CN113357234B - 一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，包括有动力部分、控制系统、二次调节部分、以及由三个二位二通换向阀和三个蓄能器组成的蓄能器组。动力部分在负载加速时提供动力；二次调节部分通过控制单元的控制可实现泵工况和马达工况的转换，完成对制动惯性能或势能的回收；蓄能器组可实现将二次元件回收的能量储存并重新利用；通过数字控制系统可实现对系统输出转矩的控制，同时可以控制蓄能器吸收和释放能量的个数和顺序。本发明可以适应系统的不同工作状态，使系统在不同负载下都达到一个较好的能量回收效率和利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及液压传动技术领域，具体为一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统。
背景技术
随着世界范围内工业技术的不断发展，工程机械用到了各种行业，但随之能源问题也是日益突出，工程机械的节能问题得到了越来越多的重视。其中各类旋转装置的能量回收很值得我们注意，比如在液压挖掘机当中，其回转装置不论工作时间上还是从耗能上，其所占比重皆是各运动中最大的，挖掘机回转装置的惯性能能量回收十分有必要。再如汽车起重机的卷扬机在将汽车由高处往低处运输的过程中，重物的重力势能若能回收并用于下次起重，也可以大大的节约起重机所消耗的能量。
利用蓄能器回收工程机械旋转装置的制动惯性能或者势能，有着成本低、能量储存密度大、安全可靠、各部件技术成熟等优点，很适合用于各类工程机械当中。目前利用蓄能器回收工程机械旋转装置能量主要是用单个蓄能器接入液压回转系统中，利用转台的惯性或者重物的势能给蓄能器充能，然后将此能量用于装置的下一次启动。但是单一的蓄能器其预充气压力和蓄能器的体积无法在工作时实时改变，而不管使挖掘机还是起重机，工程机械常会工作于不同的环境，带动不同的工作负载，故单一使用一个蓄能器接入液压回转系统不能保证系统一直有最佳的能量回收和利用效率。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提出了一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，该系统能回收旋转装置的惯性能或者势能以供下次启动时重新利用，该系统使用数字控制的方式，根据系统的输出转矩的大小来决定换向阀的状态，从而控制吸收和释放能量时接入系统的液压蓄能器的个数和顺序，使得在不同工作环境以及不同工作状态时，系统都能达到一个较好的能量回收和利用效率。
为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：
一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，包括由油箱、过滤器、溢流阀、恒压变量泵、发动机、单向阀构成的供油单元，还包括至少一组蓄能器单元、至少一组二次调节单元，以及控制单元；
所述蓄能器单元包括蓄能器和二位二通换向阀，所述蓄能器的进出油口与二位二通换向阀的A口连接，所有二位二通换向阀的P口并联且与供油单元的出油口连接；
所述二次调节单元包括变量控制缸、二次元件和电液伺服阀，所述二次元件的进油口和电液伺服阀的P口分别与供油单元的出油口连接，二次元件的出油口和电液伺服阀的T口分别与油箱连接，所述变量控制缸的两端进出油口分别与电液伺服阀的A口、B口连接，变量控制缸的活塞杆端与二次元件的斜盘相连接，所述二次元件的回转轴通过减速器与外部负载相连接；
所述控制单元包括主控制器、设置于变量控制缸的活塞杆上的位移传感器和设置于二次元件输出端的转矩传感器，所述位移传感器和转矩传感器分别与主控制器的信号输入端电连接，所述二位二通换向阀和电液伺服阀的控制端分别与主控制器的信号输出端电连接。
进一步的，所述蓄能器单元的数量为三个，且每个蓄能器单元中二位二通换向阀的规格相同，每个蓄能器的初始体积V0相同、预充气压力p0不相同。
