CN114084825B - 一种机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统，其包括卷扬驱动系统、能量回收系统、回转液压系统以及动力传动控制系统等。本发明所提出的卷扬回转系统中卷扬驱动系统和回转液压系统均采用闭式回路，减少能量在多路阀切换消耗以及平衡阀上的损耗，实现节能环保要求，同时综合了卷扬回转工况重复性的特点，采用液压蓄能器以及泵马达实现对卷扬系统和回转系统的一体化能量回收方式，充分利用了分动箱传动的特点，实现一套能量系统作用于不同工况作业，不仅降低了发动机负载率，减少发动机输出功率，同时大大提高了整机安装的空间利用率并降低了整机成本。
Description
技术领域
本发明属于工程机械领域，具体涉及一种机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统。
背景技术
在资源紧缺的21世纪，节能减排成为国内外工程机械领域的重要目标。其中卷扬系统和回转系统在起重机、旋挖钻机等各大工程机械上皆有重要应用，卷扬系统能够实现垂直提升、水平或者倾斜拽引重物，且在实际工作中会不断往复的提升与下放，回转系统能够使机械回转部分绕其中心线实现回转运动，因此降低卷扬系统以及回转系统的能耗对于整机的节能性有着重要的意义。
目前，工程机械中，尤其是在起重机、旋挖钻机等机型中，无论是在卷扬下放过程中，亦或者是在回转制动过程，均存在着大量能量损耗，但实际作业中需要机器能够实现反复的升降回转的重复作业，并不是单一的重复性升降作业亦或者单一重复性回转作业，而现有的节能模式多注重于其中单一的工况进行分析。考虑到机型合理的安装空间，当卷扬系统和回转系统采用不同的能量回收方式，需要不同的液压蓄能器时，给安装造成困难，同时导致整个系统的冗余。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种更加节能并且便利的机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统，其包括卷扬驱动系统、能量回收系统、回转液压系统和动力传动控制系统；
所述卷扬驱动系统包括第一双向变量泵马达(1)、第一补油泵(2)、第一溢流阀(3)、安全阀(4)、第一单向阀(5)、冲洗阀(6)、第二溢流阀(7)、散热器(8)、双向定量泵马达(9)、起升制动油缸(10)、卷筒(11)、重物(12)和第一压力传感器(13)；第一双向变量泵马达(1)通过第三离合器(34)与所述能量回收系统同轴机械连接；第一双向变量泵马达(1)与第一补油泵(2)同轴机械连接，第一补油泵(2)进油口与油箱连接，第一双向变量泵马达(1)的A口与双向定量泵马达(9)的A口连接，第一双向变量泵马达(1)的B口与双向定量泵马达(9)的B口连接；安全阀(4)有两个，第一补油泵(2)的出油口分别与第一溢流阀(3)的进油口以及两个安全阀(4)的进油口连接，第一溢流阀(3)的溢流口连接油箱，两个安全阀(4)的出油口分别连接第一双向变量泵马达(1)的A口和B口，第一单向阀(5)有两个，分别与两个安全阀(4)相并联；冲洗阀(6)的两个进油口分别与双向定量泵马达(9)的A、B口连接，冲洗阀(6)的回油口与第二溢流阀(7)的进油口连接，第二溢流阀(7)出油口与散热器(8)连接，散热器(8)与油箱连接；双向定量泵马达(9)通过起升制动油缸(10)与卷筒(11)连接，重物(12)通过绳索垂挂于卷筒(11)上，其中起升制动油缸(10)具有T口和P口；压力传感器(13)与第一双向变量泵马达(1)的A口连接；
所述能量回收系统包括第二双向变量泵马达(14)、电磁阀(15)，第三溢流阀(16)、液压蓄能器(17)和第二压力传感器(18)；第二双向变量泵马达(14)通过第二离合器(33)与所述动力传动控制系统机械连接；电磁阀(15)的进油口与第二双向变量泵马达(14)的A口连接，电磁阀(15)的出油口分别与液压蓄能器(17)和第三溢流阀(16)的进油口连接，第三溢流阀(16)的溢流口与油箱连接；第二压力传感器(18)的进油口分别与液压蓄能器(17)的进油口和第三溢流阀(16)的进油口连接；
