CN108978773A - 一种挖掘机用多元混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种挖掘机用多元混合动力系统，液压泵的出油口P分别与第一换向阀的P口、第八换向阀的P口连接；第一换向阀的A口、第八换向阀的A口分别与液压泵/马达的A口、第一蓄能器连接；液压泵/马达通过离合器与飞轮连接；液压泵/马达的B口与第七换向阀的A口连接，第七换向阀的P口分别与第三换向阀的P口、第二换向阀的P口和第五换向阀的P口连接；第二换向阀的A口、第三换向阀的A口分别与动臂液压缸的无杆腔、有杆腔连接；第五换向阀的A口与第二蓄能器连接；第六换向阀与液压泵/马达并联；第四换向阀的P口、T口分别与第二换向阀的A口、油箱连接。该系统能进行动臂势能的有效回收，能在需要时综合地将所存储的能量进行再利用。

Description

一种挖掘机用多元混合动力系统

技术领域

本发明属于液压传动技术领域，具体涉及一种挖掘机用多元混合动力系统。

背景技术

液压挖掘机在各类施工领域广泛应用，液压挖掘机具有油耗高、效率低等缺点，其节能研究迫在眉睫。

挖掘机在工作过程中，动臂升降动作频繁，又由于工作装置和负载质量大，在下降过程中会释放出大量的势能。该能量绝大部分消耗在主液压阀节流口并转换为热能，这造成了能量的浪费和系统的发热，同时，也降低了液压元件的寿命。因此，研究动臂势能回收与再利用问题，对延长设备使用寿命，提高能量利用率具有重要意义。

在传动技术领域，混合动力技术成为现阶段提高能量利用效率的重要技术之一。所谓混合动力系统是指整机具备两种或者两种以上类型的动力源，并可以进行能量的回收和再利用的系统。在这些动力源中，一种作为主动力源，其余作为辅助动力源，且至少一种动力源的能量是可逆的。当前，对于混合动力系统辅助动力源的研究主要集中在电力式(蓄电储能)和液压式(液压储能)两方面。

电力式主要采用液压马达、发电机为能量转化元件，蓄电池和超级电容为储能元件，以实现能量的转换和回收。在系统需要能量时，发动机工作在电动机模式下，驱动液压泵/马达工作在泵模式下，对系统输出液压能。但是动臂下降过程的时间非常短(3～6s)，能量值大，所以功率很大。现有技术的蓄电池难以承受如此大的充电/放电功率。而超级电容价格极为昂贵，且其占用空间大，因此电力式回收的实用性不强。液压式能量回收系统以蓄能器为储能元件。其基本工作原理为，当回收系统重力势能时，以高压油液的压力能的形式储存于液压蓄能器中，当系统中需要能量时，储存的油液释放出来进入液压系统工作。液压式回收方案利用了蓄能器功率密度大，能吸收压力冲击等优点，但因蓄能器储存能量的密度低，如果需要储存较多能量时会需要较大体积的蓄能器，进而会占用较大的空间，且蓄能器的安装也非常不方便。此外，蓄能器的压力会随着存储油液的增多而上升，对臂架的下落速度易造成影响。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种挖掘机用多元混合动力系统，该系统能有助于提高原动机的效率，能对动臂下放时的重力势能进行有效回收，并能在系统需要时综合地将所存储的能量进行再利用，以驱动动臂的提升。

为了实现上述目的，本发明提供一种挖掘机用多元混合动力系统，包括原动机、液压泵和动臂液压缸、第六换向阀、第四换向阀和控制器；原动机与液压泵同轴连接；液压泵的吸油口S与油箱连接；液压泵的出油口P分别与第一换向阀的P口、第八换向阀的P口连接；第一换向阀的A口、第八换向阀的A口分别与液压泵/马达的A口、第一蓄能器连接；

液压泵/马达通过离合器与飞轮连接；液压泵/马达的B口与第七换向阀的A口连接，第七换向阀的P口分别与第三换向阀的P口、第二换向阀的P口和第五换向阀的P口连接；第二换向阀的A口、第三换向阀的A口分别与动臂液压缸的无杆腔、有杆腔连接；第五换向阀的A口与第二蓄能器连接；

