CN205776443U - 挖掘机动臂势能分级回收及释放装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，它发动机、先导泵、主泵、操作手柄、五个压力传感器、动臂锁紧控制阀、液控换向阀、两个梭阀、动臂锁紧主阀、两个释放阀、动臂锁紧先导阀、两个蓄能器、两个回收阀动臂油缸、四个单向阀、控制器、安全阀、截止阀、高压释放阀、背压阀、辅助马达。通过对各点的压力信号的采集，判断动臂是否带载，从而使动臂重载时用高压蓄能器回收，空载时用低压蓄能器回收，能将不同工况下的动臂势能全部回收而又避免了现有方法或采用比例换向阀、节流阀、调速阀引起的节流损失，或采用单类蓄能器操纵特性差，不能全部回收动力下降势能等缺点，具有节油率高，操控性好，不影响原机工作效率等特点。

Description

挖掘机动臂势能分级回收及释放装置

技术领域

本实用新型涉及挖掘机，具体是一种油液混合动力挖掘机动臂势能能量回收及释放液压系统，属工程机械技术领域。

背景技术

液压挖掘机动臂具有频繁运动，且质量大的特性。在动臂下降过程中，大量的油液通过主控阀的节流口浪费掉，不仅造成能量损失而且由于油温增加导致的系统寿命降低。通过回收动臂势能并利用，形成二次动力源，与发动机形成混合动力系统，能显著提高挖掘机的节油率。

目前对动臂势能的回收利用主要集中在两方面：一是通过马达回收，并转化成电能储存在蓄电池或超级电容中，再通过电动机释放，这类系统称之为油电混合动力系统；一类是通过液压蓄能器回收，并通过辅助马达释放或直接通过开关阀释放到主系统中，这类系统称之为油液混合动力系统。目前对动臂势能的回收主要集中在油电混合动力系统，但该类系统能量转化环节多，转化效率低，系统昂贵；所以目前国内有部分单位已对油液混合动力系统回收动臂势能。但是目前相关的研究主要有：

(1)通过液控换向阀来回收：由于挖掘机的工作环境恶劣、载荷变化大、能量回收条件要求高，单纯的通过液控换向阀来判断是否进行能量回收不能判断系统是否带载，而如果带载此时能量回收系统开启，会因为蓄能器压力低而引起动臂快速下降，出现失速现象。

(2)通过比例换向阀或比例节流阀、调速阀来回收：比例换向阀或比例节流阀、调速阀的引入会带来一定的节流损失，减少能量回收率，且比例信号需与挖掘机工况、位姿等做各种匹配，控制性能复杂，可移植性差。

而且现有的研究不能解决挖掘机带载时动臂下降能量回收的问题，一旦挖掘机带载时动臂下降(如装车卸料过程中，动臂会有小位移下降以调整最佳卸土位姿)，由于铲斗装满了物料，负载增加很多，而由于力臂较长，使的动臂油缸无杆腔的压力比空载时增加了约6MPa(以中吨位挖掘机为例)，此时如果仍然通过原蓄能器回收，要么会由于蓄能器压力过低，而导致能量回收时动臂快速掉落，这时候速度不能控制，而强行制动会引起整车剧烈颠簸，危险性大；而如果提高蓄能器的工作压力，使蓄能器的压力与带载时动臂大腔压力相等，可解决带载下降时动臂快速掉落现象，但是空载时会由于蓄能器压力较大，而因为下降速度变慢，主泵功率增加，一定程度上也抵消了能量回收效果。并且通过判断压力传感器来判断是否带载，从而带载时不回收，控制时回收也不具备可行性，因为如果换向阀以较大开口开启时，动臂 大腔压力迅速降低，此时带载与不带载时动臂大腔的压力大小差不多，不能区分是否带载，而且如果带载时不回收能量会降低能量回收率；而如前面所述，采用平衡阀或者调速阀等节流元件来改善带载下降时动臂快速掉落现象，会带来一定的压力损失，降低能量回收率。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，能在挖掘机空载、重载等多种工况下进行能量回收与利用，并解决添加了能量回收系统之后带来的一些其他问题。

