CN100424361C

CN100424361C - 闭式电液控制系统

Info

Publication number: CN100424361C
Application number: CNB2006100124762A
Authority: CN
Inventors: 权龙�; 李凤兰
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: CN1818382A

Abstract

一种闭式电液控制系统属于液压控制技术领域，具体讲是一种用液压泵连续控制差动液压缸运动速度、方向和位置的装置。本发明由差动液压缸[1]、安全阀[2、3]、小通径液控单向阀[4、5]、位移传感器[6]，减法器[8]、控制器[7、12]、液压泵[9]、原动机[10]、低压油源[11]、转速控制器[13]共13个部件组成。本发明的特征在于是液压泵有第1进出油口[P_A]、第2进出油口[P_B]、吸排油口[P_T]3个油口，他们分别与差动液压缸的无杆腔[A]、有杆腔[B]和低压油源[11]相连通。泵在工作中自动适应差动液压缸面积差产生的不对称流量，具有结构紧凑，能量效率高的特点。

Description

闭式电液控制系统

技术领域

本发明一种闭式电液控制系统，属于电液控制领域，具体来讲是一种用液压泵(传统伺服或比例泵、变转速泵)连续控制差动液压缸运动速度、方向和位置的装置。

背景技术

电液控制系统有容积控制和节流(阀控)控制两大类。传统的观点是，在对动态响应要求高的中小功率系统中采用节流控制技术，而在大功率系统中采用容积控制技术。节流控制电液系统最大的不足是存在大的节流损失，系统能量效率低并引起系统发热。所以新的发展方向是不经过阀，用液压泵直接控制液压缸的运动。

当执行器是液压马达和双出杆的等截面液压缸时，因其两腔流量对称，泵从液压缸吸入的油流量与排出到液压缸的油流量相等，液压泵的进出油口就可以和液压马达或等截面液压缸的两腔直接相连，并控制液压缸的运动，液压缸的运动速度与泵的排量和转速成比例。为了消除系统的泄漏和油液压缩性的影响，在液压缸的两腔分别连接一小通径的单向阀，通过一低压油源(低压蓄能器、低压油箱、低压泵等)向系统补油，同时对液压缸两腔预压紧。这样的系统具有能量损失小，能量效率高的特点，已有了相应的专利技术[EP0271744，1988-06-22，DE 3919823 A1，1990-12-20]。但是在液压技术中广泛应用的执行器是单出杆的差动液压缸。其特点是占用空间小，输出力大，但进出油口排出的油的流量不相等。这样如仍沿用控制等截面缸的回路原理，系统就无法正常工作，因此泵控差动缸一直是泵控技术的难点。有文献表明，在回路中设置一液压泵和马达组成的液压变压器，通过对压力和流量的变换，可适应差动缸的流量差。为了补偿差动缸的流量偏差，德国Rexroth公司发展了用两台伺服泵复合驱动差动缸的回路原理，用2台泵来补偿差动缸的流量差。本发明者将这一原理应用于变速电机与定量液压泵组成的电液控制系统。但是，用液压变压器和两台泵组成的系统结构复杂、成本高，不利于推广利用。经德国汉堡工业大学研究，提出了利用单台伺服泵，配合液控单向阀或电控阀来平衡差动缸不对称流量的原理。该回路中，两个液控单向阀的出口分别与液压缸二腔和液压泵的进出油口相连，二液控单向阀的进口连通，并连接到补油的油箱或低压蓄能器上，当液压泵向液压缸的无杆腔供油时，因液压泵从有杆腔吸出的油流量大于缸运动所提供的油流量，使这一腔压力降低，系统通过单向阀向有杆腔补油，补充的油量就是液压缸二腔的流量差。当液压缸收回时，液压缸有杆腔进油，无杆腔排油，这时有杆腔的压力使另一单向阀打开，将无杆腔多余的油液排回油箱。这种回路存在的主要问题是有近一半的流量要经过液控单向阀交换，不仅要产生较大的能量损失，也需要大通径的液控单向阀和较大容积的蓄能器。传统的液压泵都只有二个油口，一个进油口，一个出油口。如不计容积效率，理论上泵的吸排油口流量是相等的。以轴向柱塞泵为例，在设计配流盘时，泵就只有二个配流窗口，吸油和排油配流窗口所占角度范围相等，这样就不能平衡差动缸的不对称流量。

