旋转运动制动能量液电混合回收利用系统

摘要

一种旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，增设有两位两通电磁换向阀、阻尼孔、两位四通电磁换向阀、两位三通液控换向阀、比例先导溢流阀、油箱、位移传感器、液压蓄能器、二变量活塞、液压马达/泵、DC‑DC转换器、超级电容、电源开关、电机转速控制器及电动/发电机，并通过压力或扭矩的容积调控，实现了存储能量的无节流、短转换链可控再生利用，提高了能量的回收再生效率，降低了控制系统的复杂程度，改进可用性。

权利要求

1.一种旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，包括有液压马达（1）、动力源（16）、主控制回路（17）及单向阀组（18）；其特征在于：增设有第Ⅰ两位两通电磁换向阀（2）、第Ⅱ两位两通电磁换向阀（3）、第Ⅰ阻尼孔（4a）、第Ⅱ阻尼孔（4b）、第Ⅲ阻尼孔（4 c）、两位四通电磁换向阀（5）、两位三通液控换向阀（6）、比例先导溢流阀（7）、油箱（8）、位移传感器（9）、液压蓄能器（10）、第一变量活塞（11a）、第二变量活塞（11b）、液压马达/泵（12）、DC-DC转换器（13）、超级电容（14）、电源开关（15）、电机转速控制器（19）、电动/发电机（20）；

所述电动/发电机（20）的输入端连接有所述电机转速控制器（19）的输出端、输出端连接有驱动所述液压马达/泵（12）；

所述DC-DC转换器（13）与所述超级电容（14）并联接入所述电机转速控制器（19）；

所述液压马达/泵（12）的油口F连通有所述液压蓄能器（10）、油口E分别与所述两位三通液控换向阀（6）左控制腔、所述两位四通电磁换向阀（5）油口G和所述第Ⅰ阻尼孔（4a）进油口连通；

所述第Ⅰ阻尼孔（4a）的出油口分别与所述两位三通液控换向阀（6）的右控制腔和所述比例先导溢流阀（7）进油口连通；

所述两位四通电磁换向阀（5）的油口H、油口J、油口K分别与油箱（8）、所述两位三通液控换向阀的油口M和两位三通液控换向阀的油口P连通；

所述两位三通液控换向阀（6）的油口N通过第Ⅱ阻尼孔（4b）与第一变量活塞（11a）的无杆腔连通，同时通过第Ⅲ阻尼孔（4c）与油箱（8）连通；位移传感器（9）与第二变量活塞（11b）的活塞杆连接；

所述第Ⅰ两位两通电磁换向阀（2）的油口A和第Ⅱ两位两通电磁换向阀（3）的油口C分别与所述液压马达（1）的油口Q和所述液压马达（1）的油口P连通，所述第Ⅰ两位两通电磁换向阀（2）的油口B分别与所述液压马达/泵（12）的油口E和所述两位四通电磁换向阀（5）的油口G连通，所述第Ⅱ两位两通电磁换向阀（3）的油口D分别与所述液压马达/泵（12）的油口E和所述两位三通液控换向阀（6）左控制腔连通。

2.根据权利要求1所述的旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，其特征在于：所述主控制回路是负流量控制回路、正流量控制回路、进出口独立控制回路或者是闭式泵控回路，且所述主控制回路是根据操作指令控制所述液压马达（1）的运行方向和速度。

3.根据权利要求1所述的旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统是具有储能和再生两种工作模式，当两位四通电磁换向阀（5）处于左位时是储能模式；当两位四通电磁换向阀（5）处于右位时是再生模式，按压力匹配模式和流量匹配模式控制再生流量，实现无节流损失回收和利用旋转机构的制动动能。

说明书

旋转运动制动能量液电混合回收利用系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，尤其是一种用于液压挖掘机等装备的旋转运动（包括回转和行走）制动能量液电混合回收利用系统。

背景技术

[0002] 随着我国装备制造业的快速发展，液压挖掘机、装载机和汽车起重机等产品产量跃居世界首位，成为我国重要的支柱产业之一。在这些装备作业中，上车回转、行走具有的动能很大，而且加减速非常频繁，如不对其制动动能进行有效的再生利用，将产生非常大的能量损失。因此，如何高效地回收利用这部分能量，寻求高效、节能的液压回转系统，对提高工程装备的整机能效具有重要作用。

[0003] 目前，对旋转运动制动能量进行回收再利用的方法主要有：使用蓄能器直接回收制动动能、采用二次调节技术、采用闭式回路方法和混合动力方法。例如在专利文献（CN 105008729 A）中提出了一种工程机械的能量再生系统，采用混合动力方法将制动能量通过由液压马达、电动机和蓄电池（或超级电容组）构成的再生装置回收利用，为了克服制动初始大惯性负载产生的扭矩冲击，在能量回收液压马达之前设置节流阀进行调控，虽然改善了制动过程的平稳性，但增大了节流损失，而且该方法需要经过多次转换才能进行能量的再生利用，效率较低。

