CN102587444A - 一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***。它属于液压挖掘机节能控制技术领域，包括控制器、分动箱、变量泵、变量马达、换向阀、单向阀和蓄能器，能将挖掘机能量差动回收功能与油液混合动力功能以液压形式结合。采用蓄能器作为能量存储单元，变量泵、变量马达作为辅助动力单元，经过分动箱与发动机进行动力耦合。所述控制器根据控制规则，解决主辅动力源匹配问题，稳定发动机工作在高效燃油区。本发明可以最大限度对挖掘机液压***和动力***能量进行回收、分配与再利用，优化发动机工作效率，提高挖掘机的燃油经济性，降低***排放。

Description

一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***

技术领域

本发明涉及挖掘机能量回收***和油液混合动力***，是一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***。

背景技术

普通挖掘机动力***由发动机单独驱动液压泵，工况完全由主泵负载决定，一旦负载波动较大，发动机工作点也会产生较大波动，无法稳定工作于高效燃油区，造成能量浪费，增加油耗。此外，普通挖掘机对动臂下降能量没有回收利用，使其在节流口以热能形式损耗，不仅使***能量白白流失，还提高了***温升，引发气穴等液压***缺陷。因此，开发一套具有能量回收功能的挖掘机混合动力***，不仅可以对发动机工作效率进行优化，还能最大限度对挖掘机能量进行回收利用，大大提高节能效果。

目前，具有能量回收的混合动力挖掘机大多采用油电混合动力技术，其中日本开发的***最具代表性。，神户制钢开发了一款串联式混合动力液压挖掘机，势能回收***采用泵-马达驱动方式，当动臂下降时，由马达将液压能转化为机械能，和电动机共同作用于泵；当回收能量大于***需求时，将多余能量转化为电能存储起来。而小松和日立的并联式混合动力液压挖掘机***采用单独的液压马达-发电机来回收动臂下降势能，此***液压马达并联于油路中，当动臂上升时，控制阀存在着较大的节流损失。上述的液压挖掘机油电混合动力***及其能量回收***都是将挖掘机能量转化为电能存储在蓄电池或超级电容中，对于挖掘机快速频繁的负载变化，能量转化、存储效率低，且元件昂贵，使得***难以得到广泛应用。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***。

一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***包括控制器、发动机、分动箱、主泵、油箱、第一单向阀、第二单向阀、液压泵、液压马达、液控换向阀、第三单向阀、第一压力传感器、多路阀、第四单向阀、电磁换向阀、动臂液压缸、蓄能器、电液比例阀、第五单向阀、第六单向阀、第二压力传感器、先导操作手柄；发动机的传动轴与分动箱的输入轴相连，分动箱的第一输出轴与主泵的传动轴相连，分动箱的第二输出轴与变量泵的传动轴相连，变量泵的传动轴与变量马达的传动轴相连；主泵的吸油口与油箱相连，主泵的压油口与第三单向阀的P1口相连，第三单向阀的P2口与多路阀的P口相连，多路阀的A口与电磁换向阀的T口相连，电磁换向阀的A口与动臂液压缸的无杆腔相连，动臂液压缸的有杆腔与多路阀的B口相连，多路阀的T口与油箱相连；电磁换向阀的B口与油箱相连，电磁换向阀的P口与第四单向阀的P2口相连，第四单向阀的P1口与液控换向阀的P口相连，液控换向阀的T口与第二单向阀的P2口相连，第二单向阀的P1口与油箱相连，液控换向阀的A口与变量泵的吸油口相连，变量泵的压油口与第六单向阀的P1相连，第六单向阀的P2口与蓄能器相连，第六单向阀的P2口与电液比例阀的B口相连，电液比例阀的A口与第五单向阀的P2口相连，第五单向阀的P1口与液控换向阀的P口相连，第五单向阀的P1口与变量马达的进油口相连，变量马达的出油口与第一单向阀的P1口相连，第一单向阀的P2口与油箱相连；先导操作手柄与多路阀的先导控制口相连，先导操作手柄与控制器输入信号线相连，第一压力传感器的检测接口与主泵的压油口相连，第一压力传感器的电气接口与控制器的输入信号线相连，第二压力传感器的检测接口与蓄能器相连，第二压力传感器的电气接口与控制器的输入信号线相连；控制器的输出信号线与发动机的油门控制信号口相连，控制器的输出信号线与变量泵的排量控制信号口相连，控制器的输出信号线与变量马达的排量控制信号口相连，控制器的输出信号线与电磁换向阀的电磁铁相连，控制器的输出信号线与电液比例阀的电磁铁相连；液控换向阀的先导控制油口与电磁换向阀的P口相连。

