CN104358284B - 一种液压挖掘机油电液混合驱动系统 - Google Patents

一种液压挖掘机油电液混合驱动系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种液压挖掘机油电液混合驱动系统,其包括混合驱动系统、动臂电液控制单元、转台电液控制单元、液压蓄能器、单向阀、先导手柄、蓄电池、定量泵/马达、第二电动/发电机等,本发明采用蓄电池和液压蓄能器作为复合储能单元,利用液压蓄能器提供或吸收瞬时大功率,利用蓄电池保证能量密度。转台采用电动/发电机和液压马达的混合驱动,利用液压蓄能器保证转台启动和制动时的瞬时大功率和通过电动/发电机保证了转台具有良好的转速控制特性;通过对液压蓄能器压力的主动控制调整驱动油缸无杆腔的压力控制实现了动臂重力势能尽可能分布在平衡油缸上,进而提高了能量回收效率,同时通过驱动油缸保证速度控制特性。

Description

一种液压挖掘机油电液混合驱动系统
技术领域
[0001] 本发明属驱动系统技术领域,具体涉及一种液压挖掘机油电液混合驱动系统。
背景技术
[0002] 液压挖掘机作为国家基础建设的最重要的工程机械机种之一,已经广泛应用于建 筑,交通,水利,矿山以及军事领域中。液压挖掘机的节能减排已引起了人们的广泛关注与 重视。因此混合动力技术和能量回收技术一直是液压挖掘机的研究重点。
[0003] 液压挖掘机的工况复杂,负载变化剧烈,混合动力技术是提高动力系统节能效果 的最佳方案之一。混合动力一般分为以电量储存单元(蓄电池或电容)作为储能元件的油电 混合技术和以液压蓄能器作为储能元件的液压混合技术。蓄电池的能量密度高,但是它的 功率密度较低,充放电频率小,不能瞬间提供系统大功率。超级电容具有寿命长、释放电流 功率大等特点,但目前超级电容的能量密度较低且成本较高;此外,液压蓄能器具有成本 低、寿命长的特点,但蓄能器的能量密度很低,蓄能器与相同大小的蓄电池相比存储的能量 有限。因此,当前单一的油电混合与液压混合两者之间各有所长,很难同时高功率密度和高 能量密度的要求。
[0004] 目前,常规的动臂势能回收方案主要基于油电混合动力液压挖掘机展开。动臂驱动 液压缸的回油腔与液压马达相连,该液压马达与发电机同轴相连。驱动油缸回油腔的液压油 驱动液压马达回转,将液压能转化为机械能输出,并带动发电机发电,三相交流电能经变频器 整流为直流电能并储存在储能元件当中。当系统需要时,直流电能通过整流器逆变成目标频 率的三相交流电能驱动电动机,与发动机共同驱动负载工作。该技术方案中所有动臂势能回 收再利用都经过从势能-液压能-机械能-电能-电容-驱动变量栗的机械能的多次能量转化, 系统中能量转换环节较多,影响了系统的能量回收效率。基于液压混合动力展开的动臂势能 回收技术一般直接通过某个控制阀块将驱动油缸的无杆腔和液压蓄能器相连,动臂下放时, 蓄能器的压力也会逐渐升高,使得动臂下放的速度逐渐减慢,影响了驾驶员的操作习惯。
[0005] 同理,常规的上车机构回转制动能量回收方案也主要基于油电混合动力和液压混 合动力展开。由于蓄电池不能瞬间储存大功率的可回收能量,所以基于油电混合动力系统 主要采用电动机驱动替代传统液压马达驱动上车机构,利用电动机的二、四象限工作把回 转制动时释放出来的大量动能转化成电能储存在电容中,但超级电容价格昂贵且技术不成 熟;而基于液压混合动力技术,一般采用一个二次的变量液压栗/马达驱动转台,转台制动 时主要通过液压蓄能器回收,由于液压系统自身为一个强非线性的系统,难以精确控制转 台的速度,在转台制动和启动瞬间存在一个较大的冲击。
[0006] 鉴于此,本案发明人对上述问题进行深入研究,遂有本案产生。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种液压挖掘机油电液混合驱动系统,其既能提高发动机 工作效率,减低成本、又可回收动臂势能和转台制动动能,同时不影响动臂和转台的操作性。
[0008]为了达到上述目的,本发明采用这样的技术方案:
[0009 ] -种液压挖掘机油电液混合驱动系统,包括混合驱动系统、动臂电液控制单元、转 台电液控制单元、先导手柄、单向阀、液压蓄能器、两位两通电磁换向阀、定量栗/马达、第二 电动/发电机、蓄电池,第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器;
