用於工程機械的迴轉制動的能量回收及釋放的電液系統的製作方法

2023-06-05 02:13:01

用於工程機械的迴轉制動的能量回收及釋放的電液系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種用於工程機械的迴轉制動的能量回收及釋放的電液系統，包括能量回收及釋放機構和控制單元，控制單元包括控制器和第一壓力傳感器，能量回收及釋放機構包括液壓能存儲單元、電磁換向閥、液壓馬達、順序閥、第一單向閥和第二單向閥。本發明能夠將工程機械迴轉制動時產生的動能通過液壓能存儲單元儲存起來，控制器根據主變量泵負載控制電磁換向閥釋放液壓能存儲單元儲存的能量，驅動液壓馬達為主變量泵提供扭矩，以降低發動機的燃油消耗，提高工程機械的工作效率。
【專利說明】用於工程機械的迴轉制動的能量回收及釋放的電液系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於工程機械能量回收的系統，尤其涉及一種用於工程機械迴轉制動能量回收及釋放的電液系統。
【背景技術】
[0002]隨著科技的發展，能源的消耗以及環境的惡化已經成為全球性的問題，目前，世界各國都將節能減排工作放在十分重要的位置。工程機械在使用中能源消耗大，排放汙染多，而且使用量極大，對能源的浪費和環境的汙染帶來很大的影響，因此研究工程機械的節能問題具有十分重要的意義。許多工程機械存在頻繁的迴轉工況，而在迴轉過程中，由於負載慣性較大，制動過程中會釋放出大量的能量，在目前絕大多數迴轉工程機械中，這部分能量是通過溢流損失消耗掉，這不僅造成了能量的浪費，溢流產生的熱量也會縮短器件的使用壽命，甚至對系統的穩定性造成影響。
[0003]目前，工程機械節能的形式主要是混合動力。其中，油電混合方式因其結構簡單，易於實現，成為混合動力的主要形式。油電混合動力將工程機械迴轉制動或者液壓缸下降的能量轉換為電能儲存起來。釋放的時候，再將這部分能量轉化為機械能，為發動機提供功率。轉換成電能需要超級電容或者蓄電池，由於超級電容和蓄電池的功率密度小，且造價很高，在頻繁迴轉的工況下，效果欠佳。

【發明內容】

[0004]本發明提供一種用於工程機械迴轉制動能量回收及釋放的電液系統，能夠自動將工程機械迴轉制動時產生的能量通過液壓能存儲單元儲存起來，控制器根據主泵需求控制第一電磁換向閥釋放液壓能存儲單元所存儲的能量，驅動變量液壓馬達為主泵提供扭矩，以降低發動機的負載功率，減少工程機械的油耗，提高工程機械的工作效率。
[0005]為實現上述目的，本發明所採取的技術方案是:本發明一種用於工程機械的迴轉制動的能量回收及釋放的電液系統包括能量回收及釋放機構和控制單元，所述控制單元包括控制器和第一壓力傳感器，能量回收及釋放機構包括液壓能存儲單元、第一電磁換向閥、液壓馬達、順序閥、第一單向閥和第二單向閥，所述液壓馬達與工程機械的主變量泵同軸連接，液壓馬達的A 口與第一電磁換向閥的一個埠連通，第一電磁換向閥的另一個埠、液壓能存儲單元、順序閥的出口和第一壓力傳感器相互連通，液壓馬達的B 口與工程機械的油箱連通，順序閥的入口同時與第一單向閥的出口、第二單向閥的出口連通，第一單向閥的入口與工程機械的迴轉馬達的一個油口連通，第二單向閥(13)的入口與工程機械的迴轉馬達的另一個油口連通；控制器分別與第一壓力傳感器、液壓馬達、第一電磁換向閥電連接；
當第一壓力傳感器檢測到液壓能存儲單元的壓力值大於或等於液壓能存儲單元的最低工作壓力值時，控制器使第一電磁換向閥得電開啟，液壓能存儲單元內的高壓油經液壓馬達釋放出去；當第一壓力傳感器檢測到液壓能存儲單元的壓力值低於液壓能存儲單元的最低工作壓力值時，控制器使第一電磁換向閥斷電關閉，同時控制器調節液壓馬達的排量至最小排量值。
