CN103215982B - 混合动力回转驱动系统和工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力回转驱动系统和工程机械，该混合动力回转驱动系统包括主控制阀和回转马达，主控制阀与回转马达连通，回转马达用于与回转平台机械连接，还包括：将回转平台的机械能转换为电能并输出的第一电能转换单元，其与回转平台机械连接；将第一电能转换单元输出的电能转换为机械能并输出的第二电能转换单元，其与第一电能转换单元电连接；将第二电能转换单元输出的机械能转换为液压能并输出的液压能转换单元，其与第二电能转换单元机械连接；与液压能转换单元选择性连通的蓄能器。本发明能够将回转平台制动时的回转惯性势能经过电能转换再转换成液压能，并利用蓄能器储存，能量回收率高，结构简单，可靠性高。

Description

混合动力回转驱动系统和工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种混合动力回转驱动系统和设置有该混合动力回转驱动系统的工程机械。

背景技术

随着世界范围内工业技术的迅速发展，能源短缺和环境污染问题日趋严重。工程机械中的液压挖掘机由于作业量大、耗油高、排放差，已逐渐成为人们普遍关注的主要对象。液压挖掘机的主控制阀与回转马达连通，工作过程中，通过操作主控制阀，向回转马达供油，回转马达带动回转平台做回转运动；回转平台的回转运动比较频繁，而且惯性大，在减速制动时会释放出大量的热量。这部分能量通常都消耗在液压阀的阀口上，不仅浪费了能量，还会导致系统发热和元件寿命的降低。为了减少能量损耗和系统发热量，提高元件的寿命，研发生产出采用混合动力系统的挖掘机，以实现能量回收成为液压挖掘机节能降耗的一项有效措施。

然而，目前挖掘机的混合动力系统通常采用蓄电池储能和蓄能器储能的方式。对于蓄电池储能方式来说，由于限于现有的电池技术，蓄电池的功率密度小，使得蓄电池瞬间充放大电流困难，造成电源系统效率低、能量回收率不高，而超级电容和燃料电池又存在着明显的成本和技术安全性等问题。对于蓄能器储能方式来说，其借助于液压连接、机械连接和电控连接，导致混合动力系统结构复杂，故障率高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种混合动力回转驱动系统和设置有该混合动力回转驱动系统的工程机械，该混合动力回转驱动系统包括能够将回转平台制动时的回转惯性势能转换成电能，再进一步转换成液压能储存在蓄能器中，液压蓄能器功率密度大，解决了电动混合动力能量回收率低的问题，降低了采用超级电容回收能量的成本过高难题，并且结构简单，可靠性高。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种混合动力回转系统，包括主控制阀和回转马达，所述主控制阀与所述回转马达连通，所述回转马达用于与所述回转平台机械连接，还包括：

将所述回转平台的机械能转换为电能并输出的第一电能转换单元，其与所述回转平台机械连接；

将所述第一电能转换单元输出的电能转换为机械能输出的第二电能转换单元，其与所述第一电能转换单元电连接；

将第二电能转换单元输出的机械能转换为液压能并输出的液压能转换单元，其与所述第二电能转换单元机械连接；

与所述液压能转换单元选择性连通的蓄能器。

进一步地，该混合动力回转驱动系统还包括中央控制器；

所述第一电能转换单元为第一发电机/电动机单元，所述第二电能转换单元为第二发电机/电动机单元，所述液压能转换单元为液压泵/马达单元；

所述中央控制器与所述主控制阀、所述第一发电机/电动机单元、所述第二发电机/电动机单元、所述液压泵/马达单元电连接。

进一步地，该混合动力回转驱动系统还包括逆变/整流器，所述第一发电机/电动机单元通过所述逆变/整流器与所述第二发电机/电动机单元电连接，且所述中央控制器还与所述逆变/整流器电连接。

