CN219060177U

CN219060177U - 用于挖掘机的液压节能系统

Info

Publication number: CN219060177U
Application number: CN202220558049.9U
Authority: CN
Inventors: 李建松; 孙金海; 黎少辉; 周波; 吉智
Original assignee: Xuzhou College of Industrial Technology
Current assignee: Xuzhou College of Industrial Technology
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2032-03-15

Abstract

一种用于挖掘机的液压节能系统，主换向阀的A、B口分别与动臂液压缸的油口B、A连接；动臂液压缸为三腔液压缸，其缸筒与转台铰接，其活塞杆端与动臂铰接；第二齿轮与发动机同轴连接；第一齿轮与第二齿轮相啮合，第一齿轮的传动轴通过第二离合器与液压马达的传动轴连接；液压马达的T口、P口分别与油箱、辅助换向阀的T口连接；辅助换向阀的P口同时与液压泵马达的P口和切换阀的P口连接，其B口与蓄能器连接，其A口截止；液压泵马达通过第一离合器与飞轮的传动轴连接；切换阀的A口同时与动臂液压缸的油口C和第二单向阀的出油口B连接，第二单向阀的进油口A与油箱连接。该系统能将动臂的势能转化并进行存储，并能实现储能的再利用。

Description

用于挖掘机的液压节能系统

技术领域

本实用新型属于液压控制技术领域，具体是一种用于挖掘机的液压节能系统。

背景技术

挖掘机是一种广泛使用的工程机械，其在施工过程中有多种作业方式，作业对象也有很大的变化。

如图1所示，现有技术中的动臂子系统通常包括动臂100、转台200和动臂液压缸4组成。动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸伸缩运动时，即可驱动动臂做上下摆动。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，传统的挖掘机在负载功率需求较高或较低时，发动机的工作点不能稳定在经济区，燃油消耗严重。同时，挖掘机在施工过程中要有大量的动臂下降及回转动作，当动臂下降时，其下降势能被液压节流转化为热量而浪费掉；在回转减速制动过程中存在惯性势能，这部分能量无法回收利用，导致产生了大量的热量，造成了能量浪费和零件的损坏。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，提高节能减排具有重要意义。

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用于挖掘机的液压节能系统，该系统能将动臂下放过程中的势能能量进行有效的回收，同时，能将回收的能量再利用于动臂提升的过程中，从而能避免能量的浪费，并能实现节能的目的。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种用于挖掘机的液压节能系统，包括发动机、液压泵、第一单向阀、主换向阀、动臂液压缸、操纵手柄、第二齿轮、第一齿轮、第二离合器、液压马达、辅助换向阀、蓄能器、液压泵马达、切换阀、第二单向阀、第一离合器、飞轮和控制器；所述发动机与液压泵同轴连接，液压泵的S口通过管路与油箱连接，其P口与第一单向阀的进油口A连接,第一单向阀的出油口B通过管路与主换向阀的P口连接,主换向阀的A口通过管路与动臂液压缸的油口B连接，主换向阀的B口分别通过管路与动臂液压缸的油口A连接；主换向阀的T口通过管路与油箱连接；

所述动臂液压缸为三腔液压缸，其缸筒与转台铰接，其活塞杆端与动臂的中部铰接；

所述第二齿轮与发动机同轴连接；所述第一齿轮与第二齿轮相啮合的设置，第一齿轮旋转中心的传动轴通过第二离合器与液压马达的传动轴连接；

所述液压马达的T口通过管路与油箱连接，其P口与辅助换向阀的T口连接；

所述辅助换向阀的P口通过管路同时与液压泵马达的P口和切换阀的P口连接，其B口通过管路与蓄能器连接，其A口截止；

所述液压泵马达通过第一离合器与飞轮的传动轴连接，其S口通过管路与油箱连接；

所述切换阀的A口通过管路同时与动臂液压缸的油口C和第二单向阀的出油口B连接，第二单向阀的进油口A通过管路与油箱连接；

所述控制器分别与操纵手柄、发动机、主换向阀、辅助换向阀、第一离合器、第二离合器、切换阀、液压泵马达和液压马达连接。

作为一种优选，所述控制器为PLC控制器。

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

作为一种优选，所述辅助换向阀为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3b得电后工作在左位，其电磁铁Y3a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。

