CN103806495A - 具有开环电液压力补偿的液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有开环电液压力补偿的液压系统。本发明还涉及一种用于操作液压系统的方法。所述液压系统具有泵，该泵将加压流体供应到连接到多个功能件的供给节点。每个功能件均包括液压致动器和一控制阀组件，流体通过该控制阀组件从供给节点流到该液压致动器以及从液压致动器流到回流管路。该控制方法包括接收多个指令，每个指令都被指定功能件所需的操作。每个指令被单独使用以导出指定各个功能件的流量的流量值、表示与各个功能件相关的载荷大小的载荷值、和表示相应功能件的供给压力的压力值。然后，响应于功能件的流量值和载荷值和响应于多个功能件中最大的压力值，操作每个给定的液压功能件的控制阀组件。

Description

具有开环电液压力补偿的液压系统

相关申请的交叉引用

不适用

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用

技术领域

本申请涉及用于例如越野结构和农用车辆的设备的液压系统，更特别地涉及一种装置，其用于控制在这样的系统中使用的可变排量泵和用于精确地控制加压流体到设备上的液压致动器的流动。

背景技术

参考图1，反铲装载机10是一种常见类型的运土设备，其具有连接到一拖拉机15的后部的反铲组件20和安装在拖拉机前部的装载机组件25。反铲组件20包括转臂12，转臂的一端可移动地联接到拖拉机15的机架上而另一端可枢转地安装有铲斗13。挖斗14枢转地连接到铲斗13的远端。挖斗14可被其他类型工作器具替换。转臂12通过第一液压致动器16相对于拖拉机15的机架升高和降低。第二液压致动器17使得铲斗在转臂的远端处枢转。第三液压致动器18使挖斗14相对于铲斗13倾斜。接头21使整个反铲组件20相对于拖拉机15的后端左、右旋转，该运动被称为“摆动”或“回转”。第四液压致动器19被连接在拖拉机15的机架和转臂12之间，并为反铲组件20的摆动提供驱动力。

该装载机组件25包括装载挖斗27，装载挖斗27可枢转地联接到提升臂26的前端，提升臂具有可枢转地联接到拖拉机15的后端。提升液压致动器28升高和降低提升臂26，载荷液压致动器29使得装载挖斗27在提升臂26的端部处上下枢转。

在示例性的反铲装载机10中，液压致动器16-19、28和29是汽缸-活塞组件，然而，在某些情况下可以使用其他类型的液压致动器，如液压马达。

反铲装载机10的前轮24由在图1中另一液压致动器(未示出)转向。

流向或从每个液压致动器16-19、28和29流出的液压流体流是通过由人操作者控制的控制阀组件供应。致动器和控制阀组件的每种组合是液压功能件的一部分。用来驱动液压致动器的加压流体是由泵提供的，泵由拖拉机15上的发动机23驱动。为了更加有效率，可变排量泵通常被用来操作反铲装载机10的操作者在给定时间指令的、所有的液压致动器所需的流体流量。

现有的液压系统，如在美国专利号6,098,403中描述的，采用载荷感应(LS)型可变排量泵。泵排量由载荷感应压力信号控制，该信号对应于根据作用在致动器上的载荷力在所有的液压致动器中产生的最大的压力。由于液压系统的控制演变成使用计算机控制器，开发出根据电信号改变排量的泵。所述电控可变排量控制泵价格昂贵，而且不容易应用于多种类型机器所需的全容量和物理尺寸。

因此，仍需提供一种机构，通过它来自液压系统控制器的电信号产生控制信号来改变泵的流量。

每个功能件方面必须考虑的另一个控制因素是压力补偿。假定第一功能件的操作需要以相对低的压力供给流体。相应的，操作泵以提供低压，并且液压功能件的控制阀组件被相应地打开。当需要明显更大的压力的第二液压功能件工作时，可变排量泵的输出压力增加以满足更大的压力需求。更高压力下的供给流体也被施加到第一液压功能件，这无补偿地导致液压致动器的流动速率增加，从而导致相关的液压致动器的速度超过操作者的指令。为了避免不希望的结果，液压功能件包括一封闭环型的压力补偿阀，压力补偿阀响应于感应载荷压力和供给压力。因此在上面的例子中，压力补偿阀通过限制流体流动对供给压力的增加作出反应，因此不管供应压力变化在第一液压致动器出现相对恒定的流量。

