工程机械用混合动力系统及混合动力旋挖钻机
技术领域
本实用新型涉及工程机械用混合动力系统及混合动力旋挖钻机。
背景技术
目前旋挖钻机基本采用全液压控制驱动，即由柴油发动机向液压泵提供动力，使液压泵输出液压油通向液压控制阀，由液压控制阀向马达或油缸输入具有方向、压力和流量的液压油，马达或油缸驱动执行机构完成各项动作。发动机直接驱动泵组，泵组包括主泵、辅助泵、齿轮泵、先导泵等工作，在待机状态时，发动机持续工作以维持各作业路径管路的液压压力。一般主泵连接主控制阀控制动力头马达、主卷扬马达、回转马达、行走马达、副卷扬马达的工作，辅助泵连接辅助控制加压油缸、变幅油缸、展宽油缸、桅杆油缸等工作，实现打钻作业时，行走马达、副卷扬马达、变幅油缸、展宽油缸、桅杆油缸等辅助负载部件基本不工作，动力头和主卷扬为高频次作业部件，两者作业时间占总作业时间的70％以上，辅助泵加压随动力钻头同步动作，发动机负荷随着液压系统负荷变化而变化。
目前的旋挖钻机存在以下缺点：发动机随作业部件负荷变化大，不断调整转速和扭矩，不能保持在能耗经济区工作；各作业部件均通过液压系统驱动，液压系统传递路径长，管路损失多，整体传动效率低，能耗高；并且在不作业或者不需要动力输出与情况下，发动机仍然需要运转以保持系统液压压力，动力头和主卷扬等主负载部件工作时需要的压力较高，发动机需要保持液压系统处于较高的压力状态，能耗较高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种工程机械用混合动力系统，用于解决目前的工程机械用动力系统完全采用液压系统造成整体能耗高的技术问题；另外，本实用新型的目的还在于提供一种混合动力旋挖钻机，用于解决目前的旋挖钻机完全采用液压系统作业造成整体能耗高的技术问题。
本实用新型的工程机械用混合动力系统采用如下技术方案：
工程机械用混合动力系统包括：
发动机；
主发电电机，与发动机传动连接；
辅助负载泵，与主发电电机传动连接，用于驱动辅助负载部件动作；
发动机离合器，用于控制发动机与主发电电机之间的动力通断，以在发动机与主发电电机动力断开后使主发电电机能够单独驱动辅助负载泵工作；
辅助负载离合器，用于控制主发电电机与辅助负载泵之间动力通断；
主负载电机，用于驱动主负载部件工作；
储能装置，用于存储电能；
电机控制器，与主发电电机、负载电机、储能装置连接，电机控制器能够控制主发电电机向储能装置充电和/或主负载电机利用回收能量向储能装置充电，且能够控制储能装置向主发电电机和主负载电机供电、控制主发电电机发电的同时向主负载电机供电。
本实用新型的有益效果：本实用新型的混合动力系统通过主负载电机驱动主负载部件工作，电机控制器控制主发电电机和储能装置向主负载电机供电，减少了工程机械用混合动力系统中液压系统的液压元件，同时通过电机驱动也提高了传动效率，通过主负载电机驱动主负载部件工作，减少了发动机为维持液压系统压力的待机消耗，解决目前的工程机械用动力系统完全采用液压系统造成整体能耗高的技术问题。
进一步的，所述发动机连接有行星排，所述行星排的太阳轮、行星架和齿圈中一个与发动机连接、一个与主发电电机连接、另一个与辅助负载泵连接，发动机离合器设置在行星排与发动机之间，辅助负载离合器设置在行星排与辅助负载泵之间。通过行星排不同的速比组合，配合电机控制器的控制，使不同工作模式下，发动机和主发电电机尽可能维持在高效区。
进一步的，主发电电机与行星排之间设置有用于控制行星排与主发电电机之间动力通断的主发电电机离合器，主发电电机离合器在断开行星排与主发电电机之间动力后使发动机能够直接驱动辅助负载泵工作。
进一步的，所述主发电电机串接在发动机与辅助负载泵之间。动力系统结构简单，成本低。
本实用新型混合动力旋挖钻机的技术方案：
混合动力旋挖钻机包括辅助负载部件、主负载部件和混合动力系统，所述混合动力系统包括：
发动机；
主发电电机，与发动机传动连接；
辅助负载泵，与主发电电机传动连接，用于驱动辅助负载部件动作；
