一种液压飞轮储能系统及工作方法

1.本发明涉及液压飞轮蓄能器技术领域，特别是涉及一种液压飞轮储能系统及工作方法。


背景技术：

2.液压蓄能器是液压系统中常用的一种能量储存装置，可将系统中的能量转化为压缩能储存起来，当系统需要时，又可将液压能释放出来，供给系统使用。
3.但是目前液压系统中的蓄能器能量密度较低，在压力波动大或储能要求高的液压系统中，难以满足系统瞬时高功率和大扭矩输入与输出；为满足工作需求，通常需要多个大体积蓄能器共同供能，严重缩小了工作空间，增大了系统总重量。
4.对于功率密度要求较高的场合，液压蓄能器、飞轮以及超级电容为首选。但超级电容的成本较高，技术不成熟，在一定程度上限制了其广泛应用；而飞轮的能量密度和功率密度都较高，作为储能装置，非常适用于中大型液压系统。
5.因此，结合现有液压动力和液压蓄能器技术，运用飞轮储能系统提出一种液压飞轮储能系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种液压飞轮储能系统及工作方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现液压系统能量的高效回收与释放。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种液压飞轮储能系统，包括控制器、工作装置液压缸和飞轮，所述飞轮连接有离合器，所述离合器连接有第一液压元件，所述第一液压元件连接有第一阀门以及油箱；所述第一阀门还连接有第二液压元件的出油口，所述第二液压元件的进油口连接有油箱；所述第一阀门通过无杆腔管路和有杆腔管路分别与所述工作装置液压缸的无杆腔和有杆腔连接，所述无杆腔管路和所述有杆腔管路之间通过第二阀门进行连接；所述第二阀门与所述工作装置液压缸之间的所述有杆腔管路上还连接有第三阀门和第四阀门，所述第四阀门连接有油箱；所述离合器、所述第一液压元件、所述第二液压元件以及所述工作装置液压缸均与所述控制器连接。
9.优选的，所述第一液压元件采用双向变量泵/马达。
10.优选的，所述飞轮连接有转速传感器。
11.优选的，所述第二液压元件采用液压泵，所述液压泵连接有动力源。
12.优选的，所述液压泵的出油口还通过溢流阀连接有油箱。
13.优选的，所述第一阀门为三位四通阀，所述第二阀门、所述第三阀门以及所述第四阀门均为二位二通阀。
14.优选的，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门以及所述第四阀门分别通过第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀以及第四电磁阀控制，所述第一电磁阀、所述第二电
磁阀、所述第三电磁阀以及所述第四电磁阀均与所述控制器连接。
15.本发明还公开一种液压飞轮储能系统的工作方法，包括以下四种模式：
16.1)能量回收模式：
17.所述控制器接收信号，控制所述第一阀门动作，位于左位，所述第二阀门和所述第四阀门处于截止位置，所述第三阀门处于导通位置；所述工作装置液压缸的工作杆在负载和自重作用下向左移动，所述第二液压元件开始泵油，作为所述工作装置液压缸的有杆腔油液进行补偿；液压油通过所述第一阀门进入所述工作装置液压缸的有杆腔，推动所述工作装置液压缸的工作杆向左移动，此时所述工作装置液压缸的无杆腔内的液压油通过所述第一阀门流入所述第一液压元件，所述离合器结合，带动所述飞轮旋转以储存能量；
18.2)能量释放模式：
19.优先使用所述飞轮进行能量释放，当所述工作装置液压缸的工作杆向右移动时，所述控制器控制所述离合器结合，所述第一阀门动作，位于右位，所述第二阀门和所述第四阀门处于导通位置，所述第三阀门处于截止位置；此时所述飞轮通过所述离合器带动所述第一液压元件从油箱中泵油，液压油经过所述第一阀门进入导通的所述第二阀门，然后流入所述工作装置液压缸的无杆腔，推动所述工作装置液压缸的工作杆向右移动，所述工作装置液压缸的有杆腔内液压油经过所述第四阀门流回油箱；
20.当所述工作装置液压缸的需求压力大于所述飞轮能够提供的最大压力时，启动补偿路线：所述第二液压元件从油箱中泵油，经过所述第一阀门，进入所述工作装置液压缸的无杆腔，与经过所述第一液压元件、所述第一阀门以及所述第二阀门进入所述工作装置液压缸的无杆腔内的液压油汇合，共同推动所述工作装置液压缸的工作杆右移；
21.3)压力维持模式：
22.所述压力维持模式下，要求保持所述工作装置液压缸的工作杆在指定位置保持静止，此时所述控制器控制所述第一阀门处于中间位置状态，所述工作装置液压缸的有杆腔与无杆腔内油液都无法流动，压力保持稳定；
23.4)液压源异常模式：
24.所述液压源异常模式下，所述第二液压元件突发异常无法泵油，所述控制器接收到所述第二液压元件工作异常信号后，为了保持系统压力稳定，控制所述离合器结合，所述第二阀门接通，由所述飞轮经所述离合器带动所述第一液压元件从油箱中泵油，液压油经所述第一阀门、所述第二阀门以及所述第三阀门同时向所述工作装置液压缸的有杆腔和无杆腔供油，以维持所述工作装置液压缸的有杆腔和无杆腔压力相等，保持稳定。
