CN203834553U - 电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，该系统包括先导操作手柄、动力电池、电动机、电机控制器、液压蓄能器、油箱、定量泵/马达、多个压力传感器、转速传感器、电磁溢流阀、多个电磁换向阀、梭阀、节流口、开中心六通比例方向阀、液压马达、转台及总成控制器，该多个压力传感器和转速传感器作为信号输入端连接该总成控制器，该多个电磁换向阀和电磁溢流阀作为信号输出端连接该总成控制器。通过该系统能够避免转台加速过程中大量液压油流量消耗在电磁溢流阀中，能够使转台的回转制动动能得到回收，避免了能源的浪费，实现了能源的重复利用，同时，该系统能够减小转台在加速以及制动过程中的冲击。

Description

电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统

技术领域

本实用新型涉及一种电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统。

背景技术

液压挖掘机是一种功率比较大的工程机械，但是其能量的总利用率较低。液压挖掘机实现节能减排一直是业界努力追求的目标。混合动力驱动技术和电驱动技术是当前的研究热点。

传统液压挖掘机的转台由静止开始加速时，由于转台为一个大惯性负载，转台的加速需要一个时间滞后，因此启动加速过程时，液压马达进油侧的溢流阀打开，液压马达不能全部吸收的液压泵流量。由于此时的溢流压力较大，因此在转台的启动加速过程中，大量的能量消耗在溢流阀。此外，液压挖掘机转台的惯性较大，摆动比较频繁，在转台制动时，液压马达制动时，供油和回油油路均被切断，回油管路压力因马达惯性而升高，回转机构制动时主要通过溢流阀建立制动转矩使回转系统逐渐减速，由于挖掘机回转机构惯性较大、回转运动频繁，导致大量的制动能量转化成溢流损失。

当回转先导操作手柄从转台回转回到中位时，由于上部转台的惯性力作用，会产生很大的惯性冲击。目前，液压挖掘机虽然采用具有两级压力阶跃的溢流阀控制油压上升速度，使油压实现两级压力控制，降低了压力冲击。但仍然存在较大的压力冲击。

为了保证电量储存单元充满电后能够保证液压挖掘机的作业时间，纯电驱动的液压挖掘机对电量储存单元的能量密度的要求比较高，所以纯电驱动的液压挖掘机的电量储存单元一般采用动力电池。但由于动力电池的比功率较小，难以短时间储存大量的能量，而转台的制动时间较短，大约只有1-3秒，采用动力电池难以直接对转台的制动动能进行回收。

实用新型内容

本实用新型提供了一种电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足

本实用新型解决其技术问题的所采用的技术方案是：

电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，它包括先导操作手柄、动力电池、电动机、电机控制器、液压蓄能器、油箱、定量泵/马达、定量泵、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、转速传感器、第一溢流阀、第二溢流阀、第三溢流阀、第四溢流阀、电磁溢流阀、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、第五电磁换向阀、梭阀、节流口、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、开中心六通比例方向阀、液压马达、减速器、转台及总成控制器；

其中：电动机、定量泵和定量泵/马达同轴转动连接；定量泵/马达的进油口连接第二电磁换向阀的B口和第一单向阀的出油口，其出油口连接第二溢流阀的进油口、开中心六通比例方向阀的P口和P1口，第一单向阀的进油口连接油箱，第二溢流阀的出油口连接油箱；开中心六通比例方向阀的T口连接油箱，其A口分为三路，其第一路连接液压马达的A腔，其第二路连接梭阀的一进油口，其第三路连接第二单向阀的出油口，其B口分为三路，其第一路连接液压马达的B腔，其第二路连接梭阀的另一进油口，其第三路连接第三单向阀的出油口，其D口连接第五电磁换相阀的A口，第二单向阀和第三单向阀的进油口均连接油箱；第五电磁溢流阀的B口连接第四溢流阀的进油口、第四压力传感器和节流口的进油口；节流口的出油口和第四溢流阀的出油口均连接油箱；梭阀的出油口分为三路，其第一路连接第三压力传感器，其第二路连接电磁溢流阀的进油口，其第三路连接第四电磁换向阀的A口，电磁溢流阀的出油口连接油箱；第四电磁换向阀的B口连接第一电磁换向阀的B口、第二电磁换向阀的A口和第三电磁换向阀的B口；第三电磁换向阀的A口连接第三溢流阀的进油口、液压蓄能器和第五压力传感器，第三溢流阀的出油口连接油箱；先导操作手柄的P口、第一溢流阀的进油口均连接定量泵的出油口，第一溢流阀的出油口和先导操作手柄的T口均连接油箱，先导操作手柄的出油口b1和b2分别连接开中心六通比例方向阀的两端控制油口并分别连接第一压力传感器和第二压力传感器；定量泵的进油口连接油箱；液压马达、减速器和转台传动机械连接；电动机通过电机控制器与动力电池连接；第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器和用于检测液压马达转速的转速传感器均电信号连接总成控制器；总成控制器信号连接电机控制器、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、第五电磁换向阀和电磁溢流阀。

