CN113123381A - 基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法，适用于挖掘机使用。包括势能储备装置以及液压系统；势能储备装置包括利用支架同轴设置的大滚筒和减速器小齿轮，以及同轴设置的减速器大齿轮与变径滚筒，其中减速器大齿轮与小减速器齿轮相互咬合，大滚筒上通过缠绕的细钢丝绳与设置在动臂上的拉杆连接，拉杆与细钢丝绳需要保证在动臂升降过程中细钢丝绳不与挖掘机其它部分接触且拉力变化尽量小，变径滚筒通过粗钢丝绳连接有气缸，所述粗钢丝绳与气缸的活塞杆连接，气缸通过管路连接有气瓶。结构简单、实施方便、成本低，不需要额外添加液压元件和电动控制系统，避免混合动力单元复杂的能量转换和传递环节。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法，尤其适用于液压工程中使用，属于液压传动与控制领域。
背景技术
现有的液压挖掘机工作装置在提升作业中会累积较大的重力势能，这部分能量都通过阀的节流作用转换为热能耗散在阀口。统计表明，中型液压挖掘机这部分浪费的能量占整机能耗15％以上，这不仅造成了巨大的能量浪费，还会使液压油温度快速升高，影响连续作业并引发故障。
在挖掘机的可回收能量中，动臂液压缸可回收能量占有很大比例，因此对挖掘机进行动臂下降势能回收再利用研究，是提高挖掘机效率的重要一步，同时，对节能减排、保护环境也具有着重要意义。
对于挖掘机动臂势能的回收，目前主要有油电和油液混合动力方法。但是这样的混合动力单元往往装机功率大，成本高，且重力势能的回收再利用效率受能量转换次数和转换效率制约，在一定程度上限制了其实际应用。
在液压挖掘机动臂提升和下降作业过程中，如果没有势能回收装置的系统中，动臂的势能通过节流调速等转化为热能，不仅浪费资源，还会使液压油温度升高，需另加大规格的散热设备，增加了液压挖掘机的工作功率，耗能较高。为提高液压挖掘机的能量利用效率，减轻能源消耗和环境污染等问题，本发明提出一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能回收和再利用节能装置，利用两个大小不同的滚筒，随着变径滚筒直径的不断变化以及气缸活塞杆的伸出和缩入，使粗钢丝绳上的力与细钢丝绳上的力相匹配，助力挖掘机动臂下降与上升，最终最大限度回收再利用动臂下降势能。目前对于动臂下降势能的回收再利用，大多数采用油电混合和油液混合方法，在混合动力电力系统中，大量的电气元件会增加系统的成本，而且整个能量回收再利用过程中需要经过多次能量转换以及多个控制环节，这会导致系统的能量再生效率较低；液压混合动力系统通过回转马达、液压泵/马达等能量转换元件将能量以液能的形式储存于液压蓄能器，整个过程对原液压系统的改动较大，能量回收时也有较多的转换和传递环节，动臂重力势能回收再利用效率受到制约。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单、实施方便、成本低，不需要额外添加液压元件和电动控制系统，避免混合动力单元复杂的能量转换和传递环节，液压油在节流阀口和流经管路时损耗小的基于气缸和变径滚筒的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法。
