一种机械液压复合式挖掘机动臂势能回收及再利用系统的制作方法

本发明属于液压传动技术领域，具体是一种机械液压复合式挖掘机动臂势能回收及再利用系统。

背景技术：

液压挖掘机在各类施工领域广泛应用，液压挖掘机具有油耗高、效率低等缺点，其节能研究迫在眉睫。

图1为当前一种普遍的挖掘机动臂系统结构示意图。其中，动臂100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸300的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸300的活塞杆端铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸300的活塞杆做伸缩运动时，即可带动动臂100做提升和下放动作。挖掘机在工作过程中，动臂升降动作频繁，又由于工作装置和负载质量大，在下降过程中会释放出大量的势能。该能量绝大部分消耗在主液压阀节流口并转换为热能，这造成了能量的浪费和系统的发热，同时，也降低了液压元件的寿命。因此，研究动臂势能回收与再利用问题，对延长设备使用寿命，提高能量利用率具有重要意义。

当前，对于挖掘机动臂势能回收的研究主要集中在电力式(蓄电储能)和液压式(液压储能)两方面。

电力式主要采用液压马达、发电机为能量转化元件，蓄电池和超级电容为储能元件，以实现能量的转换和回收。在系统需要能量时，发动机工作在电动机模式下，驱动液压泵/马达工作在泵模式下，对系统输出液压能。但是动臂下降过程的时间非常短(3～6s)，能量值大，所以功率很大。现有技术的蓄电池难以承受如此大的充电/放电功率。此外，电池的深度充放电寿命很短，约几千次。而超级电容价格极为昂贵，且其占用空间大，因此电力式回收的实用性不强。

液压式能量回收系统以蓄能器为储能元件。其基本工作原理为，当回收系统重力势能时，以高压油液压力能的形式储存于液压蓄能器中；当系统中需要能量时，储存的油液释放出来进入液压系统工作。液压式回收方案利用了蓄能器功率密度大，能吸收压力冲击等优点，但因蓄能器储存能量的密度低，如果需要储存较多能量时会需要较大体积的蓄能器，进而会占用较大的空间，且蓄能器的安装也非常不方便。此外，蓄能器的压力会随着存储油液的增多而上升，对臂架的下落速度造成影响。

为了解决蓄能器压力升高对系统的影响，出现了增加液压变压器作为中间能量转化元件的方案。但这会增加很多的制造成本，且液压变压器的效率较低，会严重影响系统的能量回收效率。

这两种方式，都是利用动臂液压缸100将动臂下放过程中的重力势能转化成油液的压力能，随后再通过不同的方式对此部分能量加以回收。第一，液压缸在能量转化过程中，活塞与缸筒间的摩擦有一定的能量损失。第二，转化后的高压油液在流动过程中还会产生压力损失和泄漏损失。第三，在后续再次能量转化环节中，液压马达(电气式方案)和液压变压器(液压式方案)的效率较低。这些因素都会降低系统的整体效率。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种机械液压复合式挖掘机动臂势能回收及再利用系统，该系统可以对动臂重力势能进行回收，能减少能量的浪费，并能在系统需要时将回收的能量进行再利用，以驱动动臂的提升，能减少对原系统功率的需要，能提高系统能量的利用效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种机械液压复合式挖掘机动臂势能回收及再利用系统，包括转台、动臂和动臂液压缸，动臂的下端和中部分别与转台和动臂液压缸的活塞杆端铰接，动臂液压缸的缸筒端铰接在转台上；

还包括设置在转台上部的弧形齿条、固定连接在转台上的第一支撑架和第二支撑架及水平设置的传动轴；

所述弧形齿条的圆心为动臂与转台的铰接点，其一端与动臂下部的外侧固定连接，弧形齿条的另一端在动臂达到最高状态时与转台的上表面之间不接触；

所述传动轴可转动地连接在第一支撑架的上端，传动轴的一端与位于弧形齿条上部的小齿轮固定连接，传动轴的另一端通过离合器与固定安装在第二支撑架上的变速器的输入端连接，变速器的输出端与辅助液压泵连接；小齿轮与弧形齿条相啮合；

