CN102686807B - 混合动力挖掘机动臂驱动系统及其控制方法 - Google Patents

混合动力挖掘机动臂驱动系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开混合动力挖掘机动臂驱动系统及其控制方法。所公开的发明包括：作为马达或发电机运转的电动机（110）；存储由上述电动机（110）产生的电的蓄电装置（115）；由上述电动机（110）驱动而向动臂（100）供给工作油的液压泵马达（120）；构成将上述液压泵马达（120）的排出管路（121）和流入管路（122）选择性地与动臂（100）的缸盖（106）或活塞杆（107）侧连接或断开的闭合管路的动臂控制阀（125）；由与上述电动机（110）另行设置的驱动源（141）而驱动，并向铲斗、行驶马达或小臂供给工作油的主泵（140）；使上述主泵（140）的排出管路与上述液压泵马达（120）的排出管路（121）连接，从而使分别从上述主泵（140）和上述液压泵马达（120）排出的工作油能够合流的动臂辅助阀（144）；以及控制上述电动机（110）、上述液压泵马达（120）、上述动臂控制阀（125）的控制部（160）。这种本发明利用电动机却使进行挖掘机的主要使用用途即挖掘作业时的能量损失最小化，确保动臂的运转性能，并能够回收动臂的可再生能量。

Description

混合动力挖掘机动臂驱动系统及其控制方法
发明内容
技术课题
本发明是为了解决上述的现有技术的问题而研究出的，提供一种利用电动机却使进行挖掘机的主要使用用途即挖掘作业时的能量损失最小化，确保动臂的运转性能，并能够回收动臂的可再生能量的混合动力挖掘机动臂驱动系统及其控制方法。
课题解决手段
根据本发明的混合动力挖掘机动臂驱动系统包括：作为马达或发电机运转的电动机；存储在上述电动机产生的电的蓄电装置；由上述电动机驱动而向动臂供给工作油的液压泵马达；构成将上述液压泵马达的排出管路和流入管路选择性地与动臂的缸盖或活塞杆侧连接或断开的闭合管路的动臂控制阀；由与上述电动机另行设置的驱动源而驱动，并向铲斗、行驶马达或小臂供给工作油的主泵；使上述主泵的排出管路与上述液压泵马达的排出管路连接，从而使分别从上述主泵和上述液压泵马达排出的工作油能够合流的动臂辅助阀；以及控制上述电动机、上述液压泵马达、上述动臂控制阀的控制部。
这里，上述第一控制阀在动臂上升中选择性地切换并在动臂下降时断开，上述第二控制阀在动臂上升时断开并在动臂下降时选择性地切换。
而且，在动臂下降时从动臂液压缸向上述液压泵马达侧流入的流量超过上述液压泵马达的容许流量或超过上述电动机的发电容量的情况下上述第一控制阀被连接而使从动臂液压缸向上述液压泵马达流入的流量向储油箱排出。
根据上述本发明的混合动力挖掘机动臂驱动系统的控制方法包括：检测出动臂操纵杆的操作量的步骤；判断基于上述动臂操纵杆的操作的动臂的上升或下降的步骤；若上述动臂是上升，则敞开第一控制阀的步骤；若上述动臂是上升，则比较根据上述动臂操纵杆的操作量的动臂的驱动动力与上述电动机的能够供给的最大动力，若动臂的驱动动力小于上述电动机的能够供给的最大动力，则比较动臂液压缸的所需流量与上述液压泵马达的最大流量的步骤；若上述动臂液压缸的所需流量小于上述液压泵马达的最大流量则断开上述动臂辅助阀的步骤；若上述动臂的驱动动力大于上述电动机的能够供给的最大动力，则连接上述动臂辅助阀的步骤；若上述动臂是下降则敞开上述第二控制阀，并比较动臂再生动力与上述电动机的能够再生的最大动力，若动臂再生动力小于上述电动机的能够再生的最大动力，则比较动臂液压缸再生流量与上述液压泵马达的容许流量的步骤；若上述动臂液压缸的再生流量小于上述液压泵马达的容许流量，则断开上述第一控制阀的步骤；若上述动臂液压缸再生流量大于上述液压泵马达的容许流量，则连接上述第一控制阀的步骤；以及若上述动臂再生动力大于上述电动机的能够再生的最大动力，则连接上述第一控制阀的步骤。
发明效果
根据如上所述的本发明的混合动力挖掘机动臂驱动系统及其控制方法可得到利用电动机却使进行挖掘机的主要使用用途即挖掘作业时的能量损失最小化，确保动臂的运转性能，并能够回收动臂的可再生能量的效果。
