CN108533546B - 采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，通过所述控制器发出控制指令给所述驱动器来控制驱动电机转速，实现对同轴连接的所述第一双向定量泵和第二双向定量泵的转速控制，从而实现流量控制，避免了传统液压流量控制阀，同时驱动电机自身有转速、转矩反馈，减少了传感器需求，通过所述第一控制阀自动实现差动快进的换接，元件相对减少，提高系统的鲁棒性。

Description

采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统

技术领域

本发明涉及液压挖掘机的节能技术领域，尤其涉及一种采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统。

背景技术

随着世界范围内能源短缺和环境污染问题的日趋严重，节能减排技术是目前研究的热点。液压挖掘机是一种功率比较大的工程机械，但是其能量的总利用率较低。液压挖掘机实现节约能源、降低排放一直是业界努力追求的目标。混合动力驱动技术和电驱动技术是当前的研究热点。

目前的挖掘机仍然采用发动机-定量泵-多路阀-执行器的驱动系统，发动机带动液压泵，由多路阀将液压能分配到各个执行机构，液压系统是基于开式的阀控原理，大量能量消耗在节流口和溢流上，同时在该过程中存在大量的沿程损失和局部损失，即管路部分、液压阀引起的压力损失等。工程机械的液压系统效率大约为30％左右，大量的液压能损失后转化为热能引起系统发热，系统效率较低，且不易实现混合动力驱动或纯电驱动。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，在低转矩时差动快进，以提高生产效率。

本发明是这样实现的：采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，包括控制器以及至少一液压模块，所述液压模块包括液压缸、第一双向定量泵、第二双向定量泵、第一控制阀、第二控制阀、蓄能器、驱动器以及驱动电机；

所述液压缸包括缸体、活塞和活塞杆，所述活塞杆的一端固定连接于所述活塞，所述活塞气密性可滑动地连接于所述缸体内，且所述活塞将所述缸体内部分为第一腔室和第二腔室；

所述第一双向定量泵包括第一驱动端、第一泄油口、第一端口和第二端口；所述第二双向定量泵包括第二驱动端、第二泄油口、第三端口和第四端口；所述第一控制阀包括第五端口和第六端口；所述第二控制阀包括第七端口和第八端口；所述第一驱动端、第二驱动端分别连接于所述驱动电机的输出端，所述第一端口、第三端口、第七端口并联后连接于所述蓄能器，所述第二端口和所述第五端口并联后连通所述第一腔室，所述第四端口、第八端口、第六端口并联后连通所述第二腔室；所述第一泄油口连接于所述第一端口和所述蓄能器之间，所述第二泄油口连接于所述第三端口和所述第七端口之间；

所述驱动器连接于驱动电机，所述驱动器和第一控制阀分别通信连接于所述控制器。

进一步地，所述液压模块还包括第三控制阀和第四控制阀，所述第三控制阀包括第九端口和第十端口，所述第四控制阀包括第十一端口和第十二端口；所述第二端口连接于所述第九端口，所述第十端口和所述第五端口并联后连通所述第一腔室，所述第四端口和所述第八端口并联后连接于所述第十一端口，所述第十二端口和所述第六端口并联后连通所述第二腔室。

进一步地，所述液压模块还包括第一阀组和第二阀组；所述第一阀组包括第一单向阀和第一安全阀；所述第二阀组包括第二单向阀和第二安全阀；所述第一单向阀的入口和所述第一安全阀的出口并联后连接于所述第一端口和蓄能器之间，所述第一单向阀的出口和所述第一安全阀的入口并联后连接于所述第十端口和第五端口之间；所述第二单向阀的入口和所述第二安全阀的出口并联后连接于所述第三端口和第七端口之间，所述第二单向阀的出口和所述第二安全阀的入口并联后连接于所述第六端口和第十二端口之间。