为实现上述技术目的，本发明的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置，包括与动臂连接的势能储备装置以及与挖掘机动臂液压缸连接的液压系统；所述势能储备装置设置在上部转台上，其包括利用支架同轴设置的大滚筒和减速器小齿轮，以及同轴设置的减速器大齿轮与变径滚筒，其中减速器大齿轮与小减速器齿轮相互咬合，其中大滚筒上通过缠绕的细钢丝绳与设置在动臂上的拉杆连接，拉杆与细钢丝绳需要保证在动臂升降过程中细钢丝绳不与挖掘机其它部分接触且拉力变化尽量小，变径滚筒通过粗钢丝绳连接有气缸，所述粗钢丝绳与气缸的活塞杆连接，气缸通过管路连接有气瓶。
所述的液压系统包括：变量泵、单向阀、比例换向阀、上腔过载补油阀、下腔过载补油阀、动臂锁定阀、液控换向阀和辅助泵、上升先导控制阀和下降先导控制阀；其中动臂液压缸的活塞杆腔通过管路分别与上腔过载补油阀以及比例换向阀的d口连接，动臂液压缸的活塞腔通过管路分别与下腔过载补油阀和动臂锁定阀相连接，上腔过载补油阀和下腔过载补油阀的另一端与油箱连接，动臂锁定阀通过三通分别与液控换向阀和比例换向阀的e口连接，液控换向阀连接油箱，比例换向阀的a口和f口连接油箱，与油箱连接的变量泵的输出端通过三通分为两支，一支通过单向阀与比例换向阀的b口连接，另一支直接比例换向阀的c口连接；所述辅助泵分别与上升先导控制阀和下降先导控制阀连接，上升先导控制阀和下降先导控制阀通过管路与油箱相连；上升先导控制阀的出口控制信号xBmA与比例换向阀的右控制端连接，下降先导控制阀的出口控制信号xBmB分别与比例换向阀的左控制端以及液控换向阀的控制端相连。
所述变径滚筒的直径设计方法具体为：
首先利用气体波义尔定律公式：
p、V为任意时刻的压力、容积，P0、V0为初始状态时的压力、容积，k为等熵系数，将压力转化为变径滚筒直径、气缸作用面积以及粗钢丝绳产生的扭矩组成的关系式，将任意时刻的气体容积用初始气体容积和气缸作用面积、粗钢丝绳的伸长量来表示，变径滚筒直径计的算公式如下：
式中：D(θ)为变径滚筒直径，单位m；θ为变径滚筒转角，单位弧度；A为气缸作用面积，单位m2；k为等熵指数＝1.4；V0为气体初始容积，单位m3；T0为粗绳产生的初始扭矩，单位N·m；D0为变径滚筒初始直径，单位m；
然后根据由动臂、动臂液压缸和上部转台组成的挖掘机升降机构的几何参数及负载，导出细钢丝绳长度变化量和拉力的关系，从而选定大滚筒的直径，得到大滚筒转角与转矩的关系，再根据挖掘机使用的减速器的减速比信息，得到变径滚筒的转角与转矩的关系D(θ)、粗绳产生的初始扭矩T0，再选定气缸活塞和活塞杆直径得到气缸的作用面积A，选定气体初始容积V0和变径滚筒初始直径D0，代入变径滚筒直径计的算公式求得：D＝f(θ)，D表示径滚筒直径，f(θ)表示变径滚筒直径与转角之间的关系
若无法直接通过滚筒直径计的算公式获得变径滚筒的直径和转角的关系，则将滚筒直径计的算公式改为离散形式：
求解变径滚筒直径：式中：Δθi为所求点变径滚筒转角增量；Ti为所求点变径滚筒转矩；
为粗绳长度变化量的累加量。
一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置的技能方法，包括：
首先在气缸的活塞杆全部缩入的情况下向气缸和气瓶内按比例要求充入预设压力的气体，以保证细钢丝绳和粗钢丝绳上的拉力相互匹配，从而是使得装置达到初始平衡状态；
在挖掘机动臂下降时，利用细钢丝绳拉着动臂下降，大幅减少动臂液压缸的下腔压力，动臂下降过程中，细钢丝绳带着大滚筒旋转，大滚筒通过减速器大小齿带动变径滚筒旋转，从而将粗钢丝绳缠绕在变径滚筒上，随着变径滚筒直径的改变，两钢丝绳上的力达到一个平衡后挖掘机动臂正常下降，此时气缸活塞杆在粗钢丝绳的拉力作用下被拉伸出来，气缸和气瓶内的气体被压缩，动臂下降的势能转换为气体内能储存起来。