所述的控制器采用PLC。所述的主泵采用负流量控制变量泵。所述的液控换向阀为二位四通液控换向阀，电磁换向阀为二位三通电磁换向阀，电液比例阀为二位二通电液比例阀，实现对蓄能器输出流量的调节。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1、本***将能量回收与混合动力结合，共用能量转化、存储单元，更大限度地对挖掘机能量进行分配利用。相比油电混合动力***，本***能量回收、利用效率高，节能效果好，增加的元器件少，结构更紧凑，生产成本大幅降低。

2、辅助动力单元采用变量泵、变量马达并联结构，两者独立控制，进行液压能与机械能相互转化，能够实现在油液混合动力工作的同时进行动臂能量回收，控制灵活方便，精度高。

3、本***使用蓄能器作能量存储单元，动臂能量回收后直接以液压能形式充入蓄能器，与使用蓄电池与超级电容的油电混合动力***相比，能量转化环节少，同等条件下可以提供更大的辅助动力，全充全放能力强，结构简单，寿命长。

4、动臂能量回收时，油液分别流过变量泵和变量马达，变量马达产生的扭矩与发动机扭矩联合带动变量泵，油液增压后向蓄能器充能，实现能量差动回收。回收油液经过分流和增压后，充能压力更高，更有利于能量存储，能量利用效率提升。同时，回收油液经分流后体积减小，蓄能器对容积要求降低，尺寸减小，***结构更简单、紧凑，便于实现。

5、本***由控制器调节变量泵、变量马达排量与发动机油门，进行主、辅动力源分配，从而优化发动机工作效率，使发动机稳定工作于高效燃油区，提高燃油经济性，节省挖掘机油耗。

附图说明

图1液压挖掘机具有能量差动回收的油液混合动力***结构示意图

图2本发明在动臂能量差动回收时的混合动力工作状态图

图3本发明在混合动力模式下能量回收的工作状态图

图4本发明在混合动力模式下能量释放的工作状态图

图5本发明***控制器控制流程图

图中，控制器(1)、发动机(2)、分动箱(3)、主泵(4)、油箱(5)、第一单向阀(6)、第二单向阀(7)、液压泵(8)、液压马达(9)、液控换向阀(10)、第三单向阀(11)、第一压力传感器(12)、多路阀(13)、第四单向阀(14)、电磁换向阀(15)、动臂液压缸(16)、蓄能器(17)、电液比例阀(18)、第五单向阀(19)、第六单向阀(20)、第二压力传感器(21)、先导操作手柄(22)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***包括控制器1、发动机2、分动箱3、主泵4、油箱5、第一单向阀6、第二单向阀7、液压泵8、液压马达9、液控换向阀10、第三单向阀11、第一压力传感器12、多路阀13、第四单向阀14、电磁换向阀15、动臂液压缸16、蓄能器17、电液比例阀18、第五单向阀19、第六单向阀20、第二压力传感器21、先导操作手柄22；发动机2的传动轴与分动箱3的输入轴相连，分动箱3的第一输出轴与主泵4的传动轴相连，分动箱3的第二输出轴与变量泵8的传动轴相连，变量泵8的传动轴与变量马达9的传动轴相连；主泵4的吸油口与油箱5相连，主泵4的压油口与第三单向阀11的P1口相连，第三单向阀11的P2口与多路阀13的P口相连，多路阀13的A口与电磁换向阀15的T口相连，电磁换向阀15的A口与动臂液压缸16的无杆腔相连，动臂液压缸16的有杆腔与多路阀13的B口相连，多路阀13的T口与油箱5相连；电磁换向阀15的B口与油箱5相连，电磁换向阀15的P口与第四单向阀14的P2口相连，第四单向阀14的P1口与液控换向阀10的P口相连，液控换向阀10的T口与第二单向阀7的P2口相连，第二单向阀7的P1口与油箱5相连，液控换向阀10的A口与变量泵8的吸油口相连，变量泵8的压油口与第六单向阀20的P1相连，第六单向阀20的P2口与蓄能器17相连，第六单向阀20的P2口与电液比例阀18的B口相连，电液比例阀18的A口与第五单向阀19的P2口相连，第五单向阀19的P1口与液控换向阀10的P口相连，第五单向阀19的P1口与变量马达9的进油口相连，变量马达9的出油口与第一单向阀6的P1口相连，第一单向阀6的P2口与油箱5相连；先导操作手柄22与多路阀13的先导控制口相连，先导操作手柄22与控制器1输入信号线相连，第一压力传感器12的检测接口与主泵4的压油口相连，第一压力传感器12的电气接口与控制器1的输入信号线相连，第二压力传感器21的检测接口与蓄能器17相连，第二压力传感器21的电气接口与控制器1的输入信号线相连；控制器1的输出信号线与发动机2的油门控制信号口相连，控制器1的输出信号线与变量泵8的排量控制信号口相连，控制器1的输出信号线与变量马达9的排量控制信号口相连，控制器1的输出信号线与电磁换向阀15的电磁铁相连，控制器1的输出信号线与电液比例阀18的电磁铁相连；液控换向阀10的先导控制油口与电磁换向阀15的P口相连。

