CN102943496A - 挖掘机动臂势能循环利用*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种挖掘机动臂势能循环利用***，包括回转平台，与回转平台铰接的工作装置、设置在回转平台上的配重及液压油箱，其特征在于所述工作装置与回转平台之间连接有第一柱塞油缸组，所述配重中包含至少一块可在竖直方向移动的活动配重块，所述活动配重块与回转平台之间连接有顶升活动配重块的第二柱塞油缸组，所述第一柱塞油缸组、第二柱塞油缸组和液压油箱经连接管路和控制阀组连接。本发明的优点是结构简单、成本低，可靠，冲击小，能大大提高机械臂的操控性，节油降耗。

Description

挖掘机动臂势能循环利用***

技术领域

本发明涉及一种重力势能回收***，具体的说涉及到一种挖掘机动臂势能循环利用***。

背景技术

液压挖掘机、液压起降机、液压吊车等液压作业机械是工程机械中的主要设备，以液压挖掘机为例，液压挖掘机作为一种快速、高效的施工作业机械，是土石方施工工程中的主要机械设备之一，被业内称为“工程机械之王”，其广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等行业的机械化施工中。

目前液压挖掘机普遍采用柴油机作为动力，其使用的燃料柴油为不可再生资源，且挖掘机数量多、燃油消耗大，在能源日益短缺、油价不断攀升的今天，对挖掘机低油耗的要求也在不断的提高。同时随着全球气候变暖，关爱地球环境，研发节能减排的液压挖掘机产品是一种趋势，很多挖机生产厂家投入了大量人力和物力。

液压挖掘机作为一种的循环挖掘作业的机械，需频繁抬降动臂和左右回转上部机身，因这些本身质量大惯性大，需要消耗大量的发动机能量，而这部分能量不是用来做有效功的，而是白白浪费掉了，而且还引起发热、冲击等，能量利用率低。目前已有混合动力的挖掘机在这方面进行了探索尝试，但技术复杂，可靠性低。而除了液压挖掘机外，液压起降机、液压吊车等均存在其机械臂频繁升降消耗发动机能量，能耗高的缺点。

通过检索，我们在液压能量回收***领域中，检索到以下公开文献，但均存在一定的缺点，例如：

1.中国专利，申请号：CN200780025266  ，专利名称：液压能量回收***，摘要：该***包括：至少一个液压马达； 两个主管道，用作所述至少一个液压马达的供给管道或排出管道； 低压液体源；及高压蓄能器，形成高压液体源。该***可在能量回收模式及能量释放模式下运行，在能量回收模式，供给主管道连接到低压液体源，排出主管道连接到高压蓄能器，在能量释放模式连接方式相反。低压液体源包括高流速增压泵和可调节的压力限制器，在能量回收模式下当马达以最大转速运行时增压泵可传送足够液流，以将液体供给到至少一个液压马达；可控制压力限制器改变低压液体源出口处的液体压力。该液压能量回收***主要用作车辆的发动机节能，但是无法用作大型机械的能量回收上。

2. 中国专利，申请号：CN87202038 ，专利名称：活塞式液压能量回收机，摘要：一种活塞式液压能量回收机，特别适用于需循环使用的中小流量、高压力的液体余压能回收的场合。 能量回收机由液力部分和动力部分组成，该机的液力部分，主要由缸体、活塞、柱塞杆、进液阀、排液阀、强 制阀等组成，将泵和发动机复合成一个整体，泵端和发动机端依靠强制阀协调工作，泵端所不足能量，由一电机直接补充。该活塞式液压能量回收机主要用作补充泵端能量用，无法作大型机械中的机械臂能量回收用。

发明内容

本发明的目的是提供一种挖掘机动臂势能循环利用***，对挖掘机动臂下降所发出的势能进行储存，将其利用到挖掘机动臂上抬的过程中，以达到提高挖掘机能量利用率，节约能耗的效果。

本发明的方案是通过这样实现的：构造一种挖掘机动臂势能循环利用***，包括回转平台和工作装置、设置在回转平台上的配重及液压油箱，工作装置包括与回转平台铰接的动臂、动臂中部与回转平台之间连接有第一柱塞油缸组，配重中包含至少一块可在竖直方向移动的活动配重块，活动配重块与回转平台之间连接有顶升活动配重块的第二柱塞油缸组，第一柱塞油缸组、第二柱塞油缸组和液压油箱经连接液压管路和控制阀组连接。

