專利名稱：混合動力單泵多執(zhí)行元件工程機械的能量回收系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電液控制技術為特征的液壓控制系統，尤其是涉及一種混合動 力單泵多執(zhí)行元件工程機械的能量回收系統。
技術背景隨著世界范圍內能源短缺和環(huán)境污染問題的日趨嚴重，研究工程機械的節(jié) 能問題具有重要的現實意義。由于多執(zhí)行機構工程機械中的動力油缸要反復舉 升和下放重物，而工程機械各機械臂慣性較大，在機械臂下降或制動時，會釋 放出大量的勢能或動能，在傳統工程機械中，這部分能量難以進行回收、存儲 和再利用，不僅造成了能源的浪費，還會引起發(fā)熱、噪聲、振動和降低壽命等 危害。若能將這部分能量回收并加以再利用，可提高工程機械的能量利用率， 從而降低其能耗。在工程機械中引入混合動力系統，由于動力系統中具備電池或電容等儲能 裝置，能量的回收和存儲都易于實現。目前，基于混合動力工程機械的能量回 收方案為液壓缸的回油腔與一回收液壓馬達相連，該液壓馬達與電動撥電機 Ml同軸相聯。液壓執(zhí)行元件回油腔的液壓油驅動液壓馬達回轉，將液壓能轉化 為機械能輸出，并帶動電動/發(fā)電機Ml發(fā)電，三相交流電能經整流/逆變器整流 為直流電能并儲存在儲能元件電容當中。當系統需要時，直流電能通過整流器逆變成目標頻率的三相交流電能驅動電動/發(fā)電機M2，與發(fā)動機共同驅動負載 (液壓泵)工作。系統中的電容既為液壓馬達回收能量的儲能元件，同時也是 混合動力驅動系統中電動機M的直流電源。此能量回收系統有兩個電動/發(fā)電機， 結構復雜，體積龐大，同時所有負載下降釋放的勢能回收再利用都經過從勢能-液壓能-機械能-電能-電池-驅動變量泵的機械能的多次能量轉化，系統中能量流 動非常復雜，影響了系統的能量回收效率。 發(fā)明內容為了降低液壓控制閥的節(jié)流損失，充分利用重物下落時的重力勢能、慣性 能，提高系統的能量回收效率，本發(fā)明的目的在于提供一種混合動力單泵多執(zhí) 行元件工程機械的能量回收系統，不僅利用混合動力工程機械的電量儲存裝置， 通過液壓馬達-電動/發(fā)電機把上述能量轉化成電能進行回收利用，而且可以利用 液壓馬達、行星齒輪機構直接對上述能量回收驅動變量泵，并通過行星齒輪機構有效的將混合動力系統的電動/發(fā)電機和能量回收系統中電動/發(fā)電機耦合在 一起，使得混合動力系統和能量回收系統共用一個電動發(fā)電機，使系統結構緊 湊。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下-本發(fā)明包括行星齒輪機構、變量泵、發(fā)動機、比例方向閥、變量馬達、 兩個單向閥、比例溢流閥、安全閥、油缸、控制手柄、壓力傳感器、信號控制 單元、電磁換向閥、整流/逆變器、變頻電機和超級電容。其相互連接關系如下發(fā)動機、變量泵同軸相聯后和行星齒輪機構的行星架相連；變量馬達和行 星齒輪機構的太陽輪相連；變頻電機和行星齒輪機構的齒圈相連；變量泵的出 油口分兩路，第一路接壓力傳感器的輸入端，第二路接第一單向閥的進油口； 第一單向閥的出油口分為四路，第一路接比例溢流閥的進油口，第二路接比例 方向閥的P口、 Pl 口，第三路接其他執(zhí)行機構的驅動油路口，第四路接安全閥 的進油口；比例方向閥的T 口與電磁換向閥的P 口相連；A口與油缸的無桿腔 相連，B 口與油缸的有桿腔相連，C 口接油箱；電磁換向閥的B 口接油箱，A 口分兩路，第一路和變量馬達的進油口相連，第二路接第二單向閥的出油口， 單向閥的進油口接油箱；信號控制單元從控制手柄獲得控制信號，從壓力傳感 器獲得負載信號，向發(fā)動機、變量泵、比例方向閥、電磁換向閥、整流/逆變器 和變量馬達發(fā)出控制指令控制發(fā)動機的油門位置、變量泵的排量、比例方向閥 的閥心位移、電磁換向閥的工位、變頻電機的轉速和變量馬達的排量，從而控 制油缸的動作。本發(fā)明與背景技術相比，具有有益的效果是1、 系統利用行星齒輪機構，變量馬達回收的液壓執(zhí)行元件的重力勢能、慣 性能和制動能可以直接通過行星齒輪機構驅動變量泵，避免了能量回收過程由 于能量的多次轉換而造成的能量損失，提高了能量回收系統的回收效率。2、 系統采用行星齒輪機構將變量馬達、發(fā)動機、電動機有效的耦合，混合 動力系統和能量回收系統共用一個電動/發(fā)電機，減少了一個電動/發(fā)電機，降低 了裝機空間。3、 采用該回收系統后，在動力油缸下降時，采用了能量回收系統對油缸回 縮或制動釋放的動能或勢能進行回收。同時，由于此時比例方向閥全開，系統 下降的速度，通過液壓馬達的入口流量來控制的，不再通過比例方向閥的閥心 位移來控制，避免了液壓驅動回路中的因比例方向閥進回油口聯動產生的進油節(jié)流損失。


