专利名称：一种用于负载敏感液压系统的能量回收系统的制作方法
技术领域：
本发明属于工程机械技术领域，涉及一种用于负载敏感液压系统的能量回收系统。
背景技术：
工程机械在工作时各工作装置频繁进行着往复运动，如液压挖掘机动臂的制动与举升、液压起重机将重物提起与降下。制动或负载下降过程中会产生大量的势能，这些势能大部分由液压阀的节流作用而转化成热量，不仅浪费了能源而且会引起系统发热。系统散热不良时，将会降低液压元件的可靠性及寿命，甚至造成安全事故。如果能够回收这部分势能，不但能节约能源还可以降低系统的发热和磨损，提高设备使用寿命。这将产生巨大的经济效益和社会效益。传统工程机械系统中，由于不存在储能单元，所采用的各种能量回收方法难以将这部分能量高效回收、方便存储并再次利用。有些系统以蓄能器作为储能单元。蓄能器功率密度大，能够快速的存储和释放能量，并且可较长时间储能，适用于负载频繁变化的场合。但蓄能器的比能量较低，而较大体积的蓄能器不适用于工程机械。目前，世界各大主要工程机械制造商及相关研究机构都在致力于混合动力工程机械的研究，有的处于样机试制阶段，有的已经开始小批量推向市场。混合动力系统能够方便的实现能量的储存及再利用，这为能量回收技术在工程机械上的应用提供了新的契机。传统的电力式能量回收系统主要由液压马达、发电机和蓄电池组成。如图2所示，液压泵与溢流阀一起构成恒压源，向系统提供压力油。比例换向阀切换到左位时负载被举起，阀的开口大小控制负载上升的速度；当负载下降时，换向阀切换到右位，并且开口调到最大。此时，换向阀不起调速作用，由液压马达排量的调节或发电机速度的调节来控制回油流量，进而控制负载下降速度。液压马达将负载重力势能产生的液压能转化为机械能，进一步通过发电机转化为电能并将其储存 在蓄电池或超级电容里。负载敏感技术从20世纪70年代开始兴起，进入20世纪90年代以来，各工程机械厂商纷纷推出了一系列相关产品。负载敏感系统不仅调速特性好而且避免了溢流损失，系统效率较高。目前，该技术已经成为工程机械主流控制技术之一。传统的电力式能量回收系统的结构及控制方法均不适用于负载敏感液压系统。因为，负载敏感多路阀开口调节到最大后系统供油也将达到最大，而回油流量是由能量回收马达的排量和发电机转速决定的，供油流量大于回油流量，系统压力会迅速达到最大值。在不结合能量回收系统的情况下，负载敏感液压系统在负载下降时，系统供油压力只需打开平衡阀即可，压力值往往较低。这样，由于能量回收系统的应用反而使得系统耗能大大增力口，虽然一部分能量可以被回收，但能量回收的作用已经大大降低。因此，需要设计出能够满足负载敏感液压系统技术特点的能量回收系统
发明内容
本发明的目的是针对传统电力式能量回收系统难以应用到负载敏感液压系统上的问题，提出一种能够结合负载敏感液压系统的技术特点，使能量回收单元中变量液压马达排量的调节自动与负载敏感系统中多路阀工作状态的变化相协调的能量回收系统。为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案:一种用于负载敏感液压系统的能量回收系统是由信号检测单元、控制单元、能量回收单元和储能单元组成；信号检测单元是由压力传感器组成，其功能是检测负载下降时液压系统执行机构进油侧的系统压力，并将其转化成数字信号传输给整机的CAN总线，通过CAN总线进一步将信号传输给控制单元；控制单元是由控制器及与其配套的软件、输入设备、电源等组成。控制器接收检测信号，并将检测信号按相应的控制算法处理后生成控制信号，而后通过CAN总线将控制信号传输给能量回收单元；能量回收单元是由EP电比例调节变量马达、第一单向阀、第二单向阀和发电机构成，马达安装在多路阀与执行机构之间的油路上，第一单向阀与马达串联，第二单向阀与马达并联，马达将势能产生的液压能转化为机械能，并通过联轴器与发电机连接，发电机进一步将机械能转化为电能；马达的排量和发电机的转速决定了从执行机构流回油箱的油液的流量，即决定了负载下降的速度。在控制单元的作用下，马达的排量能够与多路阀的调节相协调。这就使得执行机构的进油流量与回油流量相协调，避免了进油流量过大时的耗能增加和回油流量过大时的负载失速下降；马达通过与其并联和串联的两个单向阀，实现了当系统处于不同工作状态时能量回收系统与负载敏感液压系统在功能上的自动结合与分离。当负载起升时，第一单向阀关闭，第二单向阀导通，油液顺利进`执行机构。