发明内容

液压系统具有泵，其从罐抽出流体并在压力下通过出口将流体输送到供给节点。该系统还包括多个液压功能件，每个均包括液压致动器和控制阀组件，流体通过它们从供给节点流向液压致动器，并流体通过它们从液压致动器流向回流管路。

根据一方法控制该液压系统，该方法包括接收多个指令，每个指令指定所需的多个液压功能件中的不同的一个的所需操作。对于每个指令，该指令值被用来导出指定与各个液压功能件相关的载荷大小的功能件载荷值和表示各个液压功能件的供给压力水平的功能件压力值。

对于接受指令的每个给定的液压功能件，根据给定的液压功能件的功能件载荷值和多个液压功能件中最大的功能件压力值，操作相关联的控制阀组件。

根据本控制方法的一个方案，每个指令用于导出功能件流量值，功能件流量值指定为各个液压功能件的控制阀组件的流量，从而产生多个功能件流量值；其中也是根据给定的液压功能件的功能件流量值来操作给定的液压功能件的相关联的控制阀组件。

根据本控制方法的另一个方案，操作每个给定的液压功能件的各个控制阀组件包括导出流量系数，该流量系数规定为给定的液压功能件的流量限制或流导；根据流量系数导出电流电平；并将电流电平施加到相关的控制阀组件。

液压系统的一种变型具有旁通阀，该旁通阀按比例控制从供给节点到回流管路的流体流量。在这种情况下，该方法进一步包括，分别根据每个指令，导出表示通过旁通阀的流量的功能件旁通值；以及根据所有的液压功能件中的一个功能件旁通值来操作旁通阀。优选地，通过使用最小功能件旁通值来操作旁通阀以导出流量系数，该流量系数指定为旁通阀的流量限制或流导；然后根据流量系数将电流电平施加到阀。

该液压系统还可以包括节流阀，该节流阀按比例控制从泵到供给节点的流体流动。控制方法的又一个方案包括根据功能件流量值总和来操作节流阀。优选地，通过使用功能件流量值总和操作所述节流阀以导出流量系数，该流量系数指定为节流阀的流量限制或流导，然后根据流量系数将电流电平施加到阀。

本控制方法的另一方案在所有的液压功能件所要求的总流量超过可从泵获得的流量总和时将流体分配到每个液压功能件。

控制方法的一个实施例包括，在接收多个指令之前，通过对各个指令变化与(1)功能件载荷值的多个量值，(2)功能件压力值的多个量值，和(3)功能件流量值的多个量值，以及(4)功能件旁通值的多个量值中每个的不同关系进行定义来表示多个液压功能件中的每个的特征。这些关系被用于根据每个液压功能件的指令导出功能件载荷、功能件压力、功能件流量和功能件旁通值。

附图说明

图1是反铲装载机的侧视图；

图2是与本发明结合的反铲装载机的液压回路的示意图；

图3是一曲线图，图示出用户操纵杆指令和示例性的液压功能件的多种流体流动特性之间的关系；

图4是一曲线图，描绘出用户操纵杆指令和示例性的液压功能件的压力参数之间的关系；以及

图5示出了用于表示阀的流量参数的特征的测试装置。

具体实施方式

本文所用的术语“直接连接”是指相关的元件通过管道连接在一起，而没有任何在任一导管的固有限制之外限制或控制流体的流量的中间元件，如阀，节流孔或其他装置。如果一个组件被描述为在两点或两个元件之间“直接连接”，该元件被直接连接到每个点或每个元件。

本文所用的术语“液压致动器”是指一种根据加压液压流体应用产生机械运动的装置，举例来说例如汽缸-活塞组件或液压马达。

虽然本发明在上下文中针对在反铲装载机上的应用进行描述，例如如图1中所示的，但是本发明可以被用在其他液压操作机器上。

参考图2，反铲装载机10的液压系统30具有由发动机23(图1)驱动的可变排量泵32。该泵32从罐34抽取流体并在压力下将流体供给到出口35。根据施加到泵的控制输入端36的压力信号改变可变排量泵32。在泵出口35处的压力是压力信号加上被称为泵极限(pump margin)的固定量的压力水平。