发动机离合器，用于控制发动机与主发电电机之间的动力通断，以在发动机与主发电电机动力断开后使主发电电机能够单独驱动辅助负载泵工作；
辅助负载离合器，用于控制主发电电机与辅助负载泵之间动力通断；
主负载电机，用于驱动主负载部件工作；
储能装置，用于存储电能；
电机控制器，与主发电电机、负载电机、储能装置连接，电机控制器能够控制主发电电机向储能装置充电和/或主负载电机利用回收能量向储能装置充电，且能够控制储能装置向主发电电机和主负载电机供电、控制主发电电机发电的同时向主负载电机供电。
本实用新型的有益效果：本实用新型旋挖钻机的混合动力系统通过主负载电机驱动主负载部件工作，电机控制器控制主发电电机和储能装置向主负载电机供电，减少了工程机械用混合动力系统中液压系统的液压元件，通过主负载电机驱动主负载部件工作，减少了发动机为维持液压系统压力的待机消耗，解决目前的旋挖钻机动力系统完全采用液压系统造成整体能耗高的技术问题。
进一步的，所述发动机连接有行星排，所述行星排的太阳轮、行星架和齿圈中一个与发动机连接、一个与主发电电机连接、另一个与辅助负载泵连接，发动机离合器设置在行星排与发动机之间，辅助负载离合器设置在行星排与辅助负载泵之间。通过行星排不同的速比组合，配合电机控制器的控制，使不同工作模式下，发动机和主发电电机尽可能维持在高效区。
进一步的，主发电电机与行星排之间设置有用于控制行星排与主发电电机之间动力通断的主发电电机离合器，主发电电机离合器在断开行星排与主发电电机之间动力后使发动机能够直接驱动辅助负载泵工作。
进一步的，所述主发电电机串接在发动机与辅助负载泵之间。动力系统结构简单，成本低。
进一步的，所述主负载电机设置至少两个，其中一个为用于驱动动力头工作的动力头电机，一个为用于驱动卷扬动作的卷扬电机。动力头和卷扬工作时间长，采用电机直驱，进一步提高系统整体效率。
附图说明
图1是本实用新型混合动力旋挖钻机的具体实施例1中混合动力系统的结构示意图；
图2是本实用新型混合动力旋挖钻机的具体实施例2中混合动力系统的结构示意图；
图3是本实用新型混合动力旋挖钻机的具体实施例3中混合动力系统的结构示意图；
图中：1-发动机；2-串联减振器；3-发动机离合器；4-主发电电机；5-主发电电机离合器；6-太阳轮；7-行星架；8-齿圈；9-辅助负载泵离合器；10-辅助负载泵；11-控制阀组；12-电机控制器；13-储能装置；14-动力头电机；15-主卷扬电机；16-行星排；
301-发动机；303-发动机离合器；304-主发电电机；309-辅助负载泵离合器；310-辅助负载泵；312-电机控制器；313-储能装置；314-动力头电机；315-主卷扬电机。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。
本实用新型的混合动力旋挖钻机的具体实施例1：
混合动力旋挖钻机包括辅助负载部件、主负载部件和混合动系统，本实施例中的辅助负载部件包括加压油缸、变幅油缸、展宽油缸、桅杆油缸等，主负载部件包括动力头、主卷扬等。如图1所示，辅助负载部件均由辅助负载泵10驱动作业，辅助负载泵10通过液压管路与各辅助负载部件连接，液压管路上设有控制阀组11，控制阀组11用于控制各作业部件的动力。本实施例中辅助负载部件和主负载部件主要以旋挖钻机打钻作业时能耗消耗量划分，其中能耗消耗量大的的部件为主负载部件，比如动力头、卷扬等。其余展宽部件、桅杆部件等为辅助负载部件。
为了提高混合动力系统的整体效率，减少发动机为了维持液压系统压力造成的待机消耗，主负载部件均连接主负载电机，由主负载电机带动作业，其中与动力头连接的主负载电机为动力头电机14，与主卷扬连接的主负载电机为主卷扬电机15。本实用新型的混合动力旋挖钻机针对动力头、主卷扬等主要作业部件，采用电机直驱，对于不常作业部件仍使用液压系统驱动，动力头和主卷扬等主作业部件采用电机直驱，省掉了对主作业部件驱动的液压泵、液压马达、液压管路等一系列液压传动，提升了系统整体效率。