第六换向阀的A口、P口分别与液压泵/马达的A口、B口连接；第四换向阀的P口、T口分别与第二换向阀的A口、油箱连接；第一换向阀的T口、第三换向阀的T口、第七换向阀的T口均与油箱连接；

第一蓄能器、第二蓄能器上分别连接有第一压力传感器、第二压力传感器；飞轮的壳体上设置有监测飞轮转速的转速传感器；

控制器的输入端分别与第一压力传感器、第二压力传感器、转速传感器和操作手柄的输出端连接，控制器的输出端分别与液压泵、液压泵/马达、离合器、第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、第三换向阀、第四换向阀、第五换向阀、第六换向阀、第七换向阀和第八换向阀连接。

在该技术方案中，通过第一蓄能器的设置能便于进行主动的预储能过程，进而在动臂提升时，能利用储存在第一蓄能器中的能量与原动机一起驱动动臂的提升过程。通过飞轮的设置能便于进行主动的预储能，以在动臂提升时，能利用储存在飞轮中的能量与原动机一起驱动动臂的提升过程。另外，还可以在第一蓄能器与飞轮均储能的前提下，能综合利用储存在飞轮中能量、储存在第一蓄能器中的能量与原动机的能量一起驱动动臂的提升过程。通过第二蓄能器和飞轮的设置，可以在动臂下落时将一部分能量存储到第二蓄能器和飞轮中，在动臂下放结束后，第二蓄能器还能通过泵/马达将存储的能量释放给飞轮，以对飞轮进行二次充能，使第二蓄能器中的能量能进一步转化成飞轮的动能，这样就延长了飞轮的加速时间，即延长飞轮的储能时间，提高了飞轮的能量密度，能有助于减小液压泵/马达的型号，进而能便于减小设备的成本、体积和重量。通过第二蓄能器对飞轮这种二次充能方式能更有助于回收能量的再利用，也能更便于在再利用过程中向外部负载提供出更多的能量。

进一步，为了便于根据实际工况提高飞轮的转速，以提高系统的能量存储密度，并有助于减少系统的体积和重量，在液压泵/马达和离合器之间设置有变速装置，变速装置与控制器连接。

进一步，为了限制所述液压泵/马达的工作压力不会超高，所述液压泵/马达的B口通过第二溢流阀与油箱连接。

进一步，为了在需要时向液压泵/马达的B口补油，以防止吸空，液压泵/马达的B口与第二单向阀的B口连接，第二单向阀的A口与油箱连接。

进一步，为了限制液压泵的工作压力不会超高，所述液压泵的出油口P通过第一溢流阀与油箱连接。

进一步，为了保证油源向外部的稳定供应，所述液压泵的出油口P处串接有第一单向阀。

进一步，所述原动机为柴油机或电动机。

本发明通过使原动机与负载的分离，提高了原动机的效率；通过使用飞轮对动臂重力势能进行回收，减少了能量浪费；通过设置第二蓄能器，不仅可以减轻系统压力突变时对液压泵/马达等元件的冲击，延长其使用寿命，还可以进行部分能量的存储，然后对飞轮进行二次充能，延长飞轮的储能工作时间，从而可以选用较小型号的液压泵/马达，降低了成本，减小了设备的体积和重量；该系统能在系统需要时将存储在飞轮中的能量进行再利用，驱动动臂的提升，减少了对原动机的功率需要，提高了系统的能量利用效率。

