一种电气式平衡油缸势能回收系统技术领域
本发明涉及一种势能回收系统，特别是涉及一种适用于液压挖掘机的电气式平衡
油缸势能回收系统。
背景技术
节能和环保是全球经济发展对能源装置的基本要求。液压挖掘机作为一种面大量
广的工程机械，在城市建设、矿山开采、道路施工等方面起着重要的作用。但是液压挖掘机
的高能耗问题也引起了研究者的关注，并对其进行了相应的研究。当前对于液压挖掘机动
臂势能的回收，主要分为电气式和液压式两种。其中电气式势能回收和再利用是在驱动油
缸的无杆腔通过液压马达-发电机转化成电能实现，而动臂下放的速度通过液压马达和调
速阀复合控制。虽然目前在操控性得到了较好的解决，但是势能回收和再利用不是同一条
途径，所有的动臂势能都经过从势能-驱动油缸-液压控制阀-液压马达-发电机-电池/电
容-发电机-液压泵-液压控制阀-驱动油缸等的多次能量转化，系统中能量转换环节较多，
影响了系统的能量回收效率。液压式能量回收主要元件是液压蓄能器，因液压蓄能器具有
功率密度大，回收/释放能量速度快和能量储存时间长等优点而成为研究焦点。但采用液压
蓄能器直接回收与再生存在以下不足：1)只有当外部压力高于液压蓄能器内压力时才能储
能，而只有当蓄能器内压力高于其外部压力时才能再生，且储、放能过程不能影响执行机构
的运行特性；2)在回收过程中，液压蓄能器的压力会逐渐升高，会导致执行器速度控制阀两
端的压差发生变化，这必然会影响执行器的操控性；3)动臂执行器在驱动模式时所需压力
一般又大于回收模式时所需压力，液压蓄能器的压力难以直接释放出来。
目前也有采用平衡油缸来回收动臂势能的方案，由于平衡油缸的运动为直线运
动，而电气式能量回收的主要元件为电机，只能通过平衡油缸-发电机-电量储能单元的方
法，但动臂势能回收和再利用必须经过能量的多次转换，降低了能量回收和再利用效率。因
此一般对有平衡单元的动臂进行能量回收时，一般采用液压蓄能器作为能量存储单元，这
必然存在利用蓄能器后存在的上述不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种适用于液压挖掘机的电气式平
衡油缸势能回收系统，在不改变原有动力系统的操作结构的基础上，将动臂的重力势能进
行存储和释放，节约了能源，有很高的经济价值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电气式平衡油缸势能回收系
统，包括驱动电机、液压泵和原驱动油缸，所述原驱动油缸装接于工程机械的动臂装置，该
原驱动油缸具有有杆腔和无杆腔；
还包括平衡油缸、控制器、双向液压泵/马达、电动/发电机和动力电池，所述平衡
油缸装接于所述动臂装置，所述平衡油缸与所述原驱动油缸间具有一定间隔，对称布置于
动臂装置两侧；所述双向液压泵/马达的输出端与所述电动/发电机相连动，所述电动/发电
机与所述动力电池电连接；所述平衡油缸包括有杆腔和无杆腔，所述平衡油缸的有杆腔与
所述第一换向阀相连接，所述平衡油缸的无杆腔与所述第二换向阀相连接，所述第一换向
阀和第二换向阀分别设有正向档位和反向档位；所述控制器控制所述第一换向阀和第二换
向阀切换档位；
当所述第一换向阀处于正向档位时，平衡油缸的有杆腔通过所述双向液压泵/马
达后回流至油箱，当所述第一换向阀处于反向档位，平衡油缸的有杆腔回流至油箱；当所述
第二换向阀处于正向档位时，平衡油缸的无杆腔通过所述双向液压泵/马达后回流至油箱，
当所述第二换向阀处于反向档位，平衡油缸的无杆腔回流至油箱。
作为一种优选，还包括多路阀，所述多路阀设有A油口、B油口、P油口和T油口，所述
原驱动油缸的无杆腔与所述A油口相连接，所述原驱动油缸的有杆腔与所述B油口相连接，
液压泵与所述P油口相连接；所述多路阀设有正向档位和反向档位；
当所述多路阀位于正向档位时，所述A油口与T油口连通回流至油箱，所述B油口通
