CN114908834A

CN114908834A - 一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机

Info

Publication number: CN114908834A
Application number: CN202210707509.4A
Authority: CN
Inventors: 王军年; 朱振华; 强越; 周子栋; 刘哲
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2042-06-21
Also published as: CN114908834B

Abstract

本发明公开了一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，包括：前车体和后车体，通过铰接点连接，分别置于前车桥和后车桥之上；柴油发动机；离合器；油泵；主阀组；前轴分阀组，包括前轴驱动阀组、前轴制动阀组、工作分配阀组和转向分配阀组；后轴分阀组，包括后轴驱动阀组和后轴制动阀组；前轴轮毂液压马达和后轴轮毂液压马达；前轴湿式制动器和后轴湿式制动器；转向油缸；动臂油缸、摇臂油缸和其他机构。本发明结构简单，易于布置，传动效率高，油耗低。同时本发明通过控制所述柴油发动机、所述油泵、所述主阀组、所述前轴分阀组和所述后轴分阀组的工作状态，可实现前驱、后驱、四驱和蠕行四种模式的切换，以满足复杂多变的作业工况。

Description

一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机

技术领域

本发明涉及节能型工程机械领域，特别涉及一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机。

背景技术

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业或清扫作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。

装载机铲装运输的一个作业循环由前进、铲装、后退、前进(动臂提升)、卸料、后退(动臂下降)6个工作段构成，周期较短，载荷变化频繁且变化范围很大，整车频繁起停，驾驶员需要频繁加减油门、变换挡位、控制转向、操控液压系统。其作业工况复杂多变，作业范围广，作业环境恶劣。因此导致发动机输出功率频繁变化，波动性很大，且不断启停，使发动机大部分时间处于低效率区，并且联合工况作业时对峰值功率的需求很大，因此不可避免地选择大功率发动机，使得装载机在大多数时间内处于“大马拉小车”的情况，油耗高，排放性差，发动机寿命较低。

传统的装载机由柴油发动机、液力变矩器、变速器和前后驱动桥组成。其中液力变矩器有三个泵，工作泵用于翻斗举升，转向泵用于转向，行走泵用于驱动变速器。由于其油耗高，排放性差，因此提出了油液混合和油电混合动力系统的装载机。目前，行业内的一些公司和有关高校已经在这两方面取得了一些进展。如：公开号US8914177B2的专利“HYBRIDWHEEL LOADER”的串联油电混合装载机，由发动机/电机发电，然后由电机驱动前后车轮，同时发动机/电机还驱动油泵，给工作装置供能，电池起“削峰填谷”的作用，使发动机保持在高效稳定区，减少能耗，排放性好。公开号CN209365888U的专利“一种油电混合动力装载机用传动装置”的并联油电混合装载机，可根据装载机的工作状况，提供多种传动模式。公开号CN202219726U的专利“轮毂马达液压驱动系统”的油液混合动力系统，采用前轮由轮毂液压马达驱动，后轮由发动机驱动，适用于附着系数较小的路面，当后轮打滑时，可通过前轮液压马达驱动，提高通过性。

但以上的装载机动力系统要么未考虑装载机本身的结构为铰接车辆，使得整车的布置复杂困难，容易与转向产生干扰，工作僵硬，难以适应一些恶劣环境，要么能耗较高，效率较低。鉴于此，发明了一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机。该发明充分利用了发动机的高效率区域，节约了燃料和减少了排放污染，同时将变矩器、变速器、差速器等机械部件换成各种油液管路和阀，使其易于集成，同时将驱动、制动、转向、工作液压系统集成在一起，占用体积小，显著降低车重和成本，同时液压系统的传动效率极高，可显著降低能耗。采用轮毂液压马达，可适应装载机恶劣的作业环境以及复杂多变的作业工况，能显著提高坏路面通过性能，安全性能高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，提高发动机的负荷率和传动系统效率，以及车辆布置更简洁。并可根据负载功率的变化提供不同的驱动模式，从而使装载机适应恶劣的作业环境以及复杂多变的作业工况。

本发明提供的技术方案为：一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，包括：

前车体通过铰接点与后车体连接，并与铲斗连接，所述前车体和所述后车体分别置于前车桥和后车桥之上，所述前车桥和所述后车桥分别机械连接前车轮和后车轮；

柴油发动机，其输出轴连接离合器的主动盘；

油泵，其输入轴连接所述离合器的从动盘毂输出轴，吸入管通过过滤器，连接油箱吸取液压油；

主阀组，吸入管连接油泵，排出管连接后轴分阀组、前轴分阀组和散热装置；

所述后轴分阀组的排出管分别与后轴轮毂液压马达和后轴湿式制动器通过液压管路连接，所述前轴分阀组的排出管分别与前轴轮毂液压马达、前轴湿式制动器、转向油缸、动臂油缸、摇臂油缸和其他机构通过液压管路连接；

