CN106284475B - 一种双电动机驱动的液压挖掘机 - Google Patents

Abstract

一种双电动机驱动的液压挖掘机，属于工程机械领域，它由包括变频器、电动机、联轴器、液压泵、公共直流母线、DC‑DC变换器、超级电容、低压蓄能器、高压蓄能器及蓄能器辅助回路组成；第一变频器输出信号与第一电动机连接，第二变频器输出信号与第二电动机连接，第一电动机通过第一联轴器与第一液压泵通轴机械连接，第二电动机通过第二联轴器与第二液压泵通轴机械连接；第一变频器与第二变频器通过共用直流母线电气连接，超级电容通过DC‑DC变换器连接公共直流母线。蓄能器则用来辅助液压泵的启动，提高电动机的动态响应。本发明采用电动力，运行成本低，绿色环保，控制方式多样且便于布置。

Description

一种双电动机驱动的液压挖掘机

技术领域

本发明涉及液压挖掘机领域，尤其涉及一种以电能为动力，采用双电动机驱动的新型电动型液压挖掘机。

背景技术

传统的液压挖掘机一般采用柴油发动机作为动力源来驱动主液压泵带动整机液压系统工作。挖掘机采用柴油机驱动移动方便，可靠性高。但柴油发动机维护成本较高，工作噪音大，对周围环境污染严重。相反，在电力资源丰富的场合和某些密闭空间，电动型挖掘机则具有明显的优势。以电能代替燃油作为动力，采用电动机代替柴油发动机进行驱动的挖掘机具有工作效率高，工作噪音低，成本低，绿色环保等优点。而且现在电网供电和电池供电技术发展已经相当成熟，供电方便。因此，电动型挖掘机可以取得很高的可靠性，并且能够很好地适用于工作环境。

申请号为CN201110442961.4的中国专利申请，公开了一种电动液压挖掘机，通过控制器控制两个独立的变频器，其中一个变频器控制回转电动机，回转电动机控制车身回转；另一个变频器控制主电动机，主电动机通轴驱动两台变量泵和先导泵工作。采用一台主电动机通轴驱动三台液压泵，相应地，主电动机和变频器都需要满足机器作业的最大功率要求，造成单台电动机体积大，动态响应慢。主电动机和回转电动机都采用稀土永磁同步电机，电动机成本非常高。且该发明专利仅仅公开了电动挖掘机的动力源部分，并没有给出具体挖掘机液压系统的回路原理和控制方案。

发明内容

为了减少能源损耗，降低电动机的功率、体积和运行成本，本发明提供一种双电动机驱动的液压挖掘机。它采用两台电动机分别驱动两台主液压泵，两台主液压泵控制挖掘机的全部动作，包括上车回转。同时在两台变频器之间布置公共直流母线，在公共直流母线上连接超级电容，通过超级电容对电动机制动时产生的电能进行回收；采用蓄能器辅助回路对挖掘机工作时的对产生的动能和势能进行回收利，用回收的能量辅助液压泵的启动，提高电动机的动态响应。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。一种双电动机驱动的液压挖掘机，其中，包括：控制系统，所述控制系统由第一变频器、第二变频器、第一电动机、第二电动机，第一联轴器、第二联轴器、第一液压泵、第二液压泵、离合器、公共直流母线、DC-DC变换器、超级电容、低压蓄能器、高压蓄能器及蓄能器辅助回路组成；

第一变频器输出信号与第一电动机连接，第二变频器输出信号与第一电动机连接，第一电动机通过第一联轴器与第一液压泵通轴机械连接，第二电动机通过第二联轴器与第二液压泵通轴机械连接；第一液压泵与第二液压泵之间通过离合器机械连接；第一变频器与第二变频器通过共用直流母线电气连接，超级电容通过DC-DC变换器连接公共直流母线；低压蓄能器和高压蓄能器则分别对挖掘机工作过程中的能量损失进行回收，并通过蓄能器辅助回路向第一、第二液压泵供油，辅助液压泵启动；所述蓄能器辅助回路可以是高压蓄能器和低压蓄能器分别辅助一台液压泵，或者是一台液压泵或两台液压泵同时由一个蓄能器辅助。

所述蓄能器辅助回路是高压蓄能器和低压蓄能器分别辅助一台液压泵，低压蓄能器的出油口经第一电磁换向阀与一个液压泵的吸油口连通，高压蓄能器的出油口经第二电磁换向阀与另一个液压泵的吸油口连通，通过第一、第二电磁换向阀控制蓄能器的启闭。