二位二通电液节流阀56将泵出口35连接到供给节点54并按比例控制它们之间的流体流。二位二通电液旁通阀57将供给节点54连接到通向罐34的罐回流管路33。通过来自液压控制器60的电信号操作节流阀56和旁通阀57。

液压系统30包括装载机部分40，转向部分41和反铲部分42。装载机部分40操作装载机组件25的部件，并且转向部分41液压转动反铲装载机10的前轮24。装载机部分40和转向部分41都直接连接到泵32的出口35，并且也被连接到通向罐34的回流流体。反铲部分42包括四个液压功能件43-46，每个具有液压致动器16-19，和用于控制流向和从相关联的液压致动器流出的液压流体的控制阀组件61-64。反铲部分42通过供给管路55从供给节点54接收加压流体。

装载机部分40和转向部分41均具有传统的、用于控制泵32的流量的载荷传感机构。这些载荷传感机构在管路48和49上产生压力信号，其指示由作用于它们各自的液压致动器上的力引起的压力(未示出)。传统的第一选择滑阀50选择管路48和49内较大的压力以便施加到第二选择滑阀51的输入端。第二选择滑阀51的另一输入端被连接到供给节点54，通过该节点流体供应给反铲部分42。第二选择滑阀51的输出端52被连接到可变排量泵32的控制输入端36。施加到泵32的控制输入端36的压力信号对应于施加在第二选择滑阀51的两个入口中的较大压力。或者，泵的排量可以由来自液压控制器60的电信号控制，在这种情况下信号被施加到泵的电控制输入端。

反铲部分42包括转臂液压功能件43、铲斗液压功能件44、挖斗液压功能件45、和摆动液压功能件46。转臂液压功能件43包括用于升高和降低转臂12的第一液压致动器16。第一液压致动器16包括有杆腔58和头部腔59，其通过控制阀组件选择性地连接到供给节点54和罐回流管路33。用于转臂液压功能件的控制阀组件是三位四通电液第一控制阀组件61，其通过来自液压控制器60的信号操作。传统的载荷止回阀66被连接在供给管路55与第一控制阀组件61的入口的连接中。在中间位置处，第一控制阀组件61使第一液压致动器16与供给管路55和罐回流管路33均断开。在其他位置中的一个位置处，第一致动器16的头部腔59被连接到供给管路55而有杆腔58被连接到罐回流管路33。在第三位置处，第一控制阀组件61将有杆腔58连接到供给管路55并将头部腔59连接到罐回流管路33。第一液压致动器16的连接到供给管路的腔室室决定了驱动致动器以延伸或者缩回活塞杆67的方向。

铲斗44液压功能件、挖斗液压功能件45和摆动液压功能件46分别操作第二液压致动器17、第三液压致动器18和第四液压致动器19。以与相对于在转臂液压功能件43和它的第一控制阀组件61进行描述的类似方式，用于铲斗44、挖斗45和摆动液压功能件46的控制阀组件62、63和64将相关联的液压致动器17、18和19连接到供给管路55和罐回流管路33。用于示例性的反铲装载机10的每个控制阀组件通过三位四通滑阀61-64实现，这些滑阀可通过来自液压控制器60的信号电操作。其他类型的电液阀和阀的组合可被用作控制阀组件。

液压控制器60是基于微型计算机的电路，其从操作者输入装置(如操纵杆74)接收输入信号。液压控制器60可通过通信网络76从其他装置(如反铲装载机10上的发动机控制单元78)接收其他的控制信息。正如即将描述地，液压控制器60执行的软件程序通过产生选择地操作节流阀56、旁通阀57和四个控制阀组件61-64的输出信号以响应于那些输入信号和信息。液压控制器60打开相应阀以按比例控制在那里通过的流体流量以便正确操作液压系统30。

