專利名稱：一種具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及挖掘機能量回收系統(tǒng)和油液混合動力系統(tǒng)，是一種具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)。
背景技術：
普通挖掘機動力系統(tǒng)由發(fā)動機單獨驅動液壓泵，工況完全由主泵負載決定，一旦負載波動較大，發(fā)動機工作點也會產(chǎn)生較大波動，無法穩(wěn)定工作于高效燃油區(qū)，造成能量浪費，增加油耗。此外，普通挖掘機對動臂下降能量沒有回收利用，使其在節(jié)流口以熱能形式損耗，不僅使系統(tǒng)能量白白流失，還提高了系統(tǒng)溫升，引發(fā)氣穴等液壓系統(tǒng)缺陷。因此，開發(fā)一套具有能量回收功能的挖掘機混合動力系統(tǒng)，不僅可以對發(fā)動機工作效率進行優(yōu)化，還能最大限度對挖掘機能量進行回收利用，大大提高節(jié)能效果。目前，具有能量回收的混合動力挖掘機大多采用油電混合動力技術,其中日本開發(fā)的系統(tǒng)最具代表性。，神戶制鋼開發(fā)了一款串聯(lián)式混合動力液壓挖掘機，勢能回收系統(tǒng)采用泵-馬達驅動方式，當動臂下降時，由馬達將液壓能轉化為機械能，和電動機共同作用于泵；當回收能量大于系統(tǒng)需求時，將多余能量轉化為電能存儲起來。而小松和日立的并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機系統(tǒng)采用單獨的液壓馬達-發(fā)電機來回收動臂下降勢能，此系統(tǒng)液壓馬達并聯(lián)于油路中，當動臂上升時，控制閥存在著較大的節(jié)流損失。上述的液壓挖掘機油電混合動力系統(tǒng)及其能量回收系統(tǒng)都是將挖掘機能量轉化為電能存儲在蓄電池或超級電容中，對于挖掘機快速頻繁的負載變化，能量轉化、存儲效率低，且元件昂貴，使得系統(tǒng)難以得到廣泛應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)?！N具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)包括控制器、發(fā)動機、分動箱、 主泵、油箱、第一單向閥、第二單向閥、液壓泵、液壓馬達、液控換向閥、第三單向閥、第一壓力傳感器、多路閥、第四單向閥、電磁換向閥、動臂液壓缸、蓄能器、電液比例閥、第五單向閥、第六單向閥、第二壓力傳感器、先導操作手柄；發(fā)動機的傳動軸與分動箱的輸入軸相連， 分動箱的第一輸出軸與主泵的傳動軸相連，分動箱的第二輸出軸與變量泵的傳動軸相連， 變量泵的傳動軸與變量馬達的傳動軸相連；主泵的吸油口與油箱相連，主泵的壓油口與第三單向閥的Pl 口相連，第三單向閥的P2 口與多路閥的P 口相連，多路閥的A 口與電磁換向閥的T 口相連，電磁換向閥的A 口與動臂液壓缸的無桿腔相連，動臂液壓缸的有桿腔與多路閥的B 口相連，多路閥的T 口與油箱相連；電磁換向閥的B 口與油箱相連，電磁換向閥的P 口與第四單向閥的P2 口相連，第四單向閥的Pl 口與液控換向閥的P 口相連，液控換向閥的 T 口與第二單向閥的P2 口相連，第二單向閥的Pl 口與油箱相連，液控換向閥的A 口與變量泵的吸油口相連，變量泵的壓油口與第六單向閥的Pl相連，第六單向閥的P2 口與蓄能器相連，第六單向閥的P2 口與電液比例閥的B 口相連，電液比例閥的A 口與第五單向閥的P2 口相連，第五單向閥的Pl 口與液控換向閥的P 口相連，第五單向閥的Pl 口與變量馬達的進油口相連，變量馬達的出油口與第一單向閥的Pl 口相連，第一單向閥的P2 口與油箱相連；先導操作手柄與多路閥的先導控制口相連，先導操作手柄與控制器輸入信號線相連，第一壓力傳感器的檢測接口與主泵的壓油口相連，第一壓力傳感器的電氣接口與控制器的輸入信號線相連，第二壓力傳感器的檢測接口與蓄能器相連，第二壓力傳感器的電氣接口與控制器的輸入信號線相連；控制器的輸出信號線與發(fā)動機的油門控制信號口相連，控制器的輸出信號線與變量泵的排量控制信號口相連，控制器的輸出信號線與變量馬達的排量控制信號口相連，控制器的輸出信號線與電磁換向閥的電磁鐵相連，控制器的輸出信號線與電液比例閥的電磁鐵相連；液控換向閥的先導控制油口與電磁換向閥的P 口相連。