进一步地，该混合动力回转驱动系统还包括换向阀，所述液压泵/马达单元通过所述换向阀选择性连通所述蓄能器。

进一步地，所述换向阀为电磁换向阀，所述中央控制器与所述电磁换向阀的控制端电连接。

进一步地，该混合动力回转驱动系统还包括与所述蓄能器连接并检测所述蓄能器内部压力的压力传感器，所述压力传感器与所述中央控制器电连接。

进一步地，该混合动力回转驱动系统还包括减速机，所述第一发电机/电动机单元和所述回转马达均通过所述减速机与所述回转平台连接。

进一步地，所述减速机、所述第一发电机/电动机单元和所述回转马达同轴设置。

本发明的混合动力回转驱动系统可以用于挖掘机中，例如用于动臂回转驱动系统，主控制阀可以与挖掘机的液压系统的主液压油泵连接，向回转马达供油，进而驱动回转平台回转运动；在回转平台制动时，第一电能转换单元、第二电能转换单元和液压能转换单元能够将回转惯性势能转换为电能，并再进一步转换成液压能储存，实现了回转平台的能量回收；同时采用蓄能器进行储存能量，其功率密度大，解决了电动混合动力能量回收率低的问题，降低了采用超级电容回收能量的成本过高难题；并且采用电能作为能量的转换媒介，摒弃了采用复杂的机械和液压连接关系，结构简单，可靠性高。

另一方面，本发明还提供一种工程机械，设置有回转平台和驱动所述回转平台回转的驱动系统，所述驱动系统为上所述的混合动力回转系统。

进一步地，所述工程机械包括挖掘机和起重机。

本发明的工程机械采用上述的混合动力回转系统，因此具有上述相同的技术效果，不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种混合动力回转系统的结构示意图。

附图标记说明

1、回转平台；2、减速机；3、第一发电机/电动机单元；4、回转马达；5、主控制阀；6、中央控制器；7、逆变/整流器；8、第二发电机/电动机单元；9、传动装置；10、蓄能器；11、压力传感器；12、换向阀；13、液压泵/马达单元；14、油箱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

下面结合附图，对本发明的实施例作进一步详细说明，对本发明的实施例进行说明：

如图1所示，本发明的实施例提供一种混合动力回转驱动系统，包括主控制阀5、回转马达4、主控制阀5与回转马达4连通，回转马达4用于与回转平台1机械连接，用于驱动回转平台回转运动，该混合动力回转驱动系统还包括与回转平台1机械连接的第一电能转换单元，其可以将回转平台1的机械能转换为电能并输出；与第一电能转换单元电连接的第二电能转换单元，其可以将第一电能转换单元输出的电能转换为机械能输出；与第二电能转换单元机械连接的液压能转换单元，其可以将第二电能转换单元输出的机械能转换为液压能并输出；以及与液压能转换单元选择性连通的蓄能器，在与蓄能器10连通时，液压能转换单元蓄能器10输送、并在其中储存液压能。

该混合动力回转驱动系统可以用于挖掘机中，例如用于动臂回转驱动系统，主控制阀5可以与挖掘机的液压系统的主液压油泵连接，向回转马达4供油，进而驱动挖掘机的回转平台1回转运动；在回转平台1制动时，第一电能转换单元、第二电能转换单元和液压能转换单元能够将回转惯性势能转换为电能，并再进一步转换成液压能储存，实现了回转平台的能量回收；同时采用蓄能器进行储存能量，其功率密度大，解决了电动混合动力能量回收率低的问题，降低了采用超级电容回收能量的成本过高难题；并且采用电能作为能量的转换媒介，摒弃了采用复杂的机械和液压连接关系，结构简单，可靠性高。

需要说明的是，本发明实施例提供的混合动力回转驱动系统可以用于驱动挖掘机的回转平台1，但是回转平台1并不属于混合动力回转驱动系统本身，亦即不属于混合动力回转驱动系统所要求保护的范围内。

本发明的实施例在上述混合动力回转驱动系统的基础上，还提供一种更优选的技术方案，使得该混合动力回转驱动系统在回收回转平台的回转势能后能够加以利用。如图1所示，上述混合动力回转驱动系统还包括中央控制器6，其中，主控制阀5与回转马达4连通，回转马达4用于与回转平台1机械连接，第一电能转换单元优选为第一发电机/电动机单元3，与回转平台1机械连接，第二电能转换单元优选为第二发电机/电动机单元8，与第一发电机/电动机单元3电连接，液压能转换单元优选为液压泵/马达单元13，与第二发电机/电动机8机械连接，并与蓄能器10选择性连通；中央控制器6与主控制阀5、第一发电机/电动机单元3、第二发电机/电动机单元8、液压泵/马达单元13电连接。

需要说明的是，本发明实施例中的混合动力回转驱动系统用于挖掘机的动臂回转驱动系统时，主控制阀5可以与挖掘机的液压系统的主液压油泵连接，向回转马达4供油；该系统中所述的第一发电机/电动机单元3和第二发电机/电动机单元8既可以作为发电机，又可以作为电动机使用，并由中央控制器6选择控制，所述的液压泵/马达单元13也是既可以作为液压泵使用，又可以作为液压马达使用，同样由中央控制器6选择控制。

