专利名称：一种液压挖掘节能系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及驱动系统领域技术，尤其是指一种基于油电液混合动力和能量回收技术的液压挖掘节能系统。
背景技术：
液压挖掘机作为国家基础建设的最重要的工程机械机种之一，已经广泛应用于建筑，交通，水利，矿山以及军事领域中。液压挖掘机的节能减排已引起了人们的广泛关注与重视。发动机和液压系统效率低下是液压挖掘机的能量利用率不高的主要原因，因此动力系统和液压系统的节能研究一直是液压挖掘机的研究重点。液压挖掘机的工况复杂，负载变化剧烈，混合动力技术是提高动力系统节能效果·的最佳方案之一。混合动力一般分为以电量储存单元(蓄电池或电容)作为储能元件的油电混合技术和以液压蓄能器作为储能元件的液压混合技术。蓄电池的能量密度高，但是它的功率密度较低，充放电频率小，不能迅速转化吸收大量功率。超级电容具有寿命长、释放电流功率大等特点，此外，液压蓄能器具有成本低、寿命长的特点，但蓄能器的能量密度很低，蓄能器与相同大小的蓄电池相比存储的能量有限。因此，当前单一的油电混合与液压混合两者之间各有所长，很难同时高功率密度和高能量密度的要求。目前，常规的动臂势能回收方案主要基于油电混合动力液压挖掘机展开。动臂驱动液压缸的回油腔与液压马达相连，该液压马达与发电机同轴相连。动臂驱动油缸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，并带动发电机发电，三相交流电能经变频器整流为直流电能并储存在储能元件当中。当系统需要时，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机，与发动机共同驱动负载工作。该技术方案中所有动臂势能回收再利用都经过从势能-液压能-机械能-电能-电容-驱动变量泵的机械能的多次能量转化，系统中能量转换环节较多，影响了系统的能量回收效率。同理，常规的上车机构回转制动能量回收方案也主要基于油电混合动力液压挖掘机展开。系统主要采用电动机驱动替代传统液压马达驱动上车机构，利用电动机的二、四象限工作把回转制动时释放出来的大量动能转化成电能储存在蓄电池或电容中。系统中的电量储存单元既为回收能量的储能元件，同时也是混合动力驱动系统中电动机的直流电源。该技术方案中所有制动动能回收再利用经过能量多次转化，系统中能量转换环节较多，影响了系统的能量回收效率。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种液压挖掘节能系统，既能提高发动机工作效率，又可降低能量回收系统中的能耗损耗，同时不影响发动机的稳定工作。为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种液压挖掘节能系统，其包括动臂驱动油缸(17)和上车机构(34)，还包括油电液混合驱动系统(100)、液压蓄能器控制单元(200)、动臂驱动油缸液压控制单元(300)、上车机构液压控制单元(400)、第一单向阀(11)、第二单向阀(13)、第三单向阀(14)、第一液压蓄能器(24)以及第二液压蓄能器(26)；所述的油电液混合驱动系统100包括同轴机械传动连接的发动机(3)、电动/发电机(4)和变量马达(5)、第一变量泵(6)和第二变量泵(7)；所述的液压蓄能器控制单元200包括第一电磁换向阀(15)、第二电磁换向阀
(22)、第三电磁换向阀(23)、第四电磁换向阀(25);前述第一液压蓄能器(24)接第三电磁换向阀(23)油口 B，第三电磁换向阀(23)的油口 A分为三路第一路接第一电磁换向阀