本实用新型中，使动臂液压缸为三腔液压缸，并使其第三腔4c通过切换阀一与液压泵马达的P口连接，使液压泵马达通过第一离合器和飞轮的设置，可以在动臂下降的过程中，控制切换阀一得电，进而能利用油液驱动液压泵马达带动飞轮旋转，这样，通过液压马达和飞轮的设置，可以在动臂下降的过程中，通过液压马达将油液的能量转化并存储于飞轮中，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，利用储存在飞轮中的能量驱动动臂提升。使辅助换向阀的P口连接液压泵马达的P口，可以在发动机熄火后，飞轮中还有部分剩余能量的情况下，通过控制辅助换向阀工作在左位的方式，将飞轮中剩余的能量转化成压力能并存储到蓄能器中，以待后续利用，有效避免了这些能量的浪费。辅助换向阀的T口通过与液压马达的P口连接，液压马达的T口与油箱连接，可以使蓄能器中存储的能量通过液压马达流回油箱，由于液压马达通过第二离合器可以驱动第一齿轮，而与发动机同轴连接的第二齿轮又与第一齿轮啮合，该过程中，可通过液压马达的驱动使原本停机的发动机再次启动，避免了常规的发动机启动系统需要频繁的使用蓄电池和启动马达进行启动的工况，从而有利于延长蓄电池和启动马达的使用寿命，并能在蓄电池电力不足的情况下可以实现发动机的再次启动。该系统能减少对发动机的功率需求，可以使系统选用更小型号的发动机，具有显著的节能效果，还降低了发动机的投入成本。

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是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图；

图3是本实用新型的液压原理图。

图中：1、液压泵，2、第一单向阀，3、主换向阀，4、动臂液压缸，4a、无杆腔，4b、有杆腔，4c、第三腔，5、油箱，6、发动机，7、蓄能器，8、飞轮，9、辅助换向阀，10、第二单向阀，11、第一离合器，12、液压泵马达，13、切换阀，14、液压马达，15、第二离合器，16、第一齿轮，17、第二齿轮，100、动臂，200、转台。

具体实施方式

下面将对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，现有技术中的动臂子系统通常包括动臂100、转台200和动臂液压缸4组成。动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸伸缩运动时，即可驱动动臂做上下摆动。

图2是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图。动臂液压缸系统通常包括发动机6、液压泵1、油箱5、第一单向阀2、主换向阀3以及动臂液压缸4组成。发动机6驱动液压泵1工作，为系统提供压力能。第一单向阀2用于防止油液倒流。油箱5为系统的油液提供存储空间。图中的主换向阀3为三位四通换向阀，在实际的液压系统中也可能是六通的，其操控方式也可能是手动、液动等其他方式的。主换向阀3的功能是控制油液的流动方向及流量，进而控制动臂液压缸4的运动，最终实现对动臂100的运动控制。

如图3所示，一种用于挖掘机的液压节能系统，包括发动机6、液压泵1、第一单向阀2、主换向阀3、动臂液压缸4、操纵手柄(图中未示出)、第二齿轮17、第一齿轮16、第二离合器15、液压马达14、辅助换向阀9、蓄能器7、液压泵马达12、切换阀13、第二单向阀10、第一离合器11、飞轮8和控制器；所述发动机6与液压泵1同轴连接，液压泵1的S口通过管路与油箱5连接，其P口与第一单向阀2的进油口A连接,第一单向阀2的出油口B通过管路与主换向阀3的P口连接,主换向阀3的A口通过管路与动臂液压缸4的油口B连接，主换向阀3的B口分别通过管路与动臂液压缸4的油口A连接；主换向阀3的T口通过管路与油箱5连接；

通过设置第二单向阀10，可以在三腔液压缸4在动臂100提升过程中因为某些原因发生吸空时，便于将油箱5的油液补充至三腔液压缸4的第三腔4c内。

所述操纵手柄用于根据操作人员的操作发出控制信号；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。所述油箱5为系统的油液提供存储空间。

所述动臂液压缸4为三腔液压缸，其缸筒与转台200铰接，其活塞杆端与动臂100的中部铰接；动臂液压缸4的缸筒上开设有油口A、油口B和油口C，动臂液压缸4的缸筒内部具有无杆腔4a、有杆腔4b和第三腔4c,其中，油口A与无杆腔4a连通，油口B与有杆腔4b连通,油口C与第三腔4c连通。

所述第二齿轮17与发动机6同轴连接；所述第一齿轮16与第二齿轮17相啮合的设置，第一齿轮16旋转中心的传动轴通过第二离合器15与液压马达14的传动轴连接；

所述液压马达14的T口通过管路与油箱5连接，其P口与辅助换向阀9的T口连接；

所述辅助换向阀9的P口通过管路同时与液压泵马达12的P口和切换阀13的P口连接，其B口通过管路与蓄能器7连接，其A口截止；

所述蓄能器7内的能量通过连接在其上的压力传感器实时采集，并实时传送给控制器；

所述液压泵马达12通过第一离合器11与飞轮8的传动轴连接，其S口通过管路与油箱5连接；所述第一离合器11用于连接或断开飞轮8与液压泵马达12的连接，其动作通过控制器进行控制；所述飞轮8具有较大的转动惯量，可以通过旋转以动能的形式存储能量。