所述蓄能器辅助回路是一台液压泵或两台液压泵同时由一个蓄能器辅助，高压蓄能器和低压蓄能器出油口分别连接第二三位三通电磁换向阀两个进油口，第二三位三通电磁换向阀的出油口则同时与第一、第二液压泵的吸油口和第一、第二单向阀的出油口连通，或者只与其中一个液压泵的吸油口和单向阀的出油口连通。

优选地，所述第一电磁换向阀和第二电磁换向阀为常开式两位两通电磁换向阀。

所述第一液压泵和第二液压泵可以同时为双排量泵或者电子比例变量柱塞泵，或者第一液压泵为双排量泵，第二液压泵电子比例变量柱塞泵，或者第一液压泵为电子比例变量柱塞泵，第二液压泵为双排量泵。

所述第一液压泵和第二液压泵之间通过离合器连接，也可以不连接离合器。

所述第一电动机和第二电动机可以分别是三相异步电动机、伺服电动机和变频电动机的一种。

所述低压蓄能器和高压蓄能器可以是一个蓄能器，或是两个以上蓄能器构成的蓄能器组。

优选地，所述第一联轴器和第二联轴器为高弹性联轴器。

与现有技术相比，本发明具有下述有益效果：

1.本挖掘机采用电池供电或者电网供电，供电方便，技术成熟；采用电能代替柴油发动机进行能量输出，可大大减小工作噪音，节能环保，提高工作效率，降低成本；

2.采用双电动机驱动的方式可以降低单台电动机的功率、体积和成本，方便在挖掘机上布置和安装，节省空间；

3.本挖掘机的两台变频器共用公共直流母线，通过连接在公共直流母线上的超级电容组，对电动机制动时产生的电能进行合理利用和回收，提高设备运行的能效；

4.本挖掘机可以采用三相异步电机和伺服电机组合、双排量泵和变量式柱塞泵组合等多种控制方案，降低成本；

5.增加了能量回收和辅助功能，采用蓄能器对挖掘机工作时动臂产生的势能和回转制动动能进行回收，利用回收的能量辅助液压泵的启动，提高电动机的动态响应速度，方便电动机的启停并提高能效。

附图说明

图1是表示本发明的液压挖掘机的结构示意图；

图2是表示本发明实施例1中控制器的结构简图；

图3是本发明实施例1的主控制阀和控制油路中关于动臂液压缸和回转马达的液压控制回路的简图；

图4是表示本发明实施例2中控制器的结构简图；

图5是表示本发明实施例3中控制器的结构简图。

图中：1、行驶体，2、旋转体，3、动臂，4、斗杆，5、铲斗，6、动臂液压缸，7、斗杆液压缸，8、铲斗液压缸，9、第一电动机，10、第一变频器，11、第一联轴器，12、第一液压泵，13、第一单向阀，14、离合器，15、DC-DC变换器，16、超级电容，17、公共直流母线，18、第二单向阀，19、第二液压泵，20、第二联轴器，21、第二电动机，22、第二变频器，23、先导溢流阀，24、先导液压泵，25、先导电动机，26、先导蓄能器，27、主控制阀和控制油路，28、右行走液压马达，29、左行走液压马达，30、第三单向阀，31、第一溢流阀，32、回转马达，33、第一三位三通电磁换向阀，34、低压蓄能器，35、第四单向阀，36、高压蓄能器，37、第五单向阀，38、第二溢流阀，39、第一电磁换向阀，40、第二电磁换向阀，41、第一三位三通比例方向阀，42、回油背压阀，43、第二三位三通电磁换向阀。P：进油口。

具体实施方式

下面结合附图详细说明一种双电动机驱动的液压挖掘机的具体实施方式：

实施例1：图1所示，一种双电动机驱动的液压挖掘机，包括行驶体1、配置于行驶体1上的旋转体2、与该旋转体连接进行上下方向转动的动臂3、安装在动臂前端的斗杆4、安装在斗杆4前端的铲斗5、驱动动臂3的一对动臂液压缸6、驱动斗杆4的斗杆液压缸7、驱动铲斗的铲斗液压缸8。驾驶员操纵室设置在旋转体2上，旋转体2装置在行驶体1上，驾驶员通过操纵行驶体1、旋转体2、动臂3、斗杆4、铲斗5分别进行动作或者进行组合动作来实施土砂的挖掘作业、推平作业或将地面紧固的碾压作业等。

图2所示，控制系统、动臂液压缸6、斗杆液压缸7、铲斗液压缸8、回转马达32、右行走液压马达28、左行走液压马达29和先导控制系统均与主控制阀和控制油路27连接。

控制系统包括第一变频器10、第二变频器22、第一电动机9、第二电动机21，第一联轴器11、第二联轴器20、第一液压泵12、第二液压泵19、离合器14、公共直流母线17、DC-DC变换器15、超级电容16、低压蓄能器34、高压蓄能器36；