即、动臂上升时利用电动机和动臂液压泵马达而驱动动臂，从而消除进行低流量细微操作时在液压系统中所产生的损失，由此，可提高单位油量的行驶公里数。
而且，从电动机和液压泵马达供给动臂单独动作时初期在细微操作区间所需的流量，大体上利用现有的液压系统能够供给超过动臂最大供给流量和动力的水准相应部分的部分。
而且，利用小容量的电动机和泵马达却可确保与现有的挖掘机同等水准的动臂作业性能，且可再生动臂能量，在瞬间性地需要较高的动力以及大流量的情况下在现有液压系统予以辅助，从而可确保与现有挖掘机同等水准的性能。
而且，在瞬间性地存在较多的再生能量的情况下超过容量部分分流，仅凭动臂最大供给流量和发动机最大动力程度的液压泵和电动机容量就能供给驱动动臂所需的大部分的能量，并可回收动臂可再生能量的大部分的能量。
而且，从现有液压系统分离出动臂，从而可消除现有液压系统中的损失，并使主控制阀的构造变得简单。
而且，两个主泵分别担负小臂和铲斗，从而可提高小臂和铲斗的作业性能。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的混合动力挖掘机动臂驱动系统的构成图。
图2是图示了图1的动臂上升状态的构成图。
图3是图示了图1的动臂下降状态的构成图。
图4是对于根据本发明一实施例的混合动力挖掘机动臂驱动系统的控制方法的顺序图。
符号说明
100—动臂，105—动臂液压缸，106—缸盖，107—活塞杆，110—电动机，115—电容器，116—电能存储装置，120—液压泵马达，121—排出管路，122—流入管路，125—动臂控制阀，126—顺向连接部位，127—交叉连接部位，128—断开部位，129—单向阀，140—主泵，141—发动机，144—动臂辅助阀，145—动臂辅助管路，151—第一控制阀，152—第二控制阀，160—控制部，170—斜盘角控制装置。
具体实施方式
下面参照附图说明根据本发明的混合动力挖掘机动臂驱动系统及其控制方法的优选实施例。在这过程中，为了说明的明了性和便利起见，附图中所图示的线条的厚度或构成要素的大小等有可能夸张地示出。另外，将在后面叙述的术语是考虑了在本发明的功能而定义的术语，这随使用者、运用者的意图或惯例而有可能相异。
图1是根据本发明的一实施例的混合动力挖掘机动臂驱动系统的构成图，图2是图示了图1的动臂上升状态的构成图，图3是图示了图1的动臂下降状态的构成图，图4是对于根据本发明一实施例的混合动力挖掘机动臂驱动系统的控制方法的顺序图。
参照图1，根据本发明的一实施例的混合动力挖掘机动臂驱动系统包括作为马达或发电机运转的电动机110、存储由电动机110产生的电的蓄电装置115、由电动机110驱动而向动臂100供给工作油的液压泵马达120、将液压泵马达120的排出管路121和流入管路122与动臂100的缸盖106或活塞杆107侧选择性地连接或断开的动臂控制阀125。在本实施例中蓄电装置由与发动机连接的未图示的马达/发电机的驱动可被供给大部分的电力。
动臂控制阀125通过供给工作油的动臂辅助管路145与主泵140连接。主泵140由两个构成，并由发动机141驱动而向铲斗、行驶马达或小臂提供工作油。
液压泵马达120上连接有排出工作油的排出管路121和流入工作油的流入管路122。排出管路121和流入管路122通过动臂控制阀125与动臂液压缸105的缸盖106或活塞杆107侧连接。即、排出管路121和流入管路122的液压回路接点通过动臂控制阀125连接或断开。
动臂控制阀125由顺向连接排出管路121和流入管路122而使动臂100上升的顺向连接部位126、相反地连接排出管路121和流入管路122的交叉连接部位127以及断开排出管路121和流入管路122的连接的断开部位128构成。动臂控制阀125由电子比例控制阀或另设的先导液压管路而运转，且排出管路121和流入管路122的连接状态被切换。
