基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法，适用于挖掘机使用。包括势能储备装置以及液压系统；势能储备装置包括利用支架同轴设置的大滚筒和减速器小齿轮，以及同轴设置的减速器大齿轮与变径滚筒，其中减速器大齿轮与小减速器齿轮相互咬合，大滚筒上通过缠绕的细钢丝绳与设置在动臂上的拉杆连接，拉杆与细钢丝绳需要保证在动臂升降过程中细钢丝绳不与挖掘机其它部分接触且拉力变化尽量小，变径滚筒通过粗钢丝绳连接有气缸，所述粗钢丝绳与气缸的活塞杆连接，气缸通过管路连接有气瓶。结构简单、实施方便、成本低，不需要额外添加液压元件和电动控制系统，避免混合动力单元复杂的能量转换和传递环节。节。节。

【技术实现步骤摘要】
基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法，尤其适用于液压工程中使用，属于液压传动与控制领域。

技术介绍

[0002]现有的液压挖掘机工作装置在提升作业中会累积较大的重力势能，这部分能量都通过阀的节流作用转换为热能耗散在阀口。统计表明，中型液压挖掘机这部分浪费的能量占整机能耗15％以上，这不仅造成了巨大的能量浪费，还会使液压油温度快速升高，影响连续作业并引发故障。
[0003]在挖掘机的可回收能量中，动臂液压缸可回收能量占有很大比例，因此对挖掘机进行动臂下降势能回收再利用研究，是提高挖掘机效率的重要一步，同时，对节能减排、保护环境也具有着重要意义。
[0004]对于挖掘机动臂势能的回收，目前主要有油电和油液混合动力方法。但是这样的混合动力单元往往装机功率大，成本高，且重力势能的回收再利用效率受能量转换次数和转换效率制约，在一定程度上限制了其实际应用。
[0005]在液压挖掘机动臂提升和下降作业过程中，如果没有势能回收装置的系统中，动臂的势能通过节流调速等转化为热能，不仅浪费资源，还会使液压油温度升高，需另加大规格的散热设备，增加了液压挖掘机的工作功率，耗能较高。为提高液压挖掘机的能量利用效率，减轻能源消耗和环境污染等问题，本专利技术提出一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能回收和再利用节能装置，利用两个大小不同的滚筒，随着变径滚筒直径的不断变化以及气缸活塞杆的伸出和缩入，使粗钢丝绳上的力与细钢丝绳上的力相匹配，助力挖掘机动臂下降与上升，最终最大限度回收再利用动臂下降势能。目前对于动臂下降势能的回收再利用，大多数采用油电混合和油液混合方法，在混合动力电力系统中，大量的电气元件会增加系统的成本，而且整个能量回收再利用过程中需要经过多次能量转换以及多个控制环节，这会导致系统的能量再生效率较低；液压混合动力系统通过回转马达、液压泵/马达等能量转换元件将能量以液能的形式储存于液压蓄能器，整个过程对原液压系统的改动较大，能量回收时也有较多的转换和传递环节，动臂重力势能回收再利用效率受到制约。