在挖掘机动臂上升时，气瓶和气缸活塞杆腔中的压缩气体膨胀，气缸活塞杆缩入，从而使粗钢丝绳从变径滚筒上拉出释放，变径滚筒转动，在减速器大小齿轮驱动打地洞大滚筒旋转从而拉动细钢丝绳并进行缠绕，从而助力动臂上升。
具体步骤如下：
1)当动臂下降时，动臂的重力势能转换为气体的内能回收存储的步骤具体为：
通过操作使先导控制阀向比例换向阀的阀芯左端输出控制信号xBmB，控制比例换向阀换向到左位，此时变量泵输出的高压油经单向阀和比例换向阀进入动臂油缸的活塞杆腔，动臂液压缸的活塞杆缩入，动臂下降，随着动臂在重力作用下下降，拉杆带着细钢丝绳从大滚筒上拉出，大滚筒顺时针旋转，减速器小齿轮跟随大滚筒同轴转动，减速器小齿轮带动与之咬合的减速器大齿轮跟着转动，变径滚筒跟随同轴的减速器大齿轮旋转，粗钢丝绳在变径滚筒的带动下持续缠绕，从而拉动气缸(11的活塞杆伸出，压缩充入气瓶和气缸活塞杆腔中预充入的气体，挖掘机动臂的重力势能转换为被压缩气体分子的内能储存起来；由于在下降过程中，气缸(11活塞杆拉着变径滚筒，大滚筒又通过细钢丝绳拉着动臂下降，大幅降低了动臂液压缸的下腔压力，则经比例换向阀节流后产生的热能减少，同时缓解油温升高，进而减小挖掘机散热器的功率，实现了节能的目的。
2)当动臂上升时，储藏在充入气瓶和气缸活塞杆腔中气体的内能释放再利用的步骤具体为：
通过操作使先导控制阀向比例换向阀的阀芯右端输出控制信号xBmA，控制比例换向阀换向到右位，此时变量泵输出的高压油经单向阀和比例换向阀进入动臂锁定阀，顶开动臂锁定阀阀芯，油液从锁定阀流出，最后进入动臂液压缸的活塞腔，动臂液压缸活塞杆伸出动臂上升；随后大滚筒逆时针旋转，缠绕收回细钢丝绳，同时在相互咬合的减速器大齿轮和减速器小齿轮的带动下，带动变径滚筒随之旋转，缠绕着的粗钢丝绳被旋转的变径滚筒拉出释放，气缸的活塞杆缩入，压缩气体开始膨胀，释放储存的内能，助力动臂上升，挖掘机液压系统需要供给动臂液压缸的液压油压力比原来低得多，减少了发动机的燃油消耗，从而实现节能减排的目的。
有益效果：
本发明采用的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置与现有挖掘机动臂势能回收再利用装置相比，不需要额外添加液压元件和电动控制系统，避免了混合动力单元复杂的能量转换和传递环节，减少了液压油在节流阀口和流经管路时的损耗。结构简单、实施起来较为方便、成本较低；在一定程度上减少了挖掘机的油耗，缓解了因油温升高造成的系统发热情况，减小挖掘机散热器的功率，提高了液压系统效率，从而起到节能减排、保护环境的效果。
本发明的节能装置能将挖掘机动臂下降过程中的重力势能转换为气体的内能存储起来，在挖掘机动臂举升时，将气体的内能释放出来，助力动臂上升。减少了挖掘机动臂下降时液压油经比例换向阀产生的节流损失，提高了液压系统的工作效率，同时减少油耗，真正起到了节能减排的效果。
附图说明
图1为安装了本发明基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置的挖掘机结构示意图；
图2为本发明基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置的结构示意图；
图3为本发明的液压系统原理示意图.