附圖為本發(fā)明的結構原理示意圖。圖中1、行星齒輪機構，2、變量泵，3、發(fā)動機，4、壓力差傳感器，5、 單向閥，6、比例溢流閥，7、比例方向閥，8、油缸，9、安全閥，10、控制手 柄，11、信號控制單元，12、電磁換向閥，13、單向閥，14、變量馬達，15、 整流/逆變器，16、變頻電機，17、超級電容，18、其他執(zhí)行機構的驅動油路。
具體實施方式
下面結合附圖，通過對實施例的描述給出本發(fā)明的細節(jié)。如附圖所示，本發(fā)明包括行星齒輪機構1、變量泵2、發(fā)動機3、比例方向 閥7、變量馬達14、兩個單向閥5， 13、比例溢流閥6、安全閥9、油缸8、控 制手柄IO、壓力傳感器4、信號控制單元ll、電磁換向閥12、整流/逆變器15、 變頻電機16和超級電容17;其相互連接關系如下發(fā)動機3、變量泵2同軸相 聯后和行星齒輪機構1的行星架相連；變量馬達14和行星齒輪機構1的太陽輪 相連；變頻電機16和行星齒輪機構1的齒圈相連；變量泵2的出油口分兩路， 第一路接壓力傳感器4的輸入端，第二路接第一單向閥5的進油口；第一單向 閥5的出油口分為四路，第一路接比例溢流閥6的進油口，第二路接比例方向 闊7的P口、 Pl 口，第三路接其他執(zhí)行機構的驅動油路口 18，第四路接安全閥 9的進油口；比例方向閥7的T 口與電磁換向閥12的P 口相連；A口與油缸8 的無桿腔相連，B 口與油缸8的有桿腔相連，C 口接油箱；電磁換向閥12的B 口 接油箱，A口分兩路，第一路和變量馬達14的進油口相連，第二路接第二單向 閥13的出油口，單向閥13的進油口接油箱；信號控制單元11從控制手柄10 獲得控制信號，從壓力傳感器4獲得負載信號，向發(fā)動機3、變量泵2、比例方 向閥7、電磁換向閥12、整流/逆變器15和變量馬達14發(fā)出控制指令控制發(fā)動 機3的油門位置、變量泵2的排量、比例方向閥7的閥心位移、電磁換向閥12 的工位、變頻電機16的轉速和變量馬達14的排量，從而控制油缸8的動作。系統的工作原理如下-控制手柄10發(fā)出控制信號給信號控制單元11，信號控制單元11同時對壓 力傳感器4的輸出進行A/D轉換，經處理之后，向發(fā)動機3、變頻電機16、變 量馬達14和變量泵2發(fā)出控制指令，控制變量泵2的轉速和排量，即控制了變 量泵2的流量，控制變量馬達14的轉速和排量，即控制了變量馬達14的流量； 向比例溢流闊6發(fā)出控制信號，控制變量泵2出口壓力；向比例方向閥7發(fā)出控制信號，控制比例方向閥7閥心的位移，即控制兩閥口的過流面積；同時， 向電磁換向閥12發(fā)出控制系統，比例方向閥7的回油是通過變量馬達14接回 油箱，還是直接回油箱；在操作手柄10的控制信號一定時，發(fā)動機的油門位移 控制信號不變，即發(fā)動機的轉速信號不變，由壓力傳感器4檢測的負載壓力和 變量泵2的排量信號可估計驅動負載(變量泵2)所需要的負載功率。 當控制信號為正，具體如下(1) 比例方向閥7右行，電磁換向閥12左行，變量泵2液壓油通過單向 魄5、比例方向閥7的P 口、 A 口進入油缸8無桿腔，推動油缸8上升舉起重 物；油缸8有桿腔的液壓油經比例方向閥7的B 口和T口、電磁換向閥12的P 口、 B 口回油箱。此時系統通過調節(jié)比例方向閥7閥心位移來控制油缸8上升速 度，處于進油節(jié)流調速狀態(tài)；(2) 變量泵2由發(fā)動機3和變頻電機16組成的混合動力系統共同驅動， 變量馬達處于空轉狀態(tài)。當負載功率大于發(fā)動機3的輸出功率時，變頻電機16 工作在電動狀態(tài)，變量泵2由發(fā)動機3和變頻電機16共同驅動，超級電容17 處于放電狀態(tài)；當負載功率小于發(fā)動機3的輸出功率時，變頻電機16工作在發(fā) 電狀態(tài)，發(fā)動機3驅動變量泵2的同時驅動變頻電機16把發(fā)動機輸出的多余的 能量轉化成電能儲存在超級電容17中，超級電容17處于充電狀態(tài)。