CN114622620A - 一种机械式动臂势能回收与再利用系统 - Google Patents

Abstract

一种机械式动臂势能回收与再利用系统，主换向阀的A口、B口分别与液压缸的无杆腔油口A、有杆腔油口B连接；液压泵/马达的A口通过管路与油箱连接，其P口与第一换向阀的A口连接；第一换向阀的P口同时与液压缸的无杆腔油口A、主换向阀的A口连接；第二单向阀的进油口A通过管路与油箱连接，其出油口B通过管路与液压泵/马达的P口连接；液压泵/马达输出轴通过离合器与弹簧装置旋转中心的传动轴连接；补油单向阀的进油口A通过管路与油箱连接，其出油口B与液压缸的有杆腔油口B连接；制动装置用于与传动轴相配合来制动或释放弹簧装置。该系统能将动臂的势能转化为弹簧的势能并存储，并能在动臂提升过程中实现储能的再利用过程。

Description

一种机械式动臂势能回收与再利用系统

技术领域

本发明属于液压控制技术领域，具体是一种机械式动臂势能回收与再利用系统。

背景技术

挖掘机作为一种大型工程机械设备，其臂架具有很大的质量，同时，在挖掘机作业过程中，其动臂升降动作频繁，加之工作装置和负载质量通常很大，因而动臂在下降过程中会释放出大量的势能。该能量绝大部分消耗在主液压阀的节流口处，并转换为了热能，这不仅造成了能量的浪费和系统的发热，而且容易降低了液压元件的寿命。因此，如何回收动臂势能，并实现回收能量的再利用，对延长液压系统的使用寿命，实现液压系统的节能具有重要意义。

现阶段，挖掘机动臂势能回收方式主要有电力式和液压式。电力式主要采用液压马达、发电机为能量转化元件，蓄电池和超级电容为储能元件，以实现能量的转换和回收。但是动臂下降过程的时间非常短，通常在几秒的时间释放的能量大，所以功率很大。现有技术的蓄电池难以承受如此大的充电功率。而超级电容价格极为昂贵，且占用空间大，因此采用电力式回收的实用性不强。液压式能量回收系统以蓄能器为储能元件。其工作原理为，当回收系统重力势能时，以高压油液的压力能的形式储存于液压蓄能器中，当系统中需要用能时，储存的油液释放出来进入液压系统工作。液压式回收方案利用了蓄能器功率密度大，能吸收压力冲击等优点，但因蓄能器储存能量的密度低，如果需要储存较多能量时会需要较大体积的蓄能器，进而会占用较大的空间，且蓄能器的安装也非常不方便。此外，蓄能器的压力会随着存储油液的增多而上升，对臂架的下落速度造成影响。为了克服传统储能元件的不足，需要研发。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种机械式动臂势能回收与再利用系统，该系统采用弹簧作为储能元件，其实用性强，整体占用空间小，安装过程方便，且可在动臂下放过程中，能将动臂的势能转化为弹簧的势能并存储，从而能避免因转化为油液热能造成的能量浪费和液压元器件升温的现象；另外，当动臂需要提升时，弹簧的势能可以转化为油液的压力进而能辅助动臂的提升动作，能减少原动机的功率需求，该系统具有显著的节能效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种机械式动臂势能回收与再利用系统，包括油源、主换向阀、液压缸、液压泵/马达、第一换向阀、第二单向阀、第一压力传感器、第二压力传感器、控制器、弹簧装置、补油单向阀和制动装置；

所述油源通过第一单向阀与主换向阀的P口连接，主换向阀的A口通过管路与液压缸的无杆腔油口A连接，主换向阀的B口分别通过管路与液压缸的有杆腔油口B连接；主换向阀的T口通过管路与油箱连接；