[0010] 所述的混合驱动系统包括同轴机械传动连接的发动机、第一电动/发电机、先导 栗、变量栗/马达以及第二变量栗;
[0011] 所述的动臂电液控制单元包括动臂多路阀、梭阀、第一液控两位三通换向阀、第二 液控两位三通换向阀、第三液控两位三通换向阀、第四液控两位三通换向阀、液控三位四通 换向阀、驱动油缸以及平衡油缸;
[0012 ]所述的转台电液控制单元包括三位四通电磁换向阀、定量液压马达、第三电动/发 电机、减速器以及转台;
[0013] 先导栗的出油口与先导手柄的进油口相连,先导手柄的动臂控制油口bcl与动臂 多路阀的控制油口K1、梭阀的进油口、第三液控两位三通换向阀的控制油口K1以及第四液 控两位三通换向阀的控制油口K1均相连;先导手柄的动臂控制油口bc2分别与动臂多路阀 的控制油口K2、梭阀的另一进油口以及第四液控两位三通换向阀的控制油口K2均相连;
[0014] 动臂多路阀的A 口分三路:第一路接驱动油缸的无杆腔;第二路接第一液控两位三 通换向阀的控制油口 K2;第三路接第二液控两位三通换向阀的控制油口 K1;动臂多路阀的B 口分三路:第一路接驱动油缸的有杆腔;第二路接第一液控两位三通换向阀的控制油口 K1; 第三路接第二液控两位三通换向阀的控制油口 K2;动臂多路阀的D 口与油箱相连;
[0015] 梭阀的出油口分三路:第一路接第一液控两位三通换向阀的P口,第一液控两位三通 换向阀的A 口接三位四通换向阀的控制油口 K2,第一液控两位三通换向阀的T 口接油箱;第二 路接第二液控两位三通换向阀的P 口,第二液控两位三通换向阀的T 口接油箱,第二液控两位 三通换向阀的A 口接第四液控两位三通换向阀的T 口;第三路接第三液控两位三通换向阀的P 口,第三液控两位三通换向阀的T 口接油箱,第三液控两位三通换向阀的A 口接第四液控两位 三通换向阀的P 口,第四液控两位三通换向阀的A 口接液控三位四通换向阀的控制油口 K1;液 控三位四通换向阀的T 口接油箱,三位四通换向阀的A 口接平衡油缸的无杆腔,液控三位四通 换向阀的B 口接平衡油缸的有杆腔,驱动油缸的活塞杆、平衡油缸的活塞杆与动臂刚性相连;
[0016] 三位四通电磁换向阀的A 口和液压蓄能器相连,三位四通电磁换向阀的B 口和油箱 相连,三位四通电磁换向阀的P 口和T 口分别和定量液压马达的两腔相连,定量液压马达、第 三电动/发电机、减速器和转台机械相连;
[0017] 变量栗/马达的出口接单向阀的进油口,单向阀的出油口与动臂多路阀的P口和P1 口相连;第一电动/发电机与第一电机控制器电性相连,第二电动/发电机与第二电机控制 器电性相连,第三电动/发电机与第三电机控制器电性相连,第一电机控制器、第二电机控 制器、第三电机控制器与蓄电池电性相连;
[0018] 两位两通电磁换向阀(21)的B 口与定量栗/马达(22)相连,定量栗/马达(22)与第 二电动/发电机(23)相连,两位两通电磁换向阀(21)的A 口与液压蓄能器(18)、液控三位四 通换向阀(14)的P 口、压力传感器(19 )、安全阀(20)以及三位四通电磁换向阀(27)的A 口相连。
[0019] 在上述方案中,还包括其它液压系统,其它液压系统包括斗杆驱动系统、铲斗驱动 系统以及行走驱动系统,所述第二变量栗的出口与其它液压系统相连。
[0020] 较佳地,所述的第一电动/发电机、第二电动/发电机以及第三电动/发电机均安装 有测量转速的传感器,所述传感器为旋转变压器或光电编码器。
[0021] 本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
[0022] 1、本发明同时采用了蓄电池和液压蓄能器,蓄电池发挥能量密度大的优点,主要 负责平衡波动较为平缓的工况,又可为转台的驱动电机提供电能,实现转台的转速控制,液 压蓄能器能提供或吸收瞬时大功率,实现动臂势能和转台制动动能的回收,实现了超级电 容的功能但成本又较超级电容低;
[0023] 2、在动臂势能回收方面,本发明通过驱动油缸保证了动臂的速度控制特性,通过 平衡油缸和液压蓄能器将动臂势能进行回收,遵循了能量转化环节最小原则,避免了能量 多次转化造成的能量损耗,同时通过对液压蓄能器压力的主动控制来调整驱动油缸无杆腔 的压力,实现了动臂势能尽可能多分配在平衡油缸,提高了动臂势能回收效率;
[0024] 3、在转台驱动方面,采用电动/发电机和液压马达复合驱动方法,通过液压蓄能器 保证转台启动和制动瞬间的大功率,通过第三电动/发电机保证转台的转速控制特性。
