CN212318406U

CN212318406U - 回收动臂势能用于散热风扇的液压系统

Info

Publication number: CN212318406U
Application number: CN202020704790.2U
Authority: CN
Inventors: 李建松; 张文婷
Original assignee: Xuzhou College of Industrial Technology
Current assignee: Xuzhou College of Industrial Technology
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2030-04-30

Abstract

一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，液压泵吸油口S与油箱连接，其排油口P通过第一单向阀与主换向阀的P口连接，主换向阀的A口和B口分别与动臂液压缸的有杆腔和无杆腔连接，液压泵马达的P口和A口分别与主换向阀的T口和油箱连接，液压泵马达的输出轴依次通过变速器和第一离合器与飞轮一端的传动轴连接，飞轮另一端的传动轴与辅助液压泵的传动轴连接；辅助液压泵的吸油口S与油箱连接，其排油口P分别与通过第二单向阀分别与蓄能器、压力检测装置和第二换向阀的P口连接，第二换向阀的A口与液压马达的P口连接，液压马达的T与油箱连接，液压马达的输出轴连接风扇。该系统可以对动臂势能能量进行有效的回收，且不会对原有系统产生影响。

Description

回收动臂势能用于散热风扇的液压系统

技术领域

本实用新型属于液压控制技术领域，具体是一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统。

背景技术

大型工程机械设备的臂架具有非常大的质量。以挖掘机为例，其工作过程中，动臂的升降动作频繁，又由于工作装置和负载质量大，在下降过程中会释放出大量的势能。

图1为当前一种普遍的挖掘机结构示意图。其中，动臂100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸4的活塞杆做伸缩运动时，即可带动动臂100做提升和下放动作。挖掘机在工作过程中，动臂升降动作频繁，又由于工作装置和负载质量大，在下降过程中会释放出大量的势能。图2是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图。结合图1和图2可知，上述的势能绝大部分消耗在主换向阀3的阀口上并转换为热能，这不仅造成了能量的浪费，还使系统的发热量大大增加，同时，油液的高温也会降低液压元件的使用寿命。因此，研究动臂势能回收与再利用问题，对延长设备使用寿命，提高能量利用率具有重要意义。

目前，工程机械的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，通常只有3～6s，其能量较大，所以功率很大。现有技术中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，且其安装所需空间较大，因此电力式回收的实用性不强。液压式能量回收系统以变量液压泵或液压马达作为能量转换元件，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，通过变量液压泵或液压马达来回收动臂势能并转化为液压能，并储存于液压蓄能器中，当系统中需要用能时，储存的能量释放出来以辅助发动机对外做功。液压式回收方案利用了液压元件功率密度大，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，进而会占用较大的安装空间，且这种蓄能器的安装也非常不方便，因此这种回收的实用性也不强。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，该系统可以对动臂势能能量进行有效的回收，且不会对原有系统产生影响，同时，可将回收的能量直接作用于系统中，不仅能避免能量的浪费，同时，也能达到节能的目的。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，包括发电机、液压泵、油箱、第一单向阀、主换向阀、动臂液压缸、蓄能器、液压泵马达、变速器、第一离合器、飞轮、第二离合器、辅助液压泵、第二单向阀、压力检测装置、第二换向阀、液压马达和风扇；

发电机与液压泵同轴连接，液压泵的吸油口S与油箱连接，其排油口P通过第一单向阀与主换向阀的P口连接，主换向阀的A口和B口分别与动臂液压缸的有杆腔和无杆腔连接；

所述液压泵马达的P口和A口分别与主换向阀的T口和油箱连接，液压泵马达的输出轴依次通过变速器和第一离合器与飞轮一端的传动轴连接，飞轮另一端的传动轴通过第二离合器与辅助液压泵的传动轴连接；辅助液压泵的吸油口S与油箱连接，其排油口P分别与通过第二单向阀分别与蓄能器、压力检测装置和第二换向阀的P口连接，第二换向阀的A口与液压马达的P口连接，液压马达的T与油箱连接，液压马达的输出轴连接风扇。

进一步，为了方便实现自动化的控制过程，还包括控制器，所述控制器分别与压力检测装置、液压泵、主换向阀、第一离合器、第二离合器、辅助液压泵、第二换向阀、液压泵马达、变速器和挖掘机的操纵手柄连接。