所述切换阀13的A口通过管路同时与动臂液压缸4的油口C和第二单向阀10的出油口B连接，第二单向阀10的进油口A通过管路与油箱5连接；

所述控制器分别与操纵手柄、发动机6、主换向阀3、辅助换向阀9、第一离合器11、第二离合器15、切换阀13、液压泵马达12和液压马达14连接。

为了方便改变传动比，所述液压泵马达12和离合器11之间还连接有变速器，所述变速器与控制器连接。

作为一种优选，所述控制器为PLC控制器。

作为一种优选，所述切换阀13为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在右位，其得电后工作在左位，工作在右位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在左位时，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。

作为一种优选，所述辅助换向阀9为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3b得电后工作在左位，其电磁铁Y3a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。

作为一种优选，在能量再利用传动链上，为了使飞轮8和液压泵马达12的速度匹配，在离合器11和液压泵马达12之间还可以设置变速器。

工作原理：

结合图3，对本实用新型的工作原理做进一步的说明。

一、动臂下放过程(动臂势能回收)：

在需要动臂100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Y1b得电、控制切换阀13的电磁铁Y2得电、控制离合器11得电吸合。结合图3，液压泵1排出的油液经第一单向阀2、主换向阀3的P口至A口、三腔液压缸的油口B进入三腔液压缸的有杆腔4b。由于三腔液压缸上作用有于动臂100等负载，三腔液压缸的有杆腔的压力很小。同时，三腔液压缸的无杆腔4a内的油液压力也很小。由于三腔液压缸的第三腔4c通过切换阀13与液压泵马达12连接，其内部压力较高，动臂100等负载几乎全部由此腔体内的压力油承担。三腔液压缸的无杆腔4a内的油液经通过油口A排出，并经主换向阀3的B口至T口流回油箱。第三腔4c内压力油液经过油口C、切换阀13的A口至P口，流入液压马达12的P口，然后经其S口流回油箱5。此时液压泵马达12工作在马达模式，输出机械能，经变速器和离合器11驱动飞轮8加速旋转。因此，动臂势能转化成飞轮8的机械能。这个过程中，通过合理控制液压泵马达12的排量即可调整三腔液压缸的速度。三腔液压缸排出的高压油液具有的压力能，大部分经液压泵马达12转化成了飞轮8的机械能，消耗在主换向阀3的阀口上的能量较少。

需要动臂100停止运动，所有电磁铁和离合器11断电。如果飞轮8内有能量，其将在外界阻力(例如轴承的摩擦力、空气摩擦力等)作用下逐渐减速，也就是其能量会逐步丧失。时间足够长的情况下，飞轮8的动能可能损失殆尽。

二、动臂提升过程(能量再利用)：

当动臂100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Y1a得电，液压泵1的油液经第一单向阀2、主换向阀3的P口至B口、三腔液压缸的油口A进入三腔液压缸的无杆腔4a。三腔液压缸有杆腔4b的油液经油口B、主换向阀3的A口到T口流回油箱5。与此同时，控制切换阀13的电磁铁Y2得电、控制离合器11得电吸合。飞轮8驱动液压泵马达12旋转。液压泵马达12工作在泵模式，从油箱5内吸取油液并从P口排出，经切换阀13的P口至A口、三腔液压缸的油口C进入三腔液压缸的第三腔4c。因此，飞轮8的动能实现了再利用，用于驱动动臂100的提升，这也减少了系统对发动机6的功率需求。此阶段，三腔液压缸的活塞杆伸出，动臂100提升。

如果蓄能器7内有压力能，可以控制辅助换向阀9的电磁铁Y3a得电。蓄能器7内的压力油经辅助换向阀9的B口至T口，流向主换向阀3的P口，与来自液压泵1的油液合流，流向三腔液压缸。

