本發(fā)明涉及液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)中的節(jié)能裝置,尤其涉及一種基于四通液壓變壓器液能回收的單泵挖掘機(jī)節(jié)能裝置。
背景技術(shù):
現(xiàn)有的挖掘機(jī)液能回收裝置有的采用發(fā)電-儲(chǔ)能-電動(dòng)釋放方式,裝置復(fù)雜,能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多效率低;液壓式回收大部分采用定量馬達(dá)和變量泵對(duì)拖的方案,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量重、成本高;還有采用三通液壓變壓器,不能回收負(fù)載的壓差液能。
再者現(xiàn)在的液能回收裝置只能回收某一工況單個(gè)負(fù)載的能量,如動(dòng)臂下降物料的重力勢(shì)能、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能。然而液壓挖掘機(jī)在正常作業(yè)時(shí),其工況包括:挖掘、滿斗回轉(zhuǎn)、卸載、空斗回轉(zhuǎn)等,負(fù)載包括動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)等,經(jīng)常有兩個(gè)以上負(fù)載同時(shí)工作,同一主泵提供油液的負(fù)載之間存在較大的壓差,現(xiàn)在研究的方案沒(méi)有考慮這種壓差能量的損失?;厥盏哪芰肯却嬖谛钅芷?,再通過(guò)液壓能-機(jī)械能-液壓能的轉(zhuǎn)換使用,不能直接利用,轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多,效率低。大部分節(jié)能裝置采用回收某一個(gè)負(fù)載的能量還用于這個(gè)負(fù)載的方案,回收到的能量利用不靈活。
因此,亟待解決上述問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)控制器控制節(jié)能裝置中相應(yīng)電磁閥動(dòng)作,將四通液壓變壓器切換到需要回收的液壓回路中,再通過(guò)控制調(diào)節(jié)四通液壓變壓器,不改變負(fù)載流量的基礎(chǔ)上改變液壓回收回路的壓差,即實(shí)現(xiàn)在不影響挖掘機(jī)操縱性的條件下最大限度地回收系統(tǒng)中的液壓能的基于四通液壓變壓器液能回收的單泵挖掘機(jī)節(jié)能裝置。
技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)以上目的,本發(fā)明所述的一種基于四通液壓變壓器液能回收的單泵挖掘機(jī)節(jié)能裝置,包括接入挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的四通液壓變壓器、蓄能器、常開(kāi)電磁閥、常閉電磁閥和控制器,并形成工作油口(a1、b1、a2、b2、o1、o2)、壓力油口pp和回油口tt;所述四通液壓變壓器具有高壓出油口pa、低壓出油口pb、回收出油口po和低壓吸油口pt,所述控制器根據(jù)挖掘機(jī)工況將四通液壓變壓器切換至需回收液壓能的液壓回路中,控制器控制對(duì)應(yīng)的常開(kāi)電磁閥和常閉電磁閥使得工作油口的進(jìn)液油從pa口流入四通液壓變壓器內(nèi),經(jīng)四通液壓變壓器減壓后,從pb口輸出流量不變的油液進(jìn)入相對(duì)的工作油口或接入回油口,四通液壓變壓器回收的液壓能從po口與壓力油口匯合使用或輸送至蓄能器存儲(chǔ)。
其中,所述節(jié)能裝置還包括單向閥、安全閥、截止閥和梭閥,所述四通液壓變壓器液能回收的po口一路經(jīng)常閉電磁閥再分別經(jīng)由安全閥接入節(jié)能裝置的回油口和經(jīng)由截止閥接蓄能器,po口另一路經(jīng)常閉電磁閥和單向閥接節(jié)能裝置的壓力油口;梭閥的兩進(jìn)液口接節(jié)能裝置的工作油口,梭閥的出口經(jīng)常閉電磁閥接四通液壓裝置的pa口。
優(yōu)選的,所述液壓系統(tǒng)包括執(zhí)行挖掘機(jī)動(dòng)作的大臂油缸、斗桿油缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá),所述節(jié)能裝置的工作油口(a1、b1、a2、b2)和壓力油口pp上均設(shè)有壓力傳感器,所述蓄能器的入口設(shè)有壓力傳感器,所述梭閥的出口設(shè)有壓力傳感器,所述大臂油缸活塞桿腔入口設(shè)有壓力傳感器,每一壓力傳感器將油路中的液壓壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量輸入至控制器進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換;控制器根據(jù)四通液壓變壓器的使用狀態(tài)、挖掘機(jī)動(dòng)作信號(hào)和壓力信號(hào)分類處理工況,發(fā)出do信號(hào),驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的常開(kāi)電磁閥和常閉電磁閥得電動(dòng)作,將四通液壓變壓器切換至需回收液能的回路或釋放蓄能器存儲(chǔ)的液能,發(fā)出ao信號(hào),調(diào)節(jié)四通液壓變壓器變壓比實(shí)現(xiàn)回收液能和釋放儲(chǔ)能。