25.优选的，所述能量回收模式中，当所述飞轮的转速达到设定值时，在所述控制器的控制下，所述离合器分离。
26.优选的，所述液压源异常模式中，能够通过切断所述第一阀门，使所述工作装置液压缸的有杆腔和无杆腔内的液压油无法流动，防止所述工作装置液压缸的工作杆迅速移动。
27.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
28.本发明提供的液压飞轮储能系统及工作方法，可将飞轮替换蓄能器，代替化学电池、超级电容等储能元件，利用飞轮高速旋转时的瞬时高功率和大扭矩输入与输出的优点，对系统中液压能进行暂时储存和释放；飞轮能够瞬时充能放能，响应速度快，能量损失小，
可有效提高能量利用率；该系统在保证液压系统正常工作条件下，通过控制器控制阀门与泵的流量变化，可实现系统高效能量回收与释放，保证系统异常时仍可维持稳定工作。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明中液压飞轮储能系统的结构示意图；
31.图2为本发明中液压飞轮储能系统的系统能量转化流程图；
32.图中：1
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控制器，2
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第一液压元件，3
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第一电磁阀，4
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第一阀门，5
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工作装置液压缸，6
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第二阀门，7
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溢流阀，8
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动力源，9
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油箱，10
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第二液压元件，11
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飞轮，12
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转速传感器，13
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离合器，14
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第三阀门，15
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第四阀门，16
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第二电磁阀，17
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第三电磁阀，18
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第四电磁阀。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种液压飞轮储能系统及工作方法，以解决现有技术存在的问题，实现液压系统能量的高效回收与释放。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.如图1
‑
2所示，本实施例提供一种液压飞轮储能系统，在传统液压系统的基础上进行改进，以飞轮11作为蓄能器代替传统储能元件，利用飞轮11高速旋转时瞬时高功率、大扭矩输入和输出的优点，对系统中的液压能进行暂时储存，有效提高能量利用率；
37.液压飞轮储能系统包括控制器1、工作装置液压缸5和飞轮11，飞轮11连接有离合器13，离合器13连接有第一液压元件2，第一液压元件2连接有第一阀门4以及油箱9；第一阀门4还连接有第二液压元件10的出油口，第二液压元件10的进油口连接有油箱9；第一阀门4通过无杆腔管路和有杆腔管路分别与工作装置液压缸5的无杆腔和有杆腔连接，无杆腔管路和有杆腔管路之间通过第二阀门6进行连接；第二阀门6与工作装置液压缸5之间的有杆腔管路上还连接有第三阀门14和第四阀门15，第四阀门15连接有油箱9；离合器13、第一液压元件2、第二液压元件10以及工作装置液压缸5均与控制器1连接，通过控制器1采集信号并传递指令信号，使各执行元件动作。
