动臂闭式控制的混合动力液压挖掘机系统

摘要

本发明公开了一种动臂闭式控制的混合动力液压挖掘机系统，系统包括内燃机、多路阀组、变排量液压泵、发电机、电能存储单元、动臂控制系统、回转控制系统、铲斗液压缸及斗杆液压缸，系统由转速可变的电动机驱动三油口液压泵直接控制动臂液压缸，实现液压挖掘机动臂的上下运动；回转控制系统通过控制回转电动/发电机实现液压挖掘机上部旋转主体相对于下部行进主体的旋转；系统采用混合动力驱动方式，且动臂的势能和回转的动能可直接转化为电能存储在一个电能存储单元中。该发明方便地实现了控制动臂势能的回收和释放，具有能量效率高、结构简化、整机燃油消耗低、工作效率和能量利用率高等优点。

权利要求

1.一种动臂闭式控制的混合动力液压挖掘机系统，包括内燃机、多路阀组、变排量液压泵、发电机、电能存储单元、动臂控制系统、回转控制系统、铲斗液压缸及斗杆液压缸；其特征在于：所述的动臂控制系统由动臂逆变器、转速可变电动机、控制单元、三油口液压泵、蓄能器、小通径液控单向阀、安全阀及动臂液压缸组成；所述的电能存储单元连接到动臂逆变器，动臂逆变器连接到转速可变电动机，转速可变电动机驱动三油口液压泵，三油口液压泵的第1进出油口PA与动臂液压缸的无杆腔相连通，第2进出油口PB与动臂液压缸的有杆腔相连通，吸排油口PT与蓄能器相连通；控制单元采集动臂液压缸的位移信号或速度信号，经过动臂逆变器控制转速可变电动机的转速；

所述的回转控制系统由回转逆变器、回转电动/发电机组成，回转逆变器与电能存储单元相连，回转电动/发电机与回转逆变器相连；回转逆变器受控制单元控制；控制单元采集回转电动/发电机的转速信号并控制回转电动/发电机的工作状态；

所述的内燃机与变排量液压泵、发电机相连，发电机与电能存储单元连接，发电机发出的电能存储于电能存储单元，电能存储单元与动臂逆变器、回转逆变器连接，电能存储单元为转速可变电动机、回转电动/发电机供电，内燃机驱动变排量液压泵，同时驱动发电机发电。

2.根据权利要求1所述的一种动臂闭式控制的混合动力液压挖掘机系统，其特征在于：充电器与电能存储单元连接，充电器连接到电源上。

说明书

动臂闭式控制的混合动力液压挖掘机系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种混合动力的液压挖掘机，特别是一种动臂采用闭式控制方式的混合动力液压挖掘机系统。

背景技术

[0002] 液压挖掘机在工作过程中由于动臂、斗杆和铲斗的上下摆动以及回转机构的回转运动十分频繁，同时，由于各运动部件惯性比较大，所以传统阀控方式在挖掘机回转减速制动和动臂下降时会浪费大量能量。为了减少这部分能量的浪费和保护液压元件，需要对液压挖掘机回转制动动能和动臂下放的势能进行回收再利用。近年来提出的混合动力驱动方式为液压挖掘机动势能的储存和再利用提供了便利条件，2012.11.07授权的发明专利，混合动力建筑机械的控制装置（CN200980110700.3）就公开了这样一种系统，采用液压马达、变量液压泵和电动发电机同轴连接作为能量转换单元，一方面将挖掘机动臂下方的势能和回转制动的动能，经过液压马达驱动发电机转化为电能存储到高压电池中，同时也可驱动变量液压泵再生利用这部分能量，不足是能量回收系统较复杂、再生利用转换次数多，效率低；在2012.03.07授权的发明专利：混合动力建筑机械的控制方法及混合动力建筑机械（CN200880008679.1）中，采用发电机和电动机组成的系统独立控制挖掘机的回转运动，不足是只能回收再利用挖掘机回转制动的动能，而不能利用动臂下方的势能，系统中也没有设置储能单元。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了克服现有混合动力液压挖掘机驱动系统能量回收方式存在的能量损失大、成本高等的不足，提供一种基于动臂闭式控制的混合动力液压挖掘机驱动系统，实现液压挖掘机动臂势能的高效回收再利用，采用电动/发电机将回转制动动能和动臂下放势能转化为电能，存储到增设的电能存储单元中，将两种能量统一回收，互相补充和再利用，以最大限度降低液压挖掘机作业过程的能量消耗。