本发明实施例中的混合动力回转驱动系统包括三种工作模式，分别正常工作或启动模式、能量回收模式和能量释放模式：

1）正常工作或启动模式：正常工作或启动时，中央控制器6控制主控制阀5向回转马达4供油，回转马达4带动回转平台1回转；

2）能量回收模式：在回转制动时，回转平台1的回转势能传递至第一发电机/电动机单元3，中央控制器6控制选择第一发电机/电动机单元3按照发电机状态进行工作，将回转势能转化成电能，然后，中央控制器6控制选择第二发电机/电动机单元8按照电动机状态进行工作，将产生的电能转化为机械能输出至液压泵/马达单元13，并带动其工作，中央控制器6控制选择液压泵/马达单元13按照液压泵状态进行工作，并将机械能转化为液压能储存在蓄能器10中；

3）能量释放模式：当蓄能器10中储存一定液压能时，中央控制器6控制液压泵/马达单元13控制按照液压马达状态进行工作，将液压能转化为机械能输出至第二发电机/电动机8，进而带动其工作，中央控制器6控制选择第二发电机/电动机单元8按照发电机状态进行工作，将机械能转化为电能，输出至第一发电机/电动机单元3，中央控制器6控制选择第一发电机/电动机单元3按照电动机状态进行工作，将电能转化为机械能，带动回转平台1回转以辅助或代替回转马达4工作。

该混合动力回转驱动系统的能量转换储存过程可逆，实现回收能量的再利用，解决了回转平台的能量回收和再利用的问题，可以节省挖掘机整机的工作油耗。

作为本发明上述实施例的进一步优选方案，如图1所示，本发明的混合动力回转驱动系统还可以包括：减速机2、逆变/整流器7、压力传感器11、换向阀12，具体连接关系如下：

主控制阀5与回转马达4连通，用于将挖掘机主液压油路中的液压油提供至回转马达4，回转马达4、第一发电机/电动机单元3、减速机2同轴连接至回转平台1，第一发电机/电动机单元3还与逆变/整流器7连接，并进一步电连接至第二发电机/电动机单元8，第二发电机/电动机单元8通过传动装置9与液压泵/马达单元13机械连接，液压泵/马达单元13的一个油口连接油箱14，另一油口通过换向阀12连接至蓄能器10，蓄能器10上还连接有压力传感器11。

上述优选实施方案中，换向阀12优选为电磁换向阀。主控制阀5、第一发电机/电动机单元3、逆变/整流器7、第二发电机/电动机单元8、电磁换向阀（换向阀12）的控制端与中央控制器6电连接，接受中央控制器6的控制；压力传感器11也与中央控制器6电连接，将检测到的蓄能器10的内部压力值反馈给中央传感器6。

其中，设置逆变/整流器7是因为第一发电机/电动机单元3（或第二发电机/电动机单元8）产生的电流的波形仍然具有不规则的波动，输出电压无法保持相对恒定，逆变/整流器7能够将不规则电压逆变整流后，消除杂波干扰，输出稳定电压，驱动第二发电机/电动机单元8（或第一发电机/电动机单元3）稳定工作。中央控制器6控制第一发电机/电动机单元3或第二发电机/电动机单元8发电时，会同时控制逆变/整流器7进行逆变整流工作。

需要中央控制器6控制的还有换向阀12，换向阀12处于常闭状态，其优选两位两通电磁阀，当液压泵/马达13向蓄能器10储存能量时，或者蓄能器10中储存的能量再次利用时，中央控制器6控制换向阀12打开，连通液压泵/马达13与蓄能器10之间的油路。

蓄能器10还连接有压力传感器11，如图1所示，优选设置在换向阀12与蓄能器10之间的油路上，用以检测蓄能器10的内部压力，并将内部压力信息向中央控制器6反馈，供中央控制器6判断蓄能器10的内部压力是否需要继续储能、是否可以释放能量用于回转平台1回转。

例如，在接收到的蓄能器10的内部压力为小于等于5MPa时，中央控制器6就在回转平台1制动回转时，控制其他部件协同工作，将回转势能转化为液压能储存到蓄能器10中；在接收到的蓄能器10的内部压力大于等于15MPa时，中央控制器6可以控制其他部件协同工作，将蓄能器10中的液压能释放出来，并转化为机械能驱动回转平台1回转。如此实现回收回转平台1的回转势能并将其再次利用，避免能源浪费，节省挖掘机的油耗。