所述液压泵/马达的A口通过管路与油箱连接，其P口与第一换向阀的A口连接；第一换向阀的P口同时与液压缸的无杆腔油口A、主换向阀的A口连接；

所述第二单向阀的进油口A通过管路与油箱连接，其出油口B通过管路与液压泵/马达的P口连接；

所述第一压力传感器连接在液压缸的无杆腔油口A上，用于实时采集在液压缸的无杆腔中的压力信号；

所述第二压力传感器连接在液压泵/马达的P口，用于实时采集液压泵/马达P口的压力信号；

所述弹簧装置由与挖掘机固定连接的外壳体、可卷动的设置在外壳体内部的涡卷式弹簧、可转动的设置在外壳体中心且里端与涡卷式弹簧连接的传动轴组成；

所述液压泵/马达输出轴通过离合器与所述弹簧装置旋转中心的传动轴连接；

所述补油单向阀的进油口A通过管路与油箱连接，其出油口B与液压缸的有杆腔油口B连接；

所述制动装置设置在传动轴上，用于与传动轴相配合来制动或释放弹簧装置；

所述控制器分别与主换向阀、第一换向阀、液压泵/马达、离合器、第一压力传感器、第二压力传感器和制动装置连接。

进一步，为了保证液压泵/马达的P口的压力在一定范围内，还包括溢流阀，所述溢流阀的T口通过管路与油箱连接，其P口通过管路与液压泵/马达的P口连接，溢流阀的压力高于油源的最高工作压力。

作为一种优选，所述控制器为PLC控制器。

作为一种优选，所述第一换向阀为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。

作为一种优选，所述主换向阀为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y1b得电后工作在左位，其电磁铁Y1a得电后工作在右位，其失电时工作在中位,工作在左位时，其P口和A口之间的油路连接，其T口和B口之间的油路连通；工作在右位时，其P口和B口之间的油路连接，其T口和A口之间的油路连通；工作在中位时，其P口、A口、T口和B口互不连通。

进一步，为了方便改变传动比，所述液压泵/马达和离合器之间还连接有变速器，所述变速器与控制器连接。

本发明中，通过设置液压泵/马达，并通过第一换向阀连接液压缸的无杆腔和液压泵/马达的P口，同时，使液压泵/马达通过离合器与弹簧装置连接，可以在动臂下降的过程中，控制第一换向阀得电，进而能利用液压泵/马达将油液的能量转化并存储于弹簧装置中，有效的避免了动臂下降过程中能量的浪费。同时，可以在动臂提升时，利用储存在弹簧装置中的能量驱动动臂提升。本方案不仅避免了动臂下降过程中能量的浪费，而且还能再次将储存的能量反馈于液压系统中，从而在动臂需要提升时，利用弹簧驱动液压泵/马达动作以使储存的势能以压力能的形式补充到液压系统中，满足动臂提升过程的需求。通过设置制动装置和离合器，并使其与控制器连接，能在充能和放能过程更方便的控制制动装置和离合器的动作，进而能精准实现充能或放能过程的控制。该系统结构简单，易于实现，能减少原动机的功率需求，同时，能更便捷、高效地控制能量的转化或再利用过程，具有显著的节能效果。

附图说明

图1是常见的工程机械动臂和液压缸的装配示意图；

图2是本发明的液压原理图；

图3是本发明中涉及的弹簧装置的结构示意图；

图4是本发明中所涉及的仅在主换向阀的控制下，动臂下放时的简化示意图；

图5是本发明中当液压泵\马达进行能量回收时的简化示意图；

图6是本发明中所涉及的动臂仅在主换向阀的控制下做提升运动时的简化示意图；

图7是本发明中所涉及的动臂在主换向阀和泵/马达共同作用下做提升运动时的简化示意图。

图中：1、油源，2、第一单向阀，3、主换向阀，4、液压缸，5、油箱，6、液压泵/马达，7、第一换向阀，8、弹簧装置，9、离合器，10、溢流阀，11、第二单向阀，12、第一压力传感器，13、第二压力传感器，14、制动装置，18、变速器，19、补油单向阀，81、传动轴，82、涡卷式弹簧，100、动臂，200、转台。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

图1为现有工程机械中动臂100和液压缸4的装配图，其中动臂100的端部铰接在转台200上，液压缸4的底座铰接在转台200上，液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。

如图2至图7所示，本发明提供了一种机械式动臂势能回收与再利用系统，包括油源1、主换向阀3、液压缸4、液压泵/马达6、第一换向阀7、第二单向阀11、第一压力传感器12、第二压力传感器13、控制器、弹簧装置8、补油单向阀19和制动装置14；

