专利名称：一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，特别涉及一种采用蓄 能器的闭式液压回路动臂势能回收系统。
背景技术：
工程机械由于用量大、耗油高、排放差等特点，其高效、节能已成为国内外工程机 械研究者追求的目标之一。工程机械系统的节能研究主要从两方面展开基于系统控制策 略和控制方法的节能研究和基于系统结构的节能研究。基于系统结构的节能研究包括基于 阀控系统改进、动力源系统改进、能量回收的节能研究。基于能量回收的工程机械的节能研 究包括机械式、液压式、电气式能量回收。液压式回收采用蓄能器作为储能元件，蓄能器能 够储存并释放压力能，其性能稳定，能够满足工程机械快速节能的要求。电气式回收多采用 电储能元件电池或电容器)，将机械能转化为电能储存并利用。目前电气式能量回收方法存在诸多问题，以液压挖掘机为例，目前工程上研究的 液压挖掘机的能量回收主要研究动臂的势能回收和斗杆的动能回收。绝大部分采用电气式 回收方式。由于电储能元件及发电机的成本较高，限制了该回收方案在实际中的应用。因 动臂下降过程在2s内基本完成，在转速大幅度变化的过程中，发电机的发电及电池或电容 的充电效率较低，同时机械能、压力能、电能的反复转化也大大降低了能量回收的利用率。本发明就是基于这样的背景提出的。
发明内容
本发明的目的是设计一种能够克服现有工程机械能量回收系统的缺点，更好地获 得能量回收利用率的工程机械的节能方案一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置， 以期实现容易、操作简单、成本低、运行可靠。本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合
如下图1所示的一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，其典型系统由一个动臂 油缸、一个电动机，一对齿轮，两个双向定量液压泵-马达，一个蓄能器、三组溢流阀与单向 阀组成。电动机1经一对齿轮2、3分配动力后，分别与两个双向定量液压泵_马达4、5相 连。双向定量液压泵_马达4的一油口与动臂液压缸10的有杆腔相连，连接管路为6 ；另 一油口与双向定量液压泵-马达5的一油口 一起与动臂液压缸的无杆腔相连，连接管路为 13 ；双向定量液压泵-马达5另一油口与蓄能器9相连，连接管路为14。连接管路6、13、14 中分别装有溢流阀7、11、15与单向阀8、12、16。通过选择两个双向定量液压泵-马达4、5的排量及设计齿轮对2、3的传动比，使 两个双向定量液压泵-马达输出的流量比为1 (K-I)，其中K为动臂油缸无杆腔与有杆腔 的面积之比。满足前述条件的系统在电机正转时(如图1所示方向)，双向定量泵-马达4输
3出的油液通向动臂油缸有杆腔，动臂缸收缩，动臂下降，设其流量为Qi。在重力作用下，动 臂缸无杆腔挤出的油液流量应为KQ1,该流量除被泵_马达4吸走的流量Q1外，多出的部分 (K-I) Q1被泵-马达5吸走并压入到蓄能器内，动臂的重力势能转化为蓄能器内油液的压力 能。电机反转时，双向定量泵_马达4从动臂油缸有杆腔中抽取油液，其流量为Q2,双向定 量泵-马达5从蓄能器中抽取油液(K-I) Q2，二者抽出的油液汇合后流量为KQ2被注入到动 臂无杆腔，动臂油缸伸出，动臂上升。原来贮存在蓄能器中的压力能重新转换为动臂的重力 势能。前述闭式液压回路系统，在动臂油缸的有杆腔、无杆腔连接油路及蓄能器的连接 油路6、13、14中分别装有溢流阀7、11、15与单向阀8、12、16。从前面的流量分析可以看出， 该液压系统各通路流量在理论上是平衡的。这些阀组只是用于在油缸、泵_马达存在泄露 等情况下为防止流量不平衡而设置的。上述能量回收系统与现有的工程机械节能系统相比 有如下优点1.能量转化次数少。存贮在蓄能器内的压力能可被直接利用。2.可控性好。通过泵-马达进行压力能的回收控制，与阀控液压能量回收系统相 比，回收的能量在重复利用时没有冲击。3、能量利用率高。由于采用了闭式液压系统，电动机启动，油缸开始工作；电动机 停止，油缸停止工作。与普通阀控液压系统相比大大提高了能量利用率。4.系统成本低。系统主要部件包括蓄能器、变频电机或永磁同步电机、定量泵-马 达等，成本低，安全可靠。5.可靠性高。本发明对系统的控制主要集中在对电机的换相控制与转速控制上， 都是成熟技术，易于实现，可靠性高。