[0004] 动臂闭式控制的混合动力液压挖掘机系统包括内燃机、多路阀组、变排量液压泵、发电机、电能存储单元、动臂控制系统、回转控制系统、铲斗液压缸及斗杆液压缸；其特征在于：

[0005] 所述的动臂控制系统由动臂逆变器、转速可变电动机、控制单元、三油口液压泵、蓄能器、小通径液控单向阀、安全阀及动臂液压缸组成；所述的电能存储单元连接到动臂逆变器，动臂逆变器连接到可变转速电动机，转速可变电动机驱动三油口液压泵，三油口液压泵的第1进出油口PA与动臂液压缸的无杆腔相连通，第2进出油口PB与动臂液压缸的有杆腔相连通，吸排油口PT与蓄能器相连通；控制单元采集动臂液压缸的位移信号或速度信号，经过动臂逆变器控制转速可变电动机的转速；

[0006] 所述的回转控制系统由回转逆变器、回转电动/发电机组成，回转逆变器与电能存储单元相连，回转电动/发电机与回转逆变器相连；回转逆变器受控制单元控制；控制单元采集回转电动/发电机的转速信号并控制回转电动/发电机的工作状态；

[0007] 所述的内燃机与变排量液压泵、发电机相连，发电机与电能存储单元连接，发电机发出的电能存储于电能存储单元，电能存储单元与动臂逆变器、回转逆变器连接，电能存储单元为转速可变电动机、回转电动/发电机供电，内燃机驱动变排量液压泵，同时驱动发电机发电。

[0008] 所述的充电器与电能存储单元连接，充电器连接到电源上。

[0009] 本发明的优点在于：

[0010] 1.动臂液压缸采用三油口液压泵直接控制，没有节流损失，方便实现控制动臂势能的回收和再利用，而不需要通过液压马达及发电机的多次能量交换，能量回收效率高。

[0011] 2.三油口液压泵由转速可变的电动机驱动，这样三油口液压泵只需采用定排量的液压泵就可，相对于变排量的控制方式，简化了结构；动力驱动采用混合动力方式，有利于提高内燃机的负荷率，使内燃机工作在高效燃油区间，从而节省整机燃油消耗。

[0012] 3.动臂和回转都采用电机驱动，动臂的势能和回转的动能都可以直接转化为电能存储，且共用一个电能存储单元，存储的能量可以互相补充和利用，提高了整机工作的效率和能量利用率。

附图说明

[0013] 图1为本发明液压挖掘机驱动系统工作原理图。

[0014] 图中，01-动臂控制系统、02-回转控制系统、1-内燃机、2-多路阀组、3-变排量液压泵、4-发电机、5-电能存储单元、6-转速可变电动机、7-控制单元、8-三油口液压泵、9-蓄能器、10-A小通径液控单向阀、11-B小通径液控单向阀、12-A安全阀、13-B安全阀、
14-动臂液压缸、15-回转电动机逆变器、16-回转电动/发电机、17-铲斗液压缸、18-斗杆液压缸、19-动臂电动机逆变器、20-充电器。

具体实施方式

[0015] 以下结合附图对本发明进一步进行说明：

[0016] 如图1所示，动臂闭式控制系统的混合动力液压挖掘机驱动系统包括内燃机1、多路阀组2、变排量液压泵3、发电机4、电能存储单元5、动臂控制系统01、回转控制系统02、铲斗液压缸17以及斗杆液压缸18。