進(jìn)一步,所述節(jié)能裝置還包括信號(hào)調(diào)理板、繼電器驅(qū)動(dòng)板、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服減速機(jī),該壓力傳感器將油路中的液壓壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào),經(jīng)信號(hào)調(diào)理板調(diào)節(jié)為電壓信號(hào)輸送至控制器ad轉(zhuǎn)換,行程開(kāi)關(guān)將挖掘機(jī)動(dòng)作信號(hào)變?yōu)楦唠娖阶鳛閐i信號(hào)輸送至控制器;控制器根據(jù)四通液壓變壓器的使用狀態(tài)、壓力信號(hào)和di信號(hào)分類處理工況,發(fā)出do信號(hào),經(jīng)繼電器驅(qū)動(dòng)板功率放大后驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的常開(kāi)電磁閥和常閉電磁閥得電動(dòng)作,將四通液壓變壓器切換至需回收液能的回路或釋放蓄能器存儲(chǔ)的液能,發(fā)出ao信號(hào),經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器放大后,驅(qū)動(dòng)伺服減速機(jī)帶動(dòng)四通液壓變壓器改變變壓比實(shí)現(xiàn)回收液能和釋放儲(chǔ)能。
再者,所述挖掘機(jī)工況包括工況1:回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并儲(chǔ)存,工況條件為回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志已置位且無(wú)其他信號(hào);工況2:回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并直接利用,工況條件為回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志已置位且有其他信號(hào);工況3:回收大臂油缸勢(shì)能并儲(chǔ)存,工況條件為僅有大臂下降信號(hào);工況4:回收大臂油缸勢(shì)能并直接利用,工況條件為有大臂下降信號(hào)和其他信號(hào);工況5:回收斗桿油缸壓差并直接利用,工況條件為有大臂上升和斗桿收回信號(hào);工況6:釋放儲(chǔ)能,工況條件為沒(méi)有工況1~工況5的信號(hào),但有其他信號(hào);所述控制器的控制方法,包括如下步驟:
(1)四通液壓變壓器在工作嗎?在工作轉(zhuǎn)(23);
(2)有先導(dǎo)控制閥動(dòng)作信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(5);
(3)回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志已置位嗎?未置位轉(zhuǎn)(10);
(4)節(jié)能裝置切入回轉(zhuǎn)制動(dòng)出液口,回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并儲(chǔ)存在蓄能器中,回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志復(fù)位,工況=1,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(5)有大臂上升信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(21);
(6)有大臂下降信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(18);
(7)回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志已置位?已置位轉(zhuǎn)(14);
(8)有回轉(zhuǎn)信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(13);
(9)有其它信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(11);
(10)返回;
(11)蓄能器存儲(chǔ)壓力達(dá)到釋放壓力了嗎?未達(dá)到了轉(zhuǎn)(10);
(12)釋放存儲(chǔ)液能再利用,工況=6,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(13)置回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志,轉(zhuǎn)(9);
(14)還有回轉(zhuǎn)信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(11);
(15)還有其它信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(17);
(16)節(jié)能裝置切入回轉(zhuǎn)制動(dòng)出液口,回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并儲(chǔ)存在蓄能器中,回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志復(fù)位,工況=1,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(17)節(jié)能裝置切入回轉(zhuǎn)制動(dòng)出液口,回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并直接利用,回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志復(fù)位,工況=2,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(18)還有其它信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(17);
