專利名稱：混合動(dòng)力單泵多執(zhí)行元件工程機(jī)械的能量回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電液控制技術(shù)為特征的液壓控制系統(tǒng)，尤其是涉及一種混合動(dòng) 力單泵多執(zhí)行元件工程機(jī)械的能量回收系統(tǒng)。
技術(shù)背景隨著世界范圍內(nèi)能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，研究工程機(jī)械的節(jié) 能問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于多執(zhí)行機(jī)構(gòu)工程機(jī)械中的動(dòng)力油缸要反復(fù)舉 升和下放重物，而工程機(jī)械各機(jī)械臂慣性較大，在機(jī)械臂下降或制動(dòng)時(shí)，會(huì)釋 放出大量的勢(shì)能或動(dòng)能，在傳統(tǒng)工程機(jī)械中，這部分能量難以進(jìn)行回收、存儲(chǔ) 和再利用，不僅造成了能源的浪費(fèi)，還會(huì)引起發(fā)熱、噪聲、振動(dòng)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(jī)械的能量利用率， 從而降低其能耗。在工程機(jī)械中引入混合動(dòng)力系統(tǒng)，由于動(dòng)力系統(tǒng)中具備電池或電容等儲(chǔ)能 裝置，能量的回收和存儲(chǔ)都易于實(shí)現(xiàn)。目前，基于混合動(dòng)力工程機(jī)械的能量回 收方案為液壓缸的回油腔與一回收液壓馬達(dá)相連，該液壓馬達(dá)與電動(dòng)撥電機(jī) Ml同軸相聯(lián)。液壓執(zhí)行元件回油腔的液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)，將液壓能轉(zhuǎn)化 為機(jī)械能輸出，并帶動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)Ml發(fā)電，三相交流電能經(jīng)整流/逆變器整流 為直流電能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件電容當(dāng)中。當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，直流電能通過(guò)整流器逆變成目標(biāo)頻率的三相交流電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)M2，與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載 (液壓泵)工作。系統(tǒng)中的電容既為液壓馬達(dá)回收能量的儲(chǔ)能元件，同時(shí)也是 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)M的直流電源。此能量回收系統(tǒng)有兩個(gè)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，同時(shí)所有負(fù)載下降釋放的勢(shì)能回收再利用都經(jīng)過(guò)從勢(shì)能-液壓能-機(jī)械能-電能-電池-驅(qū)動(dòng)變量泵的機(jī)械能的多次能量轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)中能量流 動(dòng)非常復(fù)雜，影響了系統(tǒng)的能量回收效率。 發(fā)明內(nèi)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(shí)的重力勢(shì)能、慣性 能，提高系統(tǒng)的能量回收效率，本發(fā)明的目的在于提供一種混合動(dòng)力單泵多執(zhí) 行元件工程機(jī)械的能量回收系統(tǒng)，不僅利用混合動(dòng)力工程機(jī)械的電量?jī)?chǔ)存裝置， 通過(guò)液壓馬達(dá)-電動(dòng)/發(fā)電機(jī)把上述能量轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行回收利用，而且可以利用 液壓馬達(dá)、行星齒輪機(jī)構(gòu)直接對(duì)上述能量回收驅(qū)動(dòng)變量泵，并通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)有效的將混合動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)和能量回收系統(tǒng)中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)耦合在 一起，使得混合動(dòng)力系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)共用一個(gè)電動(dòng)發(fā)電機(jī)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊 湊。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下-本發(fā)明包括行星齒輪機(jī)構(gòu)、變量泵、發(fā)動(dòng)機(jī)、比例方向閥、變量馬達(dá)、 兩個(gè)單向閥、比例溢流閥、安全閥、油缸、控制手柄、壓力傳感器、信號(hào)控制 單元、電磁換向閥、整流/逆變器、變頻電機(jī)和超級(jí)電容。其相互連接關(guān)系如下發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵同軸相聯(lián)后和行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架相連；變量馬達(dá)和行 星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪相連；變頻電機(jī)和行星齒輪機(jī)構(gòu)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(jìn)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(jìn)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(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)油路口，第四路接安全閥 的進(jìn)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(wú)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(dá)的進(jìn)油口相連，第二路接第二單向閥的出油口， 單向閥的進(jìn)油口接油箱；信號(hào)控制單元從控制手柄獲得控制信號(hào)，從壓力傳感 器獲得負(fù)載信號(hào)，向發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、比例方向閥、電磁換向閥、整流/逆變器 和變量馬達(dá)發(fā)出控制指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速和變量馬達(dá)的排量，從而控 制油缸的動(dòng)作。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有有益的效果是1、 系統(tǒng)利用行星齒輪機(jī)構(gòu)，變量馬達(dá)回收的液壓執(zhí)行元件的重力勢(shì)能、慣 性能和制動(dòng)能可以直接通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變量泵，避免了能量回收過(guò)程由 于能量的多次轉(zhuǎn)換而造成的能量損失，提高了能量回收系統(tǒng)的回收效率。