图中：1-动臂；2-动臂液压缸；3-拉杆；4-细钢丝绳；5-大滚筒；6-小齿轮；7-大齿轮；8-变径滚筒；9-支架；10-粗钢丝绳；11-气缸；12-气瓶；13-上部转台；20-变量泵；21-单向阀；22-比例换向阀；23-上腔过载补油阀；24-下腔过载补油阀；25-动臂锁定阀；26-液控换向阀；27-辅助泵；28-上升先导控制阀；29-下降先导控制阀。
具体实施方式
为了更充分的解释本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明的挖掘机动臂势能回收及再利用节能装置，包括与动臂1连接的势能储备装置以及与挖掘机动臂液压缸2连接的液压系统；所述势能储备装置设置在上部转台13上，其包括利用支架9同轴设置的大滚筒5和减速器小齿轮6，以及同轴设置的减速器大齿轮7与变径滚筒8，其中减速器大齿轮7与小减速器齿轮6相互咬合，其中大滚筒5上通过缠绕的细钢丝绳4与设置在动臂1上的拉杆3连接，拉杆3与细钢丝绳4需要保证在动臂升降过程中细钢丝绳4不与挖掘机其它部分接触且拉力变化尽量小，变径滚筒8通过粗钢丝绳10连接有气缸11，所述粗钢丝绳10与气缸11的活塞杆连接，气缸11通过管路连接有气瓶12。
如图3所示，液压系统包括：变量泵20、单向阀21、比例换向阀22、上腔过载补油阀23、下腔过载补油阀24、动臂锁定阀25、液控换向阀26和辅助泵27、上升先导控制阀28和下降先导控制阀29；其中动臂液压缸2的活塞杆腔通过管路分别与上腔过载补油阀23以及比例换向阀22的d口连接，动臂液压缸2的活塞腔通过管路分别与下腔过载补油阀24和动臂锁定阀25相连接，上腔过载补油阀23和下腔过载补油阀24的另一端与油箱连接，动臂锁定阀25通过三通分别与液控换向阀26和比例换向阀22的e口连接，液控换向阀26连接油箱，比例换向阀22的a口和f口连接油箱，与油箱连接的变量泵20的输出端通过三通分为两支，一支通过单向阀21与比例换向阀22的b口连接，另一支直接比例换向阀22的c口连接；所述辅助泵27分别与上升先导控制阀28和下降先导控制阀29连接，上升先导控制阀28和下降先导控制阀29通过管路与油箱相连；上升先导控制阀28的出口控制信号xBmA与比例换向阀22的右控制端连接，下降先导控制阀29的出口控制信号xBmB分别与比例换向阀22的左控制端以及液控换向阀26的控制端相连。
所述变径滚筒8的直径设计方法具体为：
首先利用气体波义尔定律公式：
p、V为任意时刻的压力、容积，P0、V0为初始状态时的压力、容积，k为等熵系数，将压力转化为变径滚筒8直径、气缸11作用面积以及粗钢丝绳10产生的扭矩组成的关系式，将任意时刻的气体容积用初始气体容积和气缸11作用面积、粗钢丝绳10的伸长量来表示，变径滚筒直径计的算公式如下：
式中：D(θ)为变径滚筒直径，单位m；θ为变径滚筒转角，单位弧度；A为气缸作用面积，单位m2；k为等熵指数＝1.4；V0为气体初始容积，单位m3；T0为粗绳产生的初始扭矩，单位N·m；D0为变径滚筒初始直径，单位m；
然后根据由动臂1、动臂液压缸2和上部转台13组成的挖掘机升降机构的几何参数及负载，导出细钢丝绳4长度变化量和拉力的关系，从而选定大滚筒5的直径，得到大滚筒5转角与转矩的关系，再根据挖掘机使用的减速器的减速比信息，得到变径滚筒8的转角与转矩的关系D(θ)、粗绳产生的初始扭矩T0，再选定气缸活塞和活塞杆直径得到气缸11的作用面积A，选定气体初始容积V0和变径滚筒初始直径D0，代入变径滚筒直径计的算公式求得：D＝f(θ)，D表示径滚筒直径，f(θ表示变径滚筒直径与转角之间的关系