[0025] 4、在能量的再利用方面,本发明同样遵循了能量转化环节最小原则,液压蓄能器 的能量既可通过平衡油缸直接驱动动臂,又可以释放到定量液压马达两腔驱动转台,同时 在液压蓄能器的能量较高时,可以通过定量栗/马达以及第二电动/发电机将能量转换成电 能储存在蓄电池中,供第一电动/发电机使用,辅助发动机驱动先导栗。
附图说明
[0026] 图1为本发明之较佳实施例的整体结构框图;
[0027] 图2为本发明中第二电动/发电机的控制框图。
[0028] 图中:
[0029] 1、发动机 2、第一电动/发电机
[0030] 3、先导栗 4、变量栗/马达
[0031] 5、第二变量栗 6、先导手柄
[0032] 7、动臂多路阀 8、单向阀
[0033] 9、梭阀 10、第一液控两位三通换向阀
[0034] 11、第二液控两位三通换向阀 12、第三液控两位三通换向阀
[0035] 13、第四液控两位三通换向阀 14、液控三位四通换向阀
[0036] 15、驱动油缸 16、平衡油缸
[0037] 17、动臂 18、液压蓄能器
[0038] 19、压力传感器 20、安全阀
[0039] 21、两位两通电磁换向阀 22、定量栗/马达
[0040] 23、第二电动/发电机 24、第二电机控制器
[0041] 25、蓄电池 26、第一电机控制器
[0042] 27、三位四通电磁换向阀 28、定量液压马达
[0043] 29、第三电机控制器 30、第三电动/发电机
[0044] 31、减速器 32、转台
[0045] 33、其它液压系统 100、混合驱动系统
[0046] 200、动臂电液控制单元 300、转台电液控制单元
具体实施方式
[0047] 为了进一步解释本发明的技术方案,下面结合附图进行详细阐述。
[0048] 参照图1至图2,一种液压挖掘机油电液混合驱动系统,包括混合驱动系统100、动 臂电液控制单元200、转台电液控制单元300、先导手柄6、单向阀8、液压蓄能器18、两位两通 电磁换向阀21、定量栗/马达22、第二电动/发电机23、蓄电池25,第一电机控制器26、第二电 机控制器24、第三电机控制器29;
[0049] 所述的混合驱动系统100包括同轴机械传动连接的发动机1、第一电动/发电机2、 先导栗3、变量栗/马达4以及第二变量栗5;
[0050] 所述的动臂电液控制单元200包括动臂多路阀7、梭阀9、第一液控两位三通换向阀 1 〇、第二液控两位三通换向阀11、第三液控两位三通换向阀12、第四液控两位三通换向阀 13、液控三位四通换向阀14、驱动油缸15以及平衡油缸16;
[0051 ]所述的转台电液控制单元300包括三位四通电磁换向阀27、定量液压马达28、第三 电动/发电机30、减速器31以及转台32;
[0052] 先导栗3的出油口与先导手柄6的进油口相连,先导手柄6的动臂控制油口bcl与动 臂多路阀7的控制油口 K1、梭阀9的进油口、第三液控两位三通换向阀12的控制油口 K1以及 第四液控两位三通换向阀13的控制油口 K1均相连;先导手柄6的动臂控制油口 bc2分别与动 臂多路阀7的控制油口 K2、梭阀9的另一进油口以及第四液控两位三通换向阀13的控制油口 K2均相连;
[0053]动臂多路阀7的A 口分三路:第一路接驱动油缸15的无杆腔;第二路接第一液控两 位三通换向阀10的控制油口 K2;第三路接第二液控两位三通换向阀11的控制油口 K1;动臂 多路阀7的B 口分三路:第一路接驱动油缸15的有杆腔;第二路接第一液控两位三通换向阀 1 〇的控制油口 K1;第三路接第二液控两位三通换向阀11的控制油口 K2;动臂多路阀7的D 口 与油箱相连;
[0054]梭阀9的出油口分三路:第一路接第一液控两位三通换向阀10的P 口,第一液控两 位三通换向阀10的A 口接三位四通换向阀14的控制油口 K2,第一液控两位三通换向阀10的T 口接油箱;第二路接第二液控两位三通换向阀11的P 口,第二液控两位三通换向阀11的T 口 接油箱,第二液控两位三通换向阀11的A 口接第四液控两位三通换向阀13的T 口;第三路接 第三液控两位三通换向阀12的P 口,第三液控两位三通换向阀12的T 口接油箱,第三液控两 位三通换向阀12的A 口接第四液控两位三通换向阀13的P 口,第四液控两位三通换向阀13的 A 口接液控三位四通换向阀14的控制油口 K1;液控三位四通换向阀14的T 口接油箱,三位四 通换向阀14的A 口接平衡油缸16的无杆腔,液控三位四通换向阀(14)的B 口接平衡油缸(16) 的有杆腔,驱动油缸(15)的活塞杆、平衡油缸16的活塞杆与动臂17刚性相连;
