[0023] 下面将对本发明作进一步说明。
[0024] 图7为现有工程机械中动臂100和液压缸4的装配图，其中动臂100的端部铰接在转台200上，液压缸4的底座铰接在转台200上，液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。
[0025] 如图1所示，一种工程机械动臂势能回收与再利用电液控制系统，包括油源1、主换向阀3、液压缸4、液压泵/马达6、飞轮8、第二单向阀11、操纵手柄16、控制器15、设置在液压缸4的无杆腔中的第一压力传感器12、设置在液压泵/马达6的P口的第二压力传感器13、设置在飞轮8上的转速传感器14；所述油源1通过第一单向阀2与主换向阀3的P口连接，主换向阀3的A口、B口分别通过管路与液压缸4的无杆腔、有杆腔连接；主换向阀3的T口通过管路与油箱5连接；第一单向阀2保证油液单向至主换向阀3单向流量，反向阻止油液的流动。所述的主换向阀3为电磁阀，可以通过电磁铁的得电情况控制油液的流动方向，进而控制所述液压缸的伸缩运动。优选主换向阀3为三位四通电磁换向阀，其电磁铁Y1b得电后工作在左位，其电磁铁Y1a得电后工作在右位，其不加电时工作在中位,工作在左位时，其P口和A口之间的油路连接，其T口和B口之间的油路连通；工作在右位时，其P口和B口之间的油路连接，其T口和A口之间的油路连通；工作在中位时，其P口和A口之间的油路断开，其T口和B口之间的油路连通。所述的液压缸4作为执行机构，通过自身活塞杆的伸缩运动控制挖掘机的动臂做下降和提升运动。所述的油箱5为系统的油液提供存储空间。所述的液压泵/马达6作为能量转化元件，可以根据工况需要工作在液压泵工况或马达工况，在其传动轴的旋转方向一定的情况下，可以通过调整斜盘角度，改变两个油口的进油和出油方向。其排量的大小可以通过控制器15输出的电信号调整。没有控制信号输入的情况下，液压泵/马达6的排量为零。
[0026] 所述的第一压力传感器12可以测量液压缸4的无杆腔的压力，并以电信号的形式送至控制器15。所述的第二压力传感器13用于测量P口的压力，并以电信号的形式送至控制器15。所述的转速传感器14用于测量所述的飞轮8的转速，并以电信号的形式送至控制器15。
[0027] 油源1为液压系统提供液压能源，一般为液压泵和原动机(电动机、发动机等)组成。
[0028] 所述液压泵/马达6的P口分别通过第一换向阀7、第二换向阀17与液压缸4的无杆腔、有杆腔连接；液压泵/马达6的A口通过管路与油箱5连接；液压泵/马达6输出轴通过离合器9与所述飞轮8的飞轮轴连接；所述的飞轮8为盘形质量块，可以为金属材质、碳纤维或其他复合材质，其具有较大的转动惯量，作为系统的储能元件，当其旋转时，可以储存一定的能量。所述的离合器9可以根据控制器15的控制信号接合或断开液压泵/马达6和飞轮15的连接。
[0029] 所述第二单向阀11的进油口通过管路与油箱5连接，第二单向阀11的出油口通过管路与液压泵/马达6的P口连接；
[0030] 所述控制器15分别与主换向阀3、第一换向阀7、第二换向阀17、液压泵/马达6、离合器9、第一压力传感器12、第二压力传感器13、转速传感器14和操纵手柄16连接。所述的操纵手柄16作为操纵人员的信号输入装置，控制液压缸4的运动。所述的操纵手柄16上集成了至少一个功能按钮。在本专利中用于挖掘机的增力功能。所述的第一换向阀7为在系统的流量较大时，可以使用电液换向阀。控制器15的作用是收集各个传感器的信号，并控制各个电磁阀、液压泵/马达6和离合器9。
[0031] 液压泵/马达6的P口通过溢流阀10与油箱5连接。当液压泵/马达6的P口压力达到溢流阀10的设定值时，溢流阀10将液压泵/马达6的P口与油箱5连通，保证P口压力在一定的范围内。所述溢流阀10的压力设定值高于油源1的最高工作压力。