若无法直接通过滚筒直径计的算公式获得变径滚筒8的直径和转角的关系，则将滚筒直径计的算公式改为离散形式：
求解变径滚筒直径：式中：Δθi为所求点变径滚筒转角增量；Ti为所求点变径滚筒转矩；
为粗绳长度变化量的累加量。
一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能方法，其包括：
首先在气缸11的活塞杆全部缩入的情况下向气缸11和气瓶12内按比例要求充入预设压力18.7MPa的气体，以保证细钢丝绳4和粗钢丝绳10上的拉力相互匹配，从而是使得装置达到初始平衡状态；
在挖掘机动臂下降时，利用细钢丝绳4拉着动臂1下降，大幅减少动臂液压缸2的下腔压力，动臂下降过程中，细钢丝绳4带着大滚筒5旋转，大滚筒5通过减速器大小齿带动变径滚筒旋转，从而将粗钢丝绳10缠绕在变径滚筒8上，随着变径滚筒8直径的改变，两钢丝绳上的力达到一个平衡后挖掘机动臂正常下降，此时气缸活塞杆在粗钢丝绳的拉力作用下被拉伸出来，气缸11和气瓶12内的气体被压缩，动臂1下降的势能转换为气体内能储存起来。
在挖掘机动臂上升时，气瓶和气缸活塞杆腔中的压缩气体膨胀，气缸活塞杆缩入，从而使粗钢丝绳10从变径滚筒8上拉出释放，变径滚筒8转动，在减速器大小齿轮驱动打地洞大滚筒5旋转从而拉动细钢丝绳4并进行缠绕，从而助力动臂1上升。
具体的：
1)当动臂2下降时，动臂2的重力势能转换为气体的内能回收存储的步骤具体为：
通过操作使先导控制阀29向比例换向阀22的阀芯左端输出控制信号xBmB，控制比例换向阀22换向到左位，此时变量泵20输出的高压油经单向阀21和比例换向阀22进入动臂油缸2的活塞杆腔，动臂液压缸2的活塞杆缩入，动臂1下降，随着动臂1在重力作用下下降，拉杆3带着细钢丝绳4从大滚筒5上拉出，大滚筒5顺时针旋转，减速器小齿轮6跟随大滚筒5同轴转动，减速器小齿轮6带动与之咬合的减速器大齿轮7跟着转动，变径滚筒8跟随同轴的减速器大齿轮7旋转，粗钢丝绳10在变径滚筒8的带动下持续缠绕，从而拉动气缸(11的活塞杆伸出，压缩充入气瓶和气缸活塞杆腔中预充入的气体，挖掘机动臂1的重力势能转换为被压缩气体分子的内能储存起来；由于在下降过程中，气缸(11活塞杆拉着变径滚筒8，大滚筒5又通过细钢丝绳4拉着动臂下降，大幅降低了动臂液压缸2的下腔压力，则经比例换向阀22节流后产生的热能减少，同时缓解油温升高，进而减小挖掘机散热器的功率，实现了节能的目的。
2)当动臂2上升时，储藏在充入气瓶和气缸活塞杆腔中气体的内能释放再利用的步骤具体为：
通过操作使先导控制阀28向比例换向阀22的阀芯右端输出控制信号xBmA，控制比例换向阀22换向到右位，此时变量泵20输出的高压油经单向阀21和比例换向阀22进入动臂锁定阀25，顶开动臂锁定阀25阀芯，油液从锁定阀25流出，最后进入动臂液压缸2的活塞腔，动臂液压缸2活塞杆伸出动臂上升；随后大滚筒5逆时针旋转，缠绕收回细钢丝绳4，同时在相互咬合的减速器大齿轮7和减速器小齿轮6的带动下，带动变径滚筒8随之旋转，缠绕着的粗钢丝绳10被旋转的变径滚筒8拉出释放，气缸11的活塞杆缩入，压缩气体开始膨胀，释放储存的内能，助力动臂1上升，液压系统中先导油控制信号让主阀动作，动臂油缸活塞杆伸出，动臂上升，细绳缠绕，粗绳伸长，气瓶和气缸活塞杆腔中的气体膨胀做功。挖掘机液压系统需要供给动臂液压缸2的液压油压力比原来低得多，减少了发动机的燃油消耗，从而实现节能减排的目的。
实施例一、
作为一种方案实例，对某21T中型挖掘机升降过程中细钢丝绳4长度变化量和拉力进行测量，得到表1中的列5细绳长度变化量和列12拉力数据。选用大滚筒直径为400mm，减速器减速比为3.0，动臂整体重力为60kN，气缸活塞直径为160mm，活塞杆直径为60mm，假定气缸初始容积0.05m3，变径滚筒初始直径为200mm。