进一步，为了保证系统工作安全压力范围内，所述蓄能器还通过溢流阀与油箱连接。

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得电时工作在左位，其电磁铁Y1a得电时工作在右位，两电磁铁均不得电时工作在中位；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口和A口之间的油路断开，其T口和B口之间的油路断开。

作为一种优选，所述第二换向阀为两位两通电磁换向阀，其电磁铁Y3得电时工作在右位，A口与P口之间的油路连通，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，A口与P口之间的油路断开。

本实用新型中，通过在主换向阀与油箱之间串接有液压泵马达，能在动臂下放过程中，将动臂的势能转化为飞轮旋转的机械能，并能进行存储，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。回收的能量通过设置的第二离合器可以驱动辅助液压马达，即可以将油箱中的油液通过第二单向阀输送给蓄能器，这样，便可以将回收的能量存储在蓄能器中，进而可以为后续风扇工作提供稳定的动力供应。在需要散热时，控制第二换向阀的工作状态转变即可以利用蓄能器中的油液进行稳定的动力供应，从而可以通过驱动散热风扇的方式来进行能量的再利用。此系统能减少对液压系统中的散热子系统对发动机的功率需求，具有显著的节能效果。

附图说明

图1是现有技术中挖掘机的结构示意图；

图2是现有技术中挖掘机动臂子系统与散热子系统的液压系统原理图；

图3是本实用新型的液压原理示意图。

图中：1、液压泵，2、第一单向阀，3、主换向阀，4、动臂液压缸，5、油箱，6、发动机，7、液压泵马达，8、飞轮，9、第一离合器，10、变速箱，12、辅助液压泵，13、第二单向阀，14、蓄能器，15、第二换向阀，16、溢流阀，17、压力检测装置，20、散热器，21、液压马达，22、风扇，23、系统回油管路；

100、动臂，200、转台。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

本专利以挖掘机为例对工作原理做说明，也可以用在起重机、装载机等具有与挖掘机类似的臂架类工程机械上。

图1为现有挖掘机中动臂100、转台200和动臂液压缸4的装配结构示意图，其中动臂100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸4的活塞杆做伸缩运动时，即可带动动臂100做提升和下放动作。

图2是现有技术中挖掘机动臂子系统与散热子系统的液压系统原理图，包括动臂子系统和散热子系统两个部分。所述动臂子系统包括液压泵1、第一单向阀2、主换向阀3、动臂液压缸4、油箱5和发动机6等。发动机6为系统提供动力。液压泵1的功能是将发动机6的机械能转化为油液的压力能，为系统提供高压油液。第一单向阀2保证油源提供的高压油液只能单向流至主换向阀3。图2中所示的主换向阀3是三位四通电磁换向阀。在实际的液压系统中，该阀可能是三位四通阀，也可能是三位六通阀。主换向阀3的换向方式可能是电控的，也可能是液控等方式。当主换向阀3的电磁铁Y1a得电时，主换向阀3工作在右位，液压泵1提供的油液经主换向阀3的P口至B口进入动臂液压缸4的无杆腔，其有杆腔的油液经主换向阀3的A口至T口流回油箱5。结合图1，动臂液压缸4的活塞杆伸出时，对应动臂100的提升动作。当电磁铁Y1b得电时，主换向阀3工作在左位。液压泵1提供的油液经主换向阀3的P口至A口进入动臂液压缸4的有杆腔，其无杆腔的油液经主换向阀3的B口至T口流回油箱5。动臂液压缸4的活塞杆缩回，对应图1中动臂100的下放动作。因为此时动臂液压缸4的活塞杆作用有动臂100等负载，所以动臂液压缸4的无杆腔的压力很大。当无杆腔流出的油液经过主换向阀3的阀口时，这些压力能就消耗在阀口上，从而产生了很多的热量。所述的散热子系统包括辅助液压泵12、液压马达21、风扇22及散热器20。所述辅助液压泵12常见为外控式恒压变量泵，可以根据信号改变设定压力；辅助液压泵12在发动机6的带动下工作，对外提供高压油液。辅助液压泵12排出的高压油液进入液压马达21。液压马达21排出的油液回油箱5。所述散热器20设置在整个挖掘机的液压系统回油管路23上。液压马达21输出的机械能驱动风扇22，对流经散热器20的油液进行冷却。

如图3所示，一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，包括发电机6、液压泵1、油箱5、第一单向阀2、主换向阀3、动臂液压缸4、蓄能器14、液压泵马达7、变速器10、第一离合器9、飞轮8、第二离合器18、辅助液压泵12、第二单向阀13、压力检测装置17、第二换向阀15、液压马达21和风扇22；