所述回转液压系统包括第三双向变量泵马达(19)、第二补油泵(20)、第四溢流阀(21)、第二单向阀(22)、防反弹阀(23)、减压阀(24)、第三单向阀(25)、双向定量马达(26)、回转制动油缸(27)、回转平台(28)和流量计(29)；第三双向变量泵马达(19)与所述动力传动控制系统机械连接；第三双向变量泵马达(19)与第二补油泵(20)同轴机械连接，第二补油泵(20)的进油口与油箱连接，双向变量泵(19)的C口与双向定量马达(26)的C口连接，第三双向变量泵马达(19)的D口与双向定量马达(26)的D口连接；第二单向阀(22)有两个，第二补油泵(20)的出油口分别连接第四溢流阀(21)的进油口和两个第二单向阀(22)的出油口，第四溢流阀(21)的溢流口连接油箱，两个第二单向阀(22)的进油口分别连接第三双向变量泵马达(19)的C口和D口；防反弹阀(23)的两端分别与第三双向变量泵马达(19)的C口和D口连接，减压阀(24)和第三单向阀(25)均有两个，两个第三单向阀(25)分别与两个减压阀(24)并联，双向定量马达(26)的C口和D口分别连接两个减压阀(24)的进油口，两个减压阀(24)的出油口连接在一起并与流量计(29)相连接；双向定量马达(26)通过回转制动油缸(27)与回转平台(28)连接，其中回转制动油缸(27)具有T口和P口；
所述动力传动控制系统包括发动机(30)，分动箱(31)，第一离合器(32)，第二离合器(33)，第三离合器(34)，控制器(35)，以及用于检测发动机(30)转速的转速传感器；发动机(30)的输出轴通过第一离合器(32)与分动箱(31)的输入端连接，分动箱(31)的输出端分别与第二双向变量泵马达(14)和双向变量泵(19)连接；第一压力传感器(13)、第二压力传感器(18)、流量计(29)和所述转速传感器分别连接于控制器(35)的输入端，第一双向变量泵马达(1)、第二双向变量泵马达(14)、双向变量泵(19)、电磁阀(15)的控制端和防反弹阀(23)的控制端分别连接于控制器的输出端。
进一步地，第一双向变量泵马达(1)、第二双向变量泵马达(14)、第三双向变量泵马达(19)和双向定量泵马达(26)均包括泵模式和马达模式。
进一步地，第三离合器(34)分离时，所述回转液压系统通过分动箱(31)与所述能量回收系统形成油液混合动力系统。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
(1)卷扬驱动系统和回转液压系统均采用闭式回路，降低能量在多路阀、平衡阀上所产生的节流损失以及热量消耗，减少了系统的热负荷。
(2)充分利用双向变量泵马达作用，使得重物能够实现频繁升降作业和回转制动作业，提高使用效率。
(3)充分发挥能量回收系统功效，结合机械工作运转过程中的实际工况，利用动力传动控制系统，发挥能量回收双作业，实现升降回转一体化，充分利用安装空间并降低了整机成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
附图标识说明：
1、第一双向变量泵马达 2、第一补油泵
3、第一溢流阀 4、安全阀
5、第一单向阀 6、冲洗阀
7、第二溢流阀 8、散热器
9、双向定量泵马达 10、起升制动油缸
11、卷筒 12、重物
13、第一压力传感器 14、第二双向变量泵马达
15、电磁阀 16、第三溢流阀
17、液压蓄能器 18、第二压力传感器
19、第三双向变量泵马达 20、第二补油泵
21、第四溢流阀 22、第二单向阀
23、防反弹阀 24、减压阀
25、第三单向阀 26、双向定量马达
27、回转制动油缸 28、回转平台
29、流量计 30、发动机
31、分动箱 32、第一离合器
33、第二离合器 34、第三离合器
35、控制器
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，本发明的一种机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统，其包括卷扬驱动系统、能量回收系统、回转液压系统和动力传动控制系统。
