CN103628519A - 一种挖掘机回转制动能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机回转制动能量回收系统，包括：发动机、变量泵、分动箱、电磁换向阀、液控单向阀、液控换向阀、蓄能器、回转马达、变量马达和控制器。挖掘机回转制动时的机械能是挖掘机制动前的动能。该系统可对回转马达制动时的能量进行回收，增压阀对压力油进行升压，并以液压能的形式存储在蓄能器中，在能量释放时，蓄能器中的液压油驱动变量马达和电动机经过分动箱的动力分配后带动主泵对工作负载做功。本发明采用由增压阀、蓄能器、液控单向阀和变量马达组成液压调节器，减少了能量回收时的转换环节，提高了能量回收效率，使发动机始终工作在高效区，降低油耗。

Description

一种挖掘机回转制动能量回收系统

技术领域

本发明涉及挖掘机节能技术领域，尤其涉及一种挖掘机回转制动能量回收系统。

背景技术

挖掘机作为土方工程施工的一种重要工程机械，承担着世界65%～70%的土方量挖掘，具有功能强、市场占有量大的特点，但其油耗高、排放差的弊端在日趋严格的排放法规和居高不下的燃油价格背景下愈加明显，其节能技术的研究成为国际研究热点。挖掘机系统的总效率仅约为20%，能量损失主要包括：发动机损失、节流损失、液压元件损失、机械装置损失。目前，针对以上问题，国内已经开展了一些挖掘机节能技术的研究，提出了不少能量回收利用的专利成果。

这些节能方案中大多数是利用蓄能器对挖掘机制动时的能量进行回收，由于回收的液压能压力较低，低于系统压力，导致回收能量无法释放。也有学者提出将挖掘机制动时的能量回收转化为电能储存在蓄电池中，待工作时与发动机一起对主泵做功，而蓄电池的动态响应慢，充放电时比功率低，并且由液压能转化为机械能，再到电能时，能量转换环节较多，损失也就随之增大，故能量存储效率很低。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种挖掘机回转制动能量回收系统。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种挖掘机回转制动能量回收系统，包括液压回路和控制回路；

液压回路包括发动机、主泵、分动箱、主换向阀、第一液控换向阀、第二液控换向阀、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三液控单向阀、第四液控单向阀、回转马达、蓄能器、变量马达和第一油箱；

所述控制回路包括：先导操作手柄、增压阀、PLC控制器、压力计以及转速传感器；

发动机的传动轴与分动箱的第一输入轴Ⅰ连接，分动箱的第二输入轴Ⅱ与变量马达的输出轴相连，分动箱的输出轴与主泵的输入轴相连；主泵的输入口连接第一油箱，输出口连接主换向阀；主换向阀有四个油口，第一电磁换向阀和第二电磁换向阀都有三个油口；主换向阀的第一油口与主泵输出口相连，主换向阀第四油口连至第一油箱，主换向阀的第二油口与第一电磁换向阀的第二油口相连，主换向阀的第三油口与第二电磁换向阀的第一油口相连；第一电磁换向阀的第三油口与回转马达的A口相连，回转马达的B口连至第二电磁换向阀的第三油口；第一电磁换向阀的第一油口连接第三液控单向阀，第二电磁换向阀的第二油口连接第四液控单向阀，第三液控单向阀和第四液控单向阀连接后连接增压阀的第一油口，增压阀的第二油口分别连接蓄能器和第五液控单向阀，第五液控单向阀的出口连接变量马达的入口，第五液控单向阀由增压阀信号端控制，控制信号由增压阀的换向信号发出，增压阀关闭时第五液控单向阀工作；

所述第一液控换向阀的先导油口、第四液控单向阀的液控口与主换向阀的第三油口相连，第二液控换向阀的先导油口、第三液控单向阀的液控口与主换向阀的第二油口相连；当主换向阀的第二油口没有压力油输出时，第二液控换向阀关闭，第三液控单向阀打开；当主换向阀的第三油口没有压力油输出时，第一液控换向阀关闭，第四液控单向阀打开；

