一种用于挖掘机的混联式混合动力系统的制作方法

本发明属于液压传动技术领域，具体涉及一种用于挖掘机的混联式混合动力系统。

背景技术

液压挖掘机在各类施工领域广泛应用，液压挖掘机具有油耗高、效率低等缺点，其节能研究迫在眉睫。

挖掘机工作过程中，经常会出现原动机的输出功率大于系统需求的时候。这会造成一定的功率浪费，导致原动机工作在低效区域。挖掘机在工作过程中，动臂升降动作频繁，又由于工作装置和负载质量大，在下降过程中会释放出大量的势能。该能量绝大部分消耗在主液压阀节流口并转换为热能，这造成了能量的浪费和系统的发热，同时，也降低了液压元件的寿命。因此，研究原动机的功率平衡问题以及动臂势能回收与再利用问题，对延长设备使用寿命，提高能量利用率具有重要意义。在传动技术领域，混合动力技术成为现阶段提高能量利用效率的重要技术之一。所谓混合动力系统是指整机具备两种或者两种以上类型的动力源，并可以进行能量的回收和再利用的系统。在这些动力源中，一种作为主动力源，其余作为辅助动力源，且至少一种动力源的能量是可逆的。当前，对于混合动力系统辅助动力源的研究主要集中在电力式(蓄电储能)和液压式(液压储能)两方面。

电力式主要采用液压马达、发电机为能量转化元件，蓄电池和超级电容为储能元件，以实现能量的转换和回收。在系统需要能量时，发动机工作在电动机模式下，驱动液压马达工作在泵模式下，对系统输出液压能。但是动臂下降过程的时间非常短(3～6s)，能量值大，所以功率很大。现有技术的蓄电池难以承受如此大的充电/放电功率。而超级电容价格极为昂贵，且其占用空间大，因此电力式回收的实用性不强。液压式能量回收系统以蓄能器为储能元件。其基本工作原理为，当回收系统重力势能时，以高压油液的压力能的形式储存于液压蓄能器中，当系统中需要用能时，储存的油液释放出来进入液压系统工作。液压式回收方案利用了蓄能器功率密度大，能吸收压力冲击等优点，但因蓄能器储存能量的密度低，如果需要储存较多能量时会需要较大体积的蓄能器，进而会占用较大的空间，且蓄能器的安装也非常不方便。此外，蓄能器的压力会随着存储油液的增多而上升，对臂架的下落速度造成影响。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于挖掘机的混联式混合动力系统，该系统能在原动机的输出功率大于系统的需求时，实现对原动机的机械能转化为飞轮的动能进行存储，调整发动机的工作点，使之工作在高效区域，还能对动臂下放时的重力势能进行回收，转化成飞轮的动能，该系统能在系统需要时将存储在飞轮中的能量进行再利用，驱动动臂的提升。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于挖掘机的混联式混合动力系统，包括原动机、液压泵/马达、动臂液压缸、第二换向阀、转速传感器、压力传感器、飞轮和控制器，原动机通过分动箱与液压泵/马达连接，液压泵/马达的吸油口s与油箱连接；

在分动箱与液压泵/马达之间串接有第三离合器；

液压泵/马达的出油口p分别与第一换向阀的p口和第三换向阀的p口连接；第一换向阀的a口、第三换向阀的a口分别与动臂液压缸的无杆腔、有杆腔连接；第三换向阀的t口与油箱连接；

所述第二换向阀的p口和t口分别与第一换向阀的a口和油箱连接；

所述分动箱的另一个动力输出口连接有无级变速器，无级变速器通过第一离合器与齿轮箱的一个动力口连接；所述飞轮的一端通过第二离合器与液压泵/马达连接，飞轮的另一端与齿轮箱的另一个动力口连接；

