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CN115596032A - 一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统及其控制方法 - Google Patents

一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统及其控制方法 Download PDF

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CN115596032A CN202211423995.3A CN202211423995A CN115596032A CN 115596032 A CN115596032 A CN 115596032A CN 202211423995 A CN202211423995 A CN 202211423995A CN 115596032 A CN115596032 A CN 115596032A
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王云飞
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China University of Mining and Technology CUMT
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Abstract

本发明公开了本发明的一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统及其控制方法，涉及工程机械技术领域。包括与挖掘机动臂连接的三腔液压缸，三腔液压缸的活塞杆端与动臂连接参与动臂活动，活塞缸端与挖掘机机身连接作为支撑，三腔液压缸通过油液管连接有变量泵/马达、电动/发电机b，变量泵/马达的两个油口通过油管分别与挖掘机动臂的三腔液压缸的无杆腔A和有杆腔B相连接，变量泵/马达的出油口通过二位二通阀a与三腔液压缸的无杆腔A连接，三腔液压缸的蓄能腔C通过管路连接有蓄能器，变量泵/马达的两个油口连接的两根通油管之间设有补油蓄能器。其结构简单，能够有效提高挖掘机动臂的能量利用率，将动臂下降时的动能进行回收和再利用。

Description

一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统及其控制方法。
背景技术
面对日益严重的能源危机和环境污染等问题，节能减排已成为全球焦点。挖掘机作为工程机械的主要机型，广泛应用于水利工程、矿山采掘和交通运输等机械施工中中，但是由于其动力及液压系统效率低、与负载不匹配等问题，导致整机能耗高，总能效仅有20％左右。在液压挖掘机典型工况中，动臂频繁升降，由于多执行器之间压力耦合严重，发动机的负载功率波动大，难以工作在高效区，加上阀控系统的节流损失严重，导致动臂液压系统的效率低。此外，动臂装置质量大，下放过程中释放出大量的势能，可回收能量约占整机总可回收能量的40％以上，而目前的能量回收方式单一，电气式回收一般采用液压马达—发电机回收能量转换为电能，存入电储能单元，但转换次数多，导致回收效率不高。液压式回收以蓄能器为储能元件，但蓄能器具有非线性被动充压特性，且能量密度低，难以储存大量的可回收能量。此外，现有的混合动力技术方式单一，不考虑其它液压系统的能量转化，只能将机械臂的机械能与电能之间进行转化，无法收集液压势能，同时系统反应速度慢，动臂势能的转化效率低下。因此，提高发动机的工作效率，降低液压系统节流损失和提高动臂能量回收效率已成为挖掘机节能研究的热点方向。
发明内容
