CN103423224B - 液压动力系统的按需排量控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制液压动力系统的方法和设备，该设备包括液压马达和构造用于向液压马达供给液压流体的液压泵。本发明提供了一种减压阀，其构造用于当液压流体的压力超过预定的释放压力时从介于液压泵和液压马达之间的位置排放液压流体。在压力高于预定的阈值压力时，泵的排量被调节成至少最小排量，该最小排量基于针对系统的全部所需流量，该全部所需流量包括穿过减压阀的液压流体的期望流量和由马达消耗的第一液压流体流量。

Description

液压动力系统的按需排量控制

技术领域

本发明总的涉及液压动力控制系统和方法，更具体地涉及基于所需全部系统流量控制液压动力系统的液压泵的排量的系统和方法。

背景技术

机器可以包括一个或多个液压动力系统以驱动一个或多个负荷。负荷可以是在机器上的工作机具或者可以是为机器自身提供推进力的驱动/传动部件。例如在机器驱动/传动系中，也被熟知为静液压传动装置的液压动力系统可以用于代替机械传动装置。

液压动力系统可以包括以闭环构型连接在一起的具有可变排量的液压泵和液压马达，该液压马达也可以具有可变排量。用泵输送的穿过液压马达的流体能导致马达带动输出轴旋转，从而使例如传动机构如轮子或轨道，或者工作机具等负荷产生运动。通过改变泵的排量，可以控制泵送至液压马达的流体的量。这可以是对所收到的操作人员的输入做出的响应。例如，当操作人员压下加速踏板以指示需要传动机构的更高的速度或更大的转矩时，泵的排放（流量和/或压力）按比例地增加。

为保护传动装置的部件不受损坏，泵和/或马达的操作通常根据压力进行限制。当机器遭遇外部阻力例如当推动沉重或基本不能移动的物体例如推动大堆的土时，压力会在用于为机器的传动机构提供动力的液压动力系统中累积。当机器遭遇大堆土的阻力时，机器的前行可能被减慢或停止，相应地，也减慢或停止了驱动传动机构的液压马达。这大体上抑制了穿过马达的流体的流动。然而，可变排量的泵会继续将流体泵送至液压马达，导致系统中的压力累积。

缓解这种压力累积的一个方法是利用跨越式减压阀（cross-over pressurerelief valve，跨接安全阀）（COR阀），该阀可以允许液压流体从回路的高压侧流向（即跨越到）低压侧。虽然COR阀可以避免压力的峰值，但是由于当流体从高压侧向低压侧流动时流体的压力的下降，穿过COR阀的连续的流动可以导致液压流体的显著变热。此外，经过COR的流动可以是能量的无效使用，因为通过阀的流动不是有益的，即，不是以有益的方式例如使液压马达转动的方式利用。

提供压力释放的另一普遍方法是利用电子压力超驰控制系统（electronicpressure override system）（EPOR系统）。EPOR系统感应系统压力并当压力超过一特定的值时运行以降低可变排量泵的排量，因此减少了被泵送至液压马达（或机具致动器）的流体的量。除了COR阀外，许多液压系统还包括EPOR系统。

具有COR的EPOR系统的一实施例由US专利6202411（‘411专利）提供。‘411专利提供了一种系统，该系统可以在当系统在预定压力下保持预定时间段时以及当感测到系统的特定运行条件时调节液压泵的排放流量。该专利提供的一部分运行条件包括使用特定类型的工作机具、发动机的高转速状态以及由操作人员选择的工作模式。

尽管可以有效降低系统中的压力，基于压力控制的EPOR系统可能难以用一种能够使机器的操作人员感受连续的、直观的感觉的方式实施调节。特别地，由于压力控制可以是非常敏感的，当EPOR系统致动以降低系统中的压力时，压力可以瞬间地升高并随后急剧地下降，导致操作人员感觉好像机器突然地停止了推动。此外，基于压力控制的EPOR系统可能相对难以控制，且必须设置成压力小于系统的上限，这意味着机器可能在低于其最大可用性能的情况下生产。

