CN101413523A - 工程机械负载口独立蓄能器能量回收液压系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工程机械负载口独立蓄能器能量回收液压系统。变量泵的出油口分别与比例溢流阀进口、第一压力传感器、第一比例方向阀的进油口和第二比例方向阀的进油口相连；第一比例方向阀出油口分别与第二压力传感器、第一比例节流阀进油口和液压缸无杆腔相连；第二比例方向阀的出油口分别与第二比例节流阀的出油口第三压力传感器和液压缸的有杆腔相连；第一比例节流阀的出油口分别与蓄能器的进油口、第四压力传感器和第二比例节流阀的进油口相连；控制器分别与控制手柄、变量泵、比例方向阀、比例节流阀、压力传感器电连接。采用传感器检测工作状态，分工况选择控制，对执行器速度控制，减少节流能量损耗。泵控和阀控相结合，实现速度和节能控制。
Description
技术领域
本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其是涉及一种工程机械负载口独立蓄能器能量回收液压系统。
背景技术
近年来，随着电子技术、测试技术的发展，液压系统对控制性能和能耗控制提出了越来越高的要求，工程机械多采用柴油机—液压系统—多执行器驱动方案，由于其工况复杂，高效高精度兼顾节能的控制系统设计已受到业界的广泛关注。
目前在工程机械控制性能方面的研究主要体现在如下三个方面：提高工作元件(柴油机和液压元件)性能。在工作元件(包括：柴油机、液压泵、控制阀、液压缸和液压马达等)方面，主要是通过改进结构和提高加工工艺来提高元件的控制性能，但由于技术已经比较成熟，控制性能改善效果不很明显。采用电液先导控制技术来提高系统的可操作性，但由于工程机械工况复杂，现有的工程机械在超越工况下，很难实现执行器准确的速度控制。采用新功能的系统及元件，打破常规电液比例多路阀的调速方案，采用双阀芯技术，提高系统的控制性能。
在液压系统节能方面，负载敏感、正流量、负流量控制、恒功率控制等节能技术在液压挖掘机系统中都得到了应用，并取得了一定的节能效果。但是传统的控制元件多路阀，由于进口和出口联动，正常阻抗负载工况，背腔压力维持在比较高的值，降低了系统的节能性能，在超越负载工况下，执行器的速度不能实现能量再生控制；而工程机械中的动力液压缸要反复举升和下放重物，重物下放过程中，其惯性能、重力势能和都转化为液压系统的节流损失，不仅造成了能源的浪费，还会引起发热、噪声、振动和降低寿命等危害。以工程机械中用量最大的液压挖掘机为例，正常工作过程中液压系统的效率大约为13％～24％，其中，控制阀的效率只有40％。一般情况下，提高柴油机、泵、液压缸和马达的效率比较困难，除非有大的突破，否则单从元件上节能的空间不是很大；而在控制阀上的60％的损失方面具有较大的发掘潜力。
发明内容
为了降低液压控制阀的节流损失，充分利用重物下落时的重力势能、惯性能，本发明的目的在于提供一种工程机械负载口独立蓄能器能量回收液压系统，利用压力检测元件对系统工况进行辨识，分工况进行控制，阻抗伸出工况通过减小液压缸背腔压力，同时利用蓄能器回收的能量结合变量泵控制系统对执行器进行速度控制，超越伸出工况通过比例节流阀和蓄能器单元进行超越负载能量回收，同时通过联合负载口独立控制单元，尽可能的降低系统所需供给压力，提高系统的控制性能和节能性能。
为了达到上述目的，本发明采用的的技术方案如下：
包括变量泵、二个比例方向阀、二个比例节流阀、比例溢流阀、控制手柄、控制器、四个压力传感器、蓄能器和液压缸；其相互连接关系如下：
变量泵的出油口分别与比例溢流阀进口、第一压力传感器、第一比例方向阀的进油口和第二比例方向阀的进油口相连；第一比例方向阀出油口分别与第二压力传感器、第一比例节流阀进油口和液压缸无杆腔相连；第二比例方向阀的出油口分别与第二比例节流阀的出油口第三压力传感器和液压缸的有杆腔相连；第一比例节流阀的出油口分别与蓄能器的进油口、第四压力传感器和第二比例节流阀的进油口相连；控制器分别与控制手柄、变量泵、第一比例方向阀、第二比例方向阀、第一比例节流阀、第二比例节流阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器电连接。