上述方案的技术原理是：在利用该***时，控制阀组将第一柱塞油缸组、第二柱塞油缸组导通，当挖掘机的工作装置下降时，动臂利用其重力作用于第一柱塞油缸组液压油缸上，使第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆回缩，第一柱塞油缸组液压油缸内的液压油经液压管路及控制阀组进入到第二柱塞油缸组液压油缸中，使得第二柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆伸出顶升活动配重块，将工作装置的部分势能转化为活动配重块的势能存储起来。而当动臂需要抬升时，挖掘机的动臂油缸充油顶升挖掘机动臂，与此同时，活动配重块利用其重力推动第二柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆使其回缩，第二柱塞油缸组液压油缸的液压油经液压管路及控制阀组进入到第一柱塞油缸组液压油缸中，使第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆伸出，与挖掘机动臂油缸共同抬升挖掘机动臂，实现挖掘机动臂势能的循环利用，降低挖掘机动臂油缸抬升动臂所需要的能量，降低整机能耗。

本发明中，以上所述第一柱塞油缸组液压油缸的总容积不大于第二柱塞油缸组液压油缸的总容积，这可保证第二柱塞油缸组不影响第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆全伸或全缩动作而影响挖掘机的正常作业，当第一柱塞油缸组液压油缸的总容积等于第二柱塞油缸组液压油缸的总容积时，第二柱塞油缸组既不影响第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆全伸或全缩动作，其容积又得到充分利用。 

在本发明中，回转平台上设有对活动配重块进行竖直方向导向的导向架，该导向架的作用是保持活动配重块仅在垂直方向上运动，避免活动配重块被顶升时出现偏斜，对第二柱塞油缸组液压油缸产生非轴向的力，造成油缸损坏。在有导向架时，第二柱塞油缸组液压油缸无需对活动配重块提供非轴向力，因此其液压油缸的柱塞杆和缸筒两端与活动配重块、回转平台之间的连接可以是固定连接、铰接、以及接触连接，其中以铰接较优，而铰接中以球接头铰接最优，这样可以使得第二柱塞油缸组液压油缸绕铰接点作任意方向上的转动，避免活动配重块出现偏斜时憋住油缸，造成油缸损坏。

本发明中，作为第二构思方案，第二柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆和缸筒两部件其中之一部件与回转平台固定连接，另一部件与活动配重块固定连接或者铰接，例如柱塞杆与回转平台固定连接，缸筒与活动配重块固定连接，此时柱塞杆相对于回转平台不能发生偏斜，兼起到导向架的作用。也可以是液压油缸的缸筒与回转平台固定连接，相对于回转平台油缸不能发生偏斜，柱塞杆与活动配重块铰接或固定连接，活动配重块上设置容纳油缸的孔洞，活动配重块上下运动时，活动配重块的孔洞套在缸筒上上下滑动，此时缸筒也起到导向架的作用。

本发明中，作为优选方案，以上所述的活动配重块在其侧表面设置有竖向的凹槽，第二柱塞油缸组液压油缸设置在凹槽内，和/或在活动配重块体内设有竖向的孔洞，第二柱塞油缸组液压油缸设置在孔洞内，此举可降低活动配重块的重心，提高设备的稳定性和安全性。

本发明中，作为优选方案，以上所述的控制阀组包括两位三通阀和第一单向阀，两位三通阀上具有A口、B口、C口三个油口，其中A口经液压管路与第一柱塞油缸组液压油缸连通，B口经液压管路与第二柱塞油缸组液压油缸连通，C口经液压管路与液压油箱连通，C口经第一单向阀与A口和/或B口连通，第一单向阀从C口向A口和/或B口单向导通，当两位三通阀的阀芯处于第一位置时，A口与B口连通，此时连通方式是开启该动臂势能循环利用***，液压油可在A口和B口之间流通，从而使得动臂和活动配重块之间进行势能转换；当第一柱塞油缸组液压油缸的液压油不足时，例如当第二柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆处于全缩状态而第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆仍需要拉伸时，可通过第一单向阀向第一柱塞油缸组液压油缸进行补油。当两位三通阀的阀芯处于第二位置时A口和B口分别与C口相互连通，此时状态是关闭该动臂势能循环利用***，第二柱塞油缸组液压油缸内的液压油经B口和C口回到液压油箱，活动配重块位置降低；而随着动臂的抬升与下降，第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆也随之伸缩，液压油经C口和A口进出第一柱塞油缸组液压油缸，使得挖掘机能够正常地作业。两位三通阀可以是电磁阀、液控阀等。