技术实现思路

[0006]针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单、实施方便、成本低，不需要额外添加液压元件和电动控制系统，避免混合动力单元复杂的能量转换和传递环节，液压油在节流阀口和流经管路时损耗小的基于气缸和变径滚筒的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置，包括与动臂连接的势能储备装置以及与挖掘机动臂液压缸连接的液压系统；所述势能储备装置设置在上部转台上，其包括利用支架同轴设置的大滚筒和减速器小齿轮，以及同
轴设置的减速器大齿轮与变径滚筒，其中减速器大齿轮与小减速器齿轮相互咬合，其中大滚筒上通过缠绕的细钢丝绳与设置在动臂上的拉杆连接，拉杆与细钢丝绳需要保证在动臂升降过程中细钢丝绳不与挖掘机其它部分接触且拉力变化尽量小，变径滚筒通过粗钢丝绳连接有气缸，所述粗钢丝绳与气缸的活塞杆连接，气缸通过管路连接有气瓶。
[0008]所述的液压系统包括：变量泵、单向阀、比例换向阀、上腔过载补油阀、下腔过载补油阀、动臂锁定阀、液控换向阀和辅助泵、上升先导控制阀和下降先导控制阀；其中动臂液压缸的活塞杆腔通过管路分别与上腔过载补油阀以及比例换向阀的d口连接，动臂液压缸的活塞腔通过管路分别与下腔过载补油阀和动臂锁定阀相连接，上腔过载补油阀和下腔过载补油阀的另一端与油箱连接，动臂锁定阀通过三通分别与液控换向阀和比例换向阀的e口连接，液控换向阀连接油箱，比例换向阀的a口和f口连接油箱，与油箱连接的变量泵的输出端通过三通分为两支，一支通过单向阀与比例换向阀的b口连接，另一支直接比例换向阀的c口连接；所述辅助泵分别与上升先导控制阀和下降先导控制阀连接，上升先导控制阀和下降先导控制阀通过管路与油箱相连；上升先导控制阀的出口控制信号xBmA与比例换向阀的右控制端连接，下降先导控制阀的出口控制信号xBmB分别与比例换向阀的左控制端以及液控换向阀的控制端相连。
[0009]所述变径滚筒的直径设计方法具体为：
[0010]首先利用气体波义尔定律公式：p、V为任意时刻的压力、容积，P0、V0为初始状态时的压力、容积，k为等熵系数，将压力转化为变径滚筒直径、气缸作用面积以及粗钢丝绳产生的扭矩组成的关系式，将任意时刻的气体容积用初始气体容积和气缸作用面积、粗钢丝绳的伸长量来表示，变径滚筒直径计的算公式如下：
[0011][0012]式中：D(θ)为变径滚筒直径，单位m；θ为变径滚筒转角，单位弧度；A为气缸作用面积，单位m2；k为等熵指数＝1.4；V0为气体初始容积，单位m3；T0为粗绳产生的初始扭矩，单位N
·
m；D0为变径滚筒初始直径，单位m；
[0013]然后根据由动臂、动臂液压缸和上部转台组成的挖掘机升降机构的几何参数及负载，导出细钢丝绳长度变化量和拉力的关系，从而选定大滚筒的直径，得到大滚筒转角与转矩的关系，再根据挖掘机使用的减速器的减速比信息，得到变径滚筒的转角与转矩的关系D(θ)、粗绳产生的初始扭矩T0，再选定气缸活塞和活塞杆直径得到气缸的作用面积A，选定气体初始容积V0和变径滚筒初始直径D0，代入变径滚筒直径计的算公式求得：D＝f(θ)，D表示径滚筒直径，f(θ)表示变径滚筒直径与转角之间的关系
[0014]若无法直接通过滚筒直径计的算公式获得变径滚筒的直径和转角的关系，则将滚筒直径计的算公式改为离散形式：求解变径滚筒直径：式中：Δθ
i
为所求点变径滚筒转角增量；T
i
为所求点变径滚筒转矩；为粗绳长度变化量的累加量。
[0015]一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置的技能方法，包括：
[0016]首先在气缸的活塞杆全部缩入的情况下向气缸和气瓶内按比例要求充入预设压力的气体，以保证细钢丝绳和粗钢丝绳上的拉力相互匹配，从而是使得装置达到初始平衡状态；
[0017]在挖掘机动臂下降时，利用细钢丝绳拉着动臂下降，大幅减少动臂液压缸的下腔压力，动臂下降过程中，细钢丝绳带着大滚筒旋转，大滚筒通过减速器大小齿带动变径滚筒旋转，从而将粗钢丝绳缠绕在变径滚筒上，随着变径滚筒直径的改变，两钢丝绳上的力达到一个平衡后挖掘机动臂正常下降，此时气缸活塞杆在粗钢丝绳的拉力作用下被拉伸出来，气缸和气瓶内的气体被压缩，动臂下降的势能转换为气体内能储存起来。
