[0029] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0030] 如图3至图5所示，本发明提供了一种用于挖掘机动臂的串联式混合动力系统，包括原动机6、油箱5、液压泵1、第一单向阀2、主换向阀3、动臂液压缸4、挖掘机的操纵手柄、第二单向阀14、液压马达7、单向离合器10、第一变速器1701、第一离合器901、飞轮8、第二离合器902、第二变速器1702、液压泵/马达12、第三单向阀15、转速传感器 20和控制器；
[0031] 作为一种优选，原动机6为柴油机；所述原动机6的输出轴与液压泵1的传动轴连接，液压泵1的S口和P口分别与油箱5和第一单向阀2的A口连接，第一单向阀2的B口分别与液压马达7的P口和第二单向阀14的B口连接，液压马达7的T口和第二单向阀14 的A口均与油箱5连接；
[0032] 液压泵1的传动轴通过单向离合器10与第一变速器1701 的输入轴连接，第一变速器1701 的输出轴通过第一离合器901与飞轮8一端的传动轴连接，飞轮8另一端的传动轴通过第二离合器902与第二变速器1702的输入轴连接，第二变速器1702的输出轴与液压泵/马达 12的传动轴连接；
[0033] 所述单向离合器10的作用是允许所述液压马达7输出的机械能传递给所述第一离合器 901，而不允许相同方向时能量的反向传递；
[0034] 飞轮8具有2个传动轴，具有一定的转动惯量，可以以动能的形式存储一定的能量；第一离合器901和第二离合器902，均可以接受外界控制信号，进而实现相应传动机构的连接和断开。
[0035] 液压泵/马达12的S口和P口分别与油箱5和主换向阀3的P口连接，主换向阀3的A 口和B口分别与动臂液压缸4的有杆腔和无杆腔连接，主换向阀3的T口与油箱5连接，第三单向阀15的A口和B口分别与油箱5和动臂液压缸4的有杆腔连接；动臂液压缸4为单出杆式活塞缸，用于控制动臂的升降和停止动作；
[0036] 油箱5用于存储系统所需的油液；液压泵1在所述原动机6的驱动下，其S口与所述油箱5连接，P口排出高压油液，从而将所述原动机6提供的机械能转化为油液的压力能；
[0037] 所述转速传感器20贴近飞轮8地设置，用于检测飞轮8的转速信号，并将转速信号实时发送给控制器；
[0038] 所述操纵手柄上设置有与其内部处理器连接的多个手动按钮，分别用于根据操作人员的控制分别发出启动信号、动臂下放电信号和动臂提升电信号；
[0039] 作为一种优选，所述控制器为PLC控制器；控制器分别与原动机6、第一离合器901、第二离合器902、液压泵1、液压泵/马达12、液压马达7、主换向阀3、第一变速器1701 、第二变速器1702、转速传感器20和挖掘机的操纵手柄连接；
[0040] 所述控制器用于在接收到启动信号后启动原动机6，控制第一离合器901得电吸合，并控制液压泵1的排量逐渐变大；用于根据接收到的转速信号来获得飞轮8的转速，并在转速达到设定最大值时控制原动机6停止工作，控制第一离合器901断电，控制液压泵1的排量为零，在转速小于设定最小值时控制原动机6启动，控制第一离合器901得电吸合，并控制液压泵1的排量逐渐变大；用于在接收到动臂提升电信号后控制主换向阀3的电磁铁Y1a得电，控制第二离合器902得电吸合，控制液压泵/马达12的摆角正向；用于在接收到动臂下放电信号后控制主换向阀3的电磁铁Y1b得电，控制第二离合器902得电吸合, 控制液压泵/马达12的摆角反向。