混合动力系统包括发动机1、行星排16、主发电电机4、辅助负载泵10，主发电电机4通过行星排16与发动机1传动连接，本实施例中的行星排16的行星架7与发动机1连接，行星排16的太阳轮6与主发电电机4连接，行星排16的齿圈8与辅助负载泵10连接，其中行星架7与发动机1之间设置有用于控制发动机1与行星排16之间动力通断的发动机离合器3，太阳轮6与主发电电机4之间设置有用于控制行星排16与主发电电机4之间动力通断的主发电电机离合器5，齿圈8与辅助负载泵10之间设置有用于控制行星排16与辅助负载泵10之间动力通断的辅助负载泵离合器9。本实施例中，发动机离合器3、主发电电机离合器5、辅助负载泵离合器9均为锁止离合器，发动机1与发动机离合器3之间设置有串联减振器2。
混合动力系统还包括电机控制器12、储能装置13、动力头电机14、主卷扬电机15，电机控制器12与主发电电机4、动力头电机14、主卷扬电机15、储能装置13通过电缆连接，电机控制器12能够控制主发电电机4、动力头电机14、主卷扬电机15向储能装置13 充电，同时能够在任意一个电机需要供电时，控制储能装置13向主发电电机4、主卷扬电机15、动力头电机14供电，也能够在主发电电机4发电而主卷扬电机15和动力头电机14 需要供电时，控制主发电电机4向主卷扬电机15、动力头电机14直接供电。本实施例中储能装置13为储能电池。其他实施例中，储能装置还可以是电容。
本实施例中的混合动力旋挖钻机的工作模式有以下几种：
1、纯电动模式：发动机1不工作，发动机离合器3锁死，电机控制器12控制储能装置13为需要执行作业的电机供电。当动力头钻进工作时，主发电电机离合器5、辅助负载泵离合器9都分离，动力头电机14驱动作业，主发电电机4同步驱动辅助负载泵10工作用于执行加压动作；当主卷扬提升工作时，仅有主卷扬电机15驱动作业，其他部件不工作或维持原状态；当仅有液压驱动动作时，主发电电机离合器5、辅助负载泵离合器9都分离，主发电电机4驱动辅助负载泵10工作用于执行对应的液压驱动动作。
2、混动驱动模式：发动机1工作，发动机离合器3、主发电电机离合器5分离，发动机1带动主发电电机4在高效区进行发电。
当动力头钻进工作时，辅助负载泵离合器9分离，发动机1同步驱动辅助负载泵10工作用于执行加压动作，此时主发电电机4发出的电能提供给动力头电机14驱动动力头工作，电机控制器12根据动力头电机14的不同电能需求，将主发电电机4发出的多余电能存储至储能装置13或控制储能装置13同时供电对动力头电机14进行助力。
当主卷扬提升工作时，辅助负载泵离合器9锁死，辅助负载泵10不工作，此时主发电电机4发出的电能提供给主卷扬电机15驱动作业，电机控制器12根据主卷扬电机15的不同电能需求，将主发电电机4发出的多余电能存储至储能装置13或控制储能装置13同时供电对主卷扬电机15进行助力。
当仅有液压驱动动作时，辅助负载泵离合器9分离，发动机1在发电的同时，驱动辅助负载泵10工作用于执行对应的液压驱动动作，此时电机控制器12根据辅助负载泵10的不同负载需求，控制主发电电机4的发电或不发电。此时主发电电机离合器5也可以锁止，此时主发电电机4不工作，发动机1直驱辅助负载泵10工作。
3、能量回收模式：此种模式在主卷扬下放时使用，此时电机控制器12控制主卷扬电机 15回馈发电，将回收能量存储于电能存储装置13，其他零部件或作业部件均不工作，或维持原状态。
基于能量最优原则，以上纯电驱动模式和混动驱动模式可以根据整车控制策略或电能存储装置限值范围进行零活选择、组合或切换。以上几种模式对应各零部件的工作状态见下表。
表1不同工作模式下各零部件的工作状态表
液压系统的动力源根据发动机1、电机及离合器的不同状态动力组合进行提供。发动机1 和连接的电机作为发电机组，通过行星排16不同的速比组合，配合离合器和电机控制器12 的控制，使不同工作模式下，发动机1、主发电电机4均可维持在高效区，同时主负载部件采用电机带动，提升了作业效率，降低了液压系统的负载，减少发动机1为维持液压系统压力的待机消耗，保证了发动机1能耗和排放的最优控制。混合动力旋挖钻机的混合动力系统可以实现纯电驱动、混动驱动、能量回收三种模式，根据作业负荷特点和能量需求特点进行模式选择和能量回收，可实现最优能量模式的选择，同时通过能量回收，进一步降低系统能耗。
