CN103397677B - 基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路及其控制方法，它属于液压挖掘机技术领域，其特征是液压变压器（6）的A口与高压网络（4）连接，在液压变压器（6）的B口与第一、第二动臂液压缸（11）、（12）之间连接有第一液控单向阀（10），在液压变压器（6）的A口与第一、第二动臂液压缸（11）、（12）之间连接有第二液控单向阀（13）和第三电磁换向阀（15），在液压变压器（6）的B口与第一液控单向阀（10）之间连接有第一安全阀（7）。控制器（19）根据操作手柄控制信号（S）、液压变压器配流盘转角信号和液压变压器转速信号，控制液压变压器控制组件（5），使动臂在期望速度下稳定工作。本发明具有操作简单，控制精度高，成本低，无节流损失，工作效率和能量回收效率高的优点。
Description
技术领域
本发明属于液压挖掘机技术领域，具体涉及一种基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路及其控制方法。
背景技术
近年来，随着世界范围内资源短缺和环境污染等问题日益严重，液压挖掘机节能减排的研究已经成为了挖掘机行业发展的一个重要方向。液压挖掘机在工作过程中，动臂需要频繁的举升和下降，传统液压挖掘机都是通过改变多路阀的阀口面积来控制动臂的运动速度，这样就会存在很大的节流损失。而且还由于动臂在下降过程中存在着很大的重力势能，大部分重力势能都消耗在多路阀的阀口上，转化为热能，引起了系统的发热并造成了能量的浪费。
如果这部分重力势能能够回收再利用，将很大程度上提高挖掘机的工作效率。目前，对液压挖掘机动臂势能回收方案主要有流量再生和混合动力两种方案。流量再生主要是在动臂液压缸回油油路上增加了流量再生阀，将一部分回油油液引回进油回路上，提高系统的工作效率。但是这种方案是基于节流调速技术，仍然存在着节流损失。
现有混合动力技术包括油电混合动力技术和油液混合动力技术。油电混合动力技术一般是在动臂液压缸回油油路上串联液压马达，该液压马达与发电机同轴相联，通过液压马达驱动发电机将动臂的重力势能转化成电能存储到蓄电池或超级电容中，待动臂再次上升时，这部分电能驱动电动机做功，与发动机一起驱动液压泵工作，将电能转化为液压能。但是蓄电池或超级电容存在功率密度低，价格昂贵的缺点，同时能量回收经过了液压马达、发电机、蓄电池或超级电容、电动机等元件，能量转换的环节复杂，每个环节都会有能量损失。所以，油电混合动力技术成本高、能量回收效率低。油液混合动力技术主要是利用液压蓄能器作为储能元件，能量转换环节少。如专利CN101718107A中提出了一种基于CPR网络混合动力全液压挖掘机的液压系统，但是其将恒压网络的高压网络始终与动臂液压缸的有杆腔连通，这样会使动臂液压缸有杆腔始终存在着很高的背压。在相同的外负载力作用下，要驱动动臂液压缸运动，要么增大动臂液压缸的活塞尺寸，要么增大动臂液压缸无杆腔的压力。前者会增大动臂液压缸的整体尺寸，后者会增大液压变压的尺寸，这样会导致系统的装机功率增加，生产成本增加。
发明内容
本发明为解决现有技术的缺点和不足，而提出一种基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路与控制方法，提高能量回收效率，降低生产成本。
本发明目的是这样实现的，其特征是基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路，它包括动力源1、先导油源2、低压网络3、高压网络4、液压变压器控制组件5、液压变压器6、第一安全阀7、液压变压器配流盘转角传感器8、第一电磁换向阀9、第一液控单向阀10、第一动臂液压缸11、第二动臂液压缸12、第二液控单向阀13、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀15、液压变压器转速传感器16、液压蓄能器17、第二安全阀18、控制器19、油箱20；各个元件的连接关系是：
动力源1与高压网络4连接；高压网络4同时与液压变压器6的A口、第三电磁换向阀15的P口、液压蓄能器17的进出油口、第二安全阀18的进油口连接；低压网络3与油箱20连接；
先导油源2与用于控制液压变压器6配流盘转角的液压变压器控制组件5的进油口连接；
液压变压器6的B口同时与第一安全阀7的进油口、第一液控单向阀10的进油口连接；
第一液控单向阀10的出油口同时与第一动臂液压缸11的无杆腔的进出油口、第二动臂液压缸12的无杆腔的进出油口、第一电磁换向阀9的P口连接；第一液控单向阀10的控制口与第一电磁换向阀9的A口连接；
第二液控单向阀13的进油口与第三电磁换向阀15的A口连接；第二液控单向阀13的出油口同时与第一动臂液压缸11的有杆腔的进出油口、第二动臂液压缸12的有杆腔的进出油口、第二电磁换向阀14的P口连接；第二液控单向阀13的控制口与第二电磁换向阀14的A口连接；
