CN109113120A - 一种电液复合的动臂能量回收*** - Google Patents

一种电液复合的动臂能量回收*** Download PDF

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CN109113120A CN201811043124.2A CN201811043124A CN109113120A CN 109113120 A CN109113120 A CN 109113120A CN 201811043124 A CN201811043124 A CN 201811043124A CN 109113120 A CN109113120 A CN 109113120A
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陈其怀
林添良
任好玲
付胜杰
缪骋
吕若曦
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
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Abstract

本发明专利提供一种电液复合的动臂能量回收***。平衡油缸活塞与电动‑发电机通过直线转旋转运动副相连，平衡油缸筒与电动/发电机相对位置保持不变。当动臂下降时，平衡油缸无杆腔中的高压油流进液压蓄能器中，将动臂下放过程中的部分势能和动能转化成液压能进行存储；同时，平衡油缸活塞带动运动副运动，运动副驱动动臂的部分势能和动能转换成电能存储在电储能单元中。当动臂上升时，液压蓄能器中的高压油流进平衡油缸无杆腔驱动动臂活塞上升；同时，电动/发电机从电储能单元中汲取电能驱动运动副旋转带动平衡油缸的活塞上升，平衡部分动臂和负载重量与原驱动油缸共同驱动动臂上升，以此来减小液压泵的输出能量。

Description

一种电液复合的动臂能量回收***
技术领域
本发明涉及一种能量回收***，特别是涉及一种电液复合的动臂能量回收***。
背景技术
随着社会发展，大气污染和能源紧缺等问题日益凸显。为改善空气质量提高能源利用率，众多国际组织、机构先后推出严格的发动机尾气排放限制法规，各政府部门倡导开发与推广节能减排技术。液压挖掘机作为一种典型的工程机械机种，被广泛应用于建筑、煤矿以及水利等领域，但由于其低效率、高排放引起了工业界与学术界的高度关注。目前，国内外针对挖掘机的节能技术开展了大量的研究工作。其中，动臂的能量回收是一种典型有效的节能方案。
对于液压挖掘机动臂势能的回收，主要分为电气式和液压式两种。电气式能量回收是在动臂油缸的无杆腔连接液压马达-发电机将机械能转化为液压能再转化成电能进行能量存储来实现。动臂下放的速度通过液压马达-发电机的转速或通过液压马达-发电机和比例换向阀复合控制实现。其中，采用液压马达-发电机控制动臂下放速度往往存在控制特性差的问题。而采用液压马达-发电机和比例换向阀复合控制虽然可以较好的解决操控性问题，但是能量的再利用与能量的回收不是同一条途径，所有动臂能量需经过从机械能-驱动油缸-液压控制阀-液压马达-发电机-电池/电容-电动机-液压泵-液压控制阀-驱动油缸等的多次能量转化环节方可实现动臂能量的回收和再利用，该过程能量转换环节较多，影响了***的能量的利用效率。液压式能量回收是另一种能量回收***，它是以液压蓄能器作为能量电能储能单元，因液压蓄能器具有功率密度大、回收/释放能量速度快和能量储存时间长等优点而成为研究焦点，且采用液压蓄能器作为能量电能储能单元的能量回收***成本较低。但采用液压蓄能器的能量回收***仍存在以下不足：1)只有当外部压力高于液压蓄能器内部压力时，能量回收***才能工作；且只有当液压蓄能器内压力高于其外部压力时才能实现能量释放。2)在能量回收过程中，液压蓄能器的压力将逐渐升高，这必然会影响执行器的操控性。