附图说明

图1是现有技术中挖掘机动臂与动臂液压缸相配合的结构示意图；

图2是本发明中液压泵/马达的A口进/出高压油液时的四象限工作模式图；

图3是本发明中液压泵/马达的B口进/出高压油液时的四象限工作模式图；

图4是本发明一个实施例的液压原理图；

图5是本发明另一实施例的液压原理图。

图中：1、原动机，100、动臂，200、转台，201、液压泵，202、液压泵/马达，301、第一单向阀，302、第二单向阀，4、动臂液压缸，5、油箱，601、第一压力传感器，602、第二压力传感器，603、转速传感器，701、第一换向阀，702、第二换向阀，703、第三换向阀，704、第四换向阀，705、第五换向阀，706、第六换向阀，707、第七换向阀，708、第八换向阀，8、飞轮，9、离合器，1001、第一溢流阀，1002、第二溢流阀，1101、第一蓄能器，1102、第二蓄能器，12、变速装置。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图4所示，一种挖掘机用多元混合动力系统，包括原动机1、液压泵201和动臂液压缸4、第六换向阀706、第四换向阀704和控制器；原动机1与液压泵201同轴连接,所述原动机1为系统的主动力源,可以为柴油机或电动机；液压泵201的吸油口S与油箱5连接；液压泵201的出油口P分别与第一换向阀701的P口、第八换向阀708的P口连接；第一换向阀701的A口、第八换向阀708的A口分别与液压泵/马达202的A口、第一蓄能器1101连接；液压泵201优先为恒压变量泵，当泵出口压力低于自身设定压力时，所述液压泵的排量维持最大排量；当出口压力达到自身设定压力时，泵的排量自动减小以维持工作压力基本恒定；在极端的情况下，所述液压泵的排量可以减少至接近零，排出的油液仅用于维持系统泄漏。

所述的第一换向阀701优选为两位三通电磁换向阀，当其电磁铁Y1不得电时，P口封闭，A口与T口连通；当电磁铁Y1得电时，P口与A口连通，T口封闭。

所述第八换向阀708为两位两通电磁换向阀，当电磁铁Y8得电时，P口与A口导通；当电磁铁Y8不得电时，P口至A口单向导通，反向截止。

液压泵/马达202通过离合器9与飞轮8连接，所述液压泵/马达202为双向液压二次元件，其排量可以接受电信号成比例的控制，即可以为正排量，也可以为负排量。根据油口进出油液的不同，可以工作在泵模式或马达模式。离合器9得电时吸合，断电时分开。

液压泵/马达202的B口与第七换向阀707的A口连接，第七换向阀707的P口分别与第三换向阀703的P口、第二换向阀702的P口和第五换向阀705的P口连接；第二换向阀702的A口、第三换向阀703的A口分别与动臂液压缸4的无杆腔、有杆腔连接；第五换向阀705的A口与第二蓄能器1102连接；

所述的第七换向阀707为两位三通电磁换向阀，当其电磁铁Y1不得电时，P口封闭，A口与T口连通；当电磁铁Y7得电时，P口与A口连通，T口封闭。

所述第五换向阀705为两位两通电磁换向阀，当电磁铁Y5得电时，P口与A口导通；当电磁铁Y5不得电时，P口与A口截止。

所述第二换向阀702为两位两通电磁换向阀，当其电磁铁Y2不得电时，A口与P口截止；当电磁铁Y2得电时，P口和A口导通。

所述的第三换向阀703优选为两位三通电磁换向阀，当其电磁铁Y1不得电时，P口封闭，A口与T口连通；当电磁铁Y1得电时，P口与A口连通，T口封闭。

第六换向阀706的A口、P口分别与液压泵/马达202的A口、B口连接，所述第六换向阀706为两位两通电磁换向阀，当电磁铁Y6得电时，P口与A口导通；当电磁铁Y5不得电时，P口与A口截止。第四换向阀704的P口、T口分别与第二换向阀702的A口、油箱5连接；第一换向阀701的T口、第三换向阀703的T口、第七换向阀707的T口均与油箱5连接；所述第四换向阀704为两位两通电磁换向阀，当其电磁铁Y2不得电时，P口至T口截止；当电磁铁Y2得电时，P口和T口导通。

为了测量蓄能器内油液的压力，第一蓄能器1101、第二蓄能器1102上分别连接有第一压力传感器601、第二压力传感器602；在飞轮8的壳体的合适部位设置了转速传感器603，以便于测量飞轮的转速，进而了解飞轮的储能状态。