发明内容

本发明一方面描述了用于机器的液压动力控制系统。该系统包括液压马达和构造用于向液压马达供给液压流体的液压泵。本发明提供了减压阀，该减压阀构造用于当液压流体的压力超过预定的释放压力时从位于液压泵和液压马达之间的位置释放液压流体。当超过针对系统的预定的阈值压力时，泵的排量被调节成至少最小排量，该最小排量基于针对系统的全部所需流量，该全部所需流量包括穿过所述减压阀的液压流体的期望流量和由马达消耗的第一液压流体流量。

另一方面，本发明描述了一种控制用于机器的液压动力系统的方法。该方法包括判断系统中的液压流体的压力是否超过预定的阈值压力的步骤。当压力超过阈值压力时，液压泵的排量被调节成至少最小排量，该最小排量基于针对系统的全部所需流量，该全部所需流量包括被释放的液压流体的期望流量和由马达消耗的第一液压流体流量。

附图说明

图1是示意性侧视图，示出了适合与根据本发明的设备和方法一起使用的轮式机器。

图2是示意图，示出了根据本发明的液压动力系统和相关的控制系统。

图3是简化了的示例图表，示出了根据本发明的液压动力系统和相关控制与基于压力的控制方法相比较可能发生的影响，在x轴上示出了系统压力，y轴上示出了泵的排量。

图4是流程图，示出了根据本发明的液压动力控制方法。

具体实施方式

本发明涉及一种控制用于机器的液压动力系统的设备和方法，该机器可操作以向与机器关联的负荷传递动力。特别地参考图1和图2，示例机器10具有动力源12和能从动力源12向负荷传递动力的液压动力系统14（见图2），在本实施例中，负荷是一个或多个牵引装置16，该负荷响应于经操作人员输入装置18的输入推进机器。在图1的实施例中，牵引装置16具有轮子。或者，牵引装置可以具有在机器的侧面定位的轨道、履带或任意其他被动的牵引装置。当机器10内包括两个传动链时，两个关联的牵引装置16可以在机器10的对向侧定位，且被同步控制以推进机器10或单独地控制以使机器10转向。

除了向推进机器的牵引装置传递动力，液压动力系统14还可以用于向其他负荷传递动力，例如与机器连接的机具。在这种情况下，机器10包括由安装在机器的机身上的吊杆19支承的铲斗17（见图1）。由机器携带的机具可以用于多种任务，包括例如装载、压实、起重、刷净并包括例如铲斗、压实机、叉式举升装置、刷子、抓斗、切割机、剪切机、刀片、碎石机/锤子、钻孔机以及其他。

尽管液压动力系统14与轮式装载机关联地示出，但本发明在各种其他类型的机器中也具有普遍适用性。在这方面，术语“机器”可以指实施与例如矿业、建筑、农业、交通或任意其他本领域已知行业关联的某些类型的操作的任意机器。例如，机器10可以是运土的机器，例如轮式装载机、履带式装载机、推土机、挖掘机、倾卸卡车、挖沟机、平地机、物料装卸机等等。

动力源12可以设置成产生动力输出并可以包括内燃发动机。例如，动力源12可以包括柴油发动机、汽油发动机、气体燃料提供动力的发动机或任意其他类型的对本领域技术人员显而易见的发动机。可以理解的是，动力源12如若需要还可以包括非燃烧动力源例如燃料电池、蓄电池或电动机。动力源12可以产生被液压动力系统14接收的旋转的机械输出。

操作人员输入装置18可以定位于机器10的操作台内，例如接近操作人员的座椅的位置。操作人员输入装置18可以具有可以控制机器10的功能的数个装置中的任意一个。在一实施例中，操作人员输入装置18可以具有操纵杆控制器。然而可以理解，操作人员输入装置18可以具有额外或不同的控制装置，例如踏板、杠杆、开关、按钮、轮和其他本领域已知的控制装置。操作人员输入装置18可以被操纵以产生指示了液压动力系统14的期望输出（即，机器10的期望行驶速度、轮缘牵引转矩（rimpull torque）、和/或行驶方向）的信号。在一实施例中，单个操作人员输入装置18可以用于同时控制多个牵引装置16的运动。在另一实施例中，多个操作人员输入装置18可以用于独立地控制多个牵引装置16的运动。