针对目前挖掘机动臂系统存在的耗能高、效率低等问题，本发明提供一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统及其控制方法，可有效提高系统效率，减少节流损失，提高动能的回收利用率，实现挖掘机动臂的高动态和高能效控制。
为实现上述技术目标，本发明的一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统，包括与挖掘机动臂连接的动臂势油电混合动力系统、与其它液压系统的油电混合动力系统以及储能电池组，其它液压系统包括转台回转系统、挖掘机行走系统、斗杆系统和铲斗系统；
其它液压系统的油电混合动力系统包括同轴连接的柴油发动机、电动/发电机a和液压泵，电动/发电机a通过电缆顺序连接有电机控制器，液压泵的入口连接油箱、出口连接其他液压系统；
动臂势油电混合动力系统包括与挖掘机动臂连接的三腔液压缸，三腔液压缸的活塞杆端与动臂连接参与动臂活动，活塞缸端与挖掘机机身连接作为支撑，其中三腔液压缸包括无杆腔A、有杆腔B和蓄能腔C；三腔液压缸通过油液管连接有变量泵/马达，变量泵/马达同轴连接有电动/发电机b，电动/发电机b通过电机控制器与储能电池组连接，其中变量泵/马达的两个油口通过油管分别与挖掘机动臂的三腔液压缸的无杆腔A和有杆腔B相连接，变量泵/马达的出油口通过二位二通阀a与三腔液压缸的无杆腔A连接，变量泵/马达的进油口通过二位二通阀b与挖掘机动臂的三腔液压缸的有杆腔B相连接，三腔液压缸的蓄能腔C通过管路连接有蓄能器，变量泵/马达的两个油口连接的两根通油管之间设有两个相对设置且正向连接的单向阀a和单向阀b，单向阀a和单向阀b之间管路连接有补油蓄能器，三腔液压缸的无杆腔A和有杆腔B分别通过管路反向连接有单向阀c和单向阀d，单向阀c和单向阀d之间通过安全阀管路与油箱连接。
进一步，补油蓄能器和蓄能器均为都是液压蓄能器，蓄能器内包括通过活塞隔开的气体腔和液压油腔，压入液压油后，压缩气体腔，气体的压力变大，当需要释放能量时，气体腔变大，将液压油腔的液压油挤出去。
进一步，电机控制器a和电机控制器b均为转换器，分别由电动/发电机a和电动/发电机b的状态来决定：当电动/发电机a或电动/发电机b工作在电动机状态时，电机控制器a或电机控制器b为驱动器时，将蓄能电池组的电信号转换成电机驱动信号；当电动/发电机a或电动/发电机b工作在发电机状态时，电机控制器a和电机控制器b将液压动力产生的电能转换成能存储进蓄能电池组。
一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统的控制方法，其步骤如下：
挖掘机开始工作后，车载柴油发动机开始工作，柴油发动机始终工作在高效区，并带动电动/发电机a和液压泵转动；
当其他液压系统的需求功率低于柴油发动机工作功率时，电动/发电机a将柴油发动机多余的输出功率转化为电能，电动/发电机a产生的电能通过电机控制器a流经电缆将电能存储在蓄能电池组中；
当其他液压系统的需求功率高于柴油发动机的工作功率时，电动/发电机a工作在电动机状态，蓄能电池组中存储的电能通过电机控制器a驱动电动/发电机a转动辅助驱动其他液压系统的功率需求；
当挖掘机动臂举升时，电动/发电机b工作在电动机状态，变量泵/马达工作在变量泵状态，蓄能电池组中的电能通过电机控制器b驱动电动/发电机b转动，电动/发电机b带动变量泵转动，高压油通过油管进入三腔液压缸的无杆腔A中，低压油从三腔液压缸的有杆腔B中流出进入到变量泵/马达的另一端，同时蓄能器中的高压油进入三腔液压缸的蓄能腔C中；
当挖掘机动臂下落时，电动/发电机b工作在发电机状态，变量泵/马达工作在变量马达状态，动臂受到重力作用下移，下移的动臂将三腔液压缸的无杆腔A中的高压油压入变量泵/马达，同时变量泵/马达的另一个油口出油通过管路进入腔液压缸的有杆腔B中，三腔液压缸的蓄能腔C中的高压油进入蓄能器中，将挖掘机动臂下落的势能以液压能的形式进行存储，同时变量泵/马达带动电动/发电机b转动发电，电动/发电机b产生的电能经过电机控制器b存储到蓄能电池组中，将三腔液压缸的势能转化为电能存储，通过电能和液压能联合回收动臂势能，提高了回收效率和再利用率；
