CN108678048B - 一种液电混合驱动的储能举升系统 - Google Patents

一种液电混合驱动的储能举升系统 Download PDF

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    • E02F3/43Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations

Abstract

本发明公开了一种液电混合驱动的储能举升系统,包括至少一个电液机械缸,至少一个液气复合储能缸、液压蓄能器、油箱、截止阀、溢流阀、压力表、上车架和动臂,系统采用电液机械缸作为主驱动工作缸,采用液气复合储能缸和液压蓄能器平衡动臂重力,实现了动臂下降时将其重力势能直接转化为液压能和电能储存。本发明公开的一种液电混合驱动的储能举升系统,具有动臂势能存储利用率高,功率密度高,节能环保等优点。

Description

一种液电混合驱动的储能举升系统
技术领域
本发明属液压系统技术领域,具体涉及一种液电混合驱动的储能举升系统。
背景技术
目前,广泛使用的挖掘机、装载机等工程机械在工作过程中,由于工作环境恶劣,载荷变化频繁,造成整机能源利用率较低。而且这些装备工作时,动臂在液压系统的驱动下频繁升降,由于动臂自重较大,在液压系统驱动其上升时,液压系统需克服其重力做功耗费能量;动臂下降时,动臂的势能通常转化为液压能在经过控制阀转化微热能耗散掉,这不仅浪费了能量,还是液压系统油温升高,使液压系统可靠性下降。
为了提高工程机械作业中的能量利用率,常采用动臂势能回收利用的方式。申请号为CN 101435451A的专利,采用电液储能方式来回收重力势能,动臂下降时,将油液储存到蓄能器中,再利用蓄能器中的油液驱动液压马达,液压马达再驱动发电机最终将动臂重力势能转换为电能,存储于超级电容器或者蓄电池中。这种回收方式能量经过多次转换,利用率较低。申请公布号为CN
103184751A的专利,采用全电动伺服驱动动臂,由于纯电动功率密度低,承载重物的能力有限,效率较低。
发明内容
为解决上述能量利用率低等混合动力驱动存在的问题,本发明提供一种回收效率高、功率密度高、安全环保的液电混合驱动的储能举升系统。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种液电混合驱动的储能举升系统,包括液压回路(9)、电气回路(16)、若干个电液机械缸(11)、若干个液气复合储能缸(2)、动臂(3)、液压蓄能器(4)、压力表(5)、截止阀(6)、溢流阀(7)、油箱(8)和上车架(10);其中电气回路包括:直流母线(12)、至少一个超级电容组(13)、双向DC-DC变换器(14)和变频器(15);电液机械缸上的电动机(18)与变频器的功率输出级连接,变频器通过直流母线与双向DC-DC变换器连接,双向DC-DC变换器与超级电容组连接,电液机械缸上的第Ⅰ变量泵/马达(17)的进出口分别通过管路与液压回路的工作油口连接;液气复合储能缸的有杆腔与油箱连接,无杆腔通过液压管路与截止阀的一端、压力表与溢流阀的进口连接,截止阀的另一端与液压蓄能器的进口连接,溢流阀的出口与油箱连接;电液机械缸和液气复合储能缸的活塞杆外端铰接在动臂上,电液机械缸和液气复合储能缸的缸体铰接在上车架上;
所述的电液机械缸包括第Ⅰ变量泵/马达,电动机,第Ⅰ传动箱(19)和第Ⅰ机械缸(20);第Ⅰ变量泵/马达与电动机机械联接,电动机的输出轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴机械联接,或者第Ⅰ变量泵/马达的输出轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴机械联接,第Ⅰ传动箱的输出端与第Ⅰ机械缸的输入轴同轴机械联接。
一种液电混合驱动的储能举升系统,包括液压回路、若干个液压机械缸(1)、若干个液气复合储能缸、动臂、液压蓄能器、压力表、截止阀、溢流阀、油箱和上车架;液压机械缸上的第Ⅱ变量泵/马达(21)的进出口分别通过管路与液压回路的工作油口连接;液气复合储能缸的有杆腔与油箱连接,无杆腔通过液压管路与截止阀的一端、压力表与溢流阀的进口连接,截止阀的另一端与液压蓄能器的进口连接,溢流阀的出口与油箱连接;液压机械缸和液气复合储能缸的活塞杆外端铰接在动臂上,液压机械缸和液气复合储能缸的缸体铰接在上车架上;
所述的液压机械缸包括第Ⅱ变量泵/马达,第Ⅱ传动箱(22)和第Ⅱ机械缸(23);第Ⅱ变量泵/马达输出轴与第Ⅱ传动箱的输入端同轴机械联接,第Ⅱ传动箱的输出端与第Ⅱ机械缸的输入轴同轴机械联接。
所述的液压回路可以是现有控制液压马达旋转的任意一种液压回路。