(19)回收大臂油缸勢(shì)能并儲(chǔ)存,控制變壓比使上腔壓力接近系統(tǒng)壓力,工況=3,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(20)回收大臂油缸勢(shì)能直接利用,控制變壓比使上腔壓力大于0,工況=4,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(21)有斗桿收回信號(hào)?沒(méi)有信號(hào)轉(zhuǎn)(7);
(22)回收斗桿油缸壓差能,直接利用,工況=5,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(23)工況=1或2?不是轉(zhuǎn)(10);
(24)制動(dòng)口壓力已很低?否轉(zhuǎn)(26);
(25)四通液壓變壓器工作標(biāo)志復(fù)位,復(fù)位相關(guān)閥,轉(zhuǎn)(10);
(26)工況=3或4?不是轉(zhuǎn)(29);
(27)還有大臂下降信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(10);
(28)轉(zhuǎn)(25);
(29)工況=5?不是轉(zhuǎn)(32);
(30)還有大臂上升和斗桿收回信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(10);
(31)轉(zhuǎn)(25);
(32)工況=6?不是轉(zhuǎn)(10);
(33)蓄能器存儲(chǔ)壓力低于設(shè)定值嗎?不是轉(zhuǎn)(10);
(34)轉(zhuǎn)(25)。
優(yōu)選的,所述液壓系統(tǒng)還包括油箱、液壓泵和主閥塊,該主閥塊包括大臂換向閥、斗桿換向閥和馬達(dá)換向閥;所述斗桿換向閥的一工作口接斗桿油缸的活塞桿腔,斗桿油缸的活塞腔接b1口,a1口接斗桿換向閥的另一工作口;所述大臂換向閥的一工作口接大臂油缸的活塞桿腔,大臂油缸的活塞腔接b2口,a2口接大臂換向閥的另一工作口;所述回轉(zhuǎn)馬達(dá)的兩工作口接馬達(dá)換向閥的兩工作口,同時(shí)接o1口和o2口;tt口接油箱、pp口接液壓泵出口;
所述控制器根據(jù)挖掘機(jī)工況將四通液壓變壓器切換至需回收液壓能的液壓回路中,控制器控制對(duì)應(yīng)的常開(kāi)電磁閥和常閉電磁閥使得主閥塊進(jìn)油從pa口流入四通液壓變壓器內(nèi),經(jīng)四通液壓變壓器減壓后,從pb口輸出流量不變的油液進(jìn)入大臂油缸或斗桿油缸和/或回油,四通液壓變壓器回收的液壓能從po口與液壓泵輸出油匯合使用或輸送至蓄能器存儲(chǔ)。
進(jìn)一步,所述液壓系統(tǒng)還包括先導(dǎo)控制閥塊,該先導(dǎo)控制閥塊包括先導(dǎo)控制閥和用于向控制器輸出di信號(hào)的行程開(kāi)關(guān)。
再者,所述先導(dǎo)控制閥塊還包括減壓閥,液壓泵從油箱吸油,輸出口與主控閥塊中的p管路、先導(dǎo)控制閥塊中的減壓閥進(jìn)口相連,進(jìn)入先導(dǎo)控制閥塊的壓力經(jīng)減壓閥減壓后供給先導(dǎo)控制閥。
優(yōu)選的,所述主控閥塊包括主溢流閥、沖洗閥、ls溢流閥、過(guò)載閥和壓力補(bǔ)償器,該壓力補(bǔ)償器補(bǔ)償油缸換向閥和馬達(dá)換向閥的負(fù)載壓差,并選擇最大壓力作為ls壓力反饋給液壓泵。
再者,所述四通液壓變壓器包括端蓋、位于端蓋內(nèi)且與控制器相連接的配流盤和殼體,該殼體的左端與端蓋固定連接,該殼體左端從外向內(nèi)依次設(shè)有缸體和斜盤,該斜盤、配流盤和缸體均可沿自身的中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng),且配流盤和缸體同軸設(shè)置,該中心軸線與斜盤的中心軸線存在夾角;所述端蓋左端面開(kāi)設(shè)有四個(gè)油口,所述配流盤的左右端面位置分別開(kāi)設(shè)相對(duì)應(yīng)連通的四個(gè)油口,所述缸體左端面沿中心軸線均布有n個(gè)油口,且缸體右部沿中心軸線均布有與缸體左端面油口相連接的n個(gè)柱塞孔,且柱塞孔的中心線平行于缸體的中心軸線,每一柱塞孔內(nèi)設(shè)置有一柱塞,柱塞的右端伸出柱塞孔與斜盤鉸接;
在任意時(shí)刻,端蓋左端面上任意一個(gè)油口只能通過(guò)一條油路與配流盤右端面上的油孔連通,配流盤右端面上任意一個(gè)油孔能夠同時(shí)連通一個(gè)以上柱塞孔,一個(gè)柱塞孔在同一時(shí)刻只能連通配流盤右端面上的一個(gè)油孔,即通過(guò)配流盤實(shí)現(xiàn)四個(gè)油口與n個(gè)柱塞孔的相通和配油;
通過(guò)斜盤限定柱塞的伸出最大行程和縮回最大行程:柱塞在伸出最大行程位置時(shí),其在端蓋上的圓周位置定義為上死點(diǎn)tdc;柱塞在縮回最大行程時(shí),其在端蓋上的圓周位置定義為下死點(diǎn)bdc;上死點(diǎn)tdc和下死點(diǎn)bdc的連線經(jīng)過(guò)配流盤的中心,該連線同一側(cè)的所有柱塞孔進(jìn)出油流向相同,該連線兩側(cè)的柱塞孔進(jìn)出油流向相反;
轉(zhuǎn)動(dòng)配流盤,改變配流盤右端面油口相對(duì)上死點(diǎn)tdc和下死點(diǎn)bdc連線的角度,改變配流盤右端面油口對(duì)應(yīng)進(jìn)出油柱塞的個(gè)數(shù)和行程,改變回收出油口壓力與高壓進(jìn)油口和低壓出油口壓差的比,實(shí)現(xiàn)變壓。
