CN102996536B - 负载敏感液压系统及其功率控制器、起重机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负载敏感液压系统及其功率控制器、起重机。该负载敏感液压系统包括比例减压阀,所述比例减压阀设置于所述控制油源与所述先导手柄的进油口之间的油路上,或者设置于所述先导手柄的第一出油口与所述第一主阀的控制端之间的油路上;并且所述比例减压阀的出口压力预先配置,使得在所述先导手柄处于最大开度时,所述负载敏感泵的输出功率与发动机的输出功率相匹配。与现有技术相比,本发明可提高负载敏感泵的输出功率与发动机的输出功率的适应性,从而有助于选用更低的发动机怠速,降低功耗,也使油泵在发动机高速运转时能够输出更大的功率,提高能量效率,另外,也能够有效避免发动机熄火。
Description
技术领域
本发明涉及负载敏感技术领域,特别涉及一种负载敏感液压系统及其功率控制器、起重机。
背景技术
目前,工程机械特别是汽车起重机的液压系统功率匹配方法常采用以下方案:一、采用定量油泵,按照发动机怠速功率≥油泵最大输出功率进行配置;二、采用带恒功率(恒扭矩)控制变量油泵,通过设定恒功率点以防止在负载扭矩超出发动机扭矩时导致发动机熄火。
方案一配置方式简单,但是为了匹配油泵最大输出功率,保证发动机在怠速时不熄火,需将发动机的怠速设置得比较高,因此,该方案不能满足节能需要。而方案二中,恒功率点在设定后为固定值,而发动机的功率(扭矩)随着发动机转速的变化而变化,在怠速时输出功率(扭矩)低,在经济转速范围内(一般在1000至1400rpm之间),其输出功率(扭矩)大大增加,而此时油泵的最大功率并不能随着发动机转速的增加而变大,这样就造成油泵的功率不能得到充分的发挥,因此也不能满足节能需要。
因此,如何针对现有的油泵与发动机的功率匹配方式进行改进,以便更好地满足节能需要,是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提供一种负载敏感液压系统及其功率控制器、起重机,使负载敏感泵的输出功率能够随时跟随发动机输出功率的变化而变化,从而便于选取更低的发动机怠速、降低功耗,也使负载敏感泵在发动机高速运转时能够输出更大的功率、提高效率。
第一方面,本发明提供了一种负载敏感液压系统,所述负载敏感液压系统包括负载敏感泵、负载敏感阀、第一主阀、第一执行元件和先导手柄,所述第一主阀的第一油口接于所述负载敏感泵的出油口油路,第二油口接于所述第一执行元件,所述先导手柄的进油口接于控制油源,所述先导手柄的第一出油口接于所述第一主阀的控制端,所述负载敏感阀与所述负载敏感泵相匹配,并且所述负载敏感阀的敏感腔接于所述第一主阀的第二油口;此外,所述负载敏感液压系统还包括比例减压阀,所述比例减压阀设置于所述控制油源与所述先导手柄的进油口之间的油路上,或者设置于所述先导手柄的第一出油口与所述第一主阀的控制端之间的油路上;并且所述比例减压阀的出口压力预先配置,使得在所述先导手柄处于最大开度时,所述负载敏感泵的输出功率与发动机的输出功率相匹配。
进一步地,所述比例减压阀的出口压力P0按照函数关系式P×Kf0(P0)=f1(n)配置,其中,P为所述负载敏感泵的出油口油路的压力,K为常数,f0(P0)为所述第一主阀的开口面积,Kf0(P0)为所述第一主阀的流量,f1(n)为驱动所述负载敏感泵的发动机在转速n下的输出功率。
进一步地,所述比例减压阀为电比例减压阀,所述电比例减压阀的控制电流i按照函数关系式P×Kf2(i)=f1(n)配置,其中,f2(i)=f0(f3(i)),f3(i)=P0。