控制器的输入端分别与第一压力传感器601、第二压力传感器602、转速传感器603和操作手柄的输出端连接，控制器的输出端分别与液压泵201、液压泵/马达202、离合器9、第一换向阀701、第二换向阀702、第三换向阀703、第三换向阀703、第四换向阀704、第五换向阀705、第六换向阀706、第七换向阀707和第八换向阀708连接。

如图5所示，在液压泵/马达202和离合器9之间设置有变速装置12，变速装置12与控制器连接。

为了限制所述液压泵/马达的工作压力不会超高，所述液压泵/马达202的B口通过第二溢流阀1002与油箱5连接。所述第二溢流阀的设定压力与第一溢流阀1002的设定压力相当。

液压泵/马达202的B口与第二单向阀302的B口连接，第二单向阀302的A口与油箱5连接。

为了保证可靠的供油过程，所述液压泵201的出油口P处串接有第一单向阀301。

为了限制所述液压泵的工作压力不会超高，所述液压泵201的出油口P通过第一溢流阀1001与油箱5连接。所述第一溢流阀1001的设定压力略高于所述液压泵的恒压设定压力。

定义如下变量：

n_min为飞轮的最小转速；当飞轮转速低于n_min时，停止对外输出能量。

n_max为飞轮的最高转速；当飞轮转速高于n_max时，停止对其继续加速。

n₁为使用原动机对飞轮进行储能时的最高转速；有此关系式：n_min<n₁<n_max。

p_min为动臂下放时，动臂液压缸无杆腔内的最小压力。

p_max为动臂下放时，动臂液压缸无杆腔内的最大压力。

p_a20为第二蓄能器的充气压力。且有此关系式：p_min<p_a20<p_max。

p_a21为第二蓄能器的最小工作压力。此值为保护第二蓄能器的正常工作寿命而设定，略大于其充气压力p_a20。

p_a22为第二蓄能器的最大工作压力。

p_a10为第一蓄能器的充气压力。

p_a1min为第一蓄能器的最小工作压力。此值为保护第一蓄能器的正常工作寿命而设定，略大于其充气压力p_a10。

p_a11为当第一蓄能器达到此压力时，原动机1开始给飞轮充能。

p_a1max为第一蓄能器的最大工作压力。

p_p1s为液压泵201的恒压设定压力。当泵的工作压力小于此值时，液压泵201维持最大排量；当泵的工作压力达到此值，液压泵201自动减小自身排量，维持压力不继续升高。此值略大于动臂提升时动臂液压缸的最大压力。

图1为现有挖掘机中动臂100、转台200和动臂液压缸4的装配结构示意图，其中动臂100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸4的活塞杆做伸缩运动时，即可带动动臂100做提升和下放动作。

图2为A口进/出高压油液时液压泵/马达202的四象限工作模式图。图3为B口进/出高压油液时液压泵/马达202的四象限工作模式图。定义液压泵/马达202的斜盘角度(可视为排量)向左摆动为正，传动轴的顺时针旋转方向为正。

从图2中可以看出，在A口流入或流出高压油液时液压泵/马达202可以工作泵模式或马达模式下。

当液压泵/马达202工作在图2的第一象限时，为马达模式。液压泵/马达202的斜盘角度为正，传动轴的旋向也为正。此时，液压泵/马达202将流入A口的高压油液的压力能转化为机械能输出。

当液压泵/马达202工作在图2的第二象限时，为泵模式。与第一象限相比，液压泵/马达202的斜盘角度由正变负。在传动轴旋转方向仍为正的情况下，液压泵/马达202的A口排出高压油液，传动轴的机械能转化为油液的压力能输出。

当液压泵/马达202工作在图2的第三象限时，工作模式与第一象限相同，为马达模式。液压泵/马达202的斜盘角度为负。同时，传动轴的旋转方向也为负。液压泵/马达202将流入A口的高压油液的压力能转化为传动轴的机械能输出。