所述油源1为液压系统提供液压能源，一般为液压泵和原动机(电动机、发动机等)组成。油源1通过第一单向阀2与主换向阀3的P口连接，主换向阀3的A口通过管路与液压缸4的无杆腔油口A连接，主换向阀3的B口分别通过管路与液压缸4的有杆腔油口B连接；主换向阀3的T口通过管路与油箱5连接；

所述的液压泵/马达6作为能量转化元件，可以根据工况需要工作在液压泵工况或马达工况，在其传动轴的旋转方向一定的情况下，可以通过调整斜盘角度，改变两个油口的进油和出油方向。其排量的大小可以通过控制器(图中未画出)输出的电信号调整。没有控制信号输入的情况下，液压泵/马达6的排量为零。所述液压泵/马达6的A口通过管路与油箱5连接，其P口与第一换向阀7的A口连接；第一换向阀7的P口同时与液压缸4的无杆腔油口A、主换向阀3的A口连接；第一单向阀2保证油液单向至主换向阀3单向流量，反向阻止油液的流动。所述的液压缸4作为执行机构，通过自身活塞杆的伸缩运动控制挖掘机的动臂做下降和提升运动。所述油箱5为系统的油液提供存储空间。

所述第二单向阀11的进油口A通过管路与油箱5连接，其出油口B通过管路与液压泵/马达6的P口连接；所述的第二单向阀11作为补油阀。由于任何可能的原因，当液压泵/马达6的P口压力低于油箱5的压力时，油箱5内的油液经所述的第二单向阀11进入液压泵/马达6的P口，以防止吸空和气蚀。

所述第一压力传感器12连接在液压缸4的无杆腔油口A上，用于实时采集在液压缸4的无杆腔中的压力信号，并实时发送给控制器；

所述第二压力传感器13连接在液压泵/马达6的P口，用于实时采集液压泵/马达6P口的压力信号，并实时发送给控制器；

所述弹簧装置8由与挖掘机固定连接的外壳体、可卷动的设置在外壳体内部的涡卷式弹簧82、可转动的设置在外壳体中心且里端与涡卷式弹簧82连接的传动轴81组成；传动轴81用于实现能量的传递，涡卷式弹簧82作为系统的的储能元件，当其被卷曲时，可以吸收并储存一定的能量；反之，其可以释放一定的能量。

所述液压泵/马达6输出轴通过离合器9与所述弹簧装置8旋转中心的传动轴连接；所述的离合器9可以根据控制器15的控制信号接合或断开液压泵/马达6和弹簧装置8的连接。

所述补油单向阀19的进油口A通过管路与油箱5连接，其出油口B与液压缸4的有杆腔油口B连接；

所述制动装置14设置在传动轴81上，用于与传动轴81相配合来制动或释放弹簧装置8，以控制弹簧装置8与外界是否进行能量交换。

所述控制器分别与主换向阀3、第一换向阀7、液压泵/马达6、离合器9、第一压力传感器12、第二压力传感器13和制动装置14连接。

为了保证液压泵/马达的P口的压力在一定范围内，还包括溢流阀10，所述溢流阀10的T口通过管路与油箱5连接，其P口通过管路与液压泵/马达6的P口连接，溢流阀10的压力高于油源1的最高工作压力。当液压泵/马达6的P口压力达到溢流阀10的设定值时，溢流阀10将液压泵/马达6的P口与油箱5连通，保证P口压力在一定的范围内。

所述控制器为PLC控制器。作为一种优选，还包括操纵手柄，所述操纵手柄与控制器连接，用于根据操作员的控制向处理器发出控制信号；

作为一种优选，所述第一换向阀7为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。当系统的流量较大时，所述的第一换向阀7为可以使用电液换向阀。

所述的主换向阀3为电磁阀，可以通过电磁铁的得电情况控制油液的流动方向，进而控制所述液压缸的伸缩运动。作为一种优选，所述主换向阀3为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y1b得电后工作在左位，其电磁铁Y1a得电后工作在右位，其失电时工作在中位,工作在左位时，其P口和A口之间的油路连接，其T口和B口之间的油路连通；工作在右位时，其P口和B口之间的油路连接，其T口和A口之间的油路连通；工作在中位时，其P口、A口、T口和B口互不连通。