有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):首先本發(fā)明采用四通液壓變壓器回收方案設(shè)計(jì)液能回收裝置的液壓系統(tǒng),與傳統(tǒng)液壓式挖掘機(jī)節(jié)能裝置相比,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、回收效率高;其次該節(jié)能裝置可以綜合回收單泵液壓挖掘機(jī)中斗桿收回與大臂上升工況的壓差液能、大臂下降工況勢(shì)能轉(zhuǎn)化的液能、回轉(zhuǎn)制動(dòng)工況慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)化的液能等,實(shí)現(xiàn)了液壓挖掘機(jī)多種工況下多個(gè)負(fù)載復(fù)合動(dòng)作浪費(fèi)的液壓能;再者根據(jù)挖掘工況,將回收的能量直接匯入主系統(tǒng)利用,減少儲(chǔ)存再釋放的環(huán)節(jié),效率高;不能直接利用就存儲(chǔ)在蓄能器中,等合適的時(shí)機(jī)及時(shí)釋放利用;最后該節(jié)能裝置大大減小了單泵挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的液能損失和裝機(jī)功率,提高了系統(tǒng)效率,減小了系統(tǒng)發(fā)熱和油液溫升,降低了系統(tǒng)配備的散熱設(shè)備規(guī)格。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的單泵三負(fù)載閥控調(diào)速液壓系統(tǒng)原理圖;
圖2為本發(fā)明中節(jié)能裝置中控制系統(tǒng)的硬件組成框圖;
圖3為本發(fā)明中節(jié)能裝置控制方法流程圖;
圖4為本發(fā)明中四通液壓變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5為本發(fā)明中配流盤的右側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6(a)為本發(fā)明中四通液壓變壓器職能符號(hào)示意圖;
圖6(b)為液能回收工況不同進(jìn)出油連接的四種職能符號(hào)示意圖;
圖6(c)為液能釋放工況不同進(jìn)出油連接的四種職能符號(hào)示意圖。
圖中包括:液壓泵1、先導(dǎo)控制閥塊2、主控閥塊3、節(jié)能裝置4、大臂油缸5、斗桿油缸6、回轉(zhuǎn)馬達(dá)7、減壓閥21、先導(dǎo)控制閥22a~22f、行程開(kāi)關(guān)23a~23f、主溢流閥31、沖洗閥32、ls溢流閥33、過(guò)載閥34a~34d、斗桿換向閥35、大臂換向閥36、馬達(dá)換向閥37、壓力補(bǔ)償器38a~38c、單向閥40、四通液壓變壓器41、常開(kāi)電磁閥42a~42b、常閉電磁閥43a~43i、壓力傳感器44a~44h、安全閥45、蓄能器46、截止閥47、伺服減速機(jī)48、梭閥49、配流盤411、缸體412、柱塞413、斜盤414、端蓋415、殼體416。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示,本發(fā)明一種基于四通液壓變壓器液能回收的單泵三負(fù)載節(jié)能裝置,其在單泵挖掘機(jī)中的應(yīng)用,主要包括液壓泵1、先導(dǎo)控制閥塊2、主控閥塊3、節(jié)能裝置4、大臂油缸5、斗桿油缸6和回轉(zhuǎn)馬達(dá)7。
因?yàn)橥诰驒C(jī)在挖掘作業(yè)時(shí)一般不行走,鏟斗油缸直徑小,不考慮回收它們的液能。在安裝節(jié)能裝置4時(shí),不改變鏟斗油缸和行走馬達(dá)的液壓回路,故在圖1沒(méi)有體現(xiàn)。
發(fā)明的節(jié)能裝置由節(jié)能裝置液壓回路、控制器及測(cè)控軟件等組成,節(jié)能裝置4包括單向閥40、四通液壓變壓器41、常開(kāi)電磁閥42a~42b、常閉電磁閥43a~43i、壓力傳感器44a~44h、安全閥45、蓄能器46、截止閥47、伺服減速機(jī)48和梭閥49。
先導(dǎo)控制閥塊2包括減壓閥21、先導(dǎo)控制閥22a~22f和行程開(kāi)關(guān)23a~23f,主控閥塊3包括主溢流閥31、沖洗閥32、ls溢流閥33、過(guò)載閥34a~34d、斗桿換向閥35、大臂換向閥36、馬達(dá)換向閥37和壓力補(bǔ)償器38a~38c。
在圖1的液壓系統(tǒng)中除了節(jié)能裝置4、行程開(kāi)關(guān)23a~23f、壓力傳感器44a~44h外,都是原有挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中具有的,沒(méi)有改變?cè)瓉?lái)成熟的閥控系統(tǒng)的組成和功能。
液壓泵1中液壓泵體的排量由負(fù)載最大壓力ls通過(guò)其中的液壓閥控制,液壓泵1從油箱吸油,輸出口與主控閥塊3中的p管路、先導(dǎo)控制閥塊2中的減壓閥21進(jìn)口相連。
進(jìn)入先導(dǎo)控制閥塊2的壓力經(jīng)減壓閥21減壓后供給先導(dǎo)控制閥22a~22f,先導(dǎo)控制閥22a和22b出口接主控閥塊3中的斗桿換向閥35閥芯的左右控制口,先導(dǎo)控制閥22c和22d出口接主控閥塊3中的大臂換向閥36閥芯的左右控制口,先導(dǎo)控制閥22e和22f出口接主控閥塊3中的馬達(dá)換向閥37閥芯的左右控制口。挖掘機(jī)司機(jī)操作手柄使先導(dǎo)控制閥22a~22f有控制信號(hào)輸出給換向閥,同時(shí)使相應(yīng)的行程開(kāi)關(guān)23a~23f有信號(hào)輸出給控制器。
主控閥塊3中,由壓力補(bǔ)償器38a~38c補(bǔ)償斗桿換向閥35、大臂換向閥36、馬達(dá)換向閥37的負(fù)載壓差,同時(shí)選擇最大壓力作為ls壓力反饋給液壓泵控制閥;斗桿換向閥35的工作口u1接斗桿油缸的活塞桿腔,工作口d1接節(jié)能裝置4的a1口;大臂換向閥36的工作口u2接大臂油缸的活塞桿腔,工作口d2接節(jié)能裝置4的a2口;馬達(dá)換向閥37的兩工作口m1、m2接回轉(zhuǎn)馬達(dá)7的工作口,同時(shí)也接節(jié)能裝置4的o1和o2口,tm口接回轉(zhuǎn)馬達(dá)7的溢流出口。
