一种基于组合式节能型液压缸的挖掘机动臂节能系统的制作方法

1.本发明属于工程机械液压节能环保领域，涉及一种基于组合式节能型液压缸的挖掘机动臂节能系统。


背景技术：

2.工程机械的节能环保一直是重点关注的一个问题，在全球变暖、资源匮乏的今天，提升工程机械的节能效率，减少排放刻不容缓。挖掘机是一种常见的工程机械，在各大基础设施建设中尤为常见，动臂是挖掘机上最为重要的部分之一，主要的作用是支撑挖斗的挖掘，挖掘机在作业时，动臂会伴随工况进行频繁的上升与下降动作，势能能量的耗散较大，因此开展挖掘机动臂节能系统的研究很有现实意义。
3.目前对于挖掘机动臂节能系统的相关研究也比较多，但是也存在着相应的一些问题：一是多数系统较为昂贵和复杂，需要通过大范围改动原有的挖掘机液压系统或者结构才能进行使用，这样会使挖掘机在制造或者改动时成本增加，不利于企业进行大批量生产；二是多数研究考虑因素单一，虽然对于挖掘机动臂结构已有组合式节能型液压缸的出现，但是没有研究和改进相应的液压系统，或者是没有将改进后的液压系统与这种节能型液压缸进行综合性研究探讨节能效率，对于节能系统的节能效率研究时理想化挖掘机真实工况，导致节能系统只能用于理论研究，在真实应用场景下并不能达到预期的节能效果。
4.联合仿真是一种多学科、多软件交叉的一种技术，能够将挖掘机动力学模型与挖掘机动臂节能系统进行联合运算，可将挖掘机实体几何参数、材料参数、运动参数、工况参数等纷纷赋予挖掘机动力模型中，可以克服考虑因素单一的情况。
5.鉴于此，本案发明人对于上述问题进行了深入研究，遂有本案产生。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于组合式节能型液压缸的挖掘机动臂节能系统，适用于绝大部分挖掘机，实体结构以及液压系统简单，具有一定的节能效果，满足现有挖掘机对于动臂节能的要求。
7.为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：挖掘机动臂采用组合式节能型液压缸，动臂组合式节能型液压缸的构成主要是两个较小的单杆活塞式液压缸、一个较大的单杆活塞式液压缸，三个液压缸排布方式为水平排布，较大的单杆活塞式液压缸为动臂主液压缸，动臂主液压缸居中用于动臂上升时能量输出；两个较小的单杆活塞式液压缸为动臂第一辅助液压缸、动臂第二辅助液压缸，动臂第一辅助液压缸、动臂第二辅助液压缸位于动臂主液压缸两侧，用于动臂下降时能量回收以及动臂上升时能量再利用，动臂第一辅助液压缸、动臂第二辅助液压缸结构参数完全一致；斗杆液压缸、铲斗液压缸为普通单杆活塞式液压缸。以动臂组合式节能型液压缸为基础建立相应的组合式节能型挖掘机动力学模型以及节能液压系统模型进行联合仿真。
8.当液压缸活塞杆下降时，此时单向阀不通液压油，两位两通电磁换向阀处于打开
状态，动臂主液压缸缸带动动臂第一辅助液压缸、动臂第二辅助液压缸下降，液压油从两位两通电磁换向阀进入蓄能器进行能量回收；当液压缸活塞杆上升时，此时单向阀通液压油，两位两通电磁换向阀处于关闭状态，动臂主液压缸带动动臂第一辅助液压缸、动臂第二辅助液压缸上升，油液通过油箱从单向阀进入液压缸无杆腔，若要进行能量再利用可在上升阶段打开两位两通电磁换向阀，蓄能器中带有液压能的压力油可作为动臂上升时的能量或能量补偿使用。
9.动臂控制部分为pid反馈控制，动臂动作信号输入到动臂换向阀进行动臂动作控制,挖掘机动力学模型动臂开始动作，fmu模块将挖掘机动力学模型动臂实时动作信号传入动臂动作误差计算器，再进入pid进行调节，使动臂动作始终平稳跟随给定的信号。当进行能量回收与利用时，动臂节能部分加入系统会对动臂动作造成干扰，因此可以调节pid参数，使动臂保持原有的动作姿态；斗杆部分与铲斗部分未进行能量回收与利用，因此外界对于动作影响较小，可不加入pid反馈调节动作姿态。
10.相比于现有技术，本发明的优点在于：（1）基于组合式节能型液压缸动臂进行改造的液压系统能让节能结构与节能系统相匹配，使组合式节能型液压缸能够更好的发挥能量回收与能量再利用的作用；（2）挖掘机动臂节能系统使用元件较少，主要的添加部分为动臂节能部分，对原系统不需要大范围进行改动，能够使改动成本减少；（3）挖掘机动臂节能部分便于控制，通过两位两通电磁阀的通断，可将能量进行回收和再利用，减少能量在回收与利用过程中的耗散；（4）建立了数据交互模块，能够将挖掘机动臂节能系统与外部动力学模型建立联合仿真，节能系统更加接近于真实工况条件、节能效率的研究更能应用于挖掘机实体；（5）pid反馈控制能够在进行加入节能模块后依旧保持良好的动作跟随效果，这对动臂节能效果的研究尤其重要。