所述动臂液压缸上设置有用于检测其活塞杆伸缩长度的位移传感器；

所述转速传感器设置于飞轮壳体上，用于监测飞轮的转速；

所述压力传感器设置在动臂液压缸的无杆腔，用于检测动臂液压缸无杆腔的压力；

所述控制器的输入端分别与位移传感器、转速传感器、压力传感器和操纵手柄连接，控制器的输出端分别与第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、液压泵/马达、无级变速器、第一离合器、第三离合器和第二离合器连接。

进一步，为了能在需要时向液压泵/马达补充油液，液压泵/马达的出油口p还与补油单向阀的b口连接，补油单向阀的a口与油箱连接。

进一步，为了限定系统的最高压力，液压泵/马达的出油口p还通过主溢流阀与油箱连接。

本发明还提供了一种用于挖掘机的混联式混合动力系统，包括原动机、液压泵/马达、动臂液压缸、第二换向阀、转速传感器、压力传感器和控制器；原动机与液压泵/马达传动连接，液压泵/马达的吸油口s与油箱连接；

原动机通过第一离合器与液压泵/马达连接；

液压泵/马达的出油口p分别与第一换向阀的p口、第三换向阀的p口连接；第一换向阀的a口、第三换向阀的a口分别与动臂液压缸的无杆腔、有杆腔连接；第三换向阀的t口与油箱连接；

所述第二换向阀的p口和t口分别与第一换向阀的a口和油箱连接；

所述液压泵/马达连接有无级变速器，无级变速器通过第二离合器与飞轮串联；

所述动臂液压缸上设置有用于检测其活塞杆伸缩长度的位移传感器；

所述转速传感器设置于飞轮壳体上，用于监测飞轮的转速；

所述压力传感器设置在动臂液压缸的无杆腔，用于检测动臂液压缸无杆腔的压力；

所述控制器的输入端分别与位移传感器、转速传感器、压力传感器和操纵手柄连接，控制器的输出端分别与第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、液压泵/马达、无级变速器、第一离合器和第二离合器连接。

进一步，为了可以使原动机与液压泵/马达脱离连接，原动机通过第一离合器与液压泵/马达连接。

进一步，为了能在需要时向液压泵/马达补充油液，液压泵/马达的出油口p还与补油单向阀的b口连接，补油单向阀的a口与油箱连接。

进一步，为了限定系统的最高工作压力，液压泵/马达的p口还通过主溢流阀与油箱连接。

本发明专利的有益之处在于，可以在原动机的输出功率大于系统的需求时，将原动机的机械能转化为飞轮的动能进行存储。由于飞轮储能能量密度大，因而本方案储存的能量较多，能有效提高设备的能量利用效率，避免了挖掘机工作过程中原动机能量浪费的问题。同时，本方案还能再次将储存的能量反馈于液压系统中。动臂需要提升时，飞轮储存的能量能与原动机一起驱动液压泵/马达，进而作用于动臂提升的过程。通过控制器控制离合器的接入或断开来控制充能或放能过程，能更便捷、高效地控制能量的转化或再利用过程。该系统结构简单，易于实现，能减少原动机的装机功率，具有显著的节能效果。本系统可以吸收多余的发动机功率，使原动机尽可能的工作在高效区；当原动机输出功率小于整机系统的功率需求时，飞轮可以通过相关传动装置对原动机输入辅助动力，从而实现对原动机的削峰填谷作用。本发明还可以在动臂下落过程中通过飞轮来进行能量的有效回收。本发明可用于挖掘机、起重机等具有较多重力势能需要回收的工程机械和电梯等其它类似液压设备中。

附图说明

图1是传统挖掘机动臂系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的液压原理图；

图3是本发明中另一个实施例的液压原理图。

图中：1、原动机，2、液压泵/马达，3、第三离合器，4、动臂液压缸，5、油箱，6、分动箱，701、第一换向阀，702、第二换向阀，703、第三换向阀，8、无级变速器，9、第一离合器，10、齿轮箱，11、第二离合器，12、飞轮，13、补油单向阀，14、主溢流阀，15、控制器，16、操纵手柄，17、压力传感器，18、位移传感器，19、转速传感器，100、动臂，200、转台。

