CN104912137B - 具有能量回馈功能的挖掘机液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有能量回馈功能的挖掘机液压系统，包括系统主泵、主要执行元件：行走马达、回转马达、动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸及相应用于控制执行元件的动作的多路阀。液压系统接入能量回馈模块，所述能量回馈模块包含了两个子模块子模块Ⅰ、子模块Ⅱ；本发明针对液压系统，尤其是针对车体和作业装置的运动、节流调速控制方面提出一种液压装置，该装置作为模块，可以安装到挖掘机系统并独立于挖掘机系统，形成一种独立的能量回馈作业模式。模式根据负载的载荷和速度需求情况，能够自动调整工作点，最大限度回收了无用能量，并自动反馈到液压系统中，模块通用性强。

Description

具有能量回馈功能的挖掘机液压系统

技术领域

本发明涉及工程机械，特别涉及的是液压挖掘机能量回收技术。

背景技术

挖掘机是工程机械重要机种，广泛地应用于国家建设工程中，挖掘机一般采用柴油机为一次动力，通过液压系统驱动执行机构行走作业。普通挖掘机为循环作业机械、载荷工况多变，工作时间长，作业负荷重，消耗大量能源，但能效很低。

不同厂家和型号的挖掘机液压系统是多变的，不管挖掘机的液压系统怎样变化，液压系统的主要执行元件均由行走马达、回转马达、动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸所组成。以图1的液压系统为例说明本发明是如何实现能量回馈的：

未接入能量回馈模块的挖掘机系统如图1，其包含了主泵Ⅰ1、主泵Ⅱ2、油箱3、发动机4、行走马达5、动臂油缸6、铲斗油缸7、斗杆油缸8、回转马达9、多路阀(10-14)、安全阀15、溢流阀16、单向阀17。其工作原理是，由发动机为原动力，驱动两个液压主泵(挖掘机液压主泵通常为2个)，为液压系统供油，执行元件有行走马达5动臂油缸6铲斗油缸7斗杆油缸8回转马达9，用于驱动机械行走和作业，多路阀用于控制执行元件的动作。在每个执行元件的进出油口都安装了一对溢流阀16，一对单向阀17。其中溢流阀16用于执行元件有压力波动时保护执行元件。单向阀17用于防止执行元件吸空时补油。此外在主泵的出口处安装了安全阀15保护整个液压系统。

据统计发动机输出功率大致只有20％左右变为挖掘机的有效功。其余都消耗到了从液压传动系统到负载的各环节，约38％损失于液压元件，20％损失于车体和作业装置的运动，20％左右损失于节流调速控制。其中液压元件如泵、马达、缸、阀自身的节能技术已达到了一定的水平，进一步提高效率已经很困难。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种具有能量回馈功能的挖掘机液压系统，使之克服现有技术的以上不足。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

具有能量回馈功能的挖掘机液压系统，包括系统主泵、主要执行元件：行走马达、回转马达、动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸及相应用于控制执行元件的动作的多路阀，其特征在于，液压系统接入能量回馈模块，所述能量回馈模块包含了子模块Ⅰ和子模块Ⅱ；

子模块Ⅰ包含了四个二位二通电磁阀(25、26、27和28)两个单向阀(29和30)、辅助变量马达31、辅助变量泵32、二位二通电磁阀33、比例节流阀34、比例方向流量阀35、压力传感器37，并具有标准油口N1-N4，R、S、Q1、Q2；

子模块Ⅰ内，并联设置的四个二位二通电磁阀(25、26、27和28)的出口管路19通过单向阀29与R口相通，在出口管路19的单向阀29前部位与油口S之间设置有两条支路：连接比例节流阀34的第一支路和由二位二通电磁阀33、辅助变量马达31串联的第二支路；出口管路19上单向阀29后部位依次设置由单向阀30、辅助变量泵32组成并与油口S相通的第三支路、连接比例方向流量阀35的第四支路以及36-安全阀；油口S与油箱相连；油口Q1、Q2连接到系统主泵出口；

