CN103697023A - 用于工程机械的回转制动的能量回收及释放的电液*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于工程机械的回转制动的能量回收及释放的电液***，包括能量回收及释放机构和控制单元，控制单元包括控制器和第一压力传感器，能量回收及释放机构包括液压能存储单元、电磁换向阀、液压马达、顺序阀、第一单向阀和第二单向阀。本发明能够将工程机械回转制动时产生的动能通过液压能存储单元储存起来，控制器根据主变量泵负载控制电磁换向阀释放液压能存储单元储存的能量，驱动液压马达为主变量泵提供扭矩，以降低发动机的燃油消耗，提高工程机械的工作效率。

Description

用于工程机械的回转制动的能量回收及释放的电液***

技术领域

    本发明涉及一种用于工程机械能量回收的***，尤其涉及一种用于工程机械回转制动能量回收及释放的电液***。

背景技术

随着科技的发展，能源的消耗以及环境的恶化已经成为全球性的问题，目前，世界各国都将节能减排工作放在十分重要的位置。工程机械在使用中能源消耗大，排放污染多，而且使用量极大，对能源的浪费和环境的污染带来很大的影响，因此研究工程机械的节能问题具有十分重要的意义。许多工程机械存在频繁的回转工况，而在回转过程中，由于负载惯性较大，制动过程中会释放出大量的能量，在目前绝大多数回转工程机械中，这部分能量是通过溢流损失消耗掉，这不仅造成了能量的浪费，溢流产生的热量也会缩短器件的使用寿命，甚至对***的稳定性造成影响。

目前，工程机械节能的形式主要是混合动力。其中，油电混合方式因其结构简单，易于实现，成为混合动力的主要形式。油电混合动力将工程机械回转制动或者液压缸下降的能量转换为电能储存起来。释放的时候，再将这部分能量转化为机械能，为发动机提供功率。转换成电能需要超级电容或者蓄电池，由于超级电容和蓄电池的功率密度小，且造价很高，在频繁回转的工况下，效果欠佳。

发明内容

本发明提供一种用于工程机械回转制动能量回收及释放的电液***，能够自动将工程机械回转制动时产生的能量通过液压能存储单元储存起来，控制器根据主泵需求控制第一电磁换向阀释放液压能存储单元所存储的能量，驱动变量液压马达为主泵提供扭矩，以降低发动机的负载功率，减少工程机械的油耗，提高工程机械的工作效率。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明一种用于工程机械的回转制动的能量回收及释放的电液***包括能量回收及释放机构和控制单元，所述控制单元包括控制器和第一压力传感器，能量回收及释放机构包括液压能存储单元、第一电磁换向阀、液压马达、顺序阀、第一单向阀和第二单向阀，所述液压马达与工程机械的主变量泵同轴连接，液压马达的A口与第一电磁换向阀的一个端口连通，第一电磁换向阀的另一个端口、液压能存储单元、顺序阀的出口和第一压力传感器相互连通，液压马达的B口与工程机械的油箱连通，顺序阀的入口同时与第一单向阀的出口、第二单向阀的出口连通，第一单向阀的入口与工程机械的回转马达的一个油口连通，第二单向阀（13）的入口与工程机械的回转马达的另一个油口连通；控制器分别与第一压力传感器、液压马达、第一电磁换向阀电连接；

当第一压力传感器检测到液压能存储单元的压力值大于或等于液压能存储单元的最低工作压力值时，控制器使第一电磁换向阀得电开启，液压能存储单元内的高压油经液压马达释放出去；当第一压力传感器检测到液压能存储单元的压力值低于液压能存储单元的最低工作压力值时，控制器使第一电磁换向阀断电关闭，同时控制器调节液压马达的排量至最小排量值。

本发明另一种用于工程机械回转制动能量回收及释放的电液***包括能量回收及释放机构和控制单元，所述控制单元包括控制器、第一压力传感器和第二压力传感器，能量回收及释放机构包括液压能存储单元、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、液压马达、顺序阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀，液压马达与工程机械的主变量泵的泵轴同轴连接，液压马达的A口同时与第一电磁换向阀的一个端口、第四单向阀的出口连通，第一电磁换向阀的另一个端口、液压能存储单元、顺序阀的出口、第三单向阀的出口和第一压力传感器相互连通，液压马达的B口与第二电磁换向阀的P口连通，第二电磁换向阀的A口与第三单向阀的入口连通，第二电磁换向阀的B口与工程机械的油箱连通，顺序阀的入口同时与第一单向阀、第二单向阀的出口连通，第一单向阀的入口与工程机械的回转马达的一个油口连通，第二单向阀的入口与所述回转马达的另一个油口连通，第二压力传感器与工程机械的主变量泵的出口连通；控制器分别与第一压力传感器、第二压力传感器、液压马达、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀电连接；