进一步的，所述蓄能器单元的数量为三个，且每个蓄能器单元中二位二通换向阀的规格相同，每个蓄能器的初始体积V0不相同、预充气压力p0相同。
进一步的，所述蓄能器为囊隔式充气蓄能器。
进一步的，所述恒压变量泵与发动机同轴相连，恒压变量泵的吸油口与过滤器的出油口相连、出油口与单向阀的进油口相连，所述溢流阀的进油口接入恒压变量泵与单向阀之间，过滤器的入油口以及溢流阀出油口均与油箱相连。
进一步的，所述电液伺服阀为三位四通电液换向阀。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
本发明能够对工程机械的回转装置能量实现回收与再利用；采用蓄能器组来储存和释放能量，不会形成压力尖峰，既可以减少系统的发热，又降低了系统的冷却损耗，还能根据不同的负载以数字控制的方式控制接入系统的蓄能器的顺序，使系统适应于不同的工作环境和工作状态，使得在不同工作环境以及不同工作状态时，系统都能保持一个较稳稳定的压力，同时达到一个较好的能量回收和利用效率。
附图说明
图1为本发明的能量回收系统的液压原理图；
图2为挖掘机应用本发明对应的储能释能工作流程图；
图3为起重机应用本发明对应的储能释能工作流程图。
其中：1油箱、2过滤器、3溢流阀、4恒压变量泵、5发动机、6单向阀、7.1一级二位二通换向阀、7.2二级二位二通换向阀、7.3三级二位二通换向阀、8.1一级蓄能器、8.2二级蓄能器、8.3三级蓄能器、9主控制器、10变量控制缸、11二次元件、12转矩传感器、13位移传感器、14电液伺服阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，包括由油箱1、过滤器2、溢流阀3、恒压变量泵4、发动机5、单向阀6构成的供油单元。其中，恒压变量泵4通过联轴器与发动机5同轴相连，使得发动机5可驱动恒压变量泵4以额定功率转动，从而可为系统提供稳定的输出液压。恒压变量泵4的吸油口与过滤器2的出油口相连、出油口与单向阀6的进油口相连，过滤器2的入油口以及溢流阀3出油口均与油箱1相连；溢流阀3的进油口接入恒压变量泵4与单向阀6之间，起到安全阀的作用，设置其开启压力稍大于系统的最高正常工作压力，避免系统压力过高而影响元件的使用甚至破坏元件。
该能量回收系统还包括三组蓄能器单元，每个蓄能器单元包括一个蓄能器和一个二位二通换向阀。其中，蓄能器为囊隔式充气蓄能器，二位二通换向阀为电磁式。三组蓄能器单元中，各个二位二通换向阀的规格相同。当用于挖掘机等回收回转装置惯性能的工程机械时可选用初始体积V0相同，但预充气压力p0不同的一组蓄能器，根据不同大小的负载，可向系统接入不同个数或不同顺序的蓄能器；当用于起重机等回收重力势能的工程机械当中时，可选用预充气压力p0相同，但初始体积V0不同的一组蓄能器，根据重物的质量和要求下降的距离的乘积，可向接入不同的蓄能器组合。
所述蓄能器的进出油口与二位二通换向阀的A口连接，所有二位二通换向阀的P口并联且与单向阀6的出油口连接，构成蓄能器组。
该能量回收系统还包括一组二次调节单元，二次调节单元包括变量控制缸10、二次元件11和电液伺服阀14，电液伺服阀14为三位四通电液换向阀。所述二次元件指能够调节斜盘倾角和转向的旋转型执行元件，可通过对斜盘倾角和转向的调节实现泵工况和马达工况的切换，具体型号可根据功能需要选择。二次元件11的进油口和电液伺服阀14的P口分别与单向阀6的出油口连接，二次元件11的出油口和电液伺服阀14的T口分别与油箱1连接，变量控制缸10的两端进出油口分别与电液伺服阀14的A口、B口连接，变量控制缸10的活塞杆端与二次元件11的斜盘相连接，二次元件11的回转轴通过减速器与外部负载相连接。
变量控制缸10、二次元件11、电液伺服阀14共同构成二次调节部分。主控制器发出的控制信号作用于电液伺服阀14，电液伺服阀14控制变量控制缸10的运动，进而改变二次元件11的斜盘倾角，从而改变二次元件11的排量，随之便可控制二次元件11的输出转矩M1。随着所述变量控制缸10的继续运动，若回收的能量为回转装置的惯性能，则二次元件11的斜盘转过其零点时，便可以实现马达工况和泵工况的转换，若回收的能量为重物的重力势能，则二次元件11斜盘可不过零点而实现马达工况和泵工况的转换。二次元件11泵工况的实现为能量的回收与利用创造了条件。
