專利名稱：一種用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的能量回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的能量回收系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
工程機(jī)械在工作時各工作裝置頻繁進(jìn)行著往復(fù)運動，如液壓挖掘機(jī)動臂的制動與舉升、液壓起重機(jī)將重物提起與降下。制動或負(fù)載下降過程中會產(chǎn)生大量的勢能，這些勢能大部分由液壓閥的節(jié)流作用而轉(zhuǎn)化成熱量，不僅浪費了能源而且會引起系統(tǒng)發(fā)熱。系統(tǒng)散熱不良時，將會降低液壓元件的可靠性及壽命，甚至造成安全事故。如果能夠回收這部分勢能，不但能節(jié)約能源還可以降低系統(tǒng)的發(fā)熱和磨損，提高設(shè)備使用壽命。這將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。傳統(tǒng)工程機(jī)械系統(tǒng)中，由于不存在儲能單元，所采用的各種能量回收方法難以將這部分能量高效回收、方便存儲并再次利用。有些系統(tǒng)以蓄能器作為儲能單元。蓄能器功率密度大，能夠快速的存儲和釋放能量，并且可較長時間儲能，適用于負(fù)載頻繁變化的場合。但蓄能器的比能量較低，而較大體積的蓄能器不適用于工程機(jī)械。目前，世界各大主要工程機(jī)械制造商及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)都在致力于混合動力工程機(jī)械的研究，有的處于樣機(jī)試制階段，有的已經(jīng)開始小批量推向市場?；旌蟿恿ο到y(tǒng)能夠方便的實現(xiàn)能量的儲存及再利用，這為能量回收技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用提供了新的契機(jī)。傳統(tǒng)的電力式能量回收系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和蓄電池組成。如圖2所示，液壓泵與溢流閥一起構(gòu)成恒壓源，向系統(tǒng)提供壓力油。比例換向閥切換到左位時負(fù)載被舉起，閥的開口大小控制負(fù)載上升的速度；當(dāng)負(fù)載下降時，換向閥切換到右位，并且開口調(diào)到最大。此時，換向閥不起調(diào)速作用，由液壓馬達(dá)排量的調(diào)節(jié)或發(fā)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)來控制回油流量，進(jìn)而控制負(fù)載下降速度。液壓馬達(dá)將負(fù)載重力勢能產(chǎn)生的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)一步通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能并將其儲存 在蓄電池或超級電容里。負(fù)載敏感技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始興起，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，各工程機(jī)械廠商紛紛推出了一系列相關(guān)產(chǎn)品。負(fù)載敏感系統(tǒng)不僅調(diào)速特性好而且避免了溢流損失，系統(tǒng)效率較高。目前，該技術(shù)已經(jīng)成為工程機(jī)械主流控制技術(shù)之一。傳統(tǒng)的電力式能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制方法均不適用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)。因為，負(fù)載敏感多路閥開口調(diào)節(jié)到最大后系統(tǒng)供油也將達(dá)到最大，而回油流量是由能量回收馬達(dá)的排量和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速決定的，供油流量大于回油流量，系統(tǒng)壓力會迅速達(dá)到最大值。在不結(jié)合能量回收系統(tǒng)的情況下，負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)在負(fù)載下降時，系統(tǒng)供油壓力只需打開平衡閥即可，壓力值往往較低。這樣，由于能量回收系統(tǒng)的應(yīng)用反而使得系統(tǒng)耗能大大增力口，雖然一部分能量可以被回收，但能量回收的作用已經(jīng)大大降低。因此，需要設(shè)計出能夠滿足負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)技術(shù)特點的能量回收系統(tǒng)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)電力式能量回收系統(tǒng)難以應(yīng)用到負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)上的問題，提出一種能夠結(jié)合負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的技術(shù)特點，使能量回收單元中變量液壓馬達(dá)排量的調(diào)節(jié)自動與負(fù)載敏感系統(tǒng)中多路閥工作狀態(tài)的變化相協(xié)調(diào)的能量回收系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:一種用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的能量回收系統(tǒng)是由信號檢測單元、控制單元、能量回收單元和儲能單元組成；信號檢測單元是由壓力傳感器組成，其功能是檢測負(fù)載下降時液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)油側(cè)的系統(tǒng)壓力，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給整機(jī)的CAN總線，通過CAN總線進(jìn)一步將信號傳輸給控制單元；控制單元是由控制器及與其配套的軟件、輸入設(shè)備、電源等組成?？