辅助举升油缸的大腔与小腔连接的A油口和B油口、与液压油箱连接的T油口、与蓄能器连接的AC油口。

所述集成阀包括充液开关阀、与充液开关阀的液控端连接用于控制充液开关阀关闭或导通的充液控制阀、用于控制辅助举升油缸的油缸控制主阀、与油缸控制主阀的液控端连接用于控制油缸控制主阀换向的换向控制阀。

所述油缸控制主阀的第三油口和第四油口对应与A油口和B油口连通，第二油口与T油口连通，第一油口与AC油口连通，处左位时第三油口与第一油口导通、第四油口与第二油口导通；处右位时第三油口和第四油口均与第二油口导通且均与第一油口截止。

所述充液开关阀的出油端同时与所述油缸控制主阀第一油口和AC油口连接，进油端与P油口连接。

本发明中的辅助举升液压系统可用于辅助举升工程机械动臂，在动臂下降时，辅助举升油缸在动臂的作用下将其油腔的油液压进蓄能器，实现动臂重力势能回收，在动臂再次举升时，蓄能器中的油液进入到辅助举升油缸的油腔，辅助举升油缸与动臂的举升液压系统一起将动臂举升，实现动臂下降时回收的能量再次利用。

上述辅助举升液压系统中，所述集成阀还包括溢流阀，所述溢流阀连接在所述AC油口与T油口之间。溢流阀作为安全阀，避免蓄能器的压力突破其上限值。

上述辅助举升液压系统中，所述集成阀还包括减压阀，所述P油口通过所述减压阀与所述充液开关阀的进油端连通。通过减压阀，可将工程机械的主液压系统中的压力油源作为充液压力油源。

上述辅助举升液压系统中，所述集成阀还包括放油开关阀，所述放油开关阀连接在所述AC油口与T油口之间。进一步地，所述集成阀还包括节流阀，所述节流阀与所述放油开关阀串联。在工程机械不工作时，通过放油开关阀释放蓄能器中的油液，避免维修时产生安全事故。

上述辅助举升液压系统中，所述充液开关阀的液控上端与进油端连接，液控下端经第二阻尼孔与进油端连接，处于上位时进油端与出油端导通，处于下位时进油端与出油端截止；所述充液控制阀为两位两通阀，其进油端与所述充液开关阀的液控下端连通，出油端与T油口连通。

上述辅助举升液压系统中，所述换向控制阀为两位三通阀，其第一油口与先导压力油源连接，第二油口与T油口连通，第三油口与所述油缸控制主阀的左控制端连接，第三油口与第一油口或第二油口择一导通。进一步地，所述换向控制阀的第三油口与所述油缸控制主阀的左控制端之间设置有第一阻尼孔。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种工程机械，包括铰接在其主机上的动臂、用于举升动臂的动臂举升液压系统，所述动臂举升液压系统的动臂油缸连接在所述动臂与主机之间；

其特征在于还包括前述的辅助举升液压系统，所述辅助举升油缸与所述动臂油缸并列连接在所述动臂与主机之间。在动臂举升时辅助举升油缸利用蓄能器中存储的压力油辅助动臂油缸一起举升动臂；在动臂下降时，动臂的重力势能通过辅助举升油缸转化为液压能存储在蓄能器中，从而实现动臂势能的回收与利用，降低整机的能耗。

上述工程机械中，还包括控制器、压力传感器、姿态传感器。

压力传感器与控制器连接，用于检测蓄能器的实际压力。

姿态传感器与控制器连接，用于检测辅助举升油缸的伸出位移或用于检测辅助举升油缸的转动角度。

所述充液控制阀是电磁线圈与控制器连接的电磁阀。

所述控制器根据姿态传感器的检测结果确定蓄能器目标充液压力在辅助举升油缸的当前姿态下的压力值，当蓄能器的实际压力值小于等于蓄能器目标充液压力在当前姿态下的压力值时所述控制器控制所述充液控制阀使所述充液开关阀处于导通状态，当蓄能器的实际压力值大于蓄能器目标充液压力在当前姿态下的压力值时所述控制器控制所述充液控制阀使所述充液开关阀处于截止状态。

