CN102877495A

CN102877495A - 一种挖掘机动臂势能回收混合动力系统

Info

Publication number: CN102877495A
Application number: CN2012103352056A
Authority: CN
Inventors: 迟永滨
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102877495B

Abstract

本发明公开了一种挖掘机动臂势能回收混合动力系统，在常规挖掘机基础上增设了单向阀Ⅰ、分动箱、电机、电存储单元、电机控制器、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、液压马达、离合器、总控制器、单向阀Ⅱ，其中发动机、电机、液压马达、主变量泵通过分动箱组合为一个动力系统，当动臂下降时，回油分两路，第一路进入液压马达，第二路进入主变量泵，分别将动力传递给动力系统，上述电机为具有发电功能的电动机，通过对电机的控制实现吸收能量发电或输出能量提供驱动的功能，达到节能目的，具有使用元件少、元件规格小、成本低的优点。

Description

一种挖掘机动臂势能回收混合动力系统

技术领域

本发明涉及挖掘机械动力系统，特别涉及一种挖掘机动臂势能回收混合动力系统。

背景技术

传统液压挖掘机动臂下降时，整个工作装置的下降位能通过液压节流转化为热量浪费掉，其能量损失约占作业总能耗的20%。目前采用混合动力方案被认为是有效的解决方案。

目前，国内已经开始了挖掘机混合动力的相关研究，并提出了一些专利成果，其类型主要有：

(1)将动臂油缸无杆腔的回油与液压马达连接，液压马达驱动发电机发电，电能存储到蓄能元件或驱动与发动机相连的电动机。动臂下降时的最大回油量接近两个主泵流量的2倍，而压力只有系统工作压力的1/4，因此需要配备很大规格的泵，但不能利用泵的高压能力，动臂下降时的速度微调操纵性能也不好。

(2)将动臂油缸无杆腔的回油接蓄能器，但油压较低很难被利用，由于动臂油缸无杆腔的回油量很大，要求蓄能器体积庞大，实际应用困难，动臂油缸无杆腔的回油压力与工作装置姿态位置有关，压力变化可达到一倍以上，实际蓄能器匹配只能按最小压力考虑，使能量不能完全回收。

(3)动臂油缸无杆腔的回油直接驱动液压马达再驱动液压泵以便以高压形式存储到蓄能器，使用时将蓄能器的油并入主泵的出口，该方案使用元件多、规格大、成本高，使用时不仅影响负荷敏感泵的调节特性，而且蓄能器的压力与作业油缸所需压力不一致，工作压力高时甚至蓄能器的油不能流出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种挖掘机动臂势能回收混合动力系统，本系统成本低，占用空间小，操纵性好，不影响原系统正常工作。

本发明通过下述技术方案实现：

一种挖掘机动臂势能回收混合动力系统，包括油箱、主变量泵、发动机、主换向阀、动臂油缸、先导操纵阀、单向阀Ⅰ、分动箱、电机、电存储单元、电机控制器、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、液压马达、离合器、总控制器、单向阀Ⅱ；

单向阀Ⅰ位于主变量泵到油箱的油路上，即单向阀Ⅰ的出口接主变量泵，进口接油箱；

分动箱分别与发动机、电机、离合器的一端、主变量泵连接并相互形成联动机构，液压马达与离合器的另一端联接；

主换向阀的P油口接主变量泵出口，主换向阀的T油口接液压马达的进口并同时连接单向阀Ⅰ到主变量泵进口之间的油路上，主换向阀的A油口和B油口分别连接动臂油缸的有杆腔和无杆腔的油口；

先导操纵阀包括两个先导阀，该两个先导阀的出油口分别连接主换向阀两端的液控油口，其中一个用于打开主换向阀使动臂油缸的有杆腔进油的先导阀的出油口还同时连接到离合器；

液压马达出油口接油箱；

单向阀Ⅱ出口接液压马达进口，进口接油箱；

压力传感器Ⅰ接在先导操纵阀到离合器之间油路上；

压力传感器Ⅱ接在液压马达进口油路上；

主变量泵的变量调节器、发动机的转速传感器、液压马达的变量调节器、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、电机控制器、电存储单元分别电连接总控制器；电机电连接电机控制器，电机控制器电连接电存储单元。

