一种混合动力液压挖掘机能量回收试验系统 技术领域 本发明涉及液压挖机能量回收的研究， 特别是一种混合动力液压挖掘机能量回收 试验系统。
背景技术 液压挖掘机由于排放差、 油耗高、 用量大等问题， 已经成为环保领域的重要关注对 象。 在对液压挖掘机的研究中发现， 液压挖掘机在工作过程中， 执行机构的动作频繁且其惯 量较大， 在减速制动时会有大量的能量消耗在阀口处。 因此， 能量的回收成为降低液压挖掘 机能耗的重要措施之一。
然而， 在对能量回收进行研究的过程中， 需要对挖掘机的各个执行机构进行研究， 测量并计算出各执行元件的可回收能量的多少及回收功率， 找出各种回收方式的优劣。因 此， 试验过程中就需要对动臂油缸、 斗杆油缸、 铲斗油缸以及回转马达的工作特性进行研 究， 并通过以上 4 种执行元件与 3 种回收方式 ( 蓄能器回收、 马达电机回收、 蓄能器 + 马达 电机联合回收 ) 的组合进行研究， 针对不同的工作装置制定出合适的回收及控制方案。
发明内容 在对能量回收进行研究的过程中， 由于执行机构多、 回收方式多样化以及负载特 性负载等问题， 使得试验设备庞大复杂， 不宜安装在样机上， 而试验台又难以模拟挖掘机多 样而变化复杂的负载。为解决这一难题发明了该新型试验系统。
该试验系统基于挖掘机的实际工况， 对混合动力挖掘机能量回收进行研究， 采用 模块化、 独立控制的设计思路， 能方便的实现对各工作装置及回收装置的试验。 其系统组成 如附图 1 所示 ： 主要包括蓄能器 1、 蓄能器阀组 3、 回收阀组 4、 回收马达 7 及回收电机 8， 蓄 能器阀组 3 包括换向阀来 11 和电磁阀 14， 回收阀组 4 包括换向阀来 11、 单向阀 12、 液控单 向阀 13 和电磁阀 14， 其中， 蓄能器 1、 蓄能器阀组 3、 回收阀组 4 和回收马达 7 组成一个回 路， 主阀芯 5、 主阀芯 10 与回收阀组 4 组成一个回路， 在蓄能器 1 与蓄能器阀组 3 之间连接 有流量传感器 2 和压力传感器 6， 回收阀组 4 与回收马达 7 之间连接有流量传感器 2， 回收 阀组 4 与主阀芯 5 之间还连接有压力传感器 6， 主阀芯 5 与主阀芯 10 之间连有压力传感器 6， 回收电机 8 与回收马达 7 相连。
该系统回收阀组 4 主要通过一换向阀来 11 改变回收油液的流动方向， 即在不进行 能量回收时， 油液直接通过换向阀中位进入油缸， 能量回收时油液经过回收马达后流回油 箱。当不进行能量回收时， 如附图 1(a) 所示 ： 油液经主阀芯 5 下位流出后， 经主阀芯 10， 进 入回收阀组 4 的内油道 a， 经换向阀 11 右位流出， 经油道 b 流出至油缸。此过程中， 由于单 向阀 12 及液控单向阀 13 关闭， 所以油液不会流入回收马达造成浪费。当需要能量回收时 如附图 1(b) 所示 ： 油液在负载的驱动下从油缸流出后进入回收阀组油道 b， 同时， 控制系统 给电磁阀 14 供电， 先导油液经电磁阀上位， 驱动换向阀 11 处于左位、 液控单向阀 13 打开。 此时， 由于换向阀 11 处于左位， 油道 b 中的油液一路经蓄能器阀组换向阀 11 左位流入蓄能
器， 另一路经液控单向阀流入回收马达驱动电机进行能量回收。自回收马达流出的油液经 油道 e 和油道 a 和主阀芯 10 回到主阀芯 5 上位， 流回油箱。
该系统阀组在设计时， 考虑到其使用在样机上， 空间将受到很大的制约， 因此采用 了集成插装阀组的方案。蓄能器阀组 3 由竖立摆放的电磁阀 14 和横向摆放的换向阀 11 插 装而成。回收阀组 4 由竖立摆放的电磁阀 14 插装横向摆放的换向阀 11 以及竖立摆放的液 控单向阀 13 插装横向摆放的单向阀 12 而成。