第二安全阀18的出油口同时与液压变压器6的T口、第一安全阀7的出油口、第三电磁换向阀15的T口连接并接回低压网络3；
第一电磁换向阀9的T口、第二电磁换向阀14的T口分别与油箱20连接；
液压变压器配流盘转角传感器8和液压变压器转速传感器16固定在液压变压器内部；
控制器19的控制端分别与液压变压器控制组件5的被控端、第一电磁换向阀9的电磁铁1Y、第二电磁换向阀14的电磁铁2Y、第三电磁换向阀15的电磁铁3Y的被控端连接；控制器19的接收端分别接收操作手柄的控制信号S、液压变压器配流盘转角传感器8的转角信号、液压变压器转速传感器16的转速信号；
所述的第一电磁换向阀9、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀15均为两位三通电磁换向阀。
所述的基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路的控制方法是：
1、操作人员根据其意图，输入操作手柄控制信号S，控制器19根据输入的操作手柄控制信号S做出判断：按照表1对第一电磁换向阀9的电磁铁1Y、第二电磁换向阀14的电磁铁2Y、第三电磁换向阀15的电磁铁3Y发出工作信号，其中操作手柄控制信号S是：正信号表示动臂液上升的速度信号，信号大小的绝对值越大动臂上升的速度越快；负信号表示动臂下降的速度信号，信号大小的绝对值越大动臂下降的速度越快；零信号表示停机或者动臂不动作；
表1电磁铁工作顺序表
2、控制器19根据输入的操作手柄控制信号S的大小，识别出期望的动臂运动速度的大小，向液压变压器控制组件5发出控制信号；液压变压器控制组件5驱动液压变压器6的配流盘转动，使其转动相应的角度θ，驱动第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12的活塞杆运动，进而驱动动臂运动；
3、控制器19根据液压变压器配流盘转角传感器8反馈的液压变压器6的配流盘转角信号、液压变压器转速传感器15反馈的液压变压器6的转速信号计算得出动臂实际的输出速度，与期望速度进行比较。如果存在偏差，控制器19向液压变压器控制组件5发出控制信号，使其驱动液压变压器6的配流盘转动，改变液压变压器配流盘转角θ，从而改变动臂的运动速度，直到动臂达到期望的运动速度为止。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1、液压变压器6可以将恒压网络中的能量无节流损失的传递给第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12，通过液压变压器的控制组件5控制液压变压器6的配流盘转角，进而控制第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12的活塞杆的运动速度，操作简单，控制精度高，避免了节流损失。
2、在液压变压器6的B口与第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12无杆腔之间增加了第一液控单向阀10；在液压变压器6的A口与第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12有杆腔之间增加了第二液控单向阀13和第三电磁换向阀15。其中第一液控单向阀10和第二液控单向阀13起液压锁的作用，防止在不要求动臂动作工况，由于受到工装自重或者斗杆和铲斗动作的影响而使动臂发生移动；第三电磁换向阀15将第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12的有杆腔与高压网络4和低压网络3隔开，动臂上升时接低压网络3，下降时接高压网络4，这样不仅实现了液压变压器四象限工作特性，还减小了动臂液压缸的尺寸，降低了系统的装机功率。
3、在液压变压器6的B口与第一液控单向阀10之间增加了第一安全阀7。用于防止液压变压器6超载，使液压变压器6始终工作在高效工作区，提高了系统的工作效率。
4、储能元件采用液压蓄能器17。通过液压变压器6将能量直接回馈到高压网络4，并存储到液压蓄能器17中。减小了能量转换环节，同时液压蓄能器还具有功率密度大、价格低廉的优点，能快速充放能量，提高了系统的能量回收效率，降低了生产成本。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路，它包括动力源1、先导油源2、低压网络3、高压网络4、液压变压器控制组件5、液压变压器6、第一安全阀7、液压变压器配流盘转角传感器8、第一电磁换向阀9、第一液控单向阀10、第一动臂液压缸11、第二动臂液压缸12、第二液控单向阀13、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀15、液压变压器转速传感器16、液压蓄能器17、第二安全阀18、控制器19、油箱20；各个元件的连接关系是：