在液压泵马达120的排出管路121具备防止逆向流动的单向阀129，从液压泵马达120侧靠近单向阀129连接有动臂辅助管路145。在液压泵马达120与动臂控制阀125的排出管路121之间连接有与储油箱连接的第一控制阀151。在动臂辅助管路145的连接部位与液压泵马达120之间连接有与储油箱连接的第二控制阀152。电动机110、由控制部160控制液压泵马达120、动臂控制阀125、第一控制阀151、以及第二控制阀152的运转。
参照图2，若动臂100上升信号从动臂操纵杆161输入到控制部160，则由控制部160使电动机110作为马达动作，并以泵来驱动液压泵马达120。而且，通过动臂控制阀125的切换，液压泵马达120的出口侧通过排出管路121与动臂100的缸盖106侧连接，动臂100活塞杆107侧通过液压泵马达120的流入管路122与液压泵马达120的吸入侧连接。此时，动臂100由从液压泵马达120排出的流量而开始上升，通过对电动机110的旋转速度和由斜盘角控制装置170而形成的斜盘角的控制来实现动臂100的速度控制。
这里，液压泵马达120与动臂液压缸105之间构成闭合管路，由于液压缸面积之差，从动臂液压缸105供给到液压泵马达120的流量少于从液压泵马达120供给到动臂液压缸105的流量。此时，通过所连接的第一控制阀151而从储油箱被供给不足的流量。
而且，控制部160从电动机110的转矩、旋转速度算出电动机110的动力，通过从斜盘角控制装置170输出的斜盘角和旋转速度而监控液压泵马达120的流量。
另一方面，若动臂操纵杆161的控制信号上升而超过液压泵马达120的供给流量或超过电动机110的容量的情况下，控制部160控制动臂辅助阀144而将主泵140的流量向动臂液压缸105供给。控制部160控制动臂辅助阀144的开闭以使动臂液压缸105能够跟踪动臂操纵杆161信号。动臂辅助阀144在连接被断开的状态下由控制部160而切换到右侧，动臂辅助管路145与通过发动机141驱动的主泵140连接。
参照图3，若动臂100下降信号从动臂操纵杆161输入到控制部160，则液压泵马达120通过控制部160由从动臂液压缸105返回的流量动作，电动机110通过液压泵马达120的驱动力作为发电机运转，所发电的电力存储到具有蓄电装置115的电能存储装置116中。
此时，在动臂100下降时，动臂100的缸盖106侧通过动臂控制阀125的切换由流入管路122而与液压泵马达120的吸入侧连接，动臂100活塞杆107侧由排出管路121而与液压泵马达120的排出侧连接。通过斜盘角控制装置170控制斜盘角而控制液压泵马达120的旋转速度从而控制动臂100的下降速度，并且一并控制电动机110的发电量。
另外，在液压泵马达120与液压缸之间构成有闭合管路，由于有无活塞杆107所导致的动臂液压缸105面积之差，使得从动臂液压缸105供给到液压泵马达120的流量多于从液压泵马达120供给到动臂液压缸105的流量。此时，与排出管路121连接的第二控制阀152由控制部160的信号而处于连接状态使得将从液压泵马达120供给到动臂液压缸105的剩余流量向储油箱排出。
而且，在超过液压泵马达120的容许流量或超过电动机110的发电容量的流量从动臂液压缸105排出而供给到液压泵马达120的情况下，控制部160使第一控制阀151运转成连接状态从而能够向储油箱排出超过液压泵马达120和电动机110的容量的剩余流量。此时，第一控制阀151发挥向储油箱排出从动臂液压缸105通过流入管路122向液压泵马达120流动的工作油的剩余流量的功能。
参照图2和图3整理如下。就第一控制阀151而言，动臂100上升时与储油箱连接从而能够向动臂液压缸105供给不足的工作油，与此相反，动臂100下降时除了从动臂液压缸105向液压泵马达120侧产生剩余流量时之外被断开。
而且，第二控制阀152在动臂100上升时处于被断开的状态而在动臂100下降时被连接从而发挥向储油箱排出从液压泵马达120向动臂液压缸105供给的过多的流量的功能。如上所述，这种第二控制阀152可控制成动臂下降时总是处于打开着的状态，但可追加如下的控制。
即、第二控制阀152可控制成动臂100下降时以关闭状态待机而仅在经液压泵马达120供给的流量多于动臂缸盖侧106所需的流量时打开。