具体实施方式

图1为现有工程机械中动臂100和动臂液压缸4的装配图，其中动臂100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。

下面对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图2所示，一种用于挖掘机的混联式混合动力系统，包括原动机1、液压泵/马达2、动臂液压缸4、第二换向阀702、转速传感器19、压力传感器17、飞轮12和控制器15，原动机1通过分动箱6与液压泵/马达2连接，原动机1一般是柴油机等发动机，也可以是电动机等。液压泵/马达2的吸油口s与油箱5连接；

在分动箱6与液压泵/马达2之间串接有第三离合器3；

液压泵/马达2的出油口p分别与第一换向阀701的p口和第三换向阀703的p口连接；第一换向阀701的a口、第三换向阀703的a口分别与动臂液压缸4的无杆腔、有杆腔连接；第三换向阀703的t口与油箱5连接；

所述第二换向阀702的p口和t口分别与第一换向阀701的a口和油箱5连接；

作为一种优选，第一换向阀701和第二换向阀702为两位两通电磁换向阀，第三换向阀703均为两位三通电磁换向阀；在需要的情况下，比如当系统流量较大时，所述的第一、第二、第三换向阀可以选用电液换向阀。

所述分动箱6的另一个动力输出口连接有无级变速器8，无级变速器8通过第一离合器9与齿轮箱10的一个动力口连接；所述飞轮12的一端通过第二离合器11与液压泵/马达2连接，飞轮12的另一端与齿轮箱10的另一个动力口连接；

所述动臂液压缸4上设置有用于检测其活塞杆伸缩长度的位移传感器18，此伸缩长度值即是动臂的位移；

所述转速传感器19设置于飞轮壳体上，用于监测飞轮12的转速；

所述压力传感器17设置在动臂液压缸4的无杆腔，用于检测动臂液压缸4无杆腔的压力；

所述控制器15的输入端分别与位移传感器18、转速传感器19、压力传感器17和操纵手柄16连接，控制器15的输出端分别与第一换向阀701、第二换向阀702、第三换向阀703、液压泵/马达2、无级变速器8、第一离合器9、第三离合器3和第二离合器11连接。控制器15接收信号，经过其内部逻辑运算后，输出控制信号。对于离合器，当通电时，离合器吸合；断电时，离合器断开。

液压泵/马达2的出油口p还与补油单向阀13的b口连接，补油单向阀13的a口与油箱5连接。

液压泵/马达2的出油口p还通过主溢流阀14与油箱5连接。

工作原理如下：

一、动臂下放(动臂重力势能回收)：

此时液压缸4的活塞杆已经伸出。当操作人员通过操纵手柄16控制动臂下放时，控制器15接收到操纵手柄16的控制信号，控制第一换向阀701的电磁铁y1得电，第二换向阀702的电磁铁y2不得电,第三换向阀703的电磁铁y3得电，控制第一离合器9断电，控制第二离合器11得电。在动臂100的重力作用下，动臂液压缸4无杆腔内的一部分油液经第一换向阀701的a口至p口，再经第三换向阀703的p口至a口，流入动臂液压缸4的有杆腔，防止出现吸空和气蚀。因为无杆腔的面积大于有杆腔的面积，动臂液压缸4无杆腔流出的流量大于流入有杆腔的流量。多余的流量流入液压泵/马达2。此时液压泵/马达2工作在马达模式下，驱动飞轮12加速旋转。因此，动臂100的重力势能转化成飞轮12的动能。此时通过控制液压泵/马达2的排量，可以控制动臂液压缸4的下放的运动速度。