[0055] 三位四通电磁换向阀27的A 口和液压蓄能器18相连,三位四通电磁换向阀27的B 口 和油箱相连,三位四通电磁换向阀27的P 口和T 口分别和定量液压马达28的两腔相连,定量 液压马达28、第三电动/发电机30、减速器31和转台32机械相连;
[0056] 变量栗/马达4的出口接单向阀8的进油口,单向阀8的出油口与动臂多路阀7的P口 和P1 口相连;第一电动/发电机2与第一电机控制器26电性相连,第二电动/发电机23与第二 电机控制器24电性相连,第三电动/发电机30与第三电机控制器29电性相连,第一电机控制 器26、第二电机控制器24、第三电机控制器29与蓄电池25电性相连;
[0057] 两位两通电磁换向阀21的B 口与定量栗/马达22相连,定量栗/马达22与第二电动/ 发电机23相连,两位两通电磁换向阀21的A 口与液压蓄能器18、液控三位四通换向阀14的P 口、压力传感器19、安全阀20和三位四通电磁换向阀27的A 口相连。压力传感器19用以测量 液压蓄能器18的压力并进行信号传输。
[0058]本发明还包括其它液压系统33,其它液压系统33包括斗杆驱动系统、铲斗驱动系 统以及行走驱动系统,所述第二变量栗5的出口与其它液压系统33相连。
[0059]所述第一电动/发电机2、第二电动/发电机23以及第三电动/发电机30均安装有测 量转速的传感器,所述传感器为旋转变压器或光电编码器。
[0060]本发明的先导手柄6是目前工程机械的常规产品,图1中先导手柄6只是控制动臂 和转台,实际还可控制其他执行机构,如斗杆和铲斗等。
[0061 ]本发明的具体工作原理如下:
[0062]挖掘机的控制器(图中未示出)通过对先导手柄6输出的压力信号进行采集和数据 处理,获得先导控制压力,判断得到动臂17的工作模式处于上升还是处于下放以及转台32 的工作模式处于左回转还是右回转,同时挖掘机的控制器接受检测的变量栗/马达4和第二 变量栗5的出口压力信号、压力传感器19的电流信号、蓄电池25的管理控制器(图中未示出) 输出的表征蓄电池25剩余电量S0C的信号以及变量栗/马达4和第二变量栗5的放大板(图中 未不出)输出的表征排量的电压信号,向发动机1、第一电机控制器26、第二电机控制器24、 第三电机控制器29、两位两通电磁换向阀21以及三位四通电磁换向阀27等发送控制指令, 从而控制发动机1的油门、两位两通电磁换向阀21的工位、三位四通电磁换向阀27的阀芯位 移、第一电机控制器26、第二电机控制器24以及第三电机控制器29,通过接收挖掘机的控制 器传输过来的信号,第一电机控制器26、第二电机控制器24以及第三电机控制器29分别向 第一电动/发电机2、第二电动/发电机23、第三电动/发电机30发出控制指令,以控制第一电 动/发电机2、第二电动/发电机23、第三电动/发电机30的工作模式和目标控制信号。
[0063]本发明的具体控制过程如下:
[0064]( - )第一电动/发电机的控制规则
[0065]设定蓄电池25的S0C (剩余电量)的各判断阈值Si,S2,且满足Si < S2。设定液压蓄能 器18的压力P1各判断阈值P11,P12,且满足P11<P12。动力系统工作流程如下:
[0066] (1)驾驶员设定发动机1的油门初始档位。
[0067] (2)根据发动机1的万有特性曲线得到该油门档位对应的发动机油耗率最低对应 的转速n Et和转矩TEt,启动发动机1,开始工作。
[0068] (3)通过检测变量栗/马达4和第二变量栗5的出口压力和排量,计算负载所需要的 转矩Tl。
Figure CN104358284BD00081
[0070] 式中ppl--变量栗/马达4的出口压力;单位MPa
[0071] pp2--第二变量栗5的出口压力;单位MPa
[0072] qpi--变量栗/马达4的排量;单位ml/r
[0073] qp2--第二变量栗5的排量;单位ml/r
[0074] (4)第一电动/发电机2的目标扭矩为:
[0075] TEMt = TL-TEt (2)
[0076] 式中,当TEMt大于零时,第一电动/发电机2工作在电动模式,用以辅助发动机1驱动 先导栗3,当T EMt小于零时,第一电动/发电机2工作在发电模式,把发动机1相对负载多余的 能量转化成电能储存在蓄电池25中。
