CN108708423A - 一种液电混合驱动的多执行器回路 - Google Patents

一种液电混合驱动的多执行器回路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液电混合驱动的多执行器回路，包括液压回路，一个或多个电液机械缸，一个或多个液压机械缸，一个或多个变量泵/马达，电液机械缸、液压机械缸、变量泵/马达以并行联接的方式接入回路，电液机械缸和液压机械缸作为二次调节元件驱动直线负载。本发明具有结构简单、操作简单、节能高效、功率密度大等优点，且具有能量回收功能。

Description

一种液电混合驱动的多执行器回路
技术领域
本发明属于机-电-液一体化传动技术领域，具体涉及一种液电混合驱动的多执行器回路。
背景技术
负载敏感控制是多执行器液压系统为降低能量损失普遍采用的技术。该技术通过使液压泵的输出压力跟随负载变化而改变，避免了原有系统始终以最高工作压力供油所造成的能量浪费，减小了节流损失和溢流损失。但由于液压泵的输出压力始终与最高负载压力相匹配，对于多执行器液压系统，只有最高负载压力联控制阀上的节流损失较小，其余低负载联控制阀上的节流损失较大，负载压差越大，控制阀上的节流损失越大。研究表明，多执行器液压系统由于负载差异所造成的节流损失占整机能耗的30％以上。
为了解决上述问题，出现了一种基于二次调节原理的恒压网络系统。这种系统与电力传输系统类似，由能量源、蓄能器、执行器和高、低压管路组成，其中执行器以并行联接的方式接入系统。由于恒压网络系统的高压管路压力基本不变，所以只需控制执行器的排量就能对负载进行控制，消除了传统阀控液压系统的节流损失，而且还可以同时驱动多个执行器正常工作和实现能量回收，具有较高的效率。但是，恒压网络系统要求执行器必须是可变排量的，对于驱动旋转负载的二次调节元件变量液压泵/马达已经有成熟产品，而对于驱动直线负载的二次调节元件的研发目前仍是该领域内的一项重要研究课题。
申请号为CN103161190A和CN104176639B的中国发明专利分别公开了一种“基于压力共轨系统的混合动力全液压装载机液压系统”和“变恒压网络液压系统、液压控制方法及起重机”。这两种系统均通过在液压缸前串接一个液压变压器来实现恒压网络对直线负载的驱动。但液压变压器目前仍处于实验阶段，其基本原理就是将一对液压马达/泵同轴刚性地联接在一起以实现不同压力的转换，这种转换方式就直接决定了液压变压器存在效率低、控制难的问题。而且，液压变压器目前并没有成熟的符合工业技术要求和满足市场需求的产品，仅有少数几家国外公司能够生产制造，且需要定制，价格极其昂贵。
发明内容
为了解决上述驱动存在的问题，本发明旨在提供一种结构简单，节能高效，易于实现的基于二次调节原理的液电混合驱动的多执行器回路。
一种液电混合驱动的多执行器回路，包括第Ⅰ液压回路(1)，一个或多个电液机械缸(11)，一个或多个液压机械缸(16)，一个或多个第Ⅲ变量泵/马达(20)，高压管路(21)和低压管路(22)；电液机械缸、液压机械缸和第Ⅲ变量泵/马达以并行联接的方式接入第Ⅰ液压回路，它们的第一工作口A与高压管路连通，第二工作口R与低压管路连通。
所述的第Ⅰ液压回路包括动力源(2)，主液压泵(3)，第Ⅰ过滤器(4)，油箱(5)，第Ⅰ溢流阀(6)，第Ⅰ单向阀(7)，第Ⅱ溢流阀(8)，第Ⅰ蓄能器(9)，压力传感器(10)，第Ⅱ单向阀(23)，第Ⅲ单向阀(24)和第Ⅱ过滤器(25)；动力源与主液压泵联接，主液压泵的吸油口通过第Ⅰ过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P与第Ⅰ单向阀的进油口和第Ⅰ溢流阀的进油口连通，第Ⅰ溢流阀的出油口与油箱连通，第Ⅰ单向阀的出油口与第Ⅱ溢流阀的进油口、第Ⅰ蓄能器的进油口、压力传感器的压力端和高压管路连通，第Ⅱ溢流阀的出油口与油箱连通；第Ⅱ单向阀的进油口和第Ⅲ单向阀的出油口与低压管路连通，第Ⅲ单向阀的进油口与油箱连通，第Ⅱ单向阀出油口通过第Ⅱ过滤器与油箱连通。