先导操作手柄的控制信号由X、Y端口分别输出到主换向阀的左右信号端，压力计设置在蓄能器的油口，转速传感器设置在变量马达的输出轴上，控制器同时接收X、Y端的操作状态信号，压力计的压力信号和转速传感器的转速信号，并由控制器向主泵、电动机、增压阀、变量马达输出控制信号。

本发明中，包括节流阀、第一液控单向阀、第二液控单向阀以及第二油箱；第一液控单向阀出口连接回转马达的A口，第二液控单向阀出口连接回转马达的B口，第一液控单向阀入口和第二液控单向阀入口串联后连至节流阀的第一油口，节流阀的第二油口与第二油箱连接，节流阀的信号输入口与PLC控制器相连，第一液控单向阀的液控口和第二液控单向阀的液控口并联后连至节流阀的信号输出口；

节流阀由控制器控制，当回转马达制动时，回转马达的高压腔可通过第一液控单向阀或第二液控单向阀经节流阀第二油箱中获取压力油。

本发明中，当手柄转至X端时，主换向阀的左位工作，主换向阀的第一油口和第二油口连通，主换向阀的第三油口和第四油口连通；当手柄转至Y端时，主换向阀的右位工作，主换向阀的第一油口和第三油口连通，主换向阀的第二油口和第四油口连通。

本发明中，主换向阀第二油口和第一电磁换向阀的第二油口之间的旁路连有第一单向阀、第一液控换向阀，主换向阀第三油口和第二电磁换向阀的第一油口之间的旁路连有第二单向阀、第二液控换向阀。

本发明中，主换向阀第二油口和第一电磁换向阀的第二油口之间的旁路连有第一溢流阀，主换向阀第三油口和第二电磁换向阀的第一油口之间的旁路连有第二溢流阀。

本发明中，主换向阀为三位四通电磁换向阀，有四个油口；第一液控换向阀和第二液控换向阀为二位二通换向阀，有两个油口；第一电磁换向阀和第二电磁换向阀为二位三通换向阀，有三个油口；节流阀和增压阀为二位二通电磁换向阀，有两个油口。

本发明中，增压阀、第五液控单向阀、蓄能器、变量马达构成液压调节器。增压阀第一油口接收来自回转马达的压力油，储存在蓄能器中，当增压阀关闭时，第五液控单向阀打开，蓄能器中的液压油驱动变量马达和电动机经过分动箱的动力分配后带动主泵对工作负载做功。并且流经变量马达的液压油可以进入其他执行机构，实现了流量的再生。

本发明中，主换向阀的控制信号由先导操作手柄控制，当手柄转至X端时，主换向阀的左位工作，第一油口和第二油口连通，第三油口和第四油口连通；当手柄转至Y端时，主换向阀的右位工作，第一油口和第三油口连通，第二油口和第四油口连通。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)系统使用了由增压阀、第五液控单向阀、蓄能器和变量马达组成的液压调节器，可以用来接收回转马达的压力油，并通过增压阀的增压和蓄能器的储能，实现了液压能的自身转换，即低压到高压，克服了由液压能到机械能、电能再到液压能的复杂转换，减少了能量转换环节。

(2)在能量回收阶段，油液压力较低时，压力油由增压阀增压进入蓄能器，当油液压力较高时，压力油直接通过增压阀进入蓄能器，大大提高了能量回收效率。

(3)在能量释放阶段，增压阀关闭，第五液控单向阀打开，蓄能器中的压力油带动变量马达与电动机经过分动箱的动力分配后带动主泵工作，使回收的能量得到了充分释放，发动机稳定工作在燃油高效区，减少油耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明能量回收系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例图1中的附图标记对应如下：第一油箱1、主泵2、发动机3、主换向阀4、第一液控换向阀5、第二液控换向阀6、第一单向阀7、第二单向阀8、第一溢流阀9、第二溢流阀10、第一电磁换向阀11、第二电磁换向阀12、回转马达13、第一液控单向阀14、第二液控单向阀15、节流阀16、先导操作手柄17、第三液控单向阀18、第四液控单向阀19、控制器20、分动箱21、增压阀22、蓄能器23、第五液控单向阀24、压力计25、变量马达26、转速传感器27、第二油箱28。

