專利名稱：混合動(dòng)力工程機(jī)械執(zhí)行元件的能量回收系統(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) 力工程機(jī)械執(zhí)行元件的能量回收系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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。
工程機(jī)械中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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)釋放出大量的能量，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)。當(dāng)工程機(jī)械執(zhí)行元件下降時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)， 利用液壓缸的回油腔與一液壓馬達(dá)相連，該液壓馬達(dá)與發(fā)電機(jī)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)發(fā)電機(jī)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 件中。當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，直流電可以逆變成三相交流電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī) 共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載。但是當(dāng)工程機(jī)械執(zhí)行元件的下降時(shí)間較短時(shí)，以挖掘機(jī)動(dòng)臂為
例，其下降時(shí)間只有2 3秒，如果只采用液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的能量回收系統(tǒng)， 能量回收系統(tǒng)的頻響很難達(dá)到工程機(jī)械執(zhí)行元件的頻響要求，從而影響系統(tǒng)的 操作性能，同時(shí)能量回收系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)受到負(fù)載劇烈波動(dòng)的影響，回收效率 較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了降低液壓控制閥的節(jié)流損失，提高能量回收系統(tǒng)的效率，同時(shí)不影響 工程機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作性能，本發(fā)明的目的在于提供一種混合動(dòng)力工程機(jī)械 執(zhí)行元件的能量回收系統(tǒng)，利用液壓馬達(dá)對(duì)上述能量進(jìn)行回收，并通過(guò)電動(dòng)機(jī) 的反工況運(yùn)行發(fā)電，將電能回饋或儲(chǔ)存再利用，同時(shí)利用蓄能器的比功率大和 能量?jī)?chǔ)存釋放的快速性提高能量回收系統(tǒng)的頻響，利用蓄能器來(lái)平緩負(fù)載波動(dòng) 改善發(fā)電機(jī)發(fā)電工況，提高系統(tǒng)的回收效率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的的技術(shù)方案如下
本發(fā)明包括兩個(gè)變頻電機(jī)、兩個(gè)整流/逆變器、發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、變量馬達(dá)、 蓄能器、截止閥、電磁換向閥、比例方向閥、兩個(gè)單向閥、比例溢流閥、安全 閥、三個(gè)壓力傳感器、控制手柄、信號(hào)控制單元、電池和油缸；其相互連接關(guān) 系如下
發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵和第一變頻電機(jī)同軸相聯(lián)；變量馬達(dá)和第二變頻電同軸相 連；第一變頻電機(jī)接第一整流/逆變器，第二變頻電機(jī)接第二整流/逆變器；兩個(gè) 整流/逆變器接電池；第一變量泵的出口接第一單向閥的進(jìn)油口，第一單向閥的 出油口分四路，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， 第三路接第一壓力傳感器的輸入端，第四路接安全閥進(jìn)油口；比例方向閥的A 口分兩路，第一路接油缸的無(wú)桿腔，第二路接第二壓力傳感器的輸入端；B 口 接油缸的有桿腔，T口接電磁換向閥的P口；電磁換向閥的A口分四路，第一 路經(jīng)截止閥后接蓄能器，第二路接第三壓力傳感器的輸入端，第三路接第一變 量馬達(dá)的進(jìn)油口，第一變量馬達(dá)的出油口接油箱；第四路接第二單向閥的出油 口，第二單向閥的進(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 第一、第二、第三壓力傳感器獲得檢測(cè)信號(hào)，向發(fā)動(dòng)機(jī)、比例方向閥、變量泵、 變量馬達(dá)、第一、第二整流/逆變器、比例溢流閥發(fā)出控制指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油 