所述的电液机械缸包括第Ⅰ变量泵/马达(12)，电动/发电机(13)，第Ⅰ传动箱(14)和第Ⅰ机械缸(15)；其中，第Ⅰ机械缸包括轴承(26)，丝杠(27)和活塞杆(28)；第Ⅰ变量泵/马达与电动/发电机的一个轴联接，电动/发电机的另一个轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴联接；第Ⅰ机械缸由第Ⅰ变量泵/马达和电动/发电机共同驱动。
所述的液压机械缸包括第Ⅱ变量泵/马达(17)，第Ⅱ传动箱(18)和第Ⅱ机械缸(19)；第Ⅱ变量泵/马达输出轴与第Ⅱ传动箱的输入端同轴联接，第Ⅱ传动箱的输出端与第Ⅱ机械缸的输入轴同轴联接。
所述的第Ⅰ蓄能器是一个液压蓄能器，或两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
所述的动力源是发动机或电动机。
所述的主液压泵是定量泵，机械式恒压变量泵，恒功率变量泵，比例恒压泵和电比例变排量泵中的一种。
所述的电动/发电机是交流异步电机，步进电机，开关磁阻电机，直流电机和伺服电机中的一种。
所述的电动/发电机和第Ⅰ变量泵/马达通过机械连接或离合器(33)联接。
所述的第Ⅰ传动箱和第Ⅱ传动箱是齿轮传动箱或带传动箱。
所述的第Ⅰ机械缸和第Ⅱ机械缸中采用行星滚珠丝杠，滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种形式传动。
所述的第Ⅲ变量泵/马达是液体驱动的变量泵/马达或气体驱动的变量泵/马达。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供一种液电混合驱动的多执行器回路，具有结构简单、操作方便、节能高效等优点，能够始终使动力源工作在高效区，达到节能减排的目标；
2、本发明采用两种新型液压元件电液机械缸和液压机械缸作为二次调节元件，解决了恒压网络系统中驱动直线负载难的问题，具有结构简单、成本低、易于实现等优点；
3、本发明采用电液机械缸来驱动直线负载，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；
4、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/发电机将超越负载产生的势能转化为电能进行存储；通过电液机械缸中的第Ⅰ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；
5、本发明将因为超越负载而产生的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损失，能量存储和利用率高。
附图说明
图1为本发明液电混合驱动的多执行器回路原理图；
图2为本发明电液机械缸外观结构图；
图3为本发明电液机械缸的内部结构剖面图；
图4为本发明实施例的工作装置图；
图5为本发明实施例的液压系统原理图。
图中：1-第Ⅰ液压回路，2-动力源，3-主液压泵，4-第Ⅰ过滤器，5-油箱，6-第Ⅰ溢流阀，7-第Ⅰ单向阀，8-第Ⅱ溢流阀，9-第Ⅰ蓄能器，10-压力传感器，11-电液机械缸，12-第Ⅰ变量泵/马达，13-电动/发电机，14-第Ⅰ传动箱，15-第Ⅰ机械缸，16-液压机械缸，17-第Ⅱ变量泵/马达，18-第Ⅱ传动箱，19-第Ⅱ机械缸，20-第Ⅲ变量泵/马达，21-高压管路，22-低压管路，23-第Ⅱ单向阀，24-第Ⅲ单向阀，25-第Ⅱ过滤器，26-轴承，27-丝杠，28-活塞杆，29-第Ⅱ液压回路，30-压力切换阀，31-第Ⅲ溢流阀，32-第Ⅱ蓄能器，33-离合器，34-行驶体，35-回转体，36-动臂，37-斗杆，38-抓斗。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
一种液电混合驱动的多执行器回路，包括第Ⅰ液压回路1，一个或多个电液机械缸11，若干个液压机械缸16，若干个第Ⅲ变量泵/马达20，高压管路21和低压管路22；电液机械缸、液压机械缸和第Ⅲ变量泵/马达以并行联接的方式接入第Ⅰ液压回路，它们的第一工作口A与高压管路连通，第二工作口R与低压管路连通。