电存储单元是电池，也可以是电容与电池组成的复合电源系统。

电机是发电电动机，即电机是具有发电功能的电动机。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

（1）动臂油缸无杆腔的回油分为两路，分别接到主变量泵进口和液压马达进口，由于动臂油缸无杆腔与有杆腔的面积之比约为2:1，进入主变量泵和液压马达的油流量各占一半，因此液压马达的规格和占用空间比现有技术减小，成本降低。

（2）动臂油缸无杆腔的回油能量完全反馈到动力系统，便于集中控制，节省了专用于动臂势能回收的发电机，成本降低。

（3）主换向阀仍然可以对挖掘机的动臂下降速度进行操纵控制，操纵可靠。

（4）不使用液压蓄能器，能量回收率高，占用空间小。

附图说明

图1是本发明挖掘机动臂势能回收混合动力系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明，需要说明的是，具体实施方式并不是对本发明保护范围的限制。

实施例

如图1所示，本发明挖掘机动臂势能回收混合动力系统，包括油箱1、主变量泵3、发动机5、主换向阀7、动臂油缸8、先导操纵阀9、单向阀Ⅰ2、分动箱4、电机6、电存储单元10、电机控制器11、压力传感器Ⅰ12、压力传感器Ⅱ13、液压马达14、离合器15、总控制器16、单向阀Ⅱ17；

单向阀Ⅰ2位于主变量泵3到油箱1的油路上，即单向阀Ⅰ2的出口接主变量泵3，进口接油箱1；

分动箱4分别与发动机5、电机6、离合器15的一端、主变量泵3连接并相互形成联动机构；液压马达14与离合器15的另一端联接；

主换向阀7的P油口接主变量泵3出口，主换向阀7的T油口接液压马达14的进口并同时连接单向阀Ⅰ2到主变量泵3进口之间的油路上，主换向阀7的A油口和B油口分别连接动臂油缸8的有杆腔和无杆腔的油口；

先导操纵阀9包括两个先导阀，该两个先导阀的出油口分别连接主换向阀7两端的液控油口，其中一个用于打开主换向阀使动臂油缸的有杆腔进油的先导阀（用于控制动臂下降）的出油口还同时连接到离合器15；

液压马达14出油口接油箱1；

单向阀Ⅱ17出口接液压马达14进口，进口接油箱1；

压力传感器Ⅰ12接在先导操纵阀9到离合器15之间油路上；

压力传感器Ⅱ13接在液压马达14进口油路上；

主变量泵3的变量调节器、发动机5的转速传感器、液压马达14的变量调节器、压力传感器Ⅰ12、压力传感器Ⅱ13、电机控制器11、电存储单元10分别电连接总控制器16；电机6电连接电机控制器11，电机控制器11电连接电存储单元10。

电存储单元10是电池也可以是电容与电池组成的复合电源系统。电机6是发电电动机，即电机6是具有发电功能的电动机。

本挖掘机动臂势能回收混合动力系统，工作原理如下：

挖掘机的动臂提升时，搬动先导操纵阀9的手柄，右侧先导阀打开，推动主换向阀7进入左阀位，主变量泵3泵出的油进入动臂油缸8的无杆腔，动臂油缸8的有杆腔的油经主换向阀7流回液压马达14的进口和主变量泵3的进口，由于动臂油缸8的进油量大于回油量，因此回油在主变量泵3的进口处没有阻力，由于液压马达14也处于自由状态（离合器分离），回油也可以经液压马达14回油箱。

