CN114215829A - 用于工程设备的动臂势能回收系统和工程设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于工程设备的动臂势能回收系统和工程设备，动臂势能回收系统包括：动臂油缸；发电机组件，包括发电机以及与发电机电连接的蓄能电池，发电机和动臂油缸的伸缩端通过动力传输连接件驱动连接，动力传输连接件具有分离和接合两种状态；控制器，被配置成：确定动臂的运动状态；在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制动力传输连接件处于接合状态，以使动臂油缸驱动发电机产生电能，并将电能储存到蓄能电池中，本发明实施例的方案简单，成本低且动臂势能回收效率较高。

Description

用于工程设备的动臂势能回收系统和工程设备

技术领域

本发明涉及工程设备能量回收技术领域，具体地，涉及一种用于工程设备的动臂势能回收系统和工程设备。

背景技术

随着环保要求越发严格，工程机械类产品(如挖掘机或打桩机)一方面在进行柴油发动机排放升级，另一方面在尝试电动化转型，电动化技术因其价格和能量密度等因素，如何做到开源节流，是应用的重点研究方向。在现有状态下，节流的研究大多在如何节省电池电量的消耗；开源研究的一个有效手段则是能量回收，如将动臂下降时的能量回收起来，或用于发电转换为电能，或用于液压蓄能器暂存。然而现有技术方案中，动臂下降进行能量回收时，先要通过再生管路中的液压油驱动液压马达，液压马达再驱动发电机旋转发电，导致能量回收系统成本较高且发电效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于工程设备的动臂势能回收系统和工程设备，该用于工程设备的动臂势能回收系统和工程设备具有方案简单，成本低且动臂势能回收效率较高的优点。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于工程设备的动臂势能回收系统，动臂势能回收系统包括：

动臂油缸；

发电机组件，包括发电机以及与发电机电连接的蓄能电池，发电机和动臂油缸的伸缩端通过动力传输连接件驱动连接，动力传输连接件具有分离和接合两种状态；

控制器，被配置成：

确定动臂的运动状态；

在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制动力传输连接件处于接合状态，以使动臂油缸驱动发电机产生电能，并将电能储存到蓄能电池中。

在本发明的实施例中，动臂势能回收系统还包括：

速度检测设备，用于检测动臂的运动速度；

处理器进一步被配置成：

在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，确定运动速度是否在预设速度范围内；

在运动速度被确定为在预设速度范围内的情况下，控制动力传输连接件处于接合状态；

在运动速度被确定为在预设速度范围之外的情况下，控制动力传输连接件处于分离状态，以使得发动电机与动臂油缸断开连接。

在本发明的实施例中，控制器被配置成确定动臂的运动状态，包括：

控制器被配置成：接收针对动臂油缸的操作设备的操作指令，并根据操作指令确定动臂的运动状态。

在本发明的实施例中，速度检测设备包括位移传感器和速度传感器中的至少一种。

在本发明的实施例中，发电机组件还包括联动机构，用于将动臂油缸的直线运动转换为发电机组件的旋转运动。

在本发明的实施例中，发电机组件还包括连接轴，用于连接联动机构和发电机。

在本发明的实施例中，连接轴的半径根据动臂油缸的最低运动速度和发电机的工作转速确定。

在本发明的实施例中，动臂势能回收系统还包括：

液压组件，用于驱动动臂油缸；

控制器进一步被配置成：

接收针对动臂油缸的操作设备的操作指令；

根据操作指令控制液压组件驱动动臂油缸执行相应动作；

根据动作确定动臂的运动状态。

在本发明的实施例中，动臂油缸包括有杆腔和无杆腔；

控制器进一步被配置成：在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制液压组件将无杆腔中的液压油导出再导入有杆腔中。

