CN103026076A - 用于施工设备的摆动流量控制系统以及控制摆动流量控制系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于施工设备的摆动流量控制系统和一种控制摆动流量控制系统的方法。摆动流量控制系统包括：发动机；多个致动器和旋转马达，其用于包括动臂或斗杆和铲斗的工作设备；多个可变容量型液压泵，其连接到发动机，以将油压提供到用于工作设备的致动器和旋转马达中；操作部件，其包括操作杆和操纵杆，操作部件控制多个致动器的移动；控制阀，其借助于操作部件将液压泵内的流体分别提供到致动器和旋转马达中；工作设备位置检测单元，其放置在每个致动器的一侧，以检测致动器的相对位置；操作杆检测单元，其放置在操作部件的一侧，以检测操作杆或操纵杆的操作水平；以及流量控制器，其包括流量限制部件和输出单元，流量限制部件接收来自流量设置部件、工作设备位置检测单元和发动机速度传感器的信号，以计算流量的增加率，由此补偿摆动需要的流量，输出单元用于将控制信号提供到斜盘控制装置中，其中，流量控制器接收由操作杆检测单元（9）检测的信号，以控制每个液压泵的排出流量。

Description

用于施工设备的摆动流量控制系统以及控制摆动流量控制系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于施工机械的摆动流量控制系统以及其控制方法。更具体地，本发明涉及一种用于施工机械的摆动流量控制装置，其可通过在上部摆动结构加速时限制从液压泵排出的液压流体的流量以减少在减压阀中消耗的液压能来提高能量效率。
背景技术
在用于包括挖掘机的施工机械的液压装置和液压回路中，已不断地进行各种研究和开发，以用于有效地执行在包括动臂、斗杆或铲斗的工作设备、行进装置和摆动装置中要求的高负荷工作条件。
液压泵根据操作杆的操作角或先导压力而不管各自工作中的负载来排出液压流体，并仅在操作杆最大限度地操作或先导压力超过预设压力的情况下以最大流量排出液压流体。
根据现有技术中用于施工机械的液压装置，如果从操作量感测装置输入操作量信号，流量计算装置确定用于操作量的优选泵排出流量，并通过具有对应于流量值的电流的输出装置控制液压泵的斜盘控制装置。
通常，如果操作员意图进行突然的摆动操作，操作杆突然移动，并且由操作量感测装置感测的输入信号突然增加。此时，从液压泵到摆动马达形成流动路径，因此液压泵的流量突然增加，导致发生突然加速。
此时，为了保护摆动马达和摆动装置，使用减压阀将扭矩或输入到摆动马达的过高压力限制在预定值之下。
即，从液压泵提供的流量增加，并且如果减压阀中的压力超过预定压力，除了用来旋转摆动马达的流量之外，过多的流量返回到液压箱。因此，与返回流量和释放压力成比例的能量损失，使设备的燃料效率变差。结果，在现有技术液压装置和液压回路中，虽然在摆动操作过程中直到上部摆动结构的旋转加速为止不需要高流量，但在上部摆动结构转动时液压泵总是排出最大流量，因此发生与返回流量和释放压力成比例的能量损失，导致燃料损耗极大增加。
发明内容
技术问题
因此，本发明旨在解决现有技术中出现的上述问题，并且本发明的一个实施例涉及一种用于施工机械的摆动流量控制系统以及其控制方法，其可通过在上部摆动结构加速时限制从液压泵排出的液压流体的流量以减少在减压阀中消耗的液压能来提高能量效率。
技术方案
根据本发明的一方面，提供一种用于施工机械的摆动流量控制系统，包括：发动机；多个致动器，其用于包括动臂、斗杆和铲斗的工作设备和摆动马达；可变排量液压泵，其连接到发动机，以为用于工作设备和摆动马达的致动器提供液压；操作单元，其包括操作杆或操纵杆，并指示多个致动器的移动；控制阀，其通过操作单元为致动器和摆动马达提供液压泵的液压流体；工作设备位置检测装置，其安装在致动器的一侧，用于感测致动器的相对位置；操作量感测装置，其连接到操作单元的一侧，用于感测操作杆或操纵杆的操作量；以及流量控制器，其安装成连接到操作量感测装置和斜盘控制装置，以接收由操作量感测装置感测的信号，并控制液压泵的排出流量，
其中，流量控制器包括流量设置单元、流量限制单元和输出装置，流量设置单元接收来自操作量感测装置的信号，并设置液压泵的排出流量，流量限制单元接收来自工作设备位置检测装置的信号，如果工作设备处于转动惯量大于预定值的位置，流量限制单元减小液压泵的流量增加率，而如果工作设备处于转动惯量小于预定值的位置，流量限制单元提高增加率，输出装置为斜盘控制装置提供控制信号，以限制由流量限制单元确定的流量增加率。