11.本发明是将组合式节能型液压缸及挖掘机动臂节能系统进行研究而产生了组合式节能型液压缸的挖掘机动臂节能系统，满足挖掘机工况要求，应用前途广泛。
附图说明
12.图1为本发明所述的一种组合式节能型液压缸三维模型示意图：图2为本发明所述的一种基于组合式节能型液压缸的挖掘机动臂节能系统示意图：图3为本发明所述的一种基于组合式节能型液压缸的挖掘机动臂节能系统联合仿真示意图：附图中标记分述如下：图1，组合式节能型液压缸三维模型示意图主要包括：动臂主液压缸400-1、动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3；图2，基于组合式节能型液压缸的挖掘机动臂节能系统示意图主要包括：动臂液压泵输出部分100（动臂马达100-1、动臂液压泵100-2、动臂溢流阀100-3、动臂能量传感器100-4）、斗杆液压泵输出部分110（斗杆马达110-1、斗杆液压泵110-2、斗杆能量传感器110-3、斗杆溢流阀110-4）、铲斗液压泵输出部分120（铲斗马达120-1、铲斗液压泵120-2、铲斗能量传感器120-3、铲斗溢流阀120-4、）、动臂换向阀200、斗杆换向阀210、铲斗换向阀220 、动臂控制部分300（动臂动作信
号源300-1、动臂动作信号误差计算器300-2、动臂pid控制器300-3、动臂k增益300-4）、斗杆动作信号源310、铲斗动作信号源320、动臂组合式节能型液压缸400（动臂主液压缸400-1、动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3）、斗杆液压缸410、铲斗液压缸420、动臂数据传输部分500（动臂活塞杆力感应模块500-1、动臂活塞杆力延时模块500-2、动臂活塞杆位移反馈模块500-3、动臂活塞杆增益k模块500-4）、斗杆数据传输部分510（斗杆活塞杆力感应模块510-1、斗杆活塞杆力延时模块510-2、斗杆活塞杆位移反馈模块510-3、斗杆活塞杆增益k模块510-4）、铲斗数据传输部分520（铲斗活塞杆力感应模块520-1、铲斗活塞杆力延时模块520-2、铲斗活塞杆位移反馈模块520-3、铲斗活塞杆增益k模块520-4）、线性机械节点600（第一线性机械节点600-1、第二线性机械节点600-2、动臂主液压缸能量传感器600-3、动臂辅助液压缸能量传感器600-4、）、挖掘机fmu模块700 、动臂节能部分800（开关信号源800-1、两位两通电磁换向阀800-2、动臂节能部分能量传感器800-3、蓄能器800-4、单向阀800-5）。
具体实施方式
13.为了进一步阐述本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。
14.参照附图2种基于组合式节能型液压缸的挖掘机动臂节能系统包括：液压泵输出部分动臂马达100-1与动臂液压泵100-2相连组成动臂压力能量输出，输出管路上再加入动臂溢流阀100-3防止动臂液压管路压力过大，动臂能量传感器100-4位于动臂压力能量输出管路用于动臂总能量输出测量；液压泵输出部分斗杆马达110-1与斗杆液压泵110-2相连组成斗杆压力能量输出，输出管路上再加入斗杆溢流阀110-4防止斗杆液压管路压力过大，斗杆能量传感器110-3位于斗杆压力能量输出管路用于斗杆总能量输出测量，铲斗液压泵输出部分120与斗杆液压泵输出部分110的连接方式完全一致。
15.动臂控制部分300为pid反馈控制，动臂动作信号源300-1与动臂动作信号误差计算器300-2“ ”口相连，动臂动作信号误差计算器300-2
“‑”
口与挖掘机fmu模块700的位移反馈连接，经过误差计算后连接到动臂pid控制器300-3，动臂pid控制器300-3与动臂k增益300-4相连，动臂k增益300-4连接到动臂换向阀200输入信号端；斗杆动作信号源310直接与斗杆换向阀210输入信号端相连，铲斗控制部分连接方式与斗杆控制部分连接方式完全一致。