刂破鹘邮諜z測信號，并將檢測信號按相應(yīng)的控制算法處理后生成控制信號，而后通過CAN總線將控制信號傳輸給能量回收單元；能量回收單元是由EP電比例調(diào)節(jié)變量馬達(dá)、第一單向閥、第二單向閥和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，馬達(dá)安裝在多路閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的油路上，第一單向閥與馬達(dá)串聯(lián)，第二單向閥與馬達(dá)并聯(lián)，馬達(dá)將勢能產(chǎn)生的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)連接，發(fā)電機(jī)進(jìn)一步將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；馬達(dá)的排量和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定了從執(zhí)行機(jī)構(gòu)流回油箱的油液的流量，即決定了負(fù)載下降的速度。在控制單元的作用下，馬達(dá)的排量能夠與多路閥的調(diào)節(jié)相協(xié)調(diào)。這就使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)油流量與回油流量相協(xié)調(diào)，避免了進(jìn)油流量過大時的耗能增加和回油流量過大時的負(fù)載失速下降；馬達(dá)通過與其并聯(lián)和串聯(lián)的兩個單向閥，實現(xiàn)了當(dāng)系統(tǒng)處于不同工作狀態(tài)時能量回收系統(tǒng)與負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)在功能上的自動結(jié)合與分離。當(dāng)負(fù)載起升時，第一單向閥關(guān)閉，第二單向閥導(dǎo)通，油液順利進(jìn)`執(zhí)行機(jī)構(gòu)。此時，能量回收系統(tǒng)不工作。當(dāng)負(fù)載下降時，第二單向閥關(guān)閉，第一單向閥導(dǎo)通，馬達(dá)回油順利流回油箱。此時，能量回收系統(tǒng)啟動。儲能單元是由蓄電池或超級電容以及整流器組成，能夠根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)充電或放電。混合動力系統(tǒng)中往往已經(jīng)包含了儲能單元，本發(fā)明可以將回收的能量通過整流器傳輸給已有的儲能單元。本發(fā)明的控制策略是:當(dāng)負(fù)載敏感多路閥動作時，通過對馬達(dá)排量的調(diào)節(jié)使負(fù)載下降時液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)油側(cè)的壓力穩(wěn)定在一個設(shè)定值，進(jìn)而實現(xiàn)進(jìn)油流量與回油流量的協(xié)調(diào)。最終，實現(xiàn)了馬達(dá)排量隨多路閥的動作而自動調(diào)節(jié)和對負(fù)載重力勢能的回收?？刂扑惴ㄟx用應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的PID控制。P、1、D分別指比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)，通過輸入設(shè)備可以方便的設(shè)定和調(diào)整各個參數(shù)。合理設(shè)定三個環(huán)節(jié)的參數(shù)可以得到較好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明的有益效果:1、解決了傳統(tǒng)電力式能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法不適用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的問題。實現(xiàn)了對負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)重力勢能的可靠、高效的回收。2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、控制方法簡潔高效。影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)油流量與回油流量的主要因素包括:多路閥開口大小、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)或泄漏、馬達(dá)排量、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果對各個變量進(jìn)行測量，勢必要應(yīng)用多個傳感器。不僅成本高昂，而且構(gòu)建的是多輸入多輸出控制系統(tǒng)，控制策略以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整將會很復(fù)雜。本發(fā)明通過對馬達(dá)排量的調(diào)節(jié)使壓力監(jiān)測點的壓力穩(wěn)定在人為設(shè)定值，進(jìn)而實現(xiàn)了進(jìn)油與回油流量的協(xié)調(diào)，事實上也就實現(xiàn)了馬達(dá)排量隨多路閥的動作而自動調(diào)節(jié)。