为实现上述目的所采用的技术方案：一种挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，包括：先导泵、主泵、操作手柄、第一压力传感器、动臂锁紧控制阀、液控换向阀、第一梭阀、动臂锁紧阀、低压释放阀、低压蓄能器、第二压力传感器、低压回收阀、第三压力传感器、第四压力传感器、动臂油缸、第一单向阀、第五压力传感器、控制器、第二单向阀、高压回收阀、高压蓄能器、高压释放阀、第三单向阀、第四单向阀、背压阀、辅助马达、发动机；

发动机与主泵、先导泵和辅助马达依次相连，主泵的进油口与油箱相连，出油口与液控换向阀的进油口P相连；液控换向阀的回油口T与油箱相连，出油口B与动臂油缸的有杆腔相连，出油口A与动臂锁紧阀的进油口相连；动臂锁紧阀的出油口与动臂油缸的无杆腔相连；动臂油缸的无杆腔分别与第一单向阀的进油口、第二单向阀的进油口、高压回收阀的控制油口、低压回收阀的控制油口相连；

第一单向阀的出油口与低压回收阀的进油口相连，低压回收阀的回油口与油箱相连，低压回收阀的出油口分别与低压蓄能器、低压释放阀的进油口相连；低压释放阀的出油口与第一梭阀的一个进油口相连；

第二单向阀的出油口与高压回收阀的进油口相连；高压回收阀的回油口与油箱相连，高压回收阀的出油口分别与高压蓄能器、高压释放阀的进油口相连；高压释放阀的出油口与第一梭阀的另一个进油口相连；

第一梭阀的出油口分别与第四单向阀的出油口、辅助马达的进油口相连；第四单向阀的进油口分别与第三单向阀的出油口、辅助马达的出油口、背压阀的进油口相连，背压阀的出油口与油箱相连，第三单向阀的进油口与油箱相连；

先导泵的进油口与油箱相连，出油口与操作手柄进油口P相连，给操作手柄提供液压控制力，操作手柄用来控制液控换向阀的开启方向与开启阀芯位移，操作手柄出油口A与液控换向阀的控制口XA相连，出油口B分别与液控换向阀的控制口XB、动臂锁紧控制阀的进油口相连；动臂锁紧控制阀的回油口与油箱相连，出油口与动臂锁紧阀的控制油口相连；

第一压力传感器用于测量操作手柄出油口B的压力，第二压力传感器用于测量低压蓄能器的压力，第三压力传感器用于测量动臂油缸有杆腔的压力，第四压力传感器用于测量动臂 油缸无杆腔的压力，第五压力传感器用于测量高压蓄能器的压力；

所有的压力传感器信号接入控制器的输入，并根据控制器内程序开控制低压回收阀、高压回收阀、低压释放阀、高压释放阀的开关及辅助马达的排量。

进一步地，一种挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，还包括第二梭阀、安全阀、截止阀；所述的第二梭阀的一个进油口与低压蓄能器相连，另一进油口与高压蓄能器相连，出油口分别接安全阀的进油口、截止阀的进油口，安全阀的出油口与油箱相连，截止阀的出油口与油箱相连。