3)在能量再利用时，由于液压蓄能器内部压力高于外部压力才能释放，而在释放的过程中，液压蓄能器的内部压力将逐渐减小，为有效控制液压蓄能器的释放压力，需在液压蓄能器出口外加控制阀来匹配压力，这势必会造成能量的再利用率降低。目前也有采用平衡油缸来回收动臂势能的方案，由于平衡油缸的运动为直线运动，而电气式能量回收的主要能源转化元件为电机。传统平衡油缸能量回收方案仍是采用平衡油缸-液压马达-发电机-电能储能单元的方法，但动臂势能回收和再利用必须经过能量的多次转换，降低了能量回收和再利用效率。因此一般对有平衡单元的动臂进行能量回收时，一般采用液压蓄能器作为能量电能储能单元，这也必然存在利用液压蓄能器后存在的上述不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，避免了传统电气式能量回收***能量回收和再利用转换环节多造成能量利用率低的不足之处。同时，不存在液压式储能中液压蓄能器中，能量存储和释放的过程压力不受控制的弊端；不仅能对动臂势能进行回收和再利用，减少能量流转化路径，且在此过程中，原动臂的操控性不变。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电液复合的动臂能量回收***，包括电动机、液压泵、溢流阀、多路阀、控制器、动臂先导控制手柄、原驱动油缸、平衡油缸、液压储能器、2/2换向阀、第一3/4换向阀、第二3/4换向阀、直线转旋转运动副、电动-发电机、电动-发电机控制器、电动机控制器和电能储能单元；
所述液压泵由所述电动机同轴连接并驱动，溢流阀连接至所述液压泵；所述液压泵的出口与溢流阀的入口和多路阀的P口相连，同时液压泵的出口压力信号输入到控制器中；多路阀的T口连油箱，多路阀的A口与原驱动油缸无杆腔相连，多路阀的B口与原驱动油缸有杆腔和第一3/4换向阀的P口相连；多路阀A口和B口的压力信号输入到控制器中；多路阀的C口连油箱；
所述多路阀的A口与所述原驱动油缸的无杆腔相连接，多路阀的B口与原驱动油缸的有杆腔相连；第一3/4换向阀的A口与第二3/4换向阀的T口相连；第二3/4换向阀的P口通过所述2/2换向阀连接至所述液压储能器，第二3/4换向阀的A口连接至所述平衡油缸的无杆腔，第二3/4换向阀的B口连接至所述平衡油缸的有杆腔；
平衡油缸与原驱动油缸机械并联连接，并通过力在动臂上耦合；平衡油缸活塞与直线转旋转运动副机械相连；直线转旋转运动副与发电机电动-发电机机械相连；平衡油缸筒与发电机电动-发电机的相对位置保持不变；
电动-发电机与发电机电动-发电机控制器相连，发电机电动-发电机控制器与电能储能单元相连；发电机电动-发电机控制器与控制器相连，由控制器向发电机电动-发电机发布控制指令；动臂先导控制手柄的输出信号输入到控制器中，实现动臂的上升下放。
其中一较佳实施例中，当动臂操作手柄处于表征动臂下放位置时，此时所述控制器输出信号使所述多路阀右侧控制油路接高压油，使多路阀处于右位工作，此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通；控制器输出信号使2/2换向阀处于上位工作，此时其油口A与B相通；控制器输出信号使第一3/4换向阀处于上位工作，此时其油口P与A相通，其油口T与B相通；控制器输出信号使第二3/4换向阀处于上位工作，此时其油口P与A相通，油口T与B相通；控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油部分进入到动臂原驱动油缸，部分液压油经第一3/4换向阀和第二3/4换向阀进入平衡油缸的有杆腔，动臂原驱动油缸的无杆腔通过多路阀的阀口A经阀口T回油箱，平衡油缸的无杆腔通过第二3/4换向阀和2/2换向阀流进蓄能器，动臂下放；平衡油缸活塞带动直线转旋转运动副向下运动，此时控制器向电动-发电机控制器发布转速控制指令，控制电动-发电机的转速进而控制动臂的下放速度，由于电动-发电机的转速方向与转矩方向相反，从而带动电动-发电机处于发电状态，将动臂的重力势能转换成电能存储在电电能储能单元中。