所述前轴轮毂液压马达驱动所述前车轮，所述后轴轮毂液压马达驱动所述后车轮；

控制单元，分别与所述柴油发动机、所述离合器、所述油泵、所述主阀组、所述前轴分阀组和所述后轴分阀组采用电信号连接。

优选的是，所述主阀组由四个两位两通换向阀、高压蓄能器、溢流阀、单向阀组成，所述两位两通换向阀分别连通所述高压蓄能器、所述前轴分阀组、所述散热装置和所述后轴分阀组，同时所述高压蓄能器通过所述单向阀、所述溢流阀接通所述油箱。

优选的是，所述后轴分阀组由后轴制动阀组和后轴驱动阀组组成，其各自排出管分别连通所述后轴湿式制动器和所述后轴轮毂液压马达。

优选的是，所述前轴分阀组由前轴驱动阀组、工作分配阀组、转向分配阀组、前轴制动阀组组成，所述前轴驱动阀组的排出管连通所述前轴轮毂液压马达，所述工作分配阀组的排出管分别连接所述动臂油缸、所述摇臂油缸和所述其他机构，所述转向分配阀组的排出管连通所述转向油缸，所述前轴制动阀组的排出管连通所述前轴湿式制动器。

优选的是，所述油泵可采用容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高的轴向柱塞变量泵；

所述前轴轮毂液压马达和所述后轴轮毂液压马达采用的是径向柱塞定量马达。

优选的是，其可以工作在四种驱动模式包括：前驱模式、后驱模式、四驱模式以及蠕行模式；

其中，所述前驱模式下，所述柴油发动机启动，所述离合器接合，所述油泵启动，后轴驱动阀组断开，前轴驱动阀组接通以驱动所述前轴轮毂液压马达，从而实现车辆行驶，同时所述高压蓄能器对负载功率波动进行补偿，使所述柴油发动机始终处于高效率稳定工作区输出动力；当需要转向时，转向分配阀组接通，驱动所述转向油缸进行转向；当需要制动时，前轴制动阀组和后轴制动阀组接通所述前轴湿式制动器和所述后轴湿式制动器，实现车辆制动；

所述后驱模式下，所述柴油发动机启动，所述离合器接合，所述油泵启动，所述前轴驱动阀组断开，所述后轴驱动阀组接通以驱动所述后轴轮毂液压马达，从而实现车辆行驶，同时所述高压蓄能器对负载功率波动进行补偿，使所述柴油发动机始终处于高效率稳定工作区输出动力；当需要转向时，所述转向分配阀组接通，驱动所述转向油缸进行转向；当需要制动时，所述前轴制动阀组和所述后轴制动阀组接通所述前轴湿式制动器和所述后轴湿式制动器，实现车辆制动，当需要作业时，工作分配阀组接通，驱动所述动臂油缸、所述摇臂油缸和所述其他机构，实现车辆作业；

所述四驱模式下，所述柴油发动机启动，所述离合器接合，所述油泵启动，所述前轴驱动阀组接通以驱动所述前轴轮毂液压马达，所述后轴驱动阀组接通以驱动所述后轴轮毂液压马达，从而实现车辆行驶，同时所述高压蓄能器对负载功率波动进行补偿，使所述柴油发动机始终处于高效率稳定工作区输出动力；当需要转向时，所述转向分配阀组接通，驱动所述转向油缸进行转向；当需要制动时，所述前轴制动阀组和所述后轴制动阀组接通，实现车辆制动；当需要作业时，所述工作分配阀组接通所述前轴湿式制动器和所述后轴湿式制动器，驱动所述动臂油缸、所述摇臂油缸和所述其他机构，实现车辆作业；

所述蠕性模式，所述柴油发动机关闭，所述离合器断开，所述油泵关闭，所述高压蓄能器供能，驱动车辆短距离低速行驶、转向或制动。

优选的是，控制单元根据装载机的实际工况自动输出不同驱动模式的控制信号或根据操作者意愿人为产生不同驱动模式的控制信号，从而控制所述柴油发动机的油门开度，所述离合器的通断，所述油泵的排量，所述主阀组、所述前轴分阀组和所述后轴分阀组的各个电磁阀的通断和阀芯位置，实现驱动模式的切换控制。