節(jié)能裝置4的b1口接斗桿油缸的活塞腔,b2口接大臂油缸的活塞腔,pp口接液壓泵1的出口,tt口接油箱。節(jié)能裝置4內(nèi)部,液壓變壓器41的pa口一路經(jīng)常閉電磁閥43a接a1口,一路經(jīng)常閉電磁閥43b接a2口,還有一路經(jīng)常閉電磁閥43d接梭閥49的出口;液壓變壓器41的pb口一路經(jīng)常閉電磁閥43h接b1口,一路經(jīng)常閉電磁閥43i接b2口,還有一路經(jīng)常閉電磁閥43g接tt口;液壓變壓器41液能回收的po口一路接常閉電磁閥43f入口,電磁閥43f的出口接安全閥45入口和經(jīng)截止閥47接蓄能器46,po口另一路經(jīng)常閉電磁閥43c和單向閥40接pp口;液壓變壓器41的pt口接tt口。安全閥45出口接tt口,梭閥49的兩進(jìn)液口接o1和o2。常開(kāi)電磁閥42a兩口分別接a1和b1口,常開(kāi)電磁閥42b兩口分別別接a2和b2口。壓力傳感器44a-44h分別安裝在節(jié)能裝置4的a1口、a2口、b1口、b2口、pp口、蓄能器46入口、梭閥49出口、大臂油缸5活塞桿腔入口。伺服減速機(jī)48的輸出軸與液壓變壓器41的配流盤轉(zhuǎn)軸相連。
如果節(jié)能裝置不工作,節(jié)能裝置4的所有常開(kāi)電磁閥42a~42b和常閉電磁閥43a~43i都不得電。主控閥塊3中斗桿換向閥35的d1口輸出的油液,經(jīng)節(jié)能裝置4的a1口,通過(guò)常開(kāi)電磁閥42a到b1,進(jìn)入到斗桿油缸6的活塞腔;主控閥塊3中大臂換向閥36的d2口輸出的油液,經(jīng)節(jié)能裝置4的a2口,通過(guò)常開(kāi)電磁閥42b到b2,進(jìn)入到大臂油缸5的活塞腔。節(jié)能裝置不回收系統(tǒng)中的液能,不對(duì)挖掘機(jī)起作用。
下面說(shuō)明節(jié)能裝置各工況下的油液方向:
(1)工況1:回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并儲(chǔ)存在蓄能器中
條件:回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志已置位但沒(méi)有其它信號(hào);
回收油路:o1或o2口→梭閥49→常閉電磁閥43d→液壓變壓器41pa口→液壓變壓器41pb口→常閉電磁閥43g→tt口;
輸出油路:液壓變壓器41po口→常閉電磁閥43f→截止閥47→蓄能器46。
(2)工況2:回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能直接利用
條件:回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志已置位但還有其它信號(hào);
回收油路:o1或o2口→梭閥49→常閉電磁閥43d→液壓變壓器41pa口→液壓變壓器41pb口→常閉電磁閥43g→tt口;
輸出油路:液壓變壓器41po口→常閉電磁閥43c→單向閥40→pp口→液壓泵1出口。
(3)工況3:回收大臂油缸勢(shì)能并儲(chǔ)存
條件:有大臂下降信號(hào),但沒(méi)有了其它信號(hào);
大臂油缸進(jìn)油路:液壓泵1出口→大臂換向閥36→d2口→a2口→常閉電磁閥43b→液壓變壓器41pa口→液壓變壓器41pb口→常閉電磁閥43i→b2口→大臂油缸5活塞腔;
大臂油缸回油路:大臂油缸5活塞桿腔→u2口→大臂換向閥36→油缸t;
輸出油路:液壓變壓器41po口→常閉電磁閥43f→截止閥47→蓄能器46。
(4)工況4:回收大臂油缸勢(shì)能直接利用
條件:有大臂下降信號(hào),還有其它信號(hào);
大臂油缸進(jìn)油路:液壓泵1出口→大臂換向閥36→d2口→a2口→常閉電磁閥43b→液壓變壓器41pa口→液壓變壓器41pb口→常閉電磁閥43i→b2口→大臂油缸5活塞腔;
大臂油缸回油路:大臂油缸5活塞桿腔→u2口→大臂換向閥36→油缸t;
輸出油路:液壓變壓器41po口→常閉電磁閥43c→單向閥40→pp口→液壓泵1出口。
(5)工況5:回收斗桿油缸壓差能直接利用
條件:有大臂上升和斗桿收回信號(hào);
斗桿油缸進(jìn)油路:液壓泵1出口→斗桿換向閥35→d1口→a1口→常閉電磁閥43a→液壓變壓器41pa口→液壓變壓器41pb口→常閉電磁閥43h→b1口→斗桿油缸6活塞腔;
斗桿油缸回油路:斗桿油缸6活塞桿腔→u1口→斗桿換向閥35→油缸t;
輸出油路:液壓變壓器41po口→常閉電磁閥43c→單向閥40→pp口→液壓泵1出口。
(6)工況6:釋放儲(chǔ)存在蓄能器中的液能再利用
條件:沒(méi)有工況1-5的信號(hào),但有其它信號(hào);
釋放油路:蓄能器46→截止閥47→常閉電磁閥43f→液壓變壓器41po口;
再利用油路:液壓變壓器41pa口→常閉電磁閥43e→pp口→液壓泵1出口。
如圖2所示,8個(gè)壓力傳感器43a~43h把液壓系統(tǒng)中各處的液壓壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為4~20ma的電流信號(hào),經(jīng)信號(hào)調(diào)理板調(diào)節(jié)為0~10v有電壓信號(hào)送入控制器ad轉(zhuǎn)換,6個(gè)行程開(kāi)關(guān)23a~23f把先導(dǎo)控制閥22a~22f動(dòng)作信號(hào)變?yōu)楦唠娖阶鳛閐i信號(hào)送入控制器??刂破鞣治鏊耐ㄒ簤鹤儔浩?1的使用狀態(tài)、壓力信號(hào)及di信號(hào)分類處理工況,發(fā)出do信號(hào),經(jīng)繼電器驅(qū)動(dòng)板功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的常開(kāi)電磁閥42a~42b和常閉電磁閥43a~43i得電動(dòng)作,將液壓變壓器41切換到需要回收液能的回路或釋放蓄能器46存儲(chǔ)的液能。控制器根據(jù)需要回收的回路壓力或釋放的壓力,采用創(chuàng)立線程控制方法得到控制信號(hào),da轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后,經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器放大后,驅(qū)動(dòng)伺服減速機(jī)48帶動(dòng)四通液壓變壓器41的配流盤411旋轉(zhuǎn),改變變壓比達(dá)到回收液能和釋放儲(chǔ)能的目的。