发明内容

本发明一种闭式电液控制系统目的在于，提供一种根据液压缸的面积差，通过重新设计液压泵配流盘或吸、排油腔，在液压泵内就平衡掉差动缸的流量差，只需非常小的液控单向阀和蓄能器补偿泵的泄漏和油的压缩即可使系统正常运转，使液压泵与差动液压缸就像泵控双出杆缸一样工作，用液压泵直接控制差动液压缸回路，液压系统自动补偿差动缸不对称流量、消除传统阀控技术存在的节流损失、解决现有技术能耗大、系统发热问题和实现电液控制技术节能的一种闭式电液控制系统。

本发明一种闭式电液控制系统，它包含有差动液压缸1、安全阀2和3、小通径液控单向阀4和5、位移传感器6，减法器8、控制器7和12、液压泵9、原动机10、低压油源11、转速控制器13，其特征是所采用的液压泵有3个与外界相连通的油口，液压泵的第1进出油口P_A通过液压管路与差动液压缸的无杆腔A相连通、第2进出油口P_B通过液压管路与差动液压缸的有杆腔B相连通、吸排油口P_T通过液压管路与低压油源11相连通。

上述的闭式电液控制系统，其特征是所述的液压泵9是电子控制的变排量泵或是排量固定的定量液压泵。

上述的闭式电液控制系统，其特征是所述的原动机10是转速可调的电动机、不含转速控制装置的普通电动机或是燃油驱动的内燃发动机。

上述的闭式电液控制系统中的液压泵9，其特征是泵结构为轴向柱塞形式，液压泵有第1吸排油配流窗口15、第2吸排油配流窗口16、第3吸排油配流窗口17共3个配流窗口、它们在液压泵的内部通过流道分别与泵的第1进出油口P_A、第2进出油口P_B、吸排油口P_T相连通，第1吸排油配流窗口15、第2吸排油配流窗口16、第3吸排油配流窗口17沿圆周方向串联或并联布置，其中串联布置时，第1吸排油配流窗口15占有二分之一圆周的角度范围、第2吸排油配流窗口16、第3吸排油配流窗口17共同占有另外二分之一圆周的角度范围，第2吸排油配流窗口16、第3吸排油配流窗口17所占角度范围的比值根据液压缸的面积比来确定；并联布置时，第2吸排油配流窗口16、第3吸排油配流窗口17、沿不同的半径长度都占有二分之一圆周的角度范围，第1吸排油配流窗口15占有另外二分之一圆周的角度范围。

上述的闭式电液控制系统中的液压泵9，其特征是泵结构为双作用的叶片泵或双作用的叶片马达，第4吸排油配流窗口21、第5吸排油配流窗口24通过流道在泵的内部与泵的第1进出油口P_A连通，第6吸排油配流窗口22、第7吸排油配流窗口23分别与泵的第2进出油口P_B、吸排油口P_T相连通。

本发明闭式电液控制系统主要优点在于：是通过对液压泵进出油口的重新布置和对配流盘的改进设计，使液压泵本身就能适应差动缸面积差产生的不对称流量，并组成差动快速回路，从而可很方便地控制差动缸在正反两个方向的运动，而不需要通过单向阀过多地交换流量，使组成的系统简单、可靠、能量效率高。本发明通过改变泵的转速或泵的排量来控制差动液压缸的运动，实现节能。同现有技术相比，其最大优点是液压泵本身就可以基本平衡差动液压缸的不对称流量，不需要较大通径的液控单向阀来进行油的交换。仅需较小通径的液控单向阀，甚至仅仅是单向阀，补偿系统泄漏、油液压缩产生的流量差，从而避免了采用大通径液控单向阀补油产生较大的节流损失和由此引起的发热。特别是当液压缸的面积比与第2吸排油配流窗口16与第3吸排油配流窗口17之间的比值相同时，系统完全可按照与控制双出杆缸一样的方法工作，将二只液控单向阀改为二只只需补偿系统少量泄漏的小通径的单向阀，进一步简化回路并增加系统的可靠性。在大多数的应用场合，如飞行器中的电液执行器、工程机械等设备中，本项发明可代替传统的阀控技术获得应用。