根据本发明的另一方面，提供一种用于控制施工机械的摆动流量控制系统的方法，所述摆动流量控制系统包括：发动机；多个致动器，其用于包括动臂、斗杆和铲斗的工作设备和摆动马达；可变排量液压泵，其连接到发动机，以为用于工作设备和摆动马达的致动器提供液压；操作单元，其包括操作杆或操纵杆，并指示多个致动器的移动；控制阀，其通过操作单元为致动器和摆动马达提供液压泵的流量；工作设备位置检测装置，其安装在致动器的一侧，用于感测致动器的相对位置；操作量感测装置，其连接到操作单元的一侧，用于感测操作杆或操纵杆的操作量；以及流量控制器，其连接到操作量感测装置和斜盘控制装置，以接收由操作量感测装置感测的信号，并控制液压泵的排出流量，
所述方法包括：接收来自操作量感测装置的信号，并计算摆动需要的流量Qr（S1）；
计算摆动需要的流量Qr的变化率dQr（S2）；
并通过比较摆动需要的流量Qr的变化率dQr和预设参考状态的斜率S（a）来补偿需要的摆动马达排出量Dr。
根据本发明的方面，操作量感测装置的信号和斜盘控制装置的信号包括电磁控制信号或先导信号压力。
有益效果
根据本发明的方面的用于施工机械的摆动流量控制系统，为了在突然的摆动操作过程中使返回到减压阀的损失流量最小，通过比较流量和参考状态，用根据上部摆动结构的转动状态变化的最佳流量限制斜率b来限制流量，由于上部摆动结构根据工作设备状态变化的转动惯量的系统液压与预订参考压力对比，并补偿与系统液压和参考压力之间的差值成比例的摆动需要的斜率c，以使流量损失最小。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的液压泵控制系统的结构的图。
图2是示出根据本发明实施例在摆动操作过程中的液压泵控制块的结构的图。
图3a和3b是示出根据本发明实施例在摆动操作过程中的释放压力和流量控制特性的曲线图。
图4是示出根据本发明实施例在摆动操作过程中控制摆动需要的流量的方法的流程图。
具体实施方式
在说明书和权利要求中所使用的术语或词语不应被理解为限于典型的或字典的含义，而应基于发明人可适当定义术语的概念以用最佳方法解释他们的发明的原则，分析为与本发明的技术思想一致的含义和概念。
下文中将结合附图详细描述本发明的优选实施例。
参见图2和3，根据本发明的实施例，一种用于施工机械的摆动流量控制系统包括：
发动机1；
多个致动器2，其用于包括动臂、斗杆和铲斗的工作设备和摆动马达3；
可变排量液压泵4，其连接到发动机1，以为用于工作设备和摆动马达3的致动器2提供液压；
操作单元5，其包括操作杆或操纵杆，并指示多个致动器2的移动；
控制阀6或7，其通过操作单元5为致动器2和摆动马达3提供液压泵4的液压流体；
工作设备位置检测装置8，其安装在致动器2的一侧，用于感测致动器2的相对位置；
操作量感测装置9，其连接到操作单元5的一侧，用于感测操作杆或操纵杆的操作量；以及
流量控制器10，其安装成连接到操作量感测装置9和斜盘控制装置11，以接收由操作量感测装置9感测的信号，并控制液压泵4的排出流量，
其中，流量控制器10包括流量设置单元10a、流量限制单元10b和输出装置10c，流量设置单元10a接收来自操作量感测装置9的信号，并设置液压泵4的排出流量，流量限制单元10b接收来自工作设备位置检测装置8的信号，如果工作设备处于转动惯量大于预定值的位置，流量限制单元10b减小液压泵4的流量增加率，而如果工作设备处于转动惯量小于预定值的位置，流量限制单元10b提高增加率，输出装置10c为斜盘控制装置提供控制信号，以限制由流量限制单元10b确定的流量增加率。
优选地，流量限制单元10b可配置为包括算子（operator），算子用预定的算法或表根据工作设备位置检测装置8的位置检测信号计算增加率，并且流量控制器10的流量设置单元10a可接收来自操作量感测装置9和发动机1的速度传感器（未示出）的信号，并设置液压泵4的排出流量。
发明最好的形态
在根据本发明实施例的用于施工机械的摆动流量控制系统中，流量控制器10可配置为包括流量设置单元10a、流量限制单元10b和输出装置10c，流量设置单元10a接收来自操作量感测装置9的信号，并设置液压泵4的排出流量，流量限制单元10b接收来自工作设备位置检测装置8和发动机1的速度传感器（未示出）的信号，并计算流量的增加率，以补偿摆动需要的流量，输出装置10c为斜盘控制装置11提供控制信号，以将流量的增加率限制为由流量限制单元10b计算的摆动需要的斜率c。