2、 系統(tǒng)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)將變量馬達(dá)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)有效的耦合，混合 動(dòng)力系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)共用一個(gè)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，減少了一個(gè)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，降低 了裝機(jī)空間。3、 采用該回收系統(tǒng)后，在動(dòng)力油缸下降時(shí)，采用了能量回收系統(tǒng)對(duì)油缸回 縮或制動(dòng)釋放的動(dòng)能或勢(shì)能進(jìn)行回收。同時(shí)，由于此時(shí)比例方向閥全開(kāi)，系統(tǒng) 下降的速度，通過(guò)液壓馬達(dá)的入口流量來(lái)控制的，不再通過(guò)比例方向閥的閥心 位移來(lái)控制，避免了液壓驅(qū)動(dòng)回路中的因比例方向閥進(jìn)回油口聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生的進(jìn)油節(jié)流損失。


附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中1、行星齒輪機(jī)構(gòu)，2、變量泵，3、發(fā)動(dòng)機(jī)，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(hào)控制單元，12、電磁換向閥，13、單向閥，14、變量馬達(dá)，15、 整流/逆變器，16、變頻電機(jī)，17、超級(jí)電容，18、其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)油路。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，通過(guò)對(duì)實(shí)施例的描述給出本發(fā)明的細(xì)節(jié)。如附圖所示，本發(fā)明包括行星齒輪機(jī)構(gòu)1、變量泵2、發(fā)動(dòng)機(jī)3、比例方向 閥7、變量馬達(dá)14、兩個(gè)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(hào)控制單元ll、電磁換向閥12、整流/逆變器15、 變頻電機(jī)16和超級(jí)電容17;其相互連接關(guān)系如下發(fā)動(dòng)機(jī)3、變量泵2同軸相 聯(lián)后和行星齒輪機(jī)構(gòu)1的行星架相連；變量馬達(dá)14和行星齒輪機(jī)構(gòu)1的太陽(yáng)輪 相連；變頻電機(jī)16和行星齒輪機(jī)構(gòu)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(jìn)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(jìn)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(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)油路口 18，第四路接安全閥 9的進(jìn)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(wú)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(dá)14的進(jìn)油口相連，第二路接第二單向 閥13的出油口，單向閥13的進(jìn)油口接油箱；信號(hào)控制單元11從控制手柄10 獲得控制信號(hào)，從壓力傳感器4獲得負(fù)載信號(hào)，向發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)14發(fā)出控制指令控制發(fā)動(dòng) 機(jī)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(jī)16的轉(zhuǎn)速和變量馬達(dá)14的排量，從而控制油缸8的動(dòng)作。系統(tǒng)的工作原理如下-控制手柄10發(fā)出控制信號(hào)給信號(hào)控制單元11，信號(hào)控制單元11同時(shí)對(duì)壓 力傳感器4的輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)處理之后，向發(fā)動(dòng)機(jī)3、變頻電機(jī)16、變 量馬達(dá)14和變量泵2發(fā)出控制指令，控制變量泵2的轉(zhuǎn)速和排量，即控制了變 量泵2的流量，控制變量馬達(dá)14的轉(zhuǎn)速和排量，即控制了變量馬達(dá)14的流量； 向比例溢流闊6發(fā)出控制信號(hào)，控制變量泵2出口壓力；向比例方向閥7發(fā)出控制信號(hào)，控制比例方向閥7閥心的位移，即控制兩閥口的過(guò)流面積；同時(shí)， 向電磁換向閥12發(fā)出控制系統(tǒng)，比例方向閥7的回油是通過(guò)變量馬達(dá)14接回 油箱，還是直接回油箱；在操作手柄10的控制信號(hào)一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的油門位移 控制信號(hào)不變，即發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)不變，由壓力傳感器4檢測(cè)的負(fù)載壓力和 變量泵2的排量信號(hào)可估計(jì)驅(qū)動(dòng)負(fù)載(變量泵2)所需要的負(fù)載功率。 當(dāng)控制信號(hào)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(guò)單向 魄5、比例方向閥7的P 口、 A 口進(jìn)入油缸8無(wú)桿腔，推動(dòng)油缸8上升舉起重 物；油缸8有桿腔的液壓油經(jīng)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(shí)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)比例方向閥7閥心位移來(lái)控制油缸8上升速 度，處于進(jìn)油節(jié)流調(diào)速狀態(tài)；(2) 變量泵2由發(fā)動(dòng)機(jī)3和變頻電機(jī)16組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)， 變量馬達(dá)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)3的輸出功率時(shí)，變頻電機(jī)16 工作在電動(dòng)狀態(tài)，變量泵2由發(fā)動(dòng)機(jī)3和變頻電機(jī)16共同驅(qū)動(dòng)，超級(jí)電容17 處于放電狀態(tài)；當(dāng)負(fù)載功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)3的輸出功率時(shí)，變頻電機(jī)16工作在發(fā) 電狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)3驅(qū)動(dòng)變量泵2的同時(shí)驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)16把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余的 能量轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容17中，超級(jí)電容17處于充電狀態(tài)。