基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统及方法与流程

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统及方法。

背景技术：

液压挖掘机作为一种土石方施工机械，以其经济、高效等优点在国家基础建设中起着十分重要的作用，世界上各种土石方工程中约有65％-70％的土方量由挖掘机完成。

由于挖掘机多在负载频繁剧烈波动且工况复杂的恶劣环境下作业，势必带来发动机燃油利用率低、尾气排放差、液压系统发热等问题，随着挖掘机的大量使用，这些问题愈益显现出来。据统计，挖掘机的能量利用率只有15％-25％左右，能量的损失最终多以热能的形式损失，工程机械的故障中，大约15％来自机械系统，40％来自液压系统。研究挖掘机节能不仅对环境保护和能源匮乏问题有积极的意义，同时有助于缓解液压系统的发热问题并提高挖掘机液压系统的可靠性和工作寿命，在一定程度上降低挖掘机的制造及维护成本。

回转机构在液压挖掘机的一个工作循环中，运动时间约占50％-70％，能量消耗约占25％-40％，发热量约占35％-40％。因此对回转机构的节能研究意义重大。

技术实现要素：

本发明提供一种基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统及方法，对挖掘机回转机构的制动能量进行回收并且进行再利用，对挖掘机回转机构的节能研究具有重要意义。

为达到上述目的，本发明的采用如下技术方案：

技术方案一：

一种基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统，包括通过管路依次连接的油箱、变量泵、第一换向阀、液压马达，所述第一换向阀与所述液压马达之间连接有第一油路和第二油路，所述液压马达的输出端上驱动连接有回转机构和阻尼机构，

所述变量泵与所述第一换向阀之间的管路上还连接有蓄能管路，所述蓄能管路上连接有液压蓄能器，所述第一油路上连接有第二换向阀，所述第二油路上连接有第三换向阀，所述蓄能管路分别与所述第二换向阀和所述第三换向阀通过管路连通。

本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)所述第二换向阀和所述第三换向阀上都具有进油口、出油口和回油口，所述第二换向阀和所述第三换向阀上的进油口分别与所述第一换向阀通过管路连接，所述第二换向阀上的出油口通过所述第一油路与所述液压马达上的一个端口连接，所述第三换向阀上的出油口通过所述第二油路与所述液压马达上的另一个端口连接；所述第二换向阀和所述第三换向阀上的回油口分别通过管路同时与所述蓄能管路连通。

(2)所述蓄能管路上连接有蓄能阀门，所述蓄能阀门连接在所述液压蓄能器与所述变量泵的出口之间，所述第二换向阀上的回油口和所述第三换向阀上的回油口通过管路连接在所述蓄能管路上的所述蓄能阀门与所述液压蓄能器之间。(3)所述第二换向阀的回油口和所述第三换向阀的回油口与所述蓄能管路相连通的管路上分别设置有单向阀，两个所述单向阀的导通方向分别朝向所述蓄能管路。

(4)所述回转机构的转轴上设置有转速传感器和转速加速度传感器。

技术方案二:

一种基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收方法，所述方法应用于技术方案一所述的基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统，所述方法包括如下步骤：

步骤1，当挖掘机回转机构开始制动时，所述挖掘机回转机构制动过程中产生制动能量，将所述制动能量通过第二换向阀和第三换向阀的回油口传送至液压蓄能器进行回收储存；当所述挖掘机回转机构制动完成时，液压蓄能器完成制动能量的回收；所述制动能量至少包含转动动能和摩擦热能；

步骤2，当所述挖掘机回转机构反向启动时，所述液压蓄能器将回收的制动能量进行释放，从而使得所述挖掘机回转机构反向加速启动。

本发明产生的有益效果为：(1)在传统挖掘机回转机构中加入液压蓄能器，建立了基于蓄能器能量回收系统；(2)该发明有效的回收了液压挖掘机回转制动过程中以热能形式损耗的转动动能，从而不仅节约能源和降低液压系统的油温，同时也提高设备的可靠性和使用寿命。其次，该节能方案不仅可以推广到其他型号液压挖掘机，这也为相关类型的工程机械提供了参考。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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。

图1为本发明实施例提供的传统挖掘机回转机构液压系统仿真模型示意图；

图2为本发明实施例提供的基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统的仿真模型示意图；

图3为本发明实施例提供的基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收方法流程示意图；

图4为本发明实施例提供的制动阶段转速对比曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的加速阶段转速对比曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的液压蓄能器气体体积和压力变化示意图；