附图说明

图1变量泵、变速电机和差动缸组成的闭式电液控制系统。其中，

1-液压缸、2，3-安全阀、4，5-小通径液控单向阀、6-位移传感器，7，12-控制器、8-减法器、9-有三个油口的液压泵、10-电动机、11-低压油源、13-电机转速控制器、14-活塞杆。

图2轴向柱塞泵配流盘设计方案1。其中，

15-第1吸排油配流窗口、16-第2吸排油配流窗口、17-第3吸排油配流窗口、18，19-卸荷槽、20-对称轴、P_A-第1进出油口、P_B-第2进出油口、P_T-吸排油口。

图3轴向柱塞泵配流盘设计方案2。其中，

15-第1吸排油配流窗口、16-第2吸排油配流窗口、17-第3吸排油配流窗口、18，19-卸荷槽、20称轴、P_A-第1进出油口、P_B-第2进出油口、P_T-吸排油口。

图4定量泵、变速电机和差动缸组成的闭式电液控制系统。其中，

1-液压缸、2，3-安全阀、4，5-小通径液控单向阀、6-位移传感器，8-减法器、9-有三个油口的液压泵、10-电动机、11-低压油源、12-控制器、13电机转速控制器、14-活塞杆。

图5双作用叶片泵配流原理。其中，

21-第4吸排油配流窗口，22-第6吸排油配流窗口，23-第7吸排油配流窗口，24-第5吸排油配流窗口配流窗口，P_A-第1进出油口、P_B-第2进出油口、P_T-吸排油口。

图6变量泵、内燃发动机和差动缸组成的闭式电液控制系统。其中，

1-液压缸、2，3-安全阀、4，5-小通径液控单向阀、6-位移传感器，7-控制器、8-减法器、9-有三个油口的液压泵、10-内燃发动机、11-低压油源、14-活塞杆。

下面结合附图对本发明的原理和结构作进一步详细说明。

液压泵差动缸组成的闭式电液控制系统是由差动液压缸1、安全阀2和3、小通径液控单向阀4和5、位移传感器6，减法器8、控制器7和12、具有三个油口的液压泵9、原动机10、低压油源11、转速控制器13共13个部件组成。其中，差动液压缸1是用来驱动负载对外做功的执行机构，活塞杆14只从液压缸的一端伸出，所以液压缸两腔A、B的作用面积不相等。安全阀2和3的作用是起安全保护作用，限制液压缸A、B两腔的最高压力，当A、B腔的压力超过这两个阀的设定压力值时，这两个阀将打开，使A、B两腔的油液通过这两个阀流回油箱。液控单向阀4和5的作用是在液压缸A、B两腔和低压油源之间进行油的交换，补偿由系统泄漏、油的压缩和液压泵配流窗孔比值与液压缸的面积比不完全相等所产生的流量偏差。当液压泵配流窗孔比值与液压缸面积比完全一致时，可改用普通的单向阀，这两个阀也可以采用电控的二位开关阀。位移传感器6的作用是检测控制液压缸的行程和速度，并转换为电信号，供给减法器与设定值进行比较，对液压缸的位置和速度进行监视、显示和闭环控制。减法器8的作用是检测所获得的液压缸位置与速度信号u_xf并与设定值u_xs进行比较，比较产生的差值输入到控制器7和12，作为这两个控制器的输入信号。控制器7的作用是按照某种控制策略对偏差值u_e进行处理，用于控制泵的排量，实现对液压缸位置和速度的控制。控制器12的作用是根据偏差值u_e，按设计好的控制规律产生控制液压泵转速的控制信号，其控制信号也要输入到控制器7，用于校正液压泵的排量。液压泵9的作用是通过改变其转速和排量控制液压缸1的运动速度和运动方向，它可以是定量泵，如双作用叶片泵或马达，也可以是变量泵，如轴向柱塞泵，与传统只有进出二个油口的泵不同，新的泵拥有三个油口，其中第1进出油口P_A、第2进出油口P_B分别与液压缸的A、B二腔通过管道相连通。吸排油口P_T与低压油源11连通。部件10是电动机或内燃发动机，它可以是普通的异步电动机、开关磁阻电机，也可以是伺服电机，当用于行走机械设计时，就是内燃发动机。低压油源11的作用是补充系统的泄漏和油的压缩，同时通过液控单向阀4和5对液压缸的A、B二腔预压紧。液压泵9的外泄油也要引入此油源。转速控制器13的作用是控制原动机10的转速。