二、主动储能

在挖掘机的设计时，原动机1的功率选取往往需要考虑多个执行元件同时工作时的最大功率需求。但是，工作中的挖掘机很多时候需求的功率远小于原动机1的实际输出功率，这时会造成原动机效率的降低。当原动机1的输出功率大于系统的需求，同时动臂100不需要动作时，控制器15使第一离合器9和第二离合器11得电吸合，同时，根据原动机1输出功率超过系统需求功率的多少情况，控制器15调整无级变速器8的传动比，故原动机1通过分动箱6、无级变速器8、第一离合器9、齿轮箱10驱动飞轮12加速转动，原动机1的机械能转化为飞轮12的动能。此时，相当于主动增加了原动机1的负载，可以使原动机1工作在高效区域，避免浪费。

控制器15可以实时调整无级变速器8的传动比，使飞轮12的转速不断变快。同时根据转速传感器19的信号，判断飞轮12的充能情况。通过转速传感器19能检测飞轮12是否达到极限转速，在达到后断开第二离合器11。

三、储存能量辅助原动机工作(能量再利用)：

1、在动臂提升时，当操作人员通过操纵手柄16控制动臂提升时，控制器15使第一换向阀701电磁铁y1得电；飞轮12储存的能量可以辅助原动机1一起驱动液压泵/马达2工作。在飞轮12的转速符合一定要求的情况下，控制器15控制第一离合器9和第三离合器3吸合，飞轮12通过齿轮箱10、第一离合器9、无级变速器8、分动箱6，与原动机1一起驱动液压泵/马达2旋转。原动机1本身的动力通过第三离合器3驱动液压泵/马达2旋转。液压泵/马达2工作在泵模式下，排出的高压油液经第一换向阀701的p口至a口流入动臂液压缸4的无杆腔。动臂液压缸4的有杆腔的油液经第三换向阀703的a口至t口流回油箱5。因此，飞轮12可以在原动机1小输出功率的情况下使整个系统提供较高功率的输出，因此可以减少能量消耗。

因为飞轮12可以在原动机1功率不足的情况下提供一定的功率输出，因此可以在设计阶段减小原动机1的型号。这样，既降低了成本，也减小了体积，减少了能量消耗。

2、挖掘工况：当动臂100下降到接触地面时，动臂100仅靠自身重力不能继续向下运动，需要动臂液压缸4带动动臂100向下挖掘。此时，操作人员按下操纵手柄16上的功能按钮，控制器15使第一换向阀701断电，第二换向阀702和第三换向阀703得电。控制器15通过飞轮12的转速信号可以得知其剩余动能的多少。如果飞轮12转速大于某个值，控制器15控制第一离合器9吸合，并使第二离合器11保持断开状态，飞轮12通过齿轮箱10、第一离合器9、无级变速器8和分动箱6，来辅助原动机1驱动液压泵/马达2工作。此时液压泵/马达2工作在泵模式下。液压泵/马达2输出的高压油液经第三换向阀703的p口至a口进入动臂液压缸4的有杆腔。动臂液压缸4无杆腔的油液经第二换向阀702流回油箱。因此，动臂液压缸4的活塞杆缩回，动臂100在动臂液压缸4的带动下产生向下的挖掘力。

综上所述，飞轮12作为一个储能元件，可以从原动机1吸取能量，以动能的形式储存起来；在需要的时候，可以直接以机械能的形式辅助原动机1工作。飞轮12的动能也是机械能的一种，所以，本系统是一种机械能与发动机相结合的混合动力系统。

实施例2：

如图3所示，一种用于挖掘机的混联式混合动力系统，包括原动机1、液压泵/马达2、动臂液压缸4、第二换向阀702、转速传感器19、压力传感器17和控制器15；原动机1与液压泵/马达2传动连接，原动机1一般是柴油机等发动机，也可以是电动机等。液压泵/马达2的吸油口s与油箱5连接；

原动机1通过第一离合器9与液压泵/马达2。对于离合器，当通电时，离合器吸合；断电时，离合器断开。

液压泵/马达2的出油口p分别与第一换向阀701的p口、第三换向阀703的p口连接；第一换向阀701的a口、第三换向阀703的a口分别与动臂液压缸4的无杆腔、有杆腔连接；第三换向阀703的t口与油箱5连接；