在本发明的实施例中，液压组件包括：

主油路系统，用于将液压油导入动臂油缸中；

旁通油路系统，用于辅助调节导入或导出述动臂油缸的液压油的流量和 /或速度；

控制液压组件将无杆腔中的液压油导出再导入有杆腔中，包括：

控制器被配置成：

控制主油路系统截止、旁通油路系统中连接动臂油缸的油路导通，以使无杆腔中的液压油导出后经过旁通油路系统导入到有杆腔中。

在本发明的实施例中，液压组件还包括：

先导油路系统，用于控制主油路系统的通断或调节主油路系统中液压油的流量和/或速度；

控制主油路系统截止，包括：

控制器被配置成：

向先导油路系统发送第一控制指令，以使先导油路系统根据第一控制指令控制主油路系统截止。

在本发明的实施例中，旁通油路系统中连接动臂油缸的油路导通包括：

控制器被配置成：

向旁通油路系统发送第二控制指令，以使先导油路系统根据第二控制指令控制旁通油路系统中连接动臂油缸的油路导通。

在本发明的实施例中，先导油路系统包括：

先导阀，用于控制先导油路系统中各油路的通断；

向先导油路系统发送第一控制指令，以使先导油路系统根据第一控制指令控制主油路系统截止包括：

控制器被配置成：

向先导油路系统发送第一控制指令，以将先导阀的第一开度调节为第一理论开度值、先导阀的第二开度调节为第二理论开度值；

在先导阀的第一开度调节为第一理论开度值、先导阀的第二开度调节为第二理论开度值的情况下，主油路系统截止。

在本发明的实施例中，第一理论开度值和第二理论开度值均为零。

在本发明的实施例中，旁通油路系统包括：

旁通阀，用于控制旁通油路系统中各油路的通断；

向旁通油路系统发送第二控制指令，以使先导油路系统根据第二控制指令控制旁通油路系统中连接动臂油缸的油路导通包括：

控制器被配置成：

向旁通油路系统发送第二控制指令，以将旁通阀的开度调节为第三理论开度值；

在旁通阀的开度调节为第三理论开度值的情况下，旁通油路系统中连接动臂油缸的油路导通。

在本发明的实施例中，主油路系统还包括：

主泵，用于向动臂油缸中泵送液压油；

控制器进一步被配置成：

在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制主泵以最小排量运行，以减少能耗。

本发明第二方面提供一种工程设备，工程设备包括上述的用于工程设备的动臂势能回收系统。

在本发明的实施例中，工程设备包括挖掘机或打桩机。

通过上述技术方案，在动臂势能回收系统中设置动臂油缸、发电机组件和控制器，发电机组件包括发电机以及与发电机电连接的蓄能电池，发电机和动臂油缸的伸缩端通过动力传输连接件驱动连接，使得动臂油缸产生的势能能传递给发电机进行发电；控制器在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制动力传输连接件处于接合状态，以使动臂油缸驱动发电机产生电能，并将电能储存到蓄能电池中，方案简单，成本低且动臂势能回收效率较高。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中动臂势能回收系统组成示意图；

图2是本发明实施例中动臂势能回收时操作设备输出信号示意图；

图3是本发明实施例中动臂势能回收时动臂速度范围示意图；

图4是本发明实施例中发电机的转速-电流曲线示意图；

图5是本发明实施例中动臂势能回收系统控制信号示意图。

附图标记说明

1 动臂油缸 101 有杆腔

102 无杆腔 2 发电机组件

201 发电机 202 蓄能电池

203 动力传输连接件 204 联动机构

205 连接轴 3 操作设备

4 速度检测设备 5 控制器

6 液压组件 601 油箱

602 主油路系统 603 先导油路系统

604 旁通油路系统 605 主泵

606 主阀 607 先导泵

608 先导阀 609 旁通阀

6010 背压阀 6011 第一油路

6012 第二油路 6013 第三油路

6014 第四油路 6015 第五油路

6016 第六油路 6017 第七油路

6018 第八油路 6019 第九油路

6020 第十油路 6021 第十一油路

6022 第十二油路 7 电动机组件

701 电动机 702 高压电池包

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明实施例提供一种用于工程设备的动臂势能回收系统，如图1所示，该动臂势能回收系统包括：

动臂油缸1；

发电机组件2，包括发电机201以及与发电机201电连接的蓄能电池202，发电机201和动臂油缸1的伸缩端通过动力传输连接件203驱动连接，动力传输连接件203具有分离和接合两种状态；

控制器5，被配置成：

确定动臂的运动状态；

在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制动力传输连接件203处于接合状态，以使动臂油缸1驱动发电机201产生电能，并将电能储存到蓄能电池202中。

本实施例中的工程设备可以为挖掘机，动臂油缸1和挖掘机的动臂驱动连接，动臂油缸1能够驱动挖掘机的动臂执行上升或下降的动作，动臂在下降的过程中适宜进行势能回收；发电机组件2包括发电机201以及与发电机 201电连接的蓄能电池202，发电机201和动臂油缸1的伸缩端通过动力传输连接件203连接。动臂油缸1的伸缩端伸出时，挖掘机的动臂上升；动臂油缸1的伸缩端回缩时，挖掘机的动臂下降，其中，动臂油缸1的伸缩端是指动臂油缸1的伸缩杆；动力传输连接件203具有分离和接合两种状态，本实施例中的动力传输连接件203为离合器，蓄能电池202为低压电池，当离合器处于分离状态时，动臂油缸1伸缩端执行动作产生的势能不能传递给发电机201；当离合器处于接合状态时，动臂油缸1伸缩端执行动作产生的势能可以传递给发电机201，此时发电机201在上述势能的驱动下旋转并发电，发电机201发电产生的电能存储到低压电池中。