当液压泵/马达202工作在图2的第四象限时，为泵模式。液压泵/马达202的斜盘角度与第一象限一致，为正。在传动轴旋转方向为负的情况下，液压泵/马达202的A口排出高压油液，传动轴的机械能转化为油液的压力能输出。

从图3中也可以看出，在B口流入或流出高压油液时液压泵/马达202同样可以工作泵模式或马达模式下。

当液压泵/马达202工作在图3的第一象限时，为泵模式。液压泵/马达202的斜盘角度为正，传动轴的旋向也为正。此时，液压泵/马达202吸收机械能，将其转化为油液的压力能由B口输出。

当液压泵/马达202工作在图3的第二象限时，为马达模式。液压泵/马达202的斜盘角度由正变负，B口进入高压油液，A口排出低压油液，同时将油液的压力能转化为传动轴的机械能输出。此时液压泵/马达202的斜盘角度为负，但传动轴的旋转方向为正。

当液压泵/马达202工作在图3的第三象限时，工作模式与第一象限相同，为泵模式。液压泵/马达202的斜盘角度为负。同时，传动轴的旋转方向也为负。液压泵/马达202吸收机械能，并由B口排出高压油液，将传动轴的机械能转化为油液的压力能输出。

当液压泵/马达工作202在图3的第四象限时，为马达模式。液压泵/马达202的斜盘角度与第一象限一致，为正。液压泵/马达202的B口进入高压油液，A口排出低压油液，将油液的压力能转化为传动轴的机械能输出。但传动轴的旋转方向为负。

综上所述，液压泵/马达202可以根据油液的进出口和旋向不同工作在泵模式或马达模式。在本发明，液压泵/马达202仅可能工作在图2和图3中的部分工况下。

工作原理：

结合图2至图4，对本发明的工作原理做进一步的说明。

设备初始条件下，飞轮8是静止的，没有存储能量。启动原动机1，液压泵201在原动机1的驱动下从S口吸入油液，P口排出高压油液。因第一换向阀701的电磁铁Y1不得电，故液压泵201排出的油液经第一单向阀301、第八换向阀708的P口至A口，进入第一蓄能器1101，为蓄能器充液。当充入第一蓄能器的油液使压力上升至液压泵201的恒压设定压力p_p1s时(通过第一压力传感器601测得)，液压泵201自动调整自身排量至最小，减小对原动机1的能量消耗。

一、飞轮储能过程

第一压力传感器601实时测量第一蓄能器1101的工作压力，并将压力信号以电信号的形式送至控制器。当第一压力传感器601测得的压力值达到某一设定值p_a11，且转速传感器603测得飞轮8的转速低于n₁时，控制器使第一换向阀701的电磁铁Y1得电，同时使离合器9得电吸合。控制器调整液压泵/马达202排量使之工作在马达模式，结合图2，液压泵/马达202工作在第一象限。此时，液压泵201排出的油液经第一单向阀301、第一换向阀701的P口至A口，流入液压泵/马达202的A口；液压泵/马达202的B口排出的油液经第七换向阀707的A口至T口流回油箱。液压泵/马达202此时对外输出动力，通过离合器9驱动飞轮8加速旋转。

当飞轮8的转速达到n₁后，控制器使第一换向阀701的电磁铁Y1断电，液压泵/马达202排量回零，同时控制离合器9断电分离液压泵/马达202与飞轮的连接，系统停止向飞轮8储能。飞轮8以当前转速维持待命状态。若考虑摩擦损失等因素，转速会缓慢下降。

二、原动机与第一蓄能器驱动动臂提升(飞轮没有储存能量的情况下)：

如果设备启动后，操作人员立即操作手柄进行动臂100提升，飞轮8来不及储存能量，此时只能依靠原动机1和第一蓄能器1101驱动动臂100的提升动作。控制器接收到操作手柄的动臂100提升信号后，使第一换向阀701的电磁铁Y1、第二换向阀702的电磁铁Y2、第六换向阀706的电磁铁Y6、第七换向阀707的电磁铁Y7和第八换向阀708的电磁铁Y8得电。液压泵/马达202的排量为零，其A口与B口截止。