进一步地，所述第一控制阀、第二控制阀、所述第三控制阀、第四控制阀分别为二位二通电磁阀。

进一步地，所述第一控制阀、第二控制阀、所述第三控制阀、第四控制阀分别为二位二通插装阀。

进一步地，所述驱动电机为伺服电机，所述驱动器为伺服驱动器。

进一步地，还包括电源装置，所述控制器、每所述驱动器分别电连接于所述电源装置。

进一步地，所述液压模块有三个。

本发明具有如下优点：本发明提供一种采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，通过所述控制器发出控制指令给所述驱动器来控制驱动电机转速，实现对同轴连接的所述第一双向定量泵和第二双向定量泵的转速控制，从而实现流量控制，避免了传统液压流量控制阀，同时驱动电机自身有转速、转矩反馈，减少了传感器需求；另一方面，通过所述控制器控制所述第一控制阀自动实现差动快进的换接，元件相对减少，提高系统的鲁棒性，且提高生产效率。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明所述的动力系统的原理图。

图2为本发明所述的工况一的原理示意图。

图3本发明所述的工况二的空载差动快进时液压模块的原理示意图。

图4为本发明所述的工况二的重载前进时液压模块的原理示意图。

图5为本发明所述的工况三的原理示意图。

图6为本发明所述的工况四的原理示意图。

图7为本发明所述的动力系统的效果示意图。

图中：10、控制器；20、液压模块，201、液压缸、2011、缸体；2012、活塞；2013、活塞杆；2014、第一腔室；2015、第二腔室；202、第一双向定量泵；2021、第一驱动端；2022、第一泄油口；2023、第一端口；2024、第二端口；203、第二双向定量泵；2031、第二驱动端；2032、第二泄油口；2033、第三端口；2034、第四端口；204、第一控制阀；2041、第五端口；2042、第六端口；205、第二控制阀；2051、第七端口；2052、第八端口；206、蓄能器；207、驱动器；208、驱动电机；209、第三控制阀；2091、第九端口；2092、第十端口；210、第四控制阀；2101、第十一端口；2102、第十二端口；211、第一阀组；2111、第一单向阀；2112、第一安全阀；212、第二阀组；2121、第二单向阀；2122、第二安全阀；30、动臂；40、斗杆；50、铲斗；60、电源装置。

具体实施方式

请参阅图1至图7所示，本发明提供一种采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，包括控制器10以及至少一液压模块20，所述液压模块20包括液压缸201、第一双向定量泵202、第二双向定量泵203、第一控制阀204、第二控制阀205、蓄能器206、驱动器207以及驱动电机208；

所述液压缸201包括缸体2011、活塞2012和活塞杆2013，所述活塞杆2013的一端固定连接于所述活塞2012，所述活塞2012气密性可滑动地连接于所述缸体2011内，且所述活塞2012将所述缸体2011内部分为第一腔室2014和第二腔室2015；

所述第一双向定量泵202包括第一驱动端2021、第一泄油口2022、第一端口2023和第二端口2024；所述第二双向定量泵203包括第二驱动端2031、第二泄油口2032、第三端口2033和第四端口2034；所述第一控制阀204包括第五端口2041和第六端口2042；所述第二控制阀205包括第七端口2051和第八端口2052；所述第一驱动端2021、第二驱动端2031分别连接于所述驱动电机208的输出端，所述第一端口2023、第三端口2033、第七端口2051并联后连接于所述蓄能器206，所述第二端口2024和所述第五端口2041并联后连通所述第一腔室2014，所述第四端口2034、第八端口2052、第六端口2042并联后连通所述第二腔室2015；所述第一泄油口2022连接于所述第一端口2023和所述蓄能器206之间，所述第二泄油口2032连接于所述第三端口2033和所述第七端口2051之间；通过所述第一泄油口2022和第二泄油口2032，可以防止所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203因压力过高导致泵的壳体破裂；

