CN101403405A - 混合动力单泵多执行元件工程机械的能量回收*** - Google Patents

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林添良
龚文
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Abstract

本发明公开了一种混合动力单泵多执行元件工程机械的能量回收***。主要包括行星齿轮机构、变量泵、发动机、比例方向阀、变量马达、油缸、信号控制单元、整流/逆变器、变频电机和超级电容等。信号控制单元从控制手柄和压力传感器获得控制信号，向发动机、变量泵、比例方向阀、电磁换向阀、整流/逆变器和变量马达发出控制指令控制发动机的油门位置、变量泵排量、比例方向阀阀心位移、电磁换向阀工位、变频电机转速和变量马达排量，从而控制油缸的动作。本发明采用了行星齿轮机构后，混合动力***和能量回收***共用一个变频电机，减少了装机空间，同时可直接回收能量，提高了能量回收***的回收效率。

Description

混合动力单泵多执行元件工程机械的能量回收***
技术领域
本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制***，尤其是涉及一种混合动力单泵多执行元件工程机械的能量回收***。
背景技术
随着世界范围内能源短缺和环境污染问题的日趋严重，研究工程机械的节能问题具有重要的现实意义。由于多执行机构工程机械中的动力油缸要反复举升和下放重物，而工程机械各机械臂惯性较大，在机械臂下降或制动时，会释放出大量的势能或动能，在传统工程机械中，这部分能量难以进行回收、存储和再利用，不仅造成了能源的浪费，还会引起发热、噪声、振动和降低寿命等危害。若能将这部分能量回收并加以再利用，可提高工程机械的能量利用率，从而降低其能耗。
在工程机械中引入混合动力***，由于动力***中具备电池或电容等储能装置，能量的回收和存储都易于实现。目前，基于混合动力工程机械的能量回收方案为：液压缸的回油腔与一回收液压马达相连，该液压马达与电动/发电机M1同轴相联。液压执行元件回油腔的液压油驱动液压马达回转，将液压能转化为机械能输出，并带动电动/发电机M1发电，三相交流电能经整流/逆变器整流为直流电能并储存在储能元件电容当中。当***需要时，直流电能通过整流器逆变成目标频率的三相交流电能驱动电动/发电机M2，与发动机共同驱动负载(液压泵)工作。***中的电容既为液压马达回收能量的储能元件，同时也是混合动力驱动***中电动机M的直流电源。此能量回收***有两个电动/发电机，结构复杂，体积庞大，同时所有负载下降释放的势能回收再利用都经过从势能-液压能-机械能-电能-电池-驱动变量泵的机械能的多次能量转化，***中能量流动非常复杂，影响了***的能量回收效率。
发明内容
为了降低液压控制阀的节流损失，充分利用重物下落时的重力势能、惯性能，提高***的能量回收效率，本发明的目的在于提供一种混合动力单泵多执行元件工程机械的能量回收***，不仅利用混合动力工程机械的电量储存装置，通过液压马达-电动/发电机把上述能量转化成电能进行回收利用，而且可以利用液压马达、行星齿轮机构直接对上述能量回收驱动变量泵，并通过行星齿轮机构有效的将混合动力***的电动/发电机和能量回收***中电动/发电机耦合在一起，使得混合动力***和能量回收***共用一个电动发电机，使***结构紧凑。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明包括：行星齿轮机构、变量泵、发动机、比例方向阀、变量马达、两个单向阀、比例溢流阀、安全阀、油缸、控制手柄、压力传感器、信号控制单元、电磁换向阀、整流/逆变器、变频电机和超级电容。
其相互连接关系如下：
发动机、变量泵同轴相联后和行星齿轮机构的行星架相连；变量马达和行星齿轮机构的太阳轮相连；变频电机和行星齿轮机构的齿圈相连；变量泵的出油口分两路，第一路接压力传感器的输入端，第二路接第一单向阀的进油口；第一单向阀的出油口分为四路，第一路接比例溢流阀的进油口，第二路接比例方向阀的P口、P1口，第三路接其他执行机构的驱动油路口，第四路接安全阀的进油口；比例方向阀的T口与电磁换向阀的P口相连；A口与油缸的无杆腔相连，B口与油缸的有杆腔相连，C口接油箱；电磁换向阀的B口接油箱，A口分两路，第一路和变量马达的进油口相连，第二路接第二单向阀的出油口，单向阀的进油口接油箱；信号控制单元从控制手柄获得控制信号，从压力传感器获得负载信号，向发动机、变量泵、比例方向阀、电磁换向阀、整流/逆变器和变量马达发出控制指令控制发动机的油门位置、变量泵的排量、比例方向阀的阀心位移、电磁换向阀的工位、变频电机的转速和变量马达的排量，从而控制油缸的动作。
本发明与背景技术相比，具有有益的效果是：
1、***利用行星齿轮机构，变量马达回收的液压执行元件的重力势能、惯性能和制动能可以直接通过行星齿轮机构驱动变量泵，避免了能量回收过程由于能量的多次转换而造成的能量损失，提高了能量回收***的回收效率。
2、***采用行星齿轮机构将变量马达、发动机、电动机有效的耦合，混合动力***和能量回收***共用一个电动/发电机，减少了一个电动/发电机，降低了装机空间。