在本发明的一个实施例中，动臂势能回收系统还包括：

速度检测设备4，用于检测动臂的运动速度；

处理器进一步被配置成：

在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，确定运动速度是否在预设速度范围内；

在运动速度被确定为在预设速度范围内的情况下，控制动力传输连接件203处于接合状态；

在运动速度被确定为在预设速度范围之外的情况下，控制动力传输连接件203处于分离状态，以使得发电机201与动臂油缸1断开连接。

动臂势能回收系统还可以包括操作设备3和速度检测设备4，操作设备 3与动臂油缸1电连接并具有多个不同的行程位置，当操作设备3处于不同的行程位置时代表着向动臂油缸1发送不同的操作指令，各个行程位置和各个操作指令一一对应，动臂油缸1根据操作指令执行相应的动作，可以通过检测动臂油缸1的该动作时的速度来确定动臂的运动状态。

为控制动臂运动，操作人员将操作设备3操作到某一行程位置(即摆动到某一角度)，操作设备3再向控制器5的AI1端口发送相应的模拟量值(本实施例中该模拟量值为电压值)，控制器5通过该模拟量值获取到操作设备 3的行程位置，之后再将获得的模拟量值和预设的模拟量阈值进行对比，以便确定行程位置是否在预设行程阈值范围内。如图2所示，本实施例中模拟量值包括正值和负值两种，当操作设备3被摆动到正向角度，控制器5接收到的模拟量值为正值，此时操作设备3发出的操作指令使动臂下降(即动臂油缸1的伸缩端往回缩)，图2中对应的曲线为A曲线；当操作设备3被摆动到负向角度，控制器5接收到的模拟量值为负值，此时操作设备3发出的操作指令使动臂上升(即动臂油缸1的伸缩端往外伸出)，图2中对应的曲线为B曲线。进一步地，图2中横坐标代表操作设备3摆动的角度，纵坐标代表某一角度相对应的模拟量值ai1，当模拟量值ai1在图2中的A1-A2区间时，即A1＜ai1＜A2时，动臂的重力势能适宜被回收。

速度检测设备4设置在动臂油缸1上，能够直接检测动臂油缸1的运动速度，间接地检测出动臂的运动速度；控制器5和操作设备3、速度检测设备4、动力传输连接件203信号连接，能够根据操作设备3的行程位置确定动臂的运动状态，根据速度检测设备4的速度检测值确定动臂的运动速度是否在预设速度范围内，当动臂的运动状态被确定为下降状态且动臂的运动速度在预设速度范围内时，控制器5控制动力传输连接件203处于接合状态，由此动臂油缸1驱动发电机201产生电能并将电能储存到蓄能电池202中；若动臂的运动状态被确定为非下降状态(即上升状态)，或动臂的运动速度不在预设速度范围内时，控制器5控制动力传输连接件203处于分离状态，此时动臂油缸1和发电机201断开连接，动臂产生的势能不能传递给发电机 201供其发电。

在本发明的一个实施例中，控制器5被配置成确定动臂的运动状态，包括：

控制器5被配置成：接收针对动臂油缸1的操作设备3的操作指令，并根据操作指令确定动臂的运动状态。

可以理解，本实施例中的操作设备3为具有模拟量输出的操作手柄，操作手柄上具有多个不同的行程位置(即操作手柄具有不同的摆动角度)，当操作手柄被操作到某一行程位置后会向控制器5发送相应的模拟量值(本实施例中该模拟量值为电压值)，控制器5再根据上述模拟量值为正值还是负值来进一步确定动臂是处于上升的运动状态还是下降的运动状态，其中，模拟量值为正值时说明动臂是处于下降的运动状态，模拟量值为负值时说明动臂是处于上升的运动状态。

在本发明的一个实施例中，速度检测设备4包括位移传感器和速度传感器中的至少一种。

可以理解，位移传感器能够直接检测物体在一定时间段内的位移值，根据上述位移值以及产生位移值的时间即能计算出物体的运动速度，即位移传感器能间接获取物体的运动速度；而速度传感器能直接检测出物体的运动速度。在本实施例中，将速度检测设备4优选为设置在动臂油缸1上并与控制器5信号连接的位移传感器。

本实施例中动臂油缸1的位移和挖掘机动臂的位移一致，位移传感器在位移检测完成后将位移值发送到控制器5的AI2端口。控制器5在接收到上述位移值后将其换算为动臂油缸1的运动速度，并根据该运动速度的方向判断动臂油缸1的运动方向，具体地，如位移传感器在t1时间检测到位移值为 L1，在t2时间检测到位移值为L2，则可得知动臂油缸1的运动速度为：V＝ΔL/Δt＝(L2-L1)/(t2-t1)，其中，设定动臂油缸1向下运动时(即动臂为下降运动时)的速度方向为正方向，动臂油缸1向上运动时(即动臂为上升运动时)的速度方向为负方向。

进一步地，如图3所示，在动臂的运动过程中，其运动速度呈动态变化，如，当操作设备3操控动臂往下降方向运动时，动臂先由静止加速，在动臂即将触地时，操作设备3将往回收，动臂由运动变为静止。在本实施例中，控制器5的程序中预存有挖掘机动臂势能回收时动臂的预设速度范围，该预设速度范围的下限和上限分别为V1、V2，即若动臂下降时的运动速度V满足条件V2>V>V1，则挖掘机适宜进行动臂势能回收。