[0041] 作为一种优选，所述主换向阀3为三位四通电磁换向阀，当主换向阀3的电磁铁Y1a 得电时，其工作在右位，其P口与B口连通，A口与T口连通；当主换向阀3的电磁铁Y1b 得电时，其工作在左位，其P口与A口连通，B口与T口连通；当主换向阀3的电磁铁均不得电时，其P口、A口、B口与T口互不连通。
[0042] 为了保证系统工作在设定的压力范围内，所述液压泵1的P口还通过溢流阀11与油箱 5连接。
[0043] 作为一种优选，所述第一变速器1701 和第二变速器1702为无级变速传动装置或有级变速传动装置或固定传动比的传动装置。
[0044] 工作原理：
[0045] 图1为现有挖掘机中动臂100、转台200和动臂液压缸4的装配结构示意图，其中动臂 100的端部铰接在转台200上，动臂液压缸4的缸筒铰接在转台200上，动臂液压缸4的活塞杆端铰接在动臂100的中部。当动臂液压缸4的活塞杆做伸缩运动时，即可带动动臂100 做提升和下放动作。
[0046] 图2是现有技术中挖掘机动臂液压系统的简化原理图。1为液压泵，可以将原动机6的机械能转化为油液的压力能，为系统提供高压油液。第一单向阀2保证油源提供的高压油液只能单向流至主换向阀3。图2中所示的主换向阀3是三位四通电磁换向阀，在实际的液压系统中，该阀可能是三位四通阀，也可能是三位六通阀。主换向阀3的换向方式可能是电控的，也可能是液控等方式。当主换向阀3的电磁铁Y1a得电时，主换向阀3工作在右位，液压泵1提供的油液经主换向阀3的P口至B口进入动臂液压缸4的无杆腔，其有杆腔的油液经主换向阀3的A口至T口流回油箱5。动臂液压缸4的活塞杆伸出，对应图1中动臂提升动作。当电磁铁Y1b得电时，主换向阀3工作在左位，液压泵1提供的油液经主换向阀3的P口至A口进入动臂液压缸4的有杆腔，其无杆腔的油液经主换向阀3的B口至T口流回油箱5。动臂液压缸4的活塞杆缩回，对应图1中动臂下落动作。因为此时动臂液压缸4的活塞杆作用有动臂100等负载，所以动臂液压缸4的无杆腔的压力很大。当无杆腔流出的油液经过主换向阀3的阀口时，这些压力能就消耗在阀口上，从而产生了很多的热量。
[0047] 结合图3，对本发明的工作原理做进一步的说明。
[0048] 1.1系统待机时
[0049] 设备初始条件下，飞轮8是静止的，没有存储能量。结合图3，操作人员通过操纵手柄发出启动信号给控制器后，控制器启动原动机6，控制器(未画出)控制第一离合器901吸合，并逐渐调大液压泵1的排量，液压泵1在原动机6的驱动下从S口吸入油液，P口排出高压油液。液压泵1排出的油液经第一单向阀2，进入液压马达7的P口，然后由液压马达 7的A口流出回油箱5。液压马达7输出旋转的机械能，经单向离合器10、第一变速器1701、第一离合器901驱动飞轮8加速旋转。控制器通过合理控制液压马达7的排量和第一变速器1701的传动比，可以实现飞轮8的持续加速。总体而言，原动机1为飞轮8储能，其机械能转化成飞轮8的机械能。能量传递情况如图6所示。
[0050] 当转速传感器20测得飞轮8达到最高转速时，即达到设定最大值时，飞轮8储能完毕，控制器(未画出)控制第一离合器901断开连接，同时使液压泵1的排量调整至零排量，关闭原动机1，以减少原动机1的能量消耗。飞轮8进入待命状态。
[0051] 在任意情况下，若飞轮8的转速降低到某个设定最小值时，系统重复上述过程，控制原动机1为飞轮8储能。
[0052] 1.2动臂提升过程(能量再利用)
