CN104879349A - 用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆 - Google Patents

用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆，包括：当车辆起动时，控制装置(13)控制二次元件工作于马达工况，液压蓄能器(12)为二次元件提供高压油源，二次元件将液压能转换为机械能；当车辆制动或下坡时，控制装置(13)控制二次元件工作于泵工况，二次元件将机械能转换为液压能，液压能存储于液压蓄能器(12)中。本发明的液压系统及工程机械车辆，能够应用二次元件进行车辆制动或惯性能量的回收及利用，能够降低燃油消耗、并且，基于斜盘式变量柱塞泵进行改制，可满足高输出扭矩的需求，具有泵工况下的压力切断保护功能，通过引入斜盘倾角反馈，调节泵出口与其反馈口的压差，成本低，控制系统简单。

Description

用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆。
背景技术
工程机械车辆为汽车起重机、垃圾运输车、泵车等轮式行走类工程机械。一直以来，工程机械车辆由于其产品数量大、耗油高、排放差，其节能问题己受到业界的广泛关注。例如，汽车起重机作为工程机械的主要机型之一，与公路机动设备一样，穿梭于不同的城市与郊野，由于其质量重，行驶过程中制动、启停频繁，具有短暂、重复、周期性循环的工作特点。
目前，液压混合动力技术被公认为是解决能源危机和环境污染的有效措施之一。针对混合动力系统在工程机械上的应用，目前做了大量的研究工作。2009年，推出了采用HRB系统的液压混合动力垃圾车，系统节能效果高达25％。2010年，推出了采用HFW系统的液压混合动力挖掘机。工程机械车辆在路面行驶过程中遇特殊情况需紧急制动，由于车辆质量大惯性也大，导致制动时能量耗费也大，通过设计适当的装置可以将这部分制动能量进行回收利用。
尽管液压混合动力技术上的先进性给产品竞争带来一定的优势，但是，现有技术的混合动力系统具有下述缺点：1、控制系统复杂，为实现发动机最优动力匹配，需针对不同工况设定相应控制参数；2、成本高，相比非能量回收系统增加很多购置成本。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种用于能量回收和利用的液压系统，将制动能、惯性能利用液压蓄能器回收储存和车辆启动时辅助提供动力。
一种用于能量回收和利用的液压系统，包括：二次元件、液压蓄能器和控制装置；所述二次元件和所述液压蓄能器连接；当车辆起动时，所述控制装置控制所述二次元件工作于马达工况，所述液压蓄能器为所述二次元件提供高压油源，所述二次元件将所述液压能转换为机械能；当车辆制动或下坡时，所述控制装置控制所述二次元件工作于泵工况，所述二次元件将机械能转换为液压能，液压能存储于液压蓄能器中。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述取力器与所述二次元件连接；当车辆制动或下坡时，通过所述取力器将机械能输送给所述二次元件。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述二次元件包括：斜盘式变量柱塞泵、工况控制液压组件；所述斜盘式柱塞泵包括：泵或马达、第一柱塞变量缸、第二柱塞变量缸；通过所述工况控制液压组件控制进入所述第一柱塞变量缸和所述第二柱塞变量缸的液压油的压力，调整斜盘式变量柱塞泵的斜盘的角度，使所述斜盘式变量柱塞泵工作在泵工况或马达工况。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述第一柱塞变量缸的大腔中设置复位弹簧；所述第一柱塞变量泵的大腔与所述泵或马达的出油口相连通；所述泵或马达的出油口通过所述工况控制液压组件与所述第二柱塞变量缸的大腔相连通，其中，所述第一柱塞变量缸的活塞直径小于所述第二柱塞变量缸的活塞直径。