本案例中细钢丝绳拉力初始值为59.82kN，则大滚筒的初始转矩59.82×400/2＝11964N·m，为使动臂在重力作用下能够顺利下降,气缸产生的转矩应小于动臂产生的转矩，取变径滚筒初始转矩0.9×11964×3.0＝32303N·m；
测量得到的细钢丝绳初长为283mm，当动臂下降，细钢丝绳拉伸至524mm时，细钢丝绳上拉力为65.12kN，则大滚筒转矩65.12×400/2＝13024N·m，变径滚筒转矩0.9×13024×3.0＝35166N·m，大滚筒转角增量360°×(524-283)/(π×400)＝69°，变径滚筒转角增量(69°/3)×(π/180°)＝0.402rad；
本案例气缸作用面积π(0.082-0.032)＝0.0173m2；气缸初始压力(2×32303)/(0.2×0.0173)＝1.87×107Pa＝18.7MPa。
将上述参数代入式(5)，采用编程迭代和试凑法，使变径滚筒直径在一个范围内循环，计算等式两边的值，然后将两值相减，差值最小时即对应所求的变径滚筒直径。程序运行出来可得在细绳长524mm时，变径滚筒直径为213.6mm。
随着动臂的下降，细钢丝绳被不断拉出伸长，粗钢丝绳一圈圈缠绕在变径滚筒上，在每一个下降点都可以按照上述步骤，根据式(5)进行编程迭代得到变径滚筒的直径。
本案例通过编程迭代计算得到的变径滚筒直径的具体数据如表1列20所示。用这组数据可以加工出来变径滚筒。
表1变径滚筒计算表
根据表1列22的粗绳长度数据，取气缸长度为1.8m，再由气缸活塞和活塞杆直径，求得气瓶初始容积为19L。
Claims (5)
1.一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置，其特征在于：它包括与动臂(1)连接的势能储备装置以及与挖掘机动臂液压缸(2)连接的液压系统；所述势能储备装置设置在上部转台(13)上，其包括利用支架(9)同轴设置的大滚筒(5)和减速器小齿轮(6)，以及同轴设置的减速器大齿轮(7)与变径滚筒(8)，其中减速器大齿轮(7)与小减速器齿轮(6)相互咬合，其中大滚筒(5)上通过缠绕的细钢丝绳(4)与设置在动臂(1)上的拉杆(3)连接，拉杆(3)与细钢丝绳(4)需要保证在动臂升降过程中细钢丝绳(4)不与挖掘机其它部分接触且拉力变化尽量小，变径滚筒(8)通过粗钢丝绳(10)连接有气缸(11)，所述粗钢丝绳(10)与气缸(11)的活塞杆连接，气缸(11)通过管路连接有气瓶(12)。
2.根据权利要求1所述的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置，其特征在于：所述的液压系统包括：变量泵(20)、单向阀(21)、比例换向阀(22)、上腔过载补油阀(23)、下腔过载补油阀(24)、动臂锁定阀(25)、液控换向阀(26)和辅助泵(27)、上升先导控制阀(28)和下降先导控制阀(29)；其中动臂液压缸(2)的活塞杆腔通过管路分别与上腔过载补油阀(23)以及比例换向阀(22)的d口连接，动臂液压缸(2)的活塞腔通过管路分别与下腔过载补油阀(24)和动臂锁定阀(25)相连接，上腔过载补油阀(23)和下腔过载补油阀(24)的另一端与油箱连接，动臂锁定阀(25)通过三通分别与液控换向阀(26)和比例换向阀(22)的e口连接，液控换向阀(26)连接油箱，比例换向阀(22)的a口和f口连接油箱，与油箱连接的变量泵(20)的输出端通过三通分为两支，一支通过单向阀(21)与比例换向阀(22)的b口连接，另一支直接比例换向阀(22)的c口连接；所述辅助泵(27)分别与上升先导控制阀(28)和下降先导控制阀(29)连接，上升先导控制阀(28)和下降先导控制阀(29)通过管路与油箱相连；上升先导控制阀(28)的出口控制信号xBmA与比例换向阀(22)的右控制端连接，下降先导控制阀(29)的出口控制信号xBmB分别与比例换向阀(22)的左控制端以及液控换向阀(26)的控制端相连。