液压系统操作的概述

表1中定义的术语将有助于理解本控制方法，液压功能件特性和图2中液压系统30的操作特征。

表1-液压系统术语

a          表示涉及汽缸的头部腔的项目

b          表示涉及汽缸的有杆腔的项目

Aa         头部汽缸腔内的活塞面积

Ab         有杆汽缸腔内的活塞面积

dPload_i   功能件载荷力Pa-(Pb／(Aa／Ab))(功能件载荷值)

i          指定一个液压功能件的编号

Khead     流体流向或从头部腔流出的阀路径的流量系数

Krod      流体流向或从有杆腔流出的阀路径的流量系数

Kvb       旁通阀的流量系数

Kveq      功能件等效流量系数-Khead和Krod相结合

Kvq       节流阀的流量系数

Pa        致动器头部腔压力

Pb        致动器有杆腔压力

Pr        罐回流管路压力

Ps_system 所有液压功能件的最大Ps_typical_i值

Ps_typical_i 单独操作功能件i所需的供给压力(压力值)

Qmin      泵上的机器或物理制动所需的最小流量

Qpump     泵总流量

Qbypass   系统旁通流量

Qbypass_i 液压功能件i的目标旁通流量(功能件旁通流量值)

Qfunction_i 从泵到液压功能件i的目标流量(功能件泵流量值)

Qsystem    从泵到液压功能件的总目标流量

Qspeed_i   液压功能件i的目标流量消耗(功能件流量值)

R          汽缸面积比，Aa／Ab(R≥1.0)

本液压控制技术使用的一个重要参数是“流量系数”，它表明了流体流动通道的阻抗或导通。因此，节流阀56或旁通阀57打开的程度为通过该阀的流体流提供定量的阻抗或导通，从而在那时为定义了该阀的给定的流量系数Kv。每个控制阀组件61-64提供两个流体路径，第一路径用于流体流向或从相关联的液压致动器的头部腔流出，而第二路径用于流体从液压致动器的有杆腔流出。因此，控制阀组件的打开程度，定义了第一通道的一个流量系数Khead和第二个通道的另一个流量系数Krod。每个控制阀组件还具有等效流量系数Kveq，其表明了Khead和Krod流入和流出各自液压致动器的流体流的组合作用。

用于控制泵流量和每个液压功能件操作的本技术是根据先前定义的数据，这些数据表征用于反铲装载机10的液压功能件的典型的运行参数。在特定的机器(例如反铲装载机10)的设计阶段期间，理论上或者经验上定义在给定的液压功能件的操作指令与这些操作参数中每一个值之间的关系。

每个液压功能件的操作特性分别由下确定：

a)量化泵流量(Qpump)、功能件入口流量(Qfunction_i)、和功能件流量消耗(Qspeed)；

b)量化典型的致动器载荷，所需的典型的供给压力；

c)设计满足上述要求所需的入口和出口计量流量限制；并且

d)计算每个控制阀组件位置的组合功能件流量系数。

液压功能件的操作特性被用在由液压控制器60实施的控制算法中以管理液压系统30的操作。

在系统的操作期间，一旦接收到用于一个或多个液压功能件的操作指令，液压控制器60：

1)响应于最小指令旁通流量和机器上的预期最高压力载荷以操作旁通阀57；

2)基于所有的操作功能件指令和所需的旁通阀流量水平以操作节流阀56；并且

3)基于相关联的操作指令、该功能件的典型载荷、以及机器上的预期最高压力功能件以操作每个功能件控制阀组件61-64。

液压功能件特性描述

为了使控制器实施本控制技术，需要知道每个液压功能件43-46和它们各自的控制阀组件的操作特性。这些特性被定义成液压系统设计过程的一部分，该过程与以前相对于设计传统的开放式中间控制阀采用的过程类似。根据操作相关联的液压致动器所需的流量水平和从操纵杆到各个液压功能件的某些操作参数值的用户输入信号或指令的范围的期望关系，控制阀组件以传统的方式进行设计。在机器的随后操作期间，这些关系用于将每个输入指令转换成这些操作参数中的特定值。然后操作参数值被液压控制器60中执行的软件使用以操作收到指令的液压功能件的控制阀组件，正如将要描述的。

