CN113529842B - 一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统，包括开关阀、活塞式蓄能器、气动伺服阀、高压储气罐、低压储气罐、气泵、第一气动单向阀和第二气动单向阀；活塞式蓄能器的油口通过开关阀与动臂油缸相连，活塞式蓄能器的充气口与气动伺服阀的两个出气口同时相连，气动伺服阀的两个进气口分别通过气动单向阀与高压储气罐的出气口、低压储气罐的进气口端相连，高压储气罐的出气口和低压储气罐的进气口通过气泵相连。本发明通过活塞式蓄能器、高压储气罐、低压储气罐对能量进行回收，通过高压储气罐和低压储气罐对活塞式蓄能器气体腔压力进行控制，从而控制能量回收时动臂的下降及能量释放时动臂上升，实现多种工况下的能量回收。

Description

一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统

技术领域

本发明涉及挖掘机动臂能量回收系统技术领域，具体为一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统。

背景技术

20世纪以来，能源短缺和环境污染问题日趋严重，各国都将降低温室气体排放，保护环境提上日程。而在所有的工程机械中，挖掘机带来的温室气体排放占到很大一部分，故挖掘机的节能技术研究应用尤为必要。

传统的蓄能器直连动臂油缸无杆腔的回收动臂势能方式对蓄能器的参数匹配提出了较高的要求，过低的蓄能器压力会降低能量回收利用率及过高的压力会导致难以进行能量回收。在对蓄能器充油的过程中，蓄能器的压力会逐渐升高，只有在动臂油缸的压力大于蓄能器压力时才能进行能量回收，且在部分工况下，动臂下降时动臂油缸的无杆腔压力小于动臂上升时动臂油缸无杆腔压力，蓄能器内的油液无法直接对动臂无杆腔进行释放。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提出了一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统，通过改变活塞式蓄能器气体腔压力随时与动臂油缸无杆腔压力进行匹配，以解决蓄能器压力过低时能量回收利用率低和蓄能器压力过高时能量无法回收的问题，同时解决部分工况下蓄能器内油液无法直接对动臂油缸释放的问题，并且通过控制活塞式蓄能器内气体的气压可以控制动臂下降或上升的速度。

为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：

一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统，包括由油箱、溢流阀、变量液压泵、发动机、三位四通换向阀、液压单向阀、动臂油缸和控制器构成的挖掘机动臂控制部分，还包括能量回收部分，所述能量回收部分包括开关阀、活塞式蓄能器、气动伺服阀、高压储气罐、低压储气罐和气泵、第一气动单向阀、第二气动单向阀；

所述开关阀的进油口与动臂油缸的无杆腔相连，开关阀的出油口与活塞式蓄能器的油口相连，活塞式蓄能器的充气口与气动伺服阀的两个出气口同时相连，高压储气罐的出气口A端与第一气动单向阀的进气口相连，第一气动单向阀的出气口与气动伺服阀的第一个进气口相连，高压储气罐的进气口B端与气泵的出气口相连，低压储气罐的进气口A端与第二气动单向阀的出气口相连，第二气动单向阀的进气口与气动伺服阀的另一个进气口相连，低压储气罐的出气口B端与气泵的进气口相连，所述气泵的输入轴通过离合器与发动机的输出轴相连；

所述动臂油缸的无杆腔端设置有第一压力传感器，所述活塞式蓄能器的充放气端口设置有第二压力传感器，所述高压储气罐的出气口A端设置有第三压力传感器，所述低压储气罐的进气口A端设置有第四压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器分别与控制器的信号输入端电连接，所述开关阀、气动伺服阀的控制端分别与控制器的信号输出端电连接。

进一步的，所述第一压力传感器为液压压力传感器，所述第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器均为气压压力传感器。

进一步的，所述开关阀为二位二通电控开关阀，所述气动伺服阀为三位四通气动换向阀。

进一步的，所述高压储气罐气体、活塞式蓄能器和低压储气罐的内部气体压力依次降低，且高压储气罐的体积小于低压储气罐的体积。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

1、本发明在能量回收状态下，通过控制活塞式蓄能器内部的气体腔压力，可以适应大多数不同工况下动臂及负载对动臂油缸无杆腔产生的压力，减少能量回收过程中出现的活塞式蓄能器压力过低或压力过高情况的出现；在能量进行释放状态下，本发明通过高压储气罐向活塞式蓄能器充气，进而控制活塞式蓄能器内部的气体腔压力，使蓄能器气体压力升高，从而使蓄能器能直接向动臂无杆腔供油，实现说回收能量的释放和利用；