额外参考图2，液压动力系统14可以包括以闭环液压构型联接的液压泵20和液压马达22（即，液压动力系统18可以是静液压传动装置）。泵20可以由动力源12机械地驱动，而马达22可以机械地驱动牵引装置16。第一通道24可以将从泵20排放的已加压的流体引导至马达22。第二通道26可以从马达22将用过的流体返回至泵20。可以理解的是，在一些实施例中，若需要，第一和第二通道24、26的功能可以换向，从而使牵引装置16的行进方向逆转。

泵20可以是斜盘类型的泵并包括多个活塞缸筒，活塞保持靠置在可倾斜的斜盘28上。当斜盘28相对活塞旋转时，活塞可以在活塞缸筒内往复运动以产生泵送的作用。斜盘28可相对于活塞的纵向轴线有选择性地倾斜以改变活塞在各自的活塞缸筒内的位移量。斜盘28的相对于活塞有角度的设置可以通过如本领域已知的任何致动器例如伺服发电机实现。尽管图1中示为仅产生被加压流体的单向流动，可以考虑，若需要，泵20是偏心类型的泵或可以在相反的方向上旋转的泵，从而产生流体在相反方向上的流动。

马达22可以是固定排量或可变排量类型的与泵20流体联接的马达。马达22可以将来自泵20的被加压的流体转化成牵引装置16的可旋转的输出。作为可变排量马达，马达22可以包括多个活塞缸筒和保持靠置在固定的或可旋转的斜盘30上的活塞（未显示）。斜盘30的角度可以决定活塞相对于马达22的缸筒的有效位移。斜盘30相对活塞的有角度设置可以通过任意本领域已知的致动器实现，例如通过伺服电动机来实现。

液压动力系统14可以包括与泵关联的升压电路，其能够运行以提高被引至泵20的输入侧的液压流体的压力。如图2所示，升压线路可以包括升压泵32、止回阀34和36以及向储槽40排放的升压线路安全阀38。以已知方式，升压线路可以与泄压装置（bleedingblock）相互作用以控制液压动力系统14中的低压线路。如前面已经提到的，低压线路通常是第一通道26，该通道是从马达22返回的线路，然而在特定运行条件下，第二通道24可以是低压线路。在这种情况下，泄压装置可以包括往复阀42和设置成向储槽40排放的泄压安全阀44。

在某些情况下，通过泵20排放的流体的压力超过可接受的阈值是有可能的。如果未予以考虑，这些高压可以造成对液压动力系统14的破坏。如图2所示，为了帮助使破坏最小化和保证机器10的可预测的运行，第一跨越式减压阀46可以定位成可选地通过第一旁通通道48将来自泵20的加压流体绕过马达22（即，将流体从高压第一通道24引至低压第二通道26，而不流经马达22）引导。另外，为了说明其中第二流体通道26是液压系统的高压侧的情况（即，当系统反向运行时），可以设置第二跨越式减压阀50，该第二跨越式减压阀定位成选择性地通过第二旁通通道52将来自第二流体通道26的加压流体引导至较低压力的第一通道24。

尽管示出为导阀控制、弹簧加载的阀机构，可以理解的是，若需要，跨越式减压阀46、50可选地具体为响应于所测得的压力而致动的电子阀。此外，这些减压阀的压力极限可以是可变的，也可以是可调节的。

控制系统53包括具有关联传感器的控制器54，该控制系统可以设置成辅助液压动力系统14的运行。如图2示意性地示出，控制器54可以与操作人员输入装置18、泵20、马达22、泵速度传感器56、马达速度传感器58、液压流体温度传感器60和动力源速度传感器62通信。温度传感器60可以构造成监控液压流体的温度，并可以定位于液压回路中的任何位置。例如，温度传感器60可以构造成监控储槽40内液压流体的温度，如图2所示。