控制器能够根据第二压力传感器检测到的主变量泵的出口压力获得工程机械的发动机的负载功率，当所述发动机的负载功率大于其额定功率时，控制器使第一电磁换向阀得电，控制器通过调节液压马达的排量使发动机的负载功率等于额定功率；当所述发动机的负载功率低于其额定功率时，控制器使第一电磁换向阀断电且使第二电磁换向阀得电，控制器通过调节液压马达的排量使发动机的负载功率等于其额定功率。

进一步地，本发明还包括安全阀，所述安全阀的入口与液压能存储单元连通，安全阀的出口与所述油箱连通。 

进一步地，本发明所述液压马达为变量马达或定量马达。

进一步地，本发明所述液压马达为泵/马达。

进一步地，本发明所述液压能存储单元为蓄能器。

本发明电液***将工程机械回转启动及制动过程溢流所产生的液压能用液压能存储单元存储起来，所存储的液压能通过液压马达转化成机械能释放到工程机械的主变量泵，和工程机械的发动机混合驱动主变量泵。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

（1）在本发明中，回转制动动能回收采用蓄能器作为能量存储元件，释放时直接用油液驱动液压马达，较超级电容及蓄电池而言，减少了能量转换的环节，提高了能量转换的效率。而且蓄能器带动液压马达输出的功率密度较大，能够瞬时提供大量的能量，在工程机械这种快速工作场合下更为适用。其次，工程机械的环境复杂，有的甚至十分恶劣，应用蓄能器的电液***对环境的要求远低于蓄电池对环境的要求。

（2）本发明独立于现有工程机械的液压***之外，对工程机械的现有***不进行太大的改动，不影响操作人员对工程机械的操作习惯。此外，本发明中的能量回收及释放机构原理简单，元件较少，而且与采用蓄电池的混合动力***相比，价格十分低廉，降低了整套***的成本。

（3）本发明通过使用第一单向阀和第二单向阀将工程机械的回转马达的制动能量存储进液压能存储单元里，无需识别回转马达的制动方向。

   （4）本发明能够自动根据主变量泵负载需求，通过控制器对液压马达的调节，以维持发动机工作在一个较低的恒定输出功率，节能效果显著。简化了能量回收***的液压回路，对信号的控制也提供了很大的方便。

附图说明

    图1为本发明第一种实施方式的电液***的结构理图；

图2为本发明第二种实施方式的电液***的结构原理图；

    图中，1.液压马达、2.液压能存储单元、3.第一电磁换向阀、4.顺序阀、5.安全阀、6.控制器、7.第一压力传感器、8.第二压力传感器、9.第三单向阀、10.第二电磁换向阀、11.第四单向阀、12.第一单向阀、13.第二单向阀、14.回转马达、15.发动机、16.主变量泵、17.油箱。

具体实施方式

在本发明中，工程机械是指挖掘机械、铲土运输机械、全回转拔桩机械等用于工程建设中的回转运动频繁的施工机械。

图1示出了本发明的一种结构的电液***的工作原理图。如图1所示，本发明电液***主要包括能量回收及释放机构和控制单元，其中，控制单元包括控制器6和第一压力传感器7，能量回收及释放机构包括液压能存储单元2、第一电磁换向阀3、液压马达1、顺序阀4、第一单向阀12和第二单向阀13。液压马达1与工程机械的主变量泵16同轴连接，液压马达1的A口与第一电磁换向阀3的一个端口连通，第一电磁换向阀3的另一个端口、液压能存储单元2、顺序阀4的出口和第一压力传感器7相互连通，液压马达1的B口与工程机械的油箱17连通，顺序阀4的入口同时与第一单向阀12的出口、第二单向阀13的出口连通，第一单向阀12的入口与工程机械的回转马达14的一个油口连通，第二单向阀13的入口与工程机械的回转马达14的另一个油口连通，控制器6分别与第一压力传感器7、液压马达1、第一电磁换向阀3电连接。

本发明第一种实施方式的电液***工作时，当第一压力传感器7检测到液压能存储单元2内的压力值大于或等于液压能存储单元2的最低工作压力值时，控制器6使第一电磁换向阀3得电开启，液压能存储单元2内的高压油经液压马达1释放出去；当第一压力传感器7所检测的液压能存储单元2内的压力值低于液压能存储单元2的最低工作压力值时，控制器6使第一电磁换向阀3断电关闭，同时控制器6调节液压马达的排量至最小排量值。