[0004] 分析现有回收再利用方法，对于旋转运动机构的动能回收利用，采用电气方式、液压蓄能器方式以及它们复合的方式，为了提高系统的可控性，平衡动能回收初期大的扭矩需求，获得好的运行特性，需采用先节流再回收的方法，降低了能量利用效率，再生时还会产生较大的二次节流损失。

发明内容

[0005] 针对上述现有工程装备在回转和行走过程中存在的不足，本发明提供一种旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，通过压力或扭矩的容积调控，实现存储能量的无节流、短转换链可控再生利用，提高能量回收再生效率，降低控制系统复杂程度，改进可控性。

[0006] 为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下。

[0007] 一种旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，包括液压马达、动力源、主控制回路、单向阀组，其特征在于：

[0008] 增设有第Ⅰ和第Ⅱ两位两通电磁换向阀、序号依次为Ⅰ到Ⅲ的第Ⅰ-第Ⅲ阻尼孔、两位四通电磁换向阀、两位三通液控换向阀、比例先导溢流阀、油箱、位移传感器、液压蓄能器、第一和第二变量活塞、液压马达/泵、DC-DC转换器、超级电容、电源开关、电机转速控制器、电动/发电机；所述电动/发电机输入端连接所述电机转速控制器输出端，所述电动/发电机输出端连接驱动所述液压马达/泵；所述DC-DC转换器与所述超级电容并联接入所述电机转速控制器；

[0009] 所述液压马达/泵的油口F连接所述液压蓄能器，所述电比例压力连续可调的液压马达/泵油口E分别与所述两位三通液控换向阀左控制腔、所述两位四通电磁换向阀油口G和所述第Ⅰ阻尼孔进油口连通；所述第Ⅰ阻尼孔出油口分别与所述两位三通液控换向阀右控制腔和所述比例先导溢流阀进油口连通；所述两位四通电磁换向阀油口H、J、K分别与油箱、所述两位三通液控换向阀油口M和P连接；所述两位三通液控换向阀油口N通过第Ⅱ阻尼孔与第一变量活塞无杆腔连通，同时通过第Ⅲ阻尼孔与油箱连通；位移传感器与第二变量活塞的活塞杆连接；

[0010] 所述第Ⅰ两位两通电磁换向阀的油口A和第Ⅱ两位两通电磁换向阀的油口C分别与所述液压马达的油口Q和P连通，所述第Ⅰ两位两通电磁换向阀的油口B分别与所述液压马达/泵的油口E和所述两位四通电磁换向阀的油口G连通，所述第Ⅱ两位两通电磁换向阀的油口D分别与所述液压马达/泵的油口E和所述两位三通液控换向阀左控制腔连通；

[0011] 进一步地，所述旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，其特征在于：所述主控制回路可以是负流量控制回路、正流量控制回路、进出口独立控制回路或者闭式泵控回路等；所述主控制回路，根据操作指令控制所述液压马达的运行方向和速度。

[0012] 进一步地，所述旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，其特征在于：所述旋转运动制动能量液电混合回收利用系统具有储能和再生两种工作模式，当两位四通电磁换向阀处于左位时，工作在储能模式，由于运行速度较大，制动过程要求将动能在较短时间内存入所述液压蓄能器和所述超级电容，采用液压马达/泵，协同电动/发电机迅速建立起制动转矩，可按照制动的角度要求，调控制动扭矩，实现可控制动。当两位四通电磁换向阀处于右位时，工作在再生模式，可按压力匹配模式（泵转速不变，控制出口压力）和流量匹配模式（设置压力值较高，改变泵转速控制流量）控制再生流量；实现无节流损失回收和利用旋转机构的制动动能。

[0013] 本发明上述技术方案与现有技术相比，具有如下的优点与积极效果。

[0014] 本系统无节流损失地回收利用液压旋转机构的动能，回收、再生利用效率高。

[0015] 本系统储能与再利用一体化，液压电气双源储能，回收能量直接利用可降低主机的装机功率，减小系统发热，增加机器可持续工作时间和降低冷却功率，缓解工程装备液压油箱小，液压油长期高温工作易老化的问题。

[0016] 本系统的能量回收利用单元，可以作为一种有源容积式压力控制器件，代替现在耗能式元件，控制液压系统的压力。

[0017] 本系统的能量回收利用单元，可作为独立的控制单元附加到现有的各类主机，不影响现有机器的操控性，通用性强。

附图说明

[0018] 图1是本发明实施例1的系统原理结构图。

[0019] 图2是本发明实施例2的系统原理结构图。

[0020] 图3是本发明实施例3的系统原理结构图。

[0021] 图4是本发明实施例4的系统原理结构图。

[0022] 图中：1：液压马达；2：第Ⅰ两位两通电磁换向阀；3：第Ⅱ两位两通电磁换向阀；4a：第Ⅰ阻尼孔；4b：第Ⅱ阻尼孔；4c：第Ⅲ阻尼孔；5：两位四通电磁换向阀；6：两位三通液控换向阀；7：比例先导溢流阀；8：油箱；9：位移传感器；10：液压蓄能器；11a：第一变量活塞；11b：第二变量活塞；12：液压马达/泵；13：DC-DC转换器；14：超级电容；15：电源开关；16：动力源；
17：主控制回路；18a 18b：单向阀组；19：电机转速控制器；20：电动/发电机。
~