图7为本发明实施例提供的三位四通换向阀与两位三通换向阀控制信号示意图；

图8为本发明实施例提供的蓄能器释放能量控制信号示意图；

图9为本发明实施例提供的液压蓄能器供能时回转机构反转的转速对比曲线示意图；

图10为本发明实施例提供的液压蓄能器释放能量时流量和充气体积的变化示意图。

具体实施方式

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。

本发明实施例提供一种基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统，示例性的，如图1所示，为传统挖掘机回转机构液压系统仿真模型示意图，包括：变量泵1、电动机2，三位四通换向阀3，单向阀4，溢流阀5，马达6以及回转机构7和阻尼机构8。

如图2所示，本发明实施例提供的基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统包括通过管路依次连接的油箱D、变量泵1、第一换向阀3、液压马达6，所述第一换向阀3与所述液压马达6之间连接有第一油路和第二油路，所述液压马达6的输出端上驱动连接有回转机构7和阻尼机构8，所述变量泵1与所述第一换向阀3之间的管路上还连接有蓄能管路，所述蓄能管路上连接有液压蓄能器B，所述第一油路上连接有第二换向阀E2，所述第二油路上连接有第三换向阀E3，所述蓄能管路分别与所述第二换向阀E2和所述第三换向阀E3通过管路连通。

进一步的，所述第二换向阀E2和所述第三换向阀E3上都具有进油口、出油口和回油口，所述第二换向阀E2和所述第三换向阀E3上的进油口分别与所述第一换向阀3通过管路连接，所述第二换向阀E2上的出油口通过所述第一油路与所述液压马达6上的一个端口连接，所述第三换向阀E3上的出油口通过所述第二油路与所述液压马达6上的另一个端口连接；所述第二换向阀E2和所述第三换向阀E3上的回油口分别通过管路同时与所述蓄能管路连通。

进一步的，所述蓄能管路上连接有蓄能阀门A，所述蓄能阀门A连接在所述液压蓄能器B与所述变量泵1的出口之间，所述第二换向阀E2上的回油口和所述第三换向阀E3上的回油口通过管路连接在所述蓄能管路上的所述蓄能阀门A与所述液压蓄能器B之间。

更进一步的，所述第二换向阀E2的回油口和所述第三换向阀E3的回油口与所述蓄能管路相连通的管路上分别设置有单向阀F，两个所述单向阀F的导通方向分别朝向所述蓄能管路。

可选的，所述液压蓄能器B的端口与油箱D的进油口之间还连接有一个溢流阀C，所述溢流阀C可以当液压蓄能器B中回收的剩余油量过多时，将剩余油量送到油箱D内。

进一步的，所述能量回收系统还包括设置在所述挖掘机回转机构转轴上的转速传感器和转速加速度传感器，所述转速传感器用于采集所述挖掘机回转机构转轴的转速，所述转速加速度传感器用于采集所述挖掘机回转机构转轴的加速度。

本发明实施例提供的基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统，所述第一换向阀为三位四通换向阀，所述第二换向阀和所述第三换向阀为两位三通换向阀，所述蓄能阀门为两位两通换向阀：

当所述挖掘机回转机构开始制动，且所述三位四通换向阀中位接通、所述两个两位三通换向阀左位接通，所述液压马达的出油口分别通过两个单向阀与所述液压蓄能器接通，所述液压蓄能器开始回收所述挖掘机回转机构的制动能量；

当所述挖掘机回转机构制动完成，且所述三位四通换向阀左位接通时，所述挖掘机回转机构开始反向启动；

当所述挖掘机回转机构反向匀速运动，且所述两位两通换向阀右位接通时，所述液压蓄能器开始释放制动能量，从而使得所述挖掘机回转机构反向加速启动。

本发明实施例还提供一种基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收方法，所述方法应用于上述实施例所述的基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统，所述方法包括如下步骤：

步骤1，当挖掘机回转机构开始制动时，所述挖掘机回转机构制动过程中产生制动能量，将所述制动能量通过第二换向阀和第三换向阀的回油口传送至液压蓄能器进行回收储存；当所述挖掘机回转机构制动完成时，液压蓄能器完成制动能量的回收；所述制动能量至少包含转动动能和摩擦热能；

