CN215211259U - 基于飞轮动力的挖掘机回转系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及挖掘机回转系统技术领域，尤其是一种基于飞轮动力的挖掘机回转系统，包括用于带动回转平台转动的回转齿轮、减速机构、驱动电动机、液压马达及能够将回转平台制动的动能回收转化为飞轮动能并在回转平台启动及加速时释放以提供动力的飞轮动力总成；驱动电动机的输出轴和飞轮动力总成的输出端均与减速机构的输入端传动连接，其通过采用飞轮动力总成与驱动电动机并联的方式回收挖机回转能量，利用了飞轮大功率、高效的机械能属性，回收挖掘机回转工况中的制动能量，并且在加速时大功率释放的动能，从而降低对储能元件和驱动电动机的装机功率，系统可以采用电池当储能元件，对比国外采用超级电容方案，可以大幅降低系统成本。

Description

基于飞轮动力的挖掘机回转系统

技术领域

本实用新型涉及挖掘机回转系统技术领域，尤其是一种基于飞轮动力的挖掘机回转系统。

背景技术

液压挖掘机在工程机械中占有很重要地位，需求量也很大。但它也具有油耗高的特点，针对能源紧缺和环境污染日益严重的现状，进行液压挖掘机节能及降排方面的研究具有重要的现实意义；

目前国内外相继推出混合动力挖掘机产品，其主要混动技术是针对挖机回转工况能量损失，提出如何进行高效回收利用，挖掘机回转工况特性为回转制动时间短、功率大、周期短及回转次数多，鉴于此，目前在对于中大型混动挖掘机回转系统多采用电液并联的方案，来降低柴油机功率和油耗，具体为，在电驱动路径中采用电机驱动/发电结合储能元件方案，采用大功率电动机用来驱动回转齿轮和以及制动时回收机械能发电；超级电容主要作用是储能，超级电容功率密度大，可以瞬时大功率吸收和释放电能，但高规格大容量的超级电容价格非常昂贵，而且目前只有国外开发出相应产品，国内目前还处于空白，部分也处试验开发阶段，超级电容能量密度小，大容量超级电容体积太大，也很难搭载和布置到挖机中去。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中挖掘机回转系统制动能量回收成本高，现提供一种基于飞轮动力的挖掘机回转系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于飞轮动力的挖掘机回转系统,包括用于带动回转平台转动的回转齿轮、减速机构、驱动电动机、液压马达及能够将回转平台制动的动能回收转化为飞轮动能并在回转平台启动及加速时释放以提供动力的飞轮动力总成；

液压马达的动力输出端和回转齿轮传动连接，驱动电动机的输出轴和飞轮动力总成的输出端均与减速机构的输入端传动连接，减速机构的输出端和回转齿轮传动连接。

本方案中通过采用飞轮动力总成与驱动电动机并联的方式回收挖机回转能量，利用了飞轮大功率、高效的机械能属性，回收挖掘机回转工况中的制动能量，并且在加速时大功率释放的动能，从而降低对储能元件和驱动电动机的装机功率，系统可以采用电池当储能元件，对比国外采用超级电容方案，可以大幅降低系统成本。

进一步地，还包括发动机、液压泵及液压马达，所述发动机的输出轴和液压泵的动力输入端传动连接，所述液压泵的出油口和液压马达的进油口连通；发动机驱动液压泵，液压泵将液压油通过管道供给液压马达，液压泵提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能，以此带动回转齿轮转动。

进一步地，所述液压泵的出油口通过分配阀和液压马达的进油口连通；从而实现能够通过分配阀将液压油供给挖掘机上的其他液压机构，以便挖掘机进行动臂、斗杆、铲斗、回转等作业。

进一步地，还包括系统发电机及用于存储电能的储能元件，所述发动机的输出轴和系统发电机的输入轴传动连接，所述系统发电机和储能元件电连接，所述驱动电动机及飞轮动力总成均与储能元件电连接。

进一步地，所述储能元件为电池，或者所述储能元件包括电池和电容。

进一步地，还包括系统控制器、发动机控制器、电池管理系统、整流器、逆变器及飞轮电机逆变器；

所述系统发电机和整流器电连接，整流器和储能元件电连接，所述逆变器和飞轮电机逆变器均与储能元件电连接，所述逆变器和驱动电动机电连接，所述飞轮电机逆变器和飞轮动力总成电连接；

所述发动机控制器、电池管理系统、整流器、逆变器及飞轮电机逆变器均与系统控制器信号连接，所述发动机控制器与发动机信号连接，所述电池管理系统和储能元件信号连接。

进一步地，所述飞轮动力总成包括：

行星齿轮机构，包括齿圈、行星齿轮、行星架和太阳轮，所述驱动电动机的输出轴和行星架的输入端传动连接，所述行星架的输出端和减速机构的输入端传动连接；

飞轮，与齿圈传动连接；

电动机/发电机，所述电动机/发电机的动力输出轴与太阳轮传动连接；

以及单向离合器，所述单向离合器设置在齿圈与飞轮的传动路径上。

进一步地，所述飞轮有多个，多个所述飞轮均与齿圈传动连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于飞轮动力的挖掘机回转系统通过采用飞轮动力总成与驱动电动机并联的方式回收挖机回转能量，利用了飞轮大功率、高效的机械能属性，回收挖掘机回转工况中的制动能量，并且在加速时大功率释放的动能，从而降低对储能元件和驱动电动机的装机功率，系统可以采用电池当储能元件，对比国外采用超级电容方案，可以大幅降低系统成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型基于飞轮动力的挖掘机回转系统的示意图；