每个控制阀组件61-64可能是电液滑阀，其中通用阀芯计量流体在流向和从相关联液压致动器流出的两个方向上的流量，即，一个出入计量阀。虽然控制阀组件61-64没有开放的中间，本系统的阀的设计理念非常类似于常规用来设计具有开放中间控制阀组件的液压系统的理念。如将要描述的，通过这些阀的开放中间的旁通流量通过操作图2中的单个旁通阀57提供。

用于表示特定液压功能件特征过程的一个步骤为只有在该功能件工作时定义所需流体流量。这包括导出特定液压功能件(i)的操纵杆指令的范围与以下量之间的关系：(1)用于按照指令操作的相关联的液压致动器的消耗流量(Qspeed_i)，(2)功能件要求来自泵的流量(Qfunction_i)，和(3)应当通过旁通阀57的流量(Qbypass_i)。这些参数之间的关系可以由反铲装载机10或正在开发的其他机器的设计数据计算出，或由来自样机液压系统的实际操作数据的根据生产经验产生。

用于转臂液压功能件43的这些参数关系的例子在图3的曲线图中描绘。观察到被指定为功能件旁通流量值(Qbypass_i)旁通阀57的流量，在多数操纵杆指令的范围内为非零的且在液压功能件不工作时，即当操纵杆指令为零时，具有最大流量水平。

功能件流量参数对应于给定的液压功能件中的目标流量消耗，以便按照操纵杆指令的指定操作相关联的液压致动器。表示为功能件流量值Qspeed_i的参数值和图3中描述的操纵杆指令之间的关系定义了相关联的控制阀组件61-64需要怎样操作。应当理解，在一定的条件下对于一些液压功能件，流量消耗Qspeed_i不是必然由泵32提供的。例如，转臂液压功能件43在下降期间可以不由来自泵的流体驱动，而是由作用在转臂12上的重力驱动。那样，流出转臂汽缸16的头部腔的重力流体和填充扩大的有杆腔所需的流体可通过再生或通过反腔阀(anticavition valve)88(图2)提供。因此在转臂下降期间，功能件流量值Qspeed_i大于来自泵的所需流体的量(由功能件泵流量值(Qfunction_i)表示并在图3中以图形指示)。因此，对于转臂液压功能件43，功能件流量值Qspeed_i被用来操作控制阀组件61而不同的功能件泵流量值Qfunction_i被用来控制管理来自泵32的流量的节流阀56。对于没有显著受到重力影响的某些液压功能件，如挖斗和摆动液压功能件45-46，目标功能件流量值Qspeed_i和目标功能件泵流量值Qfunction_i是相同的。

操纵杆指令和Qbypass_i、Qspeed_i和Qfunction_i中的每个之间的关系基于考虑了各种液压功能件的性能的操作者喜好。这些参数的相对于给定的液压功能件的操纵杆指令范围的每个不同值可以被存储在单独的查找表中。因此，每个查找表定义了操纵杆指令的值和各个参数Qspeed_i、Qfunction_i或Qbypass_i的值之间的关系。表示液压功能件特性特征期间中产生的这些和其它的查找表最终存储在反铲装载机10上的液压控制器60的存储器中。

功能件载荷参数dPload_i描述了按照相关联的操纵杆74指令、以不同的速度作用于液压致动器上的典型的载荷。该参数的值，此处被称为“功能件载荷值”，对于所有的操纵杆指令并不是恒定的，因而以整个范围内的操纵杆指令与dPload_i的功能件载荷值之间的关系为特征。操纵杆位置和用于转臂液压功能件的功能件载荷值之间的关系示例在图4中以图形示出。

该图也示出了操纵杆指令和供给节点54处能够驱动受到指令的相应的液压致动器所需的压力之间的关系。特定的液压功能件i的控制阀输入处的所需的压力水平被指定Ps_typical_i并在此被称为“功能件压力值”。操纵杆指令和给定的液压功能件的dPload_i和Ps_typical_i值之间的关系可以作为一组值被存储在两个附加查找表中。因此，每个查找表定义了操纵杆指令值和各个参数dPload_i或Ps_typical_i的值之间的关系。虽然查找表被描述为用于实施本控制方法如解决数学表达式的其他技术，可被用来从操纵杆指令导出特定参数的值。