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述工况控制液压组件包括：第一换向阀、第一溢流阀所述第一换向阀为二位三通换向阀；所述泵或马达的出油口与所述第一换向阀的进油口相连通，所述第一换向阀的第一出油口与所述第二柱塞变量缸的大腔相连通；所述第一换向阀的第二出油口与油箱连通；所述第一溢流阀的进油口与出油口分别与所述第一换向阀的第一出油口和油箱相连通。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述第一溢流阀为电比例溢流阀；所述泵或马达的出油口输出的压力油经过所述第一换向阀的进油口、第一出油口进入所述第二柱塞变量缸的大腔；所述控制装置通过调节所述电比例溢流阀的电流值，调节所述电比例溢流阀泄油的油压阈值，控制进入所述第二柱塞变量缸的大腔的液压油油压，调整斜盘式变量柱塞泵的斜盘角度。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述控制装置调节所述电比例溢流阀的电流值，使所述电比例溢流阀泄油的油压阈值始终大于所述泵马达的出油口输出的油压，则所述斜盘式变量柱塞泵工作在泵的最大排量状态；所述控制装置(13)通过调节电比例溢流阀的电流值，使所述电比例溢流阀泄油的油压阈值小于所述泵马达(4)的出口油压，并小于所述第一换向阀(8)的预调压力，所述第一换向阀(8)的第一出油口闭合，斜盘摆角向反方向运动，则所述斜盘式变量柱塞泵工作在马达最大排量状态。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述第一换向阀的控制油口与所述泵或马达的出油口与反馈油口之间的连接油路相连通；当所述泵或马达的出油口输出的压力油压力与所述反馈油口的压力差超过所述第一换向阀设定的弹簧预紧力后，所述第一换向阀的第一出油口开通，压力油进入所述第二柱塞变量缸的大缸。
根据本发明的一个实施例，进一步的，在所述第一换向阀的第一出油口与所述第二柱塞变量缸的连接管路中设置阻尼。
根据本发明的一个实施例，进一步的，还包括：电液换向阀和第二溢流阀；在所述二次元件与所述蓄能器的连接通路中设置电液换向阀；所述控制装置控制所述电液换向阀的操作。所述第二溢流阀的进油口与出油口分别与所述二次元件与所述蓄能器的连接通路和油箱相连通。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述控制装置根据传感器采集的信息控制所述二次元件工作于马达工况或泵状态；所述传感器采集的信息包括：脚制动踏板位置、变速箱档位、传动轴转速、蓄能器压力。
一种工程机械车辆，包括如上所述的用于能量回收和利用的液压系统。
本发明的用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆，能够应用该二次元件进行车辆制动能量或惯性能量的回收及利用，能够降低燃油消耗、达到节能的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1、2为轴向柱塞泵的在泵工作状态的工作原理图；其中，图2为图1的A-A视图，01－斜盘、02－柱塞、03－壳体、04－配油盘、05－传动轴；
图3、4、5为轴向柱塞泵在马达状态的工作原理图；其中，图4为图3的A-A视图，图5为图3的B-B视图；
图6为现有的轴向柱塞泵的结构图；
图7为根据本发明的用于能量回收和利用的液压系统的一个实施例的系统原理图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在液压系统中，一般的将机械能转化为液压能的元件，比如液压泵等称为一次元件，而将液压能与机械能互相转换的执行元件、液压泵/马达(也称为泵或马达)为二次元件。