图2是本实用新型基于飞轮动力的挖掘机回转系统中飞轮动力总成的示意图；

图3是本实用新型基于飞轮动力的挖掘机回转系统中多个飞轮同时与齿圈传动连接的示意图；

图4是本实用新型回转平台能量吸收释放功率分配图。

图中：1、回转齿轮，2、减速机构，3、驱动电动机，4、液压马达；

5、飞轮动力总成，501、齿圈，502、行星齿轮，503、行星架，504、太阳轮，505、电动机/发电机，506、飞轮，507、单向离合器；

6、发动机，7、液压泵，8、分配阀，9、系统发电机，10、储能元件，11、系统控制器，12、发动机控制器，13、电池管理系统，14、整流器，15、逆变器，16、飞轮电机逆变器。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1

如图1和2所示，一种基于飞轮动力的挖掘机回转系统,包括用于带动回转平台转动的回转齿轮1、减速机构2、驱动电动机3、液压马达4及能够将回转平台制动的动能回收转化为飞轮506动能并在回转平台启动及加速时释放以提供动力的飞轮动力总成5；

液压马达4的动力输出端和回转齿轮1传动连接，驱动电动机3的输出轴和飞轮动力总成5的输出端均与减速机构2的输入端传动连接，减速机构2的输出端和回转齿轮1传动连接。

还包括发动机6、液压泵7及液压马达4，所述发动机6的输出轴和液压泵 7的动力输入端传动连接，所述液压泵7的出油口和液压马达4的进油口连通；发动机6驱动液压泵7，液压泵7将液压油通过管道供给液压马达4，液压泵7 提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能，以此带动回转齿轮1转动。

所述液压泵7的出油口通过分配阀8和液压马达4的进油口连通；从而实现能够通过分配阀8将液压油供给挖掘机上的其他液压机构，以便挖掘机进行动臂、斗杆、铲斗、回转等作业。

还包括系统发电机9及用于存储电能的储能元件10，所述发动机6的输出轴和系统发电机9的输入轴传动连接，所述系统发电机9和储能元件10电连接，所述驱动电动机3及飞轮动力总成5均与储能元件10电连接。

所述储能元件10为电池，或者所述储能元件10包括电池和电容。

还包括系统控制器11、发动机控制器12、电池管理系统13、整流器14、逆变器15及飞轮电机逆变器16；

所述系统发电机9和整流器14电连接，整流器14和储能元件10电连接，所述逆变器15和飞轮电机逆变器16均与储能元件10电连接，所述逆变器15 和驱动电动机3电连接，所述飞轮电机逆变器16和飞轮动力总成5电连接；

所述发动机控制器12、电池管理系统13、整流器14、逆变器15及飞轮电机逆变器16均与系统控制器11信号连接，所述发动机控制器12与发动机6信号连接，所述电池管理系统13和储能元件10信号连接。

本实施例中飞轮动力总成5包括：

行星齿轮机构，包括齿圈501、行星齿轮502、行星架503和太阳轮504，所述驱动电动机3的输出轴和行星架503的输入端传动连接，所述行星架503 的输出端和减速机构2的输入端传动连接；

飞轮506，与齿圈501传动连接；

电动机/发电机505，所述电动机/发电机505的动力输出轴与太阳轮504传动连接；

以及单向离合器507，所述单向离合器507设置在齿圈501与飞轮506的传动路径上。

采用单向离合器507代替原有飞轮动力总成5中的飞轮制动器可以自动实现飞轮506正向旋转释放和反向逆止制动的功能，无需电控系统来控制，高转速下可靠性和安全性大大提高。

如图3所示，所述飞轮506有多个，多个所述飞轮506均与齿圈501传动连接；飞轮动力总成5中采用多个飞轮506并联结构可增大储能容量。

本实施例中飞轮动力总成5的工作原理，可参见公告号为CN103171426B的中国专利所公开的新能源汽车的驱动装置中的增力节能驱动装置的工作原理，增力节能驱动装置中的第二电动机/发电机相当于本申请中的电动机/发电机 505。