确定控制阀特性，例如通过使用如图5所示的测试装置，其中供给管路和回流管路根据液压致动器90移动的方向连接到节点A和B。P1是节点A处测得的压力，Prod是在和液压致动器的有杆腔连接的阀工作口处测得的压力，并且Qrod是流向或从有杆腔流出的流量。P2是测试装置的节点B处测得的压力，Phead是在和头部腔连接的另一工作口处测得的压力，并且Qhead是流向或从头部腔流出的流量。在整个开口范围内的阀操作期间测量这些参数。

第一流量系数Krod由表达式导出，其表示阀对流向或从液压致动器90的有杆腔流出的流体提供的限制：

$\mathrm{Krod}=\frac{\left|\mathrm{Qrod}\right|}{\sqrt{|P1-\mathrm{Prod}|}}---\left(1\right)$

另一个流量系数Khead由表达式导出，其表示阀对流向或从头部腔流出的流体提供的限制：

$\mathrm{Khead}=\frac{\left|\mathrm{Qhead}\right|}{\sqrt{|P2-\mathrm{Phead}|}}---\left(2\right)$

这两个流量系数然后数学结合以产生阀的等效流量系数，其表示各个液压功能件的结合流量限制。等效流量系数(Kveq)由下式给出：

$\mathrm{Kveq}=\sqrt{\frac{\mathrm{Khea}{d}^2*\mathrm{Kro}{d}^2}{\mathrm{Khea}{d}^2+R^3\mathrm{Kro}{d}^2}}---\left(3\right)$

其中R是液压致动器90的头部腔内的活塞面积与有杆腔内的活塞面积的比。操纵杆指令的范围内的Kveq值然后被映射到定位阀所需的电流电平以便获得如操纵杆信号所指示的所需的液压功能件运动。

液压技术的技术人员将认识到，代替流量限制系数，逆相关联的流量导通系数可用于表示流体流量的特征。

上述表示流体流量的特征过程可用于每个液压功能件43-46并且由此产生的特性可以被存储在查找表中用于操作液压系统30和反铲装载机10。

系统操作

在反铲装载机10的操作过程中，操作者控制操纵杆74以指令各种液压功能件43-46的操作，从而该操作移动机器上的相关联的部件。正如常见的，操纵杆的每个轴线控制不同的液压功能件。操纵杆沿轴线移动的方向和量分别表示期望的相关联液压功能件的液压致动器运动的方向和速度(即累积速度)。示例性的液压致动器16-19可以操作为伸出或缩回活塞杆。

每个液压功能件43-46的操纵杆信号提供了了指令，该指令由液压控制器60处理以产生用于操作该功能件的操作控制阀组件61-64的电流电平。该指令对应于人类操作者移动操纵杆的量并被用于导出功能件流量值Qspeed_i，用于以指令速度操作相关联的控制阀来驱动相关联的液压致动器。操纵杆指令值被用来访问存储在液压控制器存储器的查找表和根据表示特征阶段期间定义的关系得到相应的功能件流量值Qspeed_i。使用操纵杆指令的查找过程和其它存储的数据表一起使用以便获得功能件泵流量值Qfunction_i，功能件载荷值dPload_i，和功能件旁通流量值Qbypass_i。指定的旁通阀流量与如传统的开放式中间控制阀组件用于此液压功能件所出现的值类似。正如前面提到的，旁通流量在操纵杆指令的大部分范围内具有非零值。液压功能件用来移动相关联的液压致动器和克服的负荷力所需的、供给压力的功能件压力值Ps_typicali可使用操纵杆指令值以类似方式获得。

重复上述步骤以获得每一个液压功能件43-46的一组值Qbypass_i、Qspeed_i、Qfunction_i、dPload_i、和Ps_typical_i。

然后，结合所有个体功能件泵流量值Qfunction_i的总和与为所有液压功能件43-46指定的最小功能件旁通值或流量Qbypass_i计算来自泵32的希望总输出流量(Qpump)。最小的功能件旁通值，即最小旁通流量，也被选择作为通过旁通阀57的流量Qbypass。这些计算由表达式给出：