一实施例之中：除机械连接、电信号连接以外的其他连接都为油路连接。

一实施例之中：该电动机包括电动模式和发电模式。

一实施例之中：该定量泵/马达包括泵模式和马达模式。

一实施例之中：该动力电池包括镍氢电池。

一实施例之中：还包括用于驱动其他执行器的液压驱动系统，其进油口连接定量泵/马达的出油口、第二溢流阀的进油口和开中心六通比例方向阀的P口和P1口。

一实施例之中：该用于驱动其他执行器的液压驱动系统包括斗杆驱动系统和行走驱动系统。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统包括先导操作手柄、动力电池、电动机、电机控制器、液压蓄能器、油箱、定量泵/马达、多个压力传感器、转速传感器、电磁溢流阀、多个电磁换向阀、梭阀、开中心六通比例方向阀、液压马达、转台及总成控制器，该多个压力传感器和转速传感器作为信号输入端连接该总成控制器，该多个电磁换向阀和电磁溢流阀作为信号输出端连接该总成控制器。该总成控制器根据各输入信号作出相应的判断通过该系统能够避免转台加速过程中大量液压油流量消耗在电磁溢流阀中，使转台的回转制动动能得到回收，避免了能源的浪费，实现了能源的重复利用，同时，该系统能够减小转台在加速以及制动过程中的冲击。

系统采用了一个定量泵代替传统驱动系统中的变量泵，该电动机同轴转动连接该定量泵，通过电动机的转速的调整达到输出的泵排量的目的，代替了传统驱动中通过改变液压泵排量来优化液压泵流量和负载所需流量的匹配。不仅降低了成本，同时由于电动机的变转速相对变量泵的变排量具有更快的动态响应，进而可以快速、动态地实现液压泵流量和负载所需流量的匹配。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1绘示了电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统的示意图。

具体实施方式

请查阅图1，电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，它包括先导操作手柄1、动力电池4、电动机9、电机控制器5、液压蓄能器18、油箱、定量泵/马达8、定量泵7、第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器29、第四压力传感器33、第五压力传感器19、转速传感器28、第一溢流阀10、第二溢流阀11、第三溢流阀17、第四溢流阀31、电磁溢流阀20、第一电磁换向阀13、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀16、第四电磁换向阀21、第五电磁换向阀30、梭阀22、节流口32、第一单向阀6、第二单向阀23、第三单向阀24、开中心六通比例方向阀15、液压马达25、减速器26、转台27及总成控制器34；

其中：电动机9、定量泵7和定量泵/马达8同轴转动连接；定量泵/马达8的进油口连接第二电磁换向阀14的B口和第一单向阀6的出油口，其出油口连接第二溢流阀11的进油口、开中心六通比例方向阀15的P口和P1口，第一单向阀6的进油口连接油箱，第二溢流阀11的出油口连接油箱；开中心六通比例方向阀15的T口连接油箱，其A口分为三路，其第一路连接液压马达25的A腔，其第二路连接梭阀22的一进油口，其第三路连接第二单向阀23的出油口，其B口分为三路，其第一路连接液压马达25的B腔，其第二路连接梭阀22的另一进油口，其第三路连接第三单向阀24的出油口，其D口连接第五电磁换相阀的A口，第二单向阀23和第三单向阀24的进油口均连接油箱；第五电磁溢流阀20的B口连接第四溢流阀31的进油口、第四压力传感器33和节流口32的进油口；节流口32的出油口和第四溢流阀31的出油口均连接油箱；梭阀22的出油口分为三路，其第一路连接第三压力传感器29，其第二路连接电磁溢流阀20的进油口，其第三路连接第四电磁换向阀21的A口，电磁溢流阀20的出油口连接油箱；第四电磁换向阀21的B口连接第一电磁换向阀13的B口、第二电磁换向阀14的A口和第三电磁换向阀16的B口；第三电磁换向阀16的A口连接第三溢流阀1717的进油口、液压蓄能器18和第五压力传感器19，第三溢流阀17的出油口连接油箱；先导操作手柄1的P口、第一溢流阀10的进油口均连接定量泵7的出油口，第一溢流阀10的出油口和先导操作手柄1的T口均连接油箱，先导操作手柄1的出油口b1和b2分别连接开中心六通比例方向阀15的两端控制油口并分别连接第一压力传感器2和第二压力传感器3；定量泵7的进油口连接油箱；液压马达25、减速器26和转台27传动机械连接；电动机9通过电机控制器5与动力电池4连接；第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器29、第四压力传感器33、第五压力传感器19和用于检测液压马达25转速的转速传感器28均电信号连接总成控制器34；总成控制器34信号连接电机控制器5、第一电磁换向阀13、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀16、第四电磁换向阀21、第五电磁换向阀30和电磁溢流阀20。