发电机6与液压泵1同轴连接，液压泵1的吸油口S与油箱5连接，其排油口P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口和B口分别与动臂液压缸4的有杆腔和无杆腔连接；

所述液压泵马达7的P口和A口分别与主换向阀3的T口和油箱5连接，液压泵马达7的输出轴依次通过变速器10和第一离合器9与飞轮8一端的传动轴连接，飞轮8另一端的传动轴通过第二离合器18与辅助液压泵12的传动轴连接；辅助液压泵12的吸油口S与油箱5连接，其排油口P分别与通过第二单向阀13分别与蓄能器14、压力检测装置17和第二换向阀15的P口连接，第二换向阀15的A口与液压马达21的P口连接，液压马达21的T与油箱5连接，液压马达21的输出轴连接风扇22。

为了方便地实现自动化的控制过程，还包括控制器，所述控制器分别与压力检测装置17、液压泵1、主换向阀3、第一离合器9、第二离合器18、辅助液压泵12、第二换向阀15、液压泵马达7、变速器10和挖掘机的操纵手柄连接。作为一种优选，所述控制器为PLC控制器。

所述第一离合器9和第二离合器18优选为电磁离合器，可以在控制信号的作用下吸合或断开。所述变速器10优选为无级变速器，可以改变输入轴和输出轴之间的传动比。

所述压力检测装置17可以测量蓄能器14的压力，并以电信号的形式送至控制器。

为了保证系统工作安全压力范围内，所述蓄能器14还通过溢流阀16与油箱5连接。所述溢流阀16用于限制蓄能器14的最大工作压力。

作为一种优选，液压泵马达7为外控式恒压变量泵。

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得电时工作在左位，其电磁铁Y1a得电时工作在右位，两电磁铁均不得电时工作在中位；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口和A口之间的油路断开，其T口和B口之间的油路断开。

作为一种优选，所述第二换向阀15为两位两通电磁换向阀，其电磁铁Y3得电时工作在右位，A口与P口之间的油路连通，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，A口与P口之间的油路断开。

工作原理：

一、动臂提升过程：

此部分的工作原理与现有技术中的原理一致。结合图1和图3，当动臂提升时，控制器使主换向阀3的电磁铁Y1a得电，液压泵1在发动机6的驱动下，排出的油液经第一单向阀2供给主换向阀3的P口，再经主换向阀3的B口进入动臂液压缸4的无杆腔。动臂液压缸4的有杆腔的油液经主换向阀3的A到T口流回油箱5。故，液压缸4的活塞杆伸出，动臂100提升。

二、能量回收阶段：

结合图1和图3，在需要动臂100下放时，操作人员通过操纵手柄发出下放电信号给控制器，控制器(未画出)收到下放电信号后控制主换向阀3的电磁铁Y1b得电，同时控制第一离合器9得电吸合。液压泵1在发动机6的驱动下，排出的油液经第一单向阀2、主换向阀3的P口至A口进入动臂液压缸4的有杆腔。动臂液压缸4的无杆腔的油液经主换向阀3的B到T口、经过液压泵马达7后流回油箱5。因为动臂等工作机构的重力作用，动臂液压缸4无杆腔排出的油液具有较高的压力。液压泵马达7工作在马达模式下，经变速器10、第一离合器9驱动飞轮8加速旋转，通过飞轮8来对动臂100的重力势能进行有效的回收。

作为一种优选，还可以在飞轮8附近设置转速检测装置，以用于检测飞轮8的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器；

以上过程中，动臂液压缸4的活塞杆缩回，故动臂100下降。在动臂100下降过程中，控制器可以根据飞轮8的实时转速来适当调节液压泵马达7的排量和变速器10的传动比，以能驱动飞轮8不断加速。这样，动臂等工作装置的重力势能转化成了飞轮8的旋转的动能。

三、能量再利用过程：

当飞轮8内具有可利用的能量时，该能量可以由控制器根据飞轮8的实时转速匹配出，控制器使第二离合器18吸合，进而可以通过飞轮8驱动辅助液压泵12旋转。辅助液压泵12从油箱5内吸油，排出的油液经第二单向阀13的A口至B口进入蓄能器14内，进行回收能量的存储。