第一变频器10、第二变频器22输出信号分别经导线与第一电动机9、第二电动机21连接，第一电动机通过第一联轴器11与第一液压泵12连接，第二电动机通过第二联轴器20与第二液压泵19连接，第一压泵12的吸油口与第一单向阀13的出油口相连，第二压泵19的吸油口与第二单向阀18的出油口相连。

挖掘机工作时，驾驶员通过控制第一变频器10改变第一电动机9的转速来实现与第一液压泵12的排量的匹配，以满足不同负载和不同工况的要求；

通过控制第二变频器22改变第二电动机的转速来实现与第二液压泵的排量的匹配，以满足不同负载和不同工况的要求；

第一液压泵12与第二液压泵19之间通过离合器14进行连接，当离合器14分离时，第一液压泵12由第一电动机9控制；第二液压泵19由第第二电动机21控制；

当离合器14接合时，第一电动机9进行转速同步和功率叠加；第二电动机21进行转速同步和功率叠加。

在第一变频器10与第二变频器22之间布置公共直流母线17，公共直流母线17通过DC-DC变换器15连接超级电容16，通过公共直流母线17对第一电动机9、第二电动机21制动时产生的电能进行合理利用和回收。

本实施例采用低压蓄能器34辅助第一液压泵12，高压蓄能器36辅助第二液压泵19。低压蓄能器34的进油口通过第四单向阀35连接到动臂液压缸6的无杆腔，对动臂液压缸6下降时的势能进行能量回收，第四单向阀35用来防止油液倒流；低压蓄能器34的出油口、第二溢流阀38的进油口与第一单向阀13的出油口、第一液压泵12的进油口通过油路连通，在低压蓄能器34的出油路上还连接第一电磁换向阀39，通过控制第一电磁换向阀39的启闭来控制低压蓄能器34向第一液压泵12供油，第二溢流阀38则在这里作安全阀用；

高压蓄能器36的进油口通过第五单向阀37连接第一三位三通电磁换向阀33的出油口，用来对回转马达32制动时产生的惯性负载进行能量回收，第五单向阀37用来防止油液倒流；通过控制第一三位三通电磁换向阀33来对回转马达32进行能量回收，第一溢流阀31防止回转马达32压力过高，第一单向阀30则用来对回转马达32补油；高压蓄能器36的出油口与第二单向阀18的出油口、第一液压泵19的进油口通过油路连通，在高压蓄能器36的出油路上还连接第二电磁换向阀40，通过控制第二电磁换向阀40的启闭来控制高压蓄能器36向第二液压泵19供油。

所述先导系统由先导液压泵24、先导电机25、先导蓄能器26和先导溢流阀23组成；先导电机25与先导液压泵24连接，通过先导电机25控制先导液压泵24，先导液压泵24的出油口同时与先导蓄能器26的进出油口和先导溢流阀23的进油口相连，先导蓄能器26用来辅助先导液压泵24工作，先导溢流阀21作安全阀使用。

图3所示，回转马达32和动臂液压缸6均采用两个三位三通比例方向阀41按进出口独立方式控制。

优选地，所述第一电动机9、第二电动机21均是三相异步电动机。

优选地，所述第一液压泵12、第二液压泵19均是双排量泵或电子比例变量柱塞泵。

优选地，所述第一电磁换向阀、第二电磁换向阀均为常开式两位两通电磁换向阀。

优选地，所述第一联轴器、第二联轴器均为弹性联轴器。

实施例2：如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于蓄能器辅助回路：第一液压泵12、第二液压泵19同时由低压蓄能器34或高压蓄能器36辅助。高压蓄能器36和低压蓄能器34的出油口接第二三位三通电磁换向阀43的两个进油口，第二三位三通电磁换向阀43的出油口与第一液压泵12吸油口、第一单向阀13出油口和第二液压泵19吸油口、第二单向阀18出油口接通，通过控制第二三位三通电磁换向阀43的换位来决定是由高压蓄能器36还是低压蓄能器34辅助第一液压泵12、第二液压泵19。其它结构与实施例1相同。

蓄能器辅助回路是第一液压泵、第二液压泵由低压蓄能器与高压蓄能器其中之一辅助；高压蓄能器和低压蓄能器的出油口接三位三通电磁换向阀的两个进油口，三位三通电磁换向阀的出油口与第一液压泵吸油口、第一单向阀出油口和第二液压泵吸油口、第二单向阀出油口接通，通过控制三位三通电磁换向阀的换位来决定是由高压蓄能器或低压蓄能器辅助第一液压泵和第二液压泵。