如图1所示，本实施例的的挖掘机回转制动能量回收系统包括第一油箱1、主泵2、发动机3、主换向阀4、第一液控换向阀5、第二液控换向阀6、第一单向阀7、第二单向阀8、第一溢流阀9、第二溢流阀10、第一电磁换向阀11、第二电磁换向阀12、回转马达13、第一液控单向阀14、第二液控单向阀15、节流阀16、先导操作手柄17、第三液控单向阀18、第四液控单向阀19、控制器20、分动箱21、增压阀22、蓄能器23、第五液控单向阀24、压力计25、变量马达26、转速传感器27、第二油箱28；发动机3的传动轴与分动箱21的第一输入轴Ⅰ连接，分动箱21的第二输入轴Ⅱ与变量马达26的输出轴相连，分动箱21的输出轴与主泵2的输入轴相连，主换向阀4有四个油口，主泵2输出口与主换向阀4的第一油口4P相连，主换向阀4的第四油口4T连至第一油箱1，第一电磁换向阀11和第二电磁换向阀12都有三个油口，主换向阀4的第二油口4A与第一电磁换向阀11的第二油口11B相连，第一电磁换向阀11的第三油口11C与回转马达13的A口相连，回转马达13的B口连至第二电磁换向阀12的第三油口12C，第二电磁换向阀12的第一油口12A与主换向阀4的第三油口4B相连。

所述主换向阀4第三油口4B和第二电磁换向阀12第一油口12A之间的旁路连有第二单向阀8、第二液控换向阀6、第二溢流阀10。第二电磁换向阀12的第二油口12B与第三液控单向阀18的入口相连，第三液控单向阀18的出口连至增压阀22的第一油口22A。

所述主换向阀4第二油口4A与第一电磁换向阀11的第二油口11B之间的旁路连有第一单向阀7、第一液控换向阀5、第一溢流阀9。第一电磁换向阀11的第一油口11A与第四液控单向阀19的入口相连，第四液控单向阀19的出口连至增压阀22的第一油口22A。

所述第一液控换向阀5的先导油口、第四液控换向阀19的液控口与主换向阀4的第三油口4B相连，第二液控换向阀6的先导油口、第三液控单向阀18的液控口与主换向阀4的第二油口4A相连。当主换向阀4的第二油口4A没有压力油输出时，第二液控换向阀6关闭，第三液控单向阀18打开；当主换向阀4的第三油口4B没有压力油输出时，第一液控换向阀5关闭，第四液控单向阀19打开。

先导操作手柄17的控制信号由X、Y端口分别输出到主换向阀4的左右信号端，控制器20同时接收X、Y端的操作状态信号、压力计25的压力信号和转速传感器27的转速信号，并由控制器20向主泵2、增压阀22、电动机3、节流阀16和变量马达26输出控制信号。

主换向阀4为三位四通电磁换向阀，有四个油口；第一液控换向阀5和第二液控换向阀6为二位二通换向阀，有两个油口；第一电磁换向阀11和第二电磁换向阀12为二位三通换向阀，有三个油口；增压阀22和节流阀16为二位二通电磁换向阀，有两个油口。

增压阀22、第五液控单向阀24、蓄能器23和变量马达26构成液压调节器。增压阀22第一油口22A接收来自回转马达13的压力油，储存在蓄能器23中，当增压阀22关闭时，第五液控单向阀24打开，蓄能器23中的液压油驱动变量马达26和电动机3经过分动箱的动力分配后带动主泵2对工作负载做功。并且流经变量马达26的液压油可以进入其他执行机构，实现了流量的再生。