并且，在液压泵马达120因多种问题而过多地供给所需量以上的工作油量的情况下，为了防止安全事故和系统损伤可以排泄所循环的流量的方式进行控制，在该情况下最为理想的是第一控制阀151以如下方式运转即与第二控制阀152联动而打开以使工作油排泄。
另外，在动臂操纵杆161的控制信号上升而超过液压泵马达120的供给流量或超过电动机110的容量的情况下，动臂辅助阀144由控制部160而连接以便主泵140的流量供给到动臂液压缸105侧。
参照图2至图4，根据本发明的一实施例的混合动力挖掘机动臂驱动系统的控制方法包括：检测出动臂操纵杆161的操作量的步骤（a）；判断基于上述动臂操纵杆161的操作的动臂100的上升或下降的步骤（b）；若上述动臂100是上升，则敞开第一控制阀151的步骤（c）；以及若上述动臂100上升，则比较根据上述动臂操纵杆161的操作量的动臂100的驱动动力与上述电动机110的能够供给的最大动力（d），若动臂100的驱动动力小于上述电动机110的能够供给的最大动力，则比较动臂液压缸105的所需流量与上述液压泵马达120的最大流量的步骤（e）。
这里，在上述动臂液压缸105的所需流量小于上述液压泵马达120的最大流量的情况下执行断开上述动臂辅助阀144的步骤（f）。而且，包括在动臂100的驱动动力大于上述电动机110的能够供给的最大动力的情况下，敞开上述动臂辅助阀144而连接主泵140从而供给不足的工作油的步骤（g）。
另一方面，包括在上述动臂100下降的情况下，敞开上述第二控制阀152（h），并比较动臂100再生动力与上述电动机110的能够再生的最大动力的步骤（i）。而且，包括若动臂100再生动力小于上述电动机110的能够再生的最大动力，则比较动臂液压缸105再生流量与上述液压泵马达120的容许流量的步骤（j）。此时，包括若上述动臂液压缸105的再生流量小于上述液压泵马达120的容许流量，则断开上述第一控制阀151的步骤（k）。与此相反，包括在上述动臂液压缸105再生流量大于上述液压泵马达120的容许流量的情况下，连接上述第一控制阀151而向储油箱排出剩余流量的步骤（l）。另外，包括在上述动臂100再生动力大于上述电动机110的能够再生的最大动力的情况下，连接上述第一控制阀151而向储油箱排出剩余流量的步骤（m）。
这样，根据本发明的一实施例的混合动力挖掘机动臂驱动系统及其控制方法在动臂100上升时利用电动机110和液压泵马达120而驱动动臂100从而消除进行低流量细微操作时在液压系统中所产生的损失，由此，可提高单位油量的行驶公里数。
而且，从电动机110和液压泵马达120供给动臂100单独动作时初期在细微操作区间所需的流量，大体上利用现有的液压系统能够供给超过动臂100最大供给流量和动力的水准相应部分的部分。
而且，利用小容量的电动机110和泵马达却可确保与现有的挖掘机同等水准的动臂100作业性能，且可再生动臂100能量。另外，利用了电动机110和液压泵马达120的混合动力驱动系统可担负挖掘作业时大部分的能量供给和能量再生。
而且，在瞬间性地需要较高的动力以及大流量的情况下在现有液压系统予以辅助，从而可确保与现有挖掘机同等水准的性能。而且，在瞬间性地存在较多的再生能量的情况下超过容量部分分流，且仅凭动臂100最大供给流量和发动机141最大动力程度的液压泵和电动机110容量就能供给驱动动臂100所需的大部分的能量，并可回收动臂100可再生能量的大部分的能量。
产业上利用可能性
本发明能够适用于工程设备中的混合动力挖掘机的驱动系统。

Claims (6)

1.一种混合动力挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，包括：
作为马达或发电机运转的电动机(110)；
存储由上述电动机(110)产生的电的蓄电装置(115)；
由上述电动机(110)驱动而向动臂(100)供给工作油的液压泵马达(120)；
构成将上述液压泵马达(120)的排出管路(121)和流入管路(122)选择性地与动臂(100)的缸盖(106)或活塞杆(107)侧连接或断开的闭合管路的动臂控制阀(125)；