动力源1与高压网络4连接；高压网络4同时与液压变压器6的A口、第三电磁换向阀15的P口、液压蓄能器17的进出油口、第二安全阀18的进油口连接；低压网络3与油箱20连接；
先导油源2与用于控制液压变压器6配流盘转角的液压变压器控制组件5的进油口连接；
液压变压器6的B口同时与第一安全阀7的进油口、第一液控单向阀10的进油口连接；
第一液控单向阀10的出油口同时与第一动臂液压缸11的无杆腔的进出油口、第二动臂液压缸12的无杆腔的进出油口、第一电磁换向阀9的P口连接；第一液控单向阀10的控制口与第一电磁换向阀9的A口连接；
第二液控单向阀13的进油口与第三电磁换向阀15的A口连接；第二液控单向阀13的出油口同时与第一动臂液压缸11的有杆腔的进出油口、第二动臂液压缸12的有杆腔的进出油口、第二电磁换向阀14的P口连接；第二液控单向阀13的控制口与第二电磁换向阀14的A口连接；
第二安全阀18的出油口同时与液压变压器6的T口、第一安全阀7的出油口、第三电磁换向阀15的T口连接并接回低压网络3；
第一电磁换向阀9的T口、第二电磁换向阀14的T口分别与油箱20连接；
液压变压器配流盘转角传感器8和液压变压器转速传感器16固定在液压变压器内部；
控制器19的控制端分别与液压变压器控制组件5的被控端、第一电磁换向阀9的电磁铁1Y、第二电磁换向阀14的电磁铁2Y、第三电磁换向阀15的电磁铁3Y的被控端连接；控制器19的接收端分别接收操作手柄的控制信号S、液压变压器配流盘转角传感器8的转角信号、液压变压器转速传感器16的转速信号；
所述的第一电磁换向阀9、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀15均为两位三通电磁换向阀。
本发明的控制方法及工作过程是：
1、操作人员根据其意图，输入操作手柄控制信号S；
（1）当液压挖掘机动臂上升时，控制器19根据操作手柄控制信号S做出判断，发送信号给第一电磁换向阀9的电磁铁1Y、第二电磁换向阀14的电磁铁2Y和第三电磁换向阀15的电磁铁3Y：第一电磁换向阀9的电磁铁1Y断电，第二电磁换向阀14的电磁铁2Y通电，使得第二液控单向阀13反向开启；第三电磁换向阀15的电磁铁3Y通电，使得第三电磁换向阀15处于右位；
（2）当液压挖掘机动臂下降时，控制器19根据操作手柄控制信号S做出判断，发送信号给第一电磁换向阀9的电磁铁1Y、第二电磁换向阀14的电磁铁2Y和第三电磁换向阀15的电磁铁3Y：第一电磁换向阀9的电磁铁1Y通电，使得第一液控单向阀10反向开启；第二电磁换向阀14的电磁铁2Y断电；第三电磁换向阀15的电磁铁3Y通电，使得第三电磁换向阀15处于左位；
（3）当停机或动臂不动作时，控制器19根据操作手柄控制信号S做出判断，发送信号给第一电磁换向阀9的电磁铁1Y、第二电磁换向阀14的电磁铁2Y和第三电磁换向阀15的电磁铁3Y：第一电磁换向阀9的电磁铁1Y断电；第二电磁换向阀14的电磁铁2Y断电；第三电磁换向阀15的电磁铁3Y断电，使得第三电磁换向阀15处于左位；由第一液控单向阀10和第二液控单向阀13锁紧动臂，不使其发生移动。
2、控制器（19）根据输入的操作手柄控制信号S的大小，识别出期望的动臂运动速度的大小，向液压变压器控制组件5发出控制信号；液压变压器控制组件5驱动液压变压器6的配流盘转动，使其转动相应的角度θ，驱动第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12的活塞杆运动，进而驱动动臂运动；
（1）当液压挖掘机动臂上升时，由动力源1和液压蓄能器17为系统提供能量；液压变压器6的A口从高压网络4吸油，通过液压变压器6变压后，再由液压变压器6的B口流出，经由第一液控单向阀10进入第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12的无杆腔内，驱动动臂上升；回油油液由第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12的有杆腔流出，经由第二液控单向13和第三电磁换向阀15流回油箱20；
（2）当液压挖掘机动臂下降时，第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12的无杆腔内的油液经由液压变压器6的B口流入，通过液压变压器6变压后，再由液压变压器6的A口流出。流出的油液一部分经第三电磁换向阀15、第二液控单向阀13流回第一动臂液压缸11和第二动臂液压缸12的有杆腔内，驱动动臂下降；另一部分经高压网络4流回液压蓄能器17中储存起来，为动臂上升时提供辅助动力；如果液压蓄能器17的压力超过系统设定的最高压力，油液通过第二安全阀18流回油箱20；