所述的第Ⅰ液压回路包括动力源2，主液压泵3，第Ⅰ过滤器4，油箱5，第Ⅰ溢流阀6，第Ⅰ单向阀7，第Ⅱ溢流阀8，第Ⅰ蓄能器9，压力传感器10，第Ⅱ单向阀23，第Ⅲ单向阀24和第Ⅱ过滤器25；动力源与主液压泵联接，主液压泵的吸油口通过第Ⅰ过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P与第Ⅰ单向阀的进油口和第Ⅰ溢流阀的进油口连通，第Ⅰ溢流阀的出油口与油箱连通，第Ⅰ单向阀的出油口与第Ⅱ溢流阀的进油口、第Ⅰ蓄能器的进油口、压力传感器的压力端和高压管路连通，第Ⅱ溢流阀的出油口与油箱连通；第Ⅱ单向阀的进油口和第Ⅲ单向阀的出油口与低压管路连通，第Ⅲ单向阀的进油口与油箱连通，第Ⅱ单向阀出油口通过第Ⅱ过滤器与油箱连通。
所述的电液机械缸包括第Ⅰ变量泵/马达12，电动/发电机13，第Ⅰ传动箱14和第Ⅰ机械缸15；其中，第Ⅰ机械缸包括轴承26，丝杠27和活塞杆28；第Ⅰ变量泵/马达与电动/发电机的一个轴联接，电动/发电机的另一个轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴联接；第Ⅰ机械缸由第Ⅰ变量泵/马达和电动/发电机共同驱动。
所述的液压机械缸包括第Ⅱ变量泵/马达17，第Ⅱ传动箱18和第Ⅱ机械缸19；第Ⅱ变量泵/马达输出轴与第Ⅱ传动箱的输入端同轴联接，第Ⅱ传动箱的输出端与第Ⅱ机械缸的输入轴同轴联接。
所述的第Ⅰ蓄能器是一个液压蓄能器，或两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
所述的动力源是发动机或电动机。
所述的主液压泵是定量泵，机械式恒压变量泵，恒功率变量泵，比例恒压泵和电比例变排量泵中的一种。
所述的电动/发电机是交流异步电机，步进电机，开关磁阻电机，直流电机和伺服电机中的一种。
所述的电动/发电机和第Ⅰ变量泵/马达通过机械连接或离合器33联接。
所述的第Ⅰ传动箱和第Ⅱ传动箱是齿轮传动箱或带传动箱。
所述的第Ⅰ机械缸和所述的第Ⅱ机械缸中采用行星滚珠丝杠，滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种形式传动。
所述的第Ⅲ变量泵/马达是液体驱动的变量泵/马达或气体驱动的变量泵/马达。
实施例1
一种液电混合驱动的多执行器回路，如图1所示，包括第Ⅰ液压回路1，一个或多个电液机械缸11，一个或多个液压机械缸16，一个或多个第Ⅲ变量泵/马达20，高压管路21和低压管路22；电液机械缸、液压机械缸和第Ⅲ变量泵/马达以并行联接的方式接入第Ⅰ液压回路，它们的第一工作口A与高压管路连通，第二工作口R与低压管路连通。
所述的第Ⅰ液压回路包括动力源2，主液压泵3，第Ⅰ过滤器4，油箱5，第Ⅰ溢流阀6，第Ⅰ单向阀7，第Ⅱ溢流阀8，第Ⅰ蓄能器9，压力传感器10，第Ⅱ单向阀23，第Ⅲ单向阀24和第Ⅱ过滤器25；动力源与主液压泵联接，主液压泵的吸油口通过第Ⅰ过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P与第Ⅰ单向阀的进油口和第Ⅰ溢流阀的进油口连通，第Ⅰ溢流阀的出油口与油箱连通，第Ⅰ单向阀的出油口与第Ⅱ溢流阀的进油口、第Ⅰ蓄能器的进油口、压力传感器的压力端和高压管路连通，第Ⅱ溢流阀的出油口与油箱连通；第Ⅱ单向阀的进油口和第Ⅲ单向阀的出油口与低压管路连通，第Ⅲ单向阀的进油口与油箱连通，第Ⅱ单向阀出油口通过第Ⅱ过滤器与油箱连通。
所述的电液机械缸，如图2、3所示，包括第Ⅰ变量泵/马达12，电动/发电机13，第Ⅰ传动箱14和第Ⅰ机械缸15；其中，第Ⅰ机械缸包括轴承26，丝杠27和活塞杆28；第Ⅰ变量泵/马达与电动/发电机的一个轴联接，电动/发电机的另一个轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴联接；第Ⅰ机械缸由第Ⅰ变量泵/马达和电动/发电机共同驱动。
所述的液压机械缸包括第Ⅱ变量泵/马达17，第Ⅱ传动箱18和第Ⅱ机械缸19；第Ⅱ变量泵/马达输出轴与第Ⅱ传动箱的输入端同轴联接，第Ⅱ传动箱的输出端与第Ⅱ机械缸的输入轴同轴联接。