本发明与现有技术相比，本发明对动臂的势能进行回收和再利用，降低了机器能耗，辅助举升液压系统，结构简单可靠，节能效果明显。

附图说明

图1是本发明辅助举升液压系统的原理图。

图2是集成阀的原理图。

图3是工程机械中辅助举升油缸与动臂油缸举升动臂的结构示意图。

图中零部件名称及序号：

液压油箱1、主泵2、蓄能器3、先导供油阀4、集成阀5、减压阀51、换向控制阀52、第一阻尼孔53、充液开关阀54、油缸控制主阀55、溢流阀56、放油开关阀57、节流阀58、充液控制阀59、辅助举升油缸6、控制器7、功能选择模块8。

具体实施方式

下面结合附图说明具体实施方案。

图1示出了本实施例中挖掘机中辅助举升液压系统。该辅助举升液压系统也可用于其他工程机械，例如装载机。

在挖掘机中，下部车身和回转安装于下部车身上的上部车身构成挖掘机主机，动臂铰接于上部车身的回转平台上，动臂的末端通常铰接安装斗杆，斗杆末端视挖掘机的功能而相应地安装铲斗或其他属具。

挖掘机的主液压系统包括回转马达、行走马达、动臂、斗杆、铲斗或其他属具驱动的液压系统，这些液压系统具有共用的液压泵、液压油箱等。用于动臂升降的动臂举升液压系统包括动臂油缸14、用于控制液压油缸的主控阀、用于控制主控阀的先导控制油路。动臂油缸14的一端铰接在动臂13上，另一端铰接在挖掘机的回转平台15上，如图3所示。动臂油缸14的伸缩实现动臂的举升和下降。

如图1所示，辅助举升液压系统包括液压油箱1、主泵2、蓄能器3、先导供油阀4、集成阀5、辅助举升油缸6、控制器7、功能选择模块8等。其中充液压力油源和液压油箱1是与动臂举升液压系统的共用部件，充液压力油源可以是挖掘机的主泵2。主泵2在挖掘机的主液压系统工作时为其供油，在辅助举升液压系统的蓄能器充液时还为辅助举升液压系统供油。

集成阀5具有与主泵2连接的P油口、与辅助举升油缸的大腔与小腔连接的A油口和B油口、与液压油箱连接的T油口、与蓄能器连接的AC油口。主泵2的泵口不仅连接集成阀的P油口，向辅助举升液压系统供油，同时还连接包含动臂举升液压系统在内的主液压系统，向主液压系统供油，以驱使挖掘机的其他液压部件动作，比如行走、斗杆的回收与打开，铲斗的回收与打开、回转马达的左右回转等。

如图2所示，集成阀5包括充液开关阀54、与充液开关阀的液控端连接用于控制充液开关阀54关闭或导通的充液控制阀59、用于控制辅助举升油缸的油缸控制主阀55、与油缸控制主阀55的液控端连接用于控制油缸控制主阀55换向的换向控制阀52、减压阀51、第一阻尼孔53、溢流阀56、放油开关阀57、节流阀58。

油缸控制主阀55为两位四通阀，其第三油口5c和第四油口5d对应与A油口和B油口连通，第二油口5b与T油口连通，第一油口5a与AC油口连通，处左位时第三油口5c与第一油口5a导通、第四油口5d与第二油口5b导通；处右位时第三油口5c和第四油口5d均与第二油口5b导通且均与第一油口5a截止。

充液开关阀54为两位两通阀，其出油端4b同时与油缸控制主阀55第一油口5a和AC油口连接，P油口通过减压阀51与充液控制阀59的进油端4a连接。通过减压阀51的减压，可将工程机械的主液压系统中的压力油源作为充液压力油源。

充液开关阀54的液控上端4c与进油端4a连接，液控下端4d经第二阻尼孔4e与进油端4a连接，处于上位时进油端4a与出油端4b导通，处于下位时进油端4a与出油端4b截止；充液控制阀59为两位两通阀，其进油端9a与充液开关阀54的液控下端4d连通，出油端9b与T油口连通。