子模块Ⅱ安装在各执行元件与多路阀之间，包含了梭阀21、三个二位二通电磁阀(22、23和24)及标准油口C、C1、D、D1、E、E1、F、F1、G、G1、H、H1J、J1、K、K1U1-U4；

在回转马达进出油口并联梭阀21，梭阀21与U4口间接；在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸无杆腔的油路上分别安装二位二通电磁阀(24、23和22)，并分别与U1、U2、U3口连接；

子模块Ⅰ的N1-N4油口分别和子模块Ⅱ的U1-U4油口分别通过油管38连接；

蓄能器20与R口相连。

能量回馈模块的二位二通电磁阀(常开)22-24、二位二通电磁阀25-28、二位二通电磁阀(常闭)33、辅助变量马达31辅助变量泵32、比例节流阀34、比例方向流量阀35、压力传感器37与挖掘机控制系统电气连接，除了二位二通电磁阀(常开)22-24、二位二通电磁阀25-28、二位二通电磁阀33、比例节流阀34、比例方向流量阀35采用电控外，辅助变量马达31和辅助变量泵32的变量采用电控调节(如采用比例调节排量)。

本回收采用蓄能器回收能量。

与现有技术相比，本发明液压系统，使作业装置的运动、节流调速控制方面得到能量回收，本发明将能量回馈模块作为增设模块安装到挖掘机系统并独立于挖掘机系统，形成一种独立的能量回馈作业模式。模式根据负载的载荷和速度需求情况，能够自动调整工作点，最大限度回收了无用能量，并自动反馈到液压系统中，模块通用性强。回收模式采用了精细的能量回收过程，通过将回油按瞬态所需工作压力和流量分成：高压小流量，低压大流量，高压大流量，低压小流量四种精细工况，不同工况对蓄能器充液经过的回路不同，最大限度地回收了能量。通过电磁阀切换动臂油缸、铲斗油缸、斗杆油缸、回转马达的无用能耗都可以通过该模块回收。通过采用比例流量阀将蓄能器能量自动馈与系统，并可实现系统的调速。

当不需要回收时，系统不影响原系统和其工作状态。

附图说明

附图1未安装能量回馈模块的挖掘机液压系统示意图。

附图2安装了能量回馈模块挖掘机液压系统示意图

附图3能量回馈模块与液压挖掘机控制器电气连接示意图

附图4能量回馈模块子模块Ⅰ的放大示意图

附图5能量回馈模块子模块Ⅱ的放大示意图。

在以上各图中，1-主泵 2-主泵Ⅱ 3-油箱 4-发动机 5-行走马达 6-动臂油缸 7-铲斗油缸 8-斗杆油缸 9-回转马达、10-14-多路阀、15-安全阀、16-溢流阀 17-单向阀子模块Ⅰ、子模块Ⅱ、19-出口管路、20-蓄能器、21-梭阀、22-24二位二通电磁阀(常开)、25-28二位二通电磁阀、29、30--单向阀、31-辅助变量马达、32-辅助变量泵、33-二位二通电磁阀(常闭)、34-比例节流阀、35-比例方向流量阀、36安全阀、37-压力传感器、38-液压管路、39-单向阀、40-控制器

具体实施方式

动臂油缸和回转马达的无用能耗很大，节能意义最大，下边分别以动臂油缸和回转马达工作过程为例说明模块如何工作。

(1)当挖掘机液压系统需要能量回收时，按图安装好子模块Ⅰ子模块Ⅱ、蓄能器20、单向阀39。

(2)当动臂油缸工作时，如果动臂在大腔进油，动臂举升重物，消耗的能量可视作有效能量。当小腔进油，动臂下降、此时动臂在重物或外载作用下具有巨大势能，动臂下降对活塞杆做功，加速动臂运动，为了动臂获得平稳的运动，通常在回油路上装节流阀,通过控制器发出相应的信号,动臂回油路就产生合适的背压PD和流量QD,实现平稳运动，在油液流经节流阀时这部分能量就白白损失了。当需要回收这些能量时，在本发明的能量回馈模块中，24-电磁阀得电，将原系统通向多路阀的动臂油缸的回路切断；同时电磁阀28得电，进入动臂回收模式。控制系统发出所需理想的PD、QD指令。

