一种能量回收利用装置
技术领域
本实用新型属于液压系统能量回收技术，具体涉及一种驱动外部有势装置的液压系统能量回收利用装置。
背景技术
在全球环境污染、能源短缺的大背景下，政府、行业与市场对大型机械装备的能耗与排放提出了更高的要求，节能减排技术已成为工程机械装备领域的研究热点。挖掘机是一种常用的工程机械，挖掘机动臂为常利用液压油作用在油缸上来实现其升降，由于动臂及作用在其上的斗杆、铲斗等质量较大，作为挖掘机上主要的外部有势装置(这里所指的“有势装置”是指该装置在工作过程中会产生势能的变化)，为防止动臂装置在下降过程中易出现失重现象，以往的解决方法是在油缸大腔回流管道上设有节流装置以产生可调背压进行速度控制，因而动臂装置的能量绝大部分转化成热能，被白白地浪费掉了，而且为了防止液压油的温度大幅度升高对系统带来的危害，还需设有散热装置，进一步造成设备成本增加。
为了提高挖掘机的能量利用率及充分利用挖掘机平台的成熟可靠性，大部分厂家都是基于挖掘机原平台进行能量回收利用装置的研制开发，但如何实现能量的高效地回收利用及使蓄能器元件容积小型化是能量回收利用技术工程化实施的难点，目前能量回收利用技术通常的方法如图1a和图1b中所示，是利用液压主泵4和回收泵5串联作为二次元件进行增压回收和再次利用，液压油回流时，通过液压主泵作为驱动件驱动回收泵将液压油泵入蓄能器6内部储存实现能量回收，在需要泵送油液驱动动臂举升时，蓄能器6内部的压力油和液压主泵4泵送的压力油汇合实现回收的能量利用，由于单个元件的能量转化效率一般不超过85％，将液压主泵4和回收泵5串联设置后，回收利用一次的最大效率相乘之后最大只有52％，因而节能效果并不理想，能量浪费仍比较严重。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是：针对现有工程设备中外部有势装置的能量回收利用效率不高的问题，提供一种能够进一步提升能量回收效率的能量回收利用装置。
本实用新型采用如下技术方案实现：
能量回收利用装置，包括三位七通换向阀7、双油源耦合器8和蓄能器6；
所述三位七通换向阀7包括中位、能量释放位和能量回收位，其上设有进油口、回油口、两组工作油口以及三组节能油口，所述进油口、回油口以及两组工作油口分别对接驱动油缸的两个油口以及液压系统的进出油路，其中一组节能油口连接至蓄能器6，另外两组节能油口汇接至双油源耦合器8，所述双油源耦合器8并联连接至驱动油缸的其中一个油口；
所述三位七通换向阀7位于中位，所述驱动油缸的两个油口与液压系统的进出油路通过所述三位七通换向阀7的进油口、回油口以及两组工作油口连通形成回路，三组所述节能油口分别截止；
所述三位七通换向阀7位于能量回收位，所述驱动油缸的两个油口通过所述三位七通换向阀7的两组工作油口形成差动连通，该两组工作油口还分别连通至与连接蓄能器6的节能油口以及连接至液压系统进油路的进油口连通，所述回油口以及连接至双油源耦合器8的两组节能油口分别截止；
所述三位七通换向阀7位于能量释放位，所述驱动油缸其中一个油口通过其中一组工作油口以及进油口连通液压系统的回油路，另外一组工作油口截止，回油口与连接至双油源耦合器8的其中一组节能油口连通，所述驱动油缸另外一个油口通过双油源耦合器8分别连接至液压系统的进油路和蓄能器6
进一步的，所述三位七通换向阀7的能量回收位中，设有单向阀将所述驱动油缸的两个油口连接的工作油口实现单向差动连通。
作为本实用新型的一种优选方案，所述双油源耦合器8为双缸耦合器，包括并联设置的第一缸81和第二缸82，所述第一缸81与第二缸82内部的活塞83同步连接，所述第一缸81和第二缸82内部油腔分别连接至三位七通换向阀7的两组节能油口，作为双油源耦合器的进油端，所述第一缸81或第二缸82的另一油腔通过输出端并联连接至驱动油缸的其中一个油口，同时该油腔通过单向进油路连接油箱。
进一步的，所述双缸耦合器内部设有用于活塞83回位的回位弹簧85。
作为本实用新型的另一种优选方案，所述双油源耦合器8为双马达耦合器，包括并联设置的两组耦合马达，两组所述耦合马达的输入端分别连接至三位七通换向阀7的两组节能油口，两组所述耦合马达的输出端并联汇接后再并联连接至驱动油缸的其中一个油口。
在本实用新型的能量回收利用装置中，所述双油源耦合器8与驱动油缸的并联油路上设有单向阀9。