换向阀、 单向阀、 液控单向阀以及电磁阀均采用插装结构， 通过一阀块集成到一 起。在阀块的设计中， 通过合理的布局， 使得油道的布置最优化， 且这个阀组结构紧凑。阀 与阀之间通过内油道连接， 大大简化了外部连接油管， 使得安装更为方便。 由于采用了电控 系统， 控制器可通过采集流量传感器 2、 压力传感器 6 及电机的转速等信号来判断液压系统 处于负负载工况还是正负载工况， 来选择回收方式及回收系统的介入点与退出点， 并进行 数据采集。 通过对控制软件的修改， 可制定出灵活多变的控制策略， 同时可根据挖机的实际 工作情况进行反复的修改与补充。分析比较不同的能量回收对象 ( 执行元件 ) 与回收方式 的组合所得的试验数据， 从而得到最优的回收方案及控制策略。采用集成的插装阀结构及 电液先导控制方式， 实现了大流量低能耗的控制。 另外对于回收马达及电机组合， 可根据选 择定量马达 - 电机调速方式或变量马达容积调速方式。 这种试验台架集成到样机上与传统试验台架相比具有以下优点 ：
●无需模拟复杂的负载。 液压挖掘机执行机构负载多样化， 且在工作过程中， 随其 工况的不同负载变化大， 试验台难以模拟。 而采用集成样机后， 试验系统以挖掘机的实际工 况为试验负载， 省去了负载的模拟， 系统得以简化。
●试验数据指导性强。 由于采用了集成样机技术， 其负载即挖掘机的实际负载， 其 工况即挖掘机的实际工况。 因此， 在样机试验调试完毕后， 所得的试验数据可直接指导混合 动力挖掘机的设计与生产， 所确定零部件参数以及控制策略、 控制量可直接应用于产品。
●通用性高。针对试验样机进行优化设计， 其结构紧凑、 测试系统完善。可在中型 混合动力液压挖掘机上通用， 只需简单的安装与管路及电路连接即可。
●避免重复建设。 一个完整的试验台架不仅包括动力系统、 操作控制系统、 执行机 构及负载模拟系统， 还包括复杂的数据采集、 分析设备及大量的辅助设备。 而台架所模拟的 负载并不能完全代表挖掘机的实际负载， 在样机的试验调试中任然需要进行数据的采集及 分析， 这些系统及设备还得在试验样机上安装。 而采用集成样机后， 这些系统及设备一次性 搭建到样机平台上， 避免了重复建设。
与传动试验装置相比， 该试验系统摆脱了试验台的限制， 可直接安装与挖掘机上， 解决了试验台架难以模拟挖掘机复杂的实际负载的难题。 同时， 其外部管路均为软管连接， 可接入任意执行元件的回路中， 极大的方便了对各个执行元件的能量回收的研究。由于采 用了电控系统， 控制器可通过采集流量传感器 2、 压力传感器 6 及电机的转速等信号来判 断液压系统处于负负载工况还是正负载工况， 来选择回收方式及回收系统的介入点与退出 点， 并进行数据采集。通过对控制软件的修改， 可制定出灵活多变的控制策略， 同时可根据 挖机的实际工作情况进行反复的修改与补充。分析比较不同的能量回收对象 ( 执行元件 ) 与回收方式的组合所得的试验数据， 从而得到最优的回收方案及控制策略。由于此试验基 于挖掘机的实际工况进行， 所以由此制定出能量回收的方式及控制策略， 对能量回收在挖
机上的实际运用具有很强的指导意义。 附图说明
图 1(a)、 (b) 混合动力液压挖掘机能量回收试验系统原理图。 图 2 蓄能器阀组剖视图。 图 3 回收阀组剖视图。具体实施方式
下面以动臂势能回收为例说明其工作原理 ： 将该系统接入动臂大腔油路， 在驾驶 员操作手柄使主阀芯 10 向上运动时， 压力油通向动臂大腔， 此时油缸为正负载工况， 无能 量回收， 回收阀组 4 及回收马达 7 不工作 ； 当驾驶员操作手柄使主阀芯 10 向下运动时， 压力 有通向动臂小腔， 动臂下降， 此时油缸处于负负载工况， 有大量的动臂势能可回收。 此时， 回 收阀组 4 开始换向， 使得油液流向回收马达 7， 驱动回收电机 8 发电， 从而将动臂势能转化为 电能储存。动臂下降主阀芯 10 不再节流 ( 从而消除了阀口处的节流损失 )， 而是通过控制 发电机转速或马达排量来调节动臂下降的速度。 而在此过程中， 蓄能器可根据研究的需要， 选择是否接入到该能量回收过程中来， 或是单独进行能量回收。