基于飞轮的挖掘机用混联式机械混合动力系统的制作方法

本实用新型属于液压传动技术领域，具体涉及一种基于飞轮的挖掘机用混联式机械混合动力系统。

背景技术：

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

挖掘机工作过程中，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。这部分能量绝大部分消耗在主液压阀节流口并转换为热能，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。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暂，通常仅为几秒，该过程中能量值大，所以功率也很大。现有技术的蓄电池难以承受如此大的充电/放电功率，因而无法通过蓄电池对这部分能量进行储存。而超级电容的价格则极为昂贵，且其占用的安装空间很大，较难实现在挖掘机上进行安装并进行能量的回收，因此，采用电力式对挖掘机的能量回收的实用性不强。而现有技术中，液压式能量回收系统通常以蓄能器作为储能元件。液压式能量回收系统在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，并在系统中需要用能时，将储存的油液释放出来供入液压系统来辅助工作。液压式回收方案利用了蓄能器功率密度大，并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，进而会占用较大的安装空间，导致蓄能器在挖掘机上的安装非常不便。此外，蓄能器的压力会随着存储油液的增多而上升，进而会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，本实用新型提供一种基于飞轮的挖掘机用混联式机械混合动力系统，该系统可以在不影响挖掘机动作性能的前提下实现对动臂重力势能的回收，并能在系统需要时将回收的能量反馈给系统；该系统不仅可以一体化地实现对挖掘机重力势能的回收和再利用过程，还可以根据不同情况灵活地实现能量回收及能量再利用工作模式的便捷切换。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种基于飞轮的挖掘机用混联式机械混合动力系统，包括液压泵、油箱、主换向阀、动臂液压缸、飞轮、发动机、液压马达、第一变速器、第一离合器、第二离合器、第二变速器、第一齿轮、行星轮系、第三离合器、换向齿轮、第二齿轮、第一制动器、第二制动器和第三制动器；

所述液压泵为双向变量液压泵；液压泵的吸油口s通过管路与油箱连接，液压泵的出油口p通过单向阀和主换向阀的p口连接，主换向阀的a口、b口分别与动臂液压缸的有杆腔、无杆腔连接；

所述液压马达的p口和t口通过管路分别与主换向阀的t口和油箱连接；液压马达的输出轴依次通过第一变速器和第一离合器与飞轮一端的传动轴连接，飞轮另一端的传动轴依次通过第二离合器和第二变速器与第一齿轮的中心轴连接；

所述行星轮系包括太阳轮、齿圈、若干行星小齿轮及行星架；所述太阳轮可转动地设置在行星架的中心，若干行星小齿轮可转动地连接在行星架的四周，并均与太阳轮啮合；所述齿圈与太阳轮同轴心地设置在若干行星小齿轮的外侧，并同时与若干行星小齿轮啮合；所述太阳轮中心的传动轴通过第三离合器与发动机的输出轴连接；所述行星架的输出轴与液压泵的输入端连接；

所述第二齿轮同轴心地与所述齿圈固定连接，第二齿轮通过换向齿轮与第一齿轮啮合；

第一制动器、第二制动器和第三制动器分别与太阳轮、齿圈和行星架相对应地设置，分别用于对太阳轮、齿圈和行星架进行制动。

进一步，为了便于实现自动化控制，还包括控制器和设置在飞轮上的速度传感器，所述控制器分别与液压泵、主换向阀、液压马达、第一变速器、第一离合器、第二离合器、第二变速器、第三离合器、用于操作动臂的操纵手柄、第一制动器、第二制动器、第三制动器和速度传感器连接。

进一步，为了保护系统的稳定运行，液压泵的出油口p还通过溢流阀与油箱连接。

作为一种优选，所述主换向阀为三位四通电磁换向阀，其电磁铁y1b得电后工作在左位，其电磁铁y1a得电后工作在右位，两电磁铁均不得电时工作在中位；工作在左位时，其p口和a口之间的油路连接，其t口和b口之间的油路连通；工作在右位时，其p口和b口之间的油路连接，其t口和a口之间的油路连通；工作在中位时，其p口和a口之间的油路断开，其t口和b口之间的油路连通。