本实用新型采用上述技术方案的实施，通过三位七通换向阀改变外部有势装置的驱动油缸进出油路，通过驱动油缸的两个油腔差动互通的再生能量回收方式，高效回收了外部有势装置的势能，避开了节能效率较低的泵和马达的使用，可以减小主泵的输出流量或者在双主泵系统中省去一个主泵参与工作，节约了能耗；通过双油源耦合器和蓄能器对回收的液压能量和液压主泵提供的液压能量一同再次带动驱动油缸克服势能动作，回收利用的能量释放更平稳，提高了装置工作的可靠性。
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1a、1b为背景技术中的现有液压能量回收利用装置示意图。
图2为本实施例中的能量回收利用装置的液压示意图。
图3a、3b为本实施例中的两种双油源耦合器的结构示意图。
图中标号：1-动臂，2-动臂油缸，3-动臂液压系统，4-液压主泵，5-回收泵，6-蓄能器，7-三位七通换向阀，8-双油源耦合器，81-第一缸，82-第二缸，83-活塞，84-进油路，85-回位弹簧，86-第一耦合马达，87-第二耦合马达，9-单向阀。
具体实施方式
实施例
参见图2，本实施例以挖掘机的动臂驱动液压系统为例进行说明，动臂1通过动臂油缸2驱动举升和下降动作，在下降的过程中，动臂1连同其上连接的斗杆、铲斗以及挖掘的物料重量发生重力势能的变化，该重力势能的变化直接作用在支撑动臂1的动臂油缸2上，通过动臂油缸2内部的活塞挤压液压油转换成液压能量，本实施例通过在动臂动臂油缸的动臂液压系统3上增加设置本实用新型的能量回收利用装置，实现该部分液压能量的回收利用。
动臂油缸2通过动臂液压系统3和双联的液压主泵4驱动伸缩来实现动臂1的举升和下降动作，动臂液压系统3为成熟的挖掘机动臂液压控制技术，在此不对动臂液压系统3进行赘述。本实施例中采用的能量回收利用装置包括三位七通换向阀7、双油源耦合器8和蓄能器6，其中三位七通换向阀7设置于动臂油缸2和动臂液压系统3的进出油路之间，用于实现动臂油缸正常工作、能量回收和能量释放的油路切换，双油源耦合器8通过油路与三位七通换向阀7和动臂油缸2的进出油路并联设置，用于能量释放过程中对动臂液压系统3的主动液压能量和回收释放的液压能量进行耦合汇总，蓄能器6与三位七通换向阀7通过油路连同，用于回收储存并释放液压能量。
其中，本实施例的三位七通换向阀7包括中位、能量释放位和能量回收位，每个位置上均设有进油口C、回油口D、工作油口E、工作油口F、节能油口G、节能油口H以及节能油口I，其中，进油口C和回油口D对接至动臂液压系统3的进油路A和出油路B，工作油口E和工作油口F分别对接动臂油缸2对应有杆腔和无杆腔的两个油口，节能油口I连接至蓄能器6，节能油口G、节能油口H分别汇接至双油源耦合器8的两个输入端，双油源耦合器8的输出端与工作油口连接至动臂油缸2无杆腔的进出油路并联连接，并在双油源耦合器8与驱动油缸的并联油路上设置单向阀9，防止正常模式的动臂油缸油路中的油液倒流进入双油源耦合器。
该三位七通换向阀7内部的具体机能如下：
当三位七通换向阀7位于中位时，动臂油缸2有杆腔和无杆腔的两个油口与动臂液压系统3的进出油路A、B之间通过三位七通换向阀7的进油口C、回油口D以及两组工作油口E、F直接连通形成回路，另外的三组节能油口G、H、I分别截止，动臂油缸2通过动臂液压系统3进行举升和下降动作的常规模式驱动，此时动臂油缸2不具备能量回收作用。
当切换三位七通换向阀7切换至能量回收位时，动臂油缸2驱动动臂1下降，收集重力势能。动臂油缸2有杆腔和无杆腔的两个油口通过三位七通换向阀7的两组工作油口E、F形成差动连通，工作油口E、F还分别连通至与连接蓄能器6的节能油口I以及连接至液压系统进油路的进油口C连通，回油口D以及连接至双油源耦合器8的节能油口G、H分别截止，动臂液压系统3提供较小排量的液压油进入动臂油缸2的有杆腔内，动臂油缸2在动臂重力势能的作用下将无杆腔内部的油液大部分回流收集到蓄能器6内部储存压力，小部分油液差动回流到动臂油缸2的有杆腔内部，在三位七通换向阀7的能量回收位中，设置单向阀将使得在能量回收过程中的液压油只能够从连接无杆腔的工作油口F单向流通至连接有杆腔的工作油口E，实现单向差动连通，保持动臂下降过程的稳定可靠，此时双油源耦合器8不产生作用。