控制器5可根据操作设备3的行程位置和挖掘机动臂的速度检测值判断得知，当操作设备3的行程位置在预设行程位置范围内，且挖掘机动臂的速度在预设速度范围内时，控制器5才控制挖掘机开启动臂势能回收功能，并通过控制器5的DO1端口向动能传输连接件发送控制信号，使动能传输连接件从分离状态转换为接合状态，以实现对挖掘机的动臂势能进行回收；若操作设备3的行程位置不在预设行程位置范围内，和/或挖掘机动臂的速度不在预设速度范围内时，控制器5则不改变动能传输连接件的状态，即此时不对挖掘机的动臂势能进行回收。

在本发明的一个实施例中，发电机组件2还包括联动机构204，用于将动臂油缸1的直线运动转换为发电机组件2的旋转运动。

可以理解，本实施例中的联动机构204为设置在动臂油缸1和发电机201 之间的直线转旋转运动副，动臂油缸1伸缩端的运动形式为直线运动，而发电机201的运动形式为旋转运动，因此为了实现动臂油缸1和发电机201之间的能量传递，需要设置联动机构204来将动臂油缸1伸缩端的直线运动转换为旋转运动再传递给发电机201。进一步地，本实施例中联动机构204设置在动力传输连接件203和动臂油缸1之间。

在本发明的一个实施例中，发电机组件2还包括连接轴205，用于连接联动机构204和发电机201。

可以理解，本实施例中的连接轴205一端和联动机构204连接，连接轴 205的另一端和发电机201连接，运动传输连接件设置在连接轴205上，以此实现联动结构和发电机201之间的能量传递。

在本发明的一个实施例中，连接轴205的半径根据动臂油缸1的最低运动速度和发电机201的工作转速确定。

本实施例中，发电机转速-输出电流曲线示意图如图4所示，可以理解，为使发电机201工作时能有效地输出电流，发电机201应该保证较高的工作转速，此时通过旋转方式传递势能的连接轴205也需要采用合适的尺寸，以保证动臂油缸1和发电机201之间进行高效率的势能传递。具体地，根据以下公式确定连接轴205的半径：

V＝2×π×f×R (1)

f＝n/60 (2)

其中，V为动臂油缸1的运动速度；f为发电机201的旋转频率；R为连接轴205的半径；n为发电机201的工作转速。

根据公式(1)和公式(2)可得公式(3)：

R＝V/(2×π×f)＝V×60/(2×π×n) (3)

由上述公式(3)可知，当发电机201的工作转速为大于n1，动臂油缸1 的最低运动速度(即动臂油缸1在进行势能回收时预设的最低运动速度)为 V1时，连接轴205的半径范围为R<(V1×60)/(2×π×n1)。

进一步地，在本发明的另一个实施例中，连接轴205与发电机201 一体成型(即连接轴205与发电机201的输出轴一体成型)，有利于减少装配工序和装配难度。

在本发明的一个实施例中，动臂势能回收系统还包括：

液压组件6，用于驱动动臂油缸1；

控制器5进一步被配置成：

接收针对动臂油缸1的操作设备3的操作指令；

根据操作指令控制液压组件6驱动动臂油缸1执行相应动作；

根据动作确定动臂的运动状态。

可以理解，本实施例中被回收的势能是动臂的重力势能，动臂油缸1在做上升运动时，液压组件6的输出功率大于重力势能，因此不适宜对动臂势能进行回收；动臂油缸1在做下降运动时，动臂的重力势能较大，且重力势能大于液压组件6的输出功率，因此部分重力势能适宜被回收并用于发电。

液压组件6和控制器5信号连接，当控制器5接收到针对动臂油缸1的操作设备3的操作指令后，根据上述操作指令对液压组件6进行相应的控制，以将液压油导入或导出动臂油缸1，进而驱动动臂油缸1执行与操作指令相对应的动作。进一步地，控制器5还通过控制液压组件6向动臂油缸1中导入或导出液压油的速度和流量，来实现对动臂油缸1的运动速度、方向的控制。

在本发明的一个实施例中，动臂势能回收系统还包括电动机组件7，电动机组件7包括高压电池包702以及与高压电池包702电连接的电动机701，高压电池包702为电动机701的运动提供能量。进一步地，本实施例中的高压电池包702和控制器5的CAN端口信号连接，以便高压电池包702根据控制器5的控制指令为电动机701提供能量。

在本发明的一个实施例中，动臂油缸1包括有杆腔101和无杆腔102；

控制器5进一步被配置成：在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制液压组件6将无杆腔102中的液压油导出再导入有杆腔101中。

可以理解，液压组件6通过向有杆腔101、无杆腔102中导入或导出液压油来为动臂油缸1的运动提供驱动力，具体地，若需要动臂下降，则液压组件6应该将无杆腔102中的液压油导出并向有杆腔101中导入液压油；与之相反，若需要动臂上升，液压组件6应该将有杆腔101中的液压油导出并向无杆腔102中导入液压油。