3.根据权利要求1所述的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置，其特征在于所述变径滚筒(8)的直径设计方法具体为：
首先利用气体波义尔定律公式：pVk＝
＝常数计算气缸和气瓶中气体的状态，p、V为任意时刻的压力、容积，P0、V0为初始状态时的压力、容积，k为等熵系数，将压力转化为变径滚筒(8)直径、气缸(11)作用面积以及粗钢丝绳(10)产生的扭矩组成的关系式，将任意时刻的气体容积用初始气体容积和气缸(11)作用面积、粗钢丝绳(10)的伸长量来表示，变径滚筒直径计的算公式如下：
式中：D(θ)为变径滚筒直径，单位m；θ为变径滚筒转角，单位弧度；A为气缸作用面积，单位m2；k为等熵指数＝1.4；V0为气体初始容积，单位m3；T0为粗绳产生的初始扭矩，单位N·m；D0为变径滚筒初始直径，单位m；
然后根据由动臂(1)、动臂液压缸(2)和上部转台(13)组成的挖掘机升降机构的几何参数及负载，导出细钢丝绳(4)长度变化量和拉力的关系，从而选定大滚筒(5)的直径，得到大滚筒(5)转角与转矩的关系，再根据挖掘机使用的减速器的减速比信息，得到变径滚筒(8)的转角与转矩的关系D(θ)、粗绳产生的初始扭矩T0，再选定气缸活塞和活塞杆直径得到气缸(11)的作用面积A，选定气体初始容积V0和变径滚筒初始直径D0，代入变径滚筒直径计的算公式求得：D＝f(θ)，D表示径滚筒直径，f(θ)表示变径滚筒直径与转角之间的关系
若无法直接通过滚筒直径计的算公式获得变径滚筒(8)的直径和转角的关系，则将滚筒直径计的算公式改为离散形式：
求解变径滚筒直径：式中：Δθi为所求点变径滚筒转角增量；Ti为所求点变径滚筒转矩；
为粗绳长度变化量的累加量。
4.一种使用上述任一权利要求所述基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置的节能方法，其特征在于步骤如下：
首先在气缸(11)的活塞杆全部缩入的情况下向气缸(11)和气瓶(12)内按比例要求充入预设压力的气体，以保证细钢丝绳(4)和粗钢丝绳(10)上的拉力相互匹配，从而是使得装置达到初始平衡状态；
在挖掘机动臂下降时，利用细钢丝绳(4)拉着动臂(1)下降，大幅减少动臂液压缸(2)的下腔压力，动臂下降过程中，细钢丝绳(4)带着大滚筒(5)旋转，大滚筒(5)通过减速器大小齿带动变径滚筒旋转，从而将粗钢丝绳(10)缠绕在变径滚筒(8)上，随着变径滚筒(8)直径的改变，两钢丝绳上的力达到一个平衡后挖掘机动臂正常下降，此时气缸活塞杆在粗钢丝绳的拉力作用下被拉伸出来，气缸(11)和气瓶(12)内的气体被压缩，动臂(1)下降的势能转换为气体内能储存起来。
在挖掘机动臂上升时，气瓶和气缸活塞杆腔中的压缩气体膨胀，气缸活塞杆缩入，从而使粗钢丝绳(10)从变径滚筒(8)上拉出释放，变径滚筒(8)转动，在减速器大小齿轮驱动打地洞大滚筒(5)旋转从而拉动细钢丝绳(4)并进行缠绕，从而助力动臂(1)上升。
5.根据权利要求4所述的节能方法，其特征在于具体步骤如下：
1)当动臂(2)下降时，动臂(2)的重力势能转换为气体的内能回收存储的步骤具体为：