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

[0024] 实施例1

[0025] 下面结合附图1对本发明的具体实施方式1作进一步的说明。

[0026] 如附图1所示，一种旋转运动制动能量液电混合回收利用系统，具体实施中动力源16采用柴油发动机，液压马达1采用定量马达，压力连续可调液压马达/泵12采用轴向柱塞结构原理，液压蓄能器10为活塞式，电动/发电机20为永磁同步结构，电机转速控制器19采用矢量控制方式，超级电容14由基本模块串并联组合而成，DC-DC 变换器13可双向升压和降压，外部电源采用电池组，第Ⅰ阻尼孔4a的直径为0.9 mm，马达/泵模式切换阀采用电控方式，两位三通液控换向阀6为液控三通滑阀，第Ⅱ阻尼孔4b的直径为1 mm，比例先导溢流阀7采用锥阀结构，变量液压缸无杆腔直径为40 mm，液压马达/泵12采用轴向柱塞结构形式，第Ⅲ阻尼孔4c的直径为0.8 mm，变量液压缸有杆腔直经为30 mm，油箱8的容积为200 L，位移传感器9采用差动变压器结构。

[0027] 实施技术方案的结构系统关系是，电动/发电机20的输入端连接电机转速控制器19的输出端，电动/发电机20的输出端连接驱动液压马达/泵12； DC-DC转换器13与超级电容14并联接入电机转速控制器19。

[0028] 其中的液压马达/泵12的油口F连接液压蓄能器10，电比例压力连续可调的液压马达/泵12的油口E分别与两位三通液控换向阀6的左控制腔、两位四通电磁换向阀5的油口G和第Ⅰ阻尼孔4a的进油口相连通；第Ⅰ阻尼孔4a的出油口分别与两位三通液控换向阀6的右控制腔和比例先导溢流阀7的进油口相连通；两位四通电磁换向阀5的油口H、J、K分别与油箱8、两位三通液控换向阀6的油口M和P相连通；两位三通液控换向阀6的油口N通过第Ⅱ阻尼孔4b与第一变量活塞的无杆腔相连通；同时通过第Ⅲ阻尼孔4c与油箱8相连通；位移传感器9与第二变量活塞的活塞杆相连通。

[0029] 其中的第Ⅰ两位两通电磁换向阀2的油口A和第Ⅱ两位两通电磁换向阀3的油口C分别与液压马达1的油口Q和P相连通；第Ⅰ两位两通电磁换向阀2的油口B分别与液压马达/泵12的油口E和两位四通电磁换向阀5的油口G相连通；第Ⅱ两位两通电磁换向阀3的油口D分别与液压马达/泵12的油口E和两位三通液控换向阀6的左控制腔相连通，

[0030] 进一步的实施方案在于：旋转运动制动能量液电混合回收利用系统的主控制回路是负流量控制回路，该主控制回路是根据操作指令控制所述液压马达的运行方向和速度。

[0031] 进一步的实施方案还在于：旋转运动制动能量液电混合回收利用系统具有储能和再生两种工作模式，当两位四通电磁换向阀5处于左位时，工作在储能模式，由于运行速度较大，制动过程要求将动能在较短时间内存入液压蓄能器10和超级电容14，采用液压马达/泵12，协同电动/发电机20迅速建立起制动转矩，可按照制动的角度要求，调控制动扭矩，实现可控制动；当两位四通电磁换向阀5处于右位时，工作在再生模式，按压力匹配模式：如泵转速不变，控制出口压力；流量匹配模式：如设置压力值较高，改变泵转速控制流量，控制再生流量，实现无节流损失回收和利用旋转机构的制动动能。

[0032] 实施例2

[0033] 下面结合附图2对本发明的具体实施方式2作进一步的说明。

[0034] 如附图2所示，本实施例中各组件的连接和工作方式与实施例1 中的相同，其中区别在于，主控制回路是正流量控制回路。液压泵为电子比例控制的变排量泵，其排量的大小与设定的信号成正比例关系，即设定信号增大，液压泵的排量也增大。

[0035] 实施例3

[0036] 下面结合附图3对本发明的具体实施方式3作进一步的说明。

[0037] 如附图3所示，本实施例中各组件的连接和工作方式与实施例1 中的相同，其中区别在于，主控制回路是进出口独立控制回路。主控制阀由两个三位三通的比例方向阀构成，第Ⅰ比例方向阀的工作油口与液压马达1的油口P连通，第Ⅱ比例方向阀的工作油口与液压马达1的油口Q连通，液压泵的出油口与第Ⅰ和第Ⅱ比例方向阀的进油口连通。

[0038] 实施例4

[0039] 下面结合附图4对本发明的具体实施方式4作进一步的说明。

[0040] 如附图4所示，本实施例中各组件的连接和工作方式与实施例1 中的相同，其中区别在于，主控制回路是闭式泵控回路。液压泵为双向变量液压泵，液压泵两油口分别与液压马达油口P和Q连通。