當(dāng)控制信號(hào)為負(fù)，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(jīng)單向閥5、 比例方向閥7的P 口和B 口進(jìn)入油缸8有桿腔，油缸8無(wú)桿腔的液壓油經(jīng)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(dá)14回油箱。 此時(shí)，比例方向閥7閥口全開(kāi)，系統(tǒng)油缸8下降的速度是通過(guò)調(diào)節(jié)變量馬達(dá)14 的流量來(lái)控制的，處于回油容積調(diào)速控制；(2) 油缸8無(wú)桿腔的液壓油驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)14旋轉(zhuǎn)，變量馬達(dá)14的輸出轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)1直接驅(qū)動(dòng)變量泵2，也可以通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu) 1驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)16發(fā)電，將油缸8回縮或制動(dòng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)換為電能后存儲(chǔ)在混 合動(dòng)力系統(tǒng)的蓄能裝置超級(jí)電容17中。(3) 當(dāng)系統(tǒng)其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)油路口 18的功率大于變量馬達(dá)14的回收 功率時(shí)，變量泵2由發(fā)動(dòng)機(jī)3、變量馬達(dá)14和變頻電機(jī)16共同驅(qū)動(dòng)，其中變量 馬達(dá)14的回收功率全部通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)1驅(qū)動(dòng)變量泵2，不足的功率由發(fā)動(dòng) 機(jī)3和變頻電機(jī)16組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)油路 口 18的功率小于變量馬達(dá)14的回收功率時(shí)，變量馬達(dá)14通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)1驅(qū)動(dòng)變量泵2提供負(fù)載所需功率，同時(shí)通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)1驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)16回 饋發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)3處于自動(dòng)怠速狀態(tài)。以上，本發(fā)明涉及的整流/逆變器14，超級(jí)電容17可根據(jù)需要可以在市場(chǎng) 選購(gòu)。信號(hào)控制單元11可采用PLC可編程邏輯控制器。
權(quán)利要求
1、一種混合動(dòng)力單泵多執(zhí)行元件工程機(jī)械的能量回收系統(tǒng)，其特征在于包括行星齒輪機(jī)構(gòu)(1)、變量泵(2)、發(fā)動(dòng)機(jī)(3)、比例方向閥(7)、變量馬達(dá)(14)、兩個(gè)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(hào)控制單元(11)、電磁換向閥(12)、整流/逆變器(15)、變頻電機(jī)(16)和超級(jí)電容(17)；其相互連接關(guān)系如下發(fā)動(dòng)機(jī)(3)、變量泵(2)同軸相聯(lián)后和行星齒輪機(jī)構(gòu)(1)的行星架相連；變量馬達(dá)(14)和行星齒輪機(jī)構(gòu)(1)的太陽(yáng)輪相連；變頻電機(jī)(16)和行星齒輪機(jī)構(gòu)(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(jìn)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(jìn)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(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)油路口(18)，第四路接安全閥(9)的進(jìn)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(wú)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(dá)(14)的進(jìn)油口相連，第二路接第二單向閥(13)的出油口，單向閥(13)的進(jìn)油口接油箱；信號(hào)控制單元(11)從控制手柄(10)獲得控制信號(hào)，從壓力傳感器(4)獲得負(fù)載信號(hào)，向發(fā)動(dòng)機(jī)(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(dá)(14)發(fā)出控制指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)(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(jī)(16)的轉(zhuǎn)速和變量馬達(dá)(14)的排量，從而控制油缸(8)的動(dòng)作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種混合動(dòng)力單泵多執(zhí)行元件工程機(jī)械的能量回收系統(tǒng)。主要包括行星齒輪機(jī)構(gòu)、變量泵、發(fā)動(dòng)機(jī)、比例方向閥、變量馬達(dá)、油缸、信號(hào)控制單元、整流/逆變器、變頻電機(jī)和超級(jí)電容等。信號(hào)控制單元從控制手柄和壓力傳感器獲得控制信號(hào)，向發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、比例方向閥、電磁換向閥、整流/逆變器和變量馬達(dá)發(fā)出控制指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速和變量馬達(dá)排量，從而控制油缸的動(dòng)作。本發(fā)明采用了行星齒輪機(jī)構(gòu)后，混合動(dòng)力系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)共用一個(gè)變頻電機(jī)，減少了裝機(jī)空間，同時(shí)可直接回收能量，提高了能量回收系統(tǒng)的回收效率。
文檔編號(hào)B60K6/20GK101403405SQ20081012207
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者林添良, 王慶豐, 胡寶贊, 文 龔 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)