该能量回收系统还包括控制单元，控制单元包括主控制器9、设置于变量控制缸10的活塞杆上的位移传感器13和设置于二次元件输出端的转矩传感器12，位移传感器13和转矩传感器12分别与主控制器9的信号输入端电连接，二位二通换向阀和电液伺服阀14的控制端分别与主控制器9的信号输出端电连接。
为了准确控制需要接入系统的蓄能器的顺序和个数，将转矩传感器12安装在减速器与二次元件11之间，从而转矩传感器12可检测到二次元件11输出端的传递转矩。转矩传感器12将转矩信号传入主控制器9，主控制器9再将处理后的信号传给蓄能器组的某个或某几个二位二通换向阀，用以控制其断开或接通，从而达到控制接入系统的蓄能器顺序和个数的目的。为了更加精确控制二次元件11的输出转矩，将位移传感器13固定连接在变量控制缸10的活塞杆上，从而位移传感器13可检测到变量控制缸10的活塞杆轴向的位移大小，并将位移信号配合转矩信号传递给主控制器9，经主控制器9处理后的信号输送至电液伺服阀14的控制端。
若系统回收能量的是回转装置的惯性能，则选用蓄能器的初始体积相同，初始压力按照其编号依次减小的蓄能器组，如图1所示，一级蓄能器8.1的预充气压力最大、二级蓄能器8.2的预充气压力中等、三级蓄能器蓄能器8.3的预充气压力最小，由转矩传感器12测得的转矩信号传递给主控制器9，主控制器9处理后的信号控制蓄能器组中各换向阀接通或断开，进而控制接入回路的蓄能器顺序。
把负载分为大中小三档，其与蓄能器的对应关系见表1，表中1表示蓄能器接入系统，0表示蓄能器不接入系统。
表1回收惯性能时蓄能器与负载关系表
请参阅图2，以液压挖掘机为例，回转装置工作过程中要经历满斗加速启动、满斗制动、空斗加速启动、空斗制动四个阶段，系统的具体工作流程如下：
挖掘机在挖满一铲斗物料后，要启动回转装置转移物料。在满斗加速启动阶段，二次元件11作马达工况驱动负载转动，其能量由恒压变量泵4以及蓄能器组(此时蓄能器组已在上一次空斗制动时完成充能)共同提供。通过主控制器9控制系统的输出转矩，达到功率的匹配。
在挖掘机转台加速到最大速度后，便进入满斗减速制动阶段。系统在减速制动过程中完成对惯性能的回收。制动时，恒压变量泵4和发动机5停止工作。主控制器9控制二次元件11的斜盘摆角通过零点，使二次元件工作于泵工况。此时，由于惯性作用，转台仍按照原来的转动方向带动二次元件11转动，二次元件11则从油箱1吸油给蓄能器组充能。同时，主控制器9根据转矩传感器12测得的数据来控制需要接入系统的蓄能器的顺序：当挖掘机工作于较陡的斜坡，或者铲斗中的物料很多时，负载的转动惯量大、回转阻力矩大，主控制器9依次将一级二位二通换向阀7.1、二级二位二通换向阀7.2和三级二位二通换向阀7.3这三个换向阀接通，使得一级蓄能器8.1、二级蓄能器8.2和三级蓄能器蓄能器8.3这三个蓄能器按顺序接入系统，当后一蓄能器接入系统时前一蓄能器断开，以避免互相干扰，从而以最大的回收效率实现回收能量。同样，当挖掘机工作于平地或者铲斗中物料很少时，负载的转动惯量小、回转阻力矩小，主控制器9只需根据实际转矩，按照二级二位二通换向阀7.2、三级二位二通换向阀7.3的顺序将对应的蓄能器接入系统便可，这样就可以根据达到最佳的能量回收效果。
卸完物料后，回转平台进入空斗加速阶段，由于此时负载所需转矩转向了，二次元件11无需反打斜盘即可直接进入马达工况，此时蓄能器组储存的能量得到释放，与恒压变量泵4一起给二次元件11提供能量驱动负载。在转台加速阶段能量释放时，主控制器9控制对应的二位二通换向阀先将压力最高的蓄能器接入系统，使系统能够快速启动，当高压力蓄能器压力降至原设定的初始压力后，控制换向阀使高压力蓄能器断开，并接入次一级压力的蓄能器，由此反复至压力最小的蓄能器完成能量的释放，这样就完成了对能量的再利用。输出转矩控制方式与满斗加速时一致。
空斗加速到最大速度后进入空斗制动阶段，二次元件11反打斜盘，使二次元件11工作于泵工况，与满斗制动时相比，此时的铲斗中的物料为0，回转平台的转动惯量较小，故空斗制动时通常只需按照7.2、7.3的顺序将对应的蓄能器接入系统，就能较好的完成制动能量的回收。其余工作过程与满斗制动时基本一致，此处不再赘述。