进一步地,所述负载敏感液压系统还包括功率控制器,所述功率控制器包括:获取单元,用于获取所述负载敏感泵的出油口油路的压力以及所述发动机的转速;计算单元,用于根据P×Kf2(i)=f1(n)计算i的值;驱动单元,用于根据i的值向所述电比例减压阀的电磁线圈提供相应大小的控制电流。
进一步地,所述功率控制器的获取单元从连接于所述负载敏感泵出油口的压力传感器和设置于所述发动机的转速传感器获取所述负载敏感泵的出油口油路的压力以及所述发动机的转速。
进一步地,所述比例减压阀设置于所述先导手柄的进油口与所述控制油源之间的油路上;所述负载敏感液压系统还包括第二主阀和第二执行元件,所述第二主阀的第一油口接于所述负载敏感泵的出油口油路,所述第二主阀的第二油口接于所述第二执行元件;所述先导手柄还具有第二出油口,所述第二出油口接于所述第二主阀的控制端;所述负载敏感阀的敏感腔接于所述第一主阀的第二油口和所述第二主阀的第二油口中的油压较大者。
进一步地,所述负载敏感系统还包括梭阀,所述梭阀的两个输入端分别接于所述第一主阀的第二端和所述第二主阀的第二油口,所述梭阀的输出端接于所述负载敏感阀的敏感腔。
进一步地,所述第一执行元件为液压马达或者液压油缸,所述第二执行元件为液压马达或者液压油缸。
第二方面,本发明还提供了一种用于上述第三项所述负载敏感液压系统的功率控制器,所述功率控制器包括:获取单元,用于获取所述负载敏感泵的出油口油路的压力以及所述发动机的转速;计算单元,用于根据P×Kf2(i)=f1(n)计算i的值;驱动单元,用于根据i的值向所述电比例减压阀的电磁线圈提供相应大小的控制电流。
第三方面,本发明还提供了一种起重机,该起重机设置有上述任一项所述的负载敏感液压系统。
本发明提供的负载敏感液压系统在使用过程中,可预先配置所述比例减压阀的出口压力,使得在所述先导手柄处于最大开度时,所述负载敏感泵的输出功率与发动机的输出功率相匹配,从而使得在先导手柄处于最大开度时,负载敏感泵的输出功率不会超过发动机的输出功率,并与其相适应,而当先导阀处于其他开度时,负载敏感泵的输出功率均不会大于发动机的输出功率;因此,与现有技术相比,这样有助于选用更低的发动机怠速,降低功耗,也使油泵在发动机高速运转时能够输出更大的功率,提高能量效率,另外,也能够有效避免发动机熄火。
在一种更具体的方案中,可通过液控或者电控方式控制比例减压阀,并按照函数关系式配置其出口压力,从而使负载敏感泵的输出功率能够随时跟随发动机输出功率的变化而变化,其原因在于:负载敏感泵的输出功率为P×Q,P为负载敏感变量泵的出油口油路的压力,Q为流经第一主阀的流量;根据阀口流量公式Cd为流量系数(常数),ρ为油液密度(取常数),ΔP为第一主阀前后两端的压差(由于为负载敏感系统,ΔP也为常数),A为开口面积;而不论比例减压阀设置在控制油源与所述先导手柄之间还是在先导手柄与所述第一主阀之间,并且先导手柄的第一出油口处于最大开度时,第一主阀的开口面积A均为比例减压阀的出口压力P0的函数,即A=f0(P0),因此,结合可以得出:
根据上式可知,比例减压阀的出口压力根据发动机转速信号和油泵负载信号(即压力信号)设进行计算确定,比例减压阀的最大出口压力确定第一主阀的最大开口,从而限定油泵的最大流量,在工作过程中,负载敏感泵的输出功率任何时候均未超出发动机输出功率,并能够随时跟随发动机输出功率的变化而变化。
在另一种更具体的方案中,比例减压阀为电比例减压阀,由于电比例减压阀的控制电流与其出口压力一一对应,因此,通过控制电比例减压阀的控制电流也能够实现上述功能及效果,此外,这种方式还有助于实现自动控制。
本发明提供的功率控制器能够实现上述相应负载敏感液压系统的功率控制,因此,也具有相应的技术效果,另外,也便于实现自动控制。