实施例3：图5所示，本实施例与实施例2的区别在于：第二液压泵19为双排量泵，第二电动机21选用伺服电动机。第二电动机21通过第二联轴器20与第二液压泵19连接，通过第二变频器22控制第二电动机21的转速来调节第二液压泵19的排量。由于伺服电动机的动态响应快，低压蓄能器34、高压蓄能器36可以只辅助第一液压泵12。第二三位三通电磁换向阀43的出油口与第一液压泵12吸油口、第一单向阀13出油口接通，通过控制第二三位三通电磁换向阀43的换位来决定是由高压蓄能器36还是低压蓄能器34辅助第一液压泵。同时，第一液压泵12、第二液压泵19之间则不在需要通过离合器14连接来进行功率叠加。其它结构与实施例2相同。

蓄能器辅助回路是高压蓄能器与低压蓄能器其中之一辅助第一液压泵与第二液压泵其中之一；高压蓄能器和低压蓄能器的出油口接三位三通电磁换向阀的两个进油口，三位三通电磁换向阀的出油口与被辅助液压泵吸油口接通，通过控制三位三通电磁换向阀的换位来决定是由高压蓄能器或低压蓄能器辅助液压泵。

以上所述仅表明了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并非是对本发明的保护范围的限制。对本领域技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种双电动机驱动的液压挖掘机，包括：控制系统，所述控制系统由第一变频器、第二变频器、第一电动机、第二电动机，第一联轴器、第二联轴器、第一液压泵、第二液压泵、公共直流母线、DC-DC变换器、超级电容、低压蓄能器、高压蓄能器及蓄能器辅助回路组成；其特征在于：第一变频器输出信号与第一电动机连接，第二变频器输出信号与第二电动机连接，第一电动机通过第一联轴器与第一液压泵通轴机械连接，第二电动机通过第二联轴器与第二液压泵通轴机械连接；第一变频器与第二变频器通过共用直流母线电气连接，超级电容通过DC-DC变换器连接公共直流母线；蓄能器辅助回路的实现方式为以下三种中的任意一种：第一，所述蓄能器辅助回路是第一液压泵、第二液压泵由低压蓄能器与高压蓄能器其中之一辅助；高压蓄能器和低压蓄能器的出油口接三位三通电磁换向阀的两个进油口，三位三通电磁换向阀的出油口与第一液压泵吸油口、第一单向阀出油口和第二液压泵吸油口、第二单向阀出油口接通，通过控制三位三通电磁换向阀的换位来决定是由高压蓄能器或低压蓄能器辅助第一液压泵和第二液压泵；第二，所述蓄能器辅助回路是高压蓄能器与低压蓄能器其中之一辅助第一液压泵与第二液压泵其中之一；高压蓄能器和低压蓄能器的出油口接三位三通电磁换向阀的两个进油口，三位三通电磁换向阀的出油口与被辅助液压泵吸油口接通，通过控制三位三通电磁换向阀的换位来决定是由高压蓄能器或低压蓄能器辅助液压泵；第三，所述蓄能器辅助回路是高压蓄能器辅助一台液压泵，低压蓄能器辅助另一台液压泵；低压蓄能器的出油口经第一电磁换向阀与低压蓄能器辅助的液压泵的吸油口连通，通过第一电磁换向阀控制低压蓄能器的启闭；高压蓄能器的出油口经第二电磁换向阀与高压蓄能器辅助的液压泵的吸油口连通，通过第二电磁换向阀控制高压蓄能器的启闭。

2.根据权利要求1所述的一种双电动机驱动的液压挖掘机，其特征在于：所述第一电磁换向阀、第二电磁换向阀均为常开式两位两通电磁换向阀。

3.根据权利要求1所述的一种双电动机驱动的液压挖掘机，其特征于：所述第一液压泵、第二液压泵为下述任意一种：

（1）第一液压泵、第二液压泵均为双排量泵；

（2）第一液压泵、第二液压泵均为电子比例变量柱塞泵；

（3）第一液压泵为双排量泵，第二液压泵为电子比例变量柱塞泵；

（4）第一液压泵为电子比例变量柱塞泵，第二液压泵为双排量泵。

4.根据权利要求1所述的一种双电动机驱动的液压挖掘机，其特征于：所述第一液压泵和第二液压泵之间通过离合器连接。

5.根据权利要求1所述的一种双电动机驱动的液压挖掘机，其特征于：所述第一电动机或第二电动机是下述任意一种：

（1）三相异步电动机；

（2）伺服电动机；

（3）变频电动机。

6.根据权利要求1所述的一种双电动机驱动的液压挖掘机，其特征于：所述低压蓄能器或高压蓄能器是下述任意一种：

（1）为一个蓄能器；

（2）为两个及以上蓄能器构成的蓄能器组。