操作量感测装置9的信号和斜盘控制装置11的信号包括电磁控制信号或先导信号压力。
根据如以上根据本发明实施例构造的用于施工机械的摆动流量控制系统，如果从液压泵4提供足够流量的液压流体以在摆动马达3中保持恒定压力，从摆动马达3输入的扭矩Tm由下式不变地设置。
Tm=Km*P*Dm=J*dω/dt+B*ω
（其中，Km表示扭矩常数，Dm表示摆动马达排出量，J表示上部摆动结构的转动惯量，并且B表示速度的阻力系数。）
在此，如果假设转动速度的阻力很低，施加到摆动马达的扭矩是恒定的，并且包括工作设备致动器2的上部摆动结构的转动速度的增加率变得恒定。
相反，如果输入到摆动马达3的流量的增加率保持恒定，在摆动马达3与液压泵4之间形成的液压系统的液压限制为恒定值，并且压力与流量增加率的斜率成比例。
即，如图3a所示，如果当由从操作单元5的操作量感测装置9感测的操作量信号计算优选需要的摆动马达排出量Dr时流量增加率限制为摆动需要的斜率b，液压泵4的压力限制为接近释放压力的压力B，并且可使由通过释放返回到液压箱的液压流体引起的损失最小，以获得最大加速度。
另一方面，如图3b所示，当动臂或斗杆工作设备最大限度地展开或当使用铲斗工作设备进行重型挖掘过程时，上部摆动结构的转动惯量变化。如果假设用于在那时变化的上部摆动结构的转动惯量的最佳流量限制斜率是c，并且流量限制为摆动需要的斜率b，那么超过流量限制斜率c的流量通过减压阀返回到液压箱，造成损失。
在此情况下，在现有技术中，发生减压阀超驰（override）现象，在此情况下压力根据释放的流量线性上升，并且液压泵4的压力根据损失的流量上升。
根据本发明实施例的用于施工机械的摆动流量控制系统，为了在突然的摆动操作过程中使返回到减压阀的损失流量最小，用根据上部摆动结构相对于参考状态（例如，上部摆动结构的停顿状态）的转动状态所需要的最佳流量限制斜率b限制流量，由于上部摆动结构根据工作设备状态变化的转动惯量的系统液压与预订参考压力对比，并且补偿与系统液压和参考压力之间的差值成比例的摆动需要的斜率c，以使流量损失最小。
根据本发明另一实施例，一种用于控制施工机械的摆动流量控制系统的方法，所述摆动流量控制系统包括：
发动机1；
多个致动器2，其用于包括动臂、斗杆和铲斗的工作设备和摆动马达3；
可变排量液压泵4，其连接到发动机1，以为用于工作设备和摆动马达3的致动器2提供液压；
操作单元5，其包括操作杆或操纵杆，并指示多个致动器2的移动；
控制阀6或7，其通过操作单元5为致动器2和摆动马达3提供液压泵4的液压流体；
工作设备位置检测装置8，其安装在致动器2的一侧，用于感测致动器2的相对位置；
操作量感测装置9，其连接到操作单元5的一侧，用于感测操作杆或操纵杆的操作量；以及
流量控制器10，其安装成连接到操作量感测装置9和斜盘控制装置11，以接收由操作量感测装置9感测的信号，并控制液压泵4的排出流量，所述方法包括：
接收从操作量感测装置9感测的信号，并计算摆动需要的流量Qr（S1）；
计算摆动需要的流量Qr的变化率dQr（S2）；以及
通过比较摆动需要的流量Qr的变化率dQr和预设参考状态的斜率S（a）来补偿需要的摆动马达排出量Dr。
参见图4，摆动需要的流量Qr的变化率dQr由dQr=Qr–Qr(t-1)的关系确定。之后，通过比较摆动需要的流量Qr的变化率dQr和预设参考状态的斜率S（α）来补偿需要的摆动马达排出量Dr（步骤S3），摆动需要的流量Qr根据工作设备位置检测装置8感测的相对位置变化。
如图4所述，在上述的步骤S3中，如果摆动需要的流量Qr的变化率dQr小于预设参考状态的斜率S（α），需要的摆动马达排出量Dr由Dr=(Qr(t-1)+S(α)*dt)/ω的关系确定。相反，如果摆动需要的流量Qr的变化率dQr大于预设参考状态的斜率S（α），需要的摆动马达排出量Dr根据发动机1的速度（ω）确定。
在此，摆动需要的流量Qr可由流量设置单元10a和流量限制单元10b控制，流量设置单元10a接收与由操作量感测装置9感测的工作人员的操作量和发动机1的速度有关的信号，并设置液压泵4的排出流量，流量限制单元10b接收来自工作设备位置检测装置8的信号，如果工作设备处于转动惯量大于预定值的位置，流量限制单元10b减小液压泵4的流量增加率，而如果工作设备处于转动惯量小于预定值的位置，流量限制单元10b提高增加率。