进一步地，高压回收阀与低压回收阀为电磁换向阀或液控换向阀，并且这两个阀的控制方式相同。

进一步地，高压回收阀与低压回收阀的最优方案为主阀为螺纹插装阀，先导阀为电磁阀。

进一步地，高压释放阀和低压释放阀为二位二通电磁开关阀。

进一步地，动臂锁紧控制阀为二位三通电磁开关阀。

进一步地，截止阀为手动式开关阀或电磁式开关阀。

与背景技术相比，本实用新型具有的有益效果是：通过将动臂势能分级回收，能将不同工况下的动臂势能全部回收，突破了传统能量回收方式只能针对一种工况进行能量回收的局限性，极大提高了节能效率。通过将能量回收至两个压力区间不同、公称容积不相等的蓄能器，由于动臂一般工作在空载下降，所能回收的低压油液体积多，故采用低压大容积蓄能器回收空载时动臂势能，而在卸土时，动臂会带载进行短距离下降，此时采用高压大容积蓄能器回收带载时的动臂势能，解决了传统单类蓄能器只回收动臂空载时的势能的缺陷，既增加了回收油液的体积，又解决了带载状态难判定，带载回收时由于蓄能器压力较低而引发的动臂迅速掉落，控制不住的现象。而且通过控制器控制辅助马达的比例变化，可以实现回收的油液与释放的油液瞬时大致相等，使大腔背压均衡，速度稳定。同时，本系统能集成能量回收开关控制、动臂带载回收、蓄能器卸荷、辅助马达补油、动臂锁紧等功能，集成度高，动臂势能能量的回收与释放通过控制器控制，既简化了系统，又方便调试。极大的提高了技术的可移植性。

附图说明

图1为本实用新型控制系统的原理框图。

图中，先导泵1、主泵2、操作手柄3、第一压力传感器4、动臂锁紧控制阀5、液控换向阀6、第一梭阀7、动臂锁紧阀8、低压释放阀9、低压蓄能器10、第二压力传感器11、低压回收阀12、第三压力传感器13、第四压力传感器14、动臂油缸15、第二梭阀16、第一单向阀17、第五压力传感器18、控制器19、第二单向阀20、高压回收阀21、高压蓄能器22、安全阀23、截止阀24、高压释放阀25、第三单向阀26、第四单向阀27、背压阀28、辅助马达 29、发动机30。

具体实施方式

下面结合附图1对本实用新型的具体实施方式进行说明。

如图1所示，一种动臂势能分级回收及释放装置。主要包括图中，先导泵(1、主泵(2、操作手柄3、第一压力传感器4、动臂锁紧控制阀5、液控换向阀6、第一梭阀7、动臂锁紧阀8、低压释放阀9、低压蓄能器10、第二压力传感器11、低压回收阀12、第三压力传感器13、第四压力传感器14、动臂油缸15、第二梭阀16、第一单向阀17、第五压力传感器18、控制器19、第二单向阀20、高压回收阀21、高压蓄能器22、安全阀23、截止阀24、高压释放阀25、第三单向阀26、第四单向阀27、背压阀28、辅助马达29、发动机30。

系统中各元件的连接关系如下：

发动机30与主泵2、先导泵1和辅助马达29依次相连，主泵2的进油口与油箱相连，出油口与液控换向阀6的进油口P6相连；液控换向阀6的回油口T6与油箱相连，出油口B6与动臂油缸15的有杆腔相连，出油口A6与动臂锁紧阀8的进油口相连；动臂锁紧阀8的出油口与动臂油缸15的无杆腔相连；动臂油缸15的无杆腔分别与第一单向阀17的进油口、第二单向阀20的进油口、高压回收阀21的控制油口、低压回收阀12的控制油口相连；

第一单向阀17的出油口与低压回收阀12的进油口相连，低压回收阀12的回油口与油箱相连，低压回收阀12的出油口分别与低压蓄能器10、低压释放阀9的进油口相连；低压释放阀9的出油口与第一梭阀7的一个进油口相连；

第二单向阀20的出油口与高压回收阀21的进油口相连；高压回收阀21的回油口与油箱相连，高压回收阀21的出油口分别与高压蓄能器22、高压释放阀25的进油口相连；高压释放阀25的出油口与第一梭阀7的另一个进油口相连；

第一梭阀7的出油口分别与第四单向阀27的出油口、辅助马达29的进油口相连；第四单向阀27的进油口分别与第三单向阀26的出油口、辅助马达29的出油口、背压阀28的进油口相连，背压阀28的出油口与油箱相连，第三单向阀26的进油口与油箱相连；