显然空斗制动时蓄能器组吸收的能量又可按顺序释放，用于下一次的满斗加速启动，如此便完成了回转装置的工作循环。
若系统回收的能量是重物的重力势能，则选用蓄能器的初始压力相同，初始体积按照其编号依次减小的蓄能器组，一级蓄能器8.1的初始体积最大，二级蓄能器8.2的初始体积中等，三级蓄能器8.3的初始体积最小。在起重机作业过程中，重物的质量以及重物下降的距离时有改变，而这两个量直接影响到可回收的重力势能的大小。当物体质量很大或者下降距离很长时，可回收的能量较多，这时可控制将所有蓄能器接入系统，以最大效率的吸收能量，将重物质量和下降距离的乘积分为很小到很大多档，将蓄能器的体积分为大中小三档，其对应关系见表2，表中1表示蓄能器接入系统，0表示蓄能器不接入系统。
表2回收势能时蓄能器与负载关系表
请参阅图3，以起重机为例，重物下降时回收重力势能，用于下次吊起重物，其能量回收过程与挖掘机回转装置惯性能回收差别不大，都是利用主控制器9控制二次元件11的斜盘倾角使其工作于泵工况给蓄能器组充能。其区别仅仅在于挖掘机是在回转平台制动时回收惯性能，起重机是在重物下降时回收势能；挖掘机根据负载大小来控制接入系统的不同压力的蓄能器的顺序，起重机则是根据负载大小来控制接入系统的不同体积的蓄能器的个数，负载大时接入体积大且数量多的蓄能器，负载小时接入体积小且数量少的蓄能器。其具体工作过程不再赘述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，包括由油箱、过滤器、溢流阀、恒压变量泵、发动机、单向阀构成的供油单元，其特征在于：还包括至少一组蓄能器单元、至少一组二次调节单元，以及控制单元；
所述蓄能器单元包括蓄能器和二位二通换向阀，所述蓄能器的进出油口与二位二通换向阀的A口连接，所有二位二通换向阀的P口并联且与供油单元的出油口连接；
所述二次调节单元包括变量控制缸、二次元件和电液伺服阀，所述二次元件的进油口和电液伺服阀的P口分别与供油单元的出油口连接，二次元件的出油口和电液伺服阀的T口分别与油箱连接，所述变量控制缸的两端进出油口分别与电液伺服阀的A口、B口连接，变量控制缸的活塞杆端与二次元件的斜盘相连接，所述二次元件的回转轴通过减速器与外部负载相连接；
系统回收的能量是回转装置的惯性能时，每个蓄能器的初始体积V0相同，初始压力不相同，系统回收的能量是重物的重力势能时，每个蓄能器的初始体积V0不相同、预充气压力相同；
所述控制单元包括主控制器、设置于变量控制缸的活塞杆上的位移传感器和设置于二次元件输出端的转矩传感器，所述位移传感器和转矩传感器分别与主控制器的信号输入端电连接，所述二位二通换向阀和电液伺服阀的控制端分别与主控制器的信号输出端电连接，所述主控制器根据转矩传感器测得的数据来控制需要接入系统的蓄能器的顺序和/或数量。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，其特征在于：所述蓄能器单元的数量为三个，且每个蓄能器单元中二位二通换向阀的规格相同。
3.根据权利要求1或2述的一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，其特征在于：所述蓄能器为囊隔式充气蓄能器。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，其特征在于：所述恒压变量泵与发动机同轴相连，恒压变量泵的吸油口与过滤器的出油口相连、出油口与单向阀的进油口相连，所述溢流阀的进油口接入恒压变量泵与单向阀之间，过滤器的入油口以及溢流阀出油口均与油箱相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字控制的蓄能器组工程机械旋转装置能量回收系统，其特征在于：所述电液伺服阀为三位四通电液换向阀。
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