另一方面，上述补偿也可通过在实验上通过检测包括动臂或斗杆的上部摆动结构的相对位置来提前获得对应于相对位置的流量限制斜率的校正值进行，或通过经过估计对应于相对位置的转动惯量来计算用于对应的惯量值的最佳斜率的校正值进行。
另外，以与上述相同的方式，流量控制器10配置为包括流量设置单元10a、流量限制单元10b和输出装置10c，流量设置单元10a接收来自操作量感测装置9和发动机1的速度传感器（未示出）的信号，并设置液压泵4的排出流量，流量限制单元10b接收来自工作设备位置检测装置8的信号，如果工作设备处于转动惯量大于预定值的位置，流量限制单元10b减小液压泵4的流量增加率，而如果工作设备处于转动惯量小于预定值的位置，流量限制单元10b提高增加率，输出装置10c为斜盘控制装置提供控制信号，以限制由流量限制单元10b确定的流量增加率。
工业应用性
如从以上描述清楚的是，根据本发明方面的用于施工机械的摆动流量控制系统，为了在突然的摆动操作过程中使返回到减压阀的损失流量最小，通过比较流量和参考状态，用根据上部摆动结构的转动状态变化的最佳流量限制斜率c来限制流量，由于上部摆动结构根据工作设备状态变化的转动惯量的系统液压与预订参考压力对比，并且补偿与系统液压和参考压力之间的差值成比例的摆动需要的斜率，以使流量损失最小。

Claims (3)

1.一种用于施工机械的摆动流量控制系统，包括：
发动机；
多个致动器，所述多个致动器用于包括动臂、斗杆和铲斗的工作设备和摆动马达；
可变排量液压泵，所述可变排量液压泵连接到所述发动机，以为用于所述工作设备和所述摆动马达的致动器提供液压；
操作单元，所述操作单元包括操作杆或操纵杆，并指示所述多个致动器的移动；
控制阀，所述控制阀通过所述操作单元为所述致动器和所述摆动马达提供所述液压泵的液压流体；
工作设备位置检测装置，所述工作设备位置检测装置安装在所述致动器的一侧，用于感测所述致动器的相对位置；
操作量感测装置，所述操作量感测装置连接到所述操作单元的一侧，用于感测所述操作杆或所述操纵杆的操作量；以及
流量控制器，所述流量控制器安装成连接到所述操作量感测装置和斜盘控制装置，以接收由所述操作量感测装置感测的信号，并控制所述液压泵的排出流量，
其中，所述流量控制器包括流量设置单元、流量限制单元和输出装置，所述流量设置单元接收来自所述操作量感测装置的信号，并设置所述液压泵的排出流量，所述流量限制单元接收来自所述工作设备位置检测装置的信号，如果所述工作设备处于转动惯量大于预定值的位置，所述流量限制单元减小所述液压泵的流量增加率，而如果所述工作设备处于所述转动惯量小于所述预定值的位置，所述流量限制单元提高增加率，所述输出装置为所述斜盘控制装置提供控制信号，以限制由所述流量限制单元确定的流量增加率。
2.一种用于控制施工机械的摆动流量控制系统的方法，所述摆动流量控制系统包括：
发动机；
多个致动器，所述多个致动器用于包括动臂、斗杆和铲斗的工作设备和摆动马达；
可变排量液压泵，所述可变排量液压泵连接到所述发动机，以为用于所述工作设备和所述摆动马达的致动器提供液压；
操作单元，所述操作单元包括操作杆或操纵杆，并指示所述多个致动器的移动；
控制阀，所述控制阀通过所述操作单元为所述致动器和所述摆动马达提供所述液压泵的流量；
工作设备位置检测装置，所述工作设备位置检测装置安装在所述致动器的一侧，用于感测所述致动器的相对位置；
操作量感测装置，所述操作量感测装置连接到所述操作单元的一侧，用于感测所述操作杆或所述操纵杆的操作量；以及
流量控制器，所述流量控制器连接到所述操作量感测装置和斜盘控制装置，以接收由所述操作量感测装置感测的信号，并控制所述液压泵的排出流量，
所述方法包括：
接收来自所述操作量感测装置的信号，并计算摆动需要的流量Qr（S1）；
计算所述摆动需要的流量Qr的变化率dQr（S2）；并且
通过比较所述摆动需要的流量Qr的变化率dQr和预设参考状态的斜率S(a)来补偿需要的摆动马达排出量Dr。
3.如权利要求1所述的用于控制施工机械的摆动流量控制系统的方法，其中，所述操作量感测装置的信号和所述斜盘控制装置的信号包括电磁控制信号或先导信号压力。
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