四、风扇工作时：

作为一种优选，所述系统回流管路23上设置有用于检测油液温度的温度传感器，温度传感器将实时检测到的温度信号发送给控制器，控制器根据所接收到的温度信号获得系统油液的实时温度。

当系统的油液温度达到一定值需要冷却时，控制器使第二换向阀15的电磁铁得电，使之工作在右位。储存在蓄能器14内的油液，经第二换向阀15的P口至A口，流经液压马达21后流回油箱5。液压马达21驱动风扇22对流经散热器20的油液进行快速冷却。

由于动臂的升降动作不是连续的，所以飞轮8对蓄能器14的充液也是间断的。而风扇22往往是要求连续工作的，所以蓄能器14发挥了对液压马达21持续提供油液的作用。

当压力检测装置17检测到蓄能器14的压力超过一定值时，说明蓄能器14达到了储能极限，控制器将控制飞轮8停止对蓄能器14的充能。

五、飞轮制动时：

当在紧急情况下，需要对飞轮8进行制动时，比如当操作人员通过操纵手柄发出制动信号时，控制器在接收到该制动信号后使第二离合器18吸合，并保持第二换向阀15的电磁铁不得电。飞轮8将持续消耗自身动能，通过第二离合器9驱动辅助液压马达12，对蓄能器14进行充能。该模式下，控制器将忽略压力检测装置17测得的蓄能器14的压力信号。即，即使蓄能器14已经充满油液，辅助液压马达12还将继续输出油液，这将有可能导致蓄能器14的工作达到溢流阀16的设定值。此部分油液将从溢流阀16的P口至T口流回油箱。从而完成对飞轮8的动能的消耗，实现对飞轮8的制动。

综上所述，本实用新型提供一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，能将动臂的势能转化为飞轮旋转的机械能，能避免因转化为油液热能造成的能量浪费。回收的能量通过飞轮驱动辅助液压泵，用于驱动散热风扇进行再利用。所设置的蓄能器能够平衡散热系统中液压马达的流量需求，保证散热风扇的平稳工作。此系统能减少对液压系统中的散热子系统对发动机的功率需求，具有显著的节能效果。

Claims

1.一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，包括发电机(6)、液压泵(1)、油箱(5)、第一单向阀(2)、主换向阀(3)、动臂液压缸(4)和蓄能器(14)，发电机(6)与液压泵(1)同轴连接，液压泵(1)的吸油口S与油箱(5)连接，其排油口P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口和B口分别与动臂液压缸(4)的有杆腔和无杆腔连接；其特征在于，还包括液压泵马达(7)、变速器(10)、第一离合器(9)、飞轮(8)、第二离合器(18)、辅助液压泵(12)、第二单向阀(13)、压力检测装置(17)、第二换向阀(15)、液压马达(21)和风扇(22)；

所述液压泵马达(7)的P口和A口分别与主换向阀(3)的T口和油箱(5)连接，液压泵马达(7)的输出轴依次通过变速器(10)和第一离合器(9)与飞轮(8)一端的传动轴连接，飞轮(8)另一端的传动轴通过第二离合器(18)与辅助液压泵(12)的传动轴连接；辅助液压泵(12)的吸油口S与油箱(5)连接，其排油口P分别与通过第二单向阀(13)分别与蓄能器(14)、压力检测装置(17)和第二换向阀(15)的P口连接，第二换向阀(15)的A口与液压马达(21)的P口连接，液压马达(21)的T与油箱(5)连接，液压马达(21)的输出轴连接风扇(22)。

2.根据权利要求1所述的一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器分别与压力检测装置(17)、液压泵(1)、主换向阀(3)、第一离合器(9)、第二离合器(18)、辅助液压泵(12)、第二换向阀(15)、液压泵马达(7)、变速器(10)和挖掘机的操纵手柄连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，其特征在于，所述蓄能器(14)还通过溢流阀(16)与油箱(5)连接。

4.根据权利要求3所述的一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，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得电时工作在左位，其电磁铁Y1a得电时工作在右位，两电磁铁均不得电时工作在中位；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口和A口之间的油路断开，其T口和B口之间的油路断开。

5.根据权利要求4所述的一种回收动臂势能用于散热风扇的液压系统，其特征在于，所述第二换向阀(15)为两位两通电磁换向阀，其电磁铁Y3得电时工作在右位，A口与P口之间的油路连通，其电磁铁Y3不得电时工作在左位，A口与P口之间的油路断开。