38.在本实施例中，第一液压元件2采用双向变量泵/马达，第二液压元件10采用液压泵，液压泵连接有动力源；控制器1控制第一液压元件2及第二液压元件10的工作，为系统提供所需液压能；控制器1控制离合器13的结合或分离，从而实现飞轮11与第一液压元件2的结合或分离，使液压能与机械能相互转化，以及进行多余能量的回收和释放。
39.在本实施例中，飞轮连接有转速传感器。
40.在本实施例中，第二液压元件10的出油口还通过溢流阀7连接有油箱9，当工作装置液压缸5的无杆腔油液压力和体积达到工作要求且压力超过溢流阀7的预设压力值时，多余液压油通过溢流阀7流回油箱9；其中，第一液压元件2、第二液压元件10、第四阀门15以及溢流阀7共用同一个油箱9。
41.在本实施例中，第一阀门4为三位四通阀，第二阀门6、第三阀门14以及第四阀门15均为二位二通阀，第一阀门4、第二阀门6、第三阀门14以及第四阀门15分别通过第一电磁阀3、第二电磁阀16、第三电磁阀17以及第四电磁阀18控制，第一电磁阀3、第二电磁阀16、第三电磁阀17以及第四电磁均与控制器连接，通过控制器1控制第一电磁阀3、第二电磁阀16、第三电磁阀17以及第四电磁阀18从而控制第一阀门4、第二阀门6、第三阀门14以及第四阀门15的工作状态，实现液压油流通路径的改变，从而实现系统工作模式的切换。
42.本实施例中能量传递路径包括供能路径、能量回收路径和压力异常路径；供能路径1：动力源8、第二液压元件10、第一阀门4、工作装置液压缸5的无杆腔；供能路径2：飞轮11、离合器13、第一液压元件2、第一阀门4、第二阀门6、工作装置液压缸5的无杆腔；能量回收路径：工作装置液压缸5的无杆腔、第一阀门4、第一液压元件2、离合器13、飞轮11；压力异常路径：飞轮11、离合器13、第一液压元件2、第一阀门4、分别从第二阀门6进入工作装置液压缸5的无杆腔、从第三阀门14进入工作装置液压缸5的有杆腔。
43.本实施例还公开一种液压飞轮储能系统的工作方法，包括以下四种模式：
44.1)能量回收模式：当控制器1接收信号，控制第一阀门4的第一电磁阀3动作，此时第一阀门4工作位置为左腔，第二阀门6、第四阀门15处于截止位置，第三阀门14处于导通位置；工作装置液压缸5的工作杆在负载和自身杆重下，向左移动；作为工作装置液压缸5的有杆腔油液补偿，动力源8带动第二液压元件10开始泵油，同时推动工作杆向左移动；液压油通过第一阀门4进入工作装置液压缸5的有杆腔，推动工作杆向左移动，此时工作装置液压缸5无杆腔内的液压油通过第一阀门4的左腔流入第一液压元件2，此时第一液压元件2工作在马达工况，离合器13结合，带动飞轮11旋转以储存能量，当飞轮11转速达到设定值时，在控制器1的控制下离合器13分离。
45.2)能量释放模式：优先使用飞轮11进行能量释放；当工作装置液压缸5的工作杆向右移动时，控制器1控制离合器13结合，第一阀门4位于右位，第二阀门6和第四阀门15位于导通位，第三阀门14位于截止位；此时飞轮11通过离合器13，带动第一液压元件2旋转，第一液压元件2从油箱中泵油，工作在泵工况，液压油经过第一阀门4的右腔进入导通的第二阀门6，然后流入工作装置液压缸5的无杆腔，推动工作杆向右移动，有杆腔内液压油经过第四阀门15流回液压油箱；当工作装置液压缸5的需求压力大于飞轮11能够提供的最大压力时，启动补偿路线：第二液压元件10从油箱9中泵油，经过第一阀门4，进入工作装置液压缸5的无杆腔，与上述经过第一液压元件2、第一阀门4以及第二阀门6进入工作装置液压缸5的无杆腔内的液压油汇合，共同推动工作装置液压缸5的工作杆右移。
46.3)压力维持模式：此模式下要求保持工作装置液压缸5的工作杆在某一位置保持静止，此时控制器1控制第一电磁阀3动作，使第一阀门4处于中间位置状态，有杆腔与无杆腔油液都无法流动，压力保持稳定。
47.4)液压源异常模式：此模式下，第二液压元件10突发异常无法泵油，控制器1接收到第二液压元件10工作异常信号后，为了保持系统压力稳定，控制离合器13结合，第二阀门
6和第三阀门14接通，由飞轮11经离合器13带动第一液压元件2旋转，第一液压元件2工作在泵工况，液压油经第一阀门4的左腔，经导通的第二阀门6和第三阀门14同时向工作装置液压缸5的有杆腔和无杆腔供油，以维持两腔压力相等，使系统保持稳定；此外，也可迅速控制第一阀门4的第一电磁阀3，切断第一阀门4，使工作装置液压缸5两腔内的液压油无法流动，从而防止工作杆因一腔油液压力迅速降低而产生的迅速移动而造成的事故。
48.本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。