步骤2，当所述挖掘机回转机构反向启动时，所述液压蓄能器将回收的制动能量进行释放，从而使得所述挖掘机回转机构反向加速启动。

具体的，所述方法包括如下步骤：

步骤1，当挖掘机回转机构开始制动，将所述三位四通换向阀的输入控制信号与定值信号0分别输入至第一比较器，所述第一比较器输出信号1；

步骤2，将所述比较器输出信号1输入比例放大器，从而得到所述比例放大器输出信号k；

步骤3，将所述比例放大器输出信号k分别作为两个两位三通换向阀的输入控制信号，从而每个两位三通换向阀的左位接通，液压蓄能器开始回收能量；

步骤4，当所述挖掘机回转机构制动完成，所述三位四通换向阀输入控制信号调节所述三位四通换向阀左位接通，所述挖掘机回转机构开始反向启动；

步骤5，确定所述液压蓄能器释放制动能量的开始时刻和结束时刻，并在所述开始时刻和所述结束时刻之间两位两通换向阀左位接通，所述液压蓄能器开始释放制动能量。

具体的，步骤5中，所述确定所述液压蓄能器释放制动能量的开始时刻和结束时刻具体为：

(5a)获取角速度传感器采集到的挖掘机回转机构反向启动后转轴的实时角速度，将所述挖掘机回转机构转轴的实时角速度与设定的角速度阈值进行比较，并记录所述实时角速度小于所述角速度阈值的第一时间段；

(5b)获取角加速度传感器采集到的挖掘机回转机构反向启动后转轴的实时角加速度绝对值，将所述实时角加速度绝对值与设定的角加速度阈值进行比较，并记录所述实时角加速度小于所述角加速度阈值的第二时间段；

(5c)确定所述第一时间段和所述第二时间段的公共时间段，所述公共时间段的起始时刻即为所述液压蓄能器释放制动能量的开始时刻，所述公共时间段的结束时刻即为所述液压蓄能器释放制动能量的结束时刻。

需要说明的是，本发明实施例在传统挖掘机的回转系统中增加了液压蓄能器回路，挖掘机初次启动过程中，挖掘机回转机构按照传统模式正常工作，挖掘机回转机构制动时液压蓄能器才工作。

需要说明的是，在挖掘机会还机构制动过程中，液压蓄能器在两个两位三通换向阀作用下接入回路，回收制动能量。

需要说明的是，由于回转机构在加速启动时有较大的速度波动，鉴于液压蓄能器回收的能量有限，选择回转机构匀速运动时释放液压蓄能器回收的制动能量。

需要说明的是，在两个两位三通换向阀都处于右位时，挖掘机回转机构工作在传统模式。

本发明实施例提供的基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统的完整工作过程如下：

(1)变量泵的控制信号调节变量泵启动，三位四通换向阀右位接通，此时回转机构开始正转启动。

(2)回转机构启动完成，旋转到工作位置，挖掘机开始挖掘作业。

(3)挖掘机挖掘作业完成，旋转到卸料位置，回转机构开始制动。

(4)三位四通换向阀的控制信号调节三位四通换向阀处于中位(此时，变量泵控制信号和三位四通换向阀控制信号的输入均为0，变量泵的排量也为0)，两个左边两位三通换向阀处于左位，从而使马达的出油口通过两个单向阀与液压蓄能器接通，液压蓄能器开始储存能量。

(5)在蓄能器工作压力的作用下，实现制动。制动完成后，三位四通换向阀控制信号调节三位四通换向阀处于左位，回转机构开始反向启动。

(6)在回转机构反向匀速运动后，两位两通换向阀的控制信号调节两位两通换向阀处于右位，蓄能器开始释放能量，实现回转机构反向的加速。

示例性的，如图4所示，为传统挖掘机回转机构制动阶段与本发明技术方案的挖掘机回转机构制动阶段的转速对比曲线示意图。

从图4中可以看出，本发明实施例提供的挖掘机回转装在在制动阶段速度波动较小，且能较快制动，降低了系统在制动时的液压冲击。

从图5中可以看出，挖掘机回转机构反向启动期间，在液压蓄能器释放制动能量的作用下，回转机构得到再次加速。

从图6可以看出液压蓄能器的压力和体积随着制动能量的回收和释放产生相应的变化，实现能量的再利用。

综上所述，本发明实施例提供的基于蓄能器的挖掘机回转机构能量回收系统在回转机构制动时能回收制动能量，在回转机构再次启动时，能释放能量。

需要补充的是，关于蓄能器释放能量时机的选择，需要分析回转机构在运动过程中的运动规律以及能量供应情况。

回转机构在启动时，马达进油口的压力迅速达到泵出口溢流阀的调定压力，溢流阀将多余流量溢流。随后马达和回转机构加速启动，随着马达速度的提升，吸收流量增加，溢流阀的溢流量减少，系统的压力依然维持在溢流阀的调定压力，直到释放能量时刻。