轴式液压柱塞泵是一种常用的液压泵/马达(泵或马达)，由于其具有体积小，重量轻，功率密度大，易于控制等优点，目前被广泛使用于各种液压系统中。轴向柱塞变量泵的工作原理如图2，3所示，马达的工作原理如图4，5、6所示，从图中可以得出，传动轴05为一种旋向(左旋或右旋)时，若想实现泵工况与马达工况的切换，只需通过柱塞02将斜盘01的倾角从-a°变化为a°即可。闭式泵的工作原理与其相同。
开式液压回路是指泵的吸油口以及系统的回油路均与液压油箱相联，而液压油箱通过空滤器与大气相联，整个液压回路的最低压力为一个大气压，类似于“敞开”的。在目前的液压元件中，应用于开式回路的泵或马达产品有多种，如图7所示，为一种轴向柱塞泵，它采用双柱塞缸推动斜盘倾角变化，其斜盘摆角具备正负方向旋转的可能。
轮式行走类工程机械产品在路面行驶过程中遇特殊情况需紧急制动，由于车辆质量大惯性也大，导致制动时能量耗费也大，通过设计适当的装置可以将这部分制动能量进行回收利用。针对质量大的车辆，在下坡时其惯性也很大，通过设计适当的装置可以将这部分惯性能量进行回收利用。
本发明中的“第一”、“第二”为描述上加以区别，并没有其它特殊的含义。
如图7所示，用于能量回收和利用的液压系统包括：二次元件、液压蓄能器12和控制装置13。二次元件和液压蓄能器12连接。当车辆起动时，控制装置13控制二次元件工作于马达工况，液压蓄能器12为二次元件提供高压油源，二次元件将液压能转换为机械能。当车辆制动或下坡时，控制装置13控制二次元件工作于泵工况，二次元件将机械能转换为液压能，液压能存储于液压蓄能器12中。
通过回收工程机械浪费掉的制动动能，存储于液压蓄能器中，回收的能量可在车辆的起动和加速过程中提供辅助功率，从而减小发动机的装机功率，降低油耗，减少有害气体的排放，提高制动装置和发动机的使用寿命。
通过取力器1与二次元件连接，当车辆制动或下坡时，通过取力器1将机械能输送给二次元件。二次元件包括：斜盘式变量柱塞泵、工况控制液压组件。工况控制液压组件可以采用多种已有的控制组件。第一柱塞变量缸14的活塞直径小于第二柱塞变量缸15的活塞直径。
斜盘式柱塞泵包括：泵或马达4、第一柱塞变量缸14、第二柱塞变量缸15。通过工况控制液压组件控制进入第一柱塞变量缸14和第二柱塞变量缸15的液压油的压力，调整斜盘式变量柱塞泵的斜盘的角度，使斜盘式变量柱塞泵工作在泵工况或马达工况。
泵或马达为斜盘式变量柱塞泵的工作部件，可以工作在泵和马达两种工况，泵或马达的进油口可以根据工作模式输出压力油或输入压力油。柱塞变量缸用于推动斜盘式变量柱塞泵中的柱塞，通过控制柱塞的位置改变斜盘的角度，从而使泵或马达工作在泵或马达工况。
二次元件可通过改变斜盘的摆动方向来实现在转矩转角域内的四象限工作，既可为马达工况对负载进行驱动，又可做为泵工况对负载进行制动，实现能量的回收和利用。
第一柱塞变量缸14的大腔中设置复位弹簧。第一柱塞变量泵15的大腔与泵或马达4的出油口相连通。泵或马达4的出油口通过工况控制液压组件与第二柱塞变量缸15的大腔相连通。
如图7所示，工况控制液压组件包括：第一换向阀8、第一溢流阀7；第一换向阀8为二位三通换向阀。泵或马达4的出油口与第一换向阀8的进油口相连通，第一换向阀8的第一出油口与第二柱塞变量缸15的大腔相连通。第一换向阀8的第二出油口与油箱连通；第一溢流阀7的进油口与出油口分别与第一换向阀8的第一出油口和油箱相连通。
第一溢流阀7为电比例溢流阀。泵或马达4的出油口输出的压力油经过第一换向阀8的进油口、第一出油口进入第二柱塞变量缸15的大腔。通过控制装置13通过调节电比例溢流阀的电流值，调节电比例溢流阀泄油的油压阈值，控制进入第二柱塞变量缸4的大腔的液压油油压，调整斜盘式变量柱塞泵的斜盘角度。
控制装置13调节电比例溢流阀的电流值，使电比例溢流阀泄油的油压阈值始终大于泵马达的出油口输出的油压，则斜盘式变量柱塞泵工作在泵的最大排量状态。控制装置13通过调节电比例溢流阀的电流值，使电比例溢流阀泄油的油压阈值小于泵马达4的出口油压一定值(换向阀8的预调压力)，则换向阀8工作在左位，斜盘摆角向反方向运动，斜盘式变量柱塞泵在马达最大排量状态下工作。