如圖3所示,本發(fā)明根據(jù)四通液壓變壓器是否在工作及挖掘機(jī)工況進(jìn)行控制。對(duì)參數(shù)初始化后,用創(chuàng)立線程的方式對(duì)節(jié)能裝置進(jìn)行控制。具體實(shí)現(xiàn)如下:
(1)四通液壓變壓器在工作嗎?在工作轉(zhuǎn)(23);
(2)有先導(dǎo)控制閥動(dòng)作信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(5);
(3)回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志已置位嗎?未置位轉(zhuǎn)(10);
(4)節(jié)能裝置切入回轉(zhuǎn)制動(dòng)出液口,回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并儲(chǔ)存在蓄能器中,回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志復(fù)位,工況=1,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(5)有大臂上升信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(21);
(6)有大臂下降信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(18);
(7)回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志已置位?已置位轉(zhuǎn)(14);
(8)有回轉(zhuǎn)信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(13);
(9)有其它信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(11);
(10)返回;
(11)蓄能器存儲(chǔ)壓力達(dá)到釋放壓力了嗎?未達(dá)到了轉(zhuǎn)(10);
(12)釋放存儲(chǔ)液能再利用,工況=6,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(13)置回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志,轉(zhuǎn)(9);
(14)還有回轉(zhuǎn)信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(11);
(15)還有其它信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(17);
(16)節(jié)能裝置切入回轉(zhuǎn)制動(dòng)出液口,回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并儲(chǔ)存在蓄能器中,回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志復(fù)位,工況=1,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(17)節(jié)能裝置切入回轉(zhuǎn)制動(dòng)出液口,回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能并直接利用,回轉(zhuǎn)開(kāi)始標(biāo)志復(fù)位,工況=2,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(18)還有其它信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(17);
(19)回收大臂油缸勢(shì)能并儲(chǔ)存,控制變壓比使上腔壓力接近系統(tǒng)壓力,工況=3,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(20)回收大臂油缸勢(shì)能直接利用,控制變壓比使上腔壓力大于0,工況=4,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(21)有斗桿收回信號(hào)?沒(méi)有信號(hào)轉(zhuǎn)(7);
(22)回收斗桿油缸壓差能,直接利用,工況=5,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志,轉(zhuǎn)(10);
(23)工況=1或2?不是轉(zhuǎn)(10);
(24)制動(dòng)口壓力已很低?否轉(zhuǎn)(26);
(25)四通液壓變壓器工作標(biāo)志復(fù)位,復(fù)位相關(guān)閥,轉(zhuǎn)(10);
(26)工況=3或4?不是轉(zhuǎn)(29);
(27)還有大臂下降信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(10);
(28)轉(zhuǎn)(25);
(29)工況=5?不是轉(zhuǎn)(32);
(30)還有大臂上升和斗桿收回信號(hào)嗎?有信號(hào)轉(zhuǎn)(10);
(31)轉(zhuǎn)(25);
(32)工況=6?不是轉(zhuǎn)(10);
(33)蓄能器存儲(chǔ)壓力低于設(shè)定值嗎?不是轉(zhuǎn)(10);
(34)轉(zhuǎn)(25)。
以工況5為例說(shuō)明節(jié)能裝置的工作過(guò)程:
控制器上電對(duì)蓄能器46釋放開(kāi)始?jí)毫?、釋放最低壓力、回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)最低壓力等參數(shù)初始化后,創(chuàng)立節(jié)能裝置控制線程。此線程不停采集行程開(kāi)關(guān)23a~23f和壓力傳感器44a~44h的信號(hào)。如果判斷到液壓變壓器41沒(méi)有在工作、同時(shí)有大臂上升信號(hào)(行程開(kāi)關(guān)23b壓下)和有斗桿信號(hào)(行程開(kāi)關(guān)23d壓下),符合工況5的條件,控制器發(fā)出do信號(hào)使常開(kāi)電磁閥42a、常閉電磁閥43a、43c、43h得電,其它電磁閥失電,置四通液壓變壓器工作標(biāo)志。
液壓泵1輸出的高壓油經(jīng)減壓閥21減壓后供給先導(dǎo)控制閥22b和22d,這兩個(gè)先導(dǎo)控制閥的控制輸出壓力信號(hào)分別接斗桿換向閥35和大臂換向閥36閥芯的右端,控制兩閥芯的位移,即閥的開(kāi)口量與先導(dǎo)控制閥的輸出壓力信號(hào)成正比,液壓泵1輸出的高壓油也經(jīng)p管進(jìn)入主控閥塊3,給斗桿換向閥35和大臂換向閥36供油,兩換向閥的一次輸出液經(jīng)壓力補(bǔ)償器38a和38b補(bǔ)償后再經(jīng)主控閥塊3的d1和d2口輸出。d1口輸出的油液進(jìn)入節(jié)能裝置4的a1口,因常開(kāi)電磁閥42a得電了,直行不能,油液經(jīng)常閉電磁閥43a進(jìn)入液壓變壓器41的pa口,pb口流出的油液經(jīng)常閉電磁閥43h從b1口流出,進(jìn)入斗桿油缸6活塞腔。斗桿油缸6活塞桿腔的回油直接進(jìn)入主控閥塊3的u1口,再經(jīng)斗桿換向閥35流回油箱。液壓變壓器41回收pa和pb之間的壓差能,從po口輸出,經(jīng)常閉電磁閥43c和單向閥40與液壓泵1輸出的高壓油匯合再利用。
壓力傳感器44a測(cè)到的d1口壓力、壓力傳感器44b測(cè)到的d2口壓力送入控制器,控制器運(yùn)用控制算法得到控制號(hào),通過(guò)ao口傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器,然后驅(qū)動(dòng)伺服減速機(jī)48旋轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)四通液壓變壓器41的配流盤411的控制角,改變四通液壓變壓器41變壓比,使d1口壓力稍低于d2口壓力,這樣液壓變壓器41回收的液壓差最大,液壓能最多。
d2口輸出的油液經(jīng)常開(kāi)電磁閥42b進(jìn)入大臂油缸5的活塞腔,大臂油缸6的活塞桿腔的回油經(jīng)u2口和大臂換向閥36流回油箱。接著控制器不斷檢測(cè)大臂上升信號(hào)(行程開(kāi)關(guān)23b壓下)和斗桿信號(hào)(行程開(kāi)關(guān)23d壓下),如果其中一個(gè)信號(hào)消失,說(shuō)明不再是兩負(fù)載復(fù)合工況,控制器發(fā)出do信號(hào)使常開(kāi)電磁閥42a、常閉電磁閥43a、43c、43h失電。變壓器工作標(biāo)志復(fù)位。至此工況5結(jié)束。
其它工況分析過(guò)程類似,不再累述。
如圖4所示,本發(fā)明柱塞式進(jìn)出油等流量四通液壓變壓器41,包括配流盤411、缸體412、柱塞413、斜盤414、端蓋415和殼體416,伺服減速機(jī)48的輸出軸與液壓變壓器41的配流盤411的轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接,端蓋415、配流盤411和缸體412同軸設(shè)置在殼體416內(nèi),端蓋415右端面與配流盤411左端面、配流盤411右端面與缸體412左端面通過(guò)油膜貼合。
所述端蓋415左端面設(shè)置有四個(gè)油口a、b、o和t,端蓋415右端面設(shè)置有四個(gè)腰型槽a'、b'、o'和t',a與a'、b與b'、o與o'、t與t'相連通;a'和b'位置相對(duì),o'和t'位置相對(duì),a、b、o和t分別為高壓進(jìn)油口、低壓出油口、回收出油口和低壓吸油口。
所述配流盤411左端面設(shè)置有四個(gè)腰型槽a″、b″、o″和t″,配流盤411右端面沿中心軸線均勻設(shè)置有四個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的腰型槽a″'、b″'、o″'和t″',a″與a″'、b″與b″'、o″與o″'、t″與t″'各自通過(guò)一個(gè)徑向孔連通,且a″與a″'、b″與b″'、o″與o″'、t″與t″'的截面積相等;a″和b″位置相對(duì),o″和t″位置相對(duì);a″'和b″'位置相對(duì),o″'和t″'位置相對(duì)。a'、b'、a″、b″的中心線位于同一個(gè)圓柱面上,o'、t'、o″和t″的中心線位于同一個(gè)圓柱面上,兩個(gè)圓柱面同軸且半徑不等。
所述缸體412左端面沿中心軸線均勻設(shè)置有n個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的腰型孔,缸體412右部沿中心軸線均勻設(shè)置有n個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的柱塞孔,缸體412上的腰型孔和柱塞孔一一對(duì)應(yīng)連通,且柱塞孔的中心線平行于缸體412的中心軸線,每個(gè)柱塞孔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)柱塞413,柱塞413的右端伸出柱塞孔并通過(guò)球形端頭與斜盤414鉸接。
所述端蓋415和殼體416固定不動(dòng),配流盤411、缸體412和斜盤414均能夠沿各自的中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng),且配流盤411和缸體412的中心軸線與斜盤414的中心軸線間存在夾角。
