技术领域
[0001] 本
发明涉及挖掘机能量回收系统和油液混合动力系统,是一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力系统。
背景技术
[0002] 普通挖掘机动力系统由
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,不仅使系统能量白白流失,还提高了系统温升,引发
气穴等液压系统
缺陷。因此,开发一套具有能量回收功能的挖掘机混合动力系统,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。
[0003] 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,其中日本开发的系统最具代表性。,神户制
钢开发了一款
串联式混合动力液压挖掘机,
势能回收系统采用泵-
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;当回收能量大于系统需求时,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系统采用单独的
液压马达-发
电机来回收动臂下降势能,此系统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系统及其能量回收系统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,使得系统难以得到广泛应用。
发明内容
[0004] 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系统。
[0005] 一种具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力系统包括
控制器、发动机、
分动箱、主泵、油箱、第一
单向阀、第二单向阀、
变量泵、变量马达、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。
[0006] 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三通液控换向阀,电磁换向阀为二位四通电磁换向阀,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。
[0007] 本发明与背景技术相比具有的有益效果是:
[0008] 1、本系统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。相比油电混合动力系统,本系统能量回收、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。
[0009] 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。
[0010] 3、本系统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系统相比,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。
[0011] 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,系统结构更简单、紧凑,便于实现。
[0012] 5、本系统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
[0013] 图1液压挖掘机具有能量差动回收的油液混合动力系统结构示意图
[0014] 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
[0015] 图3本发明在混合动力模式下能量回收的工作状态图
[0016] 图4本发明在混合动力模式下能量释放的工作状态图
[0018] 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)、变量泵(8)、变量马达(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
[0019] 以下结合附图对本发明进一步说明。
[0020] 如图1所示,具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力系统包括控制器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、变量泵8、变量马达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。
[0021] 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为二位三通液控换向阀,电磁换向阀15为二位四通电磁换向阀,电液比例阀18为二位二通电液比例阀,实现对蓄能器输出流量的调节。
[0022] 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。
[0023] 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,系统处于保压状态。
[0024] 2)如图2所示,当动臂下降时,此系统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,调节变量泵8、变量马达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。
[0025] 3)当动臂非下降,且发动机2输出能量大于主泵4负载时,本系统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。
[0026] 4)当动臂非下降,且发动机2输出能量小于主泵4负载时,本系统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。
[0027] 本发明的具有能量差动回收的挖掘机油液混合动力系统有别于普通的混合动力系统,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,回收液压系统与动力系统能量,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,降低系统排放。