第二梭阀16的一个进油口与低压蓄能器10相连，另一进油口与高压蓄能器22相连，出油口分别接安全阀23的进油口、截止阀24的进油口，安全阀23的出油口与油箱相连，截止阀24的出油口与油箱相连。

先导泵1的进油口与油箱相连，出油口与操作手柄3进油口P3相连，给操作手柄3提供液压控制力，操作手柄3用来控制液控换向阀6的开启方向与开启阀芯位移，操作手柄3出油口A3与液控换向阀6的控制口XA相连，出油口B3分别与液控换向阀6的控制口XB、动臂锁紧控制阀5的进油口相连；动臂锁紧控制阀5的回油口与油箱相连，出油口与动臂锁紧阀8的控制油口相连；

第一压力传感器4用于测量操作手柄3出油口B3的压力，第二压力传感器11用于测量低压蓄能器10的压力，第三压力传感器13用于测量动臂油缸15有杆腔的压力，第四压力传感器14用于测量动臂油缸15无杆腔的压力，第五压力传感器18用于测量高压蓄能器22的压力；

所有的压力传感器信号接入控制器19的输入，并根据控制器19内程序开控制低压回收阀12、高压回收阀21、低压释放阀9、高压释放阀25的开关及辅助马达29的排量。

此外，高压回收阀与低压回收阀为电磁换向阀或液控换向阀，并且这两个阀的控制方式相同。

此外，高压回收阀与低压回收阀的最优方案为主阀为螺纹插装阀，先导阀为电磁阀。

此外，高压释放阀和低压释放阀为二位二通电磁开关阀。

此外，动臂锁紧控制阀为二位三通电磁开关阀。

此外，截止阀为手动式开关阀或电磁式开关阀。

一种挖掘机动臂势能分级回收及释放装置的工作方法如下：

能量回收开关方法：当控制器19电源断电的时候，所以电磁阀均失电，辅助马达29的排量也等于0，此时动臂锁紧控制阀5处于弹簧位，先导泵3出口压力经动臂锁紧控制阀5到达动臂锁紧阀8的控制油口，动臂锁紧阀8打开，而低压回收阀12和高压回收阀21关闭，动臂下降时动臂油缸15大腔的油液从动臂锁紧阀8到液控换向阀6，再回油箱，此时系统跟普通挖掘机系统一样；当控制器19电源得电的时候，此时控制器19根据所以压力传感器采集进来的信号，根据控制器19内部程序给出电磁阀开关指令及辅助马达29排量指令，此时系统工作在能量回收状态，这可以在能量回收系统出现故障时，挖掘机能以原系统正常工作；

空载能量回收方法：原系统挖掘机空载下降时，动臂油缸15大腔的油液经液控换向阀6回油液，由于液控换向阀6阀芯节流的作用，使动臂油缸15大腔的压力维持在12MPa左右，如果控制器19电源得电，系统工作在能量回收状态，第四压力传感器14检测到动臂油缸15大腔的压力在16MPa以下并且第一压力传感器4检测到操纵手柄3控制动臂下降，并且第四压力传感器14与第二压力传感器11的压差小于2MPa时，控制器19控制动臂锁紧控制阀5得电、低压回收阀12得电、高压回收阀21失电，动臂锁紧阀8的控制油口接油箱，此时动臂锁紧阀8关闭，并且高压回收阀21也关闭，动臂油缸15的大腔油液从低压回收阀12进入到低压蓄能器10，为了防止因蓄能器压力太小，而使低压回收阀12开启瞬间，动臂瞬间掉落，低压蓄能器10设定的最小工作压力为11MPa，且第四压力传感器14与第二压力传感器11的压差大于2MPa时，低压回收阀12不开启，低压蓄能器10的最高工作压力由安全阀23设定，其公称容积满足能回收动臂油缸15的60％总行程的油液；