在本发明的一个实施例中，液压组件6包括：

主油路系统602，用于将液压油导入动臂油缸1中；

旁通油路系统604，用于辅助调节导入或导出动臂油缸1的液压油的流量和/或速度；

控制液压组件6将无杆腔102中的液压油导出再导入有杆腔101中，包括：

控制器5被配置成：

控制主油路系统602截止、旁通油路系统604中连接动臂油缸1的油路导通，以使无杆腔102中的液压油导出后经过旁通油路系统604导入到有杆腔101中。

可以理解，液压组件6还包括油箱601，油箱601用于储存液压油，其还具有沉淀、空气析出以及散热等功能；主油路系统602的一端和油箱601 连接，另一端和动臂油缸1连接，用于向动臂油缸1的有杆腔101或无杆腔 102中泵送液压油；旁通油路系统604与控制器5信号连接，且旁通油路系统604的一端和油箱601连接，另一端和动臂油缸1连接；本实施例中的控制器5还能控制旁通油路系统604中各油路的通断或流通方向，且旁通油路系统604和主油路系统602相互配合能够实现液压油向有杆腔101、无杆腔 102中的导入或导出。进一步地，控制器5通过对旁通油路系统604各油路中液压油的流量、速度控制来实现导入或导出动臂油缸1的液压油的流量、速度的辅助调节。

在本实施例中，液压组件6将无杆腔102中的液压油导出再导入有杆腔101中时，控制器5控制主油路系统602截止，而旁通油路系统604中连接动臂油缸1的油路导通，由于主油路系统602被截止，因此无杆腔102中的液压油流出后只能流向旁通油路系统604所在的油路，再经过旁通油路系统 604流向与其连接的有杆腔101中。

在本发明的一个实施例中，液压组件6还包括：

先导油路系统603，用于控制主油路系统602的通断或调节主油路系统 602中液压油的流量和/或速度；

控制主油路系统602截止，包括：

控制器5被配置成：

向先导油路系统603发送第一控制指令，以使先导油路系统603根据第一控制指令控制主油路系统602截止。

可以理解，先导油路系统603与控制器5信号连接，且先导油路系统603 的一端和油箱601连接，先导油路系统603的另一端和主油路系统602控制连接，本实施例中控制器5能控制先导油路系统603中各油路的通断或流通方向，进而控制主油路系统602中各油路的通断、流通方向，或各油路向有杆腔101、无杆腔102中导入或导出的液压油的速度、流量，进而控制主油路系统602的通断或调节主油路系统602中液压油的流量和/或速度的。

在本实施例中，主油路系统602包括主泵605和主阀606，主泵605的入口处和油箱601连接，主泵605和电动机701驱动连接，电动机701驱动主泵605向主油路系统602泵送液压油；本实施例中的主泵605具有第一出口端和第二出口端两个出口端，主泵605的第一出口端、第二出口端分别和主阀606的第一端口、第二端口连接，其中，第二出口端为比例调节端口，可以调节主泵605的输出功率，可根据控制器5内部设定程序自行做出响应调节匹配，主泵605的第一出口端通过第一油路6011和主阀606的第一端口连接，主泵605的第二出口端通过第二油路6012和主阀606的第二端口连接，以实现油箱601中的液压油向主阀606的输送；主阀606的第三端口、第四端口分别和动臂油缸1的有杆腔101、无杆腔102连接，主阀606的第三端口通过第三油路6013和动臂油缸1的有杆腔101连接，主阀606的第四端口通过第四油路6014和动臂油缸1的无杆腔102连接，以此实现主阀 606中液压油分别向有杆腔101和无杆腔102中的输送。当需要主油路系统602截止时，控制器5向先导油路系统603发送第一控制指令，先导油路系统603再根据第一控制指令控制主阀606中各个端口之间流路的断开(此时主阀606处于中位)，即第一油路6011、第二油路6012、第三油路6013以及第四油路6014均不流通，进而使得主油路系统602处于截止状态。

在本发明的一个实施例中，旁通油路系统604中连接动臂油缸1的油路导通包括：

控制器5被配置成：

向旁通油路系统604发送第二控制指令，以使旁通油路系统604根据第二控制指令控制旁通油路系统604中连接动臂油缸1的油路导通。

可以理解，旁通油路系统604包括旁通阀609，旁通阀609的第一端口、第二端口和油箱601连接，旁通阀609的第三端口、第四端口分别和动臂油缸1的有杆腔101、无杆腔102连接，旁通阀609的信号端和控制器5信号连接。具体地，本实施例中的旁通阀609为比例阀，旁通阀609的信号端和控制器5中PWM3信号端信号连接，旁通阀609的第一端口通过第九油路6019和油箱601连接，旁通阀609的第二端口通过第十油路6020和油箱601 连接，旁通阀609的第三端口通过第十一油路6021和动臂油缸1的有杆腔 101连接，旁通阀609的第四端口通过第十二油路6022和动臂油缸1的无杆腔102连接，控制器5通过控制旁通阀609信号端的得电或失电，以实现旁通阀609各个端口之间的流路通断，进而实现流经旁通阀609的液压油的流通方向控制。当控制器5控制旁通油路系统604中连接动臂油缸1的油路导通时，控制器5向旁通油路系统604中的旁通阀609发送第二控制指令，以使旁通阀609根据第二控制指令控制第十一油路6021以及第十二油路6022 流通，进而实现了旁通油路系统604中连接动臂油缸1的油路导通。