本發(fā)明的優(yōu)點是:在結(jié)構(gòu)上，只需在原有能量回收系統(tǒng)上添加一個壓力傳感器和選用EP電比例變量馬達(dá)即可；在控制上，構(gòu)建的是單輸入單輸出控制系統(tǒng)，應(yīng)用經(jīng)典的PID控制即可得到較好的控制效果；3、本發(fā)明通過采用分別與馬達(dá)并聯(lián)和串聯(lián)的兩個單向閥，實現(xiàn)了能量回收系統(tǒng)與負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)在功能上的自動結(jié)合與分離。相比于應(yīng)用換向閥，不需要人為或控制器給予動作指令，不需要改變操作者的操作習(xí)慣。同時，也避免了換向閥換向時引起的壓力波動；4、本發(fā)明很好的結(jié)合了負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的特點，克服了傳統(tǒng)電力式能量回收系統(tǒng)不適用于高壓系統(tǒng)的缺點。在傳統(tǒng)能量回收系統(tǒng)中，即使通過應(yīng)用電比例調(diào)節(jié)溢流閥解決了上述問題，但同時又很容易引起系統(tǒng)壓力的波動；5、本發(fā)明響應(yīng)快、調(diào)速特性好。本發(fā)明采用變量馬達(dá)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成能量回收單元。馬達(dá)排量的調(diào)節(jié)較為迅速，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量大，調(diào)速不方便。如果采用定量馬達(dá)和變頻電機(jī)組合，難以很好的控制流量。但是，發(fā)電機(jī)慣量大的缺點對本發(fā)明而言則是個優(yōu)點。因為，當(dāng)負(fù)載由靜止迅速下降時，需要瞬 間大流量通過，如果發(fā)電機(jī)此時保持旋轉(zhuǎn)，則可以配合馬達(dá)排量的調(diào)節(jié)迅速達(dá)到目標(biāo)流量。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為傳統(tǒng)電力式能量回收系統(tǒng)示意圖；圖3為負(fù)載敏感多路閥原理圖；圖4為負(fù)載敏感多路閥原理分解示意圖；圖5為具體實施方式
的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明控制策略流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，所述實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例。應(yīng)當(dāng)理解，所述實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，不是對本發(fā)明的限定。如圖2所示，一種用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的能量回收系統(tǒng)由信號檢測單元、控制單元、能量回收單元和儲能單元組成；信號檢測單元是由壓力傳感器組成，其功能是檢測負(fù)載下降時液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)油側(cè)系統(tǒng)壓力，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給整機(jī)的CAN總線，通過CAN總線進(jìn)一步將信號傳輸給控制單元；控制單元是由控制器及與其配套的軟件、輸入設(shè)備、電源等組成?？刂破鹘邮諜z測信號，并將檢測信號按相應(yīng)的控制算法處理后生成控制信號，而后通過CAN總線將控制信號傳輸給能量回收單元；能量回收單元是由EP電比例調(diào)節(jié)變量馬達(dá)第一單向閥、第二單向閥和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，馬達(dá)安裝在多路閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的油路，第一單向閥與馬達(dá)串聯(lián)，第二單向閥與馬達(dá)并聯(lián)，馬達(dá)將勢能產(chǎn)生的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)連接，發(fā)電機(jī)進(jìn)一步將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；儲能單元是由蓄電池或超級電容以及整流器組成，能夠根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)充電或放電。如圖3所示，負(fù)載敏感多路閥由操縱閥和壓力補(bǔ)償閥組成。如圖4所示，操縱閥包括閥的節(jié)流部分和閥的換向部分。閥節(jié)流口的壓差在壓力補(bǔ)償閥的作用下保持為一定值，通過節(jié)流口的流量僅由閥口開度決定。如圖5所示，負(fù)載敏感多路閥通過LS 口及相應(yīng)管路將各個負(fù)載的最高壓力反饋到負(fù)載敏感泵的壓力補(bǔ)償閥，在其作用下，泵的出口壓力保持為比最高負(fù)載高出一個固定值。當(dāng)多路閥動作時，泵的排量會做相應(yīng)調(diào)節(jié)以滿足流量的需求。如圖6所示，壓力傳感器檢測到的壓力信號與設(shè)定信號做差，如果差值大于零，則將信號差值作為輸入信號輸入PID控制模塊，控制模塊的輸出信號調(diào)節(jié)能量回收單元中馬達(dá)的排量，排量調(diào)節(jié)的目標(biāo)是減小直至消除信號差。如果差值小于或等于零，則控制器將馬達(dá)排量迅速調(diào)節(jié)至零。進(jìn)入下一個掃描周期后將重復(fù)上面的過程。其中，人為設(shè)定值可由輸入設(shè)備設(shè)定并修改。設(shè)定值過小可能會因為回油壓力的干擾而造成馬達(dá)的誤動作，設(shè)定值過大會增大耗能，將設(shè)定值設(shè)定為正常系統(tǒng)中平衡閥的起調(diào)壓力即可。在此實施例中，當(dāng)負(fù)載敏感多路閥切換到右位，液壓缸無桿腔進(jìn)油，負(fù)載上升。