其中一较佳实施例中，当动臂先导控制手柄处于表征动臂上升位置时，所述控制器输出信号使所述多路阀左侧控制油路接高压油，使多路阀处于左位工作，使其油口P与油口A相通，其油口T和油口B相通；控制器输出信号使所述2/2换向阀处于上位工作，此时其油口A与B相通；控制器输出信号使第一3/4换向阀处于下位工作，此时其油口P与B相通，油口T与A相通；控制器输出信号使第二3/4换向阀处于上位工作，此时其油口P与A相通，其油口T与A相通；控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油进入到动臂原驱动油缸的无杆腔；动臂原驱动油缸的有杆腔通过多路阀的油口B经阀口T回油箱；液压蓄能器中的液压油通过2/2换向阀和第二3/4换向阀流进平衡油缸的无杆腔，驱动平衡油缸的活塞上升，实现回收液压能的释放；平衡油缸的上腔即有杆腔通过第二3/4换向阀和第一3/4换向阀回油箱；所述控制器向电动-发电机控制器发布转速控制指令，控制电动-发电机的转速进而带动直线转旋转运动副向上运动驱动平衡油缸活塞上升从而控制动臂上升的速度，所述电动-发电机的转速方向和转矩方向相同，电动-发电机从电能储能单元中汲取能量转化为动臂势能、动能实现回收能再利用。
其中一较佳实施例中，当动臂处于挖掘模式时，通过控制器输出信号使多路阀处于右位工作，此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通。液压泵输出的液压油经过多路阀4进入动臂原驱动油缸有杆腔，动臂原驱动油缸的下腔即无杆腔中的液压油通过多路阀回油箱。控制器输出信号使2/2换向阀处于上位工作，此时油口A与B相通；控制器输出信号使第一3/4换向阀处于下位工作，此时油口P与B相通，油口T与A相通；控制器输出信号使第二3/4换向阀处于下位工作，此时油口P与B相通，油口T与A相通。液压蓄能器中的高压油通过2/2换向阀和第二3/4换向阀流入平衡油缸的上腔即有杆腔，平衡油缸的下腔即无杆腔中的液压油通过第二3/4换向阀和第一3/4换向阀回油箱；同时，控制器向电动-发电机控制器发布转矩控制指令，控制电动-发电机的转矩带动直线转旋转运动副下放，从而带动平衡油缸活塞产生下降的驱动力进一步促使动臂向下挖掘；所述电动-发电机的转速方向与转矩方向相同，电动-发电机从电能储能单元中汲取能量转化为动臂挖掘的驱动力实现能量再利用。
本发明的有益效果是：
本发明专利利用平衡油缸和原驱动油缸协同工作来承担动臂作用力，相当于原驱动油缸驱动一个较小的负载，这样就降低了液压泵的功率输出，从而有利于降低能量消耗；平衡油缸利用液压蓄能器将动臂下放过程中，动臂高压油腔的高压油进行存储。为保证动臂下放的操控性，使其不受液压蓄能器内液压油压力变化的影响。利用直线转旋转运动副和电动-发电机来控制动臂下放的速度，同时将部分动臂的势能、动能转化为电能进行存储。当动臂上升时，液压蓄能器中的液压油流进平衡油缸无杆腔推动平衡油缸上升，同时利用直线转旋转运动副和电动-发电机控制油缸活塞上升速度，将电能转化成机械能，与原驱动油缸协同工作驱动动臂上升。该***避免了传统电气式能量回收***能量回收和再利用转换环节多造成能量利用率低的不足之处。同时，不存在液压式储能中液压蓄能器中，能量存储和释放的过程压力不受控制的弊端。当处于挖掘工况时，由于此时动臂油缸的位移很小，即所需流量小但压力大，此时可以通过液压蓄能器接平衡油缸无杆腔，利用液压蓄能器内的液压油推动动臂的同时，控制电动-发电机的转矩驱动平衡缸协同驱动负载运动，从而可以使驱动电机怠速运行，降低能量消耗。平衡油缸、液压蓄能器与电动-发电机的加入，不仅能对动臂势能进行回收和再利用，减少能量流转化路径，且在此过程中，原动臂的操控性不变。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种电液复合的动臂能量回收***不局限于实施例。
附图说明
图1是一种电机直驱式动臂能量回收***原理图。
图中标示对应如下：