[0077](二)第二电动/发电机23工作原理
[0078]定量栗/马达22与第二电动/发电机23作为液压蓄能器18和蓄电池25之间的能量 转换单元。第二电动/发电机23工作原理满足动臂下放模式优先和能量平衡模式,具体而 s :
[0079] 1、动臂下放模式优化
[0080]假设驱动油缸15的无杆腔的压力为pbl,平衡油缸的无杆腔压力为pb2,假设先导 手柄6动臂控制油口bcl和动臂控制油口bc2对应的输出压力分别bcl和bc2,当bcl和bc2表 征动臂17处于下放时,动臂17的重力势能转换成液压能并储存在驱动油缸15的无杆腔和平 衡油缸16的无杆腔,其中驱动油缸15的无杆腔的液压能最终消耗在动臂多路阀7的阀口上, 无法进行回收;平衡油缸16的无杆腔的液压能可以通过液压蓄能器18进行回收,此外在回 收过程时,液压蓄能器18的压力逐渐升高,驱动油缸15的无杆腔的压力逐渐下降,因此动臂 17在下放过程中,其重力势能在驱动油缸15和平衡油缸16的分配比是逐渐变化的。为了提 高动臂17的重力势能的回收效率,提出一种基于液压蓄能器18的压力主动控制的控制规 贝1J,通过定量栗/马达22对液压蓄能器18压力的主动控制,主动调整动臂17的重力势能尽可 能的分配在平衡油缸16的无杆腔。当驱动油缸无杆腔目标压力为零,则动臂17的重力势能 可以尽可能分配在平衡油缸16的无杆腔。将驱动油缸无杆腔目标压力和驱动油缸无杆腔内 设置的压力传感器的检测压力的差值作为PI控制器的输入信号,经过PI控制器产生输出信 号,再经过对输出信号的限幅,通过第二电机控制器24控制第二电动/发电机23的转速,进 而主动调节了液压蓄能器18的压力,在相同动臂17的作用下,也改变了驱动油缸15无杆腔 的压力。
[00811 2、能量平衡模式:
[0082]当动臂17不处于下放模式时,第二电动/发电机23工作在能量平衡模式,具体如 下:
[0083] 1)当蓄电池25的S0C满足S0C>S2时,,此时蓄电池25的电量较足,如果液压蓄能器 18的压力不超过其最大压力p12时,两位两通电磁换向阀21得电,定量栗/马达22和第二电 动/发电机23工作,此时第二电动/发电机23工作在电动模式,定量栗/马达22工作在栗模 式,对液压蓄能器18充油,把蓄电池25的电能转换成液压能储存在液压蓄能器18;如果液压 蓄能器18的压力超过其最大压力p 12时,两位两通电磁换向阀21失电,第二电动/发电机23不 工作;
[0084] 2)当蓄电池25的S0C满足S0C〈Sdt,此时蓄电池25的电量不足,如果液压蓄能器18 的压力不低于其最低工作压力pn时,两位两通电磁换向阀21得电,定量栗/马达22和第二电 动/发电机23工作,此时第二电动/发电机23工作在发电机模式,定量栗/马达22工作在马达 模式,把液压蓄能器18的液压能转换成电能储存在蓄电池25中;如果液压蓄能器18的压力 低于其最低工作压力pn时,两位两通电磁换向阀21失电,第二电动/发电机23不工作;
[0085] 3)当蓄电池 25的S0C满足Si <S0C<S2时,此时蓄电池 25的电量处于合理波动区域, 两位两通电磁换向阀21失电,第二电动/发电机23不工作。
[0086](三)动臂电液控制系统 [0087] (1)驱动油缸15和平衡油缸16缩回
[0088]当先导手柄6的输出压力bc2大于零,而bcl近似为零时,表征驱动油缸15和平衡油 缸16缩回,此时动臂多路阀7的控制油口K1和先导手柄输出压力bcl相连,动臂多路阀7的控 制油口 K2和先导手柄输出压力bc2相连,因此动臂多路阀7工作在右工位,驱动油缸15无杆 腔通过动臂多路阀7的油口 A-T接油箱,驱动油缸15有杆腔通过动臂多路阀7的油口 P-B接来 自变量栗/马达4的液压油;通过控制先导手柄6的输出压力bcl和bc2,进而控制动臂多路阀 7的阀芯位移,实现控制动臂17的下放速度或者挖掘力。动臂模式分成两种模式:动臂下放 模式和动臂挖掘模式。
[0089] 1)动臂下放模式
