CN103282585A - 混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法，混合型挖掘机动臂驱动系统包括：作为马达或发电机工作的电动机；储存从上述电动机生产的电的超级电容器；由上述电动机驱动并向动臂供给工作油的液压泵马达；使上述液压泵马达的排出管路和流入管路选择性地与上述动臂的盖或活塞杆侧连接或切断的构成闭合回路的动臂控制阀；由发动机驱动并向铲斗、行使马达或小臂供给工作油的主泵；分别与上述排出管路和上述流入管路连接并使上述排出管路与上述流入管路之间连接或切断的马达旁通阀；以及控制上述电动机、上述液压泵马达、上述动臂控制阀及上述马达旁通阀的控制部。这种本发明能够防止在动臂下降时液压泵马达及系统不稳定地动作，并且能够确保动臂的工作性能而回收动臂的能够再生的能量。

Description

混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法，更详细而言，利用电动机驱动液压泵马达而使动臂工作，并利用电动机回收动臂的再生动力而提高燃料消耗费的混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法。

背景技术

一般而言，挖掘机利用由发动机驱动的两个主泵及主控制阀而工作，该主控制阀将从两个主泵加压的工作油分配给动臂、小臂、铲斗缸及摇摆马达并进行回收，并且在内部构成有多个滑阀。

并且，挖掘机动臂驱动系统构成为：若利用主泵向动臂缸的液压缸盖侧供给工作油则动臂上升，若向液压缸的活塞杆侧供给工作油则动臂下降。动臂的上升及下降根据动臂操纵杆的操作方向而决定，动臂的上升及下降速度根据操纵杆的操作量而决定。

动臂在初期利用一个主泵向动臂缸供给工作油，在需要大油量的情况下，利用主控制阀从两个主泵供给工作油。

通常情况下，驱动动臂的液压系统其效率非常低，尤其利用一个主泵驱动动臂缸的低油量区间与使用两个主泵的大油量区间相比，能量转换效率非常低。即，在动臂上升时，一直到相当于主泵的最大供给油量的大约1/2的微细操作工作区间，在主控制阀产生很多流动损失，能量转换效率非常低。

并且，动臂上升时所供给的能量以动臂的位能形式被储存，并且预测动臂的能够再生的能量的量大致为供给能量的90%。但是，根据现有的挖掘机的液压系统，以动臂的位能形式储存的动臂的能够再生的大部分能量，在动臂下降时在主控制阀通过出口节流（Meter-out）控制而转换为热而被损失。

在通常的挖掘操作中，在用各驱动器通过油量分配而向动臂缸供给的油量的情况下，超过相对于主泵的最大油量的一定比率以上的情况不多，并且在动力方面使用全部的发动机最大动力的情况几乎不会发生。从而，为了对应瞬间上升的要求动力/再生动力及大油量而使用大容量的液压泵马达是效率低。

发明内容

技术课题

本发明是为解决上述现有技术的问题而提出的，提供一种混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法，其虽然利用电动机但在进行挖掘机的主要使用用途的挖掘操作时能够使能量损失最小化，并确保动臂的工作性能，并且能够回收动臂的能够再生的能量。

并且，提供一种在动臂下降的情况下、在初期能够使动臂驱动系统稳定地动作的混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法。

解决课题的手段

本发明的混合型挖掘机动臂驱动系统包括：作为马达或发电机工作的电动机；储存从上述电动机生产的电的超级电容器；由上述电动机驱动并向动臂供给工作油的液压泵马达；使上述液压泵马达的排出管路和流入管路选择性地与上述动臂的盖或活塞杆侧连接或切断的构成闭合回路的动臂控制阀；由发动机驱动并向铲斗、行使马达或小臂供给工作油的主泵；分别与上述排出管路和上述流入管路连接，并使上述排出管路与上述流入管路之间连接或切断的马达旁通阀；以及控制上述电动机、上述液压泵马达、上述动臂控制阀及上述马达旁通阀的控制部。