为了方便改变传动比，所述液压泵/马达6和离合器9之间还连接有变速器，所述变速器与控制器连接。所述变速器可以接受外界控制信号，调整自身的传动比。

通过设置液压泵/马达，并通过第一换向阀连接液压缸的无杆腔和液压泵/马达的P口，同时，使液压泵/马达通过离合器与弹簧装置连接，可以在动臂下降的过程中，控制第一换向阀得电，进而能利用液压泵/马达将油液的能量转化并存储于弹簧装置中，有效的避免了动臂下降过程中能量的浪费。同时，可以在动臂提升时，利用储存在弹簧装置中的能量驱动动臂提升。本方案不仅避免了动臂下降过程中能量的浪费，而且还能再次将储存的能量反馈于液压系统中，从而在动臂需要提升时，利用弹簧驱动液压泵/马达动作以使储存的势能以压力能的形式补充到液压系统中，满足动臂提升过程的需求。通过设置制动装置和离合器，并使其与控制器连接，能在充能和放能过程更方便的控制制动装置和离合器的动作，进而能精准实现充能或放能过程的控制。该系统结构简单，易于实现，能减少原动机的功率需求，同时，能更便捷、高效地控制能量的转化或再利用过程，具有显著的节能效果。

工作原理：

本系统存在以下几种工作状态：

一、常规动臂下放：

假设此时液压缸4的活塞缸已经伸出。当动臂下放时，操作人员通过操纵手柄发出动臂下放信号，控制器接收到动臂下放信号时，控制主换向阀3的电磁铁Y1a得电，其P口到B口连通，A到T口连通。油源1的油液经第一单向阀2和主换向阀3的右位，进入液压缸4的有杆腔。液压缸4的无杆腔内的油液经主换向阀3的右位流回油箱5。故液压缸4的活塞杆缩回，动臂下降。此时完全由主换向阀3控制系统的流量，进而实现对动臂100速度的控制，如图4所示。

二、能量回收：

如果动臂需要下放，操作人员通过操纵手柄发出能量回收信号，控制器接收到能量回收信号时，控制第一换向阀7得电，控制离合器9吸合，控制制动装置11放开，同时调整液压泵/马达6的排量调整，此时系统原理简化为图5所示。液压缸5的活塞杆在动臂的重力作用下缩回，无杆腔排油，有杆腔进油。无杆腔排出的油液经液压泵/马达6流回油箱。液压泵/马达6此时工作在液压马达模式，输出机械能通过传动轴81对涡卷式弹簧82进行卷曲，将液压能转化为涡卷式弹簧82的势能。液压泵/马达6的排量越大，经过的流量也越多，其驱动扭矩越大，回收的功率也就越多。油箱5的内的油液经补油单向阀19进入液压缸4的有杆腔，防止吸空。

当需要动臂100停止运动时，操作人员通过操纵手柄发出动臂停止信号，控制器接收到动臂停止信号时，控制第一换向阀7失电。液压泵/马达6将会在自身惯性的作用下继续旋转一段时间，此时为液压泵工况，油箱5的内的油液经第二单向阀11进入液压泵/马达6的P口，最后再流回油箱5。因为自身的惯量很小，液压泵/马达6会很快停止转动。离合器9断开连接的同时，制动装置11对传动轴81进行制动，回收的能量由弹簧82以势能的形式保存。

根据需要，控制液压泵/马达6的排量和变速箱18的传动比，使得弹簧82产生合适阻力实现对动臂100的势能的回收。

以上过程中，液压缸4的活塞杆缩回，故动臂下降。

三、动臂提升过程：

结合图6，当动臂提升时，操作人员通过操纵手柄发出动臂提升信号，控制器接收到动臂提升信号时，控制主换向阀3的电磁铁Y1b得电，油源1的高油液经主换向阀3的左位进入液压缸4的无杆腔。液压缸4的有杆腔的油液经主换向阀3的B到T口流回油箱5。故液压缸4的活塞杆伸出，动臂提升。此时完全由主换向阀3控制系统的流量，也就是动臂100的运动速度。