所述驱动器207连接于驱动电机208，所述驱动器207和第一控制阀204分别通信连接于所述控制器10。

本发明通过所述控制器10发出控制指令给所述驱动器207来控制驱动电机208转速，实现对同轴连接的所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203的转速控制，从而实现流量控制，主回路很短，且避免了传统液压流量控制阀引起的能量损失，可不需要冷却装置，也避免了系统的节流损失和溢流损失，系统效率较高，同时驱动电机208自身有转速、转矩反馈，减少了传感器需求，通过所述第一控制阀204自动实现空载差动快进的换接，元件相对减少，使得硬件成本更低，同时系统更简单，提高了系统的鲁棒性，且提高生产效率。通过所述蓄能器206将所述第一腔室2014和第二腔室2015的流量进行平衡。本发明还为负值负载时的势能回收利用提供了条件。

在具体实施中，优选的一实施例：所述液压模块20还包括第三控制阀209和第四控制阀210，所述第三控制阀209包括第九端口2091和第十端口2092，所述第四控制阀210包括第十一端口2101和第十二端口2102；所述第二端口2024连接于所述第九端口2091，所述第十端口2092和所述第五端口2041并联后连通所述第一腔室2014，所述第四端口2034和所述第八端口2052并联后连接于所述第十一端口2101，所述第十二端口2102和所述第六端口2042并联后连通所述第二腔室2015。通过所述第三控制阀209和第四控制阀210将所述液压缸201锁定，避免由于所述第一双向定量泵202或第二双向定量泵203的泄漏而引起的滑动。

所述液压模块20还包括第一阀组211和第二阀组212；所述第一阀组211包括第一单向阀2111和第一安全阀2112；所述第二阀组212包括第二单向阀2121和第二安全阀2122；所述第一单向阀2111的入口和所述第一安全阀2112的出口并联后连接于所述第一端口2023和蓄能器206之间，所述第一单向阀2111的出口和所述第一安全阀2112的入口并联后连接于所述第十端口2092和第五端口2041之间；所述第二单向阀2121的入口和所述第二安全阀2122的出口并联后连接于所述第三端口2033和第七端口2051之间，所述第二单向阀2121的出口和所述第二安全阀2122的入口并联后连接于所述第六端口2042和第十二端口2102之间。通过所述第一阀组211和第二阀组212在低压时防止吸空现象发生，在高压时进行泄压，将多余的油液储存到所述蓄能器206，具体为，当所述第一腔室2014或第二腔室2015的压力低时，对应的所述第一单向阀2111或第二单向阀2121导通，油液从所述蓄能器206中补充到所述第一腔室2014或第二腔室2015中，当所述第一腔室2014或第二腔室2015的压力过高时，此时对应的所述第一安全阀2112或第二安全阀2122导通，进行泄压，将多余的油液流入到所述蓄能器206中，保证安全性。

所述第一控制阀204、第二控制阀205、所述第三控制阀209、第四控制阀210分别为二位二通电磁阀。小流量时采用电磁阀，在实际运用中主要使用在微型挖掘机中。

所述第一控制阀204、第二控制阀205、所述第三控制阀209、第四控制阀210分别为二位二通插装阀。大流量时采用二位二通插装阀，在实际运用中主要使用在小、中、大型挖掘机。

所述驱动电机208为伺服电机208，所述驱动器207为伺服驱动器207，可使控制速度精度非常准确。

还包括电源装置60，所述控制器10、每所述驱动器207分别电连接于所述电源装置60。本发明在负值负载的情况下，所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203作为马达使用，可以将负载回馈的势能转化为电能储存到所述电源装置60中，进行重复利用，节约了能源。

所述液压模块20有三个，三个所述液压模块20一一对应连接于挖掘机的动臂30、斗杆40、铲斗50，实现三者分别独立驱动，方便控制，同时极大程度的缩短了管路，可以把所述液压模块20做成液压包形式，安装方便，体积小。

控制原理：

因为所述活塞杆2013的存在，所述第一腔室2014和第二腔室2015为非对称结构，使得所述第一腔室2014的最大容积大于所述第二腔室2015的最大容积，所述液压缸201为非对称液压缸201，当油液从所述第一腔室2014输送到所述第二腔室2015时，油液有多余，需要将多余的油液存储到所述蓄能器206中，而当油液从所述第二腔室2015输送到所述第一腔室2014时，需要所述蓄能器206中的油液补充到所述第一腔室2014中。