在任意時(shí)刻,端蓋415左端面上任意一個(gè)油口只能通過(guò)一條通路與配流盤411右端面上的一個(gè)腰型槽連通,配流盤411右端面上任意一個(gè)腰型槽能夠同時(shí)連通一個(gè)以上柱塞孔,一個(gè)柱塞孔在同一時(shí)刻只能連通配流盤411右端面上的一個(gè)腰型槽,即通過(guò)配流盤411實(shí)現(xiàn)四個(gè)油口與n個(gè)柱塞孔的相通和配油;在配流盤411的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi),a'與a″、b'與b″、o'與o″、t'與t″通過(guò)重疊的方式相連通,且a'、b'、o'與t'完全不會(huì)被遮擋。
通過(guò)斜盤414限定柱塞413的伸出最大行程和縮回最大行程:柱塞在伸出最大行程位置時(shí),其在端蓋415上的圓周位置定義為上死點(diǎn)tdc;柱塞在縮回最大行程時(shí),其在端蓋415上的圓周位置定義為下死點(diǎn)bdc;上死點(diǎn)tdc和下死點(diǎn)bdc的連線經(jīng)過(guò)配流盤411的中心,該連線同一側(cè)的所有柱塞孔進(jìn)出油流向相同,該連線兩側(cè)的柱塞孔進(jìn)出油流向相反。
基于上述描述,端蓋左端油口和配流盤右端腰型槽的連通通路有
(1)當(dāng)a接高壓油時(shí),從a流入的高壓油通過(guò)
(2)當(dāng)柱塞孔x0轉(zhuǎn)過(guò)上死點(diǎn)與o″'相連通時(shí),斜盤對(duì)柱塞x的作用力使柱塞x縮回柱塞孔x0,液壓油從o通路排出,o″'完成液壓泵的排油作用。
(3)隨著缸體的旋轉(zhuǎn),當(dāng)柱塞孔x0與b″'相連通時(shí),通過(guò)
(4)當(dāng)柱塞孔x0轉(zhuǎn)過(guò)下死點(diǎn)與t″'相連通時(shí),柱塞x在斜盤的作用下開(kāi)始向柱塞孔x0外伸出,柱塞孔x0就通過(guò)
(5)隨著缸體的旋轉(zhuǎn),柱塞孔x0又與a″'相連通,缸體完成一周的轉(zhuǎn)動(dòng)。
缸體轉(zhuǎn)動(dòng)一周,所有柱塞都從配流盤上的四個(gè)腰形槽中吸油或排油一次,如果忽略泄漏,從
依然采用圖5的位置設(shè)置:如果b作為高壓進(jìn)油口,a作為低壓出油口(接負(fù)載),t作為回收出油口,o作為低壓吸油口,則缸體會(huì)按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn),我們依然可以回收b油口和a油口之間的壓差液能;如果o作為高壓進(jìn)油口,a作為低壓出油口(接負(fù)載),t和b接油箱,則缸體順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)釋放回收的液壓能;如果a作為高壓進(jìn)油口,o作為低壓出油口(接負(fù)載),t和b接油箱,則缸體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)釋放回收的液壓能。所以本案的柱塞式進(jìn)出油等流量四通液壓變壓器可以四象限運(yùn)行。
如圖5所示,定義配流盤控制角δ為a″'的對(duì)稱中心線與配流盤上死點(diǎn)tdc和下死點(diǎn)bdc所在直徑的夾角。伺服減速器48驅(qū)動(dòng)配流盤411轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)配流盤控制角δ的大小,就改變了柱塞413對(duì)應(yīng)配流盤411上的四個(gè)腰形槽的行程,也就調(diào)節(jié)了a油口和o油口的流量比,從而調(diào)節(jié)了a油口和b油口的壓差,由能量守恒定律推到得到壓力比為λ=po/(pa-pb)=po/pl=tanδ,其中pa為a油口壓力,pb為b油口壓力,po為o油口壓力(即回收的油液壓力),pl為a油口和b油口的壓差,且0≤δ≤π/2,0≤λ≤∞。
假如a油口和b油口的壓差pl不變,當(dāng)δ=0時(shí),配流盤的腰型槽a″'對(duì)于上死點(diǎn)是對(duì)稱的,即腰型槽a″'上死點(diǎn)左右的長(zhǎng)度相等,柱塞通過(guò)腰型槽a″'時(shí)吸油和排油行程相等,相當(dāng)于做功行程為零,沒(méi)有流量輸入,輸入功率為零,此時(shí)配流盤的腰型槽o″'全部位于排油側(cè),柱塞通過(guò)腰型槽o″'時(shí)的排量行程最大,輸出的油液流量最大壓力為零,即變壓比為零;當(dāng)0<δ<π/4時(shí),配流盤的腰型槽a″'在吸油側(cè)的長(zhǎng)度小于排油側(cè)的長(zhǎng)度,柱塞通過(guò)腰型槽a″'時(shí)吸油行程小和排油行程大,有流量和功率輸入,此時(shí)配流盤的腰型槽o″'還是全部位于排油側(cè),輸出的流量大于腰型槽a″'輸入的流量,由能量守恒定律可知,輸出的油液有壓力但小于壓差pl,即變壓比小于1;同理分析可知,當(dāng)π/4<δ<π/2時(shí),腰型槽o″'輸出的流量小于腰型槽a″'輸入的流量,輸出的油液壓力大于壓差pl,即變壓比大于1;當(dāng)δ=π/2時(shí),腰型槽o″'輸出的流量為零,輸出的油液壓力為∞,即變壓比這∞。實(shí)際工況δ=0(λ=0)和δ=π/2(λ=∞)沒(méi)有意義,一般48°<δ<132°,0.2<λ<5。
定義柱塞式進(jìn)出油等流量四通液壓變壓器職能符號(hào)如圖6(a)所示,橢圓代表液壓變壓器的殼體416,pa、pb、po和pt分別表示高壓進(jìn)油口、低壓出油口、回收出油口和低壓吸油口,箭頭代表配流盤的角度可調(diào),內(nèi)部的黑三角代表油液的方向,每個(gè)油口都有兩個(gè)三角(說(shuō)明每個(gè)油口在不同的工況下進(jìn)油或出油),對(duì)角油口之間的連線表示對(duì)角兩個(gè)油口的流量相等。油口關(guān)系:左右同側(cè)兩油口都是進(jìn)油或都是出油,上下同側(cè)兩油口都是低壓(低壓出油口和低壓吸油口)或高壓(高壓進(jìn)油口和回收出油口),對(duì)角油口一進(jìn)一出流量相等。圖6(b)是液能回收工況不同進(jìn)出油連接的四種職能符號(hào),圖6(c)是液能釋放工況不同進(jìn)出油連接的四種職能符號(hào)。