作为进一步的改进，控制阀组中还包括节流阀，节流阀可设置在两位三通阀的阀体内，位于从B口至C口的管路上，当两位三通阀的阀芯处于第二位置时，B口至C口经节流阀，节流阀使得关闭该***时，第二柱塞油缸组液压油缸内的液压油缓慢流到液压油箱，避免活动配重块的下降速度过快，另外控制阀组中还可以包括第二单向阀，第二单向阀组与节流阀串接，当两位三通阀的阀芯处于第二位置时，第二单向阀自B口至C口单向导通，第二单向阀能够防止在关闭该***后，液压油经C口和B口进入到第二柱塞油缸组液压油缸中，也即防止第二柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆伸出，柱塞杆不能伸出也即对活动配重块有向下拉紧固定的作用，防止活动配重块在挖掘机工作是产生的震动而相对于回转平台产生上下震动。

本发明中，活动配重块重量最佳的设置条件应该满足以下条件：活动配重块的重量G、第二柱塞油缸组液压油缸的缸筒横截面积总和S2、工作装置处于最大挖掘半径状态时作用于第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆上的力F，第一柱塞油缸组液压油缸的缸筒横截面积总和S1，满足如下关系：G÷S2=(F÷S1)×K,其中系数K取值范围为0<K≤1。

本发明的有益效果是：

1.  本发明的优点是通过设置两对柱塞油缸组，在挖掘机动臂下降时，将挖掘机工作装置部分重力势能转化为活动配重块的重力势能进行存储，在动臂需要抬升时利用活动配重块存储的重力势能，与动臂油缸共同作用做功抬升动臂，实现挖掘机工作装置工作过程中部分重力势能的循环利用，减少能量损耗，达到节能降耗的效果。

2.  本发明的结构简单、成本低，可靠性高，冲击小，能大大提高挖掘机动臂的操控性。

附图说明

图1是本发明挖掘机动臂势能循环利用***中两位三通电磁阀在第一位置时的原理示意图；

图2是本发明挖掘机动臂势能循环利用***中两位三通电磁阀在第二位置时的原理示意图；

图3是本发明挖掘机动臂势能循环利用***中活动配重块、第二柱塞油缸组和回转平台的安装示意图；

图4是本发明挖掘机动臂势能循环利用***中的整体结构示意图；

图5是本发明挖掘机动臂势能循环利用***中第一柱塞油缸组液压油缸与动臂的安装示意图。

图中零部件名称及序号：

1．活动配重块，2.第二柱塞油缸组液压油缸，3.回转平台，4.液压管路，5.两位三通电磁阀，6.液压油箱，8.第一柱塞油缸组液压油缸，9.动臂油缸，10.动臂，12.第一单向阀，13.节流阀，15.第二单向阀。

具体实施方式

以下结合附图和实施例描述本发明挖掘机动臂势能循环利用***。

如图1-5所示，其中图1和图2为本发明的原理示意图，该挖掘机动臂势能循环利用***，包括两位三通电磁阀5，液压油箱6，挖掘机的动臂10和回转平台3，两位三通电磁阀5和液压油箱6设置在回转平台3上，其中，两位三通电磁阀5上具有A口、B口、C口三个油口，其中A口经液压管路4与第一柱塞油缸组液压油缸8连通，B口经液压管路4与第二柱塞油缸组液压油缸2连通，C口经液压管路4与液压油箱6连通。在两位三通电磁阀5中其阀芯具有第一位置和第二位置，在两位三通电磁阀5的阀体内设置有第一单向阀12、第二单向阀15和13节流阀，第二单向阀15与节流阀14串联，第一单向阀12的进油口与C口连通，出油口与B口或A口连通。当两位三通电磁阀5的阀芯处于第一位置时，如图1所示，A口与B口连通；当两位三通电磁阀5的阀芯处于第二位置时，如图2所示，B口与第二单向阀15的进油口连通，第二单向阀15的出油口经节流阀13连通C口；A口与C口直接连通。