本发明提供的起重机设置有上述的负载敏感液压系统,由于上述的负载敏感液压系统具有相应的技术效果,因此,该起重机也具有相应的技术效果。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例一提供的一种负载敏感液压系统的原理示意图;
图2为本发明实施例二提供的一种负载敏感液压系统的原理示意图;
图3为实施例一和二中控制电流i与压力P的函数关系示意图;
图4为本发明实施例三提供的一种功率控制器的结构框图。
具体实施方式
应当指出,本部分中对具体结构的描述及描述顺序仅是对具体实施例的说明,不应视为对本发明的保护范围有任何限制作用。此外,在不冲突的情形下,本部分中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。
请参考图1至图4,下面将结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1所示,实施例一的负载敏感液压系统包括负载敏感泵2及其变量活塞缸3、负载敏感阀4、比例减压阀5、先导手柄6、第一执行元件7和第一主阀8。为了描述的方便,同时便于公众理解,图中还示出发动机1;但应当说明的是,本发明实施提供的液压系统可以不包括发动机1。
其中,发动机1的动力输出轴与负载敏感泵2的输入轴驱动连接,负载敏感泵2的进油口接于油箱,负载敏感泵2的出油口接于出油口油路01,第一主阀8的第一油口接于出油口油路01,第一主阀8的第二油口接于第一执行元件7。
负载敏感阀4的敏感腔(即弹簧腔)通过反馈油路02接于第一主阀8的第二油口,负载敏感阀4的控制腔(即位于与敏感腔相对的一端)接于出油口油路01,负载敏感阀4的第一油口以及变量活塞缸3的有杆腔也接于出油口油路01,负载敏感阀4的第二油口接于油箱,负载敏感阀4的第三油口接于变量活塞缸3的无杆腔。
在本实施例中,负载敏感阀4为三位三通比例阀或者伺服阀,即负载敏感阀具有三种工作状态,在第一种工作状态(图中所示为左位),第一油口与第三油口相通,第二油口截止,在第二种工作状态(图中所示为右位),第一油口截止,第二油口与第三油口相通,在第三种工作状态(图中所示为中位),第一油口、第二油口和第三油口均截止。
先导手柄6(即先导手柄阀)具有输入端和第一输出端,比例减压阀5的进口接于控制油源,比例减压阀5的出口接于先导手柄6的输入端,比例减压阀5的泄油口可接于油箱(图未示出),先导手柄6的第一输出端通过第一油路03接于第一主阀8的控制端,关于先导手柄的具体结构及操控过程可参见现有技术的有关描述,自不赘述。
在本实施例中,比例减压阀5优选为电比例减压阀,并且在工作过程中,比例减压阀5的电磁线圈Y01的控制电流i可根据予以提供,这样能够保证负载敏感泵2的输出功率与发动机1的输出功率达到良好的匹配,下面结合推导过程和具体工作过程说明该优选情形的实现原理。
在工作过程中,发动机1转动驱动负载敏感泵2运转,负载敏感泵2从油箱吸入液压油并将其输出,并通过第一主阀8向第一执行元件7供应,负载敏感阀4能够保持第一主阀8阀前阀后(即第一油口与第二油口)之间的压差恒定,即保持其中,Fk负载敏感阀4的弹簧力,A2为负载敏感阀4的阀芯面积,Fk、A2均为常数;这样,若负载增大(PL增大),则负载敏感阀4的敏感腔在压力PL的作用下将使出油口油路01流入变量活塞缸3无杆腔的液压油减少,或者使变量活塞缸3无杆腔流入油箱的液压油增多,进而使负载敏感泵1的斜盘倾角增大,排量增大,负载敏感泵1的输出流量加大,多余的压力油流量用于建立新的压力P以平衡负载的增加,从而保证了第一主阀8两端的压力差不变,由此可知,负载敏感泵的工作压力P可随负载的变化而变化,实现了压力适应;另外,在负载敏感液压系统中,经过第一主阀8的流量仅与第一主阀8的开口面积有关(从如下的分析中也可得出这个结论)。
一、在忽略较少压力损失的情形下,可以得出:
P×Q=f1(n) (1)
其中,P为负载敏感泵1的出油口油路压力;
Q为经过第一主阀8的流量,P×Q为负载敏感泵1的输出功率;
n为发动机1的转速;
f1(n)为发动机1在n转速下的输出功率,f1(n)与n的关系可从发动机的特性曲线获得,在经济转速范围内,f1(n)可以为常数。
二、根据阀口流量公式,可得:
其中,Cd为流量系数(常数);
ρ为油液密度(常数);
ΔP为第一主阀前后两端的压差(根据上述可知,由于为负载敏感系统,ΔP也为常数);
A为第一主阀8的开口面积;
三、在先导手柄的第一出油口处于最大开度时,开口面积A与比例减压阀5的出口压力P0一一对应,即A=f0(P0),而比例减压阀5的出口压力P0与其控制电流i一一对应,即P0=f3(i),因此,开口面积A与控制电流i一一对应,综上可得:A=f0(P0)=f0(f3(i))=f2(i) (3)
根据所选用的比例减压阀5和第一主阀8的型号及其特性曲线,可以得到f0(P0)和f2(i)的具体形式。
从上述一、二、三种的公式(1)、(2)、(3),即可得出:
令常数 则 从而
图3给出了上述实施例的一种具体实施方案中控制电流与输出压力P的关系示意图,在该具体方案中,所选用的发动机1在经济转速范围内的功率f1(n)为常数,先导手柄6处于最大开度,图中n1、n2、n3、n4均在经济转速范围内,以n1=700rpm为例,当发动机1处于该转速时,当负载敏感泵1的输出压力从Pa增加至Pb时,控制电流将从ia减少至ib,这个过程中,负载敏感泵1的输出功率大体保持不变(即与f1(n)相当),其他转速时的情形与上述相同,兹不赘述。
从上述分析可知,负载敏感阀4用于设定第一主阀8两端的压差,负载敏感泵2的输出压力P可跟随负载PL的变化而变化,第一主阀8的流量(通常情形下也等于负载敏感泵2的输出流量)由其开口面积决定,第一主阀8的开口面积由先导手柄6给定的控制压力进行调节。而先导手柄6在最大开度时所能提供的控制压力受到比例减压阀5的控制电流i的约束,即控制电流i根据当前转速n和输出压力P计算后得到;这种约束使得在先导手柄6处于最大开度时,负载敏感泵2的输出功率与发动机1的输出功率相适应,进而最大程度地利用了发动机1的输出功率。此外,在工作过程中,操作人员可根据操控需要控制先导手柄处于不同开度,以便为负载选择合适的负载敏感泵2输出功率。综合上述可知,在工作过程中,负载敏感泵的输出功率任何时候均未超出发动机功率,并能够随时跟随发动机功率的变化而变化,既有助于选用更低的发动机怠速,降低功耗,也使油泵在发动机高速运转时能够输出更大的功率,提高能量效率,另外,也能够有效避免发生发动机熄火的现象。
如图2所示,实施例二的负载敏感液压系统包括实施例一所述的负载敏感泵2及其变量活塞缸3、负载敏感阀4、比例减压阀5、先导手柄6、第一执行元件7和第一主阀8,其主要不同之处在于,还包括第二主阀10、第二执行元件11和梭阀12,并且,第二主阀10的第一油口接于出油口油路01,第二主阀10的第二油口接于第二执行元件11,梭阀12的两个输入端分别接于所述第一主阀8的第二油口和所述第二主阀10的第二油口,梭阀12的输出端(压力为PL)通过反馈油路02接于负载敏感阀4的敏感腔,此外,先导手柄6还具有第二出油口,该第二出油口通过第二油路04接于第二主阀10的控制端。
在实施例二中,比例减压阀5优选为电比例减压阀,并且在工作过程中,比例减压阀5的电磁线圈Y01的控制电流i可根据予以提供。
在实施例二中,将第一主阀8的第二油口和第二主阀10的第二油口中的油压较大者PL反馈至敏感腔,在工作过程中,第一主阀8和第二主阀10的前后压差均不会小于ΔP;在上述优选情形中,当先导手柄6的两个出油口均处于最大开度时,负载变量泵1输出的流量将在第一主阀8和第二主阀10之间(即两路负载之间)进行分配;因此,这样也能提高负载敏感泵1的输出功率与发动机1的输出功率的适应性,因此,实施例二也具有实施例一所述功能及技术效果。