2、通过控制活塞式蓄能器内部的气体腔压力来辅助控制动臂油缸的运行，减小了动臂油路的节流损失，降低了液压系统发热，减小了对散热系统的要求；

3、通过对不同工况设置合理的活塞式蓄能器、高压储气罐、低压储气罐的初始压力，可以高效地回收动臂下降时的动能且能在动臂上升时释放能量，降低能量损耗，节约能源。

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为同一挖掘机动臂应用本发明的能量回收系统前后的发动机输出功率对比图。

其中：1油箱、2溢流阀、3变量液压泵、4发动机、5三位四通换向阀、6可调节流阀、7液压单向阀、8第一压力传感器、9动臂油缸、10动臂、11开关阀、12活塞式蓄能器、13气动伺服阀、14第二压力传感器、15第三压力传感器、16第四压力传感器、17第一气动单向阀、18第二气动单向阀、19高压储气罐、20低压储气罐、21气泵、22离合器、23控制器。

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1，一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统，主要包括挖掘机动臂控制部分与能量回收部分。动臂控制单元主要由油箱1、溢流阀2、液压变量泵3、发动机4、三位四通换向阀5、可调节流阀6、液压单向阀7、第一压力传感器8、动臂油缸9、控制器23组成，能量回收部分主要由开关阀11、活塞式蓄能器12、气动伺服阀13、第二压力传感器14、第三压力传感器15、第四压力传感器16、第一气动单向阀17、第二气动单向阀18、高压储气罐19、低压储气罐20、气泵21、离合器22组成。

溢流阀2与液压变量马达3并联，即溢流阀2的入口与变量液压泵3的出口相连，溢流阀2的出口与变量液压泵3的入口相连；三位四通换向阀5的进油口P与液压变量泵3的出口相连，三位四通换向阀5的进油口T与油箱1相连，三位四通换向阀5的出油口A与液压单向阀7的进口相连，液压单向阀7的出口与动臂油缸9的无杆腔、开关阀11的进油口相连；可调节流阀6与液压单向阀7并联；第一压力传感器8为液压压力传感器，并与动臂油缸9的无杆腔端相连；开关阀11为二位二通电控开关阀，其出油口与活塞式蓄能器12的油口相连；气动伺服阀13为三位四通气动换向阀，活塞式蓄能器12的充气口与气动伺服阀13的两个出气口同时相连，高压储气罐的出气口A端与第一气动单向阀17的进气口相连，第一气动单向阀17的出气口与气动伺服阀13的第一个进气口相连；低压储气罐20的进气口A端与第二气动单向阀18的出气口相连，第二气动单向阀18的进气口与气动伺服阀13的另一个进气口相连；高压储气罐19的进气口B与气泵21的出气口相连，低压储气罐20的出气口B端与气泵21的进气口相连，第二压力传感器14与活塞式蓄能器12的充放气端口相连，第三压力传感器15与高压储气罐19的出气口A端相连，第四压力传感器16与低压储气罐20的进气口A端相连，气泵21的输入轴通过离合器22与发动机4的输出轴相连。

所述的变量液压泵3通过三位四通换向阀5为动臂油缸9供油，三位四通换向阀5和开关阀11共同控制动臂油缸9的状态：在动臂上升时，变量液压泵3和活塞式蓄能器12共同为动臂油缸9的无杆腔供油；在动臂下降时，变量液压泵3为动臂油缸9的有杆腔供油，动臂油缸9的无杆腔高压油液流入活塞式蓄能器12中；液压单向阀7是防止在回收能量时高压油液流回油箱1，当动臂油缸9的无杆腔油液压力不在可回收范围内时，通过打开可调节流阀6，使动臂油缸9的无杆腔油液流回油箱1。

开关阀11用于控制活塞式蓄能器12的充能和放能，第一压力传感器8监测动臂油缸9的无杆腔压力，第二压力传感器14用于监测活塞式蓄能器12的气体腔压力，第三压力传感器15用于监测高压储气罐19的气体压力，第四压力传感器16用于监测低压储气罐20的气体压力，气动伺服阀13用于控制高压储气罐19向活塞式蓄能器12的气体腔充气或者活塞式蓄能器12的气体腔向低压储气罐20充气，气泵21用于把低压储气罐20内的气体泵入高压储气罐19，发动机4驱动气泵21的启停。