所述的电液机械缸中的电动机是交流异步电动机、开关磁阻电机、直流电机或伺服电机中的一种。
所述的液气复合储能缸是柱塞式液气复合储能缸或活塞式液气复合储能缸中的一种。
所述的液压蓄能器是一个液压蓄能器,或是两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
与现有技术比较,本发明提供的一种液电混合驱动的储能举升系统,具有以下优点:
1.本发明采用电液机械缸或液压机械缸作为主驱动工作缸,功率密度大、可靠性高、运行平稳;尤其是电液机械缸,将液压技术功率密度大的优点和电气技术控制精度高的优点结合起来,弥补了电动机功率不足的问题,同时又具有高的定位精度;
2.本发明将动臂的重力势能直接转换为电能和液压能存储起来,避免了能量多次转换产生的浪费,能量利用率提高;
3.采用液气复合储能缸和液压蓄能器平衡动臂重力,可降低主驱动工作的驱动功率并高效回收动臂具有的的势能,节能环保;
4.本发明适用于多种举升机构,特别适用于混合动力的工程机械动臂举升机构;
5.本发明可以实现电气和液压两种方式进行能量回收。通过电液机械缸中的电动机将超越负载产生的势能转化为电能进行存储;通过电液机械缸或液压机械缸中的变量泵/马达将超越负载产生的势能转化为液压能存储在液压蓄能器中。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图;
图2为本发明中电液机械缸的剖视图;
图3为本发明采用液压机械缸的系统组成示意图;
图4为本发明采用液压机械缸的工作原理图;
图5为本发明中液压机械缸的剖视图;
图6为本发明实施例1的系统组成示意图;
图7为本发明实施例1的工作原理图。
图中:1-液压机械缸,2-液气复合储能缸,3-动臂,4-液压蓄能器,5-压力表,6-截止阀,7-溢流阀,8-油箱,9-液压回路,10-上车架,11-电液机械缸,12-直流母线,13-超级电容组,14-双向DC-DC变换器,15-变频器,16-电气回路,17-第Ⅰ变量泵/马达,18-电动机,19-第Ⅰ传动箱,20-第Ⅰ机械缸,21-第Ⅱ变量泵/马达,22-第Ⅱ传动箱,23-第Ⅱ机械缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明:
如图1所示,一种液电混合驱动的储能举升系统,包括液压回路9、电气回路16、电液机械缸11、液气复合储能缸2、动臂3、液压蓄能器4、压力表5、截止6、溢流阀7、油箱8和上车架10。其中电气回路包括:直流母线12、超级电容组13、双向DC-DC变换器14和变频器15。
电液机械缸上的电动机18与变频器的功率输出级连接,变频器通过直流母线与双向DC-DC变换器连接,双向DC-DC变换器与超级电容组连接,电液机械缸上的第Ⅰ变量泵/马达17的进出口分别通过管路与液压回路的两个工作油口连接;液气复合储能缸的有杆腔与油箱连接,无杆腔通过液压管路与截止阀的一端、压力表与溢流阀的进口连接,截止阀的另一端与液压蓄能器的进口连接,溢流阀的出口与油箱连接;电液机械缸和液气复合储能缸的活塞杆外端铰接在动臂上,电液机械缸和液气复合储能缸的缸体铰接在上车架上。
电液机械缸与液气复合储能缸前后布置在举升机构的中心线上,其缸体端分别通过液气复合储能缸销轴和电液机械缸销轴铰接至上车架上,其活塞杆端分别通过液气复合储能缸销轴和电液机械缸销轴铰接至动臂上。
如图2所示,所述的电液机械缸包括第Ⅰ变量泵/马达,电动机,第Ⅰ传动箱19和第Ⅰ机械缸20;第Ⅰ变量泵/马达与电动机机械联接,第Ⅰ变量泵/马达的输出轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴机械联接,第Ⅰ传动箱的输出端与第Ⅰ机械缸的输入轴同轴机械联接。
工作过程:动臂下降时,液压泵/马达处于“液压泵”工况,将负载的势能转换为液压能,液气复合储能缸无杆腔的体积减小,重力势能直接转化为液压能存储到液压蓄能器中,同时电液机械缸的活塞杆缩回,带动电动机反转产生电能,电能通过变频器和双向DC-DC变换器储存在超级电容组中;当动臂上升时,电液机械缸作为主工作缸伸出举升动臂,液压泵/马达处于“液压马达”工况,作旋转运动,超级电容组释放电能,辅助电液机械缸工作,同时液压蓄能器释放高压油液驱动液气复合储能缸的活塞杆伸出以辅助动臂举升。
当系统中包括一个液气复合储能缸和一个电液机械缸时,电液机械缸与液气复合储能缸前后布置在举升机构的中心线上,其缸体端分别通过液气复合储能缸销轴和电液机械缸铰接至上车架上,其活塞杆端分别通过液气复合储能缸销轴和电液机械缸销轴铰接至动臂上。
当系统中包括两个液气复合储能缸,一个电液机械缸时,电液机械缸布置在举升机构的中心线上,两个液气复合储能缸与电液机械缸平行布置,两个液气复合储能缸对称式分布于电液机械缸两侧,其缸体端通过电液机械缸同轴铰接至上车架上,其活塞杆端分别通过液气复合储能缸销轴和电液机械缸销轴铰接至动臂上。