$\mathrm{Qbypass}=\mathrm{MI}{N}_{i=1}^n\{\mathrm{Qbypass}\_i\}---\left(4\right)$

$\mathrm{Qsystem}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{Qfunction}\_i---\left(5\right)$

Qpump＝MAX{Qmin，Qsystem+Qbypass}  (6)

其中Qmin是机器所需的最小流量，例如用于冷却和过滤，或泵32上的物理制动设置的最小流量水平。在某些情况下，例如对于未显著受重力影响的功能件，Qspeed_i可用在方程(5)中代替Qfunction_i。

反铲装载机10和其他机器的操作往往需要多个液压功能件必须同时操作。在某些情况下，所有那些工作的液压功能件所需的流体总流量超过该泵能够产生的最大流量。在这种时候，理想的是控制系统以合理或预定义的方式在工作的功能件之间分配可用的液压流体，因此一个功能件不会消耗不成比例的可用的液压流体流量。这种分配方法通常被称为“流量共享”。

要实现流量共享，排量限制流量约束(displacement limited flow constraint)和功率限制流量约束(power limited flow constraint)要被计算。排量限制流量约束(Qdispl_max)可根据泵流量和驱动泵32的发动机23的速度导出。例如，推导可以使用下面的公式：

Qdispl_max＝K1*Pump_displ*Engine_speed   (7)

其中Pump_disp是每转中以立方厘米计量的泵的排量，Engine_speed是每分钟发动机的转速，并且K1是测量单位换算因子。

功率限制流量约束可以用公式推导：

$\mathrm{Qpower}\_\max =\frac{K2*\mathrm{Pump}\_\mathrm{power}}{\mathrm{Ps}\_\mathrm{system}+\mathrm{Pm}\arg \mathrm{in}}---\left(8\right)$

其中Pump_power是用于驱动泵32的、从发动机23获得的以千瓦计量的功率，Ps_system是所有液压功能件中的最大Ps_typical_i值，其中Pmargin是泵32的常规的压力极限，和K2是测量单位换算因子。

排量限制流量约束和功率限制约束然后被用于根据公式计算可从泵获得的最大流量输出(Qpump_max)：

Qpump_max＝MIN{Qdispl_max，Qpower_max}   (9)

然后，计算流量共享值(Flow_share)，如用公式：

Flow_share＝MAX{0，MIN{1，Qpump_max／Qpump}}   (10)

流量共享值然后被用于确定如何操作每个主动液压功能件的控制阀组件。

为了操作节流阀，首先由公式计算它的阀系数：

$\mathrm{Kvq}=\frac{\mathrm{Qpump}*\mathrm{Flow}\_\mathrm{share}}{\sqrt{\mathrm{Pm}\arg \mathrm{in}}}---\left(11\right)$

如果流量共享在液压系统中不是必需的，该项将从这个公式中删除。节流阀系数Kvq的结果值被转换成电流电平以打开节流阀56到某比例量，以获得从泵出口35到供给节点54及到供给管路55的希望流量。在表示节流阀特征期间，定义阀系数与电流电平的关系。存储在液压控制器60的存储器中的查找表可被用来将节流阀系数转换成一值，该值表示电流电平以适用于节流阀56。随着操作所有用于功能件所需的总流量增加时，节流阀56被按比例地打开至更大的量。当没有液压功能件43-46工作时，仍有少量的流量流过节流阀56，也就是Qmin。

使用公式计算用于操作旁通阀57的阀系数：

$\mathrm{Ps}\_\mathrm{system}=\mathrm{MA}{X}_{i=1}^n\{\mathrm{Ps}\_\mathrm{typlcal}\_i\}---\left(12\right)$

$\mathrm{Kvb}=\frac{\mathrm{Qbypass}*\mathrm{Flow}\_\mathrm{share}}{\sqrt{\mathrm{Ps}\_\mathrm{system}-\mathrm{Pr}}}---\left(13\right)$