该电动机9能够工作在电动模式和发电模式。

本实施例中，该动力电池4采用镍氢电池。

作为该驱动系统的一个扩展，还包括用于驱动其他执行器的液压驱动系统12，其进油口连接定量泵/马达8的出油口、第二溢流阀11的进油口和开中心六通比例方向阀15的P口和P1口。

本实施例中，该其他执行器的液压驱动系统12包括斗杆驱动系统和行走驱动系统。

电驱动液压挖掘机的节能型转台27驱动控制方法，基于以上该的电驱动液压挖掘机的节能型转台27驱动系统：

该第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器29、第四压力传感器33、第五压力传感器19以及转速传感器28分别实时获得先导操作手柄1b1口，b2口对应的输出信号P_i1和P_i2、液压马达25两腔的最大压力P_i3、负流量控制压力P_i4、液压蓄能器18的压力P_i5和液压马达25的转速信号n_m，设定转台27的一个合理制动时间范围所对应的液压蓄能器18的压力区间为[P_a1，P_a2]，其中：负流量控制压力由第四溢流阀31和节流口32组成的负流量控制压力检测单元所提供，液压油在通过节流口32时产生压差；

该电驱动液压挖掘机的节能型转台27转台27处于不同模式下的驱动控制方法包括：

（1）转台27处于停止模式时，当先导操作手柄1的输出信号P_i1和P_i2均小于某个先导信号阈值P_i0（P_i0为一个大于零的较小正值）时，转台27处于停止模式。

此时，开中心六通比例方向阀15处于中位，定量泵/马达8的全部液压油通过该开中心六通比例方向阀15的油路P1-D、第五电磁换向阀30和节流口32回油箱；

若总成控制器34判断该液压蓄能器18的压力P_i5大于P_a2，则由总成控制器34控制第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀16和第五电磁换向阀30得电，第一电磁换向阀13和第四电磁换向阀21失电，液压蓄能器18的高压液压油释放到定量泵/马达8的进油口，此时定量泵/马达8工作在马达模式，定量泵/马达8驱动电动机9发电以将该液压蓄能器18的液压能转换成电能并储存在动力电池4中，此时，电动机9的转速无需考虑转台27的操作性能，因此，电动机9的目标转速可以根据电动机9的传动效率设定在某个发电模式下的高效工作点处。

若总成控制器34判断该液压蓄能器18的压力P_i5小于P_a2且大于P_a1，则总成控制器34控制第五电磁换向阀30得电，第一电磁换向阀13、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀16和第四电磁换向阀21全部失电，此时，定量泵/马达8的全部液压油通过该开中心六通比例方向阀15的油路P1-D、第五电磁换向阀30和节流口32回油箱，此时，通过节流口32的液压油流量达到液压驱动系统各不同模式下的最大值，同时，该第四压力传感器33获得负流量控制压力P_i4的最大值，这个最大值由与节流口32并联的第四溢流阀31确定，并使得电动机9的转速自动减少到最小，降低液压挖掘机的中位节流损耗；

若总成控制器34判断该液压蓄能器18的压力P_i5小于P_a1，则总成控制器34控制第一电磁换向阀13和第三电磁换向阀16得电，第二电磁换向阀14、第四电磁换向阀21以及第五电磁换向阀30全部失电，此时，电动机9处于电动模式并驱动定量泵/马达8对该液压蓄能器18进行充油，以提高液压蓄能器18的压力P_i5，防止转台27的制动时间过长，当液压蓄能器18的压力达到P_a1，第一电磁换向阀13失电，停止充油,同样，此时电动机9的转速也无需考虑转台2727的操作性能，电动机9的目标转速可以根据电动机9的传动效率设定在某个电动模式下的高效工作点处；