此时，能量回收系统不工作。当负载下降时，第二单向阀关闭，第一单向阀导通，马达回油顺利流回油箱。此时，能量回收系统启动。储能单元是由蓄电池或超级电容以及整流器组成，能够根据系统工作状态充电或放电。混合动力系统中往往已经包含了储能单元，本发明可以将回收的能量通过整流器传输给已有的储能单元。本发明的控制策略是:当负载敏感多路阀动作时，通过对马达排量的调节使负载下降时液压系统执行机构进油侧的压力稳定在一个设定值，进而实现进油流量与回油流量的协调。最终，实现了马达排量随多路阀的动作而自动调节和对负载重力势能的回收。控制算法选用应用广泛、技术成熟的PID控制。P、1、D分别指比例、积分和微分三个环节，通过输入设备可以方便的设定和调整各个参数。合理设定三个环节的参数可以得到较好的动态响应和稳态响应。本发明的有益效果:1、解决了传统电力式能量回收系统结构及控制方法不适用于负载敏感液压系统的问题。实现了对负载敏感液压系统中执行机构重力势能的可靠、高效的回收。2、本发明结构简单、控制方法简洁高效。影响执行机构进油流量与回油流量的主要因素包括:多路阀开口大小、执行机构的结构或泄漏、马达排量、发电机转速。如果对各个变量进行测量，势必要应用多个传感器。不仅成本高昂，而且构建的是多输入多输出控制系统，控制策略以及相关参数的设定和调整将会很复杂。本发明通过对马达排量的调节使压力监测点的压力稳定在人为设定值，进而实现了进油与回油流量的协调，事实上也就实现了马达排量随多路阀的动作而自动调节。本发明的优点是:在结构上，只需在原有能量回收系统上添加一个压力传感器和选用EP电比例变量马达即可；在控制上，构建的是单输入单输出控制系统，应用经典的PID控制即可得到较好的控制效果；3、本发明通过采用分别与马达并联和串联的两个单向阀，实现了能量回收系统与负载敏感液压系统在功能上的自动结合与分离。相比于应用换向阀，不需要人为或控制器给予动作指令，不需要改变操作者的操作习惯。同时，也避免了换向阀换向时引起的压力波动；4、本发明很好的结合了负载敏感液压系统的特点，克服了传统电力式能量回收系统不适用于高压系统的缺点。在传统能量回收系统中，即使通过应用电比例调节溢流阀解决了上述问题，但同时又很容易引起系统压力的波动；5、本发明响应快、调速特性好。本发明采用变量马达和发电机构成能量回收单元。马达排量的调节较为迅速，而发电机转动惯量大，调速不方便。如果采用定量马达和变频电机组合，难以很好的控制流量。但是，发电机惯量大的缺点对本发明而言则是个优点。因为，当负载由静止迅速下降时，需要瞬 间大流量通过，如果发电机此时保持旋转，则可以配合马达排量的调节迅速达到目标流量。
图1为本发明系统结构示意图；图2为传统电力式能量回收系统示意图；图3为负载敏感多路阀原理图；图4为负载敏感多路阀原理分解示意图；图5为具体实施方式
的系统结构示意图；图6为本发明控制策略流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明做进一步说明，所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。应当理解，所述实施例仅用于说明和解释本发明，不是对本发明的限定。如图2所示，一种用于负载敏感液压系统的能量回收系统由信号检测单元、控制单元、能量回收单元和储能单元组成；信号检测单元是由压力传感器组成，其功能是检测负载下降时液压系统执行机构进油侧系统压力，并将其转化成数字信号传输给整机的CAN总线，通过CAN总线进一步将信号传输给控制单元；控制单元是由控制器及与其配套的软件、输入设备、电源等组成。控制器接收检测信号，并将检测信号按相应的控制算法处理后生成控制信号，而后通过CAN总线将控制信号传输给能量回收单元；能量回收单元是由EP电比例调节变量马达第一单向阀、第二单向阀和发电机构成，马达安装在多路阀与执行机构之间的油路，第一单向阀与马达串联，第二单向阀与马达并联，马达将势能产生的液压能转化为机械能，并通过联轴器与发电机连接，发电机进一步将机械能转化为电能；储能单元是由蓄电池或超级电容以及整流器组成，能够根据系统工作状态充电或放电。如图3所示，负载敏感多路阀由操纵阀和压力补偿阀组成。如图4所示，操纵阀包括阀的节流部分和阀的换向部分。阀节流口的压差在压力补偿阀的作用下保持为一定值，通过节流口的流量仅由阀口开度决定。