所述的控制器采用PLC。所述的主泵采用負流量控制變量泵。所述的液控換向閥為二位四通液控換向閥，電磁換向閥為二位三通電磁換向閥，電液比例閥為二位二通電液比例閥，實現(xiàn)對蓄能器輸出流量的調節(jié)。本發(fā)明與背景技術相比具有的有益效果是I、本系統(tǒng)將能量回收與混合動力結合，共用能量轉化、存儲單元，更大限度地對挖掘機能量進行分配利用。相比油電混合動力系統(tǒng)，本系統(tǒng)能量回收、利用效率高，節(jié)能效果好，增加的元器件少，結構更緊湊，生產(chǎn)成本大幅降低。2、輔助動力單元采用變量泵、變量馬達并聯(lián)結構，兩者獨立控制，進行液壓能與機械能相互轉化，能夠實現(xiàn)在油液混合動力工作的同時進行動臂能量回收，控制靈活方便，精度高。3、本系統(tǒng)使用蓄能器作能量存儲單元，動臂能量回收后直接以液壓能形式充入蓄能器，與使用蓄電池與超級電容的油電混合動力系統(tǒng)相比，能量轉化環(huán)節(jié)少，同等條件下可以提供更大的輔助動力，全充全放能力強，結構簡單，壽命長。4、動臂能量回收時，油液分別流過變量泵和變量馬達，變量馬達產(chǎn)生的扭矩與發(fā)動機扭矩聯(lián)合帶動變量泵，油液增壓后向蓄能器充能，實現(xiàn)能量差動回收?；厥沼鸵航?jīng)過分流和增壓后，充能壓力更高，更有利于能量存儲，能量利用效率提升。同時，回收油液經(jīng)分流后體積減小，蓄能器對容積要求降低，尺寸減小，系統(tǒng)結構更簡單、緊湊，便于實現(xiàn)。5、本系統(tǒng)由控制器調節(jié)變量泵、變量馬達排量與發(fā)動機油門，進行主、輔動力源分配，從而優(yōu)化發(fā)動機工作效率，使發(fā)動機穩(wěn)定工作于高效燃油區(qū)，提高燃油經(jīng)濟性，節(jié)省挖掘機油耗。


圖I液壓挖掘機具有能量差動回收的油液混合動力系統(tǒng)結構示意2本發(fā)明在動臂能量差動回收時的混合動力工作狀態(tài)3本發(fā)明在混合動力模式下能量回收的工作狀態(tài)4本發(fā)明在混合動力模式下能量釋放的工作狀態(tài)5本發(fā)明系統(tǒng)控制器控制流程中，控制器(I)、發(fā)動機(2)、分動箱(3)、主泵(4)、油箱(5)、第一單向閥(6)、第二單向閥(7)、液壓泵(8)、液壓馬達(9)、液控換向閥(10)、第三單向閥(11)、第一壓力傳感器(12)、多路閥(13)、第四單向閥(14)、電磁換向閥(15)、動臂液壓缸(16)、蓄能器(17)、 電液比例閥(18)、第五單向閥(19)、第六單向閥(20)、第二壓力傳感器(21)、先導操作手柄
(22)。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明進一步說明。如圖I所示,具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)包括控制器I、發(fā)動機