（3）当停机或动臂不动作时，液压变压器6的配流盘转角θ为零，液压变压器6不输出油液。
3、控制器19根据液压变压器配流盘转角传感器8反馈的液压变压器6的配流盘转角信号、液压变压器转速传感器15反馈的液压变压器6的转速信号计算得出动臂实际的输出速度，与期望速度进行比较。如果存在偏差，控制器19向液压变压器控制组件5发出控制信号，使其驱动液压变压器6的配流盘转动，改变液压变压器配流盘控制角θ，从而改变动臂的运动速度，直到动臂达到期望的运动速度为止。
Claims (2)
1.一种基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路，其特征在于液压挖掘机动臂回路的结构是包括动力源（1）、先导油源（2）、低压网络（3）、高压网络（4）、液压变压器控制组件（5）、液压变压器（6）、第一安全阀（7）、液压变压器配流盘转角传感器（8）、第一电磁换向阀（9）、第一液控单向阀（10）、第一动臂液压缸（11）、第二动臂液压缸（12）、第二液控单向阀（13）、第二电磁换向阀（14）、第三电磁换向阀（15）、液压变压器转速传感器（16）、液压蓄能器（17）、第二安全阀（18）、控制器（19）、油箱（20）；
动力源（1）与高压网络（4）连接；高压网络（4）同时与液压变压器（6）的A口、第三电磁换向阀（15）的P口、液压蓄能器（17）的进出油口、第二安全阀（18）的进油口连接；低压网络（3）与油箱（20）连接；
先导油源（2）与用于控制液压变压器（6）配流盘转角的液压变压器控制组件（5）的进油口连接；
液压变压器（6）的B口同时与第一安全阀（7）的进油口、第一液控单向阀（10）的进油口连接；
第一液控单向阀（10）的出油口同时与第一动臂液压缸（11）的无杆腔的进出油口、第二动臂液压缸（12）的无杆腔的进出油口、第一电磁换向阀（9）的P口连接；第一液控单向阀（10）的控制口与第一电磁换向阀（9）的A口连接；
第二液控单向阀（13）的进油口与第三电磁换向阀（15）的A口连接；第二液控单向阀（13）的出油口同时与第一动臂液压缸（11）的有杆腔的进出油口、第二动臂液压缸（12）的有杆腔的进出油口、第二电磁换向阀（14）的P口连接；第二液控单向阀（13）的控制口与第二电磁换向阀（14）的A口连接；
第二安全阀（18）的出油口同时与液压变压器（6）的T口、第一安全阀（7）的出油口、第三电磁换向阀（15）的T口连接并接回低压网络（3）；
第一电磁换向阀（9）的T口、第二电磁换向阀（14）的T口分别与油箱（20）连接；
液压变压器配流盘转角传感器（8）和液压变压器转速传感器（16）固定在液压变压器内部；
控制器（19）的控制端分别与液压变压器控制组件（5）的被控端、第一电磁换向阀（9）的电磁铁1Y、第二电磁换向阀（14）的电磁铁2Y、第三电磁换向阀（15）的电磁铁3Y的被控端连接；控制器（19）的接收端分别接收操作手柄控制信号（S）、液压变压器配流盘转角传感器（8）的转角信号、液压变压器转速传感器（16）的转速信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于液压变压器的液压挖掘机动臂回路的控制方法，其特征在于操作时的控制方法是：
<1>操作人员根据其意图，输入操作手柄控制信号（S），控制器（19）根据输入的操作手柄控制信号（S）做出判断：按照表1对第一电磁换向阀（9）的电磁铁1Y、第二电磁换向阀（14）的电磁铁2Y、第三电磁换向阀（15）的电磁铁3Y发出工作信号，其中操作手柄控制信号（S）是：正信号表示动臂液上升的速度信号，信号大小的绝对值越大动臂上升的速度越快；负信号表示动臂下降的速度信号，信号大小的绝对值越大动臂下降的速度越快；零信号表示停机或者动臂不动作；
表1电磁铁工作顺序表
<2>控制器（19）根据输入的操作手柄控制信号（S）的大小，识别出期望的动臂运动速度的大小，向液压变压器控制组件（5）发出控制信号；液压变压器控制组件（5）驱动液压变压器（6）的配流盘转动，使其转动相应的角度θ，驱动第一动臂液压缸（11）和第二动臂液压缸（12）的活塞杆运动，进而驱动动臂运动；
<3>控制器（19）根据液压变压器配流盘转角传感器（8）反馈的液压变压器（6）的配流盘转角信号、液压变压器转速传感器（16）反馈的液压变压器（6）的转速信号计算得出动臂实际的输出速度，与期望速度进行比较，如果存在偏差，控制器（19）向液压变压器控制组件（5）发出控制信号，使其驱动液压变压器（6）的配流盘转动，改变液压变压器配流盘转角θ，从而改变动臂的运动速度，直到动臂达到期望的运动速度为止。
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