作为一种优选，第一变速器和第二变速器均为无级变速器。

本实用新型可以在不影响挖掘机动作性能的前提下，在挖掘机动臂下降的过程中，通过液压马达对动臂将重力势能转化为机械能并存储于飞轮中。在动臂需要提升时，飞轮通过传动机构驱动液压泵能使储存的机械能变成压力能的形式高效率的补充到液压系统中，以作用于动臂提升的过程。通过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。该系统能减少动臂对发动机的功率需求，具有显著的节能效果。本系统通过设置传动装置，将发动机与液压泵和飞轮适时连接，可以吸收多余的发动机功率，使发动机尽可能的工作在高效区；当发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发动机输入辅助动力，从而实现对发动机的削峰填谷作用。第一制动器、第二制动器和第三制动器的设置可以分别对太阳轮、齿圈和行星架进行制动，从而便捷地控制行星齿轮系的输入和输出工况的改变；通过行星齿轮系统的设置，可以利用其汇集和分流的作用，可以根据不同情况实现不同工况的改变。本实用新型可用于挖掘机、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是本实用新型的液压原理图。

图中：1、液压泵，2、单向阀，3、主换向阀，4、动臂液压缸，5、油箱，6、溢流阀，7、发动机、8、飞轮，9、行星轮系，9s、太阳轮，9r、齿圈，9p、小齿轮，9c、行星架，1001、第一变速器，1002、第二变速器，11、液压马达、1201、第一齿轮，1202、第二齿轮，13、换向齿轮，15、传动轴，201、第一制动器，202、第二制动器，203、第三制动器，301、第一离合器，302、第二离合器，303、第三离合器，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。其中动臂液压缸4作为执行元件，通过自身活塞杆的伸缩运动控制挖掘机的动臂100做升降运动。

如图2所示，本实用新型提供了一种基于飞轮的挖掘机用混联式机械混合动力系统，包括液压泵1、油箱5、主换向阀3、动臂液压缸4、飞轮8、发动机7、液压马达11、第一变速器1001、第一离合器301、第二离合器302、第二变速器1002、第一齿轮1201、行星轮系9、第三离合器303、换向齿轮13、第二齿轮1202、第一制动器201、第二制动器202和第三制动器203；其中，油箱5为系统的油液提供存储空间；飞轮8用于存储能量，具有两个传动轴。

所述液压泵1为双向变量液压泵，可以在输入轴的旋向不同时保证排油口固定，将传动轴输入的机械能转化为液压能输出；液压泵1的吸油口s通过管路与油箱5连接，液压泵1的出油口p通过单向阀2和主换向阀3的p口连接，主换向阀3的a口、b口分别与动臂液压缸4的有杆腔、无杆腔连接；单向阀2保证油液仅能单向流动至主换向阀3，反向流动的油液被阻止。

所述液压马达11的p口和t口通过管路分别与主换向阀3的t口和油箱5连接；液压马达11的输出轴依次通过第一变速器1001和第一离合器301与飞轮8一端的传动轴连接，飞轮8另一端的传动轴依次通过第二离合器302和第二变速器1002与第一齿轮1201的中心轴连接；第一离合器301用于控制第一变速器1001和飞轮8连接与断开；第二离合器302用于控制飞轮8和第二变速器1002连接与断开；

所述行星轮系9包括太阳轮9s、齿圈9r、若干行星小齿轮9p及行星架9c；所述太阳轮9s可转动地设置在行星架9c的中心，若干行星小齿轮9p可转动地连接在行星架9c的四周，并均与太阳轮9s啮合；所述齿圈9r与太阳轮9s同轴心地设置在若干行星小齿轮9p的外侧，并同时与若干行星小齿轮9p啮合；所述太阳轮9s中心的传动轴15通过第三离合器303与发动机7的输出轴连接；所述行星架9c的输出轴与液压泵1的输入端连接；行星轮系9起到动力汇集、分流及传递的作用；第三离合器303用于控制传动轴15与发动机7的连接与断开；

所述第二齿轮1202同轴心地与所述齿圈9r固定连接，第二齿轮1202通过换向齿轮13与第一齿轮1201啮合；

第一制动器201、第二制动器202和第三制动器203分别与太阳轮9s、齿圈9r和行星架9c相对应地设置，分别用于对太阳轮9s、齿圈9r和行星架9c进行制动。

为了便于实现自动化控制，还包括控制器和设置在飞轮8上的速度传感器，所述控制器分别与液压泵1、主换向阀3、液压马达11、第一变速器1001、第一离合器301、第二离合器302、第二变速器1002、第三离合器303、用于操作动臂100的操纵手柄、第一制动器201、第二制动器202、第三制动器203和速度传感器连接。作为一种优选，所述控制器为plc控制器。