控制器54还可以构造用于产生用于调节泵20和马达22的运行的控制信号。更具体地，控制器54可以构造用于控制泵20和马达22的排量，通过例如控制泵致动器装置64（即，螺旋管线圈和滑动活门）以改变泵20的排量。此外，泵致动器装置64可以向控制器提供泵20的实际的或所命令的排量信息。类似地，马达22的排量还可以由马达致动器装置66控制。马达致动器装置66还可以向控制器提供关于马达22的实际的或所命令的排量的信息。控制器54可以基于从操作人员输入装置18和各个传感器接收的信息控制泵20和马达22的排量。控制器54可以与操作人员输入装置18、泵20、马达22和传感器通过控制线通信，该控制线可以携带数字类型、模拟类型或混合型的信号。或者，与各个部件的通信可以通过机械或液压线路来实现。

控制器54可以具有一个微处理器或多个微处理器。数个可商购的微处理器可以构造用于实现控制器54的功能。应理解的是，控制器54可以容易地实现为一个总的且能够控制多个机器功能的机器微处理器。各种其他电路可以与控制器54关联，例如供电线路、信号调节线路、数据获取线路、信号输出线路、信号放大线路和本领域已知的其他类型的线路。

除了跨越式减压阀46、50外，系统还可以装配有电子压力超驰控制（EPOR）。EPOR可以通过控制器54实施，并能够运行以减少泵20的排量和/或增加马达22的排量，从而在当与系统关联的压力传感器70（见图2）测量到高于预定极限的压力时降低系统中的压力。EPOR系统致动时的预定极限可以是可变的或可调节的。泵20和/或马达22的排量改变的量（即，实际的传动比与操作人员期望传动比相比较减小的量）可以称为EPOR系数。压力传感器70可以布置于液压系统中的位于泵20和马达22之间的任意点的位置。

在确定的运行条件下，EPOR控制可以向机器10的操作人员提供不够理想的感觉。特别地，对于EPOR控制系统，操作人员在试图从机器停机的情况恢复时的反馈可能是有问题的。例如，图3提供了示例图表，x轴上的是系统压力，y轴上的是泵的排量，该图示出了跨越式减压阀46、50和EPOR控制的运行。在图3中，线72代表理论的泵容量，线74代表如被动力源12的功率所限制的实际的泵容量。当负荷驱使系统压力更高时，泵的排量首先由动力源12的功率极限决定。点76代表跨越式减压阀46、50的机械运行。当系统压力达到阀的预定的减压设置值时，跨越式减压阀46、50运行以保持系统压力。因此，在没有附加控制的情况下，泵20的排量没有下降，因为压力通过跨越式减压阀得以保持。

图3中的线78示出了EPOR控制的运行。如图3所示，在该实施例中，在接近但低于跨越式减压阀46、50的减压设置值的压力，EPOR系统致动。如所示，系统压力动态地且暂时地持续上升并超过EPOR系统致动时的压力。然而，几秒钟之后，由于控制器54减少了泵20的排量，压力将下降到EPOR控制初始致动的水平。该压力下降由线78的节段80示出。线段81示出了泵20的排量如何由EPOR控制随后增加。如图3所示，EPOR控制允许机器在一些点上以比其他点上以更高的压力运行。当系统的运行压力下降时，会给操作人员造成机器突然停止推动的感觉。此外，EPOR控制不允许系统在接近或位于系统的最大压力极限处运行。因此，对机器的操作人员而言，较小转矩是可用的。此外，在停机状态，由EPOR控制实施的压力极限会要求机器负荷显著下降以开始增加泵的排量，因为压力可能不会被如线81所示均匀地保持。该情况与零速度时的不良的液压马达效率一起可使从停机状态的恢复难以实现。

液压动力系统14能够允许在至少一些运行条件下和在至少一定的时间段内通过跨越式减压阀46、50的至少一些流动。因此，在这种情况下，可以基于针对根据本发明的系统的全部所需流量而不是仅基于压力来调节泵的排量。基于全部所需流量的控制与仅基于压力的控制相比能提供改进的性能，特别是在机器的高负荷条件下。更具体地，在高负荷条件下，基于全部流量的控制能允许系统在更接近系统在机械方面所允许的最高压力的条件下操作，从而增加了机器操作人员可用的转矩。在高负荷条件下基于全部流量的控制还可以改进机器的瞬态响应，因为控制监视马达所需的泵流量并且抢先地按需增加泵的排量。由于基于全部所需流量的控制可仅在确定的运行条件下例如高负荷条件下被致动，其可以与能在高负荷的条件不存在的情况下起作用的EPOR控制相结合地使用。

