CN204533066U

CN204533066U - 一种挖掘机动臂势能液压式能量回收系统

Info

Publication number: CN204533066U
Application number: CN201520068539.0U
Authority: CN
Inventors: 张树忠; 练国富; 江吉彬; 曾寿金; 叶建华; 陈丙三; 晏岱
Original assignee: Fujian University of Technology
Current assignee: Fujian University of Technology
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2025-01-30

Abstract

一种挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，包括一变量马达、两变量泵、蓄能器、控制阀、ECU控制单元、压力传感器、转速传感器、液压缸、油箱和发动机。本实用新型针对液压挖掘机剧变工况下的大量动臂势能被浪费，在不改变现有挖掘机液压系统和操作性能的基础上，为其并联一套液压式能量回收系统，回收动臂下放时释放出的势能和实现动臂流量再生，以改善液压挖掘机的油耗，达到节能降耗的目的。

Description

一种挖掘机动臂势能液压式能量回收系统

【技术领域】

本实用新型涉及液压挖掘机的节能技术领域，尤其涉及一种采用液压蓄能器作为储能元件，以变量马达-变量泵为能量转换元件的挖掘机动臂势能液压式能量回收系统。

【背景技术】

液压挖掘机在工作过程中，动臂上下摆动比较频繁,液压挖掘机工作装置重量重、惯性大，为防止动臂液压缸上腔因动臂下降过快而产生吸空，一般通过主阀节流来调速，但减速制动时工作装置大量的位能绝大部分在主阀节流口转化为热能，不仅造成了能量浪费，还会导致系统温度上升和液压元器件寿命的降低。

目前，能量回收的研究主要集中于汽车领域，工程机械领域尤其是液压挖掘机的能量回收研究还处于起步阶段，且一般采用电力式能量回收(以超级电容或蓄电池作为储能元件)，但由于超级电容等电池技术尚未成熟，电力式能量回收的挖掘机迟迟未被市场认可；而采用液压蓄能器作为储能元件的液压式能量回收与电力式能量回收相比减少了能量转换环节，且功率密度高，整体可靠紧凑。

现有技术，例如，中国实用新型专利：挖掘机能量回收系统(申请号：CN200910306447.0)，它包括液压缸、油箱、定量泵、阀门和发动机。其关键技术是定量泵同轴安装第一变量泵和测速光电编码器，定量泵一端通过换向阀与液压缸连接，定量泵另一端分两路分别与油箱和液压缸连接；第一变量泵一端与油箱连接，另一端通过换向阀连接蓄能器；与发动机同轴安装第二变量泵，第二变量泵一端连接油箱，另一端连接单向阀，单向阀的出油口分三路，第一路通过换向阀连接蓄能器，第二路通过换向阀与液压缸连接，第三路通过换向阀与液压缸连接。该方案将流量再生和势能回收两者相结合，可同时实现流量再生和能量回收再利用。但该方案有三个方面有待进一步改进：①在速度控制性方面存在的问题：动臂下降开始时，定量马达-变量泵转速较低，变量泵出口压力建立响应时间相对较长，在该段时间内，马达的负载接近0，且定量马达-变量泵转动惯量很小，无法通过调节变量泵的排量来控制定量马达的转速，导致其启动时的速度稳定性较差；②在能量回收效率方面存在的问题：定量马达-变量泵组成的能量转换单元的转速取决于动臂下降的速度，当速度较低时，能量转换单元的转速较低使得其容积效率低，且速度波动时，能量转换单元的速度也随之波动，导致定量马达-变量泵不能工作在高效区，系统效率有待于进一步提高；③流量再生时，采用固定节流口来控制马达出口压力，当流量变化时，其出口压力不稳定，会导致吸空或节流损失过大。另外，该系统需要对传统挖掘机液压系统进行较大的改动，操作性能与原系统有所差异。

有鉴于此，本发明人针对现有技术的缺陷深入研究，遂有本案产生。

【发明内容】

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，以改善挖掘机的油耗，达到节能降耗的目的。

本实用新型是这样实现的：

挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，包括一变量马达(8)、两变量泵(71、72)、蓄能器(10)、第一控制阀(2)、第二控制阀(31)、第三控制阀(32)、第四控制阀(33)、第五控制阀(51)、第六控制阀(52)、第七控制阀(53)、第八控制阀(9)、第九控制阀(131)、第十控制阀(132)、第十一控制阀(14)、第十二控制阀(15)、ECU控制单元(18)、第一压力传感器(61)、第二压力传感器(62)、第三压力传感器(63)、第四压力传感器(64)、转速传感器(4)、液压缸(11)、油箱(1)、发动机(16)；

所述变量马达(8)同轴安装所述第一变量泵(71)和所述转速传感器(4)，所述变量马达(8)进口与第六控制阀(52)串联，所述变量马达(8)另一端分两路分别连接第五控制阀(51)与第八控制阀(9)；