[0018]在挖掘机动臂上升时，气瓶和气缸活塞杆腔中的压缩气体膨胀，气缸活塞杆缩入，从而使粗钢丝绳从变径滚筒上拉出释放，变径滚筒转动，在减速器大小齿轮驱动打地洞大滚筒旋转从而拉动细钢丝绳并进行缠绕，从而助力动臂上升。
[0019]具体步骤如下：
[0020]1)当动臂下降时，动臂的重力势能转换为气体的内能回收存储的步骤具体为：
[0021]通过操作使先导控制阀向比例换向阀的阀芯左端输出控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置，其特征在于：它包括与动臂(1)连接的势能储备装置以及与挖掘机动臂液压缸(2)连接的液压系统；所述势能储备装置设置在上部转台(13)上，其包括利用支架(9)同轴设置的大滚筒(5)和减速器小齿轮(6)，以及同轴设置的减速器大齿轮(7)与变径滚筒(8)，其中减速器大齿轮(7)与小减速器齿轮(6)相互咬合，其中大滚筒(5)上通过缠绕的细钢丝绳(4)与设置在动臂(1)上的拉杆(3)连接，拉杆(3)与细钢丝绳(4)需要保证在动臂升降过程中细钢丝绳(4)不与挖掘机其它部分接触且拉力变化尽量小，变径滚筒(8)通过粗钢丝绳(10)连接有气缸(11)，所述粗钢丝绳(10)与气缸(11)的活塞杆连接，气缸(11)通过管路连接有气瓶(12)。2.根据权利要求1所述的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置，其特征在于：所述的液压系统包括：变量泵(20)、单向阀(21)、比例换向阀(22)、上腔过载补油阀(23)、下腔过载补油阀(24)、动臂锁定阀(25)、液控换向阀(26)和辅助泵(27)、上升先导控制阀(28)和下降先导控制阀(29)；其中动臂液压缸(2)的活塞杆腔通过管路分别与上腔过载补油阀(23)以及比例换向阀(22)的d口连接，动臂液压缸(2)的活塞腔通过管路分别与下腔过载补油阀(24)和动臂锁定阀(25)相连接，上腔过载补油阀(23)和下腔过载补油阀(24)的另一端与油箱连接，动臂锁定阀(25)通过三通分别与液控换向阀(26)和比例换向阀(22)的e口连接，液控换向阀(26)连接油箱，比例换向阀(22)的a口和f口连接油箱，与油箱连接的变量泵(20)的输出端通过三通分为两支，一支通过单向阀(21)与比例换向阀(22)的b口连接，另一支直接比例换向阀(22)的c口连接；所述辅助泵(27)分别与上升先导控制阀(28)和下降先导控制阀(29)连接，上升先导控制阀(28)和下降先导控制阀(29)通过管路与油箱相连；上升先导控制阀(28)的出口控制信号xBmA与比例换向阀(22)的右控制端连接，下降先导控制阀(29)的出口控制信号xBmB分别与比例换向阀(22)的左控制端以及液控换向阀(26)的控制端相连。3.根据权利要求1所述的基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置，其特征在于所述变径滚筒(8)的直径设计方法具体为：首先利用气体波义尔定律公式：pV
k
＝＝常数计算气缸和气瓶中气体的状态，p、V为任意时刻的压力、容积，P0、V0为初始状态时的压力、容积，k为等熵系数，将压力转化为变径滚筒(8)直径、气缸(11)作用面积以及粗钢丝绳(10)产生的扭矩组成的关系式，将任意时刻的气体容积用初始气体容积和气缸(11)作用面积、粗钢丝绳(10)的伸长量来表示，变径滚筒直径计的算公式如下：式中：D(θ)为变径滚筒直径，单位m；θ为变径滚筒转角，单位弧度；A为气缸作用面积，单位m2；k为等熵指数＝1.4；V0为气体初始容积，单位m3；T0为粗绳产生的初始扭矩，单位N
·
m；D0为变径滚筒初始直径，单位m；然后根据由动臂(1)、动臂液压缸(2)和上部转台(13)组成的挖掘机升降机构的几何参数及负载，导出细钢丝绳(4)长度变化量和拉力的关系，从而选定大滚筒(5)的直径，得到大滚筒(5)转角与转矩的关系，再根据挖掘机使用的减速器的减速比信息，得到变径滚筒(8)的转角与转矩的关系D(θ)、粗绳产生的初始扭矩T0，再选定气缸活塞和活塞杆直径得到气
缸(11)的作用面积A，选定气体初始容积V0和变径滚筒初始直径D0，代入变径滚筒直径计的算公式求得：D＝f(θ)，D表示径滚筒直径，f(θ)表示变径滚筒直径与转角之间的关系若无法直接通过滚...

【专利技术属性】
技术研发人员：周连佺，瞿炜炜，张宁，张楚，薄晓楠，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：