3、采用该回收***后，在动力油缸下降时，采用了能量回收***对油缸回缩或制动释放的动能或势能进行回收。同时，由于此时比例方向阀全开，***下降的速度，通过液压马达的入口流量来控制的，不再通过比例方向阀的阀心位移来控制，避免了液压驱动回路中的因比例方向阀进回油口联动产生的进油节流损失。
附图说明
附图为本发明的结构原理示意图。
图中：1、行星齿轮机构，2、变量泵，3、发动机，4、压力差传感器，5、单向阀，6、比例溢流阀，7、比例方向阀，8、油缸，9、安全阀，10、控制手柄，11、信号控制单元，12、电磁换向阀，13、单向阀，14、变量马达，15、整流/逆变器，16、变频电机，17、超级电容，18、其他执行机构的驱动油路。
具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述给出本发明的细节。
如附图所示，本发明包括行星齿轮机构1、变量泵2、发动机3、比例方向阀7、变量马达14、两个单向阀5，13、比例溢流阀6、安全阀9、油缸8、控制手柄10、压力传感器4、信号控制单元11、电磁换向阀12、整流/逆变器15、变频电机16和超级电容17；其相互连接关系如下：发动机3、变量泵2同轴相联后和行星齿轮机构1的行星架相连；变量马达14和行星齿轮机构1的太阳轮相连；变频电机16和行星齿轮机构1的齿圈相连；变量泵2的出油口分两路，第一路接压力传感器4的输入端，第二路接第一单向阀5的进油口；第一单向阀5的出油口分为四路，第一路接比例溢流阀6的进油口，第二路接比例方向阀7的P口、P1口，第三路接其他执行机构的驱动油路口18，第四路接安全阀9的进油口；比例方向阀7的T口与电磁换向阀12的P口相连；A口与油缸8的无杆腔相连，B口与油缸8的有杆腔相连，C口接油箱；电磁换向阀12的B口接油箱，A口分两路，第一路和变量马达14的进油口相连，第二路接第二单向阀13的出油口，单向阀13的进油口接油箱；信号控制单元11从控制手柄10获得控制信号，从压力传感器4获得负载信号，向发动机3、变量泵2、比例方向阀7、电磁换向阀12、整流/逆变器15和变量马达14发出控制指令控制发动机3的油门位置、变量泵2的排量、比例方向阀7的阀心位移、电磁换向阀12的工位、变频电机16的转速和变量马达14的排量，从而控制油缸8的动作。
***的工作原理如下：
控制手柄10发出控制信号给信号控制单元11，信号控制单元11同时对压力传感器4的输出进行A/D转换，经处理之后，向发动机3、变频电机16、变量马达14和变量泵2发出控制指令，控制变量泵2的转速和排量，即控制了变量泵2的流量，控制变量马达14的转速和排量，即控制了变量马达14的流量；向比例溢流阀6发出控制信号，控制变量泵2出口压力；向比例方向阀7发出控制信号，控制比例方向阀7阀心的位移，即控制两阀口的过流面积；同时，向电磁换向阀12发出控制***，比例方向阀7的回油是通过变量马达14接回油箱，还是直接回油箱；在操作手柄10的控制信号一定时，发动机的油门位移控制信号不变，即发动机的转速信号不变，由压力传感器4检测的负载压力和变量泵2的排量信号可估计驱动负载(变量泵2)所需要的负载功率。
当控制信号为正，具体如下：
(1)比例方向阀7右行，电磁换向阀12左行，变量泵2液压油通过单向阀5、比例方向阀7的P口、A口进入油缸8无杆腔，推动油缸8上升举起重物；油缸8有杆腔的液压油经比例方向阀7的B口和T口、电磁换向阀12的P口、B口回油箱。此时***通过调节比例方向阀7阀心位移来控制油缸8上升速度，处于进油节流调速状态；
(2)变量泵2由发动机3和变频电机16组成的混合动力***共同驱动，变量马达处于空转状态。当负载功率大于发动机3的输出功率时，变频电机16工作在电动状态，变量泵2由发动机3和变频电机16共同驱动，超级电容17处于放电状态；当负载功率小于发动机3的输出功率时，变频电机16工作在发电状态，发动机3驱动变量泵2的同时驱动变频电机16把发动机输出的多余的能量转化成电能储存在超级电容17中，超级电容17处于充电状态。
当控制信号为负，具体工作原理如下：
(1)比例方向阀7左行，电磁换向阀12右行，变量泵2液压油经单向阀5、比例方向阀7的P口和B口进入油缸8有杆腔，油缸8无杆腔的液压油经比例方向阀7的A口和T口、电磁换向阀12的P口和A口、变量马达14回油箱。此时，比例方向阀7阀口全开，***油缸8下降的速度是通过调节变量马达14的流量来控制的，处于回油容积调速控制；
(2)油缸8无杆腔的液压油驱动变量马达14旋转，变量马达14的输出转速和转矩可以通过行星齿轮机构1直接驱动变量泵2，也可以通过行星齿轮机构1驱动变频电机16发电，将油缸8回缩或制动时的能量转换为电能后存储在混合动力***的蓄能装置超级电容17中。
(3)当***其他执行机构的驱动油路口18的功率大于变量马达14的回收功率时，变量泵2由发动机3、变量马达14和变频电机16共同驱动，其中变量马达14的回收功率全部通过行星齿轮机构1驱动变量泵2，不足的功率由发动机3和变频电机16组成的混合动力***驱动；当***其他执行机构的驱动油路口18的功率小于变量马达14的回收功率时，变量马达14通过行星齿轮机构1驱动变量泵2提供负载所需功率，同时通过行星齿轮机构1驱动变频电机16回馈发电，发动机3处于自动怠速状态。
以上，本发明涉及的整流/逆变器14，超级电容17可根据需要可以在市场选购。信号控制单元11可采用PLC可编程逻辑控制器。