所述辅助液压泵的吸油口s通过管路与油箱连接，其出油口p通过第三单向阀分别与第二换向阀的p口、第一换向阀的p口和蓄能器连接，蓄能器连接有压力传感器；

第二换向阀的a口通过节流阀与油箱连接；第一换向阀的a口通过第二单向阀与主换向阀的p口连接，主换向阀的p口和t口分别通过管路与油源和油箱连接，且油源与主换向阀的p口之间设置有第一单向阀，主换向阀的第一工作油口a和第二工作油口b分别通过管路与动臂液压缸的有杆腔和无杆腔连接。

该系统在挖掘机动臂上增加了弧形齿条，在动臂下放时，弧形齿条可以驱动小齿轮旋转，再通过变速器驱动辅助液压泵工作，实现了将动臂势能转化成油液的压力能；同时，系统中还设置了蓄能器，可以在动臂下落时将辅助液压泵排出的油液存储起来。待动臂提升时，蓄能器的油液释放，与原系统的油源一起驱动动臂的提升，降低了对原系统油源的功率需求，实现了回收能量的再利用。

进一步，为了限制蓄能器内油液最高工作压力,第三单向阀的出油口还通过溢流阀与油箱连接。

进一步，为了减少传动过程中的阻力,传动轴与第一支撑架之间通过轴承连接。

本发明还提供一种机械液压复合式挖掘机动臂势能回收及再利用系统，包括转台、动臂和动臂液压缸，动臂的下端和中部分别与转台和动臂液压缸的活塞杆端铰接，动臂液压缸的缸筒端铰接在转台上；

还包括固定在转台上的第一支撑架和第二支撑架；

所述转台在对应动臂下端两侧的位置固定连接有一对连接耳板，动臂下端通过销轴铰接在一对连接耳板上，销轴与动臂之间固定连接，销轴与一对连接耳板之间可转动地连接；

销轴一端的延长段可转动地穿过第一支撑架的上端后通过离合器与变速器的输入端连接，变速器的输出端与辅助液压泵连接，变速器固定安装在第二支撑架上；

所述辅助液压泵的吸油口s通过管路与油箱连接，其出油口p通过第三单向阀分别与第二换向阀的p口、第一换向阀的p口和蓄能器连接，蓄能器连接有压力传感器；

第二换向阀的a口通过节流阀与油箱连接；第一换向阀的a口通过第二单向阀与主换向阀的p口连接，主换向阀的p口和t口分别通过管路与油源和油箱连接，且油源与主换向阀的p口之间设置有第一单向阀，主换向阀的第一工作油口a和第二工作油口b分别通过管路与动臂液压缸的有杆腔和无杆腔连接。

该系统使挖掘机动臂与销轴之间固定连接，在动臂下放时，通过销轴的旋转带动变速器转动，进而驱动辅助液压泵工作，实现了将动臂势能转化成油液的压力能；同时，系统中还设置了蓄能器，可以在动臂下落时将辅助液压泵排出的油液存储起来。待动臂提升时，蓄能器的油液释放，与原系统的油源一起驱动动臂的提升，降低了对原系统油源的功率需求，实现了回收能量的再利用。

进一步，为了限制蓄能器内油液最高工作压力，第三单向阀的出油口还通过溢流阀与油箱连接。

进一步，为了减少传动过程中的阻力,销轴与第一支撑架之间通过轴承连接。

作为一种优选，销轴与动臂之间通过键连接。

附图说明

图1是现有技术中挖掘机的结构示意图；

图2是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图；

图3是本发明中一个实施例的结构示意图；

图4是本发明的传动系统结构示意图；

图5是本发明的涉及的液压原理图；

图6是现有技术中动臂与转台铰接的一种典型结构示意图；

图7是本发明中另一个实施例的结构示意图。

图中：1、油源，100、动臂，101、弧形齿条，2、第一单向阀，200、转台，201、销轴，202、键，3、主换向阀，300、动臂液压缸，400、小齿轮，401、传动轴，402、第一支撑架，403、轴承，5，油箱，500、离合器，6、蓄能器，600、变速器，601、第二支撑架，7、辅助液压泵，8、第一换向阀，9、溢流阀，10、第二单向阀，11、压力传感器，12，第二换向阀，13、节流阀，14、第三单向阀，15、连接耳板。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