当挖掘机动臂举升时，变量泵/马达工作在变量泵状态，变量泵/马达向三腔液压缸的无杆腔A供油，该侧为高压侧，三腔液压缸的有杆腔B连接变量泵/马达的一侧为低压侧，蓄能器通过单向阀b向系统补油，当动臂加速下降时，补油蓄能器通过单向阀a向整个液压系统补油，实现对系统连接处漏油的补偿，油液泄露包括液压泵由于自身密封存在泄露，以及油管与各元件的连接处存在泄露；；
进一步，若三腔液压缸的无杆腔A或有杆腔B的压力高于预设的安全压力，则单向阀c或单向阀d中的高压油顶开安全阀流入油箱，以挖掘机保障动臂系统的安全。
进一步，二位二通阀a和二位二通阀b通常处于常开状态，保证挖掘机动臂的连续动作，当其切换成关闭状态时，即可维持动臂在某一固定位置。
进一步，节能作用体现在两个方面：一个是通过混合动力的技术，将发动机未满载时候的多余动力先存储在储能电池中，避免多余动力的浪费；另一个是将动臂下降时的动能进行回收，转换成电能存储在储能电池中，然后对其进行再利用。
有益效果：本发明提出的星星油电混合动力闭式泵控动臂系统，不仅提高了柴油发动机的工作效率，而且降低了动臂系统的节流损失，还提高了势能的回收和再利用率，对动臂系统总效能的提升具有重要意义。本发明采用了混合动力技术，提高了系统的能量利用率。将动臂下降时的动能进行回收和再利用。设计了闭式泵控系统，提高了系统相应速度，减少了传统阀控系统的节流损失，提高了能量效率。采用三腔液压缸作为挖掘机动臂的执行机构，实现了动臂势能的回收再利用。
附图说明
图1是本发明油电混合动力挖掘机动臂节能系统结构示意图。
图中：1-柴油发动机，2-电动/发电机a，3-液压泵，4-电机控制器a，5-蓄能电池组，6-电机控制器b，7-电动/发电机b，8-变量泵/马达，9-单向阀a，10-单向阀b，11-补油蓄能器，12-单向阀c，13-单向阀d，14-安全阀，15三腔液压缸，16-蓄能器，17-油箱，18-二位二通阀a，19-二位二通阀b。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统，包括柴油发动机1、电动/发电机a2、液压泵3、电机控制器a4、蓄能电池组5、电机控制器b6、电动/发电机b7、变量泵/马达8、单向阀a9、单向阀b10、补油蓄能器11、单向阀c12、单向阀d13、安全阀14、三腔液压缸15、蓄能器16、油箱17、二位二通阀a18和二位二通阀b19。
总体连接：柴油发动机1、电动/发电机a2和液压泵3同轴连接，液压泵3的入口连接油箱，出口连接其他液压系统。电动/发电机a2通过电缆连接电机控制器a4，电机控制器a4通过电缆连接蓄能电池组5，蓄能电池组5与电机控制器b6和电动/发电机b7通过电缆相连接。电动/发电机b7和变量泵/马达8同轴连接，变量泵/马达8的出口通过油管分别经过二位二通阀a18和二位二通阀b19与三腔液压缸15的无杆腔A和有杆腔B相连接，三腔液压缸15的蓄能腔C与蓄能器16相连接。补油蓄能器11分别通过单向阀a9和单向阀b10与变量泵/马达8的两个出口相连接。三腔液压缸15的无杆腔A和有杆腔B分别通过单向阀c12和单向阀d13与安全阀14相连接，安全阀14的出口与油箱17相连接。
控制方法：挖掘机开始工作后，启动柴油发动机1，柴油发动机1始终工作在高效区，并带动电动/发电机a2和液压泵3转动。当其他液压系统的需求功率低于柴油发动机1工作功率时，电动/发电机a2工作在发电机状态，发电机a2产生的多余能量通过电机控制器a4流经电缆以电能的形式存储在蓄能电池组5中；当其他液压系统的需求功率高于柴油发动机1工作功率时，电动/发电机a2工作在电动机状态，蓄能电池组5中的电能通过电机控制器a4催动电动机a2转动满足其他液压系统的功率需求。