1、电动机；2、液压泵；3、溢流阀；4、多路阀；5、控制器；6、原驱动油缸；7、平衡油缸；8、运动副；9、电动-发电机；10、电动-发电机控制器；11、电电能储能单元；12、电动机控制器；13、动臂先导控制手柄；14、2/2换向阀；15、第一3/4换向阀；16、液压蓄能器；17、第二3/4换向阀。
具体实施方式
实施例：
下面结合附图和具体实施例对本发明专利作进一步说明。
参考图1，
(1)动臂下降能量回收：
当动臂先导控制手柄13处于表征动臂下放位置时，此时控制器5输出信号使多路阀4右侧控制油路接高压油，使多路阀4处于右位工作，此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通。控制器5向电动机控制器12发布转速控制指令，电动机1带动液压泵2输出的液压油进入到动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的上腔即有杆腔，动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的下腔即无杆腔通过多路阀的油口A回油箱，动臂下降；平衡油缸7活塞带动直线转旋转运动副8向下运动，此时控制器5向发电机电动-发电机控制器10发布转速控制指令，控制发电机电动-发电机9的转速进而控制动臂的下放速度，由于发电机电动-发电机9的转速方向与转矩方向相反，从而带动发电机电动-发电机9处于发电状态，将动臂的重力势能转换成电能存储在电能储能单元11中。与原驱动***相比，由于平衡油缸7和发电机电动-发电机9的存在，通过调整发电机电动-发电机9的转速，可以控制平衡油缸7活塞的运行速度，进而实现对动臂的下放速度的控制，避免了原驱动油缸6在下放过程中，为避免动臂过快下放，而设置的背压，因而降低了原驱动***的节流损失；同时与利用蓄能器回收重力势能的***相比，不会出现由于动臂的下降，蓄能器中的压力逐渐升高，从而影响动臂的下放的情况出现。
(2)动臂上升能量再利用：
当动臂先导控制手柄13处于表征动臂上升位置时，此时控制器5输出信号使多路阀4左侧控制油路接高压油，使多路阀4处于左位工作，使其油口P与油口A相通，油口T和油口B相通，控制器5向电动机控制器12发布转速控制指令，电动机1带动液压泵2输出的液压油进入到动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的下腔即无杆腔，驱动动臂上升。动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的上腔即有杆腔通过多路阀的油口B回油箱；此时控制器5向发电机电动-发电机控制器10发布转速控制指令，控制发电机电动-发电机9的转速进而带动直线转旋转运动副8向上运动驱动平衡油缸7活塞上升从而控制动臂上升的速度，由于发电机电动-发电机9的转速方向与转矩方向相同，发电机电动-发电机9从电能储能单元11中汲取能量转化为动臂势能、动能实现回收能再利用。
由于原驱动油缸6与平衡油缸7机械并联，在动臂上通过力耦合，因此相当于原驱动油缸6驱动一个较小的负载；原驱动油缸6与平衡油缸7按照其有效作用面积及压力来分配所承担的对比重量。由于平衡油缸87平衡了一部分动臂重力，因此原驱动油缸76所需要的驱动力减小，液压泵2可以输出较低的功率。通过平衡油缸、直线转旋转运动副以及发电机电动-发电机，可以降低***的输出功率，降低能量损耗，实现了动臂势能的再利用。
在动臂能量再利用过程中，能量的释放过程与能量的回收是同一通道，从而减少了能量转换环节，简化了***结构，提高了能量的利用率。
(3)挖掘能量再利用：
当挖掘机处于挖掘模式时，动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的活塞的位移很小，但是需要原驱动油缸6和平衡油缸7上腔即有杆腔提供具有较大的压力来产生足够的挖掘力，在原挖掘机***中，当处于挖掘模式时，为提供大驱动力，大量的液压油需要经溢流阀3回油箱，造成很大的溢流能量损失。