当系统中包括一个液气复合储能缸,两个电液机械缸时,液气复合储能缸布置在举升机构的中心线上,两个电液机械缸与液气复合储能缸平行布置,两个电液机械缸对称式分布于液气复合储能缸两侧,其缸体端通过液气复合储能缸同轴铰接至上车架上,其活塞杆端分别通过电液机械缸销轴和液气复合储能缸销轴铰接至动臂上。
如图3-4所示,一种液电混合驱动的储能举升系统,包括液压回路、两个液压机械缸1、一个液气复合储能缸、动臂、液压蓄能器、压力表、截止阀、溢流阀、油箱和上车架。
两个液压机械缸上的第Ⅱ变量泵/马达21的进出口分别通过管路与液压回路的四个工作油口连接;液气复合储能缸的有杆腔与油箱连接,无杆腔通过液压管路与截止阀的一端、压力表与溢流阀的进口连接,截止阀的另一端与液压蓄能器的进口连接,溢流阀的出口与油箱连接;液压机械缸和液气复合储能缸的活塞杆外端铰接在动臂上,液压机械缸和液气复合储能缸的缸体铰接在上车架上。
液气复合储能缸布置在举升机构的中心线上,两个液压机械缸与液气复合储能缸平行布置,两个液压机械缸对称式分布于液气复合储能缸两侧,其缸体端通过液气复合储能缸同轴铰接至上车架上,其活塞杆端分别通过液压机械缸销轴和液气复合储能缸销轴铰接至动臂上。
如图5所示,所述的液压机械缸包括第Ⅱ变量泵/马达,第Ⅱ传动箱22和第Ⅱ机械缸23。第Ⅱ变量泵/马达输出轴与第Ⅱ传动箱的输入端同轴机械联接,第Ⅱ传动箱的输出端与第Ⅱ机械缸的输入轴同轴机械联接。
工作过程:动臂下降时,第Ⅱ变量泵/马达处于“液压泵”工况,将负载的势能转换为液压能,液气复合储能缸无杆腔的体积减小,重力势能直接转化为液压能存储到液压蓄能器中;当动臂上升时,液压机械缸作为主工作缸伸出举升动臂,第Ⅱ变量泵/马达处于“液压马达”工况做旋转运动,同时液压蓄能器释放高压油液驱动液气复合储能缸的活塞杆伸出以辅助动臂举升。
所述的液压回路可以是现有控制液压马达旋转的任意一种液压回路。
所述的电液机械缸中的电动机是交流异步电动机、开关磁阻电机、直流电机或伺服电机中的一种。
所述的液气复合储能缸是柱塞式液气复合储能缸或活塞式液气复合储能缸中的一种。
所述的液压蓄能器可以是一个液压蓄能器,或是两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
实施例1
如图6-7所示,一种液电混合驱动的储能举升系统,包括液压回路、电气回路、两个电液机械缸、一个液气复合储能缸、动臂、液压蓄能器、压力表、截止阀、溢流阀、油箱和上车架。其中电气回路包括:直流母线、至少一个超级电容组、双向DC-DC变换器和变频器。
如图2所示,所述的电液机械缸包括第Ⅰ变量泵/马达,电动,第Ⅰ传动箱和第Ⅰ机械缸;第Ⅰ变量泵/马达与电动机机械联接,第Ⅰ变量泵/马达的输出轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴机械联接,第Ⅰ传动箱的输出端与第Ⅰ机械缸的输入轴同轴机械联接。
电液机械缸上的电动机与变频器的功率输出级连接,变频器通过直流母线与双向DC-DC变换器连接,双向DC-DC变换器与超级电容组连接,两个电液机械缸上的第Ⅰ变量泵/马达的进出口分别通过管路与液压回路的四个工作油口连接;液气复合储能缸的有杆腔与油箱连接,无杆腔通过液压管路与截止阀的一端、压力表与溢流阀的进口连接,截止阀的另一端与液压蓄能器的进口连接,溢流阀的出口与油箱连接;电液机械缸和液气复合储能缸的活塞杆外端铰接在动臂上,电液机械缸和液气复合储能缸的缸体铰接在上车架上。
液气复合储能缸布置在举升机构的中心线上,两个电液机械缸与液气复合储能缸平行布置,两个电液机械缸对称式分布于液气复合储能缸两侧,其缸体端通过液气复合储能缸同轴铰接至上车架上,其活塞杆端分别通过电液机械缸销轴和液气复合储能缸销轴铰接至动臂上。
工作过程:动臂下降时,两个电液机械缸的液压泵/马达处于“液压泵”工况,将负载的势能转换为液压能,液气复合储能缸无杆腔的体积减小,重力势能直接转化为液压能存储到液压蓄能器中,同时电液机械缸的活塞杆缩回,带动电动机反转产生电能,电能通过变频器和双向DC-DC变换器储存在超级电容组中;当动臂上升时,电液机械缸作为主工作缸伸出举升动臂,液压泵/马达处于“液压马达”工况,作旋转运动,超级电容组释放电能,辅助电液机械缸工作,同时液压蓄能器释放高压油液驱动液气复合储能缸的活塞杆伸出以辅助动臂举升。
以上所述仅表明了本发明的一种实施方式,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。本发明并不限于举升机构,也可以适用于装载机、挖掘机等其他多执行器工程机械中。