2、分動箱3、主泵4、油箱5、第一單向閥6、第二單向閥7、液壓泵8、液壓馬達9、液控換向閥 10、第三單向閥11、第一壓力傳感器12、多路閥13、第四單向閥14、電磁換向閥15、動臂液壓缸16、蓄能器17、電液比例閥18、第五單向閥19、第六單向閥20、第二壓力傳感器21、先導操作手柄22 ;發(fā)動機2的傳動軸與分動箱3的輸入軸相連，分動箱3的第一輸出軸與主泵4 的傳動軸相連，分動箱3的第二輸出軸與變量泵8的傳動軸相連，變量泵8的傳動軸與變量馬達9的傳動軸相連；主泵4的吸油口與油箱5相連，主泵4的壓油口與第三單向閥11的 Pl 口相連，第三單向閥11的P2 口與多路閥13的P 口相連，多路閥13的A 口與電磁換向閥15的T 口相連，電磁換向閥15的A 口與動臂液壓缸16的無桿腔相連，動臂液壓缸16的有桿腔與多路閥13的B 口相連，多路閥13的T 口與油箱5相連；電磁換向閥15的B 口與油箱5相連，電磁換向閥15的P 口與第四單向閥14的P2 口相連，第四單向閥14的Pl 口與液控換向閥10的P 口相連，液控換向閥10的T 口與第二單向閥7的P2 口相連，第二單向閥7的Pl 口與油箱5相連，液控換向閥10的A 口與變量泵8的吸油口相連，變量泵8的壓油口與第六單向閥20的Pl相連，第六單向閥20的P2 口與蓄能器17相連，第六單向閥 20的P2 口與電液比例閥18的B 口相連，電液比例閥18的A 口與第五單向閥19的P2 口相連，第五單向閥19的Pl 口與液控換向閥10的P 口相連，第五單向閥19的Pl 口與變量馬達9的進油口相連，變量馬達9的出油口與第一單向閥6的Pl 口相連，第一單向閥6的P2 口與油箱5相連；先導操作手柄22與多路閥13的先導控制口相連，先導操作手柄22與控制器I輸入信號線相連，第一壓力傳感器12的檢測接口與主泵4的壓油口相連，第一壓力傳感器12的電氣接口與控制器I的輸入信號線相連，第二壓力傳感器21的檢測接口與蓄能器17相連,第二壓力傳感器21的電氣接口與控制器I的輸入信號線相連；控制器I的輸出信號線與發(fā)動機2的油門控制信號口相連，控制器I的輸出信號線與變量泵8的排量控制信號口相連，控制器I的輸出信號線與變量馬達9的排量控制信號口相連，控制器I的輸出信號線與電磁換向閥15的電磁鐵相連，控制器I的輸出信號線與電液比例閥18的電磁鐵相連；液控換向閥10的先導控制油口與電磁換向閥15的P 口相連。所述的控制器I采用PLC。所述的主泵4采用負流量控制變量泵。所述的液控換向閥10為二位四通液控換向閥，電磁換向閥12為二位三通電磁換向閥，電液比例閥16為二位二通電液比例閥，實現(xiàn)對蓄能器輸出流量的調節(jié)。本發(fā)明有保壓、混合動力模式下動臂能量差動回收、混合動力能量回收、混合動力能量釋放四個工作狀態(tài)，以下結合圖I 4加以說明。I)如圖I所示，先導操作手柄22在中位，多路閥13也在中位，主泵處于卸荷狀態(tài)， 系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)。2)如圖2所示，當動臂下降時，此系統(tǒng)工作在混合動力模式下動臂能量差動回收狀態(tài)。此時，先導操作手柄22處于左位，控制多路閥13處于左位，控制器I控制電磁換向閥15處于左位、電液比例閥18處于左位，液控換向閥10處于右位；主泵4輸出的高壓油經(jīng)過第三換向閥11、多路閥13進入動臂缸16的有桿腔。當控制器I檢測到操作手柄22的操作信號且蓄能器壓力未達到預設值時，動臂缸16的無桿腔中的液壓油經(jīng)過電磁換向閥15、 第四單向閥14后，一部分經(jīng)過變量馬達9、第一換向閥6進入油箱，另一部分經(jīng)過液控換向閥10、變量泵8、第六單向閥20輸入蓄能器，實現(xiàn)動臂能量差動回收；當蓄能器壓力達到設定值時，動臂缸16的無桿腔中的液壓油經(jīng)過電磁換向閥15、多路閥13回到油箱5。