(15)的油口 A，第二路接第三单向阀(14)的油口 B，第三路接第二电磁换向阀(22)的油口B ;第二液压蓄能器(26)接第四电磁换向阀(25)的油口 B ;该第二电磁换向阀(22)的油口 A接第二单向阀(13)的油口 B;第四电磁换向阀(25)的油口 A分两路第一路接第一电磁换向阀(15)的油口 B，第二路接变量马达(5)的进油口 ；所述的动臂驱动油缸液压控制单元300包括第一比例节流阀(18)、第二比例节流阀(19)、第三比例节流阀(20)、第四比例节流阀(21)，所述动臂驱动油缸(17)的有杆腔的油口分为两路第一路接第三比例节流阀(20)的油口 B，第二路接第四比例阀(21)的油口A ;并且该动臂驱动油缸(17)的无杆腔的油口分为三路第一路接第一比例节流阀(18)的油口 B，第二路接第二比例节流阀(19)的油口 A，第三路接第三单向阀(14)的油口 A ;该第二比例节流阀(19)的油口 B和第四比例节流阀(21)的油口 B接油箱；该第一比例节流阀
(18)的油口 A和第三比例节流阀(20)的油口 A接第二电磁换向阀(22)的油口 A;所述的上车机构液压控制单元400包括液控比例方向阀(16)、第一液控单向阀
(27)、第二液控单向阀(28)、电控比例换向阀(29)、第四单向阀(30)、第五单向阀(31)和液压马达(32)，该液压马达(32)连接前述上车机构(34)，该液控比例方向阀(16)的油口P和第一单向阀(11)的油口 B相连，液控比例方向阀(16)的油口 T和油箱相连，液控比例方向阀(16)的油口 A分三路第一路接第一液控单向阀(27)的油口 A，第二路接第四单向阀(30)的油口 B，第三路接液压马达(32)的油口 A ;该液控比例方向阀(16)的油口 B也分三路第一路接第二液控单向阀(28)的油口 A，第二路接第五单向阀(31)的油口 B，第三路接液压马达(32)的油口 B ;该第一液控单向阀(27)和第二液控单向阀(28)的油口 B与电控比例方向阀(29)的油口 A相连，电控比例方向阀(29)的油口 T接油箱，电控比例方向阀
(29)的油口 P接第四电磁换向阀(25)的油口 A ;该第四单向阀(30)的油口 A和第五单向阀(31)的油口 A接油箱；第一液控单向阀(27)的控制油口 K和液控比例方向阀(16)的控制油口 Kl相连，第二液控单向阀(28)的控制油口 K和液控比例方向阀(16)的控制油口 K2相连；所述第一变量泵(6)的出口接第二单向阀(13)的油口 A;所述第二变量泵(7)的出口接第一单向阀(11)的油口 A。优选的，所述第一液压蓄能器(24)的压力等级小于动臂驱动油缸(17)伸出时所需要的压力等级，而第二液压蓄能器(26)的压力等级大于动臂驱动油缸(17)伸出时所需要的压力等级。优选的，进一步包括梭阀(9)和安全阀(10)，该梭阀(9)的油口 Al接变量泵(6)的出油口，梭阀(9)的油口 A2接变量泵(7)的出油口，梭阀(9)的油口 B接安全阀(10)的进口，安全阀(10)的出口接油箱。优选的，所述液控比例方向阀(16)的控制油口 Kl和控制油口 K2分别和传统液压挖掘机先导控制油路相连。优选的，所述液压马达(32)与上车机构(34)之间连接减速器(33)。优选的，进一步包括铲斗液压驱动系统(8)，该铲斗液压驱动系统(8)连接变量泵
(6)的出油口。优选的，进一步包括斗杆液压驱动系统(12)，该斗杆液压驱动系统(12)连接变量泵(J)的出油口。优选的，所述电动/发电机⑷通过变频器⑴电性连接蓄电池(2)，该变频器(I) 和电动/发电机⑷为永磁同步电动机及电机控制器。优选的，所述变量马达(5)和变量泵出、7)为带位移电反馈的电控变量马达和变量泵。优选的，所述第一电磁换向阀至第四电磁换向阀(15、22、23、25)为由电磁换向阀作为先导级的二通插装阀。本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知I、本实用新型的动力系统为油电液混合驱动系统，动力系统既可以工作在油电混合驱动模式，发挥蓄电池能量密度大的优点，主要负责平衡波动较为平缓的工况，又可工作在液压混合动力驱动模式，利用液压蓄能器功率密度大的特点，满足负载瞬时大功率的要求。因此，油电混合驱动系统的设计不再根据原液压挖掘机工况中最大负载波动功率来设计，使得电动/发电机和蓄电池的功率等级大大降低。