工作过程：主液压泵在动力源的驱动下提供设定的压力值，并与第Ⅰ蓄能器构成系统的恒压油源，保证高压管路维持在一定的压力水平，从而使各个执行器可以从同一个压力点获取能量。其中，第Ⅲ变量泵/马达驱动负载做旋转运动，电液机械缸和液压机械缸则分别将第Ⅰ变量泵/马达和电动/发电机、第Ⅱ变量泵/马达的旋转运动转换为直线运动，驱动负载作往复直线运动。各执行器均通过调节变量泵/马达的斜盘摆角来适应负载的转矩、转速的变化，还可以在四个象限内工作。在阻抗负载时，变量泵/马达处于“液压马达”工况，在系统输出能量的作用下，作旋转运动；超越负载时，变量泵/马达处于“液压泵”工况，将负载的动、势能转换为液压能，储存在第一液压蓄能器中，实现能量回收，同时电液机械缸中的电动/发电机处于发电状态，将负载的动、势能转换为电能。此外，第Ⅰ蓄能器还有修正压力峰值、稳定压力的优点。
实施例2
林业机械作为一种典型的液压多执行器机械，其工作装置如图4所示，主要包括行驶体34、配置于行驶体34上的回转体35、与回转体连接进行上下方向转动的动臂36、安装在动臂前端的斗杆37、安装在斗杆37前的抓斗38、左行走轮20-1、右行走轮20-2及回转机构20-3。
林业机械的液压系统原理图如图5所示，包括第Ⅱ液压回路29,三个第Ⅲ变量泵/马达20，两个液压机械缸16，电液机械缸11，高压管路21和低压管路22。其中，三个第Ⅲ变量泵/马达、两个液压机械缸和电液机械缸以并行联接的方式接入第Ⅱ液压回路，它们的第一工作口A与高压管路连通，第二工作口R与低压管路连通。电液机械缸用来举升动臂，一个液压机械缸用来驱动斗杆，另一个液压机械缸用来驱动抓斗，两个第Ⅲ变量泵/马达分别驱动左行走轮、右行走轮，使行驶体行走，另一个第Ⅲ变量泵/马达驱动回转机构，使回转体绕行驶体35作回转运动。
第Ⅱ液压回路29包括动力源2，主液压泵3，第Ⅰ过滤器4，油箱5，第Ⅰ溢流阀6，第Ⅰ单向阀7，第Ⅱ溢流阀8，第Ⅰ蓄能器9，压力切换阀30，第Ⅱ蓄能器32，第Ⅲ溢流阀31，压力传感器10，第Ⅱ单向阀23，第Ⅲ单向阀24，第Ⅱ过滤器25。动力源与主液压泵机械联接，主液压泵的吸油口通过第Ⅰ过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P同时与第Ⅰ单向阀的进油口和第Ⅰ溢流阀的进油口连通，第Ⅰ溢流阀的出油口与油箱连通，第Ⅰ溢流阀在这里做安全阀使用，第Ⅰ单向阀的出油口同时与压力切换阀的第一工作油口B、压力传感器的压力端和高压管路连通。压力切换阀的第二工作油口C与第Ⅰ蓄能器的出油口、第Ⅱ溢流阀的进油口连通，压力切换阀的第三工作油口D与第Ⅱ蓄能器的出油口、第Ⅲ溢流阀的进油口连通，第Ⅱ溢流阀、第Ⅲ溢流阀的出油口分别与油箱连通；第Ⅰ蓄能器和第Ⅱ蓄能器通过压力切换阀变换不同工作位置控制其与高压管路连通，实现系统不同压力等级的切换，低压管路与第Ⅱ单向阀的进油口和第Ⅲ单向阀的出油口连通，第Ⅲ单向阀的进油口与油箱连通，第Ⅱ单向阀通过第Ⅱ过滤器与油箱连通，其中，第Ⅱ单向阀的开启压力较高，使低压管路保持一定的回油压力。
所述的电液机械缸包括第Ⅰ变量泵/马达12，电动/发电机13，第Ⅰ传动箱14和第Ⅰ机械缸15。第Ⅰ变量泵/马达与电动/发电机一个轴通过离合器33机械联接，电动/发电机的另一个轴与第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。
所述的液压机械缸包括第Ⅱ变量泵/马达17，第Ⅱ传动箱18和第Ⅱ机械缸19。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。
所述的第Ⅰ蓄能器和第Ⅱ蓄能器是一个液压蓄能器，或两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
所述的动力源是发动机或电动机。
所述的主液压泵是定量泵，机械式恒压变量泵，恒功率变量泵，比例恒压泵和电比例变排量泵中的一种。
所述的电动/发电机是交流异步电机，步进电机，开关磁阻电机，直流电机和伺服电机中的一种。
所述的电动/发电机和第Ⅰ变量泵/马达通过机械连接或离合器33联接。
所述的第Ⅰ传动箱和第Ⅱ传动箱是齿轮传动箱或带传动箱。
所述的第Ⅰ机械缸和第Ⅱ机械缸中采用行星滚珠丝杠，滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种形式传动。
