CN214197153U - 一种可变速新能源液压动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可变速新能源液压动力系统，包括驱动液压系统的泵组、驱动泵组的发动机以及在发动机的负载和驱动泵组的动力源之间转换状态的泵组电机总成；发动机和泵组电机总成可通断的连接泵组；所述发动机与泵组电机总成的动力耦合的总动力输出轴和泵组之间设置至少两档的齿轮变速机构或者所述发动机动力经过至少两档的齿轮变速机构后和泵组电机动力耦合。本实用新型可以更进一步的实现发动机工作点的动态控制，实现混合动力系统“削峰填谷”的节能优势。

Description

一种可变速新能源液压动力系统

技术领域

本实用新型属于新能源液压动力领域，具体涉及一种可变速新能源液压动力系统。

背景技术

目前主流旋挖钻机动力源为发动机，发动机动力输出轴经联轴器与主泵直接连接为液压系统蓄压。驾驶员根据实际作业条件调整换挡杆档位调整发动机转速，发动机输出扭矩受液压泵的蓄压压力需求动态调整，实际工作点分布呈点状零星分布的特点，无法实现发动机工作点的最优控制。

另外，主流的旋挖钻机的作业部件除了主泵驱动的部件外，还有卷扬机、动力头等零部件。在旋挖钻机工作的过程中，并不是所有的执行部件都一起工作，在工作的过程中每个零部件需要的功率也是动态变化的。比如旋挖钻机在打钻作业时只有部分主零部件单独作业的工作特点。现有的发动机动力驱动方式造成发动机动作点无法实现优化控制，造成能源及施工成本浪费。

实用新型内容

本实用新型提供一种可变速新能源液压动力系统。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：一种可变速新能源液压动力系统，包括驱动液压系统的泵组、驱动泵组的发动机以及在发动机的负载和驱动泵组的动力源之间转换状态的泵组电机总成；发动机和泵组电机总成可通断的连接泵组；所述发动机与泵组电机总成的动力耦合的总动力输出轴和泵组之间设置至少两档的齿轮变速机构或者所述发动机动力经过至少两档的齿轮变速机构后和泵组电机动力耦合。

所述齿轮变速机构包括设置在总动力输出轴上的第一过渡齿轮，第一过渡齿轮通过第二离合器连接泵组动力输入轴，泵组动力输入轴连接泵组；泵组动力输入轴上设置第二过渡齿轮；所述第一过渡齿轮啮合第三过渡齿轮，第二过渡齿轮啮合第四过渡齿轮；第三过渡齿轮上固定设置取力输入轴，第四过渡齿轮上的固定设置取力输出轴；所述取力输入轴和取力输出轴之间通过取力器或者离合器可通断的连接。

所述泵组电机总成包括泵组电机、动力电池组以及电机控制器，所述泵组电机与第一过渡齿轮固定连接；所述电机控制器和所述动力电池组和所述泵组电机电连接，所述电机控制器控制泵组电机在负载和动力源之间转换状态。

所述发动机的发动机动力轴和总动力输出轴之间通过第一离合器连接。

还包括用于驱动旋挖钻机的主卷扬的主卷扬电机，所述主卷扬电机与泵组电机总成的动力电池组和电机控制器电连接，所述电机控制器控制主卷扬电机在向所述主卷扬提供动力和向所述动力电池组提供电能这两种状态下转换。

还包括用于驱动旋挖钻机的动力头的动力头电机，动力头电机和所述动力电池组电连接。

本实用新型的有益效果是：在动力系统中引入齿轮变速机构，在泵组需要的转速和发动机最优工作区域的转速不同时，发动机的动力通过齿轮变速机构走不同的动力传递路径传送到泵组，使发动机的转速保持在最优工作区。配合可以在负载和动力源之间进行转换的泵组电机总成，更进一步的实现发动机工作点的动态控制，实现混合动力系统“削峰填谷”的节能优势。

附图说明

图1是本实用新型动力系统示意图。

其中，1是发动机、2是第一离合器、3是泵组电机、4是第一过渡齿轮、5是取力输入轴、6是取力器、7是取力输出轴、8是第二过渡齿轮、9是泵组动力输入轴、10是泵组、11是液压管路、12是控制阀组、13是发动机动力输出轴、14是总动力输出轴、15是三相高压电，16是动力电池组、17是主卷扬电机、18是电机控制器、19是第二离合器、20是第一动力头电机、21是第二动力头电机、25是第三过渡齿轮、26是第四过渡齿轮。