[0006]本發明另一種用於工程機械迴轉制動能量回收及釋放的電液系統包括能量回收及釋放機構和控制單元，所述控制單元包括控制器、第一壓力傳感器和第二壓力傳感器，能量回收及釋放機構包括液壓能存儲單元、第一電磁換向閥、第二電磁換向閥、液壓馬達、順序閥、第一單向閥、第二單向閥、第三單向閥和第四單向閥，液壓馬達與工程機械的主變量泵的泵軸同軸連接，液壓馬達的A 口同時與第一電磁換向閥的一個埠、第四單向閥的出口連通，第一電磁換向閥的另一個埠、液壓能存儲單元、順序閥的出口、第三單向閥的出口和第一壓力傳感器相互連通，液壓馬達的B 口與第二電磁換向閥的P 口連通，第二電磁換向閥的A 口與第三單向閥的入口連通，第二電磁換向閥的B 口與工程機械的油箱連通，順序閥的入口同時與第一單向閥、第二單向閥的出口連通，第一單向閥的入口與工程機械的迴轉馬達的一個油口連通，第二單向閥的入口與所述迴轉馬達的另一個油口連通，第二壓力傳感器與工程機械的主變量泵的出口連通；控制器分別與第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、液壓馬達、第一電磁換向閥、第二電磁換向閥電連接；
控制器能夠根據第二壓力傳感器檢測到的主變量泵的出口壓力獲得工程機械的發動機的負載功率，當所述發動機的負載功率大於其額定功率時，控制器使第一電磁換向閥得電，控制器通過調節液壓馬達的排量使發動機的負載功率等於額定功率；當所述發動機的負載功率低於其額定功率時，控制器使第一電磁換向閥斷電且使第二電磁換向閥得電，控制器通過調節液壓馬達的排量使發動機的負載功率等於其額定功率。
[0007]進一步地，本發明還包括安全閥，所述安全閥的入口與液壓能存儲單元連通，安全閥的出口與所述油箱連通。
[0008]進一步地，本發明所述液壓馬達為變量馬達或定量馬達。
[0009]進一步地，本發明所述液壓馬達為泵/馬達。
[0010]進一步地，本發明所述液壓能存儲單元為蓄能器。
[0011]本發明電液系統將工程機械迴轉啟動及制動過程溢流所產生的液壓能用液壓能存儲單元存儲起來，所存儲的液壓能通過液壓馬達轉化成機械能釋放到工程機械的主變量泵，和工程機械的發動機混合驅動主變量泵。
[0012]與【背景技術】相比，本發明具有的有益效果是:
(1)在本發明中，迴轉制動動能回收採用蓄能器作為能量存儲元件，釋放時直接用油液驅動液壓馬達，較超級電容及蓄電池而言，減少了能量轉換的環節，提高了能量轉換的效率。而且蓄能器帶動液壓馬達輸出的功率密度較大，能夠瞬時提供大量的能量，在工程機械這種快速工作場合下更為適用。其次，工程機械的環境複雜，有的甚至十分惡劣，應用蓄能器的電液系統對環境的要求遠低於蓄電池對環境的要求。
[0013](2)本發明獨立於現有工程機械的液壓系統之外，對工程機械的現有系統不進行太大的改動，不影響操作人員對工程機械的操作習慣。此外，本發明中的能量回收及釋放機構原理簡單，元件較少，而且與採用蓄電池的混合動力系統相比，價格十分低廉，降低了整套系統的成本。
[0014](3)本發明通過使用第一單向閥和第二單向閥將工程機械的迴轉馬達的制動能量存儲進液壓能存儲單元裡，無需識別迴轉馬達的制動方向。
[0015](4)本發明能夠自動根據主變量泵負載需求，通過控制器對液壓馬達的調節，以維持發動機工作在一個較低的恆定輸出功率，節能效果顯著。簡化了能量回收系統的液壓迴路，對信號的控制也提供了很大的方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明第一種實施方式的電液系統的結構理圖；
圖2為本發明第二種實施方式的電液系統的結構原理圖；
圖中，1.液壓馬達、2.液壓能存儲單元、3.第一電磁換向閥、4.順序閥、5.安全閥、