图1为现有挖掘机中动臂100、转台200和动臂液压缸300的装配结构示意图，其中动臂100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸300的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸300的活塞杆端铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸300的活塞杆做伸缩运动时，即可带动动臂100做提升和下放动作。

图2是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图。1为油源，为系统提供高压油液。2是单向阀，使油源提供的高压油液只能单向流至主换向阀3。图2所示的主换向阀3是三位四通电磁换向阀，在实际的液压系统中，该阀可能是三位四通阀，也可能是三位六通阀。主换向阀3的换向方式可能是电控的，也可能是液控等方式。当主换向阀3的电磁铁y1a得电时，主换向阀3工作在右位，油源1提供的油液经主换向阀3的p口至b口进入动臂液压缸300的无杆腔，其有杆腔的油液经主换向阀3的a口至t口流回油箱5。动臂液压缸300的活塞杆伸出，对应图1中动臂提升动作。当换向阀3的电磁铁y1b得电时，主换向阀3工作在左位，油源1提供的油液经主换向阀3的p口至a口进入动臂液压缸300的有杆腔，其无杆腔的油液经主换向阀3的b口至t口流回油箱5。动臂液压缸300的活塞杆缩回，对应图1中动臂下落动作。因为此时动臂液压缸300的活塞杆作用着动臂100等负载，所以动臂液压缸300的有杆腔压力很小，而其无杆腔的压力很大。当无杆腔流出的油液经过主换向阀3的阀口时，这些压力能就消耗在阀口上，从而产生了很多的热量。

一种机械液压复合式挖掘机动臂势能回收及再利用系统，包括转台200、动臂100和动臂液压缸300，动臂100的下端和中部分别与转台200和动臂液压缸300的活塞杆端铰接，动臂液压缸300的缸筒端铰接在转台200上；

还包括设置在转台200上部的弧形齿条101、固定连接在转台200上的第一支撑架402和第二支撑架601及水平设置的传动轴401；

所述弧形齿条101的圆心为动臂100与转台200的铰接点，其一端与动臂100下部的外侧固定连接，弧形齿条101的另一端在动臂100达到最高状态时与转台200的上表面之间不接触；弧形齿条101越是远离动臂100与转台200的铰点，其长度越长，但是有利于选用较小增速比的变速器。

所述传动轴401可转动地连接在第一支撑架402的上端，传动轴401的一端与位于弧形齿条101上部的小齿轮400固定连接，传动轴401的另一端通过离合器500与固定安装在第二支撑架601上的变速器600的输入端连接，变速器600的输出端与辅助液压泵7连接；小齿轮400与弧形齿条101相啮合；变速器600的目的是为了匹配小齿轮400与辅助液压泵7之间的转速。离合器500用于控制所述传动轴401与所述变速器600之间动力连接的通断,得电时吸合，断电时分开。为了简化电控系统，离合器500还可以替换为超越离合器或单向轴承等。

所述辅助液压泵7的吸油口s通过管路与油箱5连接，其出油口p通过第三单向阀14分别与第二换向阀12的p口、第一换向阀8的p口和蓄能器6连接，蓄能器6连接有压力传感器11；

第二换向阀12的a口通过节流阀13与油箱5连接；第一换向阀8的a口通过第二单向阀10与主换向阀3的p口连接，主换向阀3的p口和t口分别通过管路与油源1和油箱5连接，油源1与主换向阀3的p口之间设置有第一单向阀2，主换向阀3的第一工作油口a和第二工作油口b分别通过管路与动臂液压缸300的有杆腔和无杆腔连接。所述油源1可以为系统提供高压油液，并自带超压保护功能。

主换向阀3为三位四通电磁换向阀。在实际的液压系统中，该阀可能是三位四通阀，也可能是三位六通阀。主换向阀3的换向方式可能是电控的，也可能是液控等方式。

第三单向阀14的出油口还通过溢流阀9与油箱5连接。

传动轴401与第一支撑架402之间通过轴承403连接。

一种机械液压复合式挖掘机动臂势能回收及再利用系统，包括转台200、动臂100和动臂液压缸300，动臂100的下端和中部分别与转台200和动臂液压缸300的活塞杆端铰接，动臂液压缸300的缸筒端铰接在转台200上；