带载能量回收方法：原系统挖掘机带载下降时，虽然所挖掘的物料质量较整个动臂、铲 斗、斗杆的质量小很多，但由于力矩的增大，使得动臂油缸15大腔的压力急剧增大，约为18MPa，如果控制器19电源得电，系统工作在能量回收状态，第四压力传感器14检测到动臂油缸15大腔的压力在16MPa以上并且第一压力传感器4检测到操纵手柄3控制动臂下降时，控制器19控制动臂锁紧控制阀5得电、低压回收阀12失电、高压回收阀21得电，动臂锁紧阀8的控制油口接油箱，此时动臂锁紧阀8关闭，并且低压回收阀12也关闭，动臂油缸15的大腔油液从高压回收阀21进入到高压蓄能器22，高压蓄能器22设定的最小工作压力为16MPa，防止因蓄能器压力太小，而使低压回收阀12开启瞬间，动臂瞬间掉落，高压蓄能器22的最高工作压力由安全阀23设定，由于挖掘机带载时且动臂下降的过程一般只会发生在卸土的时候，这个时候可能由于动臂的位置不适合卸土，会小位移地调整动臂位置，所以高压蓄能器22的公称容积满足能回收动臂油缸15的10％总行程的油液即可；

能量释放方法：低压蓄能器10与高压蓄能器22回收的油液需再释放利用才能节能；当低压蓄能器10的压力高于12MPa时，即开启低压释放阀9，低压蓄能器10的油液经第一梭阀7进入辅助马达29进油口，进行释放；当高压蓄能器22的压力高于16.2MPa时，即开启高压释放阀25，高压蓄能器22的油液经第一梭阀7进入辅助马达29进油口，进行释放；辅助马达29的排量根据操纵手柄3的位移，即第一压力传感器4检测的压力来确定，操纵手柄3的位移越大，说明液控换向阀6的开口越大，动臂下降速度越快，辅助马达29的排量与第一压力传感器4的压力成比例变化，以维持蓄能器内的压力相对恒定；辅助马达29与发动机30一起带动主泵2及先导泵1转动，从而减少发动机30的功率，实现节能；

蓄能器卸荷方法：当挖掘机长久停车不工作时，回收到低压蓄能器10及高压蓄能器22内的油液需要释放掉，否则蓄能器长久憋着高压有损蓄能器使用寿命，此时通过打开截止阀24，则低压蓄能器10及高压蓄能器22内的油液通过第二梭阀16经截止阀24回油箱；

辅助马达补油方法：当蓄能器不释放时，此时辅助马达29工作在0排量，发动机30带动辅助马达29旋转，辅助马达29基本不耗费发动机30功率，但如果辅助马达29的进油口从油箱吸油的话，可能由于油箱油液压力较低，长距离只能吸收少量油液到辅助马达29进油口，此时辅助马达29会吸空，需要为其设计另外的补油回路，在辅助马达29出油口设置一背压阀28，配合第三单向阀26、第四单向阀27一起为辅助马达29补油，提高补油压力，改善补油效果；

动臂锁紧方法：原系统停车时，由于动臂锁紧阀8采用的是插装阀的结构，其自锁性能好，动臂不会下降，所以在增加的能量回收回路中，高压回收阀21和低压回收阀12均采用螺纹插装阀的结构，解决了由于增加了旁路导致的动臂可能锁不住的问题。

上述实施例仅为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、 简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，其特征在于包括：先导泵(1)、主泵(2)、操作手柄(3)、第一压力传感器(4)、动臂锁紧控制阀(5)、液控换向阀(6)、第一梭阀(7)、动臂锁紧阀(8)、低压释放阀(9)、低压蓄能器(10)、第二压力传感器(11)、低压回收阀(12)、第三压力传感器(13)、第四压力传感器(14)、动臂油缸(15)、第一单向阀(17)、第五压力传感器(18)、控制器(19)、第二单向阀(20)、高压回收阀(21)、高压蓄能器(22)、高压释放阀(25)、第三单向阀(26)、第四单向阀(27)、背压阀(28)、辅助马达(29)、发动机(30)；