具体实施方式

以下将结合附图以及具体实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本实用新型的内容做出一些非本质的改进和调整。在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，本申请使用的技术术语应当为本实用新型所述技术人员所理解的通常意义。术语“相连”“连接”“固定”“设置”等应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是机械连接、也可以是电连接。除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”或者“上方”或者“上面”等可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”或“下方”或“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另外一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，一种可变速新能源液压动力系统，包括驱动液压系统的泵组10、驱动泵组10的发动机1以及在发动机1的负载和驱动泵组10的动力源之间转换状态的泵组电机总成。发动机1和泵组电机总成可通断的连接泵组10。所述发动机1与泵组电机总成的动力耦合的总动力输出轴14和泵组10之间设置至少两档的齿轮变速机构或者所述发动机动力经过至少两档的齿轮变速机构后和泵组电机动力耦合；而且齿轮变速机构其中一档保证总动力输出轴转速等速传递到泵组。其中泵组10包括多个液压泵，泵组10连接液压管路11和控制阀组12。现有工程设备比如旋挖钻机类用的液压动力系统多是采用发动机1对泵组10提供动力，但是旋转钻机等设备需要的功率会发生变化，发动机1无法在最优经济或者最优排放区工作，造成发动机1效率低。其中发动机1工作点组成的工作区间中比油耗低的工作区间是最优经济区；发动机1工作点组成的工作区间中排放低的工作区间属于最优排放区。引入泵组电机总成后，在泵组10需要较多动力的时候，泵组电机总成作为动力源，其中的动力电池组16将电能转换成机械能，从而和发动机11一起提供动力；在泵组10需要动力较少的时候，泵组电机总成作为负载将发动机的一部分能量转换为电能储存在其中的动力电池组16中；当泵组10需要的动力刚好在发动机最优工作区时，只需要发动机1提供动力；另外还有纯电功能模式。但是，上述动力系统中，发动机1的转速和泵组10需要的转速始终是相同的，调整发动机1的最优工作点只能通过调整泵组电机总成的状态，调整方式单一，容易出现意外。比如，动力电池组16充满电时，泵组电机总成就暂时不能作为负载使用；动力电池组16电力不足时，泵组电机总成也就暂时无法作为动力源使用，从而无法及时的调整发动机达到最优工作区。另外，泵组电机总成调整也有一定的限制，通常不能使发动机1最快达到最优工作点。因为本实用新型在动力系统中引入齿轮变速机构，在泵组10需要的转速和发动机1最优工作区域的转速不同时，发动机1的动力通过齿轮变速机构走不同的动力传递路径传送到泵组，使发动机1的转速保持在最优工作区。配合可以在负载和动力源之间进行转换的泵组电机总成，更进一步的实现发动机工作点的动态控制，实现混合动力系统“削峰填谷”的节能优势。

所述齿轮变速机构包括设置在总动力输出轴14上的第一过渡齿轮4，第一过渡齿轮4通过第二离合器19连接泵组动力输入轴9，泵组动力输入轴9连接泵组10；泵组动力输入轴9上设置第二过渡齿轮8；所述第一过渡齿轮4啮合第三过渡齿轮25，第二过渡齿轮8啮合第四过渡齿轮26；第三过渡齿轮25上固定设置取力输入轴5，第四过渡齿轮26上的固定设置取力输出轴7；所述取力输入轴5和取力输出轴7之间通过取力器6或者离合器可通断的连接。取力器6也可以叫做分动器，是现有零件，其功能不再详细描述。此处，取力器6包括选档器，设置在取力输入轴5上的取力输入齿轮、设置在取力输出轴7上的取力输出齿轮，选档器可以连接或者断开取力输入齿轮和取力输出齿轮从而实现取力输入轴5和取力输出轴7的连接和断开。此处离合器也可以代替取力器6实现取力输入轴5和取力输出轴7的通断。在第二离合器19连接总动力输出轴14和泵组动力输入轴9，取力器6连断开取力输入轴5和取力输出轴7时，动力直接从总动力输出轴14传递到泵组动力输入轴9，转速不发生变化。在第二离合器19断开时，取力器6连机械接取力输入轴5和取力输出轴7时，动力从总动力输出轴14经过第一过渡齿轮4、第二过渡齿轮8、第三过渡齿轮25、第四过渡齿轮26传递到泵组动力输入轴9，在此过程中，通过齿轮的啮合实现动力传递和总动力输出轴14和泵组动力输入轴9之间的转速比，从而调整发动机动力输出轴13的转速，调整发动机1的工作区间，实现动力优化。通过调整第一过渡齿轮4、第二过渡齿轮8、第三过渡齿轮25、第四过渡齿轮26的直径以及齿数可以实现转速比的变化。当然，也可以在总动力输出轴14和泵组动力输入轴9之间设置多条动力传递路径，实现多种转速比调节。