如图5所示，负载敏感多路阀通过LS 口及相应管路将各个负载的最高压力反馈到负载敏感泵的压力补偿阀，在其作用下，泵的出口压力保持为比最高负载高出一个固定值。当多路阀动作时，泵的排量会做相应调节以满足流量的需求。如图6所示，压力传感器检测到的压力信号与设定信号做差，如果差值大于零，则将信号差值作为输入信号输入PID控制模块，控制模块的输出信号调节能量回收单元中马达的排量，排量调节的目标是减小直至消除信号差。如果差值小于或等于零，则控制器将马达排量迅速调节至零。进入下一个扫描周期后将重复上面的过程。其中，人为设定值可由输入设备设定并修改。设定值过小可能会因为回油压力的干扰而造成马达的误动作，设定值过大会增大耗能，将设定值设定为正常系统中平衡阀的起调压力即可。在此实施例中，当负载敏感多路阀切换到右位，液压缸无杆腔进油，负载上升。单向阀I保护液压马达回油口不受高压油冲击，单向阀2允许油液顺利流通进入执行机构，负载被举起。液压缸有杆腔回油，回油压力正常情况下只有几bar。压力传感器检测回油压力，并传输给控制器。控制器按图6所示流程进行运算。由于设定值大于检测压力，则马达排量会保持为零。此时，负载被举起的速度完全由多路阀开口的大小控制，能量回收系统与负载敏感系统在功能上彼此分离， 互不干扰。当多路阀切换到左位时，液压缸有杆腔进油，负载产生下降的趋势。由于单向阀2阻止油液流过，迫使油液进入能量回收单元，而换向瞬间，马达的排量为零。因此，回油受阻，压力传感器检测处压力会迅速上升。当检测值大于设定值时，两者差值作为控制信号进入PID控制模块。马达排量会逐步增大，并带动发电机旋转，单向阀I导通，马达回油顺利流回油箱。此时，能量回收系统启动，发电机产生电能并传输给储能单元。由于回油流量逐步增大，负载开始下降，检测压力点处压力也逐步降低。当检测压力减小到设定压力时，马达排量将停止调节。当多路阀开口大小变化时，系统供油量发生变化，将会重复上述调节过程。马达排量会始终随多路阀的动作而自动调节。最终，重力势能被转化为电能并存储起来。当多路阀切换回中位时，节流口关闭，液压缸有杆腔停止供油，测压点处压力迅速降低，当检测值小于人为设定值时，马达排量调为零，虽然此时发电机转速不为零，但回油流量为零，负载停止下降。上述操作表明，本发明可以很好的和负载敏感系统兼容，彼此互不干扰。负载敏感多路阀依然可以很好的控制执行机构的运动，而负载的重力势能也得到了回收。
权利要求
1. 一种用于负载敏感液压系统的能量回收系统是由信号检测单元、控制单元、能量回收单元和储能单元组成；其特征在于 信号检测单元是由压力传感器组成，其功能是检测负载下降时液压系统执行机构进油侧的系统压力，并将其转化成数字信号传输给整机的CAN总线，通过CAN总线进一步将信号传输给控制单元； 控制单元是由控制器及与其配套的软件、输入设备、电源等组成，控制器接收检测信号，并将检测信号按相应的控制算法处理后生成控制信号，而后通过CAN总线将控制信号传输给能量回收单元； 能量回收单元是由EP电比例调节变量马达、第一单向阀、第二单向阀和发电机组成，马达安装在多路阀与执行机构之间的油路上，第一单向阀与马达串联，第二单向阀与马达并联，马达将势能产生的液压能转化为机械能，并通过联轴器与发电机连接，发电机进一步将机械能转化为电能； 储能单元是由蓄电池或超级电容以及整流器组成，能够根据系统的工作状态充电或放电。
全文摘要
本发明公开了一种用于负载敏感液压系统的能量回收系统，属于工程机械技术领域。本发明由信号检测单元、控制单元、能量回收单元、储能单元四部分组成。信号检测单元检测负载下降时液压系统执行机构进油侧的压力并将其转化成数字信号传输给控制单元；控制单元接收检测信号，将检测信号按相应的控制算法处理后生成控制信号并传输给能量回收单元；能量回收单元将液压能转化成电能并根据控制信号实时调整工作状态；储能单元根据系统的工作状态储存或释放电能。本发明针对负载敏感技术的特点，使能量回收单元中变量液压马达排量的调节自动与负载敏感系统中多路阀的动作相协调，实现了电力式能量回收技术在负载敏感液压系统上的应用。
文档编号F15B21/14GK103256278SQ20131011422
公开日2013年8月21日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者赵静一, 李博, 郭锐 申请人:燕山大学