2、在能量回收方面，本实用新型遵循了能量转化环节最小原则，避免了能量多次转化造成的能量损耗。在挖掘机的动臂下放时，动臂驱动油缸的无杆腔的部分液压油可以直接流向动臂驱动油缸的有杆腔，实现流量再生功能。部分能量通过第一液压蓄能器(低压蓄能器)转化成液压能并进行储存。在上车机构回转制动时，液控比例方向阀处于中位，液压马达由于惯性继续旋转，在制动腔一侧产生高压，通过对应的液控单向阀、电控比例方向阀、电磁换向阀对第二液压蓄能器(高压蓄能器)充油，实现能量回收过程。3、在能量的再利用方面，本实用新型同样遵循了能量转化环节最小原则。第二液压蓄能器(高压蓄能器)的能量既可直接通过电控比例方向阀和液控单向阀直接驱动上车机构回转加速，又可以通过第四电磁换向阀、第三电磁换向阀和变量泵的出油口压力汇合在一起通过第一或第二比例节流阀实现动臂的上升或下降。同时第二液压蓄能器(高压蓄能器)和第一液压蓄能器(低压蓄能器)的液压油可以根据动力系统的需要可直接通过变量马达驱动变量泵转化成机械能，多余的能量通过变量马达驱动动力系统的电动/发电机转化成电能。4、动力系统和能量回收系统共用一套关键元件，相对传统的辅以能量回收系统的油电混合驱动系统和液压混合驱动系统，降低了电动/发电机和蓄电池等关键元件的功率等级，同时减小了液压蓄能器的安装体积，在功能上却实现了油电混合动力、液压混合动力、动臂势能回收以及回转制动能量回收等多种功能。为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，
以下结合附图与具体实施例来对本实用新型进行详细说明。
图I是本实用新型之较佳实施例的整体结构框图。附图标识说明100、油电液混合驱动系统200、液压蓄能器控制单元300、动臂驱动油缸液压控制单元400、上车机构液压控制单元 I、变频器2、蓄电池3、发动机4、电动/发电机5、变量马达6、第一变量泵7、第二变量泵8、铲斗液压驱动系统9、梭阀10、安全阀11、第一单向阀12、斗杆液压驱动系统13、第二单向阀14、第三单向阀15、第一电磁换向阀16、液控比例方向阀17、动臂驱动油缸18、第一比例节流阀19、第二比例节流阀20、第三比例节流阀21、第四比例节流阀22、第二电磁换向阀23、第三电磁换向阀24、第一液压蓄能器25、第四电磁换向阀26、第二液压蓄能器27、第一液控单向阀28、第二液控单向阀29、电控比例方向阀30、第四单向阀31、第五单向阀32、液压马达33、减速器34、上车机构。
具体实施方式
请参照附图I所示，其显示出了本实用新型之较佳实施例的具体结构，其包括动臂驱动油缸17和上车机构34，还包括油电液混合驱动系统100、液压蓄能器控制单元200、动臂驱动油缸液压控制单元300、上车机构液压控制单元400、变频器I、蓄电池2、第一单向阀11、第二单向阀13、第三单向阀14、梭阀9、安全阀10、铲斗液压驱动系统8、斗杆液压驱动系统12、第一液压蓄能器24、第二液压蓄能器26以及机械连接在上车机构34的减速器33。具体而言，各组成部件的相互连接关系如下所述的油电液混合驱动系统100包括同轴机械传动连接的发动机3、电动/发电机4和变量马达5、第一变量泵6和第二变量泵7，该电动/发电机4通过变频器I与蓄电池2电性相连，该变量马达5通过液压蓄能器控制单元15、22、23、25与第一液压蓄能器24、第二液压蓄能器26的油路相连；[0055]所述的液压蓄能器控制单元200包括第一电磁换向阀15、第二电磁换向阀22、第三电磁换向阀23、第四电磁换向阀25。第一液压蓄能器24接第三电磁换向阀23油口 B，第三电磁换向阀23的油口 A分为三路第一路接第一电磁换向阀15的油口 A ;第二路接第三单向阀14的油口 B ;第三路接第二电磁换向阀22的油口 B ;第二液压蓄能器26接第四电磁换向阀25的油口 B，第四电磁换向阀25的油口 A分为三路第一路接第一电磁换向阀15的油口 B ;第二路接变量马达5的进油口 ；第三路接下述电控比例方向阀29的油口 P，第二电磁换向阀22的油口 A分三路第一路接第二单向阀13的油口 B ;第二路接下述第一比例节流阀18的油口 A ;第三路接下述第三比例节流阀20的油口 A。