图1为动臂势能回收系统原理图2为工程机械动臂下降的重力势能回收装置。图中1为电动机1，2、3为一对齿轮，其中2为第1齿轮，3为第2齿轮，4为第1双 向定量液压泵_马达，5为第2双向定量液压泵-马达，6为第1连接油路，14为第3连接油 路，13为第2连接油路；15、11、7分别为第1、2、3溢流阀，16、12、8分别为第1、2、3单向阀， 10为液压缸。
具体实施例方式下面结合附图所示的一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置实施例进一步 说明本发明的具体内容。一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，包括驱动动臂工作的液压装置、 蓄能器装置以及液压系统安全保护装置三部分，所述的液压装置采用两个双向定量液压 泵-马达，两个双向定量液压泵-马达的一个油口分别通过连接管路与动臂油缸10有杆腔 和蓄能器9相连，两个双向定量液压泵-马达的另一个油口通过连接管路与动臂油缸10无 杆腔相连，电动机1通过机械传动驱动或同轴驱动两个双向定量液压泵-马达，所述的两个 双向定量液压泵-马达输出的流量比为1 (K-I)，其中K为动臂油缸无杆腔与有杆腔的面积之比，所述的液压系统安全保护装置主要由分别装在连接管路上的3组溢流阀与单向阀 组成。所述的机械传动采用一对齿轮，由电动机1经这对齿轮分配动力后驱动两个的双 向定量液压泵_马达，当选取两个双向液压泵_马达的排量相同时，设定两个齿轮的传动比 取 1 (K-I)。所述的机械传动采用一对齿轮，当选取两个双向液压泵-马达的排量比为 1 (K-I)时，设定两个齿轮的传动比取1 1。所述的机械传动采用一对齿轮，选取两个齿轮的传动比与两个双向定量液压 泵-马达的排量比之积为1/(K-I)。蓄能器9用于回收动臂下降势能，通过第2双向定量液压泵_马达5将动臂下降 时动臂油缸无杆腔排出的油液经第1双向定量液压泵_马达4充入动臂油缸有杆腔后，多 出的部分压入到蓄能器9中保存，待动臂上升时这部分压力油被反方向运动的双向定量液 压泵_马达重新回收，用于推动动臂上升。溢流阀与单向阀包括装在第1、2、3连接管路6、13、14上的第1、2、3溢流阀15、11、 7和第1、2、3单向阀16、12、8，用以防止因流量不平衡造成的压力过高和负压吸空现象的产生。工程机械的一个典型机型是液压挖掘机，其动臂油缸多采用无杆腔面积与有杆腔 之比为2的油缸，为此我们设计了如图2所示的工程机械动臂下降的重力势能回收装置方 案，它是图1所示本发明方案中的一个实例，但实施本发明方案的实例不仅仅这一个。图2中，两个同排量第1、2双向定量液压泵-马达4、5分别与电动机1同轴相连， 电动机1采用变频电机或永磁同步电动机。第1双向定量液压泵-马达4 一油口与动臂缸 10的有杆腔通过第1连接管路6相连接；另一油口与第2双向定量液压泵-马达5 —油口 相连后，再通过第2连接管路13与动臂缸10的无杆腔连接；第2双向定量液压泵_马达5 另一油口通过连接管路14与蓄能器9相连。第1、2、3连接管路6、13、14中分别设有第1、2、3溢流阀15、11、7，和第1、2、3单向 阀16、12、8。三个溢流阀保证管路不超过安全压力，三个单向阀保证工作过程中管路不出现 液压油被吸空的现象，起到补油的作用。图2中，当电动机1正转时，带动两个双向定量液压泵-马达同向正转，因排量相 等，设其各排出流量Q3。此时，第1双向定量液压泵-马达4输出的压力油直接输入到动 臂缸10有杆腔，动臂缸缩回，动臂下降，与此同时动臂缸10无杆腔的油液被挤出，其流量为 2Q3，一部分由第1双向定量液压泵_马达4输送至动臂缸10有杆腔，流量为Q3,另一部分 流量Q3经第2双向定量液压泵_马达5输入到蓄能器9，动臂下降的重力势能转化为蓄能 器内油液的压力能贮存起来。当电动机1反转时，带动两个双向定量液压泵-马达同向反转。此时，第1双向定 量液压泵_马达4将动臂缸10有杆腔的液压油输送至动臂缸10无杆腔，设其流量为Q4。同 时第2双向定量液压泵-马达5将蓄能器9中储存的压力油液输送至动臂缸10无杆腔，其 流量也是Q4,所以送入无杆腔压力油流量总和为2Q4，正好是流量平衡所需要的流量。在此 过程中蓄能器9内存贮的高压油被用于推动动臂上升，存贮的能量得到回收利用。