[0032] 为了方便改变输出传动比以及飞轮的旋转方向，所述液压泵/马达6和离合器9之间还连接有变速器18，所述变速器18与控制器15连接，控制器15可以方便地控制变速器18传动比的改变。当飞轮8的重量较小时，变速器18选用增速型，从而能使飞轮8能在同样条件下达到更高的转速，从而能储存更多的能量。当飞轮8的重量较大时，变速器18选用减速型，从而使飞轮8运转在低速状态下，以储存更多的能量。同时，变速器8还可以根据需要改变飞轮8的旋转方向，更便于能量的回收。作为优选，飞轮8采用重量较小的飞轮，而变速器18采用增速型变速器，以能使装置整体的重量较轻，体积也较小。
[0033] 第一换向阀7为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。
[0034] 第二换向阀17为二位二通电磁换向阀，其失电后工作在左位，其得电后工作在右位，工作在左位时，其P口和A口之间的油路断开，工作在右位时，其P口和A口之间的油路连通。所述的第二单向阀11作为补油阀。当液压泵/马达6的P口压力低于油箱5的压力时，油箱5内的油液经所述的第二单向阀11进入液压泵/马达6的P口，以防止吸空和气蚀。所述的第二换向阀17为在系统的流量较大时，也可以使用电液换向阀代替。
[0035] 工作原理：
[0036] 一、初始阶段：
[0037] 此时液压缸4的活塞缸已经伸出。当操作人员通过操纵手柄16控制动臂下放时，控制器15接收到操纵手柄16的控制信号，控制主换向阀3的电磁铁Y1a得电，其P口到B口逐渐连通，A到T口逐渐连通。油源1的油液经第一单向阀2和主换向阀3的右位，进入液压缸4的有杆腔。液压缸4的无杆腔内的油液经主换向阀3的右位流回油箱5。故液压缸4的活塞杆缩回，动臂下降。此时完全由主换向阀3控制系统的流量，因其开口较小，液压缸4的运动速度较慢。如图2所示。
[0038] 二、能量回收阶段：
[0039] 如果操纵手柄16的摆角继续增大，控制器15给主换向阀3的控制电流继续增大，故主换向阀3的阀口继续增大。当主换向阀3的控制电流超过一定值后，控制器15发出控制信号，使第一换向阀7和第二换向阀17得电，离合器9吸合，同时将液压泵/马达6的排量调整变大，此时系统的原理简化为图3所示。液压缸4的活塞杆在动臂的重力作用下缩回，无杆腔排油，有杆腔进油。因为无杆腔排出的油液多于有杆腔进入的油液，多余的油液经液压泵/马达6流回油箱。液压泵/马达6此时作为液压马达，驱动飞轮8加速，将液压能转化为飞轮8的机械能。液压泵/马达6的排量越大，经过的流量也越多，其驱动飞轮8的扭矩越大，回收的能量也就越多。此时，仍然有一部分流量从主换向阀3的A口到T口流回油箱，但是比例较小，大部分流量经液压泵/马达6流回油箱5。此时的液压缸4的无杆腔流量较大，故运动速度较快。
[0040] 控制器15可以根据转速传感器14的信号，判断飞轮8的充能情况。如果飞轮8的加速度较小，说明其转速增加很慢。这时需要控制器15逐渐增加液压泵/马达6的排量，并控制变速器18的传动比变小，使飞轮8继续加速，存储更多的能量。总体来说，就是维持飞轮8有一定的稳定的加速度。
[0041] 当控制器15检测到操纵手柄16摆角变小时，控制器15减小主换向阀3的控制电流以减小其阀口大小。同时，控制器15将液压泵/马达6的排量继续减小。液压泵/马达6的排量减小，对于维持飞轮8一定的加速度而言其需要的压力就会增加，这可以减小液压缸4无杆腔油液流出的流量，从而减小了液压缸4的运动速度。当控制电流减小到一定值后，控制离合器9断开液压泵/马达6和飞轮8的连接，同时第一换向阀7和第二换向阀17失电。液压泵/马达6将会在自身惯性的作用下继续旋转一段时间，此时为液压泵工况，油箱5的内的油液经第二单向阀11进入液压泵/马达6的P口，最后再流回油箱5。因为自身的惯量很小，液压泵/马达6会很快停止转动。离合器9断开连接后，因自身惯量较大，飞轮8将会继续旋转。