6.控制器、7.第一壓力傳感器、8.第二壓力傳感器、9.第三單向閥、10.第二電磁換向閥、
11.第四單向閥、12.第一單向閥、13.第二單向閥、14.迴轉馬達、15.發動機、16.主變量泵、17.油箱。
【具體實施方式】
[0017]在本發明中，工程機械是指挖掘機械、鏟土運輸機械、全迴轉拔樁機械等用於工程建設中的迴轉運動頻繁的施工機械。
[0018]圖1示出了本發明的一種結構的電液系統的工作原理圖。如圖1所示，本發明電液系統主要包括能量回收及釋放機構和控制單元，其中，控制單元包括控制器6和第一壓力傳感器7，能量回收及釋放機構包括液壓能存儲單元2、第一電磁換向閥3、液壓馬達1、順序閥4、第一單向閥12和第二單向閥13。液壓馬達1與工程機械的主變量泵16同軸連接，液壓馬達1的A 口與第一電磁換向閥3的一個埠連通，第一電磁換向閥3的另一個埠、液壓能存儲單元2、順序閥4的出口和第一壓力傳感器7相互連通，液壓馬達1的B 口與工程機械的油箱17連通，順序閥4的入口同時與第一單向閥12的出口、第二單向閥13的出口連通，第一單向閥12的入口與工程機械的迴轉馬達14的一個油口連通，第二單向閥13的入口與工程機械的迴轉馬達14的另一個油口連通，控制器6分別與第一壓力傳感器7、液壓馬達1、第一電磁換向閥3電連接。
[0019]本發明第一種實施方式的電液系統工作時，當第一壓力傳感器7檢測到液壓能存儲單元2內的壓力值大於或等於液壓能存儲單元2的最低工作壓力值時，控制器6使第一電磁換向閥3得電開啟，液壓能存儲單元2內的高壓油經液壓馬達1釋放出去；當第一壓力傳感器7所檢測的液壓能存儲單元2內的壓力值低於液壓能存儲單元2的最低工作壓力值時，控制器6使第一電磁換向閥3斷電關閉，同時控制器6調節液壓馬達的排量至最小排量值。
[0020]在本發明第一種實施方式中，迴轉馬達14的兩個油口的分別與第一單向閥12的入口及第二單向閥13的入口連通，第一單向閥12和第二單向閥13的出口合流後與順序閥4的入口連通，順序閥4的出口與液壓能存儲單元2連通，當迴轉馬達14制動時，本發明電液系統無需識別迴轉馬達14的制動方向，即可將壓力油充入液壓能存儲單元2中。只要液壓能存儲單元2中存在可以釋放的高壓油就能使第一電磁換向閥7得電開啟，液壓能存儲單元2內的高壓油通過液壓馬達1以機械能的形式釋放到工程機械的負載泵上；當液壓能存儲單元2內的高壓油釋放完時，控制器6調節液壓馬達1的排量到最小排量處，以減少對工程機械的性能的影響。本發明第一種實施方式無需實時調節液壓馬達1的排量，簡單易行、成本低。[0021]圖2示出了本發明的第二種實施方式的電液系統的工作原理圖。如圖2所示，本發明用於工程機械迴轉制動能量回收及釋放的電液系統主要包括能量回收及釋放機構和控制單元，其中，控制單元包括控制器6、第一壓力傳感器7和第二壓力傳感器8，能量回收及釋放機構包括液壓能存儲單元2、第一電磁換向閥3、第二電磁換向閥10、液壓馬達1、順序閥4、第一單向閥12、第二單向閥13第三單向閥9和第四單向閥11，液壓馬達1與工程機械的主變量泵16的泵軸同軸連接，液壓馬達的A 口同時與第一電磁換向閥3的一個埠、第四單向閥11的出口連通，第一電磁換向閥3的另一個埠、液壓能存儲單元2、順序閥4的出口、第三單向閥9的出口和第一壓力傳感器7相互連通，液壓馬達的B 口與第二電磁換向閥10的P 口連通，第二電磁換向閥10的A 口與第三單向閥9的入口連通，第二電磁換向閥10的B 口與油箱連通，順序閥4的入口同時與第一單向閥12、第二單向閥13的出口連通，第一單向閥12的入口與工程機械的迴轉馬達14的一個油口連通，第二單向閥13的入口與工程機械的迴轉馬達14的另一個油口連通；控制器6分別與第一壓力傳感器7、第二壓力傳感器8、液壓馬達1、第一電磁換向閥3、第二電磁換向閥10電連接。