所述的动臂驱动油缸液压控制单元300包括第一比例节流阀18、第二比例节流阀19、第三比例节流阀20、第四比例节流阀21，所述动臂驱动油缸17的有杆腔的油口分为两路第一路接第三比例节流阀20的油口 B，第二路接第四比例阀21的油口 A ;并且该动臂驱动油缸17的无杆腔的油口分为三路第一路接第一比例节流阀18的油口 B ;第二路接第 二比例节流阀19的油口 A ;第三路接第三单向阀14的油口 A，第二比例节流阀19的油口 B和第四比例节流阀21的油口 B接油箱。所述的上车机构液压控制单元400包括液控比例方向阀16、第一液控单向阀27、、第二液控单向阀28、电控比例换向阀29、第四单向阀30、第五单向阀31和液压马达32，液控比例方向阀16的油口 P和第一单向阀11的油口 B相连，液控比例方向阀16的油口 T和油箱相连，该液控比例方向阀16的油口 A分三路第一路接第一液控单向阀27的油口 A，第二路接第四单向阀30的油口 B，第三路接液压马达32的油口 A ;该液控比例方向阀16的油口 B也分三路第一路接第二液控单向阀28的油口 A，第二路接第五单向阀31的油口 B，第三路接液压马达32的油口 B ;该第一液控单向阀27的油口 B和第二液控单向阀28的油口 B与电控比例方向阀29的油口 A相连，电控比例方向阀29的油口 T接油箱；该第四单向阀30的油口 A和第五单向阀31的油口 A接油箱。第一液控单向阀27的控制油口 K和液控比例方向阀16的控制油口 Kl相连，第二液控单向阀28的控制油口 K和液控比例方向阀16的控制油口 K2相连。所述第一变量泵6的出口分三路第一路接铲斗液压驱动系统8，第二路接第二单向阀13的油口 A，第三路接梭阀9的油口 Al ;所述第二变量泵7的出口也分三路第一路接斗杆液压驱动系统12，第二路接第一单向阀11的油口 A，第三路接梭阀9的油口 A2。所述梭阀9的油口 B接安全阀10的进口，安全阀10的出口接油箱。所述液控比例方向阀16的控制油口 Kl和控制油口 K2分别和传统液压挖掘机先导控制油路相连。本实用新型中，所述变量马达5和变量泵6、7可选用带位移电反馈的电控变量马达和变量泵。所述变频器I和电动/发电机4可选用永磁同步电动机及电机控制器。所述电磁换向阀15、22、23、25可选用由电磁换向阀作为先导级的二通插装阀。本实用新型的具体工作原理如下挖掘机的控制器(未图示)通过对先导控制手柄(未图示)输出的压力信号进行采集和数据处理，获得先导控制压力，判断得到动臂的工作模式处于上升还是处于下放以及上车机构34的工作模式处于左回转还是右回转，同时挖掘机的控制器接受该系统中检测两个变量泵6、7出口压力、两个液压蓄能器24、26压力的压力传感器(未图示)的电流信号、蓄电池管理控制器(未图示)输出的表征蓄电池2剩余电量SOC的电压信号以及两个变量液压泵放大板(未图不)输出的表征排量的电压信号。向发动机3、变频器I、第一变量泵6、第二变量泵7、变量马达5、四个电磁换向阀(15、22、23、25)、比例方向阀29以及四个比例节流阀18、19、20、21发送控制指令，从而控制发动机3的油门、变量泵6，7的排量、变量马达5的排量、电磁换向阀15、22、23、25的工位、电控比例方向阀29的阀芯位移、比例节流阀18、19、20、21的阀芯位移。变频器I通过接收挖掘机的控制器(未图示)传输过来的信号，向电动/发电机4发出控制指令，以控制电动/发电机4的工作模式和目标控制信号。本实用新型的具体控制过程如下 (一)动力系统设定蓄电池2的SOC(剩余电量)的各判断阈值S1, S2且满足S1 < S2。设定第一液压蓄能器24的压力P1各判断阈值pn，P12且满足pn < P120设定第二液压蓄能器26的压力P2各判断阈值P21，P22且满足P21 < P22O动力系统工作流程如下(I)人为根据负载类型设定发动机3的油门初始档位。(2)根据发动机3的万有特性曲线得到该油门档位对应的发动机油耗率最低对应的转速nEt和转矩TEt。发动机3开始启动工作。(3)通过检测两个变量泵6、7的出口压力和排量，计算负载所需要的转矩!Y。