并且，本发明的特征在于，在上述动臂开始下降的情况下，上述控制部停止上述液压泵马达的工作，并转换上述马达旁通阀以使其连接上述排出管路与上述流入管路之间。

另外，本发明的特征在于，在上述动臂开始降之后从上述动臂的盖排出的油量为预先设定的值以上的情况下，上述控制部使上述液压泵马达工作，并转换上述马达旁通阀以使其切断上述排出管路与上述流入管路之间。

上述本发明的混合型挖掘机动臂驱动系统的控制方法包括：检测动臂操纵杆的操作量的步骤；判断根据上述动臂操纵杆的操作的动臂的下降与否的步骤；若上述动臂开始下降，则停止液压泵马达的工作，并转换马达旁通阀以使其连接排出管路与流入管路之间的步骤；判断从上述动臂的盖排出的油量是否为预先设定的值以上的步骤；以及在上述油量为预先设定的值以上的情况下，使上述液压泵马达工作，并转换上述马达旁通阀以使其切断上述排出管路与上述流入管路之间的步骤。

发明效果

如上所述的本发明的混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法能够获得如下效果：在利用电动机进行作为挖掘机的主要使用用途的挖掘操作时，能够使能量损失最小化，确保动臂的工作性能，回收动臂的能够再生的能量。

并且，在动臂开始下降的初期，利用马达旁通阀连接排出管路与流入管路，以使流入管路的油量向排出管路供给，即使动臂缸的排出油量不充分也能稳定地驱动系统。

另外，在液压泵马达有可能不稳定地动作的动臂下降初期，以流入管路的油量向排出管路供给的方式进行控制，能够防止有可能发生于排出管路的气穴现象（Cavitation）。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的混合型挖掘机动臂驱动系统的结构图。

图2是图示了图1的动臂上升状态的结构图。

图3至图5是图示了图1的动臂下降状态的结构图。

图6是有关本发明的一个实施例的混合型挖掘机动臂驱动系统的控制方法的顺序图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的混合型挖掘机动臂驱动系统及其控制方法的优选实施例。在该过程中，图中所示的各线的厚度或结构要素的大小等有可能被夸张地表示以便说明清楚且便于表示。并且，后述的用语是考虑到在本发明中的功能而定义的用语，该用语可以根据使用者、操作者的意图或惯例而有所不同。

图1是本发明的一个实施例的混合型挖掘机动臂驱动系统的结构图，图2是图示了图1的动臂上升状态的结构图，图3至图5是图示了图1的动臂下降状态的结构图，图6是有关本发明的一个实施例的混合型挖掘机动臂驱动系统的控制方法的顺序图。

参照图1，本发明的一个实施例的混合型挖掘机动臂驱动系统包括：利用马达或发电机工作的电动机110；用于储存由电动机110生产的电的包含超级电容器115等的电储存装置116；由电动机110驱动并向动臂100供给工作油的液压泵马达120；使液压泵马达120的排出管路121和流入管路122选择性地与动臂100的盖106或活塞杆107侧连接或切断的动臂控制阀125；以及分别与排出管路121和流入管路122连接，并使排出管路121与流入管路122之间连接或切断的马达旁通阀200。在本实施例中，电储存装置116能够通过与发动机141连接的马达/发电机142的驱动而被提供大部分电力。在该图中未图示马达/发电机142和发动机141的连接结构，但可以利用能够连接在发动机141与后述的主泵140之间等各种公知的方法进行连接。另一方面，在本实施例中作为一例说明了如下情况：电储存装置116作为储存电能的装置使用与其他电储存单元相比能够实现快速的充电及充电效率的超级电容器115。但是，这并不局限于本实施例，除了上述超级电容器115之外，还可以使用任何一种在混合型系统中一般使用的各种二次电池。