实施例二中,采用梭阀12选择第一主阀8第二油口和第二主阀10第二油口的油压较大者,在其他负载敏感液压系统的实施例中,也可以采用其他的形式,只要能够实现这种功能即可。
在实施例二的基础上,还可以增加更多路的负载;相应地,先导手柄6可以具有更多的出油口,多路负载的油压较大者通过反馈油路01反馈至敏感腔中,这种方式也能实现本发明的功能。另外,这种方式(包括实施例二)能够实现单泵下的复合动作,并且能够满足节能需要。
上述各种负载敏感液压系统的实施例中,第一执行元件7可以为液压油缸或者液压马达,第二执行元件11可以为液压油缸或者液压马达,图中所示,第一执行元件7和第二执行元件11均为液压油缸。
上述各种负载敏感液压系统实施例中,负载敏感阀采用三位三通伺服阀或者比例阀,本领域技术人员应当理解,这仅是一种示例性说明,负载敏感阀的其他形式不作限制。另外,需要说明的是,图1和图2仅是示意性说明,例如,图中仅给出第一主阀8和第二主阀10的模型符号,而第一主阀8和第二主阀10的第二油口分别接于第一执行元件7和第二执行元件11的无杆腔,并未给出有杆腔、第一主阀8和第二主阀10的其他工作油口的连接示意图。
上述各种负载敏感液压系统的实施例中,比例减压阀5为电比例减压阀,并且设置在先导手柄6的输入端与控制油源之间的油路上,但在其他实施例中,比例减压阀5也可以设置在先导手柄6的各个出油口与主阀之间的油路上,并且比例减压阀5的控制电流按照上述方式给予,这种方式也能实现本发明的功能。
上述各种负载敏感液压系统的实施例中,为了实现自动控制,该负载敏感液压系统还可以包括实施例三所述的功率控制器,并且在负载敏感泵1的出油口油路01上设置压力传感器9以及在发动机1上设置转速传感器;结合图4所示,所述功率控制器包括获取单元21、计算单元22和驱动单元13,其中:获取单元21用于获取所述负载敏感泵1的出油口油路01的压力以及获取发动机1的转速;计算单元22与获取单元21信号连接,用于根据P×Kf2(i)=f1(n)计算i的值;驱动单元13与计算单元22信号连接,用于根据i的值向电比例减压阀5的电磁线圈Y01提供相应大小的控制电流。具体实施过程中,获取单元21从压力传感器9和所述转速传感器获取负载敏感泵1的出油口油路的压力P以及发动机1的转速n。另外,功率控制器的各个功能模块可以采用硬件电路实现,也可以采用软硬件接合的方式实现。
上述各种负载敏感液压系统的实施例中,为了便于实现自动控制,比例减压阀5采用电比例减压阀,但在其他实施例中,比例减压阀5也可以采用液控式减压阀,根据实施例一中的描述并参考公式(3),在先导手柄6处于最大开度时,比例减压阀的出口压力与主阀的开口面积一一对应,因此,只要控制比例减压阀的出口压力按照P×Kf0(P0)=f1(n)配置,即可实现实施例一所述的功能和技术效果。
需要说明的是,上述各种负载敏感液压系统的实施例中,为了便于在先导手柄6处于最大开度时实现负载敏感泵2与发动机输出功率的精确适应,优选地通过上述相关的函数关系式对比例减压阀的控制电流或者出口压力进行配置,但在其他实施例中,也可采用其他函数关系式以便在先导手柄处于最大开度时使负载敏感泵的输出功率与发动机的输出功率在一定范围内相匹配,例如,使这种情形下的负载敏感泵输出功率总是小于发动机输出功率某个差值(变化差值或者固定差值)。