所述第二换向阀702的p口和t口分别与第一换向阀701的a口和油箱5连接；

作为一种优选，第一换向阀701和第二换向阀702均为两位两通电磁换向阀；第三换向阀703为两位三通电磁换向阀；

所述液压泵/马达2连接有无级变速器8，无级变速器8通过第二离合器11与液飞轮12串联；

所述动臂液压缸4上设置有用于检测其活塞杆伸缩长度的位移传感器18，此伸缩长度值即是动臂的位移；

所述转速传感器19设置于飞轮壳体上，用于监测飞轮12的转速；

所述压力传感器17设置在动臂液压缸4的无杆腔，用于检测动臂液压缸4无杆腔的压力；

所述控制器15的输入端分别与位移传感器18、转速传感器19、压力传感器17和操纵手柄16连接，控制器15的输出端分别与第一换向阀701、第二换向阀702、第三换向阀703、液压泵/马达2、无级变速器8、第一离合器9和第二离合器11连接。控制器15接收信号，经过其内部逻辑运算后，输出控制信号。

液压泵/马达2的出油口p还与补油单向阀13的b口连接，补油单向阀13的a口与油箱5连接。

液压泵/马达2的p口还通过主溢流阀14与油箱5连接。

在需要的情况下，比如当系统流量较大时，所述的第一、第二、第三换向阀可以选用电液换向阀。

工作原理如下：

一、动臂下放(动臂重力势能回收)：

此时液压缸4的活塞缸已经伸出。当操作人员通过操纵手柄16控制动臂下放时，控制器15接收到操纵手柄16的控制信号，控制第一换向阀701的电磁铁y1得电，第二换向阀702的电磁铁y2不得电,第三换向阀703的电磁铁y3得电，且第一离合器9断电，第二离合器11得电吸合。动臂液压缸4无杆腔内的一部分油液经第一换向阀701的a口至p口，再经第三换向阀703的p口至a口，流入动臂液压缸4的有杆腔，防止出现吸空和气蚀。同时，多余的油液经液压泵/马达2流回油箱。动臂100的重力很大，故动臂液压缸4的无杆腔内的油液具有很高的压力。此时液压泵/马达2工作在马达模式下，通过无级变速器8和第二离合器11驱动飞轮12加速旋转。因此，动臂100的重力势能转化成飞轮12的动能。此时通过控制液压泵/马达2的排量和无级变速器8的传动比，可以控制动臂液压缸4的下放的运动速度。

二、主动储能：

在挖掘机的设计时，原动机1的功率选取往往需要考虑多个执行元件同时工作时的功率需求。但是，挖掘机很多时候需求的功率远小于原动机1的实际输出功率。当原动机1的输出功率大于系统的需求时，且转速传感器19测得飞轮转速小于其最高极限转速时，控制器15使第一离合器9、第二离合器11得电吸合，同时，根据原动机1输出功率超过系统需求功率的多少情况，调整无级变速器8的传动比。如果此时动臂100不需要动作，可以通过控制器15使液压泵/马达2的排量为零，此时，液压泵/马达2理论上不消耗原动机1的功率。故原动机1通过第一离合器9、液压泵/马达2、无级变速器8、第二离合器11驱动飞轮12加速，原动机1的机械能转化为飞轮12的动能。控制器15控制无级变速器8的传动比，维持原动机1输出功率和总负载基本平衡。此时，相当于主动增加了原动机1的负载，避免了原动机1多余的功率浪费，可以使原动机1工作在高效区域。