通过操作使先导控制阀(29)向比例换向阀(22)的阀芯左端输出控制信号xBmB，控制比例换向阀(22)换向到左位，此时变量泵(20)输出的高压油经单向阀(21)和比例换向阀(22)进入动臂油缸(2)的活塞杆腔，动臂液压缸(2)的活塞杆缩入，动臂(1)下降，随着动臂(1)在重力作用下下降，拉杆(3)带着细钢丝绳(4)从大滚筒(5)上拉出，大滚筒(5)顺时针旋转，减速器小齿轮(6)跟随大滚筒(5)同轴转动，减速器小齿轮(6)带动与之咬合的减速器大齿轮(7)跟着转动，变径滚筒(8)跟随同轴的减速器大齿轮(7)旋转，粗钢丝绳(10)在变径滚筒(8)的带动下持续缠绕，从而拉动气缸(11的活塞杆伸出，压缩充入气瓶和气缸活塞杆腔中预充入的气体，挖掘机动臂(1)的重力势能转换为被压缩气体分子的内能储存起来；由于在下降过程中，气缸(11活塞杆拉着变径滚筒(8)，大滚筒(5)又通过细钢丝绳(4)拉着动臂下降，大幅降低了动臂液压缸(2)的下腔压力，则经比例换向阀(22)节流后产生的热能减少，同时缓解油温升高，进而减小挖掘机散热器的功率，实现了节能的目的。
2)当动臂(2)上升时，储藏在充入气瓶和气缸活塞杆腔中气体的内能释放再利用的步骤具体为：
通过操作使先导控制阀(28)向比例换向阀(22)的阀芯右端输出控制信号xBmA，控制比例换向阀(22)换向到右位，此时变量泵(20)输出的高压油经单向阀(21)和比例换向阀(22)进入动臂锁定阀(25)，顶开动臂锁定阀(25)阀芯，油液从锁定阀(25)流出，最后进入动臂液压缸(2)的活塞腔，动臂液压缸(2)活塞杆伸出动臂上升；随后大滚筒(5)逆时针旋转，缠绕收回细钢丝绳(4)，同时在相互咬合的减速器大齿轮(7)和减速器小齿轮(6)的带动下，带动变径滚筒(8)随之旋转，缠绕着的粗钢丝绳(10)被旋转的变径滚筒(8)拉出释放，气缸(11)的活塞杆缩入，压缩气体开始膨胀，释放储存的内能，助力动臂(1)上升，挖掘机液压系统需要供给动臂液压缸(2)的液压油压力比原来低得多，减少了发动机的燃油消耗，从而实现节能减排的目的。
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| CN115059128A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-09-16 | 江苏师范大学 | 挖掘机动臂势能回收再利用杠杆调压节能装置和控制方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2003194150A (ja) * | 2001-12-28 | 2003-07-09 | Hitachi Constr Mach Co Ltd | 油圧作業機の振動抑制装置 |
| RO122787B1 (ro) * | 2006-07-24 | 2010-01-29 | Sorin Dinu | Dispozitiv de recuperare a energiei din operaţia de coborâre a braţului unui utilaj |
| CN102094434A (zh) * | 2011-01-11 | 2011-06-15 | 浙江大学 | 油液混合动力挖掘机动臂势能差动回收系统 |
| CN111043089A (zh) * | 2018-10-11 | 2020-04-21 | 徐州工业职业技术学院 | 一种机械液压复合式挖掘机动臂势能回收及再利用系统 |
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