當控制信號為負，具體工作原理如下(1) 比例方向閥7左行，電磁換向閥12右行，變量泵2液壓油經單向閥5、 比例方向閥7的P 口和B 口進入油缸8有桿腔，油缸8無桿腔的液壓油經比例 方向閥7的A口和T口、電磁換向閥12的P口和A口、變量馬達14回油箱。 此時，比例方向閥7閥口全開，系統油缸8下降的速度是通過調節(jié)變量馬達14 的流量來控制的，處于回油容積調速控制；(2) 油缸8無桿腔的液壓油驅動變量馬達14旋轉，變量馬達14的輸出轉 速和轉矩可以通過行星齒輪機構1直接驅動變量泵2，也可以通過行星齒輪機構 1驅動變頻電機16發(fā)電，將油缸8回縮或制動時的能量轉換為電能后存儲在混 合動力系統的蓄能裝置超級電容17中。(3) 當系統其他執(zhí)行機構的驅動油路口 18的功率大于變量馬達14的回收 功率時，變量泵2由發(fā)動機3、變量馬達14和變頻電機16共同驅動，其中變量 馬達14的回收功率全部通過行星齒輪機構1驅動變量泵2，不足的功率由發(fā)動 機3和變頻電機16組成的混合動力系統驅動；當系統其他執(zhí)行機構的驅動油路 口 18的功率小于變量馬達14的回收功率時，變量馬達14通過行星齒輪機構1驅動變量泵2提供負載所需功率，同時通過行星齒輪機構1驅動變頻電機16回 饋發(fā)電，發(fā)動機3處于自動怠速狀態(tài)。以上，本發(fā)明涉及的整流/逆變器14，超級電容17可根據需要可以在市場 選購。信號控制單元11可采用PLC可編程邏輯控制器。
權利要求
1、一種混合動力單泵多執(zhí)行元件工程機械的能量回收系統，其特征在于包括行星齒輪機構(1)、變量泵(2)、發(fā)動機(3)、比例方向閥(7)、變量馬達(14)、兩個單向閥(5，13)、比例溢流閥(6)、安全閥(9)、油缸(8)、控制手柄(10)、壓力傳感器(4)、信號控制單元(11)、電磁換向閥(12)、整流/逆變器(15)、變頻電機(16)和超級電容(17)；其相互連接關系如下發(fā)動機(3)、變量泵(2)同軸相聯后和行星齒輪機構(1)的行星架相連；變量馬達(14)和行星齒輪機構(1)的太陽輪相連；變頻電機(16)和行星齒輪機構(1)的齒圈相連；變量泵(2)的出油口分兩路，第一路接壓力傳感器(4)的輸入端，第二路接第一單向閥(5)的進油口；第一單向閥(5)的出油口分為四路，第一路接比例溢流閥(6)的進油口，第二路接比例方向閥(7)的P口、P1口，第三路接其他執(zhí)行機構的驅動油路口(18)，第四路接安全閥(9)的進油口，；比例方向閥(7)的T口與電磁換向閥(12)的P口相連；A口與油缸(8)的無桿腔相連，B口與油缸(8)的有桿腔相連，C口接油箱；電磁換向閥(12)的B 口接油箱，A口分兩路，第一路和變量馬達(14)的進油口相連，第二路接第二單向閥(13)的出油口，單向閥(13)的進油口接油箱；信號控制單元(11)從控制手柄(10)獲得控制信號，從壓力傳感器(4)獲得負載信號，向發(fā)動機(3)、變量泵(2)、比例方向閥(7)、電磁換向閥(12)、整流/逆變器(15)和變量馬達(14)發(fā)出控制指令控制發(fā)動機(3)的油門位置、變量泵(2)的排量、比例方向閥(7)的閥心位移、電磁換向閥(12)的工位、變頻電機(16)的轉速和變量馬達(14)的排量，從而控制油缸(8)的動作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合動力單泵多執(zhí)行元件工程機械的能量回收系統。主要包括行星齒輪機構、變量泵、發(fā)動機、比例方向閥、變量馬達、油缸、信號控制單元、整流/逆變器、變頻電機和超級電容等。信號控制單元從控制手柄和壓力傳感器獲得控制信號，向發(fā)動機、變量泵、比例方向閥、電磁換向閥、整流/逆變器和變量馬達發(fā)出控制指令控制發(fā)動機的油門位置、變量泵排量、比例方向閥閥心位移、電磁換向閥工位、變頻電機轉速和變量馬達排量，從而控制油缸的動作。本發(fā)明采用了行星齒輪機構后，混合動力系統和能量回收系統共用一個變頻電機，減少了裝機空間，同時可直接回收能量，提高了能量回收系統的回收效率。
文檔編號B60K6/20GK101403405SQ20081012207
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者林添良, 王慶豐, 胡寶贊, 文 龔 申請人:浙江大學