开始工作前对活塞式蓄能器12、高压储气罐19、低压储气罐20进行预充气，活塞式蓄能器12的充气压力略小于动臂10对动臂油缸9无杆腔产生的最小压力，高压储气罐19的预充气压力应满足在大部分工况下负载及动臂10对动臂油缸9产生的压力小于活塞式蓄能器12在内部油液为零时的气体腔气体与高压储气罐19内气体连通后形成的新腔体时的气体压力，低压储气罐20的预充气压力应满足动臂10对动臂油缸9无杆腔产生的压力大于当活塞式蓄能器12的气体腔内气体全部被压入低压储气罐20时的气体压力。

离合器22用于在发动机4低负载时将气泵21与发动机4相连，把低压储气罐20内的气体泵入高压储气罐19。溢流阀2的是用于在系统压力过高时溢流保护。

系统中，所有的压力传感器及气动伺服阀均要求具有较快的响应速度，以满足控制功能。

工作过程：

当三位四通换向阀5右位接通，动臂下降，第一压力传感器8实时监测动臂油缸9的无杆腔压力，第二压力传感器14实时监测活塞式蓄能器12气体腔压力，第三压力传感器15实时监测高压储气罐19压力，第四压力传感器16实时监测低压储气罐20压力，将会得到以下四种状态：

状态一：当动臂油缸9无杆腔压力低于活塞式蓄能器12气体压力且高于活塞式蓄能器12内气体与低压储气罐20内气体连通混合后的压力时，此时处于能量回收状态，可调节流阀6关闭，开关阀11得电，气动伺服阀13左位得电，控制活塞式蓄能器12内气体部分进入低压储气罐20，通过控制活塞式蓄能器12内气体的压力来平衡动臂油缸9无杆腔内压力，进而控制动臂下降。在这种状态下，当低压储气罐20内气体压力高于预设压力时，离合器22吸合，气泵21工作，将低压储气罐20内气体泵入高压储气罐19，当低压储气罐20内气体等于或低于预设压力时，离合器22断开，气泵21停止工作；

状态二：当动臂油缸9无杆腔压力高于活塞式蓄能器12气体压力且低于活塞式蓄能器12内气体与高压储气罐19内气体连通混合后的压力时，此时处于能量回收状态，可调节流阀6关闭，开关阀11得电，气动伺服阀13右位得电，控制高压储气罐19内气体部分进入活塞式蓄能器12，通过控制活塞式蓄能器12内气体的压力来平衡动臂油缸9无杆腔内压力，进而控制动臂下降。在这种状态下，当高压储气罐19内气体压力低于预设压力时，离合器22吸合，气泵21工作，将低压储气罐20内气体泵入高压储气罐19，当高压储气罐19内气体等于或高于预设压力时，离合器22断开，气泵21停止工作；

状态三：当动臂油缸9无杆腔压力高于活塞式蓄能器12气体压力且高于活塞式蓄能器12内气体与高压储气罐19内气体连通混合后的压力时，此时无法通过能量回收系统控制动臂下降，故能量无法回收，开关阀11失电，节流阀流6打开，通过调整可调节流阀6的阀口面积来控制动臂下降；

状态四：当动臂油缸9无杆腔压力低于活塞式蓄能器12气体压力且低于活塞式蓄能器12内气体与低压储气罐20内气体连通混合后的压力时，此时动臂油缸9无杆腔液压油由于压力小，无法压入活塞式蓄能器12，故能量无法回收，开关阀11失电，节流阀流6打开，通过调整可调节流阀6的阀口面积来控制动臂下降。

当三位四通换向阀5左位接通，动臂上升，可调节流阀6关闭，第一压力传感器8实时监测动臂油缸9的无杆腔压力，第二压力传感器14实时监测活塞式蓄能器12气体腔压力，第三压力传感器15实时监测高压储气罐19压力，第四压力传感器16实时监测低压储气罐20压力，将会得到以下四种状态：

状态一：当动臂油缸9无杆腔压力高于活塞式蓄能器12压力且高于活塞式蓄能器12内气体与高压储气罐19内气体连通混合后的压力时，此时能量回收部分无法对动臂油缸9释放能量，故开关阀11失电，此时通过调整变量液压泵3的排量来控制动臂上升；