在本发明的一个实施例中，旁通油路系统604还包括设置在油箱601和旁通阀609的第二端口之间的背压阀6010，本实施例中背压阀6010设置在第十油路6020上，能够在第十油路6020中液压油压力不稳的状态下保持第十油路6020所需的压力。当控制器5向旁通油路系统604中的旁通阀609 发送第二控制指令后，旁通油路系统604中的第九油路6019不流通，而第十油路6020流通，因此此时从无杆腔102中流出的一部分液压油还经过第十油路6020返回到油箱601中。

在本发明的一个实施例中，先导油路系统603包括：

先导阀608，用于控制先导油路系统603中各油路的通断；

向先导油路系统603发送第一控制指令，以使先导油路系统603根据第一控制指令控制主油路系统602截止包括：

控制器5被配置成：

向先导油路系统603发送第一控制指令，以将先导阀608的第一开度调节为第一理论开度值、先导阀608的第二开度调节为第二理论开度值；

在先导阀608的第一开度调节为第一理论开度值、先导阀608的第二开度调节为第二理论开度值的情况下，主油路系统602截止。

可以理解，先导油路系统603包括先导泵607和先导阀608，先导阀608 的第一端口和油箱601连接，先导阀608的第二端口通过先导泵607和油箱 601连接，先导阀608的第一信号端、第二信号端均与控制器5信号连接，先导阀608的第三端口和主阀606的第一信号端连接，先导阀608的第四端口和主阀606的第二信号端连接。具体地，本实施例中的先导阀608为电比例阀，先导阀608的第一端口通过第五油路6015和油箱601连接，先导阀 608的第二端口通过第六油路6016和油箱601连接，先导泵607设置在第六油路6016上，先导泵607和电动机701驱动连接，电动机701驱动先导泵 607向先导阀608中泵送液压油，先导阀608具有第一信号端和第二信号端两个信号端，且上述两个信号端分别和控制器5中PWM1、PWM2两个信号端信号连接；

主阀606是比例阀且也具有第一信号端、第二信号端两个信号端，先导阀608的第三端口通过第七油路6017和主阀606的第一信号端连接，先导阀608的第四端口通过第八油路6018和主阀606的第二信号端连接，控制器5通过控制先导阀608第一信号端和第二信号端的得电或失电，实现对第七油路6017和第八油路6018中液压油的流动情况控制，进而实现了对主阀 606第一信号端和第二信号端的控制。因此，当需要控制主油路系统602截止时，控制器5向先导阀608发送第一控制指令，该第一控制指令同时作用于先导阀608的第一信号端和第二信号端，之后先导阀608对其第一开度和第二开度进行调节，即将先导阀608的第一开度调节为第一理论开度值、将先导阀608的第二开度调节为第二理论开度值，以实现第七油路6017和第八油路6018中液压油的流通情况控制，当第七油路6017和第八油路6018 中液压油的流通情况发生变化时，主阀606的第一信号端和第二信号端会接收到相应信号并控制主油路系统602中各油路截止。

在本发明的一个实施例中，第一理论开度值和第二理论开度值均为零。

可以理解，当控制器5根据行程位置、速度检测值确定动臂势能回收功能可被开启时，说明动臂正在下降(此时动臂油缸1的伸缩端回缩)，控制器5需要对先导阀608和旁通阀609进行相应的控制，以便主油路系统602、先导油路系统603以及旁通油路系统604中的各个部件相互配合，使得动臂油缸1的无杆腔102中液压油流出、有杆腔101中流入液压油。为了使动臂油缸1在挖掘机进行动臂势能回收时运动速度稳定，需要保证动臂油缸1无杆腔102中液压油的流出速度、有杆腔101中液压油的流入速度稳定，则应该通过控制先导阀608和旁通阀609各自的开度处于理论值以使得各油路中液压油以稳定速度流通(即，使得第一理论开度值和第二理论开度值均为零)，使得该动臂势能回收系统既能有效回收动臂势能，又能保证动臂的工作速度。