Γ n rj, PvIcIpl , Pp2(lp2( Λ、Ii=-+--Cl)
2π 2π式中ρρ1——第一变量泵出口压力；MPapp2——第二变量泵出口压力；MPaqpl——第一变量泵排量；ml/rqp2——第二变量泵排量；ml/r(4)根据蓄电池2的SOC以及两个液压蓄能器24、26的压力P1，p2动态调整电动/发电机4的目标扭矩Tfflt和变量马达的目标扭矩Tj*。
____m< I ^EMmax ^
Tl ~TEt> Tem^xT服=Ic1(2)
L-^L — -^Et5— -^Et — ^EMmaxTffllt — TL-TEt~TEMt(3)式中Tebmx-电动/发电机的峰值扭矩^当蓄电池2的SOC满足SOC > S2时，此时蓄电池2的电量较足，Ii1调整如下
I; P1 < P12JLp2 < p22
3、
k[ =j-； (P1 >P12^21 Sp2 Sp22)或(p2 >p22且p Sp1 Sp12)(4)
j； P1 > P12且P2 > P22当蓄电池2的SOC满足S1 ( SOC ( S2时，此时蓄电池2的电量处于合理波动区域，ki调整如下
权利要求1.一种液压挖掘节能系统，其包括动臂驱动油缸(17)和上车机构(34)，其特征在于还包括油电液混合驱动系统(100)、液压蓄能器控制单元(200)、动臂驱动油缸液压控制单元(300)、上车机构液压控制单元(400)、第一单向阀(11)、第二单向阀(13)、第三单向阀(14)、第一液压蓄能器(24)以及第二液压蓄能器(26)； 所述的油电液混合驱动系统100包括同轴机械传动连接的发动机(3)、电动/发电机(4)和变量马达(5)、第一变量泵(6)和第二变量泵(7)； 所述的液压蓄能器控制单元200包括第一电磁换向阀(15)、第二电磁换向阀(22)、第三电磁换向阀(23)、第四电磁换向阀(25);前述第一液压蓄能器(24)接第三电磁换向阀(23)油口 B，第三电磁换向阀(23)的油口 A分为三路第一路接第一电磁换向阀(15)的油口 A，第二路接第三单向阀(14)的油口 B，第三路接第二电磁换向阀(22)的油口 B ;第二液压蓄能器(26)接第四电磁换向阀(25)的油口 B ;该第二电磁换向阀(22)的油口 A接第二单向阀(13)的油口 B;第四电磁换向阀(25)的油口 A分两路第一路接第一电磁换向阀(15)的油口B，第二路接变量马达(5)的进油口 ； 所述的动臂驱动油缸液压控制单元300包括第一比例节流阀(18)、第二比例节流阀(19)、第三比例节流阀(20)、第四比例节流阀(21)，所述动臂驱动油缸(17)的有杆腔的油口分为两路第一路接第三比例节流阀(20)的油口 B，第二路接第四比例阀(21)的油口A ;并且该动臂驱动油缸(17)的无杆腔的油口分为三路第一路接第一比例节流阀(18)的油口 B，第二路接第二比例节流阀(19)的油口 A，第三路接第三单向阀(14)的油口 A ;该第二比例节流阀(19)的油口 B和第四比例节流阀(21)的油口 B接油箱；该第一比例节流阀(18)的油口 A和第三比例节流阀(20)的油口 A接第二电磁换向阀(22)的油口 A; 所述的上车机构液压控制单元400包括液控比例方向阀(16)、第一液控单向阀(27)、第二液控单向阀(28)、电控比例换向阀(29)、第四单向阀(30)、第五单向阀(31)和液压马达(32)，该液压马达(32)连接前述上车机构(34)，该液控比例方向阀(16)的油口 P和第一单向阀(11)的油口 B相连，液控比例方向阀(16)的油口 T和油箱相连，液控比例方向阀(16)的油口A分三路第一路接第一液控单向阀(27)的油口 A，第二路接第四单向阀(30)的油口 B，第三路接液压马达(32)的油口 A ;该液控比例方向阀(16)的油口 B也分三路 第一路接第二液控单向阀(28)的油口 A，第二路接第五单向阀(31)的油口 