所述卷扬驱动系统包括第一双向变量泵马达1、第一补油泵2、第一溢流阀3、安全阀4、第一单向阀5、冲洗阀6、第二溢流阀7、散热器8、双向定量泵马达9、起升制动油缸10、卷筒11、重物12和第一压力传感器13；第一双向变量泵马达1通过第三离合器34与所述能量回收系统同轴机械连接；第一双向变量泵马达1与第一补油泵2同轴机械连接，第一补油泵2进油口与油箱连接，第一双向变量泵马达1的A口与双向定量泵马达9的A口连接，第一双向变量泵马达1的B口与双向定量泵马达9的B口连接；安全阀4有两个，第一补油泵2的出油口分别与第一溢流阀3的进油口以及两个安全阀4的进油口连接，第一溢流阀3的溢流口连接油箱，两个安全阀4的出油口分别连接第一双向变量泵马达1的A口和B口，第一单向阀5有两个，分别与两个安全阀4相并联；冲洗阀6的两个进油口分别与双向定量泵马达9的A、B口连接，冲洗阀6的回油口与第二溢流阀7的进油口连接，第二溢流阀7出油口与散热器8连接，散热器8与油箱连接；双向定量泵马达9通过起升制动油缸10与卷筒11连接，重物12通过绳索垂挂于卷筒11上，其中起升制动油缸10具有T口和P口；压力传感器13与第一双向变量泵马达1的A口连接；
所述能量回收系统包括第二双向变量泵马达14、电磁阀15，第三溢流阀16、液压蓄能器17和第二压力传感器18；第二双向变量泵马达14通过第二离合器33与所述动力传动控制系统机械连接；电磁阀15的进油口与第二双向变量泵马达14的A口连接，第二双向变量泵马达14的B口与油箱连接，电磁阀15的出油口分别与液压蓄能器17的进油口及第三溢流阀16的进油口连接，第三溢流阀16的溢流口与油箱连接；第二压力传感器18的进油口分别与液压蓄能器17的进油口和第三溢流阀16的进油口连接；
所述回转液压系统包括第三双向变量泵马达19、第二补油泵20、第四溢流阀21、第二单向阀22、防反弹阀23、减压阀24、第三单向阀25、双向定量马达26、回转制动油缸27、回转平台28和流量计29；第三双向变量泵马达19与所述动力传动控制系统机械连接；第三双向变量泵马达19与第二补油泵20同轴机械连接，第二补油泵20的进油口与油箱连接，双向变量泵19的C口与双向定量马达26的C口连接，第三双向变量泵马达19的D口与双向定量马达26的D口连接；第二单向阀22有两个，第二补油泵20的出油口分别连接第四溢流阀21的进油口和两个第二单向阀22的出油口，第四溢流阀21的溢流口连接油箱，两个第二单向阀22的进油口分别连接第三双向变量泵马达19的C口和D口；防反弹阀23的两端分别与第三双向变量泵马达19的C口和D口连接，减压阀24和第三单向阀25均有两个，两个第三单向阀25分别与两个减压阀24并联，双向定量马达26的C口和D口分别连接两个减压阀24的进油口，两个减压阀24的出油口连接在一起并与流量计29相连接；双向定量马达26通过回转制动油缸27与回转平台28连接，其中回转制动油缸27具有T口和P口；
所述动力传动控制系统包括发动机30，分动箱31，第一离合器32，第二离合器33，第三离合器34，控制器35，以及用于检测发动机30转速的转速传感器；发动机30的输出轴通过第一离合器32与分动箱31的输入端连接，分动箱31的输出端分别与第二双向变量泵马达14和双向变量泵19连接；第一压力传感器13、第二压力传感器18、流量计29和所述转速传感器分别连接于控制器35的输入端，第一双向变量泵马达1、第二双向变量泵马达14、双向变量泵19、电磁阀15的控制端和防反弹阀23的控制端分别连接于控制器的输出端。
进一步地，第一双向变量泵马达1、第二双向变量泵马达14、第三双向变量泵马达19和双向定量泵马达26均包括泵模式和马达模式。
进一步地，第三离合器34分离时，所述回转液压系统通过分动箱31与所述能量回收系统形成油液混合动力系统。
本发明的具体工作原理如下：
控制器35对发动机30的反馈转速、反馈转矩信号、回转制动开度信号、压力传感器压力反馈信号、流量传感器流量反馈信号、液压驱动执行器信号等进行采集和数据处理，对各驱动工况以及能量回收方式进行判断。同时，由控制器35执行指定的控制策略，对发动机30、电磁阀15、防反弹阀23、离合器32、33、34等发出控制信号，从而控制发动机30、第一双向变量泵马达1、第二双向变量泵马达14、第三双向变量泵马达19输出动力，电磁阀15的阀芯移位，离合器32、33、34的结合和脱离，实现各驱动工况及能量回收方式。
本发明的具体控制过程如下：
(一)卷扬驱动系统
本发明中的卷扬回转驱动系统，为了实现更好的节能性，减少大量下放的重力势能通过平衡阀口节流的方式白白损耗，即为了更好的利用重物下放工况，卷扬起升模块中，液压回路采用闭式回路，利用双向变量泵马达和双向定量控制卷扬的提升和下放。
(1)卷扬下放工况。由发动机30输出动力，同时第一离合器32、第二离合器33、第三离合器34结合，双向定量泵马达9工作在泵工况，第一双向变量泵马达1工作在马达工况，此时双向定量泵马达9负载侧的压力油反作用于第一双向变量泵马达1形成一定的反拖扭矩，反作用于发动机30输出轴上，减少发动机30的负载率，节省燃料消耗，同时能量回收系统通过控制器35接收第二压力传感器18的监测信号来判断液压蓄能器17是否处于可回收状态，若判断可回收，则进行能量回收。