單向閥I保護(hù)液壓馬達(dá)回油口不受高壓油沖擊，單向閥2允許油液順利流通進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)載被舉起。液壓缸有桿腔回油，回油壓力正常情況下只有幾bar。壓力傳感器檢測回油壓力，并傳輸給控制器?？刂破靼磮D6所示流程進(jìn)行運算。由于設(shè)定值大于檢測壓力，則馬達(dá)排量會保持為零。此時，負(fù)載被舉起的速度完全由多路閥開口的大小控制，能量回收系統(tǒng)與負(fù)載敏感系統(tǒng)在功能上彼此分離， 互不干擾。當(dāng)多路閥切換到左位時，液壓缸有桿腔進(jìn)油，負(fù)載產(chǎn)生下降的趨勢。由于單向閥2阻止油液流過，迫使油液進(jìn)入能量回收單元，而換向瞬間，馬達(dá)的排量為零。因此，回油受阻，壓力傳感器檢測處壓力會迅速上升。當(dāng)檢測值大于設(shè)定值時，兩者差值作為控制信號進(jìn)入PID控制模塊。馬達(dá)排量會逐步增大，并帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，單向閥I導(dǎo)通，馬達(dá)回油順利流回油箱。此時，能量回收系統(tǒng)啟動，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能并傳輸給儲能單元。由于回油流量逐步增大，負(fù)載開始下降，檢測壓力點處壓力也逐步降低。當(dāng)檢測壓力減小到設(shè)定壓力時，馬達(dá)排量將停止調(diào)節(jié)。當(dāng)多路閥開口大小變化時，系統(tǒng)供油量發(fā)生變化，將會重復(fù)上述調(diào)節(jié)過程。馬達(dá)排量會始終隨多路閥的動作而自動調(diào)節(jié)。最終，重力勢能被轉(zhuǎn)化為電能并存儲起來。當(dāng)多路閥切換回中位時，節(jié)流口關(guān)閉，液壓缸有桿腔停止供油，測壓點處壓力迅速降低，當(dāng)檢測值小于人為設(shè)定值時，馬達(dá)排量調(diào)為零，雖然此時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不為零，但回油流量為零，負(fù)載停止下降。上述操作表明，本發(fā)明可以很好的和負(fù)載敏感系統(tǒng)兼容，彼此互不干擾。負(fù)載敏感多路閥依然可以很好的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動，而負(fù)載的重力勢能也得到了回收。
權(quán)利要求
1. 一種用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的能量回收系統(tǒng)是由信號檢測單元、控制單元、能量回收單元和儲能單元組成；其特征在于 信號檢測單元是由壓力傳感器組成，其功能是檢測負(fù)載下降時液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)油側(cè)的系統(tǒng)壓力，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給整機(jī)的CAN總線，通過CAN總線進(jìn)一步將信號傳輸給控制單元； 控制單元是由控制器及與其配套的軟件、輸入設(shè)備、電源等組成，控制器接收檢測信號，并將檢測信號按相應(yīng)的控制算法處理后生成控制信號，而后通過CAN總線將控制信號傳輸給能量回收單元； 能量回收單元是由EP電比例調(diào)節(jié)變量馬達(dá)、第一單向閥、第二單向閥和發(fā)電機(jī)組成，馬達(dá)安裝在多路閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的油路上，第一單向閥與馬達(dá)串聯(lián)，第二單向閥與馬達(dá)并聯(lián)，馬達(dá)將勢能產(chǎn)生的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)連接，發(fā)電機(jī)進(jìn)一步將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能； 儲能單元是由蓄電池或超級電容以及整流器組成，能夠根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)充電或放電。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的能量回收系統(tǒng)，屬于工程機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由信號檢測單元、控制單元、能量回收單元、儲能單元四部分組成。信號檢測單元檢測負(fù)載下降時液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)油側(cè)的壓力并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給控制單元；控制單元接收檢測信號，將檢測信號按相應(yīng)的控制算法處理后生成控制信號并傳輸給能量回收單元；能量回收單元將液壓能轉(zhuǎn)化成電能并根據(jù)控制信號實時調(diào)整工作狀態(tài)；儲能單元根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)儲存或釋放電能。本發(fā)明針對負(fù)載敏感技術(shù)的特點，使能量回收單元中變量液壓馬達(dá)排量的調(diào)節(jié)自動與負(fù)載敏感系統(tǒng)中多路閥的動作相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了電力式能量回收技術(shù)在負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用。
文檔編號F15B21/14GK103256278SQ20131011422
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者趙靜一, 李博, 郭銳 申請人:燕山大學(xué)