本实用新型的混合动力旋挖钻机的具体实施例2：本实施例中的混合动力旋挖钻机的结构与上述具体实施例中的旋挖钻机的区别仅在于：如图2所示，基于发动机1、主发电电机 4、辅助负载泵10三者的不同传动速比选择，主发电电机4、辅助负载泵10、行星排16有不同连接方案，可以产生不同的组合配置。主发电电机4与行星排16的齿圈8连接，辅助负载泵10与太阳轮6连接。
本实用新型的混合动力旋挖钻机的具体实施例3：本实施例中的混合动力旋挖钻机的结构与上述具体实施例中混合动力旋挖钻机的区别仅在于：如图3所示，本实施例中，混合动力系统不设置行星排，主发电电机304串接在发动机301与辅助负载泵310之间，主发电电机304与发动机301之间的发动机离合器303为扭转减振离合器，主发电电机304与辅助负载泵310之间的辅助负载泵离合器309为锁止离合器。混合动力驱动系统有如下工作模式：
1、纯电驱动模式
发动机301不工作，发动机离合器303分离，电机控制器312控制储能装置313为需要执行作业的电机供电。当动力头钻进工作时，动力头电机314驱动作业，辅助负载泵离合器 309锁死，主发电电机304同步驱动辅助负载泵310工作用于执行加压动作；当主卷扬提升工作时，仅有主卷扬电机315驱动作业，其他部件不工作或维持原状态；当仅有液压驱动动作时，辅助负载泵离合器309锁死，主发电电机304驱动辅助负载泵310工作用于执行对应的液压驱动动作。
2、混动驱动模式
发动机1工作，发动机离合器303结合，发动机301带动主发电电机304在高效区进行发电。
当动力头钻进工作时，辅助负载泵离合器309锁死，发动机301同步驱动辅助负载泵 310工作用于执行加压动作，此时主发电电机304发出的电能提供给动力头电机314驱动作业，电机控制器312根据动力头电机314的不同电能需求，将主发电电机304发出的多余电能存储至储能装置313或控制储能装置313同时供电对动力头电机314进行助力。
当主卷扬提升工作时，辅助负载泵离合器309分离，辅助负载泵310不工作，此时主发电电机304发出的电能提供给主卷扬电机315驱动作业，电机控制器312根据主卷扬电机315的不同电能需求，将主发电电机304发出的多余电能存储至储能装置313或控制储能装置313同时供电对主卷扬电机315进行助力。
当仅有液压驱动动作时，辅助负载泵离合器309锁死，发动机301在发电的同时，驱动辅助负载泵310工作用于执行对应的液压驱动动作，此时电机控制器312根据辅助负载泵310的不同负载需求，控制主发电电机304的发电量或不发电。
3、能量回收模式
此种模式主要对应主卷扬下放的工作场景，此时主卷扬电机315回馈发电，将回收能量存储于储能装置313，其他零部件或作业部件均不工作，或维持原状态。
基于能量最优原则，以上纯电驱动模式和混动驱动模式可以根据整车控制策略或储能装置313限值范围进行零活选择、组合或切换。以上几种模式对应各零部件的工作状态见下表。
表2不同工作模式下各零部件的工作状态表
本实用新型的混合动力旋挖钻机的具体实施例4，本实施例中的混合动力旋挖钻机的结构与上述实施例中的区别仅在于：本实施例中主发电机与行星排之间没有主发电电机离合器，此时辅助负载泵由主发电电机驱动工作。
本实用新型的混合动力旋挖钻机的具体实施例5，本实施例中的混合动力旋挖钻机的结构与上述实施例中的区别仅在于：驱动卷扬工作的为液压系统，动力头由电机驱动。其他实施例中，也可以卷扬由电机驱动。
本实用新型的工程机械用混合动力系统的具体实施例，本实施例中工程机械用混合动力系统的结构与上述混合动力旋挖钻机任意一个具体实施例中所述的混合动力系统的结构相同，不再赘述。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。