权利要求
一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，包括驱动动臂工作的液压装置、蓄能器装置以及液压系统安全保护装置三部分，其特征在于，所述的液压装置采用两个双向定量液压泵 马达，两个双向定量液压泵 马达的一个油口分别通过连接管路与动臂油缸(10)有杆腔和蓄能器(9)相连，两个双向定量液压泵 马达的另一个油口通过连接管路与动臂油缸(10)无杆腔相连，电动机(1)通过机械传动驱动或同轴驱动两个双向定量液压泵 马达，所述的两个双向定量液压泵 马达输出的流量比为1∶(K 1)，其中K为动臂油缸无杆腔与有杆腔的面积之比，所述的液压系统安全保护装置主要由分别装在连接管路上的3组溢流阀与单向阀组成。
2.根据权利要求1所述的一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，其特征在于， 所述的机械传动采用一对齿轮，由电动机(1)经这对齿轮分配动力后驱动两个的双向定 量液压泵_马达，当选取两个双向液压泵_马达的排量相同时，设定两个齿轮的传动比取 1 (K-I)。
3.根据权利要求1所述的一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，其特征在于， 所述的机械传动采用一对齿轮，当选取两个双向液压泵-马达的排量比为1 (K-I)时，设 定两个齿轮的传动比取1 1。
4.根据权利要求1所述的一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，其特征在于， 所述的机械传动采用一对齿轮，选取两个齿轮的传动比与两个双向定量液压泵_马达的排 量比之积为1/(K-I)。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，其特 征在于，蓄能器(9)用于回收动臂下降势能，通过第2双向定量液压泵-马达(5)将动臂下 降时动臂油缸无杆腔排出的油液经第1双向定量液压泵-马达(4)充入动臂油缸有杆腔 后，多出的部分压入到蓄能器(9)中保存，待动臂上升时这部分压力油被反方向运动的双 向定量液压泵-马达重新回收，用于推动动臂上升。
6.根据权利要求5所述的一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置，其特征在于， 溢流阀与单向阀包括装在第1、2、3连接管路(6、13、14)上的第1、2、3溢流阀(15、11、7)和 第1、2、3单向阀(16、12、8)，用以防止因流量不平衡造成的压力过高和负压吸空现象的产 生。
全文摘要
本发明涉及一种工程机械动臂下降的重力势能回收装置。其包括驱动动臂工作的液压装置、蓄能器装置以及液压系统安全保护装置三部分液压装置采用两个双向定量液压泵-马达，其一个油口分别通过连接管路与动臂油缸(10)有杆腔和蓄能器(9)相连，其另一个油口连接通过连接管路与动臂油缸(10)无杆腔相连，双向定量液压泵-马达由电动机(1)通过机械传动驱动或同轴驱动两个双向定量液压泵-马达，两个双向定量液压泵-马达输出的流量比为1∶(K-1)，其中K为动臂油缸无杆腔与有杆腔的面积之比，液压系统安全保护装置主要由分别装在连接管路上的3组溢流阀与单向阀组成。
文档编号E02F3/42GK101956405SQ201010226699
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者尚涛, 张祝新, 戴群亮, 程丽丽, 章二平, 赵丁选 申请人:吉林大学