B，第三路接液压马达(32)的油口 B ;该第一液控单向阀(27)和第二液控单向阀(28)的油口 B与电控比例方向阀(29)的油口 A相连，电控比例方向阀(29)的油口 T接油箱，电控比例方向阀(29)的油口 P接第四电磁换向阀(25)的油口 A ;该第四单向阀(30)的油口 A和第五单向阀(31)的油口 A接油箱；第一液控单向阀(27)的控制油口 K和液控比例方向阀(16)的控制油口Kl相连，第二液控单向阀(28)的控制油口 K和液控比例方向阀(16)的控制油口 K2相连； 所述第一变量泵(6)的出口接第二单向阀(13)的油口 A;所述第二变量泵(7)的出口接第一单向阀(11)的油口 A。
2.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于所述第一液压蓄能器(24)的压力等级小于动臂驱动油缸(17)伸出时所需要的压力等级，而第二液压蓄能器(26)的压力等级大于动臂驱动油缸(17)伸出时所需要的压力等级。
3.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于进一步包括梭阀(9)和安全阀(10)，该梭阀(9)的油口 Al接变量泵(6)的出油口，梭阀(9)的油口 A2接变量泵(7)的出油口，梭阀(9)的油口 B接安全阀(10)的进口，安全阀(10)的出口接油箱。
4.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于所述液控比例方向阀(16)的控制油口 Kl和控制油口 K2分别和传统液压挖掘机先导控制油路相连。
5.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于所述液压马达(32)与上车机构(34)之间连接减速器(33)。
6.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于进一步包括铲斗液压驱动系统(8)，该铲斗液压驱动系统(8)连接变量泵(6)的出油口。
7.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于进一步包括斗杆液压驱动系统(12)，该斗杆液压驱动系统(12)连接变量泵(7)的出油口。
8.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于所述电动/发电机(4)通过变频器(I)电性连接蓄电池(2)，该变频器⑴和电动/发电机⑷为永磁同步电动机及电机控制器。
9.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于所述变量马达(5)和变量泵出、7)为带位移电反馈的电控变量马达和变量泵。
10.根据权利要求I所述的一种液压挖掘节能系统，其特征在于所述第一电磁换向阀至第四电磁换向阀(15、22、23、25)为由电磁换向阀作为先导级的二通插装阀。
专利摘要本实用新型公开一种液压挖掘节能系统，其包括动臂驱动油缸和上车机构，还包括油电液混合驱动系统、液压蓄能器控制单元、动臂驱动油缸液压控制单元、上车机构液压控制单元、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第一液压蓄能器以及第二液压蓄能器，本实用新型在动力系统方面综合了油电混合动力系统和液压混合动力系统的优点，可以同时满足负载对功率密度高和能量密度高的要求，在能量回收和再利用方面遵循了能量转化环节最小原则，并且动力系统和能量回收系统共用液压蓄能器和蓄电池，籍此，既能提高发动机工作效率，又可降低能量回收系统中的能耗损耗，同时不影响发动机的稳定工作。
文档编号E02F9/20GK202787369SQ20122018701
公开日2013年3月13日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者林添良 申请人:华侨大学