（2）转台27处于旋转模式时，当先导操作手柄1的其中一个输出信号P_i1或P_i2大于某个先导信号阈值P_i0时，转台27处于旋转模式。

旋转模式下，转台27驱动系统包括对电动机9的转速控制和对各电磁换向阀的控制。其中对该电动机9的控制包括以下步骤：

①该总成控制器34根据先导操作手柄1的输出信号P_i1和P_i2，计算得到液压马达25的目标转速n_mt，

当P_i1>P_i2，n_mt=k₁*(P_i1-P_i0)；否则，n_mt=k₁*(P_i2-P_i0)；其中，k₁为一比例系数。

②该总成控制器34根据先导操作手柄1的输出信号P_i1和P_i2以及转速传感器28输入的液压马达25的转速信号n_m，计算得到液压马达25的目标加速扭矩：

当P_i1>P_i2且n_m<n_mt时，表明液压马达25处于加速左旋转模式，此时，T_mt=k₂*(P_i1-P_i0)；

当P_i1>P_i2且n_m≥n_mt时，表明液压马达25处于匀速左旋转模式，此时，T_mt=T_mtmin；

当P_i1<P_i2且n_m<n_mt时，表明液压马达25处于加速右旋转模式，此时，T_mt=k₂*(P_i2-P_i0)；

当P_i1<P_i2且n_m≥n_mt时，表明液压马达25处于匀速右旋转模式，此时，T_mt=T_mtmin；

其中，k₂为一比例系数，T_mtmin为一驱动该转台27匀速旋转的驱动扭矩。

③通过液压马达25的排量q_m计算得到液压马达25的驱动腔的目标压力p_mt=T_mt/q_m，这里计算得到的目标压力p_mt一定小于电磁溢流阀20的最大溢流压力p_mtmax。

④根据定量泵/马达8的排量q_p，进一步计算得到电动机9的目标扭矩T_gt为T_gt=p_mt*q_p，此时，电动机9通过电机控制器5设定在电动模式，进而该电动机9目标扭矩T_gt驱动该定量泵/马达8工作并使液压马达25的驱动腔的液压油压力不超过电磁溢流阀20的最大溢流压力p_mtmax，同时，该开中心比例方向阀处于中位，定量泵/马达8的全部液压油通过开中心六通比例方向阀15的油路P-B进入马达驱动腔以驱动转台27转动，避免了传统液压挖掘机转台27加速过程中的溢流损耗，进一步降低了能量的损耗，同时，又可以对转台27的转动加速度进行连续控制，减小了转台27的冲击；

对各电磁换向阀的控制包括：

①若总成控制器34判断该液压蓄能器18的压力P_i5大于P_a2，则由总成控制器34控制第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀16和第五电磁换向阀30得电，第一电磁换向阀13和第四电磁换向阀21失电，液压蓄能器18的高压液压油释放到定量泵/马达8的进油口，此时，定量泵/马达8仍工作在泵模式，但该定量泵/马达8的两端油口的压力差降低了，进而减小了电动机9的驱动扭矩，从而降低了动力电池4的电量损耗。

②若总成控制器34判断该液压蓄能器18的压力P_i5小于P_a1，则总成控制器34控制第一电磁溢流阀20、第三电磁换向阀16和第五电磁换向阀30得电，第二电磁换向阀14和第四电磁换向阀21失电，定量泵/马达8的部分液压油通过第一电磁换向阀13和第三电磁换向阀16对该液压蓄能器18进行充油，以提高液压蓄能器18的压力P_i5，防止转台27的制动时间过长，当液压蓄能器18的压力达到P_a1，第一电磁换向阀13失电，停止充油；

（3）转台27处于制动模式时，当先导操作手柄1的输出信号P_i1和P_i2均小于某个先导信号阈值P_i0且转速信号n_m大于某个转速阈值n_mc（n_mc为一个大于转速阈值n_m0的正值）时，转台27处于制动模式。

若总成控制器34判断该液压蓄能器18的压力P_i5小于P_a2，允许转台27制动能量的回收，总成控制器34控制电磁溢流阀20、第五电磁换向阀30得电，定量泵/马达8的全部液压油通过该开中心六通比例方向阀15的油路P1-D、第五电磁换向阀30和节流口32回油箱，此时控制该电动机9的控制信号由负流量控制单元决定，该第四压力传感器33获得负流量控制压力P_i4的最大值，并使得电动机9的转速自动减少到最小，进而该总成控制器34控制第一电磁换向阀13和第二电磁换向阀14失电，第三电磁换向阀16和第四电磁换向阀21得电，液压马达25的制动腔的高压液压油通过梭阀22、第四电磁换向阀21、第三电磁换向阀16进入液压蓄能器18，将转台27的制动动能转化为液压能储存在液压蓄能器18中，转台27的制动扭矩由液压蓄能器18的压力和液压马达25的排量的乘积决定，由于液压蓄能器18的压力在该驱动系统的控制下始终始终能够保持在[P_a1，P_a2]不会突变，因此避免了转台27制动过程中的冲击，当液压马达25的转速信号n_m小于n_mc时，该转台27制动结束，电磁溢流阀20失电，液压马达25的两腔卸荷，防止了转台27的反转。