門(mén)位置信號(hào)、比例方向閥的閥心位移、變量泵的排量、變量馬達(dá)的排量、第一、 第二變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速和比例溢流閥的閥心位移，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)采用混合動(dòng)力系統(tǒng)的電量蓄能裝置，采用了液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)-電池 的能量回收系統(tǒng)，把工程機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降釋放的勢(shì)能轉(zhuǎn)化成電能，當(dāng)系統(tǒng)需 要時(shí)，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)機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī) 共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載(液壓泵)工作。
2、 蓄能器的比功率較高，能夠滿足能量存儲(chǔ)和釋放的快速性要求，在工程
機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降時(shí)，可以在短時(shí)間里快速的吸收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)釋放的能量，解決 了采用液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)組成的能量回收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較低的問(wèn)題。
3、 系統(tǒng)采用蓄能器，緩沖負(fù)載的波動(dòng)，改善發(fā)電機(jī)的發(fā)電工況，提高了能 量回收效率。
4、 系統(tǒng)采用蓄能器后，在工程機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降時(shí)，利用需能器可以快速 吸收工程機(jī)械釋放的能量，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上升時(shí)釋放出來(lái)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)-發(fā)電 機(jī)的回收能量，延長(zhǎng)了能量回收時(shí)間，延長(zhǎng)了電量?jī)?chǔ)存裝置的充電時(shí)間，提高了系統(tǒng)的能量回收效率，降低了對(duì)電量?jī)?chǔ)存裝置比功率的要求，克服了電池比 功率較低的缺陷。
5、由于蓄能器的比能量較低，采用蓄能器的能量回收系統(tǒng)的蓄能器體積龐 大，這對(duì)空間有限的工程機(jī)械是不適合的，本發(fā)明采用了蓄能器和液壓馬達(dá)-發(fā) 電機(jī)復(fù)合的能量回收系統(tǒng)，在工程機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降時(shí)釋放的能量，蓄能器和 液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)可以同時(shí)回收能量，蓄能器只吸收部分機(jī)械臂下降過(guò)程中釋放 的能量，降低了蓄能器的容量。


附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖中1、變量馬達(dá)，2、變頻電機(jī)，3、整流/逆變器，4、電池5、整流/逆 變器，6、變頻電機(jī)，7、變量泵，8、發(fā)動(dòng)機(jī)，9、單向閥，10、比例溢流閥， 11、壓力傳感器，12、安全閥，13、電磁換向閥，14、比例方向閥，15、油缸， 16、壓力傳感器，17、蓄能器，18、截止閥，19、控制手柄，20、壓力傳感器， 21、信號(hào)控制單元，22、單向閥。
具體實(shí)施例方式
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)明包括兩個(gè)變頻電機(jī)2， 6、兩個(gè)整流/逆變器3， 5、發(fā)動(dòng) 機(jī)8、變量泵7、變量馬達(dá)l、蓄能器17、截止閥18、電磁換向閥13、比例方 向閥14、兩個(gè)單向閥9， 22、比例溢流閥IO、安全閥12、三個(gè)壓力傳感器ll， 16， 20、控制手柄19、信號(hào)控制單元21、電池4和油缸15;其相互連接關(guān)系如 下