[0022]本發明第二種實施方式的電液系統工作時，第二壓力傳感器8檢測主變量泵16的出口壓力反饋給控制器6，控制器6由此獲得發動機的負載功率。當工程機械的發動機15的負載功率大於其額定功率時，控制器6使第一電磁換向閥3得電，控制器6調節液壓馬達1的排量使發動機的負載功率等於額定功率；當發動機15的負載功率低於其額定功率時，控制器6使第一電磁換向閥3斷電且使第二電磁換向閥10得電，調節液壓馬達的排量使發動機負載功率等於其額定功率。
[0023]對本發明的第二種實施方式而言，當迴轉馬達制動時，迴轉馬達14的兩個油口的分別與第一單向閥12的入口及第二單向閥13的入口連通，第一單向閥和第二單向閥的出口合流後與順序閥4的入口連通，順序閥4的出口與液壓能存儲單元2連通，當迴轉馬達14制動時，本發明電液系統無需識別迴轉馬達14的制動方向，即可將壓力油充入液壓能存儲單元2中。控制器6根據工程機械的主變量泵16的負載大小及液壓能存儲單元2內的儲能壓力值來控制第一電磁換向閥3、第二電磁換向閥10及液壓馬達1的排量，維持發動機15的輸出功率在平均功率點及最佳功率點上，以實現降低發動機的油耗的效果。在迴轉工作的一個循環工況中，如果在一段時間內，工程機械的發動機15的負載基本不變，那麼控制器6會控制發動機5保持在某一個恆定的輸出功率，該功率是此段時間內做功的平均功率。當原系統的迴轉馬達14迴轉啟動時，需要的功率較大，而此時發動機15又維持在特定的平均功率不能滿足輸出條件，那麼就需要液壓能存儲單元2驅動液壓馬達來提供功率。隨著釋放的進行，液壓能存儲單元2中的壓力是非線性的改變的，控制器控制液壓馬達1的排量，使輸出的功率滿足條件。與現有的工程機械節能設備相比，本發明可以在保證原工程機械工作效率不降低的情況下降低發動的油耗，節能效果十分明顯。此外，本發明獨立於現有工程機械的油路系統，對工程機械的液壓迴路改動很小，不影響操作人員對工程機械的使用習慣。
[0024]為了保證液壓能存儲單元2的工作壓力不至於超過其所允許的最高額定壓力，本發明電液系統還可進一步包括安全閥5。安全閥5的入口與液壓能存儲單元2連通，安全閥5的出口與工程機械的油箱連通。本發明電液系統工作時，液壓能存儲單元2的工作壓力超過安全閥5設定的壓力時，液壓能存儲單元2內的高壓油經安全閥5流入油箱，以限定其最高工作壓力。
[0025]在本發明中，液壓馬達I優選為變量馬達、定量馬達或泵/馬達，液壓能存儲單元2優選為蓄能器。
[0026]與現有的能量回收及混合動力系統相比，本發明電液系統採用第一單向閥12、第二單向閥13實現自動將制動高壓油引入液壓能存儲單元2中回收，通過液壓馬達I將液壓能存儲單元2中的高壓油以機械能的形式回收利用。本發明優選採用蓄能器作為液壓能存儲單元，較超級電容及蓄電池有更高的功率密度及釋放的快速性，而且油路簡單，不用經過發電機15的轉換，且成本低，易於實現工程化應用。此外，本發明通過控制器6調節液壓馬達I的排量，可以改變發動機的負載功率，這樣就可以使發動機15工作在最佳燃油功率點附近，節能效果更加顯著。
【權利要求】