如果所需的PD较大，而QD又很小时，控制电磁阀28通电，动臂油缸大腔回油经电磁阀28、单向阀29直接充入蓄能器20。而且在此压力下的，由于充入蓄能器流量是一定的，也就是QD不一定全部充入蓄能器20，多余的少部分流量通过调整比例节流阀34的节流口排到油箱。在此过程中，由于充入蓄能器20没有经过节流消耗，而经过比例阀节流的流量又很少，所以最大限度回收了能量。

如果所需的PD较小，而QD较大时，PD压力不足以对蓄能器充液，控制电磁阀33得电，控制系统自动调节辅助变量马达31和辅助变量泵32的排量，辅助变量马达31驱动辅助变量泵32从油箱吸入油液，增压后冲向蓄能器。此状态相当于回油压力低于蓄能器的瞬时充液压力时也可以实现蓄能，提高了能量回收量。

如果所需的PD都QD较大时，控制电磁阀28通电，动臂油缸大腔回油经电磁阀28、单向阀29直接充入蓄能器20。而且在此压力下的，由于充入蓄能器流量是一定的，也就是QD不一定全部充入蓄能器20，多余的少部分流量通过调整比例节流阀34的节流口排到油箱。在此过程中，由于充入蓄能器20没有经过节流消耗，而经过比例阀节流的流量又较小，所以提高了能量回收。

如果所需的PD、QD都较小时，没有能量回收价值时，控制电磁阀28左位工作，回油直接经过比例节流阀34回到油箱，并通过比例节流阀34获得合适PD和QD。

由于动臂所需的回油压力和流量PD、QD随动臂的载荷和速度而变，且蓄能器的充液时的压力PX(或流量)是动态变化的，通过比例节流阀的工作点的自动调节(即合适的压力和流量)，以及辅助变量泵、辅助变量马达的排量的自动调节，既可使动臂回油路产合适的背压，又可随着PD、QD和蓄能器压力PX的瞬态变化而获得合适的QD。

同样的原理，也可用于铲斗油缸、斗杆油缸的回油过程中。

(3)当回转马达9工作时，其运动过程包括启动、加速、减速、停止。在减速过程中，多路阀14处于中位，主泵I停止供油，由于挖掘上部质量巨大，惯性巨大，产生很大的动能，此动能使得回转马达转化为成为泵工况，输出压力油，为了使得挖掘机上部获得平稳的运动，通常在回油路上装节流阀或溢流阀,(或制动转化成机械摩擦)产生合适的压力PM，和流量QM。这部分能量变成热能消耗了。在本发明的能量回馈模块中，当需要回收这些能量时，电磁阀得电25，进入回转马达回收模式。控制系统发出所需理想的PM、QM指令。

如果所需的PM较大，而QM又很小时，使得电磁阀25通电，回转马达的压力油经梭阀，经电磁阀25、单向阀29、直接充入蓄能器20。而且在此压力下的，由于充入蓄能器20流量是一定的，也就是QM不一定全部充入蓄能器，多余的少部分流量通过调整比例节流阀34的节流口排到油箱。在此过程中，由于充入蓄能器20的油液没有经过节流消耗，而经过比例节流阀34的流量又很少，所以最大限度回收了能量。

如果所需的PM较小，而QM较大时，PM压力不足于对蓄能器充液，控制电磁阀33得电，控制系统自动调节辅助变量马达31和辅助变量泵32的排量，辅助变量马达31驱动辅助变量泵32从油箱吸入油液，增压后冲向蓄能器。此状态相当于回转马达的压力油低于蓄能器的瞬时充液压力时也可以实现蓄能，提高了能量回收量。