所述第六控制阀(52)另一端连接第八控制阀(9)，第八控制阀(9)的两工作油腔分别连接所述液压缸(11)的上下腔；

所述第一变量泵(71)进口与油箱(1)连接，另一端经第二控制阀(31)后分两路，第一路接蓄能器(10)，第二路接第一控制阀(2)连接到油箱(1)；

所述发动机(16)同轴安装第二变量泵(72)，第二变量泵(72)一端连接油箱(1)，另一端连接第三控制阀(32)，第三控制阀(32)的出口分两路，第一路连接第四控制阀(33)，第二路通过第十一控制阀(14)与液压缸(11)连接；第四控制阀(33)进口连接第七控制阀(53)，第七控制阀(53)另一端连接蓄能器(10)；

第十一控制阀(14)的左液控口与第九控制阀(131)相连，右液控口与第十二控制阀(15)一端相连，第十二控制阀(15)另一端分别连接油箱(1)和第十控制阀(132)；

第九控制阀(131)、第十控制阀(132)通过一操纵手柄(12)来控制，在所述操纵手柄(12)上安装一角位移传感器(17)，并将角位移信号反馈给ECU控制单元(18)；

在第六控制阀(52)的进出口布置第二、三压力传感器(62、63)，在变量马达(8)的出口布置第一压力传感器(61)，在蓄能器(10)出口布置第四压力传感器(64)；

第一、二、三、四压力传感器(61、62、63、64)的压力信号反馈给ECU控制单元(18)，ECU控制单元(18)根据所采集的信号，通过计算发指令分别控制变量马达(8)、第一变量泵(71)、第八控制阀(9)、第五控制阀(51)、第六控制阀(52)、第七控制阀(53)。

进一步地，所述第五控制阀(51)、第六控制阀(52)、第七控制阀(53)为节流阀。

进一步地，所述第一控制阀(2)为溢流阀。

进一步地，所述第二控制阀(31)、第三控制阀(32)、第四控制阀(33)为单向阀。

进一步地，所述第八控制阀(9)、第十一控制阀(14)、第十二控制阀(15)为换向阀。

进一步地，所述第九控制阀(131)、第十控制阀(132)为先导阀。

本实用新型的优点在于：1、对变量马达-变量泵的排量和转速进行协调控制，使其工作在高效区提高能量回收系统的回收效率；2、采用压力传感器测得节流阀的进出口压力，通过ECU来控制变量马达-变量泵中马达的进口压力来补偿节流阀的出口压力，使节流阀的进出口压差基本不变，实现动臂下降仅与节流阀的开度有关；3、在变量马达出口连接压力传感器，旁路安装节流阀；流量波动时，通过ECU自动调节节流阀开度，以使马达出口压力基本稳定，使液压缸上腔的油液全部来自于马达，实现流量再生且可避免液压缸上腔出现吸空。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

图1是本实用新型能量回收系统流程图。

图2是本实用新型能量回收系统的液压系统原理图。

图3是本实用新型能量回收系统原理框图。

【具体实施方式】

请参阅图1至图3所示，挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，包括一变量马达8、两变量泵71、72、蓄能器10、第一控制阀2、第二控制阀31、第三控制阀32、第四控制阀33、第五控制阀51、第六控制阀52、第七控制阀53、第八控制阀9、第九控制阀131、第十控制阀132、第十一控制阀14、第十二控制阀15、ECU控制单元18、压力传感器61、62、63、64、转速传感器4、液压缸11、和油箱1、发动机16；

其中，第五控制阀51、第六控制阀52、第七控制阀53为节流阀。第一控制阀2为溢流阀。第二控制阀31、第三控制阀32、第四控制阀33为单向阀。第八控制阀9、第十一控制阀14、第十二控制阀15为换向阀。第九控制阀131、第十控制阀132为先导阀。

变量马达8同轴安装第一变量泵71和转速传感器4，变量马达8进口与节流阀52串联，变量马达8另一端分两路分别连接节流阀51与换向阀9；节流阀52另一端连接换向阀9，换向阀9的两工作油腔分别连接液压缸11的上下腔；变量泵71进口与油箱1连接，另一端经单向阀31后分两路，第一路接蓄能器10，第二路接溢流阀2；与发动机16同轴安装变量泵72，变量泵72一端连接油箱1，另一端连接单向阀32，单向阀32的出口分两路，第一路连接单向阀33，第二路通过换向阀14与液压缸11连接；单向阀33进口连接节流阀53，节流阀53另一端连接蓄能器10。换向阀14的左液控口与先导阀131相连，右液控口与换向阀15一端相连，换向阀15另一端分别接油箱1和先导阀132；先导阀131、132通过操纵手柄12来控制，在操纵手柄12上安装角位移传感器17，并将角位移信号反馈给ECU控制单元18；在节流阀52的进出口布置压力传感器62、63，在变量马达8的出口布置压力传感器61，在蓄能器10出口布置压力传感器64。压力传感器61、62、63、64的压力信号反馈给ECU控制单元18，ECU控制单元18根据所采集的信号，通过计算发给指令控制换向阀9、变量马达8、第一变量泵71、节流阀51、52、53。