参考附图的图4，该图提供了包括可以被包含在用于液压动力系统14的基于全部所需流量的控制系统中的各个步骤的示意性流程图，这些步骤可以通过控制器54实施。在初始步骤88中，确定了回路中的液压流体的压力。该步骤88可以通过控制器54与压力传感器70共同实施。下一步，在步骤90中将在步骤88中确定的压力与预定阈值压力进行比较。同样，该步骤90可以通过控制器54实施。阈值压力可以代表控制系统从基于压力的控制向基于全部所需流量的控制过渡时所在的点。阈值压力可以基于代表机器10的高负荷条件的压力来预定。例如，阈值压力可以是用于系统的最大压力的大约90%。

如果在步骤88中确定的系统压力不超过如在步骤90中确定的阈值压力，那么在步骤92中系统可以利用EPOR控制基于液压流体的压力或命令的或期望的马达速度调节泵的排量。所述方法随后循环回到步骤88，再次确定回路中的液压流体的压力。

如果在步骤90中回路中的压力超过了预定的阈值压力，图4所示的前述方法的又一步骤94包括确定穿过跨越式减压阀46、50的期望流量。同样，该步骤94可以通过控制器54实施。为此，控制器54可以包括储存在其内存内的、控制器54可以在运行过程中参考的一个或多个软件图表。图表中的每一个可以包括具有表格、图形或公式形式的数据的收集。穿过跨越式减压阀46、50的所期望的流量水平可以多种不同的方式确定。例如，穿过跨越式减压阀46、50的持续的流动可以导致液压流体因流体在从回路的高压侧向回路的低压侧流动时的压力下降而变热。该热量累积可以在某点对液压动力系统的运行构成不利影响。因此，穿过跨越式减压阀46、50的所期望流量可以基于测得的储槽40中液压流体的温度确定，在该实施例下，该温度通过温度传感器60测得。例如，对于给定的穿过跨越式减压阀46、50的流量水平，可以基于在储槽温度的测试环境中的测量结果而在控制器54的软件中提供控制图表。针对测量到的储槽温度，控制图表可以提供穿过跨越式减压阀的最大流量，并且据此，为了例如燃料节约等其他原因，控制器54可以选择穿过跨越式减压阀的较低流量。

一旦穿过跨越式减压阀46、50的期望流量在步骤94中被确定，控制器54可以随后在步骤96中为系统确定全部所需流量。全部所需流量可以包括来自步骤96的穿过跨越式减压阀46、50的期望流量以及被马达22消耗的液压流体流量。此外，全部所需流量可以包括在回路中因泄漏而导致的损失。例如，回路中的泄漏可以由于在介于泵20和马达22的活塞与活塞缸筒之间的以及任意相关的阀的空隙而发生。回路中的泄漏可以基于实际测量或以泄漏如何根据回路中的压力而变化作为考虑因素的估计。

下一步，在步骤98中，系统可以基于在步骤96中确定的全部所需流量将泵20的排量调节成至少最小排量。在这种情况下，系统可以被认为提供了一基底/下限，泵20的排量不会被设置在该基底以下。而且，因为是基于用于系统的全部所需流量，该基底可以被认为是以当马达22消耗更多流量时最小排量随之上升的方式浮动。因此，与EPOR控制相比，停机恢复可以被改进，因为系统可以立即升高泵的排量以针对被马达22所使用的流量实施补偿，而不是在增加泵的排量之前等待压力开始下降。在这方面，参考图3，基于全部所需流量的控制系统在压力相对排量方面的运行由竖直线82示出。可能存在某些操作条件，在该操作条件下控制器54选择与基于全部所需流量确定的基底不同的泵排量。例如，如果动力源12不能提供维持基于全部所需流量的基底排量所需的动力，那么排量可被控制器54减少至发动机不会停机的水平。