当动臂举升时，电动/发电机b7工作在电动机状态，变量泵/马达8工作在变量泵状态，蓄能电池组5中的电能通过电机控制器b6催动电动机b7转动，电动机b7带动变量泵8转动，高压油通过油管进入三腔液压缸15的无杆腔A中，低压油从三腔液压缸15的有杆腔B中流出进入到变量泵8的另一端，同时蓄能器16中的高压油进入三腔液压缸15的蓄能腔C中。当动臂下落时，电动/发电机b7工作在发电机状态，变量泵/马达8工作在变量马达状态，动臂受到重力作用，三腔液压缸15的无杆腔A中的高压油进入变量马达8，变量马达8里一个端口的油液进入三腔液压缸15的有杆腔B中，三腔液压缸15的蓄能腔C中的高压油进入蓄能器16中，将势能以液压能的形式进行存储，同时变量马达8带动发电机b7转动，发电机b7产生的电能经过电机控制器b6存储到蓄能电池组5中，实现了势能和电能的转换。通过电能和液压能联合回收动臂势能，提高了回收效率和再利用率。二位二通阀a18和二位二通阀b19通常处于常开状态，保证动臂的连续动作，当其切换成关闭状态时，可维持动臂在某一固定位置。补油蓄能器11分别通过单向阀a9和单向阀b10向闭式泵控动臂系统的低压侧补油，实现对泄露油液的补偿。若三腔液压缸15的无杆腔A或有杆腔B的压力高于系统设定压力，则高压油通过单向阀c12或单向阀d13顶开安全阀14流入油箱17，从而保障动臂系统的安全。由此可见，本发明提出的新型油电混合动力挖掘机动臂节能系统及其控制方法不仅使柴油发动机始终工作在高效区，而且降低了传统动臂系统的节流损失，还利用液压能和电能相结合的方式对动臂势能进行回收和再利用，提高了动臂系统的整体效率。

Claims (7)

1.一种油电混合动力挖掘机动臂节能系统，其特征在于：包括与挖掘机动臂连接的动臂势油电混合动力系统、与其它液压系统的油电混合动力系统以及储能电池组(5)，其它液压系统包括转台回转系统、挖掘机行走系统、斗杆系统和铲斗系统；
其它液压系统的油电混合动力系统包括同轴连接的柴油发动机(1)、电动/发电机a(2)和液压泵(3)，电动/发电机a(2)通过电缆顺序连接有电机控制器(4)，液压泵(3)的入口连接油箱(17)、出口连接其他液压系统；
动臂势油电混合动力系统包括与挖掘机动臂连接的三腔液压缸(15)，三腔液压缸(15)的活塞杆端与动臂连接参与动臂活动，活塞缸端与挖掘机机身连接作为支撑，其中三腔液压缸(15)包括无杆腔A、有杆腔B和蓄能腔C；三腔液压缸(15)通过油液管连接有变量泵/马达(8)，变量泵/马达(8)同轴连接有电动/发电机b(7)，电动/发电机b(7)通过电机控制器(6)与储能电池组(5)连接，其中变量泵/马达(8)的两个油口通过油管分别与挖掘机动臂的三腔液压缸(15)的无杆腔A和有杆腔B相连接，变量泵/马达(8)的出油口通过二位二通阀a(18)与三腔液压缸(15)的无杆腔A连接，变量泵/马达(8)的进油口通过二位二通阀b(19)与挖掘机动臂的三腔液压缸(15)的有杆腔B相连接，三腔液压缸(15)的蓄能腔C通过管路连接有蓄能器(16)，变量泵/马达(8)的两个油口连接的两根通油管之间设有两个相对设置且正向连接的单向阀a(9)和单向阀b(10)，单向阀a(9)和单向阀b(10)之间管路连接有补油蓄能器(11)，三腔液压缸(15)的无杆腔A和有杆腔B分别通过管路反向连接有单向阀c(12)和单向阀d(13)，单向阀c(12)和单向阀d(13)之间通过安全阀(14)管路与油箱(17)连接。
2.根据权利要求1所述油电混合动力挖掘机动臂节能系统，其特征在于：补油蓄能器(11)和蓄能器(16)均为都是液压蓄能器，蓄能器(16)内包括通过活塞隔开的气体腔和液压油腔，压入液压油后，压缩气体腔，气体的压力变大，当需要释放能量时，气体腔变大，将液压油腔的液压油挤出去。