[0053] 结合图3，在需要动臂100提升时，操作人员通过操纵手柄上对应的按钮发出对应的动臂提升电信号给控制器，控制器收到动臂提升电信号后，控制主换向阀3的电磁铁Y1a得电，使第二离合器11吸合。同时，控制器控制液压泵/马达12的摆角正向，液压泵/马达 12工作在泵模式下，如图4的第一象限所示。飞轮8通过第二离合器902和第二变速器1702，驱动液压泵/马达工作。液压泵/马达12从油箱5吸入油液，并由排油口P口排出高压油液，实现将飞轮8的机械能转化成油液的压力能。液压泵/马达12排出的油液经主换向阀3的P 口至B口进入动臂液压缸4的无杆腔，其有杆腔的油液经主换向阀3的A口至T口流回油箱5。动臂液压缸4的活塞杆伸出，对应图1中动臂提升动作。
[0054] 随着能量的消耗，当飞轮8的转速降低到某个设定最小值时，控制器(未画出)控制第一离合器901吸合，原动机6为飞轮8充能。原动机6驱动液压泵1工作，液压泵1排出的油液经第一单向阀2进入液压马达7的P口，然后由液压马达7的A口流出回油箱5。液压马达7输出旋转的机械能，经单向离合器10、第一变速器1701、第一离合器901驱动飞轮8加速旋转。具体的能量传递示意图如图7所示。
[0055] 1.3动臂下放过程(动臂势能回收)：
[0056] 结合图3，在需要动臂100下放时，操作人员通过操纵手柄上的对应按钮发出动臂下放电信号给控制器，控制器(未画出)收到动臂下放电信号后控制主换向阀3的电磁铁Y1a 得电，第二离合器902得电吸合。同时，控制器控制液压泵/马达12的摆角反向，液压泵/ 马达12工作在马达模式下，如图4的第二象限所示。由于动臂液压缸4上作用有动臂等负载，动臂可以自行下放，不需要动力。动臂液压缸4无杆腔内的高压油液流出后经主换向阀3的B口至P口，流入液压泵/马达12的P口，低压油液经其A口流出回油箱5。此时液压泵/马达12工作在马达模式，输出机械能，经第二变速器1702和第二离合器902驱动飞轮8加速旋转。因此，动臂势能转化成飞轮8的机械能。具体的能量传递示意图如图8所示。控制器通过合理控制液压泵/马达12的排量和第二变速器1702的传动比，可以产生适当的压力，实现对动臂下落速度的控制。
[0057] 动臂下放过程中，油箱5内的油液可以经单向阀15对动臂液压缸4的有杆腔进行补油，防止吸空。
[0058] 由以上的原理可知，原动机6的能量要先经液压系统(主要是液压泵1和液压马达7) 转化成飞轮8的机械能。动臂需要能量时，飞轮8的机械能通过液压泵/马达12和动臂液压缸4驱动动臂工作。这样的设计，将负载(动臂)与原动机进行了分离，原动机的工作效率不再受负载的直接影响。原动机可以尽可能的工作在高效率区域，提高了工作效率。飞轮作为储能元件，在原动机功率大于系统需要时，可以存储一定的能量；在原动机功率小于系统需要时，释放能量辅助原动机驱动负载，起到了削峰填谷的作用。因此，设计时不用根据系统的峰值功率选用原动机的型号，可以根据系统一个周期内的平均功率大小。选用较小型号的原动机，可以减少设备的体积和质量，还可以提高系统的效率。
[0059] 系统设置了液压泵/马达，可以在动臂下放时回收动臂的势能，并在动臂提升的时候进行能量的再利用，减少了系统的能量浪费，可以进一步提高系统的能量利用效率。
[0060] 在图4所示的原理图中，为了提高飞轮8的转速，提高系统的能量存储密度，在所述的单向离合器10和第一离合器9之间设置了第一变速器1701。与之类似，在能量再利用传动链上，为了使飞轮8和辅助液压泵12的速度匹配，在第二离合器11和辅助液压泵12之间设置了第二变速器18。所述的第一和第二变速器可以为无级变速传动装置。作为一种简化，也可以使用有级或固定传动比的传动装置。但是，这样会降低系统的能量回收和再利用效率。进一步，如果使用飞轮8的转速较低，可以省略第一变速器1701和第二变速器1702，降低成本。但是这样会造成设备的体积和质量增大。