过所述液压泵回流至油箱；当所述多路阀位于反向档位时，所述A油口连通T油口回流至油
箱，所述B油口连接油箱。
作为一种优选，所述多路阀还设有截断档位，当所述多路阀位于截断档位时，所述
A油口和所述B油口均处于截断状态，所述P油口连接至油箱。
作为一种优选，所述液压泵装接有溢流阀。
作为一种优选，所述多路阀通过所述控制器控制切换。
作为一种优选，所述第一换向阀设有截断档位，当所述第一换向阀处于截断档位
时，该第一换向阀两端无法导通。
作为一种优选，所述第二换向阀设有截断档位，当所述第二换向阀处于截断档位
时，该第二换向阀两端无法导通。
作为一种优选，还包括动力操作手柄，该动力操作手柄通过所述控制器切换所述
第一换向阀和第二换向阀；所述动力操作手柄设有上升档位、中位档位和下放档位；当所述
动力操作手柄处于上升档位和下放档位时，所述第一换向阀切换至反向档位，所述第二换
向阀切换至正向档位；当所述动力操作手柄处于中位档位时，所述第一换向阀切换至正向
档位，所述第二换向阀切换至反向档位。
所述动力操作手柄通过所述控制器切换所述多路阀；当所述动力操作手柄处于上
升档位时，所述多路阀处于正向档位；当所述动力操作手柄处于下放档位时，所述多路阀处
于反向档位；当所述动力操作手柄处于中位档位时，所述多路阀处于截断档位。
作为一种优选，还包括压力传感器，所述动力操作手柄通过二个压力传感器将控
制信号传导至所述控制器。
作为一种优选，所述第一换向阀、第二换向阀为电磁阀；所述多路阀的二端设有先
导油路，所述控制器通过该先导油路控制所述多路阀切换档位。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明专利在原有的动力系统的基础上，增设了平衡油缸来分担原驱动油缸单独
承担动臂装置的驱动力，相当于原驱动油缸驱动一个较小的负载，这样就降低了液压泵的
功率输出，从而有利于降低能量消耗；同时，利用双向液压泵/马达、电动/发电机和动力电
池进行转换储存，将动臂装置的重力势能转化为电能进行存储，或将电能转换成液压能驱
动动臂上升，通过控制电动/发电机的转速即可控制电能的释放，进而控制动臂的上升速
度，避免了液压式储能中液压蓄能器中储存的能量释放过程不受控制的弊端；当处于挖掘
工况时，由于此时动臂油缸的位移很小，即所需流量小但压力大，此时可以使平衡油缸的有
杆腔连接至液压泵，通过控制电动/发电机的转速使双向液压泵/马达输出与工况相匹配的
流量，从而可以使驱动电机怠速工作，降低能量消耗。由于能量回收通道与能量释放通道相
同，减少了能量转换环节。平衡油缸与液压泵和电动/发电机的加入，不仅能对动臂势能进
行回收和再利用，且在此过程中，原动臂的操控性不变。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种电气式平衡
油缸势能回收系统不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明的系统原理图；
图2是本发明的动臂下降能量再利用的原理示意图；
图3是本发明的动臂上升能量再利用的原理示意图；
图4是本发明的挖掘能量再利用的原理示意图；
其中：1-驱动电机；2-液压泵；3-溢流阀；4-多路阀；5-控制器；6-动臂操作手柄；7-
原驱动油缸，71-原驱动油缸的无杆腔，72-原驱动油缸的有杆腔；8-平衡油缸，81-平衡油缸
的无杆腔，82-平衡油缸的有杆腔；9-动臂装置；10-第一换向阀；11-第二换向阀；12-双向液
压泵/马达；13-电动/发电机；14-动力电池；15、第一压力传感器；16、第二压力传感器。
具体实施方式
实施例：
参见图1所示，本发明的一种电气式平衡油缸8势能回收系统，包括驱动电机1、液