液压泵201在原动机1的驱动下从油箱5吸油，P口排出的油液经第一单向阀301的A口至B口流出。来自第一蓄能器1101的油液经第八换向阀708的A口至P口流出。二者汇合后，经第一换向阀701的P口至A口、第六换向阀706的A口至P口、第七换向阀707的A口至P口、第二换向阀702的P口至A口，流入动臂液压缸4的无杆腔。动臂液压缸4有杆腔的油液经第三换向阀703的A口至T流回油箱。动臂液压缸4的活塞杆伸出，使动臂100提升。

如果液压泵201的出口压力超过第一蓄能器1101内的压力时，不仅第一蓄能器1101内的油液不会流出，反而会有部分液压泵201的油液经第八换向阀708的P口至A口，流入第一蓄能器1101内。

操作人员经操作手柄复位后，控制器使各阀的电磁铁均断电。原动机1驱动液压泵201工作，继续给第一蓄能器1101充液。重复第一阶段的工作。

三、混合动力驱动动臂提升(飞轮有储存能量的情况下)：

若飞轮8的转速大于n_min，说明有可供利用的能量。此时可以同时利用原动机1和飞轮8驱动动臂100的提升动作。当控制器接收到操作手柄的动臂提升信号时，控制器使第一换向阀701的电磁铁Y1、第二换向阀702的电磁铁Y2和第七换向阀707的电磁铁Y7得电，同时控制离合器9得电吸合。控制器还同时给液压泵/马达202控制信号，调整其排量大小。此时的液压泵/马达202工作在泵模式，结合图3，液压泵/马达202工作在第一象限。控制器可以通过控制其排量大小可以控制动臂液压缸4的运动速度。

液压泵201在原动机1的驱动下从油箱5吸油，P口排出的油液依次经第一单向阀301后与第一蓄能器1101的油液汇合，再经第一换向阀701的P口至A口、液压泵/马达202的A口至B口、第七换向阀707的A口至P口、第二换向阀702的P口至A口，流入动臂液压缸4的无杆腔。动臂液压缸4有杆腔的油液经第三换向阀703的A口至T流回油箱。动臂液压缸4的活塞杆伸出，使动臂100提升。

动臂100提升的过程中，飞轮8的转速会逐渐降低。当转速小于最低转速n_min时，控制器使离合器9断电分离，飞轮8停止对外输出能量。此时，动臂100提升完全由液压泵201产生的高压油液完成。为避免液压泵/马达202超速，控制器使第六换向阀706的电磁铁Y6得电，液压泵201排出的油液可以经第六换向阀706旁通。

操作人员经操作手柄复位后，控制器使各阀的电磁铁均断电，动臂液压缸4停止运动。系统重复第一阶段的工作。

在此过程中，从能量流的角度看，原动机1的机械能通过液压泵201转化成油液的压力能后，与第一蓄能器1101流出的压力能汇合，在液压泵/马达202中在汇合飞轮8的能量，最终以油液的压力能的形式从液压泵/马达202的B口排出，并最终供给动臂液压缸4驱动动臂100运动。可见，系统利用了来自飞轮8的动能、来自第一蓄能器1101的压力能和来自原动机的机械能共三种能量形式，可以称为多元混合动力系统。

四、能量回收过程

当操作人员操作手柄进行动臂100下放时，控制器使第二换向阀702的电磁铁Y2、第三换向阀703的电磁铁Y3、第五换向阀705的电磁铁Y5、第七换向阀707的电磁铁Y7得电，同时使离合器9得电吸合。控制器同时给液压泵/马达202控制信号，调整其排量大小，使之工作在马达模式。结合图3，液压泵/马达202工作在第二象限。