该系统的工作过程是：首先将外部设定指令信号u_xs输入到减法器8，在减法器中与液压缸速度或位置检测值u_xf比较，产生的偏差信号一路作为控制器7输入信号，同时作为控制器12的输入信号。控制器7通过对偏差信号和泵转速信号的运算，产生控制泵排量的信号，从而可改变进入液压缸的流量，使液压缸的位置或速度跟踪设定信号。当设定信号为正时，液压泵第1进出油口P_A向液压缸的无杆腔A供油，第2进出油口P_B从有杆腔B吸油，液压缸的活塞杆作伸出运动。B腔不够的油液通过低压油源经吸排油口P_T补充。当设定信号为负值时，液压泵的进、出油口改变方向，向有杆腔B排油，而从无杆腔A吸油，使活塞杆作收回运动。A腔多出的油液经吸排油口P_T排回到低压油源。控制器12的作用是控制泵的转速，与液压泵的排量配合，降低系统的空转损失和提高系统在部分负载工况的能量效率。在液压缸的运动中，如果负载超过系统允许的最高值，安全阀2或3就会打开，起到限制最高压力的作用。

本发明闭式泵控差动缸电液系统主要优点在于：是通过对液压泵进出油口的重新布置和对配流盘的改进设计，使液压泵本身就能适应差动缸面积差产生的不对称流量，并组成差动快速回路，从而可很方便地控制差动缸在正反两个方向的运动，而不需要通过单向阀过多地交换流量，使组成的系统简单、可靠、能量效率高。本发明通过改变泵的转速或泵的排量来控制差动液压缸的运动，实现节能。同现有技术相比，其最大优点是液压泵本身就可以基本平衡差动液压缸的不对称流量，不需要较大通径的液控单向阀来进行油的交换。仅需较小通径的液控单向阀，甚至仅仅是单向阀，补偿系统泄漏、油液压缩产生的流量差，从而避免了采用大通径液控单向阀补油产生较大的节流损失和由此引起的发热。特别是当液压缸的面积比与第2吸排油配流窗口16与第3吸排油配流窗口17之间的比值相同时，系统完全可按照与控制双出杆缸一样的方法工作，将二只液控单向阀改为二只只需补偿系统少量泄漏的小通径的单向阀，进一步简化回路并增加系统的可靠性。在大多数的应用场合，如飞行器中的电液执行器、工程机械等设备中，本项发明可代替传统的阀控技术获得应用。