第五液控单向阀24由增压阀22信号端控制，控制信号由增压阀22的换向信号发出，增压阀22关闭时第五液控单向阀24工作。

节流阀16由电信号控制，控制器20发出信号使节流阀16工作，待回转马达13制动时，高压腔可通过第一液控单向阀14或第二液控单向阀15从第二油箱28中获取压力油。

主换向阀4的控制信号由先导操作手柄17控制，当手柄转至X端时，主换向阀4的左位工作，第一油口4P和第二油口4A连通，第三油口4B和第四油口4T连通；当手柄转至Y端时，主换向阀4的右位工作，第一油口4P和第三油口4B连通，第二油口4A和第四油口4T连通。

如图1所示，先导操作手柄17置于左端X时，主换向阀4的左位开始工作，第一油口4P和第二油口4A相连，第三油口4B和第四油口4T相连，第二电磁换向阀12右位工作，第三油口12C和第二油口12B相连，液压油从第一油箱1经主泵2、第一电磁换向阀11、进入回转马达13的A腔，回转马达13的B腔液压油经第二电磁换向阀12的第二油口12B流经第二液控换向阀6、第二单向阀8回到第一油箱1，回转马达13转动。

当先导操作手柄17置于右端Y时，主换向阀4的右位开始工作，第一油口4P和第三油口4B相连，第二油口4A和第四油口4T相连，第一电磁换向阀11左位工作，第三油口11C和第一油口11A相连，液压油从第一油箱1经主泵2、第二电磁换向阀12、进入回转马达13的B腔，回转马达13的A腔液压油经第一电磁换向阀11的第一油口11A流经第一液控换向阀5、第一单向阀7回到第一油箱1，回转马达13转动。

当回转马达13转动，液压油从A腔流到B腔，回转平台需要制动时，控制器20发出信号给主泵2和节流阀16，主泵2停止工作，节流阀16左位工作，油口16A和16B连通，此时第二液控换向阀6关闭，第三液控单向阀18打开，第一液控单向阀14工作，第二液控单向阀15不工作，回转马达13在惯性作用下继续转动，A腔压力升高，压力油从第二油箱29经节流阀16、第一液控单向阀14进入回转马达13的A腔，B腔的压力油经过第二电磁换向阀12、第三液控单向阀18、增压阀22进入蓄能器23，蓄能器23处于储能状态，当压力计25检测到压力信号变小时，控制器20发出信号给增压阀22，增压阀22关闭，第五液控单向阀24打开，能量回收完毕。

当回转马达13转动，液压油从B腔流到A腔，回转平台需要制动时，控制器20发出信号给主泵2和节流阀16，主泵2停止工作，节流阀16左位工作，油口16A和16B连通，此时第一液控换向阀5关闭，第四液控单向阀19打开，第二液控单向阀15工作，第一液控单向阀14不工作，回转马达13在惯性作用下继续转动，B腔压力升高，压力油从第二油箱29经节流阀16、第二液控单向阀15进入回转马达13的B腔，A腔的压力油经过第一电磁换向阀11、第四液控单向阀19、增压阀22进入蓄能器23，蓄能器23处于储能状态，当压力计25检测到压力信号变小时，控制器20发出信号给增压阀22，增压阀22关闭，第五液控单向阀24打开，能量回收完毕。

当回转马达13继续转动时，控制器20发出信号给变量马达26、电动机3、主泵2，蓄能器23中的压力油经第五液控单向阀24带动变量马达26与电动机3经过分动箱的动力分配后驱动主泵2工作，当转速传感器27检测到变量马达26的输出转速下降时，控制器发出信号给变量马达26、电动机3、主泵2，变量马达26停止工作，此时由电动机3带动主泵2转动，继续带动回转马达13转动。能量释放过程中，变量马达26将蓄能器23的能量转化为机械能，与发动机联合输出，弥补因为负载变大而引起的发动机3输出不足，稳定发动机3工作在燃油高效区，提高燃油经济性、节省挖掘机油耗。