(2)卷扬起升工况。由发动机30输出动力，同时第一离合器32、第二离合器33、第三离合器34结合，双向定量泵马达9工作在马达工况，第一双向变量泵马达1工作在泵工况，发动机30驱动第一双向变量泵马达1输出油液，此时当控制器35通过接收第二压力传感器18的监测信号检测到液压蓄能器17存在可回收能量，则输出控制信号使得电磁阀15得电，驱动第二双向变量泵马达14工作在泵工况，减少发动机30负载率，节省燃料消耗。
(3)此外，当油液温度过高时，可以通过冲洗阀6以及散热器8等使得高温油液流回油箱，起到冷却作用；同时闭式回路中连接两个安全阀4，起到保护作用。
(二)回转液压系统
当整个系统处于回转工况时，控制器35控制第三离合器34脱离，所述回转液压系统、所述能量回收系统和所述动力传动控制系统构成油液混合动力系统，此时所述回转液压系统根据控制手柄的信号，耦合装置的位置不同，有多种不同的方案，回转平台可由所述动力传动控制系统和所述能量回收系统共同驱动或者单独直接驱动。
(1)当发动机30为主动力源，第二双向变量泵马达14为辅助动力源时，第一离合器32结合，第二离合器33结合，系统根据控制器的能量管理策略，合理回收制动动能并用于辅助机械回转；当第二双向变量泵马达14单独驱动时，第一离合器32脱离，第二离合器33结合，发动机30不输出能量，所述能量回收系统与所述回转液压系统通过分动箱31实现并联驱动，最大化实现整机的节能性；当发动机30单独驱动时，第一离合器32结合、第二离合器33脱离，回转所需能量均来自发动机30输出功率。
(2)此外，流量计29检测液压系统流量变化，输入信号至控制器35，控制器35控制防反弹阀23得电、失电，保证回转工况正常工作。
(三)能量回收系统
在能量回收方面，主要是由卷扬势能回收和回转制动能量回收两个部分组成。
(1)卷扬势能回收，通过液压蓄能器17对卷扬下放作业中的势能进行能量回收。当该系统存在可回收能量时，通过控制器35对第二压力传感器18监测，判断液压蓄能器17是否处于可回收状态。若判断处于可回收状态，则控制器35输出控制信号控制电磁阀15得电，液压蓄能器17工作在左工位，对能量进行回收。
(2)回转制动回收，通过液压蓄能器17对回转作业中的制动动能进行能量回收。当该系统存在可回收能量时，通过控制器35对第二压力传感器18监测，判断液压蓄能器17是否处于可回收状态。若判断处于可回收状态，则控制器35输出控制信号控制电磁阀15得电，液压蓄能器17工作在左工位，对能量进行回收。
综上所述，本发明能够充分实现一套能量回收系统的充分利用，将卷扬系统下放过程中所释放的重力势能通过能量回收单元储存起来，并在工程机械进行回转运动时，通过减少发动机负载的方式通过分动箱释放出来，减少回转运动时发动机的输出功率，同时，在回转制动过程中，将制动产生的能量通过分动箱储存到蓄能器，此时离合器分离，回转液压系统和能量回收系统实现油液混合动力驱动，使得卷扬回转驱动系统更加节能并且便利。
本发明所提出的卷扬回转系统中卷扬驱动系统和回转液压系统均采用闭式回路，减少能量在多路阀切换消耗以及平衡阀上的损耗，实现节能环保要求，同时综合了卷扬回转工况重复性的特点，采用液压蓄能器以及泵马达实现对卷扬系统和回转系统的一体化能量回收方式，从多方面降低阀控系统造成的能量损失，同时，回收再生能源，满足重载工况的驱动节能。而且充分利用了分动箱传动的特点，实现一套能量系统作用于不同工况作业，不仅降低了发动机负载率，减少发动机输出功率。
本发明实现了起重机、旋挖钻机等需要频繁实现升降回转运动循环作业的工程机械节能一体化，利用动力传动控制系统，充分发挥能量回收系统最大效用，合理整机安装空间范围，降低了安装以及材料成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统，其特征在于：包括卷扬驱动系统、能量回收系统、回转液压系统和动力传动控制系统；