3.根据权利要求1所述油电混合动力挖掘机动臂节能系统，其特征在于：电机控制器a(4)和电机控制器b(6)均为转换器，分别由电动/发电机a(2)和电动/发电机b(7)的状态来决定：当电动/发电机a(2)或电动/发电机b(7)工作在电动机状态时，电机控制器a(4)或电机控制器b(6)为驱动器时，将蓄能电池组(5)的电信号转换成电机驱动信号；当电动/发电机a(2)或电动/发电机b(7)工作在发电机状态时，电机控制器a(4)和电机控制器b(6)将液压动力产生的电能转换成能存储进蓄能电池组(5)。
4.一种使用权利要求1-3所述油电混合动力挖掘机动臂节能系统的控制方法，其特征在于步骤如下：
挖掘机开始工作后，车载柴油发动机(1)开始工作，柴油发动机(1)始终工作在高效区，并带动电动/发电机a(2)和液压泵(3)转动；
当其他液压系统的需求功率低于柴油发动机(1)工作功率时，电动/发电机a(2)将柴油发动机(1)多余的输出功率转化为电能，电动/发电机a(2)产生的电能通过电机控制器a(4)流经电缆将电能存储在蓄能电池组(5)中；
当其他液压系统的需求功率高于柴油发动机(1)的工作功率时，电动/发电机a(2)工作在电动机状态，蓄能电池组(5)中存储的电能通过电机控制器a(4)驱动电动/发电机a(2)转动辅助驱动其他液压系统的功率需求；
当挖掘机动臂举升时，电动/发电机b(7)工作在电动机状态，变量泵/马达(8)工作在变量泵状态，蓄能电池组(5)中的电能通过电机控制器b(6)驱动电动/发电机b(7)转动，电动/发电机b(7)带动变量泵(8)转动，高压油通过油管进入三腔液压缸(15)的无杆腔A中，低压油从三腔液压缸(15)的有杆腔B中流出进入到变量泵/马达(8)的另一端，同时蓄能器(16)中的高压油进入三腔液压缸(15)的蓄能腔C中；
当挖掘机动臂下落时，电动/发电机b(7)工作在发电机状态，变量泵/马达(8)工作在变量马达状态，动臂受到重力作用下移，下移的动臂将三腔液压缸(15)的无杆腔A中的高压油压入变量泵/马达(8)，同时变量泵/马达(8)的另一个油口出油通过管路进入腔液压缸(15)的有杆腔B中，三腔液压缸(15)的蓄能腔C中的高压油进入蓄能器(16)中，将挖掘机动臂下落的势能以液压能的形式进行存储，同时变量泵/马达(8)带动电动/发电机b(7)转动发电，电动/发电机b(7)产生的电能经过电机控制器b(6)存储到蓄能电池组(5)中，将三腔液压缸(15)的势能转化为电能存储，通过电能和液压能联合回收动臂势能，提高了回收效率和再利用率；
当挖掘机动臂举升时，变量泵/马达(8)工作在变量泵状态，变量泵/马达(8)向三腔液压缸(15)的无杆腔A供油，该侧为高压侧，三腔液压缸(15)的有杆腔B连接变量泵/马达(8)的一侧为低压侧，蓄能器(11)通过单向阀b(10)向系统补油，当动臂加速下降时，补油蓄能器(11)通过单向阀a(9)向整个液压系统补油，实现对系统连接处漏油的补偿，油液泄露包括液压泵(3)由于自身密封存在泄露，以及油管与各元件的连接处存在泄露。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：若三腔液压缸(15)的无杆腔A或有杆腔B的压力高于预设的安全压力，则单向阀c(12)或单向阀d(13)中的高压油顶开安全阀(14)流入油箱(17)，以挖掘机保障动臂系统的安全。
6.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：二位二通阀a(18)和二位二通阀b(19)通常处于常开状态，保证挖掘机动臂的连续动作，当其切换成关闭状态时，即可维持动臂在某一固定位置。
7.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，节能作用体现在两个方面：一个是通过混合动力的技术，将发动机未满载时候的多余动力先存储在储能电池中，避免多余动力的浪费；另一个是将动臂下降时的动能进行回收，转换成电能存储在储能电池中，然后对其进行再利用。
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