1.一種用於工程機械的迴轉制動的能量回收及釋放的電液系統，其特徵在於:包括能量回收及釋放機構和控制單元，所述控制單元包括控制器(6)和第一壓力傳感器(7)，能量回收及釋放機構包括液壓能存儲單元(2)、第一電磁換向閥(3)、液壓馬達(1)、順序閥(4)、第一單向閥(12)和第二單向閥(13)，所述液壓馬達(1)與工程機械的主變量泵(16)同軸連接，液壓馬達(1)的A 口與第一電磁換向閥(3)的一個埠連通，第一電磁換向閥(3)的另一個埠、液壓能存儲單元(2)、順序閥(4)的出口和第一壓力傳感器(7)相互連通，液壓馬達(1)的B 口與工程機械的油箱(17)連通，順序閥(4)的入口同時與第一單向閥(12)的出口、第二單向閥(13)的出口連通，第一單向閥(12)的入口與工程機械的迴轉馬達(14)的一個油口連通，第二單向閥(13)的入口與工程機械的迴轉馬達(14)的另一個油口連通；控制器(6)分別與第一壓力傳感器(7)、液壓馬達(1)、第一電磁換向閥(3)電連接；當第一壓力傳感器(7)檢測到液壓能存儲單元(2)的壓力值大於或等於液壓能存儲單元的最低工作壓力值時，控制器(6)使第一電磁換向閥(3)得電開啟，液壓能存儲單元(2)內的高壓油經液壓馬達(1)釋放出去；當第一壓力傳感器(7)檢測到液壓能存儲單元的壓力值低於液壓能存儲單元的最低工作壓力值時，控制器(6)使第一電磁換向閥(3)斷電關閉，同時控制器(6)調節液壓馬達(1)的排量至最小排量值。
2.一種用於工程機械迴轉制動能量回收及釋放的電液系統，其特徵在於:包括能量回收及釋放機構和控制單元，所述控制單元包括控制器(6)、第一壓力傳感器(7)和第二壓力傳感器(8)，能量回收及釋放機構包括液壓能存儲單元(2)、第一電磁換向閥(3)、第二電磁換向閥(10)、液壓馬達(1)、順序閥(4)、第一單向閥(12)、第二單向閥(13)、第三單向閥(9)和第四單向閥(11)，液壓馬達(1)與工程機械的主變量泵(16)的泵軸同軸連接，液壓馬達(1)的A 口同時與第一電磁換向閥(3)的一個埠、第四單向閥(11)的出口連通，第一電磁換向閥(3)的另一個埠、液壓能存儲單元(2)、順序閥(4)的出口、第三單向閥(9)的出口和第一壓力傳感器(7)相互連通，液壓馬達(1)的B 口與第二電磁換向閥(10)的P 口連通，第二電磁換向閥(10)的A 口與第三單向閥(9)的入口連通，第二電磁換向閥(10)的B 口與工程機械的油箱(17)連通，順序閥(4)的入口同時與第一單向閥(12)、第二單向閥(13)的出口連通，第一單向閥(12)的入口與工程機械的迴轉馬達(14)的一個油口連通，第二單向閥(13)的入口與所述迴轉馬達(14)的另一個油口連通，第二壓力傳感器(8)與工程機械的主變量泵(16)的出口連通；控制器(6)分別與第一壓力傳感器(7)、第二壓力傳感器(8)、液壓馬達(1)、第一電磁換向閥(3)、第二電磁換向閥(10)電連接；控制器(6)能夠根據第二壓力傳感器(8)檢測到的主變量泵(16)的出口壓力獲得工程機械的發動機(15)的負載功率,當所述發動機(15)的負載功率大於其額定功率時，控制器(6)使第一電磁換向閥(3)得電，控制器(6)通過調節液壓馬達(1)的排量使發動機(15)的負載功率等於額定功率；當所述發動機(15)的負載功率低於其額定功率時，控制器(6)使第一電磁換向閥(3)斷電且使第二電磁換向閥(10)得電，控制器(6)通過調節液壓馬達(1)的排量使發動機(15)的負載功率等於其額定功率。`
3.根據權利要求1或2所述的電液系統，其特徵是:還包括安全閥(5)，所述安全閥(5)的入口與液壓能存儲單元(2)連通，安全閥(5)的出口與所述油箱連通。
4.根據權利要求1或2所述的電液系統，其特徵在於:所述液壓馬達(1)為變量馬達或定量馬達。
5.根據權利要求1或2所述的電液系統，其特徵在於:所述液壓馬達(1)為泵/馬達。
6.根據權利要求1或2所述的電液系統，其特徵在於:所述液壓能存儲單元(2)為蓄能器。`
【文檔編號】F15B21/14GK103697023SQ201310728205
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】魏然, 朱高松, 賴振宇, 王貴成 申請人:浙江德泰機電工程有限公司