本发明提供了一种挖掘机回转制动能量回收系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征是，包括液压回路和控制回路；

液压回路包括发动机、主泵、分动箱、主换向阀、第一液控换向阀、第二液控换向阀、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三液控单向阀、第四液控单向阀、回转马达、蓄能器、变量马达和第一油箱；

所述控制回路包括：先导操作手柄、增压阀、PLC控制器、压力计以及转速传感器；

发动机的传动轴与分动箱的第一输入轴Ⅰ连接，分动箱的第二输入轴Ⅱ与变量马达的输出轴相连，分动箱的输出轴与主泵的输入轴相连；主泵的输入口连接第一油箱，输出口连接主换向阀；主换向阀有四个油口，第一电磁换向阀和第二电磁换向阀都有三个油口；主换向阀的第一油口与主泵输出口相连，主换向阀第四油口连至第一油箱，主换向阀的第二油口与第一电磁换向阀的第二油口相连，主换向阀的第三油口与第二电磁换向阀的第一油口相连；第一电磁换向阀的第三油口与回转马达的A口相连，回转马达的B口连至第二电磁换向阀的第三油口；第一电磁换向阀的第一油口连接第三液控单向阀，第二电磁换向阀的第二油口连接第四液控单向阀，第三液控单向阀和第四液控单向阀连接后连接增压阀的第一油口，增压阀的第二油口分别连接蓄能器和第五液控单向阀，第五液控单向阀的出口连接变量马达的入口，第五液控单向阀由增压阀信号端控制，控制信号由增压阀的换向信号发出，增压阀关闭时第五液控单向阀工作；

所述第一液控换向阀的先导油口、第四液控单向阀的液控口与主换向阀的第三油口相连，第二液控换向阀的先导油口、第三液控单向阀的液控口与主换向阀的第二油口相连；当主换向阀的第二油口没有压力油输出时，第二液控换向阀关闭，第三液控单向阀打开；当主换向阀的第三油口没有压力油输出时，第一液控换向阀关闭，第四液控单向阀打开；

先导操作手柄的控制信号由X、Y端口分别输出到主换向阀的左右信号端，压力计设置在蓄能器的油口，转速传感器设置在变量马达的输出轴上，控制器同时接收X、Y端的操作状态信号，压力计的压力信号和转速传感器的转速信号，并由控制器向主泵、电动机、增压阀、变量马达输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征是，包括节流阀、第一液控单向阀、第二液控单向阀以及第二油箱；第一液控单向阀出口连接回转马达的A口，第二液控单向阀出口连接回转马达的B口，第一液控单向阀入口和第二液控单向阀入口串联后连至节流阀的第一油口，节流阀的第二油口与第二油箱连接，节流阀的信号输入口与PLC控制器相连，第一液控单向阀的液控口和第二液控单向阀的液控口并联后连至节流阀的信号输出口；

节流阀由控制器控制，当回转马达制动时，回转马达的高压腔可通过第一液控单向阀或第二液控单向阀经节流阀第二油箱中获取压力油。

3.根据权利要求1所述的一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征是，当手柄转至X端时，主换向阀的左位工作，主换向阀的第一油口和第二油口连通，主换向阀的第三油口和第四油口连通；当手柄转至Y端时，主换向阀的右位工作，主换向阀的第一油口和第三油口连通，主换向阀的第二油口和第四油口连通。

4.根据权利要求1所述的一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征是，主换向阀第二油口和第一电磁换向阀的第二油口之间的旁路连有第一单向阀、第一液控换向阀，主换向阀第三油口和第二电磁换向阀的第一油口之间的旁路连有第二单向阀、第二液控换向阀。

5.根据权利要求1所述的一种挖掘机回转制动能量回收系统，其特征是，主换向阀第二油口和第一电磁换向阀的第二油口之间的旁路连有第一溢流阀，主换向阀第三油口和第二电磁换向阀的第一油口之间的旁路连有第二溢流阀。

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