当马达吸收的流量等于泵的输出流量时，溢流阀不再溢流，系统压力开始下降，但此时系统压力产生的驱动力矩依然大于负载阻力矩，所以，虽然回转机构转动加速度减小，但还在加速。随着转速的进一步增加，马达的流量供不应求，当系统压力产生的驱动力矩等于回转阻力矩时，回转机构转速达到最大值，以后将匀速转动，稍有速度波动。

在溢流阀开启时，变量泵的流量供过于求，开启后速度波动较大，由于液压蓄能器回收的能量有限，可以选择在回转机构速度稳定之后再释放能量。同时，当回转机构的转速趋于稳定后，转速虽有波动，但转动加速度很小，所以选择加速度较小时释放液压蓄能器收集的制动能量。

本发明实施例所提供的能量回收和释放的控制原理具体步骤如下：

步骤一：将三位四通换向阀控制信号与定值0作比较，当三位四通换向阀控制信号为0时，比较后输出1。

步骤二：把输出信号按比例k放大，作为左右两边两位三通换向阀的控制信号。

步骤三：左边两位三通换向阀的控制信号调节左边两位三通换向阀处于左位，右边两位三通换向阀的控制信号调节右边两位三通换向阀也处于左位，此时蓄能器开始储存能量。

步骤四：制动完成后，三位四通换向阀控制信号调节三位四通换向阀处于左位，回转机构开始反向启动。

步骤五：回转机构反向启动后，由于当角速度达到12r/min时加速度有最大值降到0，在0处波动且幅度越来越小。将通过角速度传感器采集到回转机构的角速度与设定的角速度阈值(示例性的，可以设置为12r/min)作比较，当该值大于k时输出信号值为1，否则输出信号值为0。

步骤五：记录输出信号为1的时间段。

步骤六：将通过角加速度传感器采集到回转机构的角加速度取绝对值。

步骤七：将角加速度的绝对值与预设的角加速度阈值(示例性的，可以设置为0.01)作比较，记录叫加速度的绝对值小于设定的角加速度阈值的时间段。

步骤八：得到步骤五所述的速度值较稳定的时间段且步骤七所述的角加速度较小的时间段，即得到了前文所述蓄能器释放能量时间段。

步骤九：将时钟信号与定值K(1s)作比较，当时钟信号的值大于K(1s)值时输入时钟信号。

步骤十：同时满足步骤八和步骤九所述时，两位两通换向阀控制信号调节两位两通换向阀处于左位，蓄能器开始释放能量。

示例性的，如图7是三位四通换向阀与两位三通换向阀控制信号，从图7中可以看出，利用三位四通换向阀与两位三通换向阀的控制信号来控制蓄能器回路环节简单易操作。

如图8是蓄能器释放能量的控制信号，通过控制信号液压蓄能器完成适量的释放。

如图9是液压蓄能器释放能量后，回转机构反转的转速曲线，由图9可以明显看到释放能量后回转机构反向运动得到了加速。

如图10是液压蓄能器释放能量时流量和充气体积的变化，由图10可知，液压蓄能器稳定释放能量时刻与图8中的控制信号基本符合，充分证明了该控制方法的正确可行。

本发明产生的有益效果为：(1)在传统挖掘机回转机构中加入液压蓄能器，建立了基于蓄能器能量回收系统；(2)在蓄能器能量回收系统的基础上，在回收系统加入了逻辑信号控制系统，通过角速度、角加速度的反馈信号和逻辑运算验证了能量回收与释放的控制过程。该系统实现了在制动时回收能量，再次启动时释放能量的目的；(3)该发明有效的回收了液压挖掘机回转制动过程中以热能形式损耗的转动动能，从而不仅节约能源和降低液压系统的油温，同时也提高设备的可靠性和使用寿命。其次，该节能方案不仅可以推广到其他型号液压挖掘机，这也为相关类型的工程机械提供了参考。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。