本发明实施例还提供了一种起重机,如汽车起重机,该起重机设有上述任一种实施例的负载敏感液压系统,由于该负载敏感液压系统具有上述技术效果,因此,该起重机也应具备相应的技术效果,其相应部分的具体实施过程与上述实施例类似,其他部分的具体实施过程可参见现有技术的有关描述,兹不赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种负载敏感液压系统,包括负载敏感泵(2)、负载敏感阀(4)、第一主阀(8)、第一执行元件(7)和先导手柄(6),所述第一主阀(8)的第一油口接于所述负载敏感泵(2)的出油口,第二油口接于所述第一执行元件(7),所述先导手柄(6)的进油口接于控制油源,所述先导手柄(6)的第一出油口接于所述第一主阀(8)的控制端,所述负载敏感阀(4)与所述负载敏感泵(2)匹配设置,并且所述负载敏感阀(4)的敏感腔接于所述第一主阀(8)的第二油口,其特征在于:
所述负载敏感液压系统还包括比例减压阀(5),所述比例减压阀(5)设置于所述控制油源与所述先导手柄(6)的进油口之间的油路上,或者设置于所述先导手柄(6)的第一出油口与所述第一主阀(8)的控制端之间的油路上;
并且所述比例减压阀(5)的出口压力P0预先配置,使得在所述先导手柄(6)处于最大开度时,所述负载敏感泵(2)的输出功率与发动机的输出功率相匹配;
所述比例减压阀(5)的出口压力P0按照函数关系式P×Kf0(P0)=f1(n)配置,其中,P为所述负载敏感泵(2)的出油口油路的压力,K为常数,f0(P0)为所述第一主阀(8)的开口面积,Kf0(P0)为所述第一主阀(8)的流量,f1(n)为驱动所述负载敏感泵(2)的发动机(1)在转速n下的输出功率。
2.如权利要求1所述的负载敏感液压系统,其特征在于:所述比例减压阀(5)为电比例减压阀,所述电比例减压阀的控制电流i按照函数关系式P×Kf2(i)=f1(n)配置,其中,f2(i)=f0(f3(i)),f3(i)=P0。
3.如权利要求2所述的负载敏感液压系统,其特征在于:所述负载敏感液压系统还包括功率控制器,所述功率控制器包括:
获取单元(21),用于获取所述负载敏感泵(2)的出油口油路的压力以及所述发动机(1)的转速;
计算单元(22),用于根据P×Kf2(i)=f1(n)计算i的值;
驱动单元(13),用于根据i的值向所述电比例减压阀的电磁线圈(Y01)提供相应大小的控制电流。
4.如权利要求3所述的负载敏感液压系统,其特征在于:所述功率控制器的获取单元从连接于所述负载敏感泵出油口的压力传感器(9)和设置于所述发动机的转速传感器获取所述负载敏感泵(2)的出油口油路的压力以及所述发动机(1)的转速。
5.如权利要求1至4任一项所述的负载敏感液压系统,其特征在于:
当所述比例减压阀(5)设置于所述先导手柄(6)的进油口与所述控制油源之间的油路上时;
所述负载敏感液压系统还包括第二主阀(10)和第二执行元件(11),所述第二主阀(10)的第一油口接于所述负载敏感泵(2)的出油口油路,所述第二主阀(10)的第二油口接于所述第二执行元件(11);
所述先导手柄(6)还具有第二出油口,所述第二出油口接于所述第二主阀(10)的控制端;
所述负载敏感阀(4)的敏感腔接通于所述第一主阀(8)的第二油口和所述第二主阀(10)的第二油口中的油压较大者。
6.如权利要求5所述的负载敏感液压系统,其特征在于:所述负载敏感系统还包括梭阀(12),所述梭阀(12)的两个输入端分别接于所述第一主阀(8)的第二油口和所述第二主阀(10)的第二油口,所述梭阀(12)的输出端接于所述负载敏感阀(4)的敏感腔。
7.如权利要求5所述的负载敏感液压系统,其特征在于:所述第一执行元件(7)为液压马达或者液压油缸,所述第二执行元件(11)为液压马达或者液压油缸。
8.一种起重机,其特征在于:所述起重机设置有权利要求1至7任一项所述的负载敏感液压系统。
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