在回收動臂能量的同時，控制器I根據(jù)控制流程圖5，調節(jié)液壓泵8、液壓馬達9的排量，控制動力輸出，經(jīng)分動箱4與發(fā)動機2進行動力匹配,負載變大發(fā)動機動力不足時由輔助動力單元補充，負載變小發(fā)動機動力盈余時由向輔助動力單元充能，在動臂能量回收同時，進行油液混合動力工作，穩(wěn)定發(fā)動機2工作在燃油高效區(qū)，實現(xiàn)發(fā)動機2效率優(yōu)化。3)當動臂非下降，且發(fā)動機2輸出能量大于主泵4負載時，本系統(tǒng)工作在混合動力能量回收狀態(tài)。以圖3所示，此時，先導操作手柄22處于右位，控制多路閥13處于右位，控制器I控制電磁換向閥15處于右位，液控換向閥10位于左位，電液比例閥18位于左位。當蓄能器壓力小于某設定值時，油液從油箱經(jīng)液控換換向閥10、變量泵8、第六單向閥20充入蓄能器17?？刂破鱅接收第一壓力傳感器12、第二壓力傳感器15的壓力信號，根據(jù)控制流程圖5調節(jié)變量泵8、變量馬達9的排量，使變量泵8將發(fā)動機2的機械能轉化為液壓能存儲于蓄能器中，回收因為負載變小而引起的發(fā)動機2輸出盈余能量，穩(wěn)定發(fā)動機工作狀態(tài)。4)當動臂非下降，且發(fā)動機2輸出能量小于主泵4負載時，本系統(tǒng)工作在混合動力能量釋放狀態(tài)。以圖4所示，此時，先導操作手柄22處于右位，控制多路閥10處于右位， 控制器I控制電磁換向閥15處于右位，液控換向閥10位于左位，電液比例閥18位于右位。 當蓄能器壓力大于某設定值時，蓄能器17的高壓油經(jīng)電液比例閥18、第五單向閥19、變量馬達9回到油箱5?？刂破鱅接收第一壓力傳感器12、第二壓力傳感器15的壓力信號，根據(jù)控制流程圖5調節(jié)變量泵8、變量馬達9的排量，使變量馬達9將蓄能器17的能量轉化為機械能，與發(fā)動機聯(lián)合輸出，彌補因為負載變大而引起的發(fā)動機2輸出不足，穩(wěn)定發(fā)動機工作在燃油高效區(qū)，提高燃油經(jīng)濟性、節(jié)省挖掘機油耗。本發(fā)明的具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)有別于普通的混合動力系統(tǒng)，將能量回收功能與油液混合動力結合，更大限度地對挖掘機能量進行分配利用，改善發(fā)動機工作效率，主要思路是采用蓄能器作儲能單元，回收液壓系統(tǒng)與動力系統(tǒng)能量，由變量泵、變量馬達并聯(lián)組成輔助動力單元，與發(fā)動機共同驅動主泵負載。所述的控制器通過傳感器采集主泵出口壓力和蓄能器壓力信號，并根據(jù)控制流程，調節(jié)變量泵、變量馬達排量，解決主輔動力源匹配問題。由此，實現(xiàn)能量差動回收與挖掘機油液混合動力，使發(fā)動機穩(wěn)定工作在高效燃油區(qū)，提高挖掘機的燃油經(jīng)濟性，節(jié)省油耗，降低系統(tǒng)排放。
權利要求
1.一種具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)，其特征在于包括控制器(I)、 發(fā)動機(2)、分動箱(3)、主泵(4)、油箱(5)、第一單向閥(6)、第二單向閥(7)、液壓泵(8)、 液壓馬達(9)、液控換向閥(10)、第三單向閥(11)、第一壓力傳感器(12)、多路閥(13)、第四單向閥(14)、電磁換向閥(15)、動臂液壓缸(16)、蓄能器(17)、電液比例閥(18)、第五單向閥(19)、第六單向閥(20)、第二壓力傳感器(21)、先導操作手柄(22);發(fā)動機(2)的傳動軸與分動箱(3)的輸入軸相連，分動箱(3)的第一輸出軸與主泵(4)的傳動軸相連，分動箱(3) 的第二輸出軸與變量泵(8)的傳動軸相連，變量泵(8)的傳動軸與變量馬達(9)的傳動軸相連；主泵(4)的吸油口與油箱(5)相連，主泵(4)的壓油口與第三單向閥(11)的Pl 口相連， 第三單向閥(11)的P2 口與多路閥(13)的P 口相連，多路閥(13)的A 