动臂控制阀125利用被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，并且利用如发动机141或电动发电机（未图示）那样与向上述液压马达泵120提供动力的电动机110分开设置的另外的动力源驱动，并且向铲斗、行使马达或小臂之类的除了动臂以外的其他操作装置提供工作油。液压泵马达120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利用动臂控制阀125与动臂缸105的盖106或活塞杆107侧连接。即，排出管路121与流入管路122利用动臂控制阀125连接或切断。

动臂控制阀125包括：沿着顺时针方向连接排出管路121与流入管路122并使动臂100上升的顺时针方向连接部位126；相反地连接排出管路121与流入管路122的交叉连接部位127；以及断开排出管路121与流入管路122的连接的切断部位128。动臂控制阀125利用电子比例控制阀或另外的控制液压管路工作，排出管路121与流入管路122的连接状态被转换。在本实施例中，作为一例说明动臂控制阀125以由控制部160控制的电子比例控制阀形式构成的情况。除此之外，动臂控制阀125可以构成为利用公知的控制液压管路工作。在此情况下，动臂控制阀125由控制液压管路控制，该控制液压管路通过动臂操纵杆161的操作而不是控制部160的操作而排出、并通过控制液压管路供给。

马达旁通阀200连接在排出管路121与流入管路122之间，并且构成为，连接排出管路121与流入管路122以使流入管路122的油量向排出管路121供给，或者切断排出管路121与流入管路122的连接。

在液压泵马达120的排出管路121上具备防止逆向流动的单向阀129，在单向阀129的上游侧排出管路121上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之间连接有与油箱连接的第二控制阀152。电动机110、液压泵马达120、动臂控制阀125、马达旁通阀200、第一控制阀151以及第二控制阀152由控制部160控制工作。

首先，在动臂上升时，动臂驱动系统的动作如下。

参照图2，若从动臂操纵杆161向控制部160输入动臂100上升信号，则控制部160对应于动臂操纵杆161的操作而控制电动机110并用泵驱动液压泵马达120。而且，通过动臂控制阀125的转换，液压泵马达120的出口侧经由排出管路121与动臂100盖106侧连接，动臂100活塞杆107侧利用液压泵马达120的流入管路122与液压泵马达120的吸入侧连接。并且，马达旁通阀200处于切断了排出管路121与流入管路122的连接的状态。此时，动臂100利用从液压泵马达120排出的油量而开始上升，通过由电动机110的转速和斜盘角控制装置170形成的斜盘角控制而进行动臂100的速度控制。

在此，在液压泵马达120与动臂缸105之间构成闭合回路，由于液压缸面积之差，从动臂缸105向液压泵马达120供给的油量小于从液压泵马达120向动臂缸105供给的油量。此时，不足的油量通过连接第一控制阀151而从油箱供给。

而且，控制部160根据电动机110的转矩、转速而计算电动机110的动力，并通过从斜盘角控制装置170输出的斜盘角及转速而监控液压泵马达120的油量。

另一方面，在动臂操纵杆161的控制信号上升而超过液压泵马达120的供给油量，或者超过电动机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的油量向动臂缸105供给。控制部160控制动臂辅助阀144的开闭以使动臂缸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利用控制部160向右侧转换，动臂辅助管路145与由发动机141驱动的主泵140连接。上述的动臂辅助管路145能够利用单向阀只在需要时向排出管路121供给工作油，因此在动臂上升时能够使动臂辅助阀144始终保持打开状态。但是，若在动臂上升时动臂辅助阀144如此打开，则使压力负荷作用于主泵140而有可能引起另一种能量损失，因此如上所述，最好是只在需要油量不足等的情况下使动臂辅助阀144打开。

以下，在动臂下降时，动臂驱动系统的动作如下。

若从动臂操纵杆161向控制部160输入动臂100下降信号，则利用控制部160，液压泵马达120利用从动臂缸105的盖106侧腔室返回的油量而动作。电动机110利用液压泵马达120的驱动力而作为发电机工作，所发电的电力被储存在电储存装置116中。