为了保护系统的稳定运行，液压泵1的出油口p还通过溢流阀6与油箱5连接。

作为一种优选，所述主换向阀3为三位四通电磁换向阀，其电磁铁y1b得电后工作在左位，其电磁铁y1a得电后工作在右位，两电磁铁均不得电时工作在中位；工作在左位时，其p口和a口之间的油路连接，其t口和b口之间的油路连通；工作在右位时，其p口和b口之间的油路连接，其t口和a口之间的油路连通；工作在中位时，其p口和a口之间的油路断开，其t口和b口之间的油路连通。

作为一种优选，第一变速器1001和第二变速器1002均为无级变速器；可以在外界控制信号的作用下调整自身的传动比。

工作原理如下：

一、动臂下放(能量回收)：

此时液压缸4的活塞缸已经伸出。当需要动臂100下放时，操作人员通过操纵手柄发出下放电信号给控制器，控制器收到下放电信号后控制动臂100下放，同时，控制主换向阀3的电磁铁y1b得电、第一离合器301得电接合。动臂液压缸4无杆腔内的油液经主换向阀3的b口至t口，流入液压马达11的p口，然后从其t口流回油箱5。液压马达11输出的机械能，通过第一变速器1001和第一离合器301驱动飞轮8加速旋转。故动臂液压缸4的活塞杆缩回，动臂100下放。

在此过程中，动臂100的重力势能经动臂液压缸4转化为油液的压力能；油液流入液压马达11中，压力能转化为旋转形式的机械能，进而驱动飞轮8旋转，最终转化为飞轮8的动能。

液压马达11的排量越大，其输出扭矩越大。实时调整液压马达11的排量及第一变速器1001和第二变速器1002的传动比，可以使飞轮8不断加速，存储更多的能量。

二、主动储能

在挖掘机的动臂短时间不需要工作时，发动机并不会熄火。但这会造成一定的能量浪费。对这部分能量进行回收时，操作人员通过操纵手柄发出主动储能电信号给控制器，控制器收到主动储能电信号后同时控制第二离合器302和第三离合器303吸合，并控制第三制动器203对行星架9c进行制动；行星轮系中，在行星架9c固定后，太阳轮9s作为输入端，齿圈9r作为输出端。此时，发动机7输出的机械能经第三离合器303、传动轴15、太阳轮9s、行星齿轮9p驱动齿圈9r转动，齿圈9r驱动与其同轴安装的第二齿轮1202转动，第二齿轮1202转动通过换向齿轮13驱动第一齿轮1201转动，第一齿轮1201再通过第二变速器1002及第二离合器302驱动飞轮8旋转。该过程中，可以通过操作手柄向控制器发出第二变速器调节信号，控制器接收到第二变速器调节信号后控制第二变速器1002的传动比进行对应调节，通过合理调节第二变速器1002的传动比，可以不断提高飞轮8的转速。此过程，发动机7的机械能转化为飞轮8的动能，避免了发动机1多余功率的浪费。还可以在飞轮8上安装与控制器连接的转速传感器，所述转速传感器用于实时检测飞轮8的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器，控制器根据转速信号反馈调节第二变速器1002的传动比，并在转速达到极限转速时断开第二离合器302；

三、动臂提升

3.1发动机与飞轮同时提供动力(能量再利用)：

当动臂提升时，操作人员通过操纵手柄发出提升电信号给控制器，控制器收到提升电信号后控制动臂100提升，同时，控制主换向阀3的主换向阀3电磁铁y1a得电、第二离合器302和第三离合器303得电。发动机7输出的动力通过第三离合器303、传动轴15驱动太阳轮9s沿顺时针方向或逆时针方向旋转。同时，液压马达11在动臂液压缸4无杆腔油液排油的驱动过程中，其旋转方向与液压泵1的传动轴的旋转方向相反，这样，来自飞轮8的动力，经第二离合器302、第二变速器1002、第一齿轮1201、换向齿轮13、第二齿轮1202驱动齿圈9沿逆时针方向或顺时针方向旋转，进而，驱动太阳轮9s和齿圈9的旋转方向相反，形成合力，这样两股动力分别由太阳轮9s和齿圈9r输入，并在合成后驱动行星架9c转动，行星架9c的输出轴将动传递给液压泵1的输入轴；另外，通过合理控制太阳轮9s与齿圈9r的转速比，即可以始终保证液压泵1的旋转方向与发动机7的旋转方向相一致。液压泵1输出高压油液，经单向阀2、主换向阀3的p口至b口，流入液压缸4的无杆腔。液压缸4的有杆腔的油液经主换向阀3的a到t口，再经液压马达11流回油箱5。故动臂液压缸4的活塞杆伸出，动臂100提升。该过程中，可以通过操作手柄向控制器发出第二变速器调节信号，控制器接收到第二变速器调节信号后控制第二变速器1002的传动比进行对应调节，通过控制第二变速器1002的传动比，可以无级地调节行星轮系9的行星架9c的输出速度，也就是液压泵1的转速，从而控制液压泵1的输出流量，实现动臂100的运动速度的改变。控制器结合转速传感器监测的转速信号来对飞轮8所储能量进行监测可以实现对飞轮8内能量的充分利用。还可以通过控制器控制液压泵1的排量和发动机7的转速，来达到调节供给系统流量的目的。