[0090] 当挖掘机的铲斗(未图示)没有接触挖掘对象时,动臂17处于实际下放过程,此时 驱动油缸15的无杆腔压力大于有杆腔压力,第一液控两位三通换向阀10工作在右工位,液 控三位四通换向阀14的控制油口 K2通过第一液控两位三通换向阀10接油箱;第二液控两位 三通换向阀11工作在左工位,第三液控两位三通换向阀12和第四液控两位三通换向阀13均 工作在右工位,先导手柄的输出压力信号bcl和bc2通过梭阀9的出油口、第二液控两位三通 换向阀11、第四液控两位三通换向阀13以及液控三位四通换向阀14的控制油口 K1,因此液 控三位四通换向阀14工作在左工位,平衡油缸16的无杆腔和液压蓄能器18相连,平衡油缸 16的有杆腔和通过液控三位四通换向阀14和油箱相连,此时液压蓄能器18的压力即是平衡 油缸16的无杆腔压力,动臂17在下放过程中,液压蓄能器18的压力逐渐升高,实现动臂17的 重力势能回收;
[0091] 2)动臂挖掘模式
[0092] 铲斗接触挖掘对象,动臂17并没有实际下放过程,驱动油缸15和平衡油缸16的功 能是保证铲斗在挖掘时提供一个挖掘力,保证铲斗挖掘时,整个机械臂不会被弹回。此时驱 动油缸15的无杆腔压力小于有杆腔压力,第一液控两位三通换向阀10工作在左工位,液控 三位四通换向阀14的控制油口 K2通过第一液控两位三通换向阀10和梭阀9的进油口与先导 手柄6相连;第二液控两位三通换向阀11工作在右工位,第三液控两位三通换向阀12和第四 液控两位三通换向阀13均工作在右工位,液控三位四通换向阀14的控制油口 K1通过第二液 控两位三通换向阀11、第四液控两位三通换向阀13后接油箱,因此液控三位四通换向阀14 工作在右工位,平衡油缸16的有杆腔和液压蓄能器18相连,平衡油缸16的无杆腔和通过液 控三位四通换向阀14和油箱相连,此时液压蓄能器18的压力即是平衡油缸16的有杆腔压 力,动臂17在挖掘过程中,液压蓄能器18辅助驱动油缸15提供一个较大的挖掘力,因此降低 了驱动油缸15的有杆腔压力,进而降低了变量栗/马达4的输出压力,降低了能量损耗;同时 由于挖掘时,动臂17的位移较小,因此,液压蓄能器18的压力下降较小。
[0093] (2)驱动油缸15和平衡油缸16伸出
[0094]当先导手柄6的输出压力bcl大于零,而bc2近似为零时,表征驱动油缸15和平衡油 缸16伸出,此时动臂多路阀7的控制油口K1和先导手柄输出压力bcl相连,动臂多路阀7的控 制油口 K2和先导手柄输出压力bc2相连,因此动臂多路阀7工作在左工位,驱动油缸15有杆 腔通过动臂多路阀7的油口 A-T接油箱,驱动油缸15无杆腔通过动臂多路阀7的油口 P-B接来 自变量栗/马达4的液压油;通过控制先导手柄6的输出压力bcl和bc2,进而控制动臂多路阀 7的阀芯位移,实现控制动臂17的上升速度。
[0095]此时驱动油缸15的无杆腔压力大于有杆腔压力,第一液控两位三通换向阀10工作 在右工位,液控三位四通换向阀14的控制油口 K2通过第一液控两位三通换向阀10接油箱; 第二液控两位三通换向阀11工作在左工位,第三液控两位三通换向阀12和第四液控两位三 通换向阀13均工作在左工位,液控三位四通换向阀14的控制油口 K1通过第三液控两位三通 换向阀12、第四液控两位三通换向阀13和梭阀9的出油口相连,先导手柄的输出压力信号 be 1和bc2通过梭阀9的出油口、第三液控两位三通换向阀12、第四液控两位三通换向阀13以 及液控三位四通换向阀14的控制油口 K1,因此液控三位四通换向阀14工作在左工位,平衡 油缸16的无杆腔和液压蓄能器18相连,平衡油缸16的有杆腔和通过液控三位四通换向阀14 和油箱相连,此时液压蓄能器18的压力即是平衡油缸16的无杆腔压力,动臂17在上升过程 中,液压蓄能器18辅助驱动油缸15驱动动臂17上升,因此降低了驱动油缸15的无杆腔压力, 进而降低了变量栗/马达4的输出压力,降低了能量损耗,此时液压蓄能器18的压力逐渐下 降。
[0096] (3)驱动油缸15和平衡油缸16停止
[0097]当先导手柄6回到中位时,先导手柄的输出压力bcl和bc2都近似为零,此时动臂多 路阀7处于中位,第一液控两位三通换向阀10、第二液控两位三通换向阀11、第三液控两位 三通换向阀12和第四液控两位三通换向阀13均工作右工位,液控三位四通换向阀14的两端 的控制油口 K1和K2均接油箱,液控三位四通换向阀14工作在中位,因此驱动油缸15和平衡 油缸16的无杆腔和有杆腔均断开。
[0098](四)转台控制过程原理
[0099]图1中先导手柄6的scl和sc2为先导手柄信号,用以表征转台目标转速信号。
[0100] (1)转台32左旋转制动时