状态二：当动臂油缸9无杆腔压力高于活塞式蓄能器12压力但低于活塞式蓄能器12内气体与高压储气罐19内气体连通混合后的压力时，此时能量回收部分可以对动臂油缸9释放能量，故开关阀11得电，气动伺服阀13右位得电，控制高压储气罐19内的高压气体进入活塞式蓄能器12，通过控制活塞式蓄能器12气体腔压力来控制动臂上升；

状态三：当动臂油缸9无杆腔压力低于活塞式蓄能器12压力但高于活塞式蓄能器12内气体与低压储气罐20内气体连通混合后的压力时，此时能量回收部分可以对动臂油缸9释放能量，故开关阀11得电，气动伺服阀13左位得电，控制活塞式蓄能器12气体腔气体进入高压储气罐19内，通过控制活塞式蓄能器12气体腔压力来控制动臂上升；

状态四：当动臂油缸9无杆腔压力低于活塞式蓄能器压力且低于活塞式蓄能器12内气体与低压储气罐20内气体连通混合后的压力时，此时能量回收部分不对动臂油缸9释放能量，故开关阀11失电，此时通过调整变量液压泵3的排量来控制动臂上升。

当动臂油缸需要锁紧时，三位四通换向阀5处于中位且开关阀11失电即可。

由上述结构可见，本发明主要是由活塞式蓄能器及高压储气罐、低压储气罐组成。通过高压储气罐和低压储气罐来控制活塞式蓄能器气体腔压力，增大了能量可回收的范围，可与在不通过节流阀控制的情况下来控制动臂油缸的升降，降低了节流损失，减小了系统发热，降低了对散热的需求。通过上述四个压力传感器的实时监测，确定某个时刻处于上述的哪种状态，然后采取对应的控制策略。总体来说，上述的能量不可回收及能量不可释放只会在少部分情况下出现，故在大部分情况下能量回收系统都在工作，可回收的压力范围较广，能量回收利用率比传统蓄能器高。

请参阅图2，通过将本发明的能量回收系统应用于现有的挖掘机动臂中，根据实验统计得出应用本发明的能量回收系统前后的发动机输出功率。显然地，应用本发明的能量回收系统可有效降低挖掘机动臂运行过程中的能量消耗。

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 (4)

1.一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统，包括由油箱、溢流阀、变量液压泵、发动机、三位四通换向阀、液压单向阀、动臂油缸和控制器构成的挖掘机动臂控制部分，其特征在于：还包括能量回收部分，所述能量回收部分包括开关阀、活塞式蓄能器、气动伺服阀、高压储气罐、低压储气罐和气泵、第一气动单向阀、第二气动单向阀；

所述开关阀的进油口与动臂油缸的无杆腔相连，开关阀的出油口与活塞式蓄能器的油口相连，活塞式蓄能器的充气口与气动伺服阀的两个出气口同时相连，高压储气罐的出气口A端与第一气动单向阀的进气口相连，第一气动单向阀的出气口与气动伺服阀的第一个进气口相连，高压储气罐的进气口B端与气泵的出气口相连，低压储气罐的进气口A端与第二气动单向阀的出气口相连，第二气动单向阀的进气口与气动伺服阀的另一个进气口相连，低压储气罐的出气口B端与气泵的进气口相连，所述气泵的输入轴通过离合器与发动机的输出轴相连；

所述动臂油缸的无杆腔端设置有第一压力传感器，所述活塞式蓄能器的充放气端口设置有第二压力传感器，所述高压储气罐的出气口A端设置有第三压力传感器，所述低压储气罐的进气口A端设置有第四压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器分别与控制器的信号输入端电连接，所述开关阀、气动伺服阀的控制端分别与控制器的信号输出端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统，其特征在于：所述第一压力传感器为液压压力传感器，所述第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器均为气压压力传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统，其特征在于：所述开关阀为二位二通电控开关阀，所述气动伺服阀为三位四通气动换向阀。

4.根据权利要求1所述的一种基于压力可变蓄能器的挖掘机动臂能量回收系统，其特征在于：所述高压储气罐气体、活塞式蓄能器和低压储气罐的内部气体压力依次降低，且高压储气罐的体积小于低压储气罐的体积。

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