所述的控制器1采用PLC。所述的主泵4采用负流量控制变量泵。所述的液控换向阀10为二位四通液控换向阀，电磁换向阀12为二位三通电磁换向阀，电液比例阀16为二位二通电液比例阀，实现对蓄能器输出流量的调节。

本发明有保压、混合动力模式下动臂能量差动回收、混合动力能量回收、混合动力能量释放四个工作状态，以下结合图1～4加以说明。

1)如图1所示，先导操作手柄22在中位，多路阀13也在中位，主泵处于卸荷状态，***处于保压状态。

2)如图2所示，当动臂下降时，此***工作在混合动力模式下动臂能量差动回收状态。此时，先导操作手柄22处于左位，控制多路阀13处于左位，控制器1控制电磁换向阀15处于左位、电液比例阀18处于左位，液控换向阀10处于右位；主泵4输出的高压油经过第三换向阀11、多路阀13进入动臂缸16的有杆腔。当控制器1检测到操作手柄22的操作信号且蓄能器压力未达到预设值时，动臂缸16的无杆腔中的液压油经过电磁换向阀15、第四单向阀14后，一部分经过变量马达9、第一换向阀6进入油箱，另一部分经过液控换向阀10、变量泵8、第六单向阀20输入蓄能器，实现动臂能量差动回收；当蓄能器压力达到设定值时，动臂缸16的无杆腔中的液压油经过电磁换向阀15、多路阀13回到油箱5。在回收动臂能量的同时，控制器1根据控制流程图5，调节液压泵8、液压马达9的排量，控制动力输出，经分动箱4与发动机2进行动力匹配，负载变大发动机动力不足时由辅助动力单元补充，负载变小发动机动力盈余时由向辅助动力单元充能，在动臂能量回收同时，进行油液混合动力工作，稳定发动机2工作在燃油高效区，实现发动机2效率优化。

3)当动臂非下降，且发动机2输出能量大于主泵4负载时，本***工作在混合动力能量回收状态。以图3所示，此时，先导操作手柄22处于右位，控制多路阀13处于右位，控制器1控制电磁换向阀15处于右位，液控换向阀10位于左位，电液比例阀18位于左位。当蓄能器压力小于某设定值时，油液从油箱经液控换换向阀10、变量泵8、第六单向阀20充入蓄能器17。控制器1接收第一压力传感器12、第二压力传感器15的压力信号，根据控制流程图5调节变量泵8、变量马达9的排量，使变量泵8将发动机2的机械能转化为液压能存储于蓄能器中，回收因为负载变小而引起的发动机2输出盈余能量，稳定发动机工作状态。

4)当动臂非下降，且发动机2输出能量小于主泵4负载时，本***工作在混合动力能量释放状态。以图4所示，此时，先导操作手柄22处于右位，控制多路阀10处于右位，控制器1控制电磁换向阀15处于右位，液控换向阀10位于左位，电液比例阀18位于右位。当蓄能器压力大于某设定值时，蓄能器17的高压油经电液比例阀18、第五单向阀19、变量马达9回到油箱5。控制器1接收第一压力传感器12、第二压力传感器15的压力信号，根据控制流程图5调节变量泵8、变量马达9的排量，使变量马达9将蓄能器17的能量转化为机械能，与发动机联合输出，弥补因为负载变大而引起的发动机2输出不足，稳定发动机工作在燃油高效区，提高燃油经济性、节省挖掘机油耗。