在此过程中，动臂100提升的能量一部分来自发动机7输出的机械能，一部分来自飞轮8的动能。

3.2仅发动机提供动力：

此工况需要第二制动器202处于制动状态，第三离合器303处于吸合状态。

飞轮8存储能量的多少，可以通过转速传感器测出飞轮转速再通过计算得到。当控制器通过转速传感器监测到飞轮8存储的能量较少时，例如设备刚刚开机，飞轮8尚未存储足够的能量。控制器在监测到飞轮8的能量小于设定值时，控制二离合器302断开，并控制第二制动器202制动齿圈9r，进而使飞轮8脱离，仅通过发动机7提供动力。

该过程中，发动机7输出的动力通过第三离合器303、传动轴15、太阳轮9s、行星架9c传递给液压泵1。液压泵1输出高压油液，经单向阀2、主换向阀3的p口至b口，流入液压缸4的无杆腔。液压缸4的有杆腔的油液经主换向阀3的a到t口，再经液压马达11流回油箱5。故动臂液压缸4的活塞杆伸出，动臂100提升。通过控制液压泵1的排量和发动机7的转速，可以调节供给系统的流量，进而动臂100的运动速度。

3.3仅飞轮提供动力：

此工况时，通过控制器控制第一制动器201对太阳轮9s进行制动状态、并使第二离合器302处于吸合状态，使第三离合器303处于断开状态。飞轮8的动力，经第二离合器302、第二变速器1002、第一齿轮1201、换向齿轮13、第二齿轮1202传递给齿圈9r，进而再通过行星架9传递给液压泵1。液压泵1输出高压油液，经单向阀2、主换向阀3的p口至b口，流入动臂液压缸4的无杆腔。动臂液压缸4的有杆腔的油液经主换向阀3的a到t口，再经液压马达11流回油箱5。故动臂液压缸4的活塞杆伸出，动臂100提升。通过控制器控制液压泵1的排量和第二变速器1002的传动比，可以调节供给系统的流量，进而可以控制动臂100的运动速度。因为第三离合器303处于断开状态，此时发动机7并不提供动力，可以关闭节省燃料。

四、发动机驱动液压泵的同时给飞轮充能

此工况对应发动机的输出功率大于液压泵的功率需求时。

通过控制器控制第二离合器302和第三离合器303处于吸合状态。发动机7输出的动力通过第三离合器303、传动轴15传递太阳轮9s，进而通过行星架9c将一部分来自发动机7的动力传递给液压泵1。液压系统部分工作原理与前述部分一致。通过控制液压泵1的排量，可以调节供给系统的流量，进而控制动臂100的运动速度。同时，由于行星轮系9具有到分流的作用，一部分来自发动机7的动力，经齿圈9r、第二齿轮1202、换向齿轮13、第一齿轮1201、第二变速器1002及第二离合器302，驱动飞轮8旋转。通过控制器合理调节第二变速器1002的传动比，可以不断提高飞轮8的转速。此过程，发动机7的机械能分成两部分，一部分用于驱动液压泵1，多余部分转化为飞轮8的动能，避免了发动机1多余的功率浪费。

综上所述，飞轮8作为一个储能元件，可以从发动机1吸取能量，也可以从执行元件(动臂100)回收能量，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发动机1工作，使得系统在总功率不变的情况下减小发动机的额定功率，从而降低成本，同时也提高了系统的能量利用效率。该系统还具备吸收挖掘机待机时的发动机的能量的功能，进一步提高了系统的能量利用效率。