换向控制阀52为两位三通阀，其第一油口2a与先导压力油源连接，即与主液压系统中的先导油源阀4连接，第二油口2b与T油口连通，第三油口2c经第一阻尼孔53与油缸控制主阀55的左控制端5e连接，第三油口2c与第一油口2a或第二油口2b择一导通。

溢流阀56连接在AC油口与T油口之间。溢流阀56作为安全阀，避免蓄能器3的压力突破其上限值。

放油开关阀57连接在AC油口与T油口之间。节流阀58与放油开关阀57串联，节流阀58的过流孔径可调。在挖掘机不工作时，通过放油开关阀57释放蓄能器3中的油液，避免维修时产生安全事故。

在集成阀5中，换向控制阀52、放油开关阀57和充液控制阀59均是电磁线圈与控制器7也即控制逻辑单元连接的电磁阀，功能选择模块8与控制器的信号输入端S3连接，用于选择是否辅助举升液压系统是否与动臂举升液压系统一起举升动臂。

在本实施例中，若功能选择模块8选择关闭辅助举升液压系统，那么控制器7向换向控制阀52的电磁铁输出电信号，使换向控制阀52处于右位，其第三油口2c与第二油口2b导通，油缸控制主阀55的液控左端5e通过第一阻尼孔53、换向控制阀52与T油口也即液压油箱1连通，油缸控制主阀55处于右位，辅助举升油缸6的大腔与小腔经油缸控制主阀55的第三油口5c和第四油口5d相互连通，同时还经第二油口5b与液压油箱1连通而处于浮动状态，随着动臂的升降而伸缩。

若功能选择模块8选择启用辅助举升液压系统，则先对辅助举升液压系统的蓄能器3进行充液。对蓄能器3进行充液，具有两种方式，其中第一种是在动臂举升至最高点时对蓄能器进行充液，另一种是动臂在除最高点之外的其他任何位置进行充液。

采用第一种方式进行充液时，控制器7先向换向控制阀52电磁铁输出电信号，使油缸控制主阀55处于右位，辅助举升油缸6处于浮动状态。挖掘机的主液压系统中的动臂举升液压系统举升动臂，辅助举升油缸6随着动臂的举升而伸长，其小腔内的油液进入到辅助举升油缸6的大腔，并且液压油箱1通过第二油口5b对辅助举升油缸6的大腔进行油液补充。待动臂举升到最高点时，辅助举升油缸6的活塞杆伸出长度达到最大，辅助举升油缸6的大腔容积达到最大值。与此同时，控制器7向放油开关阀57和充液控制阀59不输出电信号，使放油开关阀57处于截止关闭状态，充液控制阀59处于左位而使充液开关阀54处于截止关闭状态。当动臂达到举升最高点后，控制器7不向换向控制阀52电磁铁输出电信号，换向控制阀52断电而处于左位，其第一油口2a与第二油口2b导通，先导油源阀4的先导压力油经换向控制阀52、第一阻尼孔53作用于油缸控制主阀55的液控左端5e而是其处于左位，油缸控制主阀55的第三油口5c与第一油口5a导通，第四油口5d与第二油口5b导通。与此同时，控制器7向充液控制阀59输出电信号，使充液控制阀59得电而处于右位，充液开关阀54的液控下端4d经充液控制阀59导通第一油口9a和第二油口9b与T油口两通。充液开关阀54处于上位，其进油端4a和出油端4b导通，主泵2输出的油液经减压阀51的进油端1a和出油端1b、充液开关阀54、AC油口流入蓄能器3，对蓄能器3进行充液。当蓄能器3充液完毕后，控制器7对充液控制阀59断电而使其关闭截至，充液开关阀54换向而截止，充液停止。

采用第二种方式充液，也即动臂在任何位置进行充液时，控制器7不向换向控制阀52电磁铁输出电信号，油缸控制主阀55处于左位，其第三油口5c与第一油口5a导通，第四油口5d与第二油口5b导通。与此同时，控制器7向充液控制阀59输出电信号，充液控制阀59得电而处于右位，充液开关阀54处于上位使其进油端4a和出油端4b导通，主泵2输出的油液经减压阀、充液开关阀54、AC油口流入蓄能器3，对蓄能器3进行充液。此时若动臂举升液压系统不对动臂进行举升动作，由于动臂以及斗杆和铲斗等部件的重力，充液开关阀54输出的压力有不足以使得辅助举升油缸6的活塞杆伸出，单独举升动臂。当蓄能器充液完毕后，控制器7对充液控制阀59断电而使其关闭截至，充液开关阀54换向而截止，充液停止。采用第二种充液方式，其相对与第一种充液方式，其充液压力相对要高。