本动臂能量回收系统实现节能的工作原理如下：

1、能量回收系统处于关闭状态

各电磁换向阀或电液换向阀处理处于断电状态，能量回收系统不起作用，保持原有动臂回路。

2、能量回收系统处于开启状态

(1)下放

操纵手柄12向右转动(控制动臂下放)时，通过角位移传感器17识别出动臂下降，将操纵手柄12开度反馈到ECU控制器18中，ECU发指令使阀9、15通电，阀15通电后切断原系统操纵阀14的先导压力油，在复位弹簧作用下处于中位。ECU根据传感器17反馈的角位移来控制节流阀52的开口，同时根据节流阀52的进出口压力反馈通过ECU自动控制能量转换单元中变量泵71和变量马达8的排量以实现节流阀52的进出口压差基本不变，使液压缸下腔的输出流量仅与节流阀52的开口度有关，而与频繁波动的负载无关，实现动臂下降时的稳速控制。通过能量转换单元中的变量泵71为蓄能器10充液，实现能量的回收；在变量马达8的出口侧安装节流阀51和压力传感器6.1，节流阀51另一端连接油箱，通过ECU控制单元18自动调节节流阀51开度，以使变量马达8出口压力基本稳定，使液压缸11上腔的油液全部来自于液压缸11下腔，实现流量再生，即动臂液压缸下腔中的一部分油液通过阀52和马达8供给上腔，一部分回油通过节流阀51回到油箱1。

(2)上升

操纵手柄12向左转动(控制动臂上升)时，通过角位移传感器17反馈回来的信号识别出动臂在上升，ECU控制单元发指令使阀9、15断电，调整节流阀5.3开口以控制其输出流量，蓄能器10释放压力油液，为系统提供额外的高压油，加快动臂上升。

本实用新型针对液压挖掘机剧变工况下的大量动臂势能被浪费，在不改变现有挖掘机液压系统和操作性能的基础上，为其并联一套液压式能量回收系统，回收动臂下放时释放出的势能和实现动臂流量再生，以改善液压挖掘机的油耗，达到节能降耗的目的。

ECU控制单元通过控制阀组件分别控制液压蓄能器充放液，动臂液压缸伸缩、通过传感器组件中的压力传感器、转速传感器和角位移传感器分别采集压力、转速、角位移信号来控制变量马达-变量泵、控制阀组件；动臂液压缸驱动挖掘机的动臂，实现挖掘机动臂势能回收和再利用；从而达到节能的目的。

本实用新型采用液压式能量回收，结合流量再生以液压蓄能器为储能元件，以变量马达-变量泵为能量转换单元加串联节流阀的新型动臂势能能量回收系统，动臂下放初始时通过节流调速来控制动臂下放的速度，提高其稳定性；当负载剧烈波动时，通过ECU采集转速信号自动调节变量马达-变量泵两者排量以控制转速使其运行在高效区(高效区：控制变量泵和和变量马达在某转速和某排量范围内效率较高)；此外，通过ECU调节变量马达-变量泵的输出转矩即控制变量马达的进口压力，对所串联节流阀进行出口压力补偿，使节流阀的进出口压力基本保持不变，实现动臂下放的速度仅与节流阀开口面积有关，即在保证能量回收效率的基础上提高动臂下降速度的稳定性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施用例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，其特征在于：

包括一变量马达(8)、两变量泵(71、72)、蓄能器(10)、第一控制阀(2)、第二控制阀(31)、第三控制阀(32)、第四控制阀(33)、第五控制阀(51)、第六控制阀(52)、第七控制阀(53)、第八控制阀(9)、第九控制阀(131)、第十控制阀(132)、第十一控制阀(14)、第十二控制阀(15)、ECU控制单元(18)、第一压力传感器(61)、第二压力传感器(62)、第三压力传感器(63)、第四压力传感器(64)、转速传感器(4)、液压缸(11)、油箱(1)、发动机(16)；

所述第一变量泵(71)进口与油箱(1)连接，另一端第二控制阀(31)后分两路，第一路接蓄能器(10)，第二路接第一控制阀(2)连接到油箱(1)；

在第六控制阀(52)的进出口布置第二压力传感器(62)、第三压力传感器(63)，在变量马达(8)的出口布置第一压力传感器(61)，在蓄能器(10)出口布置第四压力传感器(64)；

2.如权利要求1所述的挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，其特征在于：所述第五控制阀(51)、第六控制阀(52)、第七控制阀(53)为节流阀。

3.如权利要求1所述的挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，其特征在于：所述第一控制阀(2)为溢流阀。

4.如权利要求1所述的挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，其特征在于：所述第二控制阀(31)、第三控制阀(32)、第四控制阀(33)为单向阀。

5.如权利要求1所述的挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，其特征在于：所述第八控制阀(9)、第十一控制阀(14)、第十二控制阀(15)为换向阀。

6.如权利要求1所述的挖掘机动臂势能液压式能量回收系统，其特征在于：所述第九控制阀(131)、第十控制阀(132)为先导阀。