[0101] 先导手柄6回中位,scl和SC2均近似为零;转台32在惯性的作用下继续左旋转转 动,在液压马达28的A腔产生高压,此时三位四通电磁换向阀27的左边电磁铁得电,右边电 磁铁失电,三位四通电磁换向阀27工作在左边位,液压蓄能器18通过三位四通电磁换向阀 27的P-A、液压马达28以及三位四通电磁换向阀27的油口 B-T和油箱相连,在液压马达28两 腔产生一个反向制动力矩,实现转台32的制动过程,同时通过液压蓄能器18实现转台32的 制动动能的能量回收;由于液压蓄能器18的流量难以精确控制,因此转台32的转速通过第 三电动/发电机30实现控制,第三电动/发电机30的工作转矩为转台32制动所需的转矩和液 压马达28提供的制动转矩的差值。当第三电动/发电机30的转速传感器测量的转速信号η近 似为零时,三位四通电磁换向阀27的左右两个电磁铁均失电,机械制动系统(未图示)工作。
[0102] (2)转台32右旋转制动时
[0103] 先导手柄6回中位,scl和sc2均近似为零;转台32在惯性的作用下继续右旋转转 动,在液压马达28的B腔产生高压,此时三位四通电磁换向阀27的右边电磁铁得电,左边电 磁铁失电,三位四通电磁换向阀27工作在右边位,液压蓄能器18通过三位四通电磁换向阀 27的A-T、液压马达28以及三位四通电磁换向阀27的油口 P-B和油箱相连,在液压马达28两 腔产生一个反向制动力矩,实现转台32的制动过程,同时通过液压蓄能器18实现转台32的 制动动能的能量回收;由于液压蓄能器18的流量难以精确控制,因此转台32的转速通过控 制第三电动/发电机30实现,第三电动/发电机30的工作转矩为转台32制动所需的转矩和液 压马达28提供的制动转矩的差值。当第三电动/发电机30的转速传感器测量的转速信号η近 似为零时,三位四通电磁换向阀27的左右两个电磁铁均失电,机械制动系统(未图示)工作。
[0104] (3)转台32启动加速或者匀速旋转时
[0105]当第三电动/发电机30的转速传感器测量的转速信号η接近由scl和sc2表征的转 台目标转速时,表示转台32已经启动完毕,此时转台32的驱动力矩较小,三位四通电磁换向 阀27的左右两个电磁铁均失电,转台32主要通过第三电动/发电机30调速。
[0106] (4)转台32处于左侧壁掘削
[0107]当第三电动/发电机30的转速传感器测量的转速信号η接近零,但scl和sc2(SCl较 大,sc2近似为零)表征的转台目标转速信号又较大时,表示转台32处于一个左侧壁掘削模 式,此时转台32的转速为零,但转台32又需要提供一个较大的左旋转力矩。此时三位四通电 磁换向阀27的右边电磁铁得电,左边电磁铁失电,三位四通电磁换向阀27工作在右边位,液 压蓄能器18通过三位四通电磁换向阀27的A-T、液压马达28以及三位四通电磁换向阀27的 油口 P-B和油箱相连,在液压马达28两腔产生一个左旋驱动力矩,不足的驱动力矩由第三电 动/发电机30提供,降低了第三电动/发电机30的输出力矩,进而实现了节能。
[0108] (5)转台32处于右侧壁掘削
[0109]当第三电动/发电机30的转速传感器测量的转速信号η接近零,但scl和sc2(SC2较 大,scl近似为零)表征的转台目标转速信号又较大时,表示转台32处于一个右侧壁掘削模 式,此时转台32的转速为零,但转台32又需要提供一个较大的右旋转力矩。此时三位四通电 磁换向阀27的左边电磁铁得电,右边电磁铁失电,三位四通电磁换向阀27工作在左边位,液 压蓄能器18通过三位四通电磁换向阀27的P-A、液压马达28以及三位四通电磁换向阀27的 油口 B-T和油箱相连,在液压马达28两腔产生一个右旋转驱动力矩,不足的驱动力矩由第三 电动/发电机30提供,降低了第三电动/发电机30的输出力矩,进而实现了节能。
[0110]本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例,任何人对其进行类似思路的适当 变化或修饰,皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (3)