若总成控制器34判断该液压蓄能器18的压力P_i5大于P_a2，不允许转台27制动能量回收，总成控制器34控制电磁溢流阀20得电、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀16和第五电磁换向阀30得电，第一电磁换向阀13和第四电磁换向阀21失电，转台27的制动扭矩通过电磁溢流阀20建立。液压蓄能器18的液压蓄能器18的高压液压油释放到定量泵/马达8的进油口，定量泵/马达8工作在马达模式，驱动电动机9发电，将该液压蓄能器18的液压能转换成电能并储存在动力电池4中，此时电动机9的目标转速可以根据电动机9的传动效率设定在某个发电模式下的高效工作点处。当液压马达25的转速信号n_m小于n_mc时，该转台27制动结束，电磁溢流阀20失电，液压马达25的两腔卸荷，防止了转台27的反转。

以上该，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，其特征在于：包括先导操作手柄、动力电池、电动机、电机控制器、液压蓄能器、油箱、定量泵/马达、定量泵、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、转速传感器、第一溢流阀、第二溢流阀、第三溢流阀、第四溢流阀、电磁溢流阀、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、第五电磁换向阀、梭阀、节流口、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、开中心六通比例方向阀、液压马达、减速器、转台及总成控制器； 

其中：电动机、定量泵和定量泵/马达同轴机械连接；定量泵/马达的进油口连接第二电磁换向阀的B口和第一单向阀的出油口，其出油口连接第二溢流阀的进油口、开中心六通比例方向阀的P口和P1口，第一单向阀的进油口连接油箱，第二溢流阀的出油口连接油箱；开中心六通比例方向阀的T口连接油箱，其A口分为三路，其第一路连接液压马达的A腔，其第二路连接梭阀的一进油口，其第三路连接第二单向阀的出油口，其B口分为三路，其第一路连接液压马达的B腔，其第二路连接梭阀的另一进油口，其第三路连接第三单向阀的出油口，其D口连接第五电磁换相阀的A口，第二单向阀和第三单向阀的进油口均连接油箱；第五电磁溢流阀的B口连接第四溢流阀的进油口、第四压力传感器和节流口的进油口；节流口的出油口和第四溢流阀的出油口均连接油箱；梭阀的出油口分为三路，其第一路连接第三压力传感器，其第二路连接电磁溢流阀的进油口，其第三路连接第四电磁换向阀的A口，电磁溢流阀的出油口连接油箱；第四电磁换向阀的B口连接第一电磁换向阀的B口、第二电磁换向阀的A口和第三电磁换向阀的B口；第三电磁换向阀的A口连接第三溢流阀的进油口、液压蓄能器和第五压力传感器，第三溢流阀的出油口连接油箱；先导操作手柄的P口、第一溢流阀的进油口均连接定量泵的出油口，第一溢流阀的出油口和先导操作手柄的T口均连接油箱，先 导操作手柄的出油口b1和b2分别连接开中心六通比例方向阀的两端控制油口并分别连接第一压力传感器和第二压力传感器；定量泵的进油口连接油箱；液压马达、减速器和转台传动机械连接；电动机通过电机控制器与动力电池连接；第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器和用于检测液压马达转速的转速传感器均电信号连接总成控制器；总成控制器电信号连接该电机控制器、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、第五电磁换向阀和电磁溢流阀。 

2.根据权利要求1该的电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，其特征在于：除机械连接、电信号连接以外的其他连接都为油路连接。 

3.根据权利要求1所述的电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，其特征在于：所述电动机包括电动模式和发电模式。 

4.根据权利要求1所述的电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，其特征在于：所述定量泵/马达包括泵模式和马达模式。 

5.根据权利要求1所述的电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，其特征在于：所述动力电池包括镍氢电池。 

6.根据权利要求1所述的电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，其特征在于：还包括其他执行器的液压驱动系统，其进油口连接定量泵/马达的出油口、第二溢流阀的进油口和开中心六通比例方向阀的P口和P1口。 

7.根据权利要求6所述的电驱动液压挖掘机的节能型转台驱动系统，其特征在于：该其他执行器的液压驱动系统包括斗杆驱动系统和行走驱动系统。