所述泵组电机总成包括泵组电机3、动力电池组16以及电机控制器18，所述泵组电机3与第一过渡齿轮4固定连接；所述电机控制器18和所述动力电池组16和所述泵组电机3电连接，所述电机控制器18控制泵组电机3在负载和动力源之间转换状态。其中泵组电机3的性能符合电机国家标准GB184881. 泵组电机3通过电机控制器18控制，向动力电池组16输入电能或者通过动力电池组16驱动从而给动力系统提供动力。此部分为现有成熟技术，不再详细描述。泵组电机3和第一过渡齿轮4连接。泵组电机3处于负载状态时，发动机1的动力传递给总动力输出轴14，再通过第一过渡齿轮4传递给泵组电机3转换为电能。泵组电机3提供动力时，其动力传递给第一过渡齿轮4，再传递给总动力输出轴14或者第二过渡齿轮8。

所述发动机1的发动机动力轴13和总动力输出轴14之间通过第一离合器2连接。断开第一离合器2，可以实现整个动力系统采用纯电能供电。

以上齿轮变速机构可以应用在具有主卷扬的旋挖钻机上，包括驱动液压系统的泵组10、驱动泵组10的发动机1以及在发动机1的负载和驱动泵组10的动力源之间转换状态的泵组电机总成；发动机1和泵组电机总成可通断的连接泵组10。还包括用于驱动旋挖钻机的主卷扬的主卷扬电机17，所述主卷扬电机17与泵组电机总成的动力电池组16和电机控制器18电连接，所述电机控制器18控制主卷扬电机17在向所述主卷扬提供动力和向所述动力电池组16提供电能这两种状态下转换。主卷扬下落的时候，主卷样电机17可以作为发电机将主卷样下放过程中的重力势能转化为电能，并经动力电池组16存储留用。主卷扬电机17在需要的情况下，取用动力电池组16的电能驱动主卷扬工作。

动力系统还包括用于驱动旋挖钻机的动力头的动力头电机，动力头电机和所述动力电池组电连接。此外，动力头可以有多个，每个动力头分别用一个动力头电机驱动。在具体的实施例中，旋挖钻机包括第一动力头和第二动力头，分别由第一动力头电机20和第二动力头电机21驱动。第一动力头电机20、第二动力头电机21分别于所述动力电池组16电连接。电连接可以是通过三相高压电15连接。传统旋挖钻机仅一个发动机1动力源，且因工作时外载无规律变化使发动机1工作点无法实现优化控制，造成能源及施工成本浪费的问题。本实用新型结合旋挖钻机打钻作业时只有部分主零部件单独作业的工作特点，提供了一种混合动力系统。针对泵组10、第一动力头、第二动力头、主卷扬等主要作业部件，采用电机直驱，对于不常作业部件仍使用液压系统驱动。且液压系统及驱动液压系统的主泵电机通过离合器与发动机1连接，从发动机1取力，并根据不同的需求进行发动机和动力电池组的功率分配。

当第一离合器2吸合而第二离合器19以及取力器6断开时，发动机1动力传输至泵组电机3，由泵组电机3发电，电能经电机控制器18存储至动力电池组16，当旋挖钻整机主卷扬、动力头有动作需求时，主卷扬电机17、第一动力头电机20和第二动力头电机21经电机控制器18控制从动力电池组16取电用于驱动各对应工作部件。

当第一离合器2吸合而第二离合器19断开，而且取力器6连接时，发动机1的动力通过降速传递到泵组10。泵组电机3根据需要提供动力或者将机械能转换成电能。

当第一离合器2和第二离合器19均为吸合状态，取力器6断开时，发动机1动力可全部用于驱动泵组10，并由泵组10经控制阀组12控制对应附件工作。同时，当泵组10工作负荷较小时，为调整发动机1工作负荷，优化其油耗水平，部分发动机1动力用于驱动泵组电机3发电，泵组电机3所产生电能经电机控制器17转储在动力电机组16或直接经电机控制器18传递给主卷扬电机17、第一动力头电机20和第二动力头电机21驱动各对应零部件工作。

当第一离合器2和第二离合器19以及取力器6均为断开状态时，整机处于纯电动工作模式，各电机经电机控制器18从动力电池组16取电并驱动各对应零部件工作。

当第一离合器2断开，第二离合器19吸合，主泵电机3给泵组10提供动力。

根据以上连接方式，本实用新型包括但不限于以下工作模式：

混动直驱模式下，发动机1经第一离合器2后再经过第二离合器19或者取力器6所在路径将动力传递给泵组10，驱动液压系统。此时泵组电机3处于未工作状态。

混动发电模式下，发动机1部分机械动力经一离合器2、第二离合器19或者取力器6所在路径将动力传递给泵组10，驱动液压系统。另一部分动力用于带动泵组电机3发电并经逆变器储存在动力电池组16。如此时需主卷扬、动力头等工作，则可由主卷扬电机17、动力头电机从动力电池组16取电，驱动对应零部件工作；