發(fā)動(dòng)機(jī)8、變量泵7和第一變頻電機(jī)6同軸相聯(lián)；變量馬達(dá)1和第二變頻電 機(jī)2同軸相連；第一變頻電機(jī)6接第一整流/逆變器5，第二變頻電機(jī)2接第二 整流/逆變器3;兩個(gè)整流/逆變器3， 5接電池4;第一變量泵7的出口接第一單 向閥9的進(jìn)油口，第一單向閥9的出油口分四路，第一路接比例溢流閥10的進(jìn) 油口，第二路接比例方向閥14的P口，第三路接第一壓力傳感器11的輸入端， 第四路接安全閥12進(jìn)油口；比例方向閥14的A 口分兩路，第一路接油缸15的 無(wú)桿腔，第二路接第二壓力傳感器16的輸入端；B 口接油缸15的有桿腔，T 口接電磁換向閥13的P 口；電磁換向閥13的A口分四路，第一路經(jīng)截止閥18 后接蓄能器17，第二路接第三壓力傳感器20的輸入端，第三路接第一變量馬達(dá) l的進(jìn)油口，第一變量馬達(dá)l的出油口接油箱；第四路接第二單向閥22的出油 口，第二單向閥22的進(jìn)油口接油箱；信號(hào)控制單元21從控制手柄19獲得控制信號(hào)，從第一、第二、第三壓力傳感器ll， 16， 20獲得檢測(cè)信號(hào)，向發(fā)動(dòng)機(jī)8、 比例方向閥14、變量泵7、變量馬達(dá)l、第一、第二整流/逆變器5， 3、比例溢 流閥10發(fā)出控制指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)8的油門(mén)位置信號(hào)、比例方向閥14的閥心位 移、變量泵7的排量、變量馬達(dá)l的排量、第一、第二變頻電機(jī)6， 2的轉(zhuǎn)速和 比例溢流閥10的閥心位移，從而控制油缸15的動(dòng)作。 本發(fā)明的工作原理如下
信號(hào)控制單元21對(duì)通過(guò)壓力傳感器11輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得負(fù)載 壓力，通過(guò)對(duì)壓力傳感器16和20輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得比例方向閥14 的A口， T口的端口壓力差信號(hào)，同時(shí)通過(guò)對(duì)控制手柄19的控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理，獲得油缸15的目標(biāo)速度；向發(fā)動(dòng)機(jī)8、比例方向閥14、變量泵7、變量 馬達(dá)1、整流/逆變器3和5、比例溢流閥10發(fā)出控制指令從而控制油缸15的動(dòng) 作。
當(dāng)控制信號(hào)為正，具體如下
1) 比例方向閥14右行，電磁換向閥13左行，變量泵7高液壓油通過(guò)單 向閥9、比例方向閥14的P口、 A 口進(jìn)入油缸15無(wú)桿腔，推動(dòng)油缸15上升舉 起重物；油缸15有桿腔的液壓油經(jīng)比例方向閥14的B口和T口、電磁換向閥 13的B 口回油箱。此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)比例方向閥14的閥芯位移來(lái)控制油缸15 上升速度，處于進(jìn)油節(jié)流調(diào)速狀態(tài)；
2) 變量泵7由發(fā)動(dòng)機(jī)8和變頻電機(jī)6組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng) 機(jī)8提供負(fù)載的平均功率，當(dāng)負(fù)載功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)8的輸出功率時(shí)，變頻電機(jī)6 工作在電動(dòng)狀態(tài)，變量泵7由發(fā)動(dòng)機(jī)8和變頻電機(jī)6共同驅(qū)動(dòng)，電池4處于放 電狀態(tài)；當(dāng)負(fù)載功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)8的輸出功率時(shí)，變頻電機(jī)6工作在發(fā)電狀態(tài)， 發(fā)動(dòng)機(jī)8驅(qū)動(dòng)變量泵7，同時(shí)驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)6把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余的能量轉(zhuǎn)化成 電能儲(chǔ)存在電池4中，電池4處于充電狀態(tài)。
當(dāng)控制信號(hào)為負(fù)，具體如下-
1)比例方向閥14左行，電磁換向閥13右行，發(fā)動(dòng)機(jī)8處于自動(dòng)怠速狀態(tài)， 變頻電機(jī)6處于停止空轉(zhuǎn)狀態(tài)，變量泵7液壓油通過(guò)單向閥9、比例方向閥14 的P 口和B 口進(jìn)入油缸15有桿腔；油缸15無(wú)桿腔的液壓油經(jīng)比例方向閥14 的A 口和T 口、電磁換向閥13的P 口接由蓄能器17和變量馬達(dá)1組成的能量 回收液壓回路。此時(shí)油缸15處于下降過(guò)程，系統(tǒng)信號(hào)控制單元21根據(jù)壓力傳 感器16和20、操作手柄19的輸入信號(hào)，計(jì)算比例方向閥14的閥芯位移信號(hào)， 向比例方向閥14發(fā)出控制信號(hào)來(lái)控制油缸15的下降速度。2) 若油缸15下放時(shí)間較長(zhǎng)，則關(guān)閉截止閥18，油缸15的無(wú)桿腔的所有液 壓能驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)1轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并帶動(dòng)與變量馬達(dá)1同軸的變頻電機(jī)2發(fā) 電，經(jīng)整流/逆變器2整流為直流電能儲(chǔ)存在電池4中；