辅助举升液压系统用于辅助动臂举升液压系统举升和下降动臂，用于回收和利用动臂的下降的势能。辅助举升油缸中的压力也即蓄能器的压力需根据挖掘机的设计参数而设定为一个合理值，若辅助举升油缸6中的压力太高，则挖掘机的铲斗空载且动臂下降的过程中，由于辅助举升油缸的作用，动臂的下降速度有可能大大地降低，甚至不能下降，这时不仅不能起到动臂势能回收利用的作用，反而会降低挖掘机的工作效率。若辅助举升油缸中的压力太低，动臂下降过程中蓄能器吸收动臂的势能太少，回收利用动臂下降重力势能的效果差。因此为达到最佳的效果，辅助举升液压系统充液时蓄能器中充液压力应达到一个合理值，即目标充液压力。

在油缸控制主阀55处于左位、溢流阀56不溢流以及放油开关阀57不放油和充液开关阀54关闭的情况下，蓄能器3与辅助举升油缸及其连接管路构成一个封闭的系统，其内部压力随着辅助举升油缸的姿态变化而变化。辅助举升油缸的姿态是指辅助举升油缸的伸缩位移量，或者辅助举升油缸与回转平台之间的夹角。辅助举升油缸的伸缩位移量与辅助举升油缸和回转平台之间的夹角变化是一一对应相关的。辅助举升油缸伸缩时，其大腔的容积发生变化，蓄能器中压力也随之变化。因此，对于根据挖掘机设计参数而确定的目标充液压力也随着辅助举升油缸的姿态不同而呈现为不同的压力值。

采用第二种方式进行自动充液时，需要获取蓄能器中油液的压力和辅助举升油缸的姿态，为此需要设置有压力传感器，用于检测蓄能器中油液的压力，压力传感器与控制器的信号输入端S1连接。设置有姿态传感器，其与控制器的信号输入端S2连接，姿态传感器可以是检测辅助举升油缸的伸出位移的位移传感器，也可以是检测辅助举升油缸的转动角度的角度传感器。

采用第二种方式进行自动充液时，控制器7先根据姿态传感器的检测结果，确定目标充液压力在该姿态下的压力值。当此时目标充液压力的压力值大于等于蓄能器的实际压力值时，控制器使换向控制阀52断电，充液控制阀59得电而导通，充液开关阀54导通而对蓄能器3进行充液；若目标充液压力的压力值小于蓄能器3的实际压力值时，控制器7则通过控制充液控制阀59使其断电，充液开关阀54截止，从而对蓄能器停止充液。

本实施例中挖掘机的工作过程如下：挖掘机的发动机启动后，根据功能选择模块8的设定而对蓄能器进行充液。

充液完毕后，在挖掘机作业进行动臂举升动作时，动臂举升液压系统中的动臂油缸的大腔充油，动臂油缸伸长将动臂举升。在举升时，蓄能器3中的油液进入到辅助举升油缸6的大腔中，辅助举升油缸6伸长，与动臂油缸一起举升动臂，对动臂的举升起到辅助的作用。当动臂下降时，动臂油缸的大腔油液回液压油箱，动臂在重力的作用下下降，动臂的重力作用于辅助举升油缸，使辅助举升油缸的活塞杆回缩，辅助举升油缸的大腔中的油液进入到蓄能器，蓄能器中油液压力升高，蓄能器吸收动臂下降过程中减小的重力势能，将其以液压能的形式存储在蓄能器中，以便在动臂的下一次举升中使用。本实施例中通过蓄能器和辅助举升油缸对动臂势能的回收与利用，从而实现对挖掘机的节能降耗。