本发明的有益效果是：

1.本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机通过液压管路驱动前桥，而非传统的传动轴加万向节，易于布置，可减少转向干扰，同时减少驱动转速和转矩波动，便于精确控制。

2.本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机将变矩器、变速器、差速器等机械部件换成各种全液压的管路和阀，同时将驱动、制动、转向、工作液压系统集成在一起，易于实现装载机驱动、制动、转向和工作的一体化控制。其结构简单，体积小，易于布置，可显著降低车重和成本，同时全液压系统的传动效率极高，可显著降低能耗，提高燃油经济性。

3.本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机在运行时，可根据不同的负载功率，在高压蓄能器提供功率补偿的作用下，发动机始终处于高效稳定的工作区，可同时满足车辆高速行驶和低速作业的高功率要求，提高了发动机的燃油利用率，减少了排放污染。

本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机采用轮毂液压马达驱动车轮，可适应装载机恶劣的作业环境以及复杂多变的作业工况，能显著提高坏路面通过性能，安全性能高。并且轮毂液压马达还能实现制动能量回收，可显著节约能量。

附图说明

图1为本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机动力系统的结构简图。

图2为本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机主阀组结构图。

图3为本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机后轴分阀组结构图。

图4为本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机前轴分阀组结构图。

图5为本发明的全液压行走和作业混合动力轮式装载机工作分配阀组结构图。

图6为本发明所述的全液压行走和作业混合动力轮式装载机转向分配阀组结构图。

图例说明：1、后车体；2、后轴分阀组；3、后车桥；4、后车轮；5、后轴轮毂液压马达；6、后轴湿式制动器；7、柴油发动机；8、离合器；9、油泵；10、过滤器；11、油箱；12、主阀组；13、转向油缸；14、前轴轮毂液压马达；15、前车轮；16、前轴湿式制动器；17、前桥；18、前车体；19、前轴分阀组；20、动臂油缸；21、摇臂油缸；22、其他机构；23、铲斗；24、控制单元；25、散热装置；100、溢流阀；101、单向阀；102、高压蓄能器；103、两位两通换向阀a；104、两位两通换向阀b；105、两位两通换向阀c；106、两位两通换向阀d；200、后轴驱动阀组；201、后轴制动阀组；300、前轴驱动阀组；301、工作分配阀组；302、转向分配阀组；303前轴制动阀组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1至图6所示，本发明是用于提高混合动力装载机节能化水平的一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机。本发明所述装载机混合动力系统包括前车体18、前车轮15、前轴轮毂液压马达14、前轴湿式制动器16、前桥17、后车体1、后车轮4、后轴轮毂液压马达5、后轴湿式制动器6、后桥3、转向油缸13、铲斗23。所述前车体18包含前轴分阀组19，所述后车体1包含柴油发动机7、离合器8、油泵9、过滤器10、油箱11、主阀组12、后轴分阀组2、散热器25、控制单元24，所述铲斗23包含动臂油缸20、摇臂油缸21、其他机构22。所述主阀组12由溢流阀100、单向阀101、高压蓄能器102、两位两通换向阀a103、两位两通换向阀b104、两位两通换向阀c105、两位两通换向阀d106组成，所述后轴分阀组2由后轴驱动阀组200、后轴制动阀组201组成，所述前轴分阀组19由前轴驱动阀组300、工作分配阀组301、转向分配阀组302、前轴制动阀组303组成。所述后轴驱动阀组200和后轴制动阀组201具体结构详见图3，所述前轴驱动阀组300和前轴制动阀组303具体结构详见图4，所述工作分配阀组301具体结构详见图5，所述转向分配阀组302具体结构详见图6。

前车体18与后车体1通过铰接点连接，且与铲斗23连接，其置于前桥17之上。后车体1置于后桥3之上。两个转向油缸13分别设在铰接点的左右两侧，每个转向油缸13的两端分别与前车体18和后车体1连接，在装载机转向时，可通过两个转向油缸13的伸缩配合运动施加转向力，并配后前车轮15的差速运动实现装载机的转向。