还包括固定在转台200上的第一支撑架402和第二支撑架601；

所述转台200在对应动臂100下端两侧的位置固定连接有一对连接耳板15，动臂100下端通过销轴201铰接在一对连接耳板15上，销轴201与动臂100之间固定连接，销轴201与一对连接耳板15之间可转动地连接；

销轴201一端的延长段可转动地穿过第一支撑架402的上端后通过离合器500与变速器600的输入端连接，变速器600的输出端与辅助液压泵7连接，变速器600固定安装在第二支撑架601上；变速器600为增速变速器,其可以是可调传动比的变速器，也可以是固定传动比的变速器。

所述辅助液压泵7的吸油口s通过管路与油箱5连接，其出油口p通过第三单向阀14分别与第二换向阀12的p口、第一换向阀8的p口和蓄能器6连接，为了测量蓄能器内油液的压力，蓄能器6连接有压力传感器11；

第一换向阀8为两位两通电磁换向阀。当其电磁铁y2不得电时，p口至a口截止；当电磁铁y2得电时，p口和a口导通。

第二换向阀12的a口通过节流阀13与油箱5连接；第一换向阀8的a口通过第二单向阀10与主换向阀3的p口连接，主换向阀3的p口和t口分别通过管路与油源1和油箱5连接，油源1与主换向阀3的p口之间设置有第一单向阀2，主换向阀3的第一工作油口a和第二工作油口b分别通过管路与动臂液压缸300的有杆腔和无杆腔连接。

第二换向阀12为两位两通电磁换向阀。当其电磁铁y3不得电时，p口至a口截止；当电磁铁y2得电时，p口和a口导通。

第三单向阀14的出油口还通过溢流阀9与油箱5连接。

销轴201与第一支撑架402之间通过轴承403连接。

销轴201与动臂100之间通过键202连接。

工作原理：

结合图3-图5，对本发明的工作原理做进一步的说明。

一、动臂提升过程(蓄能器内无储能的情况下)

在蓄能器6内没有储存能量的情况下，比如长时间停机后的首次开机，此时的动臂提升工作原理与现有技术中的动臂提升原理一致。

电控系统(未画出)收到动臂提升的指令后，使主换向阀3的电磁铁y1a得电，主换向阀3工作在右位，油源1提供的油液经主换向阀3的p口至b口进入动臂液压缸300的无杆腔，其有杆腔的油液经主换向阀3的a口至t口流回油箱5。动臂液压缸300的活塞杆伸出，对应图2中动臂提升动作。

弧形齿条101在动臂100的带动下运动，进而带动小齿轮400及传动轴401自由旋转。此时，离合器500不吸合，断开了传动轴401和变速器600的连接，故辅助液压泵7不会对动臂运动产生影响。弧形齿条101、小齿轮400以及传动轴401运动的阻力很小，对动臂运动产生的阻力作用可以忽略。

因为辅助液压泵7与蓄能器6之间串接有第三单向阀14，即使蓄能器6内有高压油液，此部分油液也不会推动辅助液压泵7反向旋转。

由于设置了第二单向阀10，无论第一换向阀8得电与否，油源1的全部油液都供给主换向阀3，而不会进入蓄能器6内。

二、动臂下放过程(动臂势能回收)：

电控系统(未画出)收到动臂下放的指令后，使主换向阀3的电磁铁y1b得电，主换向阀3工作在左位，并离合器500得电吸合。结合图3和图4，弧形齿条101随着动臂100而运动，带动小齿轮400旋转，通过传动轴401、离合器500、变速器600，驱动辅助液压泵7旋转。在结合图5，辅助液压泵7排出的油液经第三单向阀14存储在蓄能器6内。同时，动臂液压缸300的活塞杆在动臂重力下缩回，其无杆腔内的油液经主换向阀3的b口至t口流回油箱5，油源1提供的油液经第一单向阀2、主换向阀3的p口至a口进入动臂液压缸300的有杆腔。通过合理控制辅助液压泵7的排量，即可调整小齿轮400对弧形齿条101产生的阻力，使之承担动臂的绝大部分负载，减少动臂液压缸300承担的负载。因此，动臂液压缸300的无杆腔内的压力很小，消耗在主换向阀3的阀口上的能量就很少。