此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通。控制器5向电动机控制器12发布转速控制指令，电动机1带动液压泵2输出的液压油进入到动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的上腔即有杆腔，动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的下腔即无杆腔通过多路阀的油口A回油箱，动臂下降；平衡油缸7活塞带动直线转旋转运动副8向下运动，此时控制器5向发电机控制器10发布转速控制指令，控制发电机9的转速进而控制动臂的下放速度，由于发电机9的转速方向与转矩方向相反，从而带动发电机9处于发电状态，将动臂的重力势能转换成电能存储在电能储能单元11中。
在本发明所示的***中，控制器5输出信号使多路阀4处于右位工作，此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通。控制器5向电动机控制器12发布转速控制指令，电动机1带动液压泵2输出的液压油进入到动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的上腔即有杆腔进行补油，动臂原驱动油缸6和平衡油缸7的下腔即无杆腔通过多路阀的油口A回油箱。此时控制器5向发电机电动-发电机控制器10发布转矩控制指令，控制发电机电动-发电机9的转矩带动直线转旋转运动副8下放，从而带动平衡油缸活塞产生下降的驱动力使动臂向下挖掘。由于发电机电动-发电机9的转速方向与转矩方向相同，发电机电动-发电机9从电能储能单元11中汲取能量转化为动臂挖掘的驱动力实现能量再利用。
在挖掘模式时，由于平衡油缸87提供了挖掘所需的作用力，使液压泵2仅需对原动臂驱动油缸6和平衡油缸7的上腔即有杆腔进行补油，避免了大量的溢流损失，提高了能量的利用率。并且在次此过程中，储存在电能储能单元11中的电能释放通道与能量回收通道以及动臂上升时的能量再利用通道一致，减少了能量转换环节，简化了***结构。
以上所述仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明的技术范围，故凡依本发明的技术实质及说明书内容所作的等效变化与修饰，均应属本发明技术方案的范围内。上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种电液复合的动臂能量回收***，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电液复合的动臂能量回收***，其特征在于：包括电动机、液压泵、溢流阀、多路阀、控制器、动臂先导控制手柄、原驱动油缸、平衡油缸、液压储能器、2/2换向阀、第一3/4换向阀、第二3/4换向阀、直线转旋转运动副、电动-发电机、电动-发电机控制器、电动机控制器和电能储能单元；
所述液压泵由所述电动机同轴连接并驱动，溢流阀连接至所述液压泵；所述液压泵的出口与溢流阀的入口和多路阀的P口相连，同时液压泵的出口压力信号输入到控制器中；多路阀的T口连油箱，多路阀的A口与原驱动油缸无杆腔相连，多路阀的B口与原驱动油缸有杆腔和第一3/4换向阀的P口相连；多路阀A口和B口的压力信号输入到控制器中；多路阀的C口连油箱；
所述多路阀的A口与所述原驱动油缸的无杆腔相连接，多路阀的B口与原驱动油缸的有杆腔相连；第一3/4换向阀的A口与第二3/4换向阀的T口相连；第二3/4换向阀的P口通过所述2/2换向阀连接至所述液压储能器，第二3/4换向阀的A口连接至所述平衡油缸的无杆腔，第二3/4换向阀的B口连接至所述平衡油缸的有杆腔；
平衡油缸与原驱动油缸机械并联连接，并通过力在动臂上耦合；平衡油缸活塞与直线转旋转运动副机械相连；直线转旋转运动副与发电机电动-发电机机械相连；平衡油缸筒与发电机电动-发电机的相对位置保持不变；