挖掘机的动臂下降时，搬动先导操纵阀9的手柄，左侧先导阀打开，推动主换向阀7进入右阀位，同时驱动离合器15结合并带动液压马达14旋转。主变量泵3泵出的油进入动臂油缸8的有杆腔，动臂油缸8的无杆腔主要在重力作用下被压缩，具有一定压力（相当于工作压力的20-30%）的油经主换向阀7流回液压马达14进口和主变量泵3的进口，由于动臂油缸8的进油量小于回油量(动臂油缸8的有杆腔和无杆腔的面积之比约1:2)，因此回油在主变量泵3的进口处保持压力，帮助驱动主变量泵3旋转，这一部分液压能量被主变量泵3吸收。另一部分回油（约占总回油量的1/2）进入液压马达14被转换为驱动动力。

主变量泵3、发动机5、电机6、液压马达14通过分动箱4组合为一个整体动力系统，其中电机6起主要调节作用，根据发动机5的转速进行总功率调节，满足发动机5在最佳功率利用率和最低比油耗下工作，发动机5负载增大时，电机6输出动力，反之电机6发电储存能量到电存储单元10，电机6由电机控制器11具体控制，控制要求来自总控制器16。

挖掘机动臂下降时的速度控制，采用主换向阀7和液压马达14组合控制，高速大流量时以液压马达14控制为主，挖掘机动臂最大下降速度的回油流量等于液压马达14的最大流量与主变量泵3的最大流量之和。在液压马达14的调节范围内，主换向阀7开度的控制应满足尽量减小主换向阀7的节流损失，使挖掘机动臂下降势能主要由主变量泵3和液压马达14吸收。当挖掘机动臂下降速度较小时（回油流量较小），则主换向阀7参与速度调节，此时能量消耗较少，优先保证更好的操控性。

当只有挖掘机动臂单独动作时，由于回油量总是大于主变量泵3的供油量，因此总可以通过调节液压马达14来保持主变量泵3和液压马达14的进口为正压力，并实现对挖掘机动臂下降速度的控制。但是当其它装置（如回转）同时动作时，可能会出现回油量小于主变量泵3的供油量情况（这种情况只发生在挖掘机动臂下降速度控制的很小而其它装置流量很大的情况下），此时对挖掘机动臂速度的控制完全靠主换向阀7，为了防止液压马达14吸空，设有单向阀Ⅱ17，可从油箱1补充油液回流进入液压马达14。

液压马达14的流量控制是根据压力传感器Ⅰ12的先导压力（即先导操纵阀9的开度）和压力传感器Ⅱ13的回油压力，先导操纵阀9开度越大，先导压力越大，主换向阀7的开度和液压马达14的流量也越大，动臂下降速度也越快。当压力传感器Ⅱ13的回油压力较低时，说明主换向阀7的节流损失太大或液压马达14的流量太大使得主变量泵3进口处的回油量小于供油量，此时要调小液压马达14的流量，以保证压力维持和能量回收，使液压马达14的流量与先导操纵阀9开度形成合理的对应。

如上所述，便可较好地实现本发明。

上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种挖掘机动臂势能回收混合动力系统，包括油箱、主变量泵、发动机、主换向阀、动臂油缸、先导操纵阀，其特征在于：还包括单向阀Ⅰ、分动箱、电机、电存储单元、电机控制器、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、液压马达、离合器、总控制器、单向阀Ⅱ；

液压马达出油口接油箱；

单向阀Ⅱ出口接液压马达进口，进口接油箱；

压力传感器Ⅰ接在先导操纵阀到离合器之间油路上；

压力传感器Ⅱ接在液压马达进口油路上；

2.根据权利要求1所述的挖掘机动臂势能回收混合动力系统，其特征在于：电存储单元是蓄电池。

3.根据权利要求1所述的挖掘机动臂势能回收混合动力系统，其特征在于：电存储单元是由蓄电池、电容组成的复合电源系统。

4.根据权利要求1所述的挖掘机动臂势能回收混合动力系统，其特征在于：电机是发电电动机。