CN113550370A - 一种混合动力挖掘机节能装置及挖掘机 - Google Patents

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金月峰
刘恩亮
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Abstract

本发明公开了一种混合动力挖掘机节能装置及挖掘机，包括混合动力机构、动臂势能回收机构和回转势能回收机构；混合动力机构包括液压泵、发动机、第一发电机、电动机和超级电容，发动机通过第一离合器与液压泵相连，发动机还与第一发电机相连，第一发电机与超级电容相连，电动机分别与液压泵和超级电容相连；液压泵和动臂势能回收机构通过换向阀与动臂油缸相连，动臂势能回收机构与超级电容相连；回转势能回收机构包括与超级电容相连的回转驱动电机。本发明能够充分回收并利用动臂下降的势能、回转减速制动的惯性势能，实现纯电、增程、混动三种驱动方式，使发动机在最佳燃油经济区域工作，提高发动机的功率利用率，减少燃料的消耗，节能环保。

Description

一种混合动力挖掘机节能装置及挖掘机
技术领域
本发明属于挖掘机技术领域，具体涉及一种混合动力挖掘机节能装置及挖掘机。
背景技术
挖掘机是一种广泛使用的工程机械，在挖掘机施工过程中有多种作业方式，作业对象也有很大的变化，传统的挖掘机在负载功率需求较高或较低时，发动机的工作点不能稳定在经济区，燃油消耗严重。同时，挖掘机在施工过程中要有大量的动臂下降及回转动作，当动臂下降时，其下降势能被液压节流转化为热量而浪费掉；在回转减速制动过程中存在惯性势能，这部分能量无法回收利用，导致产生了大量的热量，造成了能量浪费和零件的损坏。
传统的混合动力挖掘机节能装置中，发动机和液压泵之间的发电电动机仅能实现混合驱动，不能实现纯电驱动或者增程模式，即发动机只给超级电容充电，而液压泵仅由电动机驱动；动臂液压缸无杆腔回油处的蓄能器体积较大，使用困难，且能量不能完全回收；用油/电回转马达替代传统的液压回转马达，虽然能够吸收回转减速制动的能量，但是不能减少使用控制阀和管路所产生的油耗，且控制系统复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种混合动力挖掘机节能装置及挖掘机，能够充分回收并利用动臂下降的势能、回转减速制动的惯性势能，实现纯电、增程、混动三种驱动方式，降低发动机的最高转速，使发动机在最佳燃油经济区域工作，提高发动机的功率利用率，减少燃料的消耗，节能环保。
本发明提供了如下的技术方案：
一种混合动力挖掘机节能装置，包括混合动力机构、动臂势能回收机构和回转势能回收机构；
所述混合动力机构包括液压泵、发动机、第一发电机、电动机和超级电容，所述发动机通过第一离合器与液压泵相连，所述发动机还与第一发电机相连，所述第一发电机与超级电容相连，所述电动机分别与液压泵和超级电容相连；
所述液压泵和动臂势能回收机构通过换向阀与动臂油缸相连，所述动臂势能回收机构与超级电容相连；
所述回转势能回收机构包括与超级电容相连的回转驱动电机。
进一步的，所述超级电容连接有第一变频器，所述第一发电机及电动机均通过第一变频器与超级电容相连。
进一步的，所述超级电容连接有第二变频器，所述动臂势能回收机构及回转驱动电机均通过第二变频器与超级电容相连。
进一步的，所述动臂势能回收机构包括液压马达、与液压马达相连的第二离合器以及与第二离合器相连的第二发电机，所述第二发电机与第二变频器相连。
进一步的，所述回转驱动电机的输出轴上设有与转台齿轮相啮合的回转齿轮。
进一步的，所述换向阀还连接有先导操纵阀，所述先导操纵阀还与第二离合器相连。
一种挖掘机，包括所述的混合动力挖掘机节能装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明包括混合动力机构，当超级电容电量充足时，第一离合器分离，发动机不启动，电动机单独工作驱动液压泵，实现纯电驱动模式，具有平顺、零油耗等优点；保持第一离合器分离，启动发动机，第一发电机发电给超级电容充电，由电动机驱动液压泵，实现增程模式；当超级电容的电量耗尽时，第一离合器结合，启动发动机，实现混合动力驱动，使得负载变化时发动机工作在最佳燃油经济区，提高了发动机的功率利用率；
（2）本发明包括动臂势能回收机构，动臂油缸无杆腔的回油能量被全部反馈给动力系统，动臂下降的势能可以被充分回收和利用，减少热能产生，延长零件使用寿命；
（3）本发明包括回转势能回收机构，通过回收回转减速制动的惯性势能，来辅助回转加速过程，减少发热量，可以延长各部件的使用寿命，同时能量回收能够使燃料消耗及尾气排放降低，节能环保；此外，通过回转驱动电机控制挖掘机的转向，减少了控制阀及管路的使用，减少了油耗，控制系统简单化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中标记为：1、发动机；2、电动机；3、第一离合器；4、液压泵；5、第一发电机；6、第一变频器；7、超级电容；8、第二变频器；9、回转驱动电机；10、第二发电机；11、第二离合器；12、液压马达；13、换向阀；14、动臂油缸；15、先导操纵阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种混合动力挖掘机节能装置，包括混合动力机构、动臂势能回收机构和回转势能回收机构。