所述的控制器为PC工控机或可编程控制器。
本发明与背景技术相比，具有有益的效果是：
1、系统采用压力传感器检测系统的工作状态，分工况选择控制策略，在实现执行器准确速度控制的前提下，最大范围内减少了系统的节流能量损耗，实现了超越载荷的能量回收；阻抗工况下的再生能量利用。
2、泵控和阀控相结合，综合其控制优势，实现准确的速度控制和节能控制。
附图说明
图1是负载口独立控制负载敏感能量再生的液压系统原理图；
图2是控制器功能模块图。
图中：1、控制手柄，2、控制器，3、比例溢流阀，4、电机控制变量泵，5、压力传感器，6、比例方向阀，7、比例方向阀，8、压力传感器，9、比例节流阀，10、蓄能器，11、比例节流阀，12、液压缸，13、压力传感器，14、压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述给出本发明的细节。
如图1所示，本发明包括变量泵4、二个比例方向阀6，7、二个比例节流阀(9，11、比例溢流阀3、控制手柄1、控制器2、四个压力传感器5，8，13，14)、蓄能器10和液压缸12；其相互连接关系如下：
变量泵4的出油口分别与比例溢流阀3进口、第一压力传感器5、第一比例方向阀6的进油口和第二比例方向阀7的进油口相连；第一比例方向阀出油口分别与第二压力传感器14、第一比例节流阀9进油口和液压缸12无杆腔相连；第二比例方向阀7的出油口分别与第二比例节流阀11的出油口第三压力传感器8和液压缸12的有杆腔相连；第一比例节流阀9的出油口分别与蓄能器1的进油口、第四压力传感器13和第二比例节流阀11的进油口相连；控制器2分别与控制手柄1、变量泵4、第一比例方向阀6、第二比例方向阀7、第一比例节流阀9、第二比例节流阀11、第一压力传感器5、第二压力传感器14、第三压力传感器8、第四压力传感器13电连接。
所述的控制器2为PC工控机或可编程控制器。
本发明的工作原理如下：
如图2所示，控制手柄1发出速度控制信号，同时第一压力传感器5检测变量泵4出口压力Ps，第二压力传感器14检测液压缸12无杆腔的压力P1，第三压力传感器8检测液压缸12有杆腔的压力P2，第四压力传感器13检测蓄能器的压力Px，控制器2根据所接收的操作控制信号和定义的负载力F＝p1A1-P2A2方向，确定出系统所处的工作模式：工作模式1，如果控制信号Vd为正信号(液压缸活塞杆伸出为正)，负载力也为正信号(负载阻碍液压缸活塞伸出)，定义为阻抗伸出工况；工作模式2，如果控制信号为正信号，负载力为负信号(负载辅助液压缸活塞杆伸出)，定义为阻抗伸出工况；工作模式3，如果控制信号为负信号(液压缸活塞杆缩回)，负载力为正信号，定义为超越缩回工况；工作模式4，如果控制信号为负信号，负载力为负信号，定义为阻抗缩回工况。控制器2根据系统所处的工作模式，分别对变量泵4和蓄能器10进行控制来调节变量泵输出的流量Qs，对比例溢流阀3进行控制调节变量泵出口压力Ps，并分别控制第一比例节流阀9、第二比例节流阀11和组成负载口独立控制单元的第一比例方向阀6、第二比例方向阀7，在实现液压缸活塞杆的准确速度控制的前提下，采用阻抗工作模式的蓄能器和变量泵联合供油的控制策略，超越工作模式下势能的能量回收控制策略，获得很好的节能控制效果。具体的调节过程如下：