具体实施方式

实施方式1：

在图1所示的实施方案中，液压泵采用排量可根据电子信号连续调节的比例或伺服泵，其配流盘如图2、图3所示，经过了特殊的设计。泵的油口由传统的进、排油2个油口改为3个，第1进出油口P_A和液压缸的无杆腔A相连，第2进出油口P_B和液压缸的有杆腔B相连通，吸排油口P_T和低压油源11相连通。原动机10可以是内燃发动机、也可以是转速可调的电动机，它可以是交流异步电机、交流或直流伺服电机、开关磁阻电机等形式。转速控制器13可选用目前技术成熟的任一形式。传感器6可选择磁致伸缩式、电感式等，即可以输出模拟信号也可输出数字信号，并同时可提供液压缸的速度和位置值。低压油源11采用低压蓄能器，充气压力为0.2MPa。控制器7和12都选用简单的PID控制器。安全阀2和3选用直接作用式，液控单向阀4和5直接集成在液压泵上。

实施方式2：

如图4所示，与图1所示方案相比，特殊之处在于液压泵采用双作用的定量叶片泵或马达，只能通过改变电动机的转速来控制液压缸的运动。所以，系统中只有控制器12而不需控制器7。使用的双作用叶片泵也经过了重新设计。如图5所示，泵的进、出油口由原2个改为3个。其中泵的第1进出油口P_A不变，工作时连接到液压缸的无杆腔A。泵的第2进出油口P_B与液压缸的有杆腔B相连，吸排油口P_T与低压油源11相连通。

实施方式3：

如图6所示，这种情况，系统的原动机10选用内燃机或转速恒定的电动机。液压泵与实施例1中所用相同，为新设计的轴向柱塞泵。两种方案的差别仅仅是方案3没有转速控制器13和控制器12，系统通过改变液压泵的排量来控制液压缸的运动方向、速度和位置。

Claims

1. 一种闭式电液控制系统，它包含有差动液压缸[1]、安全阀[2、3]、小通径液控单向阀[4、5]、位移传感器[6]，减法器[8]、控制器[7、12]、液压泵[9]、原动机[10]、低压油源[11]、转速控制器[13]，其特征是所采用的液压泵有3个与外界相连通的油口，液压泵的第1进出油口[P_A]通过液压管路与差动液压缸的无杆腔[A]相连通、第2进出油口[P_B]通过液压管路与差动液压缸的有杆腔[B]相连通、吸排油口[P_T]通过液压管路与低压油源[11]相连通。

2. 按照权利要求1所述的闭式电液控制系统，其特征是所述的液压泵[9]是电子控制的变排量泵或是排量固定的定量液压泵。

3. 按照权利要求1所述的闭式电液控制系统，其特征是所述的原动机[10]是转速可调的电动机、不含转速控制装置的普通电动机或是燃油驱动的内燃发动机。

4. 按照权利要求2所述的闭式电液控制系统，其特征是所述的液压泵[9]的结构为轴向柱塞形式，液压泵有第1吸排油配流窗口[15]、第2吸排油配流窗口[16]、第3吸排油配流窗口[17]共3个配流窗口、它们在液压泵的内部通过流道分别与泵的第1进出油口[P_A]、第2进出油口[P_B]、吸排油口[P_T]相连通，第1吸排油配流窗口[15]、第2吸排油配流窗口[16]、第3吸排油配流窗口[17]沿圆周方向串联或并联布置，其中串联布置时，第1吸排油配流窗口[15]占有二分之一圆周的角度范围、第2吸排油配流窗口[16]、第3吸排油配流窗口[17]共同占有另外二分之一圆周的角度范围，第2吸排油配流窗口[16]、第3吸排油配流窗口[17]所占角度范围的比值根据液压缸的面积比来确定；并联布置时，第2吸排油配流窗口[16]、第3吸排油配流窗口[17]、沿不同的半径长度都占有二分之一圆周的角度范围，第1吸排油配流窗口[15]占有另外二分之一圆周的角度范围。

5. 按照权利要求2所述的闭式电液控制系统，其特征是所述的液压泵[9]的结构为双作用的叶片泵或双作用的叶片马达，第4吸排油配流窗口[21]、第5吸排油配流窗口[24]通过流道在泵的内部与泵的第1进出油口[P_A]连通，第6吸排油配流窗口[22]、第7吸排油配流窗口[23]分别与泵的第2进出油口[P_B]、吸排油口[P_T]相连通。