具体而言，若输入动臂100下降信号，则控制部160使动臂100的上升动作停止。此时，如图3所示，动臂控制阀125转换到切断部位128，马达旁通阀200保持切断了排出管路121与流入管路122的连接的状态。只是，在本实施例中虽然说明了在动臂100的上升动作停止的状态下切断马达旁通阀200的连接的情况，但根据实施例当然能够以连接排出管路121与流入管路122的状态构成。

接着，控制部160使动臂100开始进行下降动作。动臂100的下降速度通过利用斜盘角控制装置170控制斜盘角并控制液压泵马达120的转速而被控制，电动机110的发电量也一起被控制。在此情况下，在动臂下降的初期，向液压泵马达120的吸入侧供给的油量少。如上所述，向液压泵马达120供给的油量要经由液压泵马达120及动臂控制阀125而向动臂缸100的活塞杆107侧腔室供给。但是，在动臂下降初期，从动臂缸100的腔室106侧腔室供给的油量微少，因此难以形成用于在驱动液压泵马达120的同时向动臂缸100的活塞杆107侧腔室供给的压力。由此，在动臂缸100的活塞杆107侧腔室不能被供给用于动臂下降的充分的油量，从而发生气穴现象（cavitation），由此引起的冲击会导致在动臂缸100及液压泵马达120等的液压部件上产生损伤。而且，液压泵马达120的控制及工作特性变得非常不稳定，从而会担心动臂驱动系统变得不稳定。

于是，在本发明中，如图4所示，通过动臂控制阀125的转换，臂100的盖106侧利用流入管路122与液压泵马达120的吸入侧连接，动臂100活塞杆107侧利用排出管路121与液压泵马达120的排出侧连接。通过转换马达旁通阀200而使排出管路121与流入管路122连接。

随之，动臂缸105的盖106侧的所有油量沿着流入管路122放出并通过马达旁通阀200向排出管路121侧供给。向排出管路121侧供给的一部分油量向动臂缸105的活塞杆107侧供给，剩余油量经由第二控制阀152排泄到油箱，或者驱动液压泵马达120而使电动机110作为发电机驱动。

如此，以在动臂下降的初期从流入管路122放出的油量能够向排出管路121供给的方式，构成马达旁通阀200的连接状态，利用向排出管路121供给的油量使动臂缸105的排出油量增加，从而能够稳定地驱动动臂驱动系统。

若在动臂开始下降并经过了预定时间之后，动臂缸105的下降速度上升而动臂盖106侧的油量成为预先设定的油量以上变得充分，则控制部160判断为液压泵马达120能够稳定地工作。随之，如图5所示，转换马达旁通阀200并切断排出管路121与流入管路122的连接，使液压泵马达120工作。

在此情况下，在液压泵马达120与液压缸之间构成闭合回路，随着向液压泵马达120供给的油量增加，由于活塞杆107的有无所引起的动臂缸105面积之差，从动臂缸105向液压泵马达120供给的油量比从液压泵马达120向动臂缸105供给的油量多。此时，由于与排出管路121连接的第二控制阀152根据控制部160的信号而成为连接状态，因此从液压泵马达120向动臂缸105供给的剩余油量排出到油箱。

而且，在超过液压泵马达120的容许油量或者超过电动机110的发电容量的油量从动臂缸105排出并向液压泵马达120供给的情况下，控制部160使第一控制阀151以连接状态工作，能够使超过液压泵马达120和电动机110的容量的剩余油量排出到油箱。此时，第一控制阀151起到将从动臂缸105经由流入管路122向液压泵马达120流动的工作油的剩余油量向油箱排出的功能。

参照图2至图5进行整理如下，第一控制阀151在动臂100上升时能够连接油箱而将不足的工作油向动臂缸105供给，相反在动臂100下降时，除了从动臂缸105向液压泵马达120侧产生剩余油量时以外被切断。