压泵2和原驱动油缸7，所述原驱动油缸7装接于工程机械的动臂装置9，该原驱动油缸7具有
有杆腔72和无杆腔71；
还包括平衡油缸8、控制器5、双向液压泵/马达12、电动/发电机13和动力电池14，
所述平衡油缸8装接于所述动臂装置9，所述平衡油缸8与所述原驱动油缸7间具有一定间
隔，对称布置于动臂装置9两侧；所述双向液压泵/马达12的输出端与所述电动/发电机13相
连动，所述电动/发电机13与所述动力电池14电连接；所述平衡油缸8包括有杆腔82和无杆
腔81，所述平衡油缸8的有杆腔82与所述第一换向阀10相连接，所述平衡油缸8的无杆腔81
与所述第二换向阀11相连接，所述第一换向阀10和第二换向阀11分别设有正向档位和反向
档位；所述控制器5控制所述第一换向阀10和第二换向阀11切换档位；
当所述第一换向阀10处于正向档位时，平衡油缸8的有杆腔82通过所述双向液压
泵/马达12后回流至油箱，当所述第一换向阀10处于反向档位，平衡油缸8的有杆腔82回流
至油箱；当所述第二换向阀11处于正向档位时，平衡油缸8的无杆腔81通过所述双向液压
泵/马达12后回流至油箱，当所述第二换向阀11处于反向档位，平衡油缸8的无杆腔81回流
至油箱。
所述电动/发电机13为兼有发电机功能和电动机功能的机械装置。所述动力电池
14为超级电容器电池。所述控制器5可为单片机、PLC控制器等可控制电磁阀切换的控制装
置。
还包括多路阀4，所述多路阀4设有A油口、B油口、P油口和T油口，所述原驱动油缸7
的无杆腔71与所述A油口相连接，所述原驱动油缸7的有杆腔72与所述B油口相连接，液压泵
2与所述P油口相连接；所述多路阀4设有正向档位和反向档位；
当所述多路阀4位于正向档位时，所述A油口连通T油口回流至油箱，所述B油口通
过所述液压泵2回流至油箱；当所述多路阀4位于反向档位时，所述A油口连通T油口回流至
油箱，所述B油口连接油箱。
所述多路阀4还设有截断档位，当所述多路阀4位于截断档位时，所述A油口和所述
B油口均处于截断状态，所述P油口连接至油箱。
所述液压泵2装接有溢流阀3。
所述多路阀4通过所述控制器5控制切换。
所述第一换向阀10设有截断档位，当所述第一换向阀10处于截断档位时，该第一
换向阀10两端无法导通。
所述第二换向阀11设有截断档位，当所述第二换向阀11处于截断档位时，该第二
换向阀11两端无法导通。
还包括动力操作手柄，该动力操作手柄通过所述控制器5切换所述第一换向阀10
和第二换向阀11；所述动力操作手柄设有上升档位、中位档位和下放档位；当所述动力操作
手柄处于上升档位和下放档位时，所述第一换向阀10切换至反向档位，所述第二换向阀11
切换至正向档位；当所述动力操作手柄处于中位档位时，所述第一换向阀10切换至正向档
位，所述第二换向阀11切换至反向档位。
所述动力操作手柄通过所述控制器5切换所述多路阀4；当所述动力操作手柄处于
上升档位时，所述多路阀4处于正向档位；当所述动力操作手柄处于下放档位时，所述多路
阀4处于反向档位；当所述动力操作手柄处于中位档位时，所述多路阀4处于截断档位。
还包括压力传感器，所述动力操作手柄通过二个压力传感器将控制信号传导至所
述控制器5。
所述第一换向阀10的二端、第二换向阀11的二端和多路阀4的二端分别设有电磁
阀，所述控制器5通过该电磁阀控制所述第一换向阀10、第二换向阀11和多路阀4切换档位。
图1中，所述第一换向阀10自上而下依次为正向档位、截止档位和反向档位；所述
第二换向阀11自上而下依次为正向档位、截止档位和反向档位；所述多路阀4自左向右依次
为正向档位、截止档位和反向档位。
(1)动臂下降能量回收：
参见图2所示，液压油沿图中箭头所指方向运动，当动臂操作手柄6处于表征动臂
下放档位时，控制器5输出信号使所述多路阀4切换至反向档位，所述第一换向阀10位于反