动臂液压缸4的活塞杆在动臂100的重力推动作用下缩回。动臂液压缸4的无杆腔排油，经第二换向阀702的A口至P口流出。一部分油液经第三换向阀703的P口至A口流入动臂液压缸4的有杆腔，防止其有杆腔出现吸空。另一部分油液经第七换向阀707的P口至A口，流入液压泵/马达202。当油液的压力因为负载波动等原因出现升高时，还有一部分油液经第五换向阀705的P口至A口再流入第二蓄能器1102内存储起来。

液压泵/马达202工作在马达模式下，A口排出的油液经第一换向阀701的A口至T口流回油箱5。其输出轴通过离合器9驱动飞轮8加速旋转，油液的压力能转化成飞轮8的动能。

从能量流的角度看，在动臂100的下放过程中，动臂100的势能首先通过动臂液压缸4转化成油液的压力能，然后通过液压泵/马达202将油液的压力能转化成飞轮8的动能，实现了对动臂100重力势能的回收。第二蓄能器1102则以压力能的形式对动臂100的重力势能进行回收。

操作人员经操作手柄复位后，控制器使第二换向阀702的电磁铁Y2、第三换向阀703的电磁铁Y3及离合器9均断电，动臂液压缸4停止运动。

五、飞轮二次加速过程

动臂100停止下放后，控制器保持第五换向阀705的电磁铁Y5和第七换向阀707的电磁铁Y7得电，离合器9得电吸合。第二蓄能器1102内的高压油液经第五换向阀705的A口至P口、第七换向阀707的P口至A口，流入液压泵/马达202的B口。液压泵/马达202的A口的油液经第一换向阀701的A口至T口流回油箱5。

控制器实时调整液压泵/马达202的排量，使之驱动飞轮8继续加速。结合图3，液压泵/马达202仍工作在第二象限。这时，在动臂100下放过程中存储在第二蓄能器1102内的压力能，转化成飞轮8的动能，实现了对飞轮8的二次加速。

在上述的飞轮8二次加速过程中，如果转速传感器603检测到飞轮8的转速超过了其最高转速n_max，控制器使第五换向阀705的电磁铁Y5和第七换向阀707的电磁铁Y7断电，离合器9断电分离，故第二蓄能器1102内的压力能停止用于加速飞轮8。在很短的时间内，液压泵/马达202会在惯性的作用下继续旋转，油箱5内的油液可以经第二单向阀302或第七换向阀707向液压泵/马达202的B口补油，防止吸空。

因为挖掘机的动臂下落时一般为空载，而动臂提升时多为重载，因此第二蓄能器1102内存储的压力较动臂提升时需要的压力低，不容易在动臂100提升时被利用。飞轮8的动能是通过液压泵/马达202转化成油液的压力能进行利用的，该油液的压力取决于负载的大小，故将第二蓄能器1102内的压力能转化为飞轮8的动能，更有利于能量的再利用。

第二蓄能器1102的存在，延长了飞轮8的加速(充能)时间。对于同样的可回收能量，延长加速(充能)时间，意味着可以选用较小型号的液压泵/马达。这对减小设备的成本、体积和重量，都是有积极意义的。

六、动臂挖掘

当挖掘机的铲斗下降到接触地面时，动臂100不能在依靠自身重力下落，这时需要有可能需要动臂100主动向下挖掘。此时，控制器使第三换向阀703的电磁铁Y3、第四换向阀704的电磁铁Y4、第七换向阀707的电磁铁Y7得电，同时使离合器9得电吸合。控制器调整液压泵/马达6排量使之工作在泵模式，对外输出高压油液。结合图3，此时液压泵/马达202工作在第一象限。

液压泵/马达202在飞轮8的驱动下工作，其B口排出的高压油液经第七换向阀707的A口至P口、第三换向阀703的P口至A口，流入动臂液压缸4的有杆腔。动臂液压缸4无杆腔的油液经第四换向阀704的P口至T口流回油箱。动臂液压缸4带动动臂100产生向下的力，进行挖掘动作。

因为第二溢流阀1002的设定压力高于液压泵201的恒压设定压力，故动臂液压缸4在飞轮8和液压泵/马达202的作用下可以产生比在原动机1和液压泵201的作用下更大的挖掘力。