16.动臂组合式节能型液压缸400的外部挖掘机动力学模型构成主要是两个较小的单杆活塞式液压缸、一个较大的单杆活塞式液压缸，三个液压缸排布方式为水平排布，较大的单杆活塞式液压缸为动臂主液压缸400-1，动臂主液压缸400-1居中用于动臂上升时能量输出；两个较小的单杆活塞式液压缸为动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3，动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3位于动臂主液压缸400-1两侧，用于动臂下降时能量回收以及动臂上升时能量再利用，动臂第一辅助液压缸、动臂第二辅助液压缸结构参数完全一致；斗杆液压缸、铲斗液压缸为普通单杆活塞式液压缸。
17.动臂活塞杆力感应模块500-1是用于感应外部挖掘机动力学模型中动臂液压缸活塞杆实时力的变化情况，动臂活塞杆位移反馈模块500-3是感应外部挖掘机动力学模型中动臂液压缸活塞杆实时位移的变化情况；斗杆活塞杆力感应模块510-1是用于感应外部挖掘机动力学模型中斗杆液压缸活塞杆实时力的变化情况，斗杆活塞杆位移反馈模块510-3
是感应外部挖掘机动力学模型中斗杆液压缸活塞杆实时位移的变化情况；铲斗活塞杆力感应模块520-1是用于感应外部挖掘机动力学模型中铲斗液压缸活塞杆实时力的变化情况，铲斗活塞杆位移反馈模块520-3是感应外部挖掘机动力学模型中铲斗液压缸活塞杆实时位移的变化情况。
18.第二线性机械节点600-2将动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3连接为一个辅助缸整体；第一线性机械节点600-1将动臂主液压缸400-1与辅助缸整体连接为一个动臂，且都具有相同的行程。
19.挖掘机fmu模块700为挖掘机动力学模型导入模块，此模块与挖掘机动臂节能系统建立联合仿真，挖掘机动力学模型与挖掘机实体保持一致，且将挖掘机动力学模型中原有的动臂液压缸更换为动臂组合式节能型液压缸。
20.动臂节能部分800中的蓄能器800-4与两位两通电磁换向阀800-2连接，两位两通电磁换向阀800-2信号输入端口与开关信号源800-1连接，两位两通电磁换向阀800-2与液压节点连接，液压节点与单向阀800-5、动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3连接，单向阀800-5与油箱连接。
21.能量回收阶段：当液压缸活塞杆下降时，动臂动作信号输入到动臂动作信号源300-1，动臂动作信号经由动臂动作误差计算器300-2、动臂pid控制器、动臂k增益进入动臂换向阀200进行动臂动作控制,挖掘机动力学模型动臂开始动作，动臂活塞杆力感应模块500-1实时感应挖掘机动力学模型动臂液压缸活塞杆力变化，fmu模块将挖掘机动力学模型动臂实时动作信号经由动臂活塞杆位移反馈模块500-3传入动臂动作误差计算器300-2，经误差计算再进入动臂pid控制器300-3，动态调整动臂换向阀200，使动臂动作始终平稳跟随给定的信号，形成闭环控制。此时单向阀800-5不通液压油，两位两通电磁换向阀800-2处于打开状态，动臂主液压缸400-1缸带动动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3下降，液压油从两位两通电磁换向阀800-2进入蓄能器800-4进行能量回收。
22.能量利用阶段：当液压缸活塞杆上升时，动臂动作信号输入到动臂动作信号源300-1，动臂动作信号经由动臂动作误差计算器300-2、动臂pid控制器、动臂k增益进入动臂换向阀200进行动臂动作控制,挖掘机动力学模型动臂开始动作，动臂活塞杆力感应模块500-1实时感应挖掘机动力学模型动臂液压缸活塞杆力变化，fmu模块将挖掘机动力学模型动臂实时动作信号经由动臂活塞杆位移反馈模块500-3传入动臂动作误差计算器300-2，经误差计算再进入动臂pid控制器300-3，动态调整动臂换向阀200，使动臂动作始终平稳跟随给定的信号，形成闭环控制。此时单向阀800-5不通液压油，两位两通电磁换向阀800-2处于打开状态，蓄能器800-4中的能量进入动臂动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3的无杆腔，动臂动臂第一辅助液压缸400-2、动臂第二辅助液压缸400-3与动臂主液压缸400-1共同驱动动臂上升。
23.上述只是本发明一种典型的动臂节能应用情形，本发明的产品形式并非仅限于本案图示和实施例，对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。