当切换三位七通换向阀7切换至位于能量释放位时，利用蓄能器6收集的压力进入动臂油缸2向上驱动动臂1举升，动臂油缸2的有杆腔油口通过工作油口E和三位七通换向阀7上的进油口C连通至动臂液压系统3的回油路，通过动臂油缸2的无杆腔进油、有杆腔回油实现动臂油缸2的动作，连接至动臂油缸2无杆腔油口的工作油口F截止，三位七通换向阀7的回油口D切换连接至动臂液压系统3的进油路，同时在三位七通换向阀7内部，回油口D与连接至双油源耦合器8的其中一组节能油口G连通，动臂液压系统3的进油通过双油源耦合器8进入无杆腔，同时，连接双油源耦合器8的另一节能油口H与连接至蓄能器6的另一节能油口I连通，蓄能器6内部储存的压力油通过双油源耦合器与动臂液压系统3的进油耦合后一同进入动臂油缸2的无杆腔，驱动动臂举升，通过之前回收的动臂下降势能驱动动臂再次举升，由于蓄能器6内回收能量的加入，可以减小动臂液压系统3在动臂举升过程中的排量，最终实现节能的效果。
三位七通电磁阀7可采用电控换向，当三位七通换向阀7的DT1、DT2电磁阀不得电时处于中位，回油口D与工作油口F之间、进油口C与工作油口E之间分别连通，中位用于非节能模式下动臂油缸2与动臂液压系统3的常规油路连通，通过动臂液压系统3驱动动臂油缸2正常动作；三位七通换向阀7的DT1电磁阀得电时进入能量释放位，节能油口I与节能油口H、回油口D与节能油口G、进油口C与工作油口E分别连通，此时动臂油缸2的有杆腔通过进油口C与工作油口E及动臂液压系统3实现回油，蓄能器6与液压主泵输出的油液分别通过节能油口I与节能油口H的连通通道、回油口D与节能油口G的连通通道进入双油源耦合器8合流，然后再通过单向阀9通入动臂油缸2的无杆腔，共同举升动臂做功；三位七通换向阀7的DT2电磁阀得电时进入能量回收位，节能油口I与工作油口F之间、进油口C与工作油口E之间分别连通，液压主泵通过动臂液压系统3从进油口C与工作油口E向动臂油缸2的有杆腔供油，节能油口I与工作油口F之间的油液可通过内部单向阀进入进油口C与工作油口E，反之则不能，因而实现动臂油缸的差动连接，平衡动臂负载的作用面积由动臂油缸2内部活塞面积变为活塞杆的端部面积，作用面积减小约一半，平衡动臂背压增大近一倍，动臂油缸无杆腔的油液除一部分返回有杆腔外，其余的油液通过节能油口I进入蓄能器6而实现增压能量回收。利用动臂油缸2的有杆腔和无杆腔互通的再生能量增压回收方法，避开了节能效率较低的泵与马达回收能量，通过双油源耦合器并联液压主泵匹配，利用泵与蓄能器能量的利用回收的能量，使能量利用率可以达到85％以上。
本实施例的双油源耦合器8可以采用双液压缸结构和双马达结构。
如图3a所示，双缸结构的双油源耦合器8包括并联设置的第一缸81和第二缸82，第一缸81和第二缸82分别设置输入端IN1和IN2，第一缸81与第二缸82内部的活塞83同步连接，第一缸81内部的活塞将内部分隔为有杆腔和无杆腔，有杆腔的活塞杆伸出至与第二缸82内部的活塞一体连接，第二缸82内部的活塞小于缸筒内径，将第二缸82内部的有杆腔和无杆腔连通，第一缸81的有杆腔和第二缸82无杆腔分别通过IN1和IN2连接至三位七通换向阀7的两组节能油口，作为双油源耦合器的进油端，第一缸81的另一油腔通过输出端OUT并联连接至动臂油缸的其中一个油口，同时该油腔通过单向的进油路84连接油箱，其中蓄能器6内部的压力油通过IN2进入第二缸82的无杆腔，液压主泵4通过动臂液压系统3提供的液压油通过IN1进入第一缸81的有杆腔，两者共同推动活塞83挤压第一缸81无杆腔内部的液压油，将油液通过第一缸81上的输出端OUT增压输出至动臂油缸2，实现蓄能器6和液压主泵4提供的双油源的耦合作用，第一缸81在输出端所在的无杆腔内部设有用于活塞83回位的回位弹簧85，在完成动臂举升后，回位弹簧85推动活塞83回位，同时通过单向进油路84吸入油箱内的液压油充入第一缸81内部无杆腔。
如图3b所示，双马达结构的双油源耦合器8包括并联设置的第一耦合马达86和第二耦合马达87，其中第一耦合马达86的输入端IN1和第二耦合马达87的输入端IN2分别连接至三位七通换向阀7的两组节能油口G、H，第一耦合马达86和第二耦合马达87的输出端通过油路汇接成耦合器的输出端OUT后再并联连接至动臂油缸2的无杆腔油口，通过两组耦合马达分别对蓄能器6和液压主泵4提供的双油源进行耦合。
通过本实施例中的能量回收利用装置不仅没有降低挖掘机动臂的可靠性，而且实现了高效节能。本实施例不仅可以用与挖掘机的动臂势能回收利用，同样可以用于其他工作中存在势能变化的其他有势装置的能量回收。
以上的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