如果所需的PM、QM都较大时，控制电磁阀25通电，回转马达的压力油经电磁阀25、单向阀29直接充入蓄能器20。而且在此压力下，由于充入蓄能器流量是一定的，也就是QD不一定全部充入蓄能器20，多余的少部分流量通过调整比例节流阀34的节流口排到油箱。在此过程中，由于充入蓄能器20没有经过节流消耗，而经过比例阀节流的流量又较少，所以提高了能量回收。

如果所需的PM小，而QM都较小时，没有能量回收价值时，控制电磁阀25通电，回油直接经过比例节流阀34回到油箱，并通过比例节流阀34获得合适PM和QM。

由于回转马达9稳定运动所需的回油压力和流量PM、QM随回转马达的载荷、速度等因素而变，且蓄能器20的充液时的压力PX(或流量)是动态变化的，采用比例节流阀34的目的，通过比例节流阀的工作点的自动调节(即合适的压力和流量)，以及辅助变量泵、辅助变量马达的排量的自动调节既可使得回转马达的压力油路产生合适的背压，又随着PM、QM和蓄能器压力PX的瞬态变化而获得合适的QM。

(4)蓄能器20节省的能量通过比例方向流量阀35接入主泵的输出口，当蓄能力能量满足工作需要时，优先使用蓄能器20的能量馈与挖掘机系统压力油工作，并通过比例方向流量阀35调节流量。如果不足时，关闭比例方向流量阀35，主泵供能。

可见采用此模块，通过切换电磁阀可以自动回收回转马达、动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的无用能耗。也可通过电磁阀完全屏蔽该模块，不改变原系统独立使用状态。

采用此模块也可只接通部分回路回收部分执行机构工作过程中能量。

Claims (1)

1.具有能量回馈功能的挖掘机液压系统，包括系统主泵、主要执行元件：行走马达、回转马达、动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸及相应用于控制执行元件的动作的多路阀，其特征在于，液压系统接入能量回馈模块，所述能量回馈模块包含了两个子模块子模块Ⅰ、子模块Ⅱ；

子模块Ⅰ包含了第1、第2、第3、第4二位二通电磁阀(25、26、27和28)两个单向阀(29和30)、辅助变量马达(31)、辅助变量泵(32)、第5二位二通电磁阀(33)、比例节流阀(34)、比例方向流量阀(35)、压力传感器(37)，并具有标准油口N1-N4，R、S、Q1、Q2；

子模块Ⅰ内，并联设置的第1、第2、第3、第4二位二通电磁阀(25、26、27和28)的出口管路(19)通过单向阀(29)与R口相通，在出口管路(19)的单向阀(29)前部位与油口S之间设置有两条支路：连接比例节流阀(34)的第一支路和由第5二位二通电磁阀(33)、辅助变量马达(31)串联的第二支路；出口管路(19)上单向阀(29)后部位依次设置由另一单向阀(30)、辅助变量泵(32)组成并与油口S相通的第三支路、连接比例方向流量阀(35)的第四支路以及安全阀(36)；油口S与油箱相连；油口Q1、Q2连接到系统主泵出口；

子模块Ⅱ安装在各执行元件与多路阀之间，包含了梭阀(21)、第6、第7、第8二位二通电磁阀(22、23和24)及标准油口C、C1、D、D1、E、E1、F、F1、G、G1、H、H1、J、J1、K、K1、U1-U4；第6、第7、第8二位二通电磁阀(22、23和24)的进口分别与标准油口H、F和D连接，上述三者的出口分别与标准油口H1、F1、和D1连接，梭阀(21)的一个进口与标准油口J、J1连接，梭阀(21)的另一进口与标准油口K、K1连接，梭阀(21)的出口与U4油口连接；标准油口C、E、G分别与标准油口C1、E1、G1连接；

在回转马达进出油口并联梭阀(21)，在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸无杆腔的油路上分别安装第8、第7、第6二位二通电磁阀(24、23和22)，并分别与U1、U2、U3口连接；

子模块Ⅰ的N1-N4油口分别和子模块Ⅱ的U1-U4油口分别通过油管(38)连接；

蓄能器(20)与R口相连。