混合动力机构包括液压泵4、发动机1、第一发电机5、电动机2和超级电容7，发动机1通过第一离合器3与液压泵4相连，发动机1还与第一发电机5相连，第一发电机5与超级电容7相连，电动机2分别与液压泵4和超级电容7相连。具体的，超级电容7连接有第一变频器6，第一发电机5及电动机2均通过第一变频器6与超级电容7相连。
超级电容7还连接有第二变频器8。动臂势能回收机构包括液压马达12、与液压马达12相连的第二离合器11以及与第二离合器11相连的第二发电机10，第二发电机10通过第二变频器8与超级电容7相连。液压泵4和液压马达12通过换向阀13与动臂油缸14相连，换向阀13还连接有先导操纵阀15，先导操纵阀15可以打开换向阀13使动臂油缸14的有杆腔进油，从而控制动臂下降，先导操纵阀15还与第二离合器11相连。
回转势能回收机构包括通过第二变频器8与超级电容7相连的回转驱动电机9，回转驱动电机9的输出轴上设有与转台齿轮相啮合的回转齿轮。
实施例2
一种挖掘机，包括实施例1所述的混合动力挖掘机节能装置。
本发明的工作原理为：
本发明可以实现三种驱动模式：
（1）纯电模式：当超级电容7电量充足时，发动机1不启动，第一离合器3分离，电动机2单独工作驱动液压泵4；
（2）增程模式：发动机1启动，第一离合器3分离，第一发电机5发电给超级电容7充电，电动机2驱动液压泵4；
（3）混动模式：负载功率需求高时，发动机1启动，第一离合器3结合，电动机2做功，共同驱动液压泵4，使发动机1的输出功率降低，并确保发动机1在最佳燃油工作点工作；负载功率需求低时，电动机2不做功，发动机1启动，驱动液压泵4，第一发电机5根据负载功率需求不发电或者发电，确保发动机1在最佳燃油工作点工作。
动臂油缸14无杆腔回油分两路，分别与液压泵4的进油口和液压马达12的进油口连接。当挖掘机动臂下降时，转动先导操纵阀15，使左先导阀打开，换向阀13被推到左阀位置，第二离合器11结合，液压马达12被带动旋转。动臂油缸14有杆腔进油，无杆腔主要受到重力的压缩，其回油通过换向阀13流到液压泵4的进油口与液压马达12的进油口。此时动臂油缸14的回油量大于进油量，故回油可以在液压泵4的进油口处保持压力，以辅助驱动液压泵4旋转，即液压泵4吸收了动臂油缸14无杆腔回油的液压能量。回油的另一部分流到液压马达12，以驱动液压马达12旋转同时带动第二发电机10发电，此电能通过第二变频器8储存到超级电容7。而当动臂提升时，其动臂油缸14的回油量小于进油量，故回油流到液压泵4的进油口处无阻力，或者通过辅助液压马达12（由于离合器分离处于自由状态）流回油箱。
采用回转驱动电机9代替传统的液压回转马达，回转驱动电机9在回转减速制动过程中处于发电机模式，第二变频器8将回转驱动电机9产生的交流电转换为直流电，即把回转减速制动的惯性势能转化为电能，存储在超级电容7中；回转加速的过程中回转驱动电机9处于电动机模式，第二变频器8将超级电容7的直流电转换为交流电，即释放超级电容7里的电能驱动回转驱动电机9回转启动加速。
综上所述，本发明通过第一发电机和电动机搭配发动机实现挖掘机纯电、增程、混动三种驱动方式，降低发动机的最高转速，使发动机在最佳燃油经济区域工作，提高发动机的功率利用率；本发明通过液压马达和第二发电机能充分吸收动臂下降所产生的重力势能，通过回转驱动电机能充分吸收回转减速制动产生的惯性势能，减少发热量，可以延长各部件的使用寿命，减少燃料的消耗及尾气排放降低，节能环保。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种混合动力挖掘机节能装置，其特征在于，包括混合动力机构、动臂势能回收机构和回转势能回收机构；
所述混合动力机构包括液压泵、发动机、第一发电机、电动机和超级电容，所述发动机通过第一离合器与液压泵相连，所述发动机还与第一发电机相连，所述第一发电机与超级电容相连，所述电动机分别与液压泵和超级电容相连；
所述液压泵和动臂势能回收机构通过换向阀与动臂油缸相连，所述动臂势能回收机构与超级电容相连；
所述回转势能回收机构包括与超级电容相连的回转驱动电机。
2.根据权利要求1所述的混合动力挖掘机节能装置，其特征在于，所述超级电容连接有第一变频器，所述第一发电机及电动机均通过第一变频器与超级电容相连。
3.根据权利要求1所述的混合动力挖掘机节能装置，其特征在于，所述超级电容连接有第二变频器，所述动臂势能回收机构及回转驱动电机均通过第二变频器与超级电容相连。
4.根据权利要求3所述的混合动力挖掘机节能装置，其特征在于，所述动臂势能回收机构包括液压马达、与液压马达相连的第二离合器以及与第二离合器相连的第二发电机，所述第二发电机与第二变频器相连。
5.根据权利要求1所述的混合动力挖掘机节能装置，其特征在于，所述回转驱动电机的输出轴上设有与转台齿轮相啮合的回转齿轮。
6.根据权利要求1所述的混合动力挖掘机节能装置，其特征在于，所述换向阀还连接有先导操纵阀，所述先导操纵阀还与第二离合器相连。
7.一种挖掘机，其特征在于，包括权利要求1~6中任一项所述的混合动力挖掘机节能装置。
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