在本发明第一种实施方式中，回转马达14的两个油口的分别与第一单向阀12的入口及第二单向阀13的入口连通，第一单向阀12和第二单向阀13的出口合流后与顺序阀4的入口连通，顺序阀4的出口与液压能存储单元2连通，当回转马达14制动时，本发明电液***无需识别回转马达14的制动方向，即可将压力油充入液压能存储单元2中。只要液压能存储单元2中存在可以释放的高压油就能使第一电磁换向阀7得电开启，液压能存储单元2内的高压油通过液压马达1以机械能的形式释放到工程机械的负载泵上；当液压能存储单元2内的高压油释放完时，控制器6调节液压马达1的排量到最小排量处，以减少对工程机械的性能的影响。本发明第一种实施方式无需实时调节液压马达1的排量，简单易行、成本低。

图2示出了本发明的第二种实施方式的电液***的工作原理图。如图2所示，本发明用于工程机械回转制动能量回收及释放的电液***主要包括能量回收及释放机构和控制单元，其中，控制单元包括控制器6、第一压力传感器7和第二压力传感器8，能量回收及释放机构包括液压能存储单元2、第一电磁换向阀3、第二电磁换向阀10、液压马达1、顺序阀4、第一单向阀12、第二单向阀13第三单向阀9和第四单向阀11，液压马达1与工程机械的主变量泵16的泵轴同轴连接，液压马达的A口同时与第一电磁换向阀3的一个端口、第四单向阀11的出口连通，第一电磁换向阀3的另一个端口、液压能存储单元2、顺序阀4的出口、第三单向阀9的出口和第一压力传感器7相互连通，液压马达的B口与第二电磁换向阀10的P口连通，第二电磁换向阀10的A口与第三单向阀9的入口连通，第二电磁换向阀10的B口与油箱连通，顺序阀4的入口同时与第一单向阀12、第二单向阀13的出口连通，第一单向阀12的入口与工程机械的回转马达14的一个油口连通，第二单向阀13的入口与工程机械的回转马达14的另一个油口连通；控制器6分别与第一压力传感器7、第二压力传感器8、液压马达1、第一电磁换向阀3、第二电磁换向阀10电连接。

本发明第二种实施方式的电液***工作时，第二压力传感器8检测主变量泵16的出口压力反馈给控制器6，控制器6由此获得发动机的负载功率。当工程机械的发动机15的负载功率大于其额定功率时，控制器6使第一电磁换向阀3得电，控制器6调节液压马达1的排量使发动机的负载功率等于额定功率；当发动机15的负载功率低于其额定功率时，控制器6使第一电磁换向阀3断电且使第二电磁换向阀10得电，调节液压马达的排量使发动机负载功率等于其额定功率。

对本发明的第二种实施方式而言，当回转马达制动时，回转马达14的两个油口的分别与第一单向阀12的入口及第二单向阀13的入口连通，第一单向阀和第二单向阀的出口合流后与顺序阀4的入口连通，顺序阀4的出口与液压能存储单元2连通，当回转马达14制动时，本发明电液***无需识别回转马达14的制动方向，即可将压力油充入液压能存储单元2中。控制器6根据工程机械的主变量泵16的负载大小及液压能存储单元2内的储能压力值来控制第一电磁换向阀3、第二电磁换向阀10及液压马达1的排量，维持发动机15的输出功率在平均功率点及最佳功率点上，以实现降低发动机的油耗的效果。在回转工作的一个循环工况中，如果在一段时间内，工程机械的发动机15的负载基本不变，那么控制器6会控制发动机5保持在某一个恒定的输出功率，该功率是此段时间内做功的平均功率。当原***的回转马达14回转启动时，需要的功率较大，而此时发动机15又维持在特定的平均功率不能满足输出条件，那么就需要液压能存储单元2驱动液压马达来提供功率。随着释放的进行，液压能存储单元2中的压力是非线性的改变的，控制器控制液压马达1的排量，使输出的功率满足条件。与现有的工程机械节能设备相比，本发明可以在保证原工程机械工作效率不降低的情况下降低发动的油耗，节能效果十分明显。此外，本发明独立于现有工程机械的油路***，对工程机械的液压回路改动很小，不影响操作人员对工程机械的使用习惯。

为了保证液压能存储单元2的工作压力不至于超过其所允许的最高额定压力，本发明电液***还可进一步包括安全阀5。安全阀5的入口与液压能存储单元2连通，安全阀5的出口与工程机械的油箱连通。 本发明电液***工作时，液压能存储单元2的工作压力超过安全阀5设定的压力时，液压能存储单元2内的高压油经安全阀5流入油箱，以限定其最高工作压力。