以上所述仅表明了本发明的两种实施方式，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。本发明并不限于林业机械，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 (9)

1.一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：包括第Ⅰ液压回路(1)，一个或多个电液机械缸(11)，一个或多个液压机械缸(16)，一个或多个第Ⅲ变量泵/马达(20)，高压管路(21)和低压管路(22)；电液机械缸、液压机械缸和第Ⅲ变量泵/马达以并行联接的方式接入第Ⅰ液压回路，它们的第一工作口A与高压管路连通，第二工作口R与低压管路连通；
所述的第Ⅰ液压回路包括动力源(2)，主液压泵(3)，第Ⅰ过滤器(4)，油箱(5)，第Ⅰ溢流阀(6)，第Ⅰ单向阀(7)，第Ⅱ溢流阀(8)，第Ⅰ蓄能器(9)，压力传感器(10)，第Ⅱ单向阀(23)，第Ⅲ单向阀(24)和第Ⅱ过滤器(25)；动力源与主液压泵联接，主液压泵的吸油口通过第Ⅰ过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P与第Ⅰ单向阀的进油口和第Ⅰ溢流阀的进油口连通，第Ⅰ溢流阀的出油口与油箱连通，第Ⅰ单向阀的出油口与第Ⅱ溢流阀的进油口、第Ⅰ蓄能器的进油口、压力传感器的压力端和高压管路连通，第Ⅱ溢流阀的出油口与油箱连通；第Ⅱ单向阀的进油口和第Ⅲ单向阀的出油口与低压管路连通，第Ⅲ单向阀的进油口与油箱连通，第Ⅱ单向阀出油口通过第Ⅱ过滤器与油箱连通；
所述的电液机械缸包括第Ⅰ变量泵/马达(12)，电动机(13)，第Ⅰ传动箱(14)和第Ⅰ机械缸(15)；其中，第Ⅰ机械缸包括轴承(26)，丝杠(27)和活塞杆(28)；第Ⅰ变量泵/马达与电动机的一个轴联接，电动机的另一个轴与第Ⅰ传动箱的输入端同轴联接；第Ⅰ机械缸由第Ⅰ变量泵/马达和电动机共同驱动；
所述的液压机械缸包括第Ⅱ变量泵/马达(17)，第Ⅱ传动箱(18)和第Ⅱ机械缸(19)；第Ⅱ变量泵/马达输出轴与第Ⅱ传动箱的输入端同轴联接，第Ⅱ传动箱的输出端与第Ⅱ机械缸的输入轴同轴联接。
2.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：所述的第Ⅰ蓄能器是一个液压蓄能器，或两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
3.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：所述的动力源是发动机或电动机。
4.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：所述的主液压泵是定量泵，机械式恒压变量泵，恒功率变量泵，比例恒压泵和电比例变排量泵中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：所述的电动机是交流异步电机，步进电机，开关磁阻电机，直流电机和伺服电机中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：所述的电动机和第Ⅰ变量泵/马达通过机械连接或离合器(33)联接。
7.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：所述的第Ⅰ传动箱和第Ⅱ传动箱是齿轮传动箱或带传动箱。
8.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：所述的第Ⅰ机械缸和所述的第Ⅱ机械缸中采用行星滚珠丝杠，滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种形式传动。
9.根据权利要求1所述的一种液电混合驱动的多执行器回路，其特征在于：第Ⅲ变量泵/马达是液体驱动的变量泵/马达或气体驱动的变量泵/马达。
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