3) 若油缸15下放時(shí)間較短，則打開(kāi)截止閥18，由于油缸15下降的時(shí)間極 短(挖掘機(jī)動(dòng)臂下降時(shí)間約2S)，整個(gè)油缸15下降過(guò)程釋放的部分液壓能直接 由蓄能器17吸收，部分液壓能驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)1轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并帶動(dòng)與變量馬 達(dá)1同軸的變頻電機(jī)2發(fā)電，經(jīng)整流/逆變器3整流為直流電能儲(chǔ)存在電池4中； 待油缸下降過(guò)程結(jié)束后至油缸15下一次下降的時(shí)間里，蓄能器17的液壓能釋 放出來(lái)，驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)1轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并帶動(dòng)與變量馬達(dá)1同軸的變頻電機(jī)2 發(fā)電，經(jīng)整流/逆變器3整流為直流電能儲(chǔ)存在電池4中；
以上，本發(fā)明涉及的兩個(gè)整流/逆變器3和5，電池4可根據(jù)需要可以在市 場(chǎng)選購(gòu)。信號(hào)控制單元21可采用PLC可編程邏輯控制器。
權(quán)利要求
1、一種混合動(dòng)力工程機(jī)械執(zhí)行元件的能量回收系統(tǒng)，其特征在于包括兩個(gè)變頻電機(jī)(2，6)、兩個(gè)整流/逆變器(3，5)、發(fā)動(dòng)機(jī)(8)、變量泵(7)、變量馬達(dá)(1)、蓄能器(17)、截止閥(18)、電磁換向閥(13)、比例方向閥(14)、兩個(gè)單向閥(9，22)、比例溢流閥(10)、安全閥(12)、三個(gè)壓力傳感器(11，16，20)、控制手柄(19)、信號(hào)控制單元(21)、電池(4)和油缸(15)；其相互連接關(guān)系如下發(fā)動(dòng)機(jī)(8)、變量泵(7)和第一變頻電機(jī)(6)同軸相聯(lián)；變量馬達(dá)(1)和第二變頻電機(jī)(2)同軸相連；第一變頻電機(jī)(6)接第一整流/逆變器(5)，第二變頻電機(jī)(2)接第二整流/逆變器(3)；兩個(gè)整流/逆變器(3，5)接電池(4)；第一變量泵(7)的出口接第一單向閥(9)的進(jìn)油口，第一單向閥(9)的出油口分四路，第一路接比例溢流閥(10)的進(jìn)油口，第二路接比例方向閥(14)的P口，第三路接第一壓力傳感器(11)的輸入端，第四路接安全閥(12)進(jìn)油口；比例方向閥(14)的A口分兩路，第一路接油缸(15)的無(wú)桿腔，第二路接第二壓力傳感器(16)的輸入端；B口接油缸(15)的有桿腔，T口接電磁換向閥(13)的P口；電磁換向閥(13)的A口分四路，第一路經(jīng)截止閥(18)后接蓄能器(17)，第二路接第三壓力傳感器(20)的輸入端，第三路接第一變量馬達(dá)(1)的進(jìn)油口，第一變量馬達(dá)(1)的出油口接油箱；第四路接第二單向閥(22)的出油口，第二單向閥(22)的進(jìn)油口接油箱；信號(hào)控制單元(21)從控制手柄(19)獲得控制信號(hào)，從第一、第二、第三壓力傳感器(11，16，20)獲得檢測(cè)信號(hào)，向發(fā)動(dòng)機(jī)(8)、比例方向閥(14)、變量泵(7)、變量馬達(dá)(1)、第一、第二整流/逆變器(5，3)、比例溢流閥(10)發(fā)出控制指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)(8)的油門(mén)位置信號(hào)、比例方向閥(14)的閥心位移、變量泵(7)的排量、變量馬達(dá)(1)的排量、第一、第二變頻電機(jī)(6，2)的轉(zhuǎn)速和比例溢流閥(10)的閥心位移，從而控制油缸(15)的動(dòng)作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種混合動(dòng)力工程機(jī)械執(zhí)行元件的能量回收系統(tǒng)。主要包括兩個(gè)變頻電機(jī)、兩個(gè)整流/逆變器、發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、變量馬達(dá)、蓄能器、比例方向閥、信號(hào)控制單元、電池和油缸。信號(hào)控制單元從控制手柄獲得控制信號(hào)，從三個(gè)壓力傳感器獲得檢測(cè)信號(hào)，向發(fā)動(dòng)機(jī)、比例方向閥、變量泵、變量馬達(dá)、兩個(gè)整流/逆變器、比例溢流閥發(fā)出控制指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)位置信號(hào)、比例方向閥的閥心位移、變量泵的排量、變量馬達(dá)的排量、兩個(gè)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速和比例溢流閥的閥心位移，從而控制油缸的動(dòng)作。本發(fā)明提高了能量回收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，改善發(fā)電機(jī)的發(fā)電工況，提高系統(tǒng)的能量回收效率，降低了系統(tǒng)對(duì)電池比功率的要求。
文檔編號(hào)B60K6/00GK101408212SQ20081012207
公開(kāi)日2009年4月15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)