图4的最后步骤100包括当液压流体的压力超过预定释放压力时在介于泵20和马达22之间的一位置处释放液压流体。在图2所示的液压动力系统14中，释放流体是通过跨越式减压阀46或50实施的，并且所释放的液压流体被从液压回路侧的高压侧通过第一或第二旁通通道48或52引导至液压回路的低压侧。

工业适用性

本发明所述的液压动力控制系统和方法可以实施于各种不同的使用液压传动装置为机器的运动或为与机器连接的机具的运行提供动力的机器中。本发明的控制系统和方法特别适用于其中在至少某些操作条件下流经跨越式减压阀的一定的流量可以被保持而不会造成系统中的液压流体过热的应用。

如与仅基于系统中的液压流体的压力操作的控制系统的比较，本发明的基于穿过跨越式减压阀或非生产性的流量控制的系统和方法可以为机器的操作人员提供更一致的感觉，因为在高负荷条件下，该感觉并不受制于与基于压力的控制系统关联的造成操作人员感觉好像机器突然地停止了推动的过冲（overshooting）问题。此外，如与仅基于压力的控制系统相比较，基于穿过跨越式减压阀的流量的控制方案可以允许液压动力系统更接近其最大允许压力操作，从而提高了可用的转矩。还有，因为能够监视被马达消耗的流量和前摄地按需增加泵的排量，系统能提供改进的机器瞬态响应，特别是在停机状态或接近停机的状态下。

可以理解的是，前面的描述提供了本发明所述的系统和技术的实施例。然而，可以理解的是，本发明的另一些实施例可以与前述实施例在细节上不同。本发明或实施例的全部参考都旨在参考在该点上被讨论的特定的实施例，而不是更概括性地限制本发明的范围。关于特定特征的区别或差异性的语言都旨在说明对这些特征的不优选性，但不完全排除该特征也在本发明的总体范围内，除非另有说明。

本发明对数值的范围的叙述仅旨在用作对落在所述范围内的每个单独的值（除非另有说明）逐个参考的简略表示方法。每个单独的值被结合在本说明书中如同其被单个地述及。此处描述的全部方法能通过适合的任意顺序实现，除非另有描述或与上下文显然相矛盾。

因此，本发明包括在由相关法律允许的所附权利要求中叙述的主题的全部修改和等同方案。另外，上文描述的元素以所有可能变化形式的任意组合都被包含在本发明范围内，除非文中另有描述或与上下文显然相矛盾。

Claims (7)

1.一种用于机器的液压动力控制系统，包括：

液压马达；

构造用于向所述液压马达供给液压流体的液压泵；

减压阀，其构造用于当所述液压流体的压力超过预定释放压力时从介于所述液压泵和所述液压马达之间的位置释放液压流体；并且

其特征在于，当压力高于针对所述系统的预定的阈值压力时，所述泵的排量被调节成至少最小排量，该最小排量基于针对所述系统的全部所需流量，所述全部所需流量包括穿过所述减压阀的液压流体的期望流量和由所述液压马达消耗的第一液压流体流量。

2.一种控制用于机器的液压动力系统的方法，包括：

判断所述系统中的液压流体的压力是否超过预定的阈值压力；

当所述压力超过所述阈值压力时，将液压泵的排量调节成至少最小排量，该最小排量基于针对所述系统的全部所需流量，所述全部所需流量包括穿过减压阀被释放的液压流体的期望流量和由液压马达消耗的第一液压流体流量；以及

当所述液压流体的压力超过预定释放压力时，从介于所述液压泵和所述液压马达之间的位置释放液压流体。

3.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于，穿过所述减压阀的所述期望流量是基于所述液压流体的温度的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统或方法，其特征在于，所述全部所需流量包括所述系统的泄漏流量。

5.根据权利要求1或2所述的系统或方法还包括用于在所述系统中在所述液压泵和所述液压马达之间确定所述液压流体的压力的压力传感器。

6.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于，基于所述液压流体的压力调节所述泵的排量，直至达到针对所述系统的所述预定的阈值压力。

7.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于，基于所述液压马达的期望速度调节所述泵的排量，直至达到针对所述系统的所述预定的阈值压力。