由与上述电动机(110)另行设置的驱动源(141)而驱动，并向铲斗、行驶马达或小臂供给工作油的主泵(140)；
使上述主泵(140)的排出管路与上述液压泵马达(120)的排出管路(121)连接，从而使分别从上述主泵(140)和上述液压泵马达(120)排出的工作油能够合流的动臂辅助阀(144)；以及
控制上述电动机(110)、上述液压泵马达(120)、上述动臂控制阀(125)的控制部(160)。
2.根据权利要求1所述的混合动力挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，
进一步包括：将连接上述液压泵马达(120)和上述动臂控制阀(125)的流入管路(122)与工作油的储油箱连接的第一控制阀(151)；以及将连接上述液压泵马达(120)和上述动臂控制阀(125)的排出管路(121)与工作油的储油箱连接的第二控制阀(152)，
上述控制部控制上述第一控制阀(151)和第二控制阀(152)。
3.根据权利要求2所述的混合动力挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，
上述第一控制阀(151)在动臂(100)上升中选择性地切换并在动臂(100)下降时断开，上述第二控制阀(152)在动臂(100)上升时断开并在动臂(100)下降时选择性地切换。
4.根据权利要求2所述的混合动力挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，
上述动臂辅助阀(144)在动臂操纵杆(161)的控制信号上升而需要超过上述液压泵马达(120)的供给流量或上述电动机(110)的容量的流量的情况下切换成向动臂液压缸(105)侧供给上述主泵(140)的流量。
5.根据权利要求2所述的混合动力挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，
上述第一控制阀(151)在动臂(100)下降时从动臂液压缸(105)向上述液压泵马达(120)侧流入的流量超过上述液压泵马达(120)的容许流量或超过上述电动机(110)的发电容量的情况下被连接而使从动臂液压缸(105)向上述液压泵马达(120)流入的流量向储油箱排出。
6.一种混合动力挖掘机动臂驱动系统的控制方法，其特征在于，包括：
检测动臂操纵杆(161)的操作量的步骤(a)；
判断基于上述动臂操纵杆(161)的操作的动臂(100)的上升或下降的步骤(b)；
若上述动臂(100)上升，则敞开第一控制阀(151)的步骤(c)；
若上述动臂(100)上升，则比较根据上述动臂操纵杆(161)的操作量的动臂(100)的驱动动力与电动机(110)的能够供给的最大动力(d)，若动臂(100)的驱动动力小于上述电动机(110)的能够供给的最大动力，则比较动臂液压缸(105)的所需流量与上述液压泵马达(120)的最大流量的步骤(e)；
若上述动臂液压缸(105)的所需流量小于上述液压泵马达(120)的最大流量，则断开上述动臂辅助阀(144)的步骤(f)；
若上述动臂(100)的驱动动力大于上述电动机(110)的能够供给的最大动力，则连接上述动臂辅助阀(144)的步骤(g)；
若上述动臂(100)下降，则敞开第二控制阀(152)(h)，并比较动臂(100)再生动力与上述电动机(110)的能够再生的最大动力(i)，若动臂(100)再生动力小于上述电动机(110)的能够再生的最大动力，则比较动臂液压缸(105)再生流量与上述液压泵马达(120)的容许流量的步骤(j)；
若上述动臂液压缸(105)的再生流量小于上述液压泵马达(120)的容许流量，则断开上述第一控制阀(151)的步骤(k)；
若上述动臂液压缸(105)再生流量大于上述液压泵马达(120)的容许流量，则连接上述第一控制阀(151)的步骤(l)；以及
若上述动臂(100)再生动力大于上述电动机(110)的能够再生的最大动力，则连接上述第一控制阀(151)的步骤(m)。
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