作为一种简化配置，可以省略第六换向阀706。当需要液压泵201和/或第一蓄能器1101内的油液供给动臂液压缸4而飞轮8不参与工作时，可以控制液压泵/马达202的排量不为零，让油液直接流经液压泵/马达202。因为离合器9不得电，理论上液压泵/马达202消耗的能量极少。但是要注意液压泵/马达202的排量不能太小，防止转速过高造成损害或寿命缩减。

如图5所示，作为第二实施例，可以在液压泵/马达202与离合器9之间串接变速装置12，如图5所示。该变速装置12可以是无级变速装置，也可以是有级变速装置，还可以是固定传动比的变速装置。增加适当的变速装置，可以提高飞轮8的转速，提高系统的能量存储密度，减少系统的体积和重量。

Claims (7)

1.一种挖掘机用多元混合动力系统，包括原动机(1)、液压泵(201)和动臂液压缸(4)，原动机(1)与液压泵(201)同轴连接，液压泵(201)的吸油口S与油箱(5)连接，其特征在于，还包括第六换向阀(706)、第四换向阀(704)和控制器；

液压泵(201)的出油口P分别与第一换向阀(701)的P口、第八换向阀(708)的P口连接；第一换向阀(701)的A口、第八换向阀(708)的A口分别与液压泵/马达(202)的A口、第一蓄能器(1101)连接；

液压泵/马达(202)通过离合器(9)与飞轮(8)连接；液压泵/马达(202)的B口与第七换向阀(707)的A口连接，第七换向阀(707)的P口分别与第三换向阀(703)的P口、第二换向阀(702)的P口和第五换向阀(705)的P口连接；第二换向阀(702)的A口、第三换向阀(703)的A口分别与动臂液压缸(4)的无杆腔、有杆腔连接；第五换向阀(705)的A口与第二蓄能器(1102)连接；

第六换向阀(706)的A口、P口分别与液压泵/马达(202)的A口、B口连接；第四换向阀(704)的P口、T口分别与第二换向阀(702)的A口、油箱(5)连接；第一换向阀(701)的T口、第三换向阀(703)的T口、第七换向阀(707)的T口均与油箱(5)连接；

第一蓄能器(1101)、第二蓄能器(1102)上分别连接有第一压力传感器(601)、第二压力传感器(602)；飞轮(8)的壳体上设置有监测飞轮(8)转速的转速传感器(603)；

控制器的输入端分别与第一压力传感器(601)、第二压力传感器(602)、转速传感器(603)和操作手柄的输出端连接，控制器的输出端分别与液压泵(201)、液压泵/马达(202)、离合器(9)、第一换向阀(701)、第二换向阀(702)、第三换向阀(703)、第三换向阀(703)、第四换向阀(704)、第五换向阀(705)、第六换向阀(706)、第七换向阀(707)和第八换向阀(708)连接。

2.根据权利要求1所述的一种挖掘机用多元混合动力系统，其特征在于，在液压泵/马达(202)和离合器(9)之间设置有变速装置(12)，变速装置(12)与控制器连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机用多元混合动力系统，其特征在于，所述液压泵/马达(202)的B口通过第二溢流阀(1002)与油箱(5)连接。

4.根据权利要求3所述的一种挖掘机用多元混合动力系统，其特征在于，液压泵/马达(202)的B口与第二单向阀(302)的B口连接，第二单向阀(302)的A口与油箱(5)连接。

5.根据权利要求4所述的一种挖掘机用多元混合动力系统，其特征在于，所述液压泵(201)的出油口P通过第一溢流阀(1001)与油箱(5)连接。

6.根据权利要求5所述的一种挖掘机用多元混合动力系统，其特征在于，所述液压泵(201)的出油口P处串接有第一单向阀(301)。

7.根据权利要求6所述的一种挖掘机用多元混合动力系统，其特征在于，所述原动机(1)为柴油机或电动机。