后车体1中，柴油发动机7的输出轴与离合器8的主动盘机械固连，离合器8的从动盘毂输出轴与油泵9的输入轴机械连接。油泵9的吸入管通过过滤器10与油箱11接通，排出管与主阀组12相连。主阀组12排出管分别与前轴分阀组19、后轴分阀组2和散热装置25连接。前轴分阀组19的排出管分为四条支路，一支进入转向油缸13，用于转向，一支进入前轴轮毂液压马达14，用于驱动前车轮15，一支进入前轴湿式制动器16，用于制动，一支进入动臂油缸20、摇臂油缸21和其他机构22，用于作业。后轴分阀组2分为两条支路，一支进入后轴轮毂液压马达5，用于驱动后车轮4，一支进入后轴湿式制动器6，用于制动。散热装置25用于给柴油发动机7散热。

主阀组12结构如图2所示，油泵9输入管路分别与两位两通换向阀a103、两位两通换向阀b104、两位两通换向阀c105、两位两通换向阀d106的A通道口连接，两位两通换向阀a103的P通道与高压蓄能器102连接，两位两通换向阀b104的P通道与前轴分阀组19连接，两位两通换向阀c105的P通道与散热装置25连接，两位两通换向阀d106的P通道与后轴分阀组2，换向阀用于控制油泵9与高压蓄能器102、前轴分阀组19、散热装置25、后轴分阀组2的通断，且均是常开电磁阀。高压蓄能器102还通过单向阀101和溢流阀100与油箱11相连。

后轴分阀组2结构如图3所示，主要置于后桥3之上，两位两通换向阀d106的输入管路分别与后轴驱动阀组200和后轴制动阀组201连接，后轴驱动阀组200的输出管与后轴轮毂液压马达5的输入端连接，后轴制动阀组201的输出管与后轴湿式制动器6的输入端连接。

前轴分阀组19结构如图4所示，主要置于前桥17之上，两位两通换向阀b104的输入管路分别与前轴驱动阀组300、工作分配阀组301、转向分配阀组302、前轴制动阀组303连接，前轴驱动阀组300的输出管与前轴轮毂液压马达14的输入端连接，前轴制动阀组303的输出管与前轴湿式制动器16的输入端连接，工作分配阀组301的输出管与动臂油缸20、摇臂油缸21、其他机构22连接，转向分配阀组302与转向油缸13连接。

本发明中，油泵9可采用容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高的轴向柱塞变量泵，前轴轮毂液压马达14和后轴轮毂液压马达5采用径向柱塞定量马达。

控制单元24分别与柴油发动机7、离合器8、油泵9、主阀组12、前轴分阀组19和后轴分阀组2采用电信号连接，用于控制柴油发动机7的油门开度，离合器8的通断，油泵9的排量，主阀组12、前轴分阀组19和后轴分阀组2的各个电磁阀的通断和阀芯位置。控制单元24可根据装载机的实际工况自动输出不同驱动模式的控制信号，或根据操作者意愿人为产生不同驱动模式的控制信号。

本发明通过设置前驱、后驱、四驱以及蠕行模式来满足轮式装载机复杂多变的作业工况，可实现铲装物料、运料(空载直线行驶、空载转弯行驶、满载直线行驶、满载转弯行驶)、卸料、爬坡、转场行驶等工况。

具体的，四种驱动模式描述如下：

1)前驱模式：柴油发动机7启动，离合器8接合，油泵9启动，后轴驱动阀组200断开，前轴驱动阀组300接通以驱动前轴轮毂液压马达14，从而实现车辆行驶。同时高压蓄能器102对负载功率波动进行补偿，使柴油发动机7始终处于高效率稳定工作区输出动力。当需要转向时，转向分配阀组302接通，驱动转向油缸进行转向。当需要制动时，前轴制动阀组303和后轴制动阀组201接通，实现车辆制动。

对于前驱模式，可用作转场行驶，既可实现驱动，又可满足灵活转向的需求。

2)后驱模式：柴油发动机7启动，离合器8接合，油泵9启动，前轴驱动阀组300断开，后轴驱动阀组200接通以驱动后轴轮毂液压马达5，从而实现车辆行驶。同时高压蓄能器102对负载功率波动进行补偿，使柴油发动机7始终处于高效率稳定工作区输出动力。当需要转向时，转向分配阀组302接通，驱动转向油缸进行转向。当需要制动时，前轴制动阀组303和后轴制动阀组201接通，实现车辆制动。当需要作业时，工作分配阀组301接通，驱动动臂油缸20、摇臂油缸21和其他机构22，实现车辆作业。