本发明的具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***有别于普通的混合动力***，将能量回收功能与油液混合动力结合，更大限度地对挖掘机能量进行分配利用，改善发动机工作效率，主要思路是：采用蓄能器作储能单元，回收液压***与动力***能量，由变量泵、变量马达并联组成辅助动力单元，与发动机共同驱动主泵负载。所述的控制器通过传感器采集主泵出口压力和蓄能器压力信号，并根据控制流程，调节变量泵、变量马达排量，解决主辅动力源匹配问题。由此，实现能量差动回收与挖掘机油液混合动力，使发动机稳定工作在高效燃油区，提高挖掘机的燃油经济性，节省油耗，降低***排放。

Claims (4)

1. 一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***，其特征在于包括控制器（1）、发动机（2）、分动箱（3）、主泵（4）、油箱（5）、第一单向阀（6）、第二单向阀（7）、液压泵（8）、液压马达（9）、液控换向阀（10）、第三单向阀（11）、第一压力传感器（12）、多路阀（13）、第四单向阀（14）、电磁换向阀（15）、动臂液压缸（16）、蓄能器（17）、电液比例阀（18）、第五单向阀（19）、第六单向阀（20）、第二压力传感器（21）、先导操作手柄（22）；发动机（2）的传动轴与分动箱（3）的输入轴相连，分动箱（3）的第一输出轴与主泵（4）的传动轴相连，分动箱（3）的第二输出轴与变量泵（8）的传动轴相连，变量泵（8）的传动轴与变量马达（9）的传动轴相连；主泵（4）的吸油口与油箱（5）相连，主泵（4）的压油口与第三单向阀（11）的P1口相连，第三单向阀（11）的P2口与多路阀（13）的P口相连，多路阀（13）的A口与电磁换向阀（15）的T口相连，电磁换向阀（15）的A口与动臂液压缸（16）的无杆腔相连，动臂液压缸（16）的有杆腔与多路阀（13）的B口相连，多路阀（13）的T口与油箱（5）相连；电磁换向阀（15）的B口与油箱（5）相连，电磁换向阀（15）的P口与第四单向阀（14）的P2口相连，第四单向阀（14）的P1口与液控换向阀（10）的P口相连，液控换向阀（10）的T口与第二单向阀（7）的P2口相连，第二单向阀（7）的P1口与油箱（5）相连，液控换向阀（10）的A口与变量泵（8）的吸油口相连，变量泵（8）的压油口与第六单向阀（20）的P1相连，第六单向阀（20）的P2口与蓄能器（17）相连，第六单向阀（20）的P2口与电液比例阀（18）的B口相连，电液比例阀（18）的A口与第五单向阀（19）的P2口相连，第五单向阀（19）的P1口与液控换向阀（10）的P口相连，第五单向阀（19）的P1口与变量马达（9）的进油口相连，变量马达（9）的出油口与第一单向阀（6）的P1口相连，第一单向阀（6）的P2口与油箱（5）相连；先导操作手柄（22）与多路阀（13）的先导控制口相连，先导操作手柄（22）与控制器（1）输入信号线相连，第一压力传感器（12）的检测接口与主泵（4）的压油口相连，第一压力传感器（12）的电气接口与控制器（1）的输入信号线相连，第二压力传感器（21）的检测接口与蓄能器（17）相连，第二压力传感器（21）的电气接口与控制器（1）的输入信号线相连；控制器（1）的输出信号线与发动机（2）的油门控制信号口相连，控制器（1）的输出信号线与变量泵（8）的排量控制信号口相连，控制器（1）的输出信号线与变量马达（9）的排量控制信号口相连，控制器（1）的输出信号线与电磁换向阀（15）的电磁铁相连，控制器（1）的输出信号线与电液比例阀（18）的电磁铁相连；液控换向阀（10）的先导控制油口与电磁换向阀（15）的P口相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***，其特征在于所述的控制器（1）采用PLC。

3.根据权利要求1所述的一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***，其特征在于所述的主泵（4）采用负流量控制变量泵。

4.根据权利要求1所述的一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力***，其特征在于所述的液控换向阀（10）为二位四通液控换向阀，电磁换向阀（12）为二位三通电磁换向阀，电液比例阀（16）为二位二通电液比例阀，实现对蓄能器输出流量的调节。

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