三、能量再利用：

1、在动臂提升时：

通过转速传感器19测得飞轮12的速度，在飞轮12的转速符合一定要求(高于最小转速)的情况下，控制器15能够判断出储存在飞轮12中的能量是否能够单独驱动动臂提升作业时。当能够单独驱动时，在操作人员通过操纵手柄16控制动臂提升时，控制器15使第一换向阀701电磁铁y1得电，并控制第二离合器11得电吸合，使第一离合器9断电分离，并调整无级变速器8的传动比，进而飞轮12通过第二离合器11、无级变速器8驱动液压泵/马达2工作，以完成动臂的提升作业。此时液压泵/马达2工作在泵模式。

当飞轮12储存的能量不足以单独完成动臂提升作业时，控制器15控制第一离合器9吸合，并控制原动机1的输出功率，该输出功率小于正常的输出功率，进而飞轮12储存的能量可以和原动机1一起驱动液压泵/马达2工作，飞轮12和原动机1共同来完成动臂的提升作业。因此，飞轮12可以在原动机1小输出功率的情况下提供较高功率的输出，因此可以减少能量消耗，也可以在设计阶段减小原动机1的型号。这样，既降低了成本，也减小了体积，减少了能量消耗。

液压泵/马达2输出的高压油液经第一换向阀701的p口至a口流入动臂液压缸4的无杆腔；其有杆腔内的油液经第三换向阀703的a口至t口流回油箱。因此，动臂液压缸4单活塞杆伸出，动臂100在动臂液压缸4的驱动作用下提升。

2、有动臂以外的系统需求功率时：

当除动臂以外的系统功率需求较小时，通过转速传感器19测得飞轮12的速度，在飞轮12的转速符合一定要求的情况下，控制器15能够判断出储存在飞轮12中的能量是否能够单独驱动动臂以外的系统，当能够单独驱动时，控制器15使第一换向阀701电磁铁y1得电，并控制第二离合器11吸合，使第一离合器9断电，并可以调整无级变速器8的传动比，进而飞轮12通过第二离合器11、无级变速器8驱动液压泵/马达2工作，以完成对动臂以外系统的驱动。

当除动臂以外的系统功率需求较大时，且大于飞轮12储存的能量时，飞轮12储存的能量不足以单独完成对动臂以外系统的驱动，控制器15控制第一离合器9吸合，并控制原动机1的输出功率，该输出功率小于正常的输出功率，进而飞轮12储存的能量可以和原动机1一起驱动液压泵/马达2工作，飞轮12和原动机1共同来完成对动臂以外系统的驱动。因此，飞轮12可以在原动机1小输出功率的情况下提供较高功率的输出，因此可以减少能量消耗，因此可以在设计阶段减小原动机1的型号。这样，既降低了成本，也减小了体积，减少了能量消耗。

3、挖掘工况：当动臂100下降到接触地面或硬岩时，动臂100仅靠自身重力不能继续向下运动，需要动臂液压缸4带动动臂100向下挖掘。此时，操作人员按下操纵手柄16上的功能按钮，控制器15使第一换向阀701断电，第二换向阀702和第三换向阀703得电。控制器15通过飞轮12的转速信号可以得知其剩余动能的多少。如果飞轮12转速大于最低转速值，控制器15控制第二离合器11吸合，飞轮12通过第二离合器11、无级变速器8来与原动机1一起驱动液压泵/马达2工作。此时液压泵/马达2工作在泵模式下。液压泵/马达2输出的高压油液经第三换向阀703的p口至a口进入动臂液压缸4的有杆腔。动臂液压缸4无杆腔的油液经第二换向阀702流回油箱。因此，动臂液压缸4的活塞杆缩回，动臂100在动臂液压缸4的带动下产生向下的挖掘力。

综上所述，飞轮12作为一个储能元件，可以从原动机1吸取能量，以动能的形式储存起来；在动臂下放时，液压泵/马达2和飞轮12可以将动臂的重力势能回收，转化成飞轮12的动能；在需要的时候，飞轮12可以直接以机械能的形式辅助原动机1工作。飞轮的动能是机械能的一种，所以，本系统是一种机械能与发动机相结合的混合动力系统。