而且，第二控制阀152在动臂100上升时处于被切断的状态，而在动臂100下降时被连接。随之，从动臂缸100的盖106侧腔室排出的油量，在经由动臂控制阀125的交叉连接部位127、流入管路122、液压泵马达120之后，经由第二控制阀152返回到油箱，或者向动臂缸100的活塞杆107侧腔室供给。利用由这种油量驱动液压泵马达120，电动机110作为发电机工作，如此发电的电能被储存在电储存装置116中。即，在动臂下降时，液压泵马达120作为负荷工作，由于这种负荷而有可能发生油量无法充分供给到动臂缸100的活塞杆107侧的问题。在本实施例中，通过驱动马达旁通阀200而向动臂缸100的活塞杆107侧供给充分的油量，从而能够解决如上所述的动臂下降初期所发生的问题。

另一方面，在动臂操纵杆161的控制信号上升而超过液压泵马达120的供给油量或者超过电动机110的容量的情况下，动臂辅助阀144利用控制部160被连接，使得主泵140的油量能够像动臂缸105侧供给。

以下，说明本发明的一个实施例的混合型挖掘机动臂驱动系统的控制方法。

参照图6，首先，检测动臂操纵杆161的操作量（S10），根据上述检测的操作量，判断动臂100的上升或下降（S20）。

在动臂100上升的情况下，打开第一控制阀151（S30）,对根据动臂操纵杆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进行比较（S40）。若动臂100的驱动动力比电动机110的能够供给的最大动力小，则比较动臂缸105的所需油量域液压泵马达120的最大油量（S50）。

比较结果，在动臂缸105的所需油量比液压泵马达120的最大油量小的情况下，执行切断动臂辅助阀144的动作（S60）。另外，在动臂100的驱动动力比电动机110的能够供给的最大动力大的情况下，打开动臂辅助阀144（S70）而连接主泵140，从而执行供给不足的工作油的过程。

另一方面，在动臂100下降的情况下，打开上述第二控制阀152（S80）。而且，停止液压马达泵120的工作，即中断从电动机110向液压马达泵120供给动力，并转换马达旁通阀200而使排出管路121与流入管路122之间连接（S90、S100）。随之，动臂缸盖106侧的所有油量进过流入管路122和马达旁通阀200传递到排出管路121。向排出管路121供给的一部分油量向动臂缸活塞杆107侧供给，剩余油量排出到油箱。

接着，控制部判断动臂盖106的排出油量是否为预先设定的油量以上（S110）。在动臂盖106的排出油量小于预先设定的油量的情况下，继续保持当前的设定状态。

另一方面，在动臂盖106的排出油量为预先设定的油量以上的情况下，判断为动臂盖106侧的排出油量充分，并转换马达旁通阀200而切断排出管路121与流入管路122的连接（S130）。随之，从动臂缸盖106排出的油量向液压马达泵120供给，液压马达泵120利用所供给的高压的压力油而作为液压马达工作，并使动臂能量再生。

具体而言，比较动臂100再生动力与电动机110的能够再生的最大动力（S140）。比较结果，若动臂100再生动力比电动机110的能够再生的最大动力小，则比较动臂缸105再生油量与液压泵马达120的容许油量（S150）。此时，若动臂缸105的再生油量比液压泵马达120的容许油量小，则切断第一控制阀151（S160）。另一方面，若动臂缸105再生油量比液压泵马达120的容许油量大的情况下，连接第一控制阀151而将剩余油量排出到油箱，并且在动臂100再生动力比电动机110的能够再生的最大动力大的情况下，也连接第一控制阀151而将剩余油量排出到油箱（S170）。

如此，本发明的一个实施例的混合型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驱动动臂100，从而能够解除在低油量微细操作时发生于液压系统的损失，从而能够提高燃料消耗费。

并且，在动臂100下降初期，利用马达旁通阀200将从动臂缸盖106排出的油量向排出管路121侧供给，能够使系统稳定地动作。

另外，在动臂100开始下降，并判断出动臂缸盖106的排出油量充分而能够使液压马达泵120稳定地驱动时，转换马达旁通阀200而使从动臂缸盖106排出的油量能够向液压马达泵120供给，因此能够防止液压马达泵120的控制及工作特性变得不稳定。