因此，绝大部分的动臂重力势能就被转化成压力能存储在蓄能器6内。主换向阀3的阀口消耗的能量很少。

三、动臂提升过程(蓄能器储能再利用)：

通过压力传感器11可以得知蓄能器6内储存的油液的情况。

如果蓄能器6内存有一定量的压力油液，在动臂提升时，电控系统(未画出)使第二换向阀8得电，蓄能器6的油液经第一换向阀8和第二单向阀10后，与油源1提供的油液汇合，一起经主换向阀3的p口至b口进入动臂液压缸300的无杆腔，使动臂100提升。这就减少了动臂提升动作对油源1的功率需求，降低了油源1的功率。这就实现了储能能量的再利用。

四、动臂挖掘

当挖掘机的铲斗下降到接触地面或硬岩时，动臂100不能在依靠自身重力下落，电控系统(未画出)应使离合器500断开连接，停止回收动臂势能。

这时还有可能需要动臂100主动向下挖掘，甚至遇到挖掘机力不够的情况。此时的工况是，主换向阀3电磁铁y1a得电，工作在右位，动臂液压缸300的有杆腔进油，但是液压缸300的回缩力(油源的最大工作压力乘以有杆腔面积)不足以克服负载的阻力。此时，操作人员按下操纵手柄(未画出，与电控系统连接)上的功能按钮，若经压力传感器11检测蓄能器6的油液压力高于系统油源1的最高压力，电控系统(未画出)使第一换向阀8得电，使离合器500接合。蓄能器6内的高压油液，经第一换向阀8和第二单向阀10、主换向阀3的p口至a口进入液压缸300的有杆腔。因为蓄能器6内的油液压力较高，故液压缸300可以带动动臂产生更大的挖掘力。此为增力工况。

若经压力传感器11检测蓄能器6的油液压力低于系统油源1的最高压力，电控系统(未画出)则不响应。同时，可以在挖掘机的显示器上显示无法提供增力挖掘的信息。

在挖掘机停止工作后，例如操纵人员下班后，应先通过有关按钮(未画出)，使第二换向阀12得电。蓄能器6内的油液经第二换向阀12的p口至a口、节流阀13流回油箱5，实现对蓄能器6的卸荷。这样可以避免蓄能器6存储大量压力油发生意外。节流阀13可以防止蓄能器6内油液释放时流量过大，造成蓄能器6寿命缩减和油箱5内油液液位过快波动。

作为另一种方案，第二换向阀12可以使用常态位p口与a口连通的机能。当得电时，p口与a口封闭，实现蓄能器6与油箱5的断开连接。

作为一种简化配置，辅助液压泵7可以选用定量泵。

在使用变量泵时，要注意其排量不能太小，防止转速过高造成损坏或寿命缩减。

第二实施例：

图6给出了现有技术中挖掘机动臂100与转台200铰接的一种典型结构。由图6可见，动臂100绕销轴201转动时，销轴201不会跟随动臂100转动。

作为本专利的第二实施例，在动臂100的铰点开设键槽，同时在销轴201上开设键槽，将动臂100与销轴201通过键202连接，见图7。这样就可以省去第一实施例中的弧形齿条101和小齿轮400。这对于减少设备的体积是有利的。

当动臂100绕销轴201转动时，销轴201会同步转动。此时，销轴201就替代了图4中的传动轴401，可以对外输出动力。图7中销轴201通过离合器500、变速器600驱动辅助液压泵7工作。

图7给出了以平键连接的方式。为了提高性能，也可以使用花键等方式。

将动臂100与销轴201通过焊接、法兰连接等方式做成一体式，也是一种替代方案。

进一步，可以将离合器500替换为单向轴承。当动臂100提升时，传动轴401不会通过变速器600驱动辅助液压泵7工作。当动臂100下放时，传动轴401与变速器600连接，驱动辅助液压泵7工作。