四、能量再利用过程：

结合图7，此时需要弹簧装置8释放一部分能量，以高压油液的形式输出。再加上油源1的高压油液，一起推动液压缸4运动。当需要能量再利用时，操作人员通过操纵手柄发出能量再利用信号，控制器接收到能量再利用时，控制第一换向阀7得电，同时离合器9吸合，制动装置11释放传动轴81，使之与液压泵/马达6的轴连接在一起。此时的液压泵/马达6在弹簧82的带动下旋转，工作在泵工况，A口变成吸油口，P口变成高压油口。液压泵/马达6排出的油液经第一换向阀7的右位，进入液压缸4的无杆腔，使液压缸4的活塞杆伸出。为了保证液压缸4运行速度平稳改变，液压泵/马达6的排量和变速箱18的传动比需要根据需要进行控制。液压缸4的有杆腔的油液，经主换向阀3的左位B口到T口，排回油箱5。

以上过程中，液压缸4的活塞杆伸出，故动臂提升。

Claims (6)

1.一种机械式动臂势能回收与再利用系统，包括油源(1)、主换向阀(3)、液压缸(4)、液压泵/马达(6)、第一换向阀(7)、第二单向阀(11)、第一压力传感器(12)、第二压力传感器(13)和控制器，所述油源(1)通过第一单向阀(2)与主换向阀(3)的P口连接，主换向阀(3)的A口通过管路与液压缸(4)的无杆腔油口A连接，主换向阀(3)的B口分别通过管路与液压缸(4)的有杆腔油口B连接；主换向阀(3)的T口通过管路与油箱(5)连接；

所述液压泵/马达(6)的A口通过管路与油箱(5)连接，其P口与第一换向阀(7)的A口连接；第一换向阀(7)的P口同时与液压缸(4)的无杆腔油口A、主换向阀(3)的A口连接；

所述第二单向阀(11)的进油口A通过管路与油箱(5)连接，其出油口B通过管路与液压泵/马达(6)的P口连接；

所述第一压力传感器(12)连接在液压缸(4)的无杆腔油口A上，用于实时采集在液压缸(4)的无杆腔中的压力信号；

所述第二压力传感器(13)连接在液压泵/马达(6)的P口，用于实时采集液压泵/马达(6)P口的压力信号；

其特征在于，还包括弹簧装置(8)、补油单向阀(19)和制动装置(14)；

所述弹簧装置(8)由与挖掘机固定连接的外壳体、可卷动的设置在外壳体内部的涡卷式弹簧(82)、可转动的设置在外壳体中心且里端与涡卷式弹簧(82)连接的传动轴(81)组成；

所述液压泵/马达(6)输出轴通过离合器(9)与所述弹簧装置(8)旋转中心的传动轴连接；

所述补油单向阀(19)的进油口A通过管路与油箱(5)连接，其出油口B与液压缸(4)的有杆腔油口B连接；

所述制动装置(14)设置在传动轴(81)上，用于与传动轴(81)相配合来制动或释放弹簧装置(8)；

所述控制器分别与主换向阀(3)、第一换向阀(7)、液压泵/马达(6)、离合器(9)、第一压力传感器(12)、第二压力传感器(13)和制动装置(14)连接。

2.根据权利要求1所述的一种机械式动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，还包括溢流阀(10)，所述溢流阀(10)的T口通过管路与油箱(5)连接，其P口通过管路与液压泵/马达(6)的P口连接，溢流阀(10)的压力高于油源(1)的最高工作压力。

3.根据权利要求1或2所述的一种机械式动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。

4.根据权利要求1或2所述的一种机械式动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，所述第一换向阀(7)为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。

5.根据权利要求4所述的一种机械式动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，所述主换向阀(3)为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y1b得电后工作在左位，其电磁铁Y1a得电后工作在右位，其失电时工作在中位,工作在左位时，其P口和A口之间的油路连接，其T口和B口之间的油路连通；工作在右位时，其P口和B口之间的油路连接，其T口和A口之间的油路连通；工作在中位时，其P口、A口、T口和B口互不连通。

6.根据权利要求5所述的一种机械式动臂势能回收与再利用系统，其特征在于，所述液压泵/马达(6)和离合器(9)之间还连接有变速器，所述变速器与控制器连接。

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