[0017] 动臂控制系统01由动臂逆变器19、转速可变电动机6、控制单元7、可平衡差动液压缸面积差的三油口液压泵8、蓄能器9、2个小通径液控单向阀10、11、2个安全阀12、13以及动臂液压缸14组成。动臂控制系统01中，电能存储单元5连接到动臂逆变器19，动臂逆变器19连接到转速可变电动机6，转速可变电动机6驱动三油口液压泵8，三油口液压泵8的第1进出油口PA与动臂液压缸14的无杆腔相连通，第2进出油口PB与动臂液压缸14的有杆腔相连通，吸排油口PT与蓄能器9相连通；A安全阀12与A小通径液控单向阀10并联，A安全阀的O口和A小通径液控单向阀的进油口接三油口液压泵8的吸排油口PT，A安全阀的P口和A小通径液控单向阀的出油口接三油口液压泵8的第1进出油口PA；B安全阀与B小通径液控单向阀并联，B安全阀的O口和B小通径液控单向阀的进油口接三油口液压泵8的吸排油口PT，B安全阀的P口和B小通径液控单向阀的出油口接三油口液压泵的第2进出油口PB。

[0018] 回转控制系统02由回转变压器15和回转电动/发电机16组成，回转逆变器15与电能存储单元5相连，与回转逆变器15连接到回转电动/发电机16。

[0019] 动臂控制系统01控制动臂液压缸14实现液压挖掘机动臂的上下运动，回转控制系统02通过控制回转电动/发电机16实现液压挖掘机上部旋转主体相对于下部行进主体的旋转；变排量液压泵3通过多路阀组2驱动挖掘机铲斗液压缸17和斗杆液压缸18工作。

[0020] 控制单元7采集动臂液压缸14的位移信号或速度信号，经过动臂逆变器19控制转速可变电动机8的转速；；回转逆变器15受控制单元7的控制；控制单元7采集回转电动/发电机16的转速信号控制回转电动/发电机16的工作状态。

[0021] 整机工作时，内燃机1与变排量液压泵3与发电机4相连，内燃机1驱动变排量液压泵3，同时驱动发电机4发电；发电机4与电能存储单元5连接，发电机4发出的电能存储于电能存储单元5中，电能存储单元5与动臂逆变器19和回转逆变器15连接，电能存储单元5为转速可变电动机6和回转电动/发电机16供电。转速可变电机6驱动三油口液压泵8，控制单元7采集动臂液压缸14的位移或转速信号，控制转速可变电动机6的转速，实现对三油口液压泵8转速和方向的控制，从而与三油口液压泵8的排量相配合，提高系统的能量效率。

[0022] 当动臂下降时，动臂液压缸14的活塞杆收回，三油口液压泵8的第1进出油口PA从动臂液压缸14的无杆腔吸油，三油口液压泵8的第2进出油口PB向动臂液压缸14的有杆腔供油，无杆腔多出的高压油经吸排油口进入蓄能器9，实现势能回收；当动臂举升时，动臂液压缸14的活塞杆伸出，三油口液压泵8的第1进出油口PA向无杆腔供油，第2进出油口PB从有杆腔吸油，无杆腔不够的油液由蓄能器9补充。

[0023] 当挖掘机回转启动、加速和匀速回转时，回转电动/发电机16为电动机工作状态，控制单元7控制回转逆变器15，实现电能储存单元5向回转电动/发电机16供给电能；当挖掘机处于回转制动时，回转电动/发电机16为发电机工作状态，控制单元7控制回转逆变器15，实现回转电动/发电机16所发电能向电能储存单元5储存。

[0024] 当挖掘机工作附近有电源，或者挖掘机存放在有电源的场所，将充电器20连接到电源上充电，充电器20与电能存储单元5连接，可采用充电器20向电能存储单元5充电，补充电能，或者使机器处于全电动的状态。