[0042] 以上过程中，液压缸4的活塞杆缩回，故动臂下降。
[0043] 如果操纵手柄16的摆角继续减小，控制器15继续减小主换向阀3的控制电流，直到主换向阀3的阀口完全关闭。
[0044] 三、动臂提升过程：
[0045] 结合图4，当操作人员通过操纵手柄16控制动臂提升时，控制器15首先使主换向阀3的电磁铁Y1b得电，油源1的高油液经主换向阀3的左位进入液压缸4的无杆腔。液压缸4的有杆腔的油液经主换向阀3的B到T口流回油箱5。故液压缸4的活塞杆伸出，动臂提升。此时完全由主换向阀3控制系统的流量，因其开口较小，液压缸4的运动速度较慢。
[0046] 四、能量再利用过程：
[0047] 结合图5，此时需要飞轮8释放一部分能量，以高压油液的形式输出。再加上油源1的高压油液，一起推动液压缸4运动。当控制器15给主换向阀3的电流超过一定值后，控制器15控制第一换向阀7得电，同时离合器9吸合，使飞轮8与液压泵/马达6的轴连接在一起。此时的液压泵/马达6在飞轮的带动下旋转，工作在泵工况，A口变成吸油口，P口变成高压油口。液压泵/马达6排出的油液经第一换向阀7的右位，进入液压缸4的无杆腔，使液压缸4的活塞杆伸出。为了保证液压缸4运行速度平稳改变，控制器15控制液压泵/马达6的排量从小到大均匀变化。液压缸4的有杆腔的油液，经主换向阀3的左位A口到T口，排回油箱5。
[0048] 控制器15可以根据转速传感器14的信号，判断飞轮8的能量释放情况。如果飞轮8的减速度较小，说明其转速减小很慢。这时需要控制器15逐渐增大液压泵/马达6的排量，使飞轮8较快地减速，释放更多的能量。如果液压泵/马达6的排量已经最大仍无法满足流量需求，控制器15可以调整变速器18的传动比，进一步增加液压泵/马达6的转速，从而增大其流量。从而，液压泵/马达6可以排出更多的油液，驱动液压缸4以更快的速度运动。
[0049] 当控制器15检测到操纵手柄16摆角减小时，控制器15减小主换向阀3的控制电流以减小其阀口大小。同时，控制器15将液压泵/马达6的排量继续减小。液压泵/马达6的排量减小，这可以减小进入液压缸4无杆腔的流量，从而减小了液压缸4的运动速度。当控制电流减小到一定值后，控制离合器9断开液压泵/马达6和飞轮8的连接，同时第一换向阀7失电。液压泵/马达6停止对液压缸4的无杆腔供油。但是液压泵/马达6将会在自身惯性的作用下继续旋转一段时间，此时为仍为液压泵工况，油箱5的内的油液从液压泵/马达6的A口吸入然后P口排出，最后经溢流阀10流回油箱。因为自身的惯量很小，液压泵/马达6会很快停止转动。离合器9断开连接后，因自身惯量较大，飞轮8将会继续旋转，但是此时的旋转速度已经很低。
[0050] 以上过程中，液压缸4的活塞杆伸出，故动臂提升。
[0051] 如果操纵手柄16的摆角继续减小，控制器15继续减小主换向阀3的控制电流，直到主换向阀3的阀口完全关闭。
[0052] 五、挖掘机增力工况：
[0053] 结合图6，当动臂下降到接触地面或硬岩时，可能遇到挖掘机力不够的情况。此时的工况是，主换向阀3电磁铁Y1a得电，工作在右位，动臂液压缸4的有杆腔进油，但是液压缸4的回缩力(油源的最大工作压力乘以有杆腔面积)不足以克服负载的阻力。此时，操作人员按下操纵手柄16上的功能按钮，控制器15使第二换向阀17得电，调整液压泵/马达6工作在泵工况的一个较小排量，然后使离合器9接合。液压泵/马达6在飞轮8的作用下从P口排出高压油液，经第二换向阀17进入液压缸4的有杆腔。因为溢流阀10的设定压力高于油源的最高压力，故液压缸4可以带动动臂产生更大的挖掘力。此为增力工况。
[0054] 如果变速器18可以改变轴的旋转方向，那么当前方案中的变量液压泵/马达6可以更换成定量的液压泵/马达6，可以降低成本。除了不能调整排量外，其余的工作原理基本一致。