所述卷扬驱动系统包括第一双向变量泵马达(1)、第一补油泵(2)、第一溢流阀(3)、安全阀(4)、第一单向阀(5)、冲洗阀(6)、第二溢流阀(7)、散热器(8)、双向定量泵马达(9)、起升制动油缸(10)、卷筒(11)、重物(12)和第一压力传感器(13)；第一双向变量泵马达(1)通过第三离合器(34)与所述能量回收系统同轴机械连接；第一双向变量泵马达(1)与第一补油泵(2)同轴机械连接，第一补油泵(2)进油口与油箱连接，第一双向变量泵马达(1)的A口与双向定量泵马达(9)的A口连接，第一双向变量泵马达(1)的B口与双向定量泵马达(9)的B口连接；安全阀(4)有两个，第一补油泵(2)的出油口分别与第一溢流阀(3)的进油口以及两个安全阀(4)的进油口连接，第一溢流阀(3)的溢流口连接油箱，两个安全阀(4)的出油口分别连接第一双向变量泵马达(1)的A口和B口，第一单向阀(5)有两个，分别与两个安全阀(4)相并联；冲洗阀(6)的两个进油口分别与双向定量泵马达(9)的A、B口连接，冲洗阀(6)的回油口与第二溢流阀(7)的进油口连接，第二溢流阀(7)出油口与散热器(8)连接，散热器(8)与油箱连接；双向定量泵马达(9)通过起升制动油缸(10)与卷筒(11)连接，重物(12)通过绳索垂挂于卷筒(11)上，其中起升制动油缸(10)具有T口和P口；第一 压力传感器(13)与第一双向变量泵马达(1)的A口连接；
所述能量回收系统包括第二双向变量泵马达(14)、电磁阀(15)，第三溢流阀(16)、液压蓄能器(17)和第二压力传感器(18)；第二双向变量泵马达(14)通过第二离合器(33)与所述动力传动控制系统机械连接；电磁阀(15)的进油口与第二双向变量泵马达(14)的A口连接，电磁阀(15)的出油口分别与液压蓄能器(17)和第三溢流阀(16)的进油口连接，第三溢流阀(16)的溢流口与油箱连接；第二压力传感器(18)的进油口分别与液压蓄能器(17)的进油口和第三溢流阀(16)的进油口连接；
所述回转液压系统包括第三双向变量泵马达(19)、第二补油泵(20)、第四溢流阀(21)、第二单向阀(22)、防反弹阀(23)、减压阀(24)、第三单向阀(25)、双向定量马达(26)、回转制动油缸(27)、回转平台(28)和流量计(29)；第三双向变量泵马达(19)与所述动力传动控制系统机械连接；第三双向变量泵马达(19)与第二补油泵(20)同轴机械连接，第二补油泵(20)的进油口与油箱连接，第三 双向变量泵马达 (19)的C口与双向定量马达(26)的C口连接，第三双向变量泵马达(19)的D口与双向定量马达(26)的D口连接；第二单向阀(22)有两个，第二补油泵(20)的出油口分别连接第四溢流阀(21)的进油口和两个第二单向阀(22)的出油口，第四溢流阀(21)的溢流口连接油箱，两个第二单向阀(22)的进油口分别连接第三双向变量泵马达(19)的C口和D口；防反弹阀(23)的两端分别与第三双向变量泵马达(19)的C口和D口连接，减压阀(24)和第三单向阀(25)均有两个，两个第三单向阀(25)分别与两个减压阀(24)并联，双向定量马达(26)的C口和D口分别连接两个减压阀(24)的进油口，两个减压阀(24)的出油口连接在一起并与流量计(29)相连接；双向定量马达(26)通过回转制动油缸(27)与回转平台(28)连接，其中回转制动油缸(27)具有T口和P口；
所述动力传动控制系统包括发动机(30)，分动箱(31)，第一离合器(32)，第二离合器(33)，第三离合器(34)，控制器(35)，以及用于检测发动机(30)转速的转速传感器；发动机(30)的输出轴通过第一离合器(32)与分动箱(31)的输入端连接，分动箱(31)的输出端分别与第二双向变量泵马达(14)和第三 双向变量泵马达 (19)连接；第一压力传感器(13)、第二压力传感器(18)、流量计(29)和所述转速传感器分别连接于控制器(35)的输入端，第一双向变量泵马达(1)、第二双向变量泵马达(14)、第三 双向变量泵马达 (19)、电磁阀(15)的控制端和防反弹阀(23)的控制端分别连接于控制器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统，其特征在于：第一双向变量泵马达(1)、第二双向变量泵马达(14)、第三双向变量泵马达(19)和双向定量马达(26)均包括泵模式和马达模式。
3.根据权利要求1所述的一种机械式和液压式复合回收和再生一体化卷扬驱动系统，其特征在于：第三离合器(34)分离时，所述回转液压系统通过分动箱(31)与所述能量回收系统形成油液混合动力系统。
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