当控制器2通过程序判别系统处于阻抗伸出工作模式1时，第一比例方向阀6与第一比例节流阀9用来控制液压缸活塞杆的伸出速度V，控制算法为基于计算流量反馈(通过检测第一比例方向阀两端的压差和阀芯位移来估计通过第一比例方向阀6的流量进行闭环速度控制)的速度控制策略，第二比例方向阀7通过第三压力传感器8检测的液压缸12有杆腔压力P2来形成压力闭环反馈，调节液压缸无杆腔压力使其维持在低压状态，比例溢流阀3调节变量泵出口压力Ps使得出口压力Ps仅高于负载压力的值为ΔPsmin，变量泵4和蓄能器10匹配控制系统供给流量Qs，使系统流量Qs高出速度控制所需流量的值为ΔQsmin，用于补偿变量泵泄漏和比例溢流阀少量的溢流量，比例节流阀11处于关闭位置。
当控制器2通过程序判别系统处于超越伸出工作模式2时，第二比例方向阀7与第二比例节流阀11用来控制液压缸活塞杆的伸出速度V，其速度控制策略为计算流量反馈调节，蓄能器10进行能量回收。第一比例方向阀6用于调节液压缸12无杆腔压力P1，使其维持低压P10，比例节流阀9处于关闭位置，比例溢流阀3用来控制变量泵出口压力Ps，使变量泵出口压力高出液压缸12无杆腔压力P1的值为ΔPsmin，变量泵4调节系统输出流量Qs，使系统流量Qs高出液压缸速度控制时所需理想流量的值为ΔQsmin，用以补偿泄漏和比例溢流阀3微量溢流量。
当控制器2通过程序判别系统处于阻抗缩回工作模式3时，第一比例方向阀6控制液压缸无杆腔的压力P1使其维持在低压值P10，其调节方式采用压力闭环反馈控制，第二比例方向阀7与第二比例节流阀11用于调节液压缸活塞杆的速度V，速度调节采用计算流量反馈策略，比例溢流阀3用于调节变量泵出口压力Ps，使得其出口压力仅高于负载压力的值为ΔPsmin，变量泵4调节系统流量Qs，使系统流量高出液压缸活塞杆速度控制所需ΔQsmin，变量泵4和蓄能器10匹配控制系统供给流量Qs，使系统流量Qs高出速度控制所需流量的值为ΔQsmin，用于补偿变量泵泄漏和比例溢流阀少量的溢流量，比例节流阀9处于关闭位置。
当控制器2通过程序判别系统处于超越缩回工作模式4时，第一比例方向阀6和比例节流阀9用于调节液压缸活塞杆的速度V，蓄能器10进行能力回收，采用的速度调节方式为计算流量反馈技术，第二比例节流阀11处于关闭位置，第二比例方向阀7用于调节液压缸12有杆腔压力P2，使其维持低压P20，比例溢流阀3调节变量泵出口压力Ps，使变量泵出口压力高出液压缸12有杆腔压力P2的值为ΔPsmin，变量泵4和蓄能器10匹配控制系统供给流量Qs，使系统流量Qs高出速度控制所需流量的值为ΔQsmin。
图2中，Up，Ur，U6，U7，U9，U11分别对应变量泵4、比例溢流阀3、第一比例方向阀6、第二比例放向阀7、第一比例节流阀9和第二比例节流阀11的控制输入控制信号。
Claims (2)
1、一种工程机械负载口独立蓄能器能量回收液压系统，其特征在于：包括变量泵(4)、二个比例方向阀(6，7)、二个比例节流阀(9，11)、比例溢流阀(3)、控制手柄(1)、控制器(2)、四个压力传感器(5，8，13，14)、蓄能器(10)和液压缸(12)；其相互连接关系如下：
变量泵(4)的出油口分别与比例溢流阀(3)进口、第一压力传感器(5)、第一比例方向阀(6)的进油口和第二比例方向阀(7)的进油口相连；第一比例方向阀出油口分别与第二压力传感器(14)、第一比例节流阀(9)进油口和液压缸(12)无杆腔相连；第二比例方向阀(7)的出油口分别与第二比例节流阀(11)的出油口第三压力传感器(8)和液压缸(12)的有杆腔相连；第一比例节流阀(9)的出油口分别与蓄能器(10)的进油口、第四压力传感器(13)和第二比例节流阀(11)的进油口相连；控制器(2)分别与控制手柄(1)、变量泵(4)、第一比例方向阀(6)、第二比例方向阀(7)、第一比例节流阀(9)、第二比例节流阀(11)、第一压力传感器(5)、第二压力传感器(14)、第三压力传感器(8)、第四压力传感器(13)电连接。
2、根据权利要求1所述的一种工程机械负载口独立蓄能器能量回收液压系统，其特征在于：所述的控制器(2)为PC工控机或可编程控制器。
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