Claims (1)

1、一种混合动力单泵多执行元件工程机械的能量回收***，其特征在于：包括行星齿轮机构(1)、变量泵(2)、发动机(3)、比例方向阀(7)、变量马达(14)、两个单向阀(5，13)、比例溢流阀(6)、安全阀(9)、油缸(8)、控制手柄(10)、压力传感器(4)、信号控制单元(11)、电磁换向阀(12)、整流/逆变器(15)、变频电机(16)和超级电容(17)；其相互连接关系如下：
发动机(3)、变量泵(2)同轴相联后和行星齿轮机构(1)的行星架相连；变量马达(14)和行星齿轮机构(1)的太阳轮相连；变频电机(16)和行星齿轮机构(1)的齿圈相连；变量泵(2)的出油口分两路，第一路接压力传感器(4)的输入端，第二路接第一单向阀(5)的进油口；第一单向阀(5)的出油口分为四路，第一路接比例溢流阀(6)的进油口，第二路接比例方向阀(7)的P口、P1口，第三路接其他执行机构的驱动油路口(18)，第四路接安全阀(9)的进油口，；比例方向阀(7)的T口与电磁换向阀(12)的P口相连；A口与油缸(8)的无杆腔相连，B口与油缸(8)的有杆腔相连，C口接油箱；电磁换向阀(12)的B 口接油箱，A口分两路，第一路和变量马达(14)的进油口相连，第二路接第二单向阀(13)的出油口，单向阀(13)的进油口接油箱；信号控制单元(11)从控制手柄(10)获得控制信号，从压力传感器(4)获得负载信号，向发动机(3)、变量泵(2)、比例方向阀(7)、电磁换向阀(12)、整流/逆变器(15)和变量马达(14)发出控制指令控制发动机(3)的油门位置、变量泵(2)的排量、比例方向阀(7)的阀心位移、电磁换向阀(12)的工位、变频电机(16)的转速和变量马达(14)的排量，从而控制油缸(8)的动作。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090408