[发明专利]基于气缸和变径滚筒的挖掘机动臂势能节能装置及方法

权利要求书

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)；

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，另一支直接与比例换向阀(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；

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：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；

若无法直接通过滚筒直径计的算公式获得变径滚筒(8)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。