在本发明的一个实施例中，旁通油路系统604包括：

旁通阀609，用于控制旁通油路系统604中各油路的通断；

向旁通油路系统604发送第二控制指令，以使先导油路系统603根据第二控制指令控制旁通油路系统604中连接动臂油缸1的油路导通包括：

控制器5被配置成：

向旁通油路系统604发送第二控制指令，以将旁通阀609的开度调节为第三理论开度值；

在旁通阀609的开度调节为第三理论开度值的情况下，旁通油路系统604中连接动臂油缸1的油路导通。

可以理解，在进行动臂势能回收时，控制器5对先导阀608和旁通阀609 的信号端增加闭环控制，同时对动能传输连接件进行控制使其处于接合状态。具体地，控制器5控制先导阀608的第一开度和第二开度均为零，而旁通阀 609的开度为第三理论开度值，此时旁通阀609处于下位，主阀606处于中位，导入或导出动臂油缸1的液压油只能通过旁通阀609进行流通。无杆腔102中的液压油流出后会分为两部分，其中一部分经过第四油路6014流向主阀606，但由于主阀606处于中位而被截止流通；另一部分则经过第十二油路6022流向旁通阀609，此时旁通阀609处于下位，因此流入旁通阀609 的液压油可再次被分成两部分，一部分流向第十油路6020经过背压阀6010 回到油箱601，另一部分经过第十一油路6021流向有杆腔101中(因为主阀 606处于中位，液压油经过第三油路6013流到主阀606后被截止)，该种控制能保证摆动操作设备3时，挖掘机动臂的运动速度不因为动臂势能回收而导致变慢或不稳定。

控制器5对先导阀608和旁通阀609的控制信号图示意图如图5所示，当A2>ai>A1且V2>V>V1时，DO1＝ON，PWM1＝0，PWM2＝0，PWM3＝F3 (ai，V)

当ai和V为其它值时，DO1＝OFF，PWM1＝F1(ai，V)，PWM2＝0， PWM3＝0。

其中，曲线C为没有进行动臂势能回收时的PWM1输出特性，曲线D 为进行动臂势能回收时PWM1输出特性，曲线E为进行动臂势能回收时的 PWM3输出特性。

当操作设备3的行程位置处于预设行程位置范围，且动臂的运动速度处于预设速度范围内时，旁通阀609和先导阀608分别接收控制器5指令进行开度开启或开度关闭，开度开启的大小受到控制器5内部设定的程序控制。

在本发明的一个实施例中，主油路系统602还包括：

主泵605，用于向动臂油缸1中泵送液压油；

控制器5进一步被配置成：

在动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制主泵605以最小排量运行，以减少能耗。

可以理解，在进行动臂势能回收时，控制主泵605以最小排量运行以维持其内部润滑所需，有利于延长主泵605的使用寿命，降低了能源消耗，能够在后续其它操作中实现主泵605和/或先导泵607的快速响应。

本发明的另一个实施例中提供一种工程设备，该工程设备包括上述实施例中的用于工程设备的动臂势能回收系统。

在本发明的一个实施例中，工程设备包括挖掘机或打桩机。

本发明实施例提供了一种用于工程设备的动臂势能回收系统和工程设备，该动臂势能回收系统包括动臂油缸、发电机组件和控制器，动臂油缸用于驱动动臂进行上升或下降运动；发电机组件包括发电机、蓄能电池和动力传输连接件，发电机和动臂油缸的伸缩端通过动力传输连接件驱动连接，动力传输连接件具有分离和接合两种状态，控制器能在动臂进行下降运动的过程中控制动力传输连接件处于接合状态，以使得动臂产生的势能通过动力传输件传递给发电机供其发电，发电机发电完成后再将产生的电能储存到蓄能电池中，该用于工程设备的动臂势能回收系统和工程设备相对于现有技术具有方案简答，成本低廉，既能有效回收动臂势能，又能保证动臂的工作速度，还不会增加液压组件能量消耗的优点。

本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本申请所公开的内容，均属于本申请的保护范围。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (18)

1.一种用于工程设备的动臂势能回收系统，其特征在于，所述动臂势能回收系统包括：

动臂油缸(1)；

发电机组件(2)，包括发电机(201)以及与所述发电机(201)电连接的蓄能电池(202)，所述发电机(201)和所述动臂油缸(1)的伸缩端通过动力传输连接件(203)驱动连接，所述动力传输连接件(203)具有分离和接合两种状态；

控制器(5)，被配置成：

确定动臂的运动状态；

在所述动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制所述动力传输连接件(203)处于所述接合状态，以使所述动臂油缸(1)驱动所述发电机(201)产生电能，并将所述电能储存到所述蓄能电池(202)中。

2.根据权利要求1所述的动臂势能回收系统，其特征在于，还包括：

速度检测设备(4)，用于检测所述动臂的运动速度；

所述处理器进一步被配置成：

在所述动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，确定所述运动速度是否在预设速度范围内；

在所述运动速度被确定为在所述预设速度范围内的情况下，控制所述动力传输连接件(203)处于所述接合状态；

在所述运动速度被确定为在所述预设速度范围之外的情况下，控制所述动力传输连接件(203)处于所述分离状态，以使得所述发电机(201)与所述动臂油缸(1)断开连接。

3.根据权利要求1所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述控制器被配置成确定所述动臂的运动状态，包括：