向档位，所述第二换向阀11位于正向档位。此时，多路阀4的A油口与油箱相连接，B油口与P
油口相连接；第一换向阀10的A油口与油箱相连接，第二换向阀11的A油口与P油口相连接。
驱动电机1带动所述液压泵2由油箱抽取液压油，液压油依次通过，原驱动油缸7的
有杆腔72、压缩原驱动油缸7和原驱动油缸7的无杆腔71，并通过多路阀4回流至油箱；动臂
在原驱动油缸7的带动下，位置下降。同时，平衡油缸8相应拉伸，由于动臂的势能释放，液压
油依次通过，平衡油缸8的无杆腔81、第二换向阀11和双向液压泵/马达12，在油压的驱动
下，双向液压泵/马达12将势能通过第一电动机转换为电能，并储存入所述电动电池；在液
压油流出平衡油缸8的无杆腔81的同时，液压油从油箱通过第一换向阀10进入平衡油缸8的
有杆腔82，以防平衡油缸8内发生吸空，产生气穴。
(2)动臂上升能量再利用：
参见图3所示，液压油沿图中箭头所指方向运动，当动臂操作手柄6处于表征动臂
上升档位时，控制器5输出信号使所述多路阀4位于正向档位，所述第一换向阀10位于反向
档位，所述第二换向阀11位于正向档位。此时，多路阀4的A油口与P油口相连接，B油口与油
箱相连接；第一换向阀10的A油口与油箱相连接，第二换向阀11的A油口与P油口相连接。
驱动电机1带动所述液压泵2由油箱抽取液压油，液压油依次通过，原驱动油缸7的
无杆腔71、原驱动油缸7和原驱动油缸7的有杆腔72，并回流至油箱；动臂在原驱动油缸7的
带动下，位置上升。同时，电动/发电机13在电动电池的驱动下工作，并带动双向液压泵/马
达12由油箱中抽取液压油，液压油依次通过，第二换向阀11、平衡油缸8的无杆腔81、平衡油
缸8、平衡油缸8的有杆腔82和第一换向阀10，并回流至油箱；原驱动油缸7与平衡油缸8形成
力耦合，即相当于原驱动油缸7带动一个比实际负载更小的负载。原驱动油缸7与平衡油缸8
按照其有效作用面积及压力来分配所承担的对比重量。
(3)挖掘能量再利用：
参见图4所示，液压油沿图中箭头所指方向运动，当动臂操作手柄6处于中位档位，
控制器5输出信号使所述多路阀4切换至截断档位，所述第一换向阀10位于正向档位，所述
第二换向阀11位于反向档位。此时，多路阀4的A油口、B油口截断，P油口与油箱相连接；第一
换向阀10的A油口与P油口相连接，第二换向阀11的A油口与油箱相连接。
当挖掘机处于挖掘模式时，原驱动油缸7的位移很小，但是需要较大的压力来产生
足够的挖掘力，在原有的动臂传动系统中，大量的液压油需要经溢流阀3回油箱，造成很大
的能量损失。在本发明所示的系统中，液压泵2输出的液压油通过多路阀4后连通至油箱卸
荷，从而降低液压泵的功率输出；同时，在动力电池14的驱动下，所述双向液压泵/马达12由
油箱中抽取液压油，液压油依次通过第一换向阀10、平衡油缸8的有杆腔82、平衡油缸8、平
衡油缸8的无杆腔81和第二换向阀11，而后回流至油箱。由于处于挖掘时不需要很高的流
量，因此可以使驱动电机1处于怠速工作以降低能量损耗，液压泵通过多路阀4直接回油箱，
避免溢流损耗；挖掘力仅靠双向液压泵/马达12和电动/发电机13提供。
在挖掘模式时，由于平衡油缸8提供了挖掘所需的作用力，使液压泵2直接连回油
箱，避免了大量的溢流损失，提高了能量的利用率。并且在次过程中，储存在动力电池14中
的电能释放通道与能量回收通道以及动臂上升时的能量再利用通道一致，减少了能量转换
环节，简化了系统结构。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种电气式平衡油缸势能回收系统，但本
发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、
等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。