如图3、图4所示，在回转平台3上设有可上下移动的活动配重块1，在活动配重块1的前侧面和后侧面均设置有凹槽，第二柱塞油缸组液压油缸2设置在该凹槽内，第二柱塞油缸组液压油缸2通过液压管路4相互连通，其中第二柱塞油缸组液压油缸2的柱塞杆与回转平台3固定连接，缸筒与活动配重块1固定连接，随着第二柱塞油缸组液压油缸2内的液压油的进出，活动配重块1也随之升高或降低。

如图4、图5所示，挖掘机的工作装置包括动臂10，动臂10的下端与回转平台3铰接，上端与斗杆（图中未示）铰接，斗杆末端连接挖斗或其他工作器具。在动臂10的中部与回转平台3之间连接有动臂油缸9用于举升或降低动臂10。第一柱塞油缸组液压油缸8设置在动臂油缸9的旁侧，第一柱塞油缸组液压油缸8的柱塞杆与动臂铰接，缸筒与回转平台3铰接，随着动臂10的升降，第一柱塞油缸组液压油缸8也随之伸缩。

当开启该挖掘机动臂势能循环利用***时，两位三通电磁阀5的阀芯处于第一位置，此时A口和B口连通，动臂油缸9充油举升动臂时，第一柱塞油缸组液压油缸8的柱塞杆也被拉出，液压油箱6内的液压油经两位三通电磁阀5内的第一单向阀12向第一柱塞油缸组液压油缸8内充油，当动臂10下降时，第一柱塞油缸组液压油缸8内的液压油则经A口和B口进入第二柱塞油缸组液压油缸2内，使第二柱塞油缸组液压油缸2的柱塞杆伸出，活动配重块1被举升，动臂10的部分重力势能转化为活动配重块1的重力势能，实现了部分动臂势能的回收存储。之后若动臂10再次举升时，第二柱塞油缸组液压油缸2内的液压油经B口和A口进入到第一柱塞油缸组液压油缸8内，第一柱塞油缸组液压油缸8与动臂油缸9共同作用举升动臂10，此时活动配重块1的高度降低，其储存的重力势能用于举升动臂10，实现先前存储势能的再利用。随着动臂每一次的举升，动臂10的部分重力势能被转化为活动配重块1的重力势能并在下一次动臂10举升过程中得到利用，从而实现动臂势能的循环利用，节约挖掘机为举升动臂所需要的能耗，达到节能的目的。

当因工作需要，例如挖掘机处于坡道上进行作业时，出于安全的考虑，需要关闭该挖掘机动臂势能循环利用***使活动配重块的高度降低而降低整机的重心，此时两位三通电磁阀5的阀芯处于第二位置，此时第二柱塞油缸组液压油缸2内的液压油经B口、第二单向阀15、节流阀13、C口进入到液压油箱6。由于有节流阀13的节流作用，第二柱塞油缸组液压油缸内的液压油缓慢平稳地流出，活动配重块1下降的速度缓慢平稳，不会对回转平台3造成冲击。当第二柱塞油缸组液压油缸2的柱塞杆全缩后，第二单向阀15关闭，液压油不能进入到第二柱塞油缸组液压油缸2内，其柱塞杆不能伸出，第二柱塞油缸组液压油缸2从而起到固定活动配重块1的作用，可防止活动配重块1因机械的震动而在回转平台3上发生上下的震动。两位三通电磁阀5的阀芯处于第二位置时，A口和C口相互连通，随着动臂油缸9举升或降低动臂，第一柱塞油缸组液压油缸8也随之伸缩，液压油经C口、A口而进入或流出第一柱塞油缸组液压油缸8内，不影响液压挖掘机的能够正常工作。

在本实施例中，在开启该挖掘机动臂势能循环利用***时，为了保证第一柱塞油缸组液压油缸8能够全伸和全缩，第一柱塞油缸组液压油缸8的总容积不能大于第二柱塞油缸组液压油缸的总容积，其中当第二柱塞油缸组液压油缸2总容积等于第一柱塞油缸组液压油缸8的总容积时，第二柱塞油缸组液压油缸2的柱塞杆处于全伸状态，第一柱塞油缸组液压油缸8的柱塞杆则处于全缩状态；或者第一柱塞油缸组液压油缸8的柱塞杆处于全伸状态，第二柱塞油缸组液压油缸2的柱塞杆则处于全缩状态；从而达到资源的最大利用。