并且，在动臂100单独动作时，在初期微细操作区间所需的油量能够从电动机110及液压泵马达120供给，大致超过动臂100最大供给油量和与动力标准相当的部分的部分能够利用具有主泵140的原有的液压系统而供给。

产业上的可利用性

本发明能够用于提供如下效果：在利用挖掘机进行操作时，使能量损失最小化，确保动臂的工作性能，回收动臂的能够再生的能量。

Claims (6)

1.一种混合型挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，包括：

作为马达或发电机工作的电动机（110）；

储存从上述电动机（110）生产的电的电储存装置（116）；

由上述电动机（110）驱动并向动臂（100）供给工作油的液压泵马达（120）；

使上述液压泵马达（120）的排出管路（121）和流入管路（122）选择性地与使上述动臂（100）动作的动臂缸（105）的盖（106）或活塞杆（107）侧连接或切断的动臂控制阀（125）；

分别与上述排出管路（121）和上述流入管路（122）连接，并使上述排出管路（121）与上述流入管路（122）之间连接或切断的马达旁通阀（200）；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）及上述马达旁通阀（200）的控制部（160）。

2.根据权利要求1所述的混合型挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，

在上述动臂（100）开始下降的情况下，上述控制部（160）转换上述马达旁通阀（200）以连接上述排出管路（121）与上述流入管路（122）之间。

3.根据权利要求2所述的混合型挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，

在上述动臂（100）开始下降之后从上述动臂（100）的盖（106）排出的油量为预先设定的值以上的情况下，上述控制部（160）以上述液压泵马达（120）工作的方式转换上述马达旁通阀（200），从而使上述排出管路（121）与上述流入管路（122）之间切断。

4.根据权利要求1所述的混合型挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，

还包括：向除了上述动臂之外的其他操作装置供给工作油，并由与上述电动机另外设置的动力源提供动力的主泵（140）；

将从上述主泵（140）供给的油量向上述排出管路（121）引导的动臂辅助管路（145）；以及

选择性地对上述动臂辅助管路（145）进行开闭的动臂辅助阀（144），

在从上述液压马达泵（120）排出并通过上述排出管路（121）向上述动臂供给的油量比所需油量小的情况下，上述控制部打开上述动臂辅助阀（144），从而使从上述主泵（140）供给的油量追加供给到上述动臂。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的混合型挖掘机动臂驱动系统，其特征在于，

还包括选择性地使上述排出管路（121）与油箱连接的第二控制阀（152），

上述控制部在上述动臂（100）下降时，转换上述第二控制阀（152）而使上述排出管路（121）与油箱连接，从而使从上述动臂（100）的一侧排出的油量在经由上述动臂控制阀（125）、流入管路（122）及液压马达泵（120）之后，通过上述第二控制阀（152）返回到油箱或向上述动臂（100）的另一侧供给，

上述电动机在上述动臂（100）下降时，利用由从上述动臂（100）的一侧供给并向上述动臂（100）的另一侧或上述油箱供给的油量驱动的上述液压马达泵（120）作为发电机工作，所发电的电力被储存在电储存装置（116）中。

6.一种混合型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（S10）；

判断根据上述动臂操纵杆（161）的操作的动臂（100）的下降与否的步骤（S20）；

若上述动臂（100）开始下降，转换马达旁通阀（200）以使其连接排出管路（121）与流入管路（122）之间的步骤（S90、S100）；

判断从上述动臂（100）的盖（106）排出的油量是否为预先设定的值以上的步骤（S110）；以及

在上述油量为预先设定的值以上的情况下，使上述液压泵马达（120）工作，并转换上述马达旁通阀（200）以切断上述排出管路（121）与上述流入管路（122）之间的步骤（S120、S130）。

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