口與電磁換向閥(15) 的T 口相連，電磁換向閥(15)的A 口與動臂液壓缸(16)的無桿腔相連，動臂液壓缸(16) 的有桿腔與多路閥(13)的B 口相連，多路閥(13)的T 口與油箱(5)相連；電磁換向閥(15) 的B 口與油箱(5)相連，電磁換向閥(15)的P 口與第四單向閥(14)的P2 口相連，第四單向閥(14)的Pl 口與液控換向閥(10)的P 口相連，液控換向閥(10)的T 口與第二單向閥(7) 的P2 口相連，第二單向閥(7)的Pl 口與油箱(5)相連，液控換向閥(10)的A 口與變量泵 (8)的吸油口相連，變量泵(8)的壓油口與第六單向閥(20)的Pl相連，第六單向閥(20)的 P2 口與蓄能器(17)相連，第六單向閥(20)的P2 口與電液比例閥(18)的B 口相連，電液比例閥(18)的A 口與第五單向閥(19)的P2 口相連，第五單向閥(19)的Pl 口與液控換向閥 (10)的P 口相連，第五單向閥(19)的Pl 口與變量馬達(9)的進油口相連，變量馬達(9)的出油口與第一單向閥(6)的Pl 口相連，第一單向閥(6)的P2 口與油箱(5)相連；先導操作手柄(22)與多路閥(13)的先導控制口相連，先導操作手柄(22)與控制器(I)輸入信號線相連，第一壓力傳感器(12)的檢測接口與主泵(4)的壓油口相連，第一壓力傳感器(12)的電氣接口與控制器(I)的輸入信號線相連，第二壓力傳感器(21)的檢測接口與蓄能器(17) 相連，第二壓力傳感器(21)的電氣接口與控制器(I)的輸入信號線相連；控制器(I)的輸出信號線與發(fā)動機(2)的油門控制信號口相連，控制器(I)的輸出信號線與變量泵(8)的排量控制信號口相連，控制器(I)的輸出信號線與變量馬達(9)的排量控制信號口相連，控制器 (O的輸出信號線與電磁換向閥(15)的電磁鐵相連,控制器(I)的輸出信號線與電液比例閥(18)的電磁鐵相連；液控換向閥(10)的先導控制油口與電磁換向閥(15)的P 口相連。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)，其特征在于所述的控制器(I)采用PLC。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)，其特征在于所述的主泵(4)采用負流量控制變量泵。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)，其特征在于所述的液控換向閥(10)為二位四通液控換向閥，電磁換向閥(12)為二位三通電磁換向閥，電液比例閥(16)為二位二通電液比例閥，實現(xiàn)對蓄能器輸出流量的調節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有能量差動回收的挖掘機油液混合動力系統(tǒng)。它屬于液壓挖掘機節(jié)能控制技術領域，包括控制器、分動箱、變量泵、變量馬達、換向閥、單向閥和蓄能器，能將挖掘機能量差動回收功能與油液混合動力功能以液壓形式結合。采用蓄能器作為能量存儲單元，變量泵、變量馬達作為輔助動力單元，經(jīng)過分動箱與發(fā)動機進行動力耦合。所述控制器根據(jù)控制規(guī)則，解決主輔動力源匹配問題，穩(wěn)定發(fā)動機工作在高效燃油區(qū)。本發(fā)明可以最大限度對挖掘機液壓系統(tǒng)和動力系統(tǒng)能量進行回收、分配與再利用，優(yōu)化發(fā)動機工作效率，提高挖掘機的燃油經(jīng)濟性，降低系統(tǒng)排放。
文檔編號E02F9/22GK102587444SQ201210057719
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權日2012年3月7日
發(fā)明者來曉靚, 王飛, 管成, 肖揚 申請人:浙江大學