混动助力模式下，发动机1和泵组电机3同时参与驱动泵组10工作，动力经过第一离合器2、第二离合器19或者取力器6所在路径将动力传递给泵组10，泵组电机3作为电动机使用，从动力电池组16取电驱动泵组10。如此时需主卷扬、动力头等工作，则可由主卷扬电机17、动力头电机从动力电池组16取电，驱动对应零部件工作；

混动增程模式下，发动机1与泵组电机3间的第一离合器2吸合，第二离合器19断开，取力器6断开，此时发动机1与泵组10之间处于机械断开状态。该工况出现在泵组10不需要作业的工况。此时泵组电机3作为发电机使用，泵组电机3将发动机机械能转化为电能，并供主卷扬电机17、动力头电机驱动，此时主卷扬电机17、动力头电机作为驱动电机使用；

纯电动模式下：当动力电池组16动力充足，且泵组电机3功能能够满足泵组10功率需求时，发动机1不工作。第一离合器2和第二离合器19均处于断开状态。动力电池组16为四个电机供电驱动整机，此时四个电机均作为驱动电机使用。

能量回收模式：在主卷下放工况，主卷扬电机17作为发电机将主卷下放过程中的重力势能转化为电能，并经动力电池存储留用。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：

（1）动力头和主卷扬等主作业部件采用电机直驱，省去了液压泵、液压马达、液压管路等一系列液压传动，提升了系统整体效率。

（2）可根据整机功率需求状态，控制发动机的工作状态。发动机动力可全部输入至泵组，也可以部分输入至泵组（另一部分可以泵组电机发电的形式存储至动力电池），灵活地控制发动机工作在高负荷区，保证了发动机能耗的优化控制。

（3）可以实现纯电驱动、混动驱动、能量回收三种模式，根据作业负荷特点和能量需求特点进行模式选择和能量回收，可实现最优能量模式的选择，同时通过能量回收，进一步降低系统能耗。

需要说明的是，描述中使用的术语比如“中心”“横向”“纵向”“长度”“宽度”“厚度”“高度”“前”“后”“左”“右”“上”“下”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“轴向”“径向”“周向”“顺时针”“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者原件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，而不是全部的实施方式，本实用新型的保护范围并不局限于此。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。应当指出，对于本领域的及任何熟悉本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思和本实用新型的原理的精神的前提下，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，及作出的若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种可变速新能源液压动力系统，包括驱动液压系统的泵组、驱动泵组的发动机以及在发动机的负载和驱动泵组的动力源之间转换状态的泵组电机总成；发动机和泵组电机总成可通断的连接泵组；其特征在于：所述发动机与泵组电机总成的动力耦合的总动力输出轴和泵组之间设置至少两档的齿轮变速机构或者所述发动机动力经过至少两档的齿轮变速机构后和泵组电机动力耦合。

2.根据权利要求1所述一种可变速新能源液压动力系统，其特征在于：所述齿轮变速机构包括设置在总动力输出轴上的第一过渡齿轮，第一过渡齿轮通过第二离合器连接泵组动力输入轴，泵组动力输入轴连接泵组；泵组动力输入轴上设置第二过渡齿轮；所述第一过渡齿轮啮合第三过渡齿轮，第二过渡齿轮啮合第四过渡齿轮；第三过渡齿轮上固定设置取力输入轴，第四过渡齿轮上的固定设置取力输出轴；所述取力输入轴和取力输出轴之间通过取力器或者离合器可通断的连接。

3.根据权利要求2所述一种可变速新能源液压动力系统，其特征在于：所述泵组电机总成包括泵组电机、动力电池组以及电机控制器，所述泵组电机与第一过渡齿轮固定连接；所述电机控制器和所述动力电池组和所述泵组电机电连接，所述电机控制器控制泵组电机在负载和动力源之间转换状态。

4.根据权利要求1-3任一所述一种可变速新能源液压动力系统，其特征在于：所述发动机的发动机动力轴和总动力输出轴之间通过第一离合器连接。

5.根据权利要求4所述一种可变速新能源液压动力系统，其特征在于：还包括用于驱动旋挖钻机的主卷扬的主卷扬电机，所述主卷扬电机与泵组电机总成的动力电池组和电机控制器电连接，所述电机控制器控制主卷扬电机在向所述主卷扬提供动力和向所述动力电池组提供电能这两种状态下转换。

6.根据权利要求5所述一种可变速新能源液压动力系统，其特征在于：还包括用于驱动旋挖钻机的动力头的动力头电机，动力头电机和所述动力电池组电连接。

Images