本实施例中飞轮电机逆变器16和飞轮动力总成5中的电动机/发电机505 电连接。

本实施例中发动机6具体可采用柴油发动机，也可以采用汽油发动机。

本实施例中的基于飞轮动力的挖掘机回转系统的工作原理如下：

挖机启动：

系统控制器11控制飞轮电机逆变器16，使飞轮动力总成5中的电动机/发电机505先负扭矩驱动行星齿轮机构让静止的飞轮506加速到预设转速，实现飞轮506能量预充，充能完成后，系统控制器11可控制发动机6、驱动电动机3及电动机/发电机505同时工作，将飞轮506、电动机/发电机505和驱动电动机3的三个动力同时耦合在行星架503输出端上，共同输出至减速机构2，并由减速机构2与液压马达4共同驱动回转齿轮1，从而实现挖掘机的回转平台的最大动力性能启动；其中，发动机6工作时，系统控制器11可依据电池管理系统 13所反馈的储能元件10的电量信息，控制整流器14工作，使发动机6带动系统发电机9转动所产生的电能给储能元件10充电，以维持储能元件10的电量。

回转工作过程：

1)回转平台加速时，飞轮506将回转平台上一次制动过程中所吸收的动能，进行释放，同时系统控制器11正扭矩控制驱动电动机3、电动机/发电机505同时工作，从而在加速时能够充分利用飞轮506的动能，尽量减少向储能元件10 取电。

2)回转平台减速时，飞轮506回收动能，通过系统控制器11负扭矩控制驱动电动机3及电动机/发电机505一起制动减速回转齿轮1，优先采用飞轮506 吸收大功率能量，尽量减少驱动电动机3向电池回充能量。

如图4所示，回转平台在回转工作过程时，对于2200KJ总能量交换，1300KJ 由液压马达4提供，900KJ由飞轮动力总成5及驱动电动机3进行回收和释放。

飞轮506能量过低时则由电池向飞轮506充能。

停机时：飞轮506能量通过电动机/发电机505发电，全部充回储能元件10。

上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种基于飞轮动力的挖掘机回转系统,其特征在于：包括用于带动回转平台转动的回转齿轮(1)、减速机构(2)、驱动电动机(3)、液压马达(4)及能够将回转平台制动的动能回收转化为飞轮(506)动能并在回转平台启动及加速时释放以提供动力的飞轮动力总成(5)；

液压马达(4)的动力输出端和回转齿轮(1)传动连接，驱动电动机(3)的输出轴和飞轮动力总成(5)的输出端均与减速机构(2)的输入端传动连接，减速机构(2)的输出端和回转齿轮(1)传动连接。

2.根据权利要求1所述的基于飞轮动力的挖掘机回转系统,其特征在于：还包括发动机(6)、液压泵(7)及液压马达(4)，所述发动机(6)的输出轴和液压泵(7)的动力输入端传动连接，所述液压泵(7)的出油口和液压马达(4)的进油口连通。

3.根据权利要求2所述的基于飞轮动力的挖掘机回转系统,其特征在于：所述液压泵(7)的出油口通过分配阀(8)和液压马达(4)的进油口连通。

4.根据权利要求2所述的基于飞轮动力的挖掘机回转系统,其特征在于：还包括系统发电机(9)及用于存储电能的储能元件(10)，所述发动机(6)的输出轴和系统发电机(9)的输入轴传动连接，所述系统发电机(9)和储能元件(10)电连接，所述驱动电动机(3)及飞轮动力总成(5)均与储能元件(10)电连接。

5.根据权利要求4所述的基于飞轮动力的挖掘机回转系统,其特征在于：所述储能元件(10)为电池，或者所述储能元件(10)包括电池和电容。

6.根据权利要求4所述的基于飞轮动力的挖掘机回转系统,其特征在于：还包括系统控制器(11)、发动机控制器(12)、电池管理系统(13)、整流器(14)、逆变器(15)及飞轮电机逆变器(16)；

所述系统发电机(9)和整流器(14)电连接，整流器(14)和储能元件(10)电连接，所述逆变器(15)和飞轮电机逆变器(16)均与储能元件(10)电连接，所述逆变器(15)和驱动电动机(3)电连接，所述飞轮电机逆变器(16)和飞轮动力总成(5)电连接；

所述发动机控制器(12)、电池管理系统(13)、整流器(14)、逆变器(15)及飞轮电机逆变器(16)均与系统控制器(11)信号连接，所述发动机控制器(12)与发动机(6)信号连接，所述电池管理系统(13)和储能元件(10)信号连接。

7.根据权利要求6所述的基于飞轮动力的挖掘机回转系统，其特征在于：所述飞轮动力总成(5)包括：

行星齿轮机构，包括齿圈(501)、行星齿轮(502)、行星架(503)和太阳轮(504)，所述驱动电动机(3)的输出轴和行星架(503)的输入端传动连接，所述行星架(503)的输出端和减速机构(2)的输入端传动连接；

飞轮(506)，与齿圈(501)传动连接；

电动机/发电机(505)，所述电动机/发电机(505)的动力输出轴与太阳轮(504)传动连接；

以及单向离合器(507)，所述单向离合器(507)设置在齿圈(501)与飞轮(506)的传动路径上。

8.根据权利要求7所述的基于飞轮动力的挖掘机回转系统，其特征在于：所述飞轮(506)有多个，多个所述飞轮(506)均与齿圈(501)传动连接。

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