1. 一种液压挖掘机油电液混合驱动系统,其特征在于:包括混合驱动系统(100)、动臂 电液控制单元(200)、转台电液控制单元(300)、先导手柄(6)、单向阀(8)、液压蓄能器(18)、 两位两通电磁换向阀(21)、定量栗/马达(22)、第二电动/发电机(23)、蓄电池(25),第一电 机控制器(26)、第二电机控制器(24)、第三电机控制器(29); 所述的混合驱动系统(100)包括同轴机械传动连接的发动机(1)、第一电动/发电机 (2)、先导栗(3)、变量栗/马达(4)以及第二变量栗(5); 所述的动臂电液控制单元(200)包括动臂多路阀(7)、梭阀(9)、第一液控两位三通换向 阀(10 )、第二液控两位三通换向阀(11 )、第三液控两位三通换向阀(12 )、第四液控两位三通 换向阀(13)、液控三位四通换向阀(14)、驱动油缸(15)以及平衡油缸(16); 所述的转台电液控制单元(300)包括三位四通电磁换向阀(27)、定量液压马达(28)、第 三电动/发电机(30)、减速器(31)以及转台(32); 先导栗(3)的出油口与先导手柄(6)的进油口相连,先导手柄(6)的动臂控制油口 bcl与 动臂多路阀(7)的控制油口 K1、梭阀(9)的进油口、第三液控两位三通换向阀(12)的控制油 口 K1以及第四液控两位三通换向阀(13)的控制油口 K1均相连;先导手柄(6)的动臂控制油 口 bc2分别与动臂多路阀(7)的控制油口 K2、梭阀(9)的另一进油口以及第四液控两位三通 换向阀(13)的控制油口 K2均相连; 动臂多路阀(7)的A 口分三路:第一路接驱动油缸(15)的无杆腔;第二路接第一液控两 位三通换向阀(10)的控制油口 K2;第三路接第二液控两位三通换向阀(11)的控制油口 K1; 动臂多路阀(7)的B 口分三路:第一路接驱动油缸(15)的有杆腔;第二路接第一液控两位三 通换向阀(10)的控制油口 K1;第三路接第二液控两位三通换向阀(11)的控制油口 K2;动臂 多路阀(7)的D 口与油箱相连; 梭阀(9)的出油口分三路:第一路接第一液控两位三通换向阀(10)的P 口,第一液控两 位三通换向阀(10)的A 口接三位四通换向阀(14)的控制油口 K2,第一液控两位三通换向阀 (10)的T 口接油箱;第二路接第二液控两位三通换向阀(11)的P 口,第二液控两位三通换向 阀(11)的T 口接油箱,第二液控两位三通换向阀(11)的A 口接第四液控两位三通换向阀(13) 的T 口;第三路接第三液控两位三通换向阀(12)的P 口,第三液控两位三通换向阀(12)的T 口 接油箱,第三液控两位三通换向阀(12)的A 口接第四液控两位三通换向阀(13)的P 口,第四 液控两位三通换向阀(13)的A 口接液控三位四通换向阀(14)的控制油口 K1;液控三位四通 换向阀(14)的T 口接油箱,三位四通换向阀(14)的A 口接平衡油缸(16)的无杆腔,液控三位 四通换向阀(14)的B 口接平衡油缸(16)的有杆腔,驱动油缸(15)的活塞杆、平衡油缸(16)的 活塞杆与动臂(17)刚性相连; 三位四通电磁换向阀(27)的A 口和液压蓄能器(18)相连,三位四通电磁换向阀(27)的B 口和油箱相连,三位四通电磁换向阀(27)的P 口和T 口分别和定量液压马达(28)的两腔相 连,定量液压马达(28 )、第三电动/发电机(30 )、减速器(31)和转台(32)机械相连; 变量栗/马达(4)的出口接单向阀(8)的进油口,单向阀(8)的出油口与动臂多路阀(7) 的P 口和P1 口相连;第一电动/发电机(2)与第一电机控制器(26)电性相连,第二电动/发电 机(23)与第二电机控制器(24)电性相连,第三电动/发电机(30)与第三电机控制器(29)电 性相连,第一电机控制器(26)、第二电机控制器(24)、第三电机控制器(29)与蓄电池(25)电 性相连; 两位两通电磁换向阀(21)的B 口与定量栗/马达(22)相连,定量栗/马达(22)与第二电 动/发电机(23)相连,两位两通电磁换向阀(21)的A 口与液压蓄能器(18)、液控三位四通换 向阀(14)的P口、压力传感器(19)、安全阀(20)以及三位四通电磁换向阀(27)的A口相连。
2. 根据权利要求1所述的一种液压挖掘机油电液混合驱动系统,其特征在于:还包括其 它液压系统(33),其它液压系统(33)包括斗杆驱动系统、铲斗驱动系统以及行走驱动系统, 所述第二变量栗(5)的出口与其它液压系统(33)相连。
3. 根据权利要求1所述的一种液压挖掘机油电液混合驱动系统,其特征在于:所述第一 电动/发电机(2 )、第二电动/发电机(23)以及第三电动/发电机(30)均安装有测量转速的传 感器,所述传感器为旋转变压器或光电编码器。
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