发动机(30)与主泵(2)、先导泵(1)和辅助马达(29)依次相连，主泵(2)的进油口与油箱相连，出油口与液控换向阀(6)的进油口P6相连；液控换向阀(6)的回油口T6与油箱相连，出油口B6与动臂油缸(15)的有杆腔相连，出油口A6与动臂锁紧阀(8)的进油口相连；动臂锁紧阀(8)的出油口与动臂油缸(15)的无杆腔相连；动臂油缸(15)的无杆腔分别与第一单向阀(17)的进油口、第二单向阀(20)的进油口、高压回收阀(21)的控制油口、低压回收阀(12)的控制油口相连；

第一单向阀(17)的出油口与低压回收阀(12)的进油口相连，低压回收阀(12)的回油口与油箱相连，低压回收阀(12)的出油口分别与低压蓄能器(10)、低压释放阀(9)的进油口相连；低压释放阀(9)的出油口与第一梭阀(7)的一个进油口相连；

第二单向阀(20)的出油口与高压回收阀(21)的进油口相连；高压回收阀(21)的回油口与油箱相连，高压回收阀(21)的出油口分别与高压蓄能器(22)、高压释放阀(25)的进油口相连；高压释放阀(25)的出油口与第一梭阀(7)的另一个进油口相连；

第一梭阀(7)的出油口分别与第四单向阀(27)的出油口、辅助马达(29)的进油口相连；第四单向阀(27)的进油口分别与第三单向阀(26)的出油口、辅助马达(29)的出油口、背压阀(28)的进油口相连，背压阀(28)的出油口与油箱相连，第三单向阀(26)的进油口与油箱相连；

先导泵(1)的进油口与油箱相连，出油口与操作手柄(3)进油口P3相连，给操作手柄(3)提供液压控制力，操作手柄(3)用来控制液控换向阀(6)的开启方向与开启阀芯位移，操作手柄(3)出油口A3与液控换向阀(6)的控制口XA相连，出油口B3分别与液控换向阀(6)的控制口XB、动臂锁紧控制阀(5)的进油口相连；动臂锁紧控制阀(5)的回油口与油箱相连，出油口与动臂锁紧阀(8)的控制油口相连；

第一压力传感器(4)用于测量操作手柄(3)出油口B3的压力，第二压力传感器(11)用于测量低压蓄能器(10)的压力，第三压力传感器(13)用于测量动臂油缸(15)有杆腔的压力，第四压力传感器(14)用于测量动臂油缸(15)无杆腔的压力，第五压力传感器(18)用于测量高压蓄能器(22)的压力；

所有的压力传感器信号接入控制器(19)的输入，并根据控制器(19)内程序开控制低压回收阀(12)、高压回收阀(21)、低压释放阀(9)、高压释放阀(25)的开关及辅助马达(29)的排量。

2.如权利要求1所述的一种挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，其特征在于还包括第二梭阀(16)、安全阀(23)、截止阀(24)；所述的第二梭阀(16)的一个进油口与低压蓄能器(10)相连，另一进油口与高压蓄能器(22)相连，出油口分别接安全阀(23)的进油口、截止阀(24)的进油口，安全阀(23)的出油口与油箱相连，截止阀(24)的出油口与油箱相连。

3.如权利要求1所述的挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，其特征在于所述的高压回收阀与低压回收阀

为电磁换向阀或液控换向阀，并且这两个阀的控制方式相同。

4.如权利要求3所述的挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，其特征在于所述的高压回收阀与低压回收阀的最优方案为主阀为螺纹插装阀，先导阀为电磁阀。

5.如权利要求1所述的挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，其特征在于所述的高压释放阀和低压释放阀为二位二通电磁开关阀。

6.如权利要求1所述的挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，其特征在于所述的动臂锁紧控制阀为二位三通电磁开关阀。

7.如权利要求2所述的挖掘机动臂势能分级回收及释放装置，其特征在于所述的截止阀为手动式开关阀或电磁式开关阀。