　　在本发明中，液压马达１优选为变量马达、定量马达或泵/马达，液压能存储单元2优选为蓄能器。

与现有的能量回收及混合动力***相比，本发明电液***采用第一单向阀12、第二单向阀13实现自动将制动高压油引入液压能存储单元2中回收，通过液压马达1将液压能存储单元2中的高压油以机械能的形式回收利用。本发明优选采用蓄能器作为液压能存储单元，较超级电容及蓄电池有更高的功率密度及释放的快速性，而且油路简单，不用经过发电机15的转换，且成本低，易于实现工程化应用。此外，本发明通过控制器6调节液压马达1的排量，可以改变发动机的负载功率，这样就可以使发动机15工作在最佳燃油功率点附近，节能效果更加显著。

Claims (6)

1.一种用于工程机械的回转制动的能量回收及释放的电液***，其特征在于：包括能量回收及释放机构和控制单元，所述控制单元包括控制器（6）和第一压力传感器（7），能量回收及释放机构包括液压能存储单元（2）、第一电磁换向阀（3）、液压马达(1)、顺序阀（4）、第一单向阀（12）和第二单向阀（13），所述液压马达（1）与工程机械的主变量泵（16）同轴连接，液压马达（1）的A口与第一电磁换向阀（3）的一个端口连通，第一电磁换向阀（3）的另一个端口、液压能存储单元（2）、顺序阀（4）的出口和第一压力传感器（7）相互连通，液压马达（1）的B口与工程机械的油箱（17）连通，顺序阀（4）的入口同时与第一单向阀（12）的出口、第二单向阀（13）的出口连通，第一单向阀（12）的入口与工程机械的回转马达（14）的一个油口连通，第二单向阀（13）的入口与工程机械的回转马达（14）的另一个油口连通；控制器（6）分别与第一压力传感器（7）、液压马达（1）、第一电磁换向阀（3）电连接；

当第一压力传感器（7）检测到液压能存储单元（2）的压力值大于或等于液压能存储单元的最低工作压力值时，控制器（6）使第一电磁换向阀（3）得电开启，液压能存储单元（2）内的高压油经液压马达（1）释放出去；当第一压力传感器（7）检测到液压能存储单元的压力值低于液压能存储单元的最低工作压力值时，控制器（6）使第一电磁换向阀（3）断电关闭，同时控制器（6）调节液压马达（1）的排量至最小排量值。

2.一种用于工程机械回转制动能量回收及释放的电液***，其特征在于：包括能量回收及释放机构和控制单元，所述控制单元包括控制器（6）、第一压力传感器（7）和第二压力传感器（8），能量回收及释放机构包括液压能存储单元（2）、第一电磁换向阀（3）、第二电磁换向阀（10）、液压马达(1)、顺序阀（4）、第一单向阀（12）、第二单向阀（13）、第三单向阀（9）和第四单向阀（11），液压马达（1）与工程机械的主变量泵（16）的泵轴同轴连接，液压马达(1)的A口同时与第一电磁换向阀（3）的一个端口、第四单向阀（11）的出口连通，第一电磁换向阀（3）的另一个端口、液压能存储单元（2）、顺序阀（4）的出口、第三单向阀（9）的出口和第一压力传感器（7）相互连通，液压马达(1)的B口与第二电磁换向阀（10）的P口连通，第二电磁换向阀（10）的A口与第三单向阀（9）的入口连通，第二电磁换向阀（10）的B口与工程机械的油箱（17）连通，顺序阀（4）的入口同时与第一单向阀（12）、第二单向阀（13）的出口连通，第一单向阀（12）的入口与工程机械的回转马达（14）的一个油口连通，第二单向阀（13）的入口与所述回转马达（14）的另一个油口连通，第二压力传感器（8）与工程机械的主变量泵（16）的出口连通；控制器（6）分别与第一压力传感器（7）、第二压力传感器（8）、液压马达（1）、第一电磁换向阀（3）、第二电磁换向阀（10）电连接；

控制器（6）能够根据第二压力传感器（8） 检测到的主变量泵（16）的出口压力获得工程机械的发动机（15）的负载功率，当所述发动机（15）的负载功率大于其额定功率时，控制器（6）使第一电磁换向阀（3）得电，控制器（6）通过调节液压马达（1）的排量使发动机（15）的负载功率等于额定功率；当所述发动机（15）的负载功率低于其额定功率时，控制器（6）使第一电磁换向阀（3）断电且使第二电磁换向阀（10）得电，控制器（6）通过调节液压马达（1）的排量使发动机（15）的负载功率等于其额定功率。

3.根据权利要求1或2所述的电液***，其特征是：还包括安全阀（5），所述安全阀（5）的入口与液压能存储单元（2）连通，安全阀（5）的出口与所述油箱连通。

4.根据权利要求1或2所述的电液***，其特征在于：所述液压马达（1）为变量马达或定量马达。

5.根据权利要求1或2所述的电液***，其特征在于：所述液压马达（1）为泵/马达。

6.根据权利要求1或2所述的电液***，其特征在于：所述液压能存储单元（2）为蓄能器。

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