电动-发电机与发电机电动-发电机控制器相连，发电机电动-发电机控制器与电能储能单元相连；发电机电动-发电机控制器与控制器相连，由控制器向发电机电动-发电机发布控制指令；动臂先导控制手柄的输出信号输入到控制器中，实现动臂的上升下放。
2.根据权利要求1所述的一种电液复合的动臂能量回收***，其特征在于：当动臂操作手柄处于表征动臂下放位置时，此时所述控制器输出信号使所述多路阀右侧控制油路接高压油，使多路阀处于右位工作，此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通；控制器输出信号使2/2换向阀处于上位工作，此时其油口A与B相通；控制器输出信号使第一3/4换向阀处于上位工作，此时其油口P与A相通，其油口T与B相通；控制器输出信号使第二3/4换向阀处于上位工作，此时其油口P与A相通，油口T与B相通；控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油部分进入到动臂原驱动油缸，部分液压油经第一3/4换向阀和第二3/4换向阀进入平衡油缸的有杆腔，动臂原驱动油缸的无杆腔通过多路阀的阀口A经阀口T回油箱，平衡油缸的无杆腔通过第二3/4换向阀和2/2换向阀流进蓄能器，动臂下放；平衡油缸活塞带动直线转旋转运动副向下运动，此时控制器向电动-发电机控制器发布转速控制指令，控制电动-发电机的转速进而控制动臂的下放速度，由于电动-发电机的转速方向与转矩方向相反，从而带动电动-发电机处于发电状态，将动臂的重力势能转换成电能存储在电电能储能单元中。
3.根据权利要求1所述的一种电液复合的动臂能量回收***，其特征在于：当动臂先导控制手柄处于表征动臂上升位置时，所述控制器输出信号使所述多路阀左侧控制油路接高压油，使多路阀处于左位工作，使其油口P与油口A相通，其油口T和油口B相通；控制器输出信号使所述2/2换向阀处于上位工作，此时其油口A与B相通；控制器输出信号使第一3/4换向阀处于下位工作，此时其油口P与B相通，油口T与A相通；控制器输出信号使第二3/4换向阀处于上位工作，此时其油口P与A相通，其油口T与A相通；控制器向电动机控制器发布转速控制指令，电动机带动液压泵输出的液压油进入到动臂原驱动油缸的无杆腔；动臂原驱动油缸的有杆腔通过多路阀的油口B经阀口T回油箱；液压蓄能器中的液压油通过2/2换向阀和第二3/4换向阀流进平衡油缸的无杆腔，驱动平衡油缸的活塞上升，实现回收液压能的释放；平衡油缸的上腔即有杆腔通过第二3/4换向阀和第一3/4换向阀回油箱；所述控制器向电动-发电机控制器发布转速控制指令，控制电动-发电机的转速进而带动直线转旋转运动副向上运动驱动平衡油缸活塞上升从而控制动臂上升的速度，所述电动-发电机的转速方向和转矩方向相同，电动-发电机从电能储能单元中汲取能量转化为动臂势能、动能实现回收能再利用。
4.根据权利要求1所述的一种电液复合的动臂能量回收***，其特征在于：当动臂处于挖掘模式时，通过控制器输出信号使多路阀处于右位工作，此时其油口P与B相通，油口A与油口T相通。液压泵输出的液压油经过多路阀4进入动臂原驱动油缸有杆腔，动臂原驱动油缸的下腔即无杆腔中的液压油通过多路阀回油箱。控制器输出信号使2/2换向阀处于上位工作，此时油口A与B相通；控制器输出信号使第一3/4换向阀处于下位工作，此时油口P与B相通，油口T与A相通；控制器输出信号使第二3/4换向阀处于下位工作，此时油口P与B相通，油口T与A相通。液压蓄能器中的高压油通过2/2换向阀和第二3/4换向阀流入平衡油缸的上腔即有杆腔，平衡油缸的下腔即无杆腔中的液压油通过第二3/4换向阀和第一3/4换向阀回油箱；同时，控制器向电动-发电机控制器发布转矩控制指令，控制电动-发电机的转矩带动直线转旋转运动副下放，从而带动平衡油缸活塞产生下降的驱动力进一步促使动臂向下挖掘；所述电动-发电机的转速方向与转矩方向相同，电动-发电机从电能储能单元中汲取能量转化为动臂挖掘的驱动力实现能量再利用。
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