第一换向阀8的控制油口与泵或马达4的出油口与反馈油口X之间的连接油路相连通。当泵或马达4的出油口输出的压力油压力与反馈油口X的压力差超过第一换向阀8设定的弹簧预紧力后，第一换向阀8的第一出油口开通，压力油进入第二柱塞变量缸4的大缸。在第一换向阀8的第一出油口与第二柱塞变量缸4的连接管路中设置阻尼。
在二次元件与蓄能器的连接通路中设置电液换向阀10。控制装置13控制电液换向阀10的操作。第二溢流阀9的进油口与出油口分别与二次元件与蓄能器的连接通路和油箱相连通。
控制装置13根据传感器采集的信息控制二次元件工作于马达工况或泵状态。例如斜盘角度传感器6、压力传感器11等等。传感器采集的信息包括：脚制动踏板位置、变速箱档位、传动轴转速、蓄能器压力等等。
在车辆制动或下坡时，通过系统传感器检测脚制动踏板位置、变速箱档位、传动轴转速3和蓄能器压力11等参数，控制装置13根据内置算法判断目前条件是否可以进行制动能量回收，若可以，则离合器2工作，与取力器1啮合。取力器1将车辆行驶惯性能量机械能输入给二次元件的泵或马达4。
通过控制装置13调节电比例溢流阀7的电流值，使得二次元件的泵或马达4工作在泵工况，压力油源经电液换向阀10进入蓄能器12并储存，压力传感器11检测压力达到一定值或转速3降低到一定值后，控制装置13控制离合器2断开，则充能过程结束。
当二次元件的泵或马达4出口压力达到第一换向阀8设定值后，即泵或马达4输出的压力油的油压与X口输入的油压差小于第一换向阀8中的弹簧的预紧力，则第一换向阀8的第一出油口关闭，第一换向阀8的第二出油口打开，压力油进入油箱，使液压油不能进入第二柱塞变量缸15，泵排量自动减小为零，系统不再输出流量，确保泵不会超载。蓄能器处装有溢流阀9保证系统安全。
车辆启动时，同样通过压力传感器11等传感器检测当前蓄能器压力等参数，控制装置13通过内置算法判断目前条件是否可以进行启动辅助，若可以，则调节电比例溢流阀7的电流值，使得二次元件的泵或马达4工作在马达工况。当离合器2工作时，蓄能器12储存的压力能释放使得传动轴旋转，输出机械能辅助产品起步或爬坡。
若蓄能器压力降低到一定值则停止，离合器2断开，放能过程结束。另外，斜盘角度传感器6实时检测当前马达排量值以及传动轴的转速传感器3的值反馈给控制装置13，控制装置13调整马达排量大小，以提高放能效率。
在一个实施例中，提供一种工程机械车辆，包括如上的用于能量回收和利用的液压系统。
上述实施例中的用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆，基于斜盘式变量柱塞泵进行改制，形成一个新型的二次元件，改制后的二次元件在马达工况也可满足高输出扭矩的需求，可以工作在泵工况(正摆角)，也可以工作在马达工况(负摆角)，这为车辆行驶过程中的制动能量回收及利用提供了条件。
上述实施例中的用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆，具有泵工况下的压力切断保护功能：当泵输出压力达到压力切断阀设定值后，泵排量自动减小为零，系统不再输出流量，确保泵不会超载。
上述实施例中的用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆，通过引入斜盘倾角反馈，调节泵出口与其反馈口的压差，使得斜盘工作在某一固定角度位置，从而实现高扭低速输出。
上述实施例中的用于能量回收和利用的液压系统及工程机械车辆，能够应用该二次元件进行车辆制动能量或惯性能量的回收及利用。系统硬件购置成本低，控制系统简单，可实施性强。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (12)

1.一种用于能量回收和利用的液压系统，其特征在于，包括：
二次元件、液压蓄能器(12)和控制装置(13)；所述二次元件和所述液压蓄能器(12)连接；当车辆起动时，所述控制装置(13)控制所述二次元件工作于马达工况，所述液压蓄能器(12)为所述二次元件提供高压油源，所述二次元件将所述液压能转换为机械能；当车辆制动或下坡时，所述控制装置(13)控制所述二次元件工作于泵工况，所述二次元件将机械能转换为液压能，液压能存储于液压蓄能器(12)中。