在挖掘机中，工作装置即挖掘机动臂、斗杆、挖斗或其他工作器具的质量之和往往较大，而挖掘机的配重质量往往有限，因此动臂被举升时的重力势能仅有部分能够被回收利用，为了达到最好的效果，活动配重块1的重量取值符合以下关系：

G÷S2=(F÷S1)×K

其中：

——系数K取值范围为0<K≤1；优选取值范围为0.5≤K≤1

——G为活动配重块的重量；

——S2为第二柱塞油缸组液压油缸的缸筒横截面总和；

——F为工作装置处于最大挖掘半径状态时作用于第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆上的力；

——S1为第一柱塞油缸组液压油缸的缸筒横截面总和。

在本实施例中，还可以在活动配重块的体内设置竖向的孔洞，第二柱塞油缸组液压油缸设置在该孔洞中，从而对第二柱塞油缸组液压油缸2起到遮挡隐藏的作用，提高整机的整洁美观性。

在本实施例中，还可以在回转平台3上设置导向架，例如固定在回转平台3上的竖直的导向柱，对活动配重块1进行竖直方向上的导向，防止活动配重块1在举升的过程中出现偏斜。导向架的形式可以是多样的，例如直接利用第二柱塞油缸组液压油缸2作为导向架，此时第二柱塞油缸组液压油缸2的缸筒与回转平台3固定连接，柱塞杆与活动配重块固定连接或铰接，缸筒的外侧面与活动配重块上的凹槽或孔洞侧壁接触配合滑动而对活动配重块进行导向；或者柱塞杆与回转平台固定连接，缸筒与活动配重块固定连接。

Claims (10)

1.一种挖掘机动臂势能循环利用***，包括回转平台、工作装置、设置在回转平台上的配重及液压油箱，所述工作装置包括与回转平台铰接的动臂，其特征在于：所述动臂中部与回转平台之间连接有第一柱塞油缸组，所述配重中包含至少一块可在竖直方向移动的活动配重块，所述活动配重块与回转平台之间连接有顶升活动配重块的第二柱塞油缸组，所述第一柱塞油缸组、第二柱塞油缸组和液压油箱经连接管路和控制阀组连接。

2.根据权利要求1所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：所述第一柱塞油缸组的总容积不大于第二柱塞油缸组的总容积。

3.根据权利要求1所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：所述回转平台上设有对所述活动配重块进行竖直方向导向的导向架。

4.根据权利要求3所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：所述第二柱塞油缸组的液压油缸两端分别与活动配重块和回转平台之间为铰接或固定连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：所述活动配重块的侧表面设置有竖向的凹槽，所述第二柱塞油缸组液压油缸位于所述凹槽内，和/或在活动配重块体内设有竖向的孔洞，所述第二柱塞油缸组液压油缸位于所述孔洞内。

6.根据权利要求5所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：所述第二柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆和缸筒两部件其中之一部件的端部与所述回转平台固定连接，另一部件与所述活动配重块固定连接或铰接。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：所述控制阀组包括两位三通阀和第一单向阀，所述两位三通阀上具有A口、B口、C口三个油口，其中A口经液压管路与第一柱塞油缸组连通，B口经液压管路与第二柱塞油缸组连通，C口经液压管路与液压油箱连通，C口经第一单向阀与A口和/或B口连通，第一单向阀从C口向A口和/或B口单向导通；当两位三通阀的阀芯处于第一位置时，A口与B口连通，当两位三通阀的阀芯处于第二位置时A口和B口分别与C口连通。

8.根据权利要求7所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：还包括节流阀，所述节流阀设置在从B口至C口的管路上。

9.根据权利要求8所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：还包括第二单向阀，所述第二单向阀与所述节流阀相串接，所述第二单向阀自B口至C口单向导通。

10.根据权利要求1或2所述的挖掘机动臂势能循环利用***，其特征在于：所述活动配重块的重量G、第二柱塞油缸组液压油缸的缸筒横截面积总和S2、工作装置处于最大挖掘半径状态时动臂作用于第一柱塞油缸组液压油缸的柱塞杆上的力F、第一柱塞油缸组液压油缸的缸筒横截面积总和S1满足如下关系：G÷S2=(F÷S1)×K,其中系数K取值范围为0<K≤1。

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