所述控制器被配置成：接收针对所述动臂油缸的操作设备的操作指令，并根据所述操作指令确定所述动臂的运动状态。

4.根据权利要求2所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述速度检测设备(4)包括位移传感器和速度传感器中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述发电机组件(2)还包括联动机构(204)，用于将所述动臂油缸(1)的直线运动转换为所述发电机组件(2)的旋转运动。

6.根据权利要求5所述的动臂势能回收系统，其特征在于，还包括连接轴(205)，用于连接所述联动机构(204)和所述发电机(201)。

7.根据权利要求6所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述连接轴(205)的半径根据所述动臂油缸(1)的最低运动速度和所述发电机(201)的工作转速确定。

8.根据权利要求3所述的动臂势能回收系统，其特征在于，还包括：

液压组件(6)，用于驱动所述动臂油缸(1)；

所述控制器(5)进一步被配置成：

接收针对所述动臂油缸(1)的操作设备的操作指令；

根据所述操作指令控制所述液压组件(6)驱动所述动臂油缸(1)执行相应动作；

根据所述动作确定所述动臂的运动状态。

9.根据权利要求8所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述动臂油缸(1)包括有杆腔(101)和无杆腔(102)；

所述控制器(5)进一步被配置成：在所述动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制所述液压组件(6)将所述无杆腔(102)中的液压油导出再导入所述有杆腔(101)中。

10.根据权利要求9所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述液压组件(6)包括：

主油路系统(602)，用于将所述液压油导入所述动臂油缸(1)中；

旁通油路系统(604)，用于辅助调节导入或导出所述动臂油缸(1)的所述液压油的流量和/或速度；

所述控制所述液压组件(6)将所述无杆腔(102)中的液压油导出再导入所述有杆腔(101)中，包括：

所述控制器被配置成：

控制所述主油路系统(602)截止、所述旁通油路系统(604)中部分油路导通，以使所述无杆腔(102)中的液压油导出后经过所述旁通油路系统(604)导入到所述有杆腔(101)中。

11.根据权利要求10所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述液压组件(6)还包括：

先导油路系统(603)，用于控制所述主油路系统(602)的通断或调节所述主油路系统(602)中所述液压油的流量和/或速度；

所述控制所述主油路系统(602)截止，包括：

所述控制器(5)被配置成：

向所述先导油路系统(603)发送第一控制指令，以使所述先导油路系统(603)根据所述第一控制指令控制所述主油路系统(602)截止。

12.根据权利要求10所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述旁通油路系统(604)中连接所述动臂油缸(1)的油路导通包括：

所述控制器(5)被配置成：

向所述旁通油路系统(604)发送第二控制指令，以使所述先导油路系统(603)根据所述第二控制指令控制所述旁通油路系统(604)中连接所述动臂油缸(1)的油路导通。

13.根据权利要求11所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述先导油路系统(603)包括：

先导阀(608)，用于控制所述先导油路系统(603)中各油路的通断；

所述向所述先导油路系统(603)发送第一控制指令，以使所述先导油路系统(603)根据所述第一控制指令控制所述主油路系统(602)截止包括：

所述控制器(5)被配置成：

向所述先导油路系统(603)发送第一控制指令，以将所述先导阀(608)的第一开度调节为第一理论开度值、所述先导阀(608)的第二开度调节为第二理论开度值；

在所述先导阀(608)的第一开度调节为第一理论开度值、所述先导阀(608)的第二开度调节为第二理论开度值的情况下，所述主油路系统(602)截止。

14.根据权利要求13所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述第一理论开度值和所述第二理论开度值均为零。

15.根据权利要求12所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述旁通油路系统(604)包括：

旁通阀(609)，用于控制所述旁通油路系统(604)中各油路的通断；

所述向所述旁通油路系统(604)发送第二控制指令，以使所述先导油路系统(603)根据所述第二控制指令控制所述旁通油路系统(604)中连接所述动臂油缸(1)的油路导通包括：

所述控制器(5)被配置成：

向所述旁通油路系统(604)发送第二控制指令，以将所述旁通阀

(609)的开度调节为第三理论开度值；

在所述旁通阀(609)的开度调节为第三理论开度值的情况下，所述旁通油路系统(604)中连接所述动臂油缸(1)的油路导通。

16.根据权利要求10所述的动臂势能回收系统，其特征在于，所述主油路系统(602)还包括：

主泵(605)，用于向所述动臂油缸(1)中泵送所述液压油；

所述控制器(5)进一步被配置成：

在所述动臂的运动状态被确定为下降状态的情况下，控制所述主泵(605)以最小排量运行，以减少能耗。

17.一种工程设备，其特征在于，所述工程设备包括根据权利要求1至16中任意一项所述的用于工程设备的动臂势能回收系统。

18.根据权利要求17所述的工程设备，其特征在于，所述工程设备包括挖掘机或打桩机。

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