2.如权利要求1所述的液压系统，其特征在于：
还包括取力器(1)；所述取力器(1)与所述二次元件连接；
当车辆制动或下坡时，通过所述取力器(1)将机械能输送给所述二次元件。
3.如权利要求1所述的液压系统，其特征在于：
所述二次元件包括：斜盘式变量柱塞泵、工况控制液压组件；
所述斜盘式柱塞泵包括：泵或马达(4)、第一柱塞变量缸(14)、第二柱塞变量缸(15)；通过所述工况控制液压组件控制进入所述第一柱塞变量缸(14)和所述第二柱塞变量缸(15)的液压油的压力，调整斜盘式变量柱塞泵的斜盘的角度，使所述斜盘式变量柱塞泵工作在泵工况或马达工况。
4.如权利要求3所述的液压系统，其特征在于：
所述第一柱塞变量缸(14)的大腔中设置复位弹簧；
所述第一柱塞变量泵(15)的大腔与所述泵或马达(4)的出油口相连通；所述泵或马达(4)的出油口通过所述工况控制液压组件与所述第二柱塞变量缸(15)的大腔相连通；
其中，所述第一柱塞变量缸(14)的活塞直径小于所述第二柱塞变量缸(15)的活塞直径。
5.如权利要求3所述的液压系统，其特征在于：
所述工况控制液压组件包括：第一换向阀(8)、第一溢流阀(7)；所述第一换向阀(8)为二位三通换向阀；
所述泵或马达(4)的出油口与所述第一换向阀(8)的进油口相连通，所述第一换向阀(8)的第一出油口与所述第二柱塞变量缸(15)的大腔相连通；所述第一换向阀(8)的第二出油口与油箱连通；所述第一溢流阀(7)的进油口与出油口分别与所述第一换向阀(8)的第一出油口和油箱相连通。
6.如权利要求5所述的液压系统，其特征在于：
所述第一溢流阀(7)为电比例溢流阀；
所述泵或马达(4)的出油口输出的压力油经过所述第一换向阀(8)的进油口、第一出油口进入所述第二柱塞变量缸(15)的大腔；
所述控制装置(13)通过调节所述电比例溢流阀的电流值，调节所述电比例溢流阀泄油的油压阈值，控制进入所述第二柱塞变量缸(4)的大腔的液压油油压，调整斜盘式变量柱塞泵的斜盘角度。
7.如权利要求5所述液压系统，其特征在于：
所述控制装置(13)调节所述电比例溢流阀的电流值，使所述电比例溢流阀泄油的油压阈值始终大于所述泵马达的出油口输出的油压，则所述斜盘式变量柱塞泵工作在泵的最大排量状态。
所述控制装置(13)通过调节电比例溢流阀的电流值，使所述电比例溢流阀泄油的油压阈值小于所述泵马达(4)的出口油压，并小于所述第一换向阀(8)的预调压力，所述第一换向阀(8)的第一出油口闭合，斜盘摆角向反方向运动，则所述斜盘式变量柱塞泵工作在马达最大排量状态。
8.如权利要求7所述的液压系统，其特征在于：
所述第一换向阀(8)的控制油口与所述泵或马达(4)的出油口与反馈油口(X)之间的连接油路相连通；
当所述泵或马达(4)的出油口输出的压力油压力与所述反馈油口(X)的压力差超过所述第一换向阀(8)设定的弹簧预紧力后，所述第一换向阀(8)的第一出油口开通，压力油进入所述第二柱塞变量缸(4)的大缸。
9.如权利要求8所述的液压系统，其特征在于：
在所述第一换向阀(8)的第一出油口与所述第二柱塞变量缸(4)的连接管路中设置阻尼。
10.如权利要求1所述的液压系统，其特征在于：
还包括：电液换向阀(10)和第二溢流阀(9)；
在所述二次元件与所述蓄能器的连接通路中设置电液换向阀(10)；所述控制装置(13)控制所述电液换向阀(10)的操作。
所述第二溢流阀(9)的进油口与出油口分别与所述二次元件与所述蓄能器的连接通路和油箱相连通。
11.如权利要求1所述的液压系统，其特征在于：
所述控制装置(13)根据传感器采集的信息控制所述二次元件工作于马达工况或泵状态；
所述传感器采集的信息包括：脚制动踏板位置、变速箱档位、传动轴转速、蓄能器压力。
12.一种工程机械车辆，其特征在于：
包括权利要求1-11任一项所述的用于能量回收和利用的液压系统。
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