当发动机停机后，放油开关阀断电，放油开关阀导通，蓄能器中的油液通过放油开关阀流入液压油箱，实现蓄能器的泄压，防止在对辅助举升液压系统维修时高压油液危险。

本实施例中的辅助举升液压系统，也可以用于装载机，在装载机中，动臂由动臂油缸的伸缩而举升，动臂的两端分别铰接在动臂和前车架之间。辅助举升液压系统中的辅助举升油缸也连接在动臂和前车架之间。辅助举升液压系统在装载机中的工作原理与辅助举升液压系统在挖掘机中的工作原理相同。

Claims (8)

1.一种工程机械，包括铰接在其主机上的动臂、用于举升动臂的动臂举升液压系统，所述动臂举升液压系统的动臂油缸连接在所述动臂与主机之间；

其特征在于还包括辅助举升液压系统，所述辅助举升液压系统，包括充液压力油源、辅助举升油缸、蓄能器、液压油箱、集成阀、控制器、压力传感器、姿态传感器；

所述集成阀具有与所述充液压力油源连接的P油口、与辅助举升油缸的大腔与小腔连接的A油口和B油口、与液压油箱连接的T油口、与蓄能器连接的AC油口；

所述集成阀包括充液开关阀(54)、与充液开关阀的液控端连接用于控制充液开关阀(54)关闭或导通的充液控制阀(59)、用于控制辅助举升油缸的油缸控制主阀(55)、与油缸控制主阀(55)的液控端连接用于控制油缸控制主阀(55)换向的换向控制阀(52)；

所述油缸控制主阀(55)的第三油口和第四油口对应与A油口和B油口连通，第二油口与T油口连通，第一油口与AC油口连通，处左位时第三油口与第一油口导通、第四油口与第二油口导通；处右位时第三油口和第四油口均与第二油口导通且均与第一油口截止；

所述充液开关阀(54)的出油端同时与所述油缸控制主阀(55)第一油口和AC油口连接，进油端与P油口连接；所述辅助举升油缸与所述动臂油缸并列连接在所述动臂与主机之间；

所述压力传感器与控制器连接，用于检测蓄能器的实际压力；

所述姿态传感器与控制器连接，用于检测辅助举升油缸的伸出位移或用于检测辅助举升油缸的转动角度；

所述充液控制阀(59)是电磁线圈与控制器连接的电磁阀；

所述控制器根据姿态传感器的检测结果确定蓄能器目标充液压力在辅助举升油缸当前姿态下的压力值，当蓄能器的实际压力值小于等于蓄能器目标充液压力在当前姿态下的压力值时所述控制器控制所述充液控制阀(59)使所述充液开关阀(54)处于导通状态，否则所述控制器控制所述充液控制阀(59)使所述充液开关阀(54)处于截止状态。

2.根据权利要求1所述的工程机械，其特征在于所述集成阀还包括溢流阀(56)，所述溢流阀连接在所述AC油口与T油口之间。

3.根据权利要求1所述的工程机械，其特征在于所述集成阀还包括减压阀(51)，所述P油口通过所述减压阀与所述充液开关阀(54)的进油端连通。

4.根据权利要求1至3中任一项工程机械，其特征在于所述集成阀还包括放油开关阀(57)，所述放油开关阀连接在所述AC油口与T油口之间。

5.根据权利要求4所述的工程机械，其特征在于所述集成阀还包括节流阀(58)，所述节流阀与所述放油开关阀串联。

6.根据权利要求4所述的工程机械，其特征在于所述充液开关阀(54)的液控上端与进油端连接，液控下端经第二阻尼孔(4e)与进油端连接，处于上位时进油端与出油端导通，处于下位时进油端与出油端截止；

所述充液控制阀(59)为两位两通阀，其进油端与所述充液开关阀(54)的液控下端连通，出油端与T油口连通。

7.根据权利要求4所述的工程机械，其特征在于所述换向控制阀(52)为两位三通阀，其第一油口与先导压力油源连接，第二油口与T油口连通，第三油口与所述油缸控制主阀(55)的左控制端连接，第三油口与第一油口或第二油口择一导通。

8.根据权利要求7所述的工程机械，其特征在于所述换向控制阀(52)的第三油口与所述油缸控制主阀(55)的左控制端之间设置有第一阻尼孔(53)。

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