请参阅图2至图6所示，本发明在运行中存在以下工况：图中F为负载施加在所述活塞杆2013的外力，v为所述活塞杆2013的运行速度；液压力方向和外力F的方向相反；所述活塞杆2013连接于挖掘机的负载，挖掘机的负载在工作过程中会产生势能；所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203既可以作为泵，也可以作为马达进行发电；

正值负载：液压力方向与v的方向相同，所述活塞杆2013伸出或缩回，此时所述电源装置60输出电能，所述控制器10控制所述驱动器207驱动所述伺服电机208带动所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203旋转，所述活塞杆2013输出能量给负载；

负值负载：液压力方向与v的方向相反，所述活塞杆2013伸出或缩回，负载反馈能量给所述活塞杆2013，通过液压回路进而使所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203作为马达使用，处于发电状态，将能量存储到所述电源装置60，进行回收利用。

工况1，请参阅图2所示：为负值负载的情况下，所述活塞杆2013缩回，所述活塞杆2013受到负载的压力，此时F为压力，将负载的势能传递给所述活塞杆2013，进而通过液压回路带动所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203进行发电，将电能存储到所述电源装置60中，进行回收利用，节约了能量，此时所述液压模块20中的油液的流向为：所述第一腔室2014中的油液通过所述第一双向定量泵202输送到所述第二双向定量泵203最后输送到所述第一腔室2014，同时多余的油液流入所述蓄能器206中，从而实现所述第一腔室2014和第二腔室2015中的流量平衡。

工况2，请参阅图3和图4所示：为正值负载伸出的情况下有两种工况：

①正值小负载差动快进时的工况，请参阅图3所示；此时F为F_小，速度V为V_快，此时所述控制器10控制所述第一控制阀204导通，油液从所述第二腔室2015通过所述第一控制阀204流入所述第一腔室2014，实现自动切换进行差动快进，根据驱动电机208的转矩反馈，在低转矩时采用差动快进，以提高生产效率；同时一方面，一部分油液在所述第二双向定量泵203流向所述第二控制阀205后再回流到所述第二双向定量泵203，形成空载循环，通过所述第二控制阀205可以防止在空载循环时发生吸空现象，另一方面，一部分油液从所述蓄能器206中流进所述第一双向定量泵202后输送到所述第一腔室2014，进行流量补充，从而实现所述第一腔室2014和第二腔室2015之间的流量平衡。

②正值大负载负载活塞杆伸出时的工况，请参阅图4所示；此时F为F_大，速度V为V_慢，此时所述第一控制阀204关闭，油液从所述第二腔室2015依次流经所述第二双向定量泵203、第一双向定量泵202最后流入所述第一腔室2014，同时一部分油液从所述蓄能器206中流进所述第一双向定量泵202后输送到所述第一腔室2014，进行流量补充，从而实现所述第一腔室2014和第二腔室2015之间的流量平衡。通过驱动电机208的转矩内反馈，实现差动快进和重载前进的自动换接，提高生产效率。

工况3，请参阅图5所示：为负值负载的情况下，所述活塞杆2013伸出，所述活塞杆2013受到负载的拉力，此时F为拉力，将负载的势能传递给所述活塞杆2013，进而通过液压回路带动所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203进行发电，将电能存储到所述电源装置60中，进行回收利用，节约了能量；此时，所述控制器10控制所述驱动器207进而控制所述伺服电机208驱动所述第一双向定量泵202和第二双向定量泵203，将所述第二腔室2015的油液通过所述第二双向定量泵203输送到所述第一双向定量泵202最后输送到所述第一腔室2014，此时还需要所述蓄能器206中的油液进行补充，从而实现所述第一腔室2014和第二腔室2015中的流量平衡。

工况4，请参阅图6所示：为正值负载的情况下，所述活塞杆2013缩回，所述活塞杆2013受到负载的拉力，此时F为拉力，所述液压模块20中的油液的流向为：所述第一腔室2014中的油液通过所述第一双向定量泵202输送到所述第二双向定量泵202最后输送到所述第二腔室2015，同时将所述第一腔室2014多余的油液流入所述蓄能器206中，从而实现所述第一腔室2014和第二腔室2015中的流量平衡。