另外需要说明的是，在回转马达4带动回转平台1回转时，减速机2可以将回转马达4的转速降低，传递给回转平台1适当的回转速度，并相应提升转矩；在回转平台1制动过程中，减速机2将回转平台1的转速提高传递至带动第一发电机/电动机单元3，供其发电，提高发电效率。

可以理解的是，虽然本发明的实施例中，提供了一台减速机2，并将回转马达4、第一发电机/电动机单元3、减速机2同轴设置，然后共同连接至回转平台1，设置一台减速机降低了生产制造成本，并且同轴设置节省了组装空间，但是，在其他实施例中，可以设置两台减速机，分别连接回转马达4和第一发电机/电动机单元3，本发明对此不做限定。

相应地，本发明的实施例还提供一种工程机械（图中未示出），该工程机械设置有回转平台1和驱动回转平台1回转的驱动系统，该驱动系统为上述的混合动力回转驱动系统。进一步地，该工程机械优选为挖掘机（图中未示出），该混合动力回转驱动系统可以用于挖掘机的动臂回转驱动系统中，实现回转平台制动时的能量回收，并将回收能量再利用于回转平台的回转，减少回转马达的工作，降低挖掘机油耗，减少能源浪费，并且具有与上述混合动力回转驱动系统的相同的优点和效果，不再赘述。该工程机械还可以是起重机等借助回转平台工作的工程机械。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合动力回转驱动系统，包括主控制阀（5）和回转马达（4），所述主控制阀（5）与所述回转马达（4）连通，所述回转马达（4）用于与回转平台（1）机械连接，其特征在于，还包括：

将所述回转平台（1）的机械能转换为电能并输出的第一电能转换单元，其与所述回转平台（1）机械连接；

将所述第一电能转换单元输出的电能转换为机械能输出的第二电能转换单元，其与所述第一电能转换单元电连接；

将第二电能转换单元输出的机械能转换为液压能并输出的液压能转换单元，其与所述第二电能转换单元机械连接；

与所述液压能转换单元选择性连通的蓄能器（10）。

2.根据权利要求1所述的混合动力回转驱动系统，其特征在于，还包括中央控制器（6）；

所述第一电能转换单元为第一发电机/电动机单元（3），所述第二电能转换单元为第二发电机/电动机单元（8），所述液压能转换单元为液压泵/马达单元（13）；

所述中央控制器（6）与所述主控制阀（5）、所述第一发电机/电动机单元（3）、所述第二发电机/电动机单元（8）、所述液压泵/马达单元（13）电连接。

3.根据权利要求2所述的混合动力回转驱动系统，其特征在于，还包括逆变/整流器（7），所述第一发电机/电动机单元（3）通过所述逆变/整流器（7）与所述第二发电机/电动机单元（8）电连接，且所述中央控制器（6）还与所述逆变/整流器（7）电连接。

4.根据权利要求2所述的混合动力回转驱动系统，其特征在于，还包括换向阀（12），所述液压泵/马达单元（13）通过所述换向阀（12）选择性连通所述蓄能器（10）。

5.根据权利要求4所述的混合动力回转驱动系统，其特征在于，所述换向阀（12）为电磁换向阀，所述中央控制器（6）与所述电磁换向阀的控制端电连接。

6.根据权利要求2所述的混合动力回转驱动系统，其特征在于，还包括与所述蓄能器（10）连接并检测所述蓄能器内部压力的压力传感器（11），所述压力传感器（11）与所述中央控制器（6）电连接。

7.根据权利要求2所述的混合动力回转驱动系统，其特征在于，还包括减速机（2），所述第一发电机/电动机单元（3）和所述回转马达（4）均通过所述减速机（2）与所述回转平台（1）连接。

8.根据权利要求7所述的混合动力回转驱动系统，其特征在于，所述减速机（2）、所述第一发电机/电动机单元（3）和所述回转马达（4）同轴设置。

9.一种工程机械，设置有回转平台（1）和驱动所述回转平台（1）回转的驱动系统，其特征在于，所述驱动系统为权利要求1-8中任意一项所述的混合动力回转驱动系统。

10.根据权利要求9所述的工程机械，其特征在于，所述工程机械包括挖掘机和起重机。