Claims (6)

1.一种液电混合驱动的储能举升系统,包括液压回路(9)、电气回路(16)、若干个电液机械缸(11)、若干个液气复合储能缸(2)、动臂(3)、液压蓄能器(4)、压力表(5)、截止阀(6)、溢流阀(7)、油箱(8)和上车架(10);其中电气回路包括:直流母线(12)、至少一个超级电容组(13)、双向DC-DC变换器(14)和变频器(15);电液机械缸上的电动机(18)与变频器的功率输出级连接,变频器通过直流母线与双向DC-DC变换器连接,双向DC-DC变换器与超级电容组连接,电液机械缸上的第Ⅰ变量泵/马达(17)的进出口分别通过管路与液压回路的工作油口连接;液气复合储能缸的有杆腔与油箱连接,无杆腔通过液压管路与截止阀的一端、压力表与溢流阀的进口连接,截止阀的另一端与液压蓄能器的进口连接,溢流阀的出口与油箱连接;电液机械缸和液气复合储能缸的活塞杆外端铰接在动臂上,电液机械缸和液气复合储能缸的缸体铰接在上车架上;
其特征在于:所述的电液机械缸包括第Ⅰ变量泵/马达,电动机,第Ⅰ传动箱(19)和第Ⅰ机械缸(20);第Ⅰ变量泵/马达与电动机机械联接,电动机的输出轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴机械联接,或者第Ⅰ变量泵/马达的输出轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴机械联接,第Ⅰ传动箱的输出端与第Ⅰ机械缸的输入轴同轴机械联接。
2.一种液电混合驱动的储能举升系统,包括液压回路、若干个液压机械缸(1)、若干个液气复合储能缸、动臂、液压蓄能器、压力表、截止阀、溢流阀、油箱和上车架;液压机械缸上的第Ⅱ变量泵/马达(21)的进出口分别通过管路与液压回路的工作油口连接;液气复合储能缸的有杆腔与油箱连接,无杆腔通过液压管路与截止阀的一端、压力表与溢流阀的进口连接,截止阀的另一端与液压蓄能器的进口连接,溢流阀的出口与油箱连接;液压机械缸和液气复合储能缸的活塞杆外端铰接在动臂上,液压机械缸和液气复合储能缸的缸体铰接在上车架上;
其特征在于:所述的液压机械缸包括第Ⅱ变量泵/马达,第Ⅱ传动箱(22)和第Ⅱ机械缸(23);第Ⅱ变量泵/马达输出轴与第Ⅱ传动箱的输入端同轴机械联接,第Ⅱ传动箱的输出端与第Ⅱ机械缸的输入轴同轴机械联接。
3.根据权利要求1或2所述的一种液电混合驱动的储能举升系统,其特征在于:所述的液压回路是现有控制液压马达旋转的任意一种液压回路。
4.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的储能举升系统,其特征在于:所述的电液机械缸中的电动机是交流异步电动机、开关磁阻电机、直流电机或伺服电机。
5.根据权利要求1或2所述的一种液电混合驱动的储能举升系统,其特征在于:所述的液气复合储能缸是柱塞式液气复合储能缸或活塞式液气复合储能缸中的一种。
6.根据权利要求1或2所述的一种液电混合驱动的储能举升系统,其特征在于:所述的液压蓄能器是一个液压蓄能器,或是两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
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