对于后驱模式，可用作转场行驶、实现铲装物料、运料(空载直线行驶、空载转弯行驶、满载直线行驶、满载转弯行驶)、卸料等工况。

3)四驱模式：柴油发动机7启动，离合器8接合，油泵9启动，前轴驱动阀组300接通以驱动前轴轮毂液压马达14，后轴驱动阀组200接通以驱动后轴轮毂液压马达5，从而实现车辆行驶。同时高压蓄能器102对负载功率波动进行补偿，使柴油发动机7始终处于高效率稳定工作区输出动力。当需要转向时，转向分配阀组302接通，驱动转向油缸进行转向。当需要制动时，前轴制动阀组303和后轴制动阀组201接通，实现车辆制动。当需要作业时，工作分配阀组301接通，驱动动臂油缸20、摇臂油缸21和其他机构22，实现车辆作业。

对于四驱模式，可用作转场行驶、实现铲装物料、运料(空载直线行驶、空载转弯行驶、满载直线行驶、满载转弯行驶)、卸料、爬坡等工况，以及各种后驱打滑无法通过的坏路面。

4)蠕行模式：柴油发动机7关闭，离合器8断开，油泵9关闭，高压蓄能器102供能，驱动车辆行驶、转向或制动。

对于蠕行模式，一般用于低速转场行驶。

装载机的运行工况分为转场行驶和作业，转场行驶时，采用后驱模式，可使前车轮15主要用于转向，后车轮4作为驱动轮，相对于前车轮15作为驱动轮，更不易打滑。同时在转场行驶时，可对高压蓄能器102补压，如此一方面补充高压蓄能器102油压以备后续装载机作业时蓄能器能及时完成补偿驱动，以弥补柴油发动机7功率的不足和功率的波动；另一方面可以将装载机行驶时完成驱动行驶多余的能量利用起来，提升柴油发动机7的负荷率以提高其工作效率。当遇到坏路面无法通过以及爬坡工况时，采用四驱模式，可充分利用四轮地面附着力，提高通过性。

装载机作业工况包括铲料、运料和卸料，采用后驱模式，通过后轴轮毂液压马达5驱动车辆，从而使前轴液压主要用于作业和转向，充分保证作业所需供能。仅当后驱无法通过路面时，采用四驱模式，提高驱动性。同时高压蓄能器102对负载功率波动进行补偿，使柴油发动机7始终处于高效率稳定工作区输出动力。

装载机制动时，无论是转场行驶还是作业时，均可通过后轴液压轮毂液压马达5与后轴驱动阀组200实现制动能量回收，提高了能量利用率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外地修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定地一般概念下，本发明并不限于特定地细节和这里出与描述的图例。

Claims

1.一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，其特征在于，包括：

柴油发动机，其输出轴连接离合器的主动盘；

2.如权利要求1所述的一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，其特征在于，所述主阀组由四个两位两通换向阀、高压蓄能器、溢流阀、单向阀组成，所述两位两通换向阀分别连通所述高压蓄能器、所述前轴分阀组、所述散热装置和所述后轴分阀组，同时所述高压蓄能器通过所述单向阀、所述溢流阀接通所述油箱。

3.如权利要求1所述的一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，其特征在于，所述后轴分阀组由后轴制动阀组和后轴驱动阀组组成，其各自排出管分别连通所述后轴湿式制动器和所述后轴轮毂液压马达。

4.如权利要求1所述的一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，其特征在于，所述前轴分阀组由前轴驱动阀组、工作分配阀组、转向分配阀组、前轴制动阀组组成，所述前轴驱动阀组的排出管连通所述前轴轮毂液压马达，所述工作分配阀组的排出管分别连接所述动臂油缸、所述摇臂油缸和所述其他机构，所述转向分配阀组的排出管连通所述转向油缸，所述前轴制动阀组的排出管连通所述前轴湿式制动器。

5.如权利要求1所述的一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，其特征在于，所述油泵可采用容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高的轴向柱塞变量泵；

6.如权利要求1所述的一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，其特征在于，其可以工作在四种驱动模式包括：前驱模式、后驱模式、四驱模式以及蠕行模式；

7.如权利要求6所述的一种全液压行走和作业混合动力轮式装载机，其特征在于，控制单元根据装载机的实际工况自动输出不同驱动模式的控制信号或根据操作者意愿人为产生不同驱动模式的控制信号，从而控制所述柴油发动机的油门开度，所述离合器的通断，所述油泵的排量，所述主阀组、所述前轴分阀组和所述后轴分阀组的各个电磁阀的通断和阀芯位置，实现驱动模式的切换控制。