本发明的优点：为液压挖掘机各个液压缸提供独立的双泵单电机液压驱动模块，液压模块20中的油箱采用低压蓄能器206替代，采用双泵/马达与驱动电机208连接，通过驱动电机208调速和改变方向来控制液压缸201；通过驱动电机208的转矩内反馈，实现差动快进和重载前进的自动换接；更容易实现混合动力驱动或者纯电驱动；与常规动力系统相比，系统效率更高，大幅度缩短了液压管路，减少压力损失，且减少泄漏点，提高系统鲁棒性；按需要提供动力，无待机；实现重力势能的回收利用；液压缸201的活塞杆2013伸出时，根据驱动电机208的转矩反馈，在低转矩时差动快进，以提高生产效率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，其特征在于：包括电源装置、控制器以及至少一液压模块，所述液压模块包括液压缸、第一双向定量泵、第二双向定量泵、第一控制阀、第二控制阀、蓄能器、驱动器以及驱动电机；

所述液压缸包括缸体、活塞和活塞杆，所述活塞杆的一端固定连接于所述活塞，所述活塞气密性可滑动地连接于所述缸体内，且所述活塞将所述缸体内部分为第一腔室和第二腔室；

所述第一双向定量泵包括第一驱动端、第一泄油口、第一端口和第二端口；所述第二双向定量泵包括第二驱动端、第二泄油口、第三端口和第四端口；所述第一控制阀包括第五端口和第六端口；所述第二控制阀包括第七端口和第八端口；所述第一驱动端、第二驱动端分别连接于所述驱动电机的输出端，所述第一端口、第三端口、第七端口并联后连接于所述蓄能器，所述第二端口和所述第五端口并联后连通所述第一腔室，所述第四端口、第八端口、第六端口并联后连通所述第二腔室；所述第一泄油口连接于所述第一端口和所述蓄能器之间，所述第二泄油口连接于所述第三端口和所述第七端口之间；

所述驱动器分别连接于所述电源装置和驱动电机，所述控制器连接于所述电源装置，所述驱动器和第一控制阀分别通信连接于所述控制器；

所述驱动电机为伺服电机，所述驱动器为伺服驱动器；

所述动力系统还包括电源装置，所述控制器、每所述驱动器分别电连接于所述电源装置。

2.根据权利要求1所述的采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，其特征在于：所述液压模块还包括第三控制阀和第四控制阀，所述第三控制阀包括第九端口和第十端口，所述第四控制阀包括第十一端口和第十二端口；所述第二端口连接于所述第九端口，所述第十端口和所述第五端口并联后连通所述第一腔室，所述第四端口和所述第八端口并联后连接于所述第十一端口，所述第十二端口和所述第六端口并联后连通所述第二腔室。

3.根据权利要求2所述的采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，其特征在于：所述液压模块还包括第一阀组和第二阀组；所述第一阀组包括第一单向阀和第一安全阀；所述第二阀组包括第二单向阀和第二安全阀；所述第一单向阀的入口和所述第一安全阀的出口并联后连接于所述第一端口和蓄能器之间，所述第一单向阀的出口和所述第一安全阀的入口并联后连接于所述第十端口和第五端口之间；所述第二单向阀的入口和所述第二安全阀的出口并联后连接于所述第三端口和第七端口之间，所述第二单向阀的出口和所述第二安全阀的入口并联后连接于所述第六端口和第十二端口之间。

4.根据权利要求3所述的采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，其特征在于：所述第一控制阀、第二控制阀、所述第三控制阀、第四控制阀分别为二位二通电磁阀。

5.根据权利要求3所述的采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，其特征在于：所述第一控制阀、第二控制阀、所述第三控制阀、第四控制阀分别为二位二通插装阀。

6.根据权利要求1至5任一项所述的采用双泵直驱及差动快进自动换接的液压挖掘机动力系统，其特征在于：所述液压模块有三个。

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