通过合理控制液压泵马达12的排量即可实现飞轮8的能量的充分利用。

需要动臂停止运动，所有电磁铁和离合器断电。

三、剩余能量转移模式：

当发动机熄火后，如果飞轮8中还有部分剩余能量，系统启动此模式。

在需要剩余能量转移时，操作人员通过操纵手柄发出剩余能量转移信号，控制器接收到剩余能量转移信号时，控制器控制辅助换向阀9的电磁铁Y3b得电，控制离合器11得电吸合。飞轮8驱动液压泵马达12旋转。液压泵马达12工作在泵模式，从油箱5内吸取油液并从P口排出，经辅助换向阀9的P口至B口，进入蓄能器7内存储。当飞轮8内的能量利用完毕后，通过压力传感器，辅助换向阀9的电磁铁Y3b和离合器11失电复位。此过程，为了获得更多的能量，应该控制液压泵马达的排量，使之工作在高效区域。这就实现了飞轮8的动能向蓄能器7的压力能的转变。此模式的工作时间很短，不会影响挖掘机的正常停机。

四、蓄能器内能量的再利用：

待系统需要时，例如动臂提升时，即可利用蓄能器7内的能量。这避免了挖掘机在较长时间无动作或发动机熄火后飞轮8内能量可能会白白浪费的问题，进一步提高了系统的节能效果。

当发动机6需要再次启动时，如果蓄能器7内的能量足够多，控制器可以控制辅助换向阀9的电磁铁Y3a得电，控制第二离合器15得电吸合。蓄能器7内的压力油经辅助换向阀9的B口至T口，流向液压马达14的P口，然后流回油箱5。液压马达14通过第二离合器15驱动第一齿轮16，并进一步驱动第二齿轮17，实现发动机6的再次启动。与来自液压泵1的油液合流，流向三腔液压缸。这就实现了蓄能器7内能量的再次利用，避免了常规的发动机启动系统使用蓄电池和启动马达进行启动。这避免了挖掘机在较长时间无动作或发动机熄火后飞轮8内能量可能会白白浪费的问题，进一步提高了系统的节能效果。这样的设计，有利于延长蓄电池和启动马达的实用寿命，并且在特殊情况下(例如蓄电池电力不足)可以实现发动机的再次启动。

Claims

1.一种用于挖掘机的液压节能系统，包括发动机（6）、液压泵（1）、第一单向阀（2）、主换向阀（3）、动臂液压缸（4）和操纵手柄，所述发动机（6）与液压泵（1）同轴连接，液压泵（1）的S口通过管路与油箱（5）连接，其P口与第一单向阀（2）的进油口A连接, 第一单向阀（2）的出油口B通过管路与主换向阀（3）的P口连接,主换向阀（3）的A口通过管路与动臂液压缸（4）的油口B连接，主换向阀（3）的B口分别通过管路与动臂液压缸（4）的油口A连接；主换向阀（3）的T口通过管路与油箱（5）连接；

其特征在于，还包括第二齿轮（17）、第一齿轮（16）、第二离合器（15）、液压马达（14）、辅助换向阀（9）、蓄能器（7）、液压泵马达（12）、切换阀（13）、第二单向阀（10）、第一离合器（11）、飞轮（8）和控制器；

所述动臂液压缸（4）为三腔液压缸，其缸筒与转台（200）铰接，其活塞杆端与动臂（100）的中部铰接；

所述第二齿轮（17）与发动机（6）同轴连接；所述第一齿轮（16）与第二齿轮（17）相啮合的设置，第一齿轮（16）旋转中心的传动轴通过第二离合器（15）与液压马达（14）的传动轴连接；

所述液压马达（14）的T口通过管路与油箱（5）连接，其P口与辅助换向阀（9）的T口连接；

所述辅助换向阀（9）的P口通过管路同时与液压泵马达（12）的P口和切换阀（13）的P口连接，其B口通过管路与蓄能器（7）连接，其A口截止；

所述液压泵马达（12）通过第一离合器（11）与飞轮（8）的传动轴连接，其S口通过管路与油箱（5）连接；

所述切换阀（13）的A口通过管路同时与动臂液压缸（4）的油口C和第二单向阀（10）的出油口B连接，第二单向阀（10）的进油口A通过管路与油箱（5）连接；

所述控制器分别与操纵手柄、发动机（6）、主换向阀（3）、辅助换向阀（9）、第一离合器（11）、第二离合器（15）、切换阀（13）、液压泵马达（12）和液压马达（14）连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于挖掘机的液压节能系统，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于挖掘机的液压节能系统，其特征在于，所述切换阀（13）为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在右位，其得电后工作在左位，工作在右位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在左位时，其P口和A口之间的油路连通。

4.根据权利要求3所述的一种用于挖掘机的液压节能系统，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。

5.根据权利要求4所述的一种用于挖掘机的液压节能系统，其特征在于，所述辅助换向阀（9）为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y3b得电后工作在左位，其电磁铁Y3a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。