其中Pr为回流管路33中的实际或假设压力。如果在液压系统中不需要流量共享，Flow_share项可以从这个的公式中删除。旁通阀系数Kvb的值被转换成电流电平以将旁通阀57打开到所需的程度。另一个查找表可用于这些转换。旁通阀57在没有液压功能件43-46工作时完全打开并且在一个或多个液压功能件开始工作需要来自泵32的流量时至少部分关闭。

每当操纵杆指令不为零，各液压功能件43-46等效流量系数Kveq_i被周期性地计算，甚至对于那些操纵杆指令没有改变的功能件。这样，非变化激活的功能件被调整适应由于Ps_system值的和产生于液压功能件的Flow_share值的变化带来的影响。因此，压力补偿和流量共享被提供至所有的液压功能件。

一个液压功能件的等效流量系数的计算将以其他功能件使用的类似计算方法进行描述。如果相关联的液压致动器要延伸，正如由操纵杆74的速度指令所指示，等效流量系数Kveq_i由公式导出：

$\mathrm{Kveq}\_i=\frac{\mathrm{Qspeed}\_i/R*\mathrm{Flow}\_\mathrm{share}}{\sqrt{R*(\mathrm{Ps}\_\mathrm{system}-\mathrm{dPload}\_i)-\mathrm{Pr}}}---\left(14\right)$

如果相关联的液压致动器要缩回，阀系数根据公式导出：

$\mathrm{Kveq}\_i=\frac{\mathrm{Qspeed}\_i*\mathrm{Flow}\_\mathrm{share}}{\sqrt{\mathrm{Ps}\_\mathrm{system}+R*(\mathrm{dPload}\_i-\mathrm{Pr})}}---\left(15\right)$

如果流量共享在液压系统中不是必需的，该项可以从这个公式中删除。当量流量系数Kveq_i被转换成电流电平以将各个控制阀组件61-64打开至相应的量。另一个查找表可用于这些转换。然后液压控制器使用每个阀的确定电流值来产生指定的电流电平并将其施加到这些阀。

例如，根据运动方向，第一控制阀组件61在远离中间位置方向上的打开运动通过内部可变测流口将其入口80连接到工作口82或83中的一个。这种运动还将其他的工作口83或82连接到联接到罐回流管路33的出口端84。第一控制阀组件61远离中间位置移动的量控制流入和从转臂液压功能件43中的第一液压致动器16流出的流体流量。正如所述，其它控制阀组件可以根据不同的操纵杆信号以类似的方式同时打开。

同时，一个或多个控制阀组件61-64打开，比例节流阀56打开由节流阀系数Kvq限定的量。该量与通过所有控制阀组件所需的组合指令流量相关。同时，旁通阀57是调制一定量，该量是由旁通阀系数Kvb限定的并且涉及来自操作者指令所需的最小指令流量。因此，随着第一控制阀组件61打开，流体从泵出口35供给到供给节点54的路径增加，而通过旁通阀57从供给节点到罐回流管路33的流量减小，从而导致供给节点54处的压力增加。

供给节点压力传送到第二选择滑阀51的入口。如果压力大于来自第一选择滑阀50出口的载荷传感压力，供给节点压力被施加到泵32的控制输入端36。这将导致泵32的输出流量增加以维持“泵极限”。因此进入供给管路55内的流体流量增加以满足所有工作液压功能件的操作需求。

当第一液压致动器16到达所需位置时，操作者指令第一控制阀组件61返回到中间位置。一到达中间位置，两个工作口82和83再次闭合，切断从供给管路55到第一液压致动器16的流体流动和从致动器到罐回流管路33的流体流动。这可通过液压控制器60重新计算转臂液压功能件43的等效限制系数(Kveq_i)的零值获得，这会导致没有电流施加到第一控制阀组件61上。液压控制器60也通过向关闭位置移动节流阀56，从而减少从泵32到供给节点54的流量响应于操作者指令。关闭的量取决于其他液压功能件是否工作和需要的流体。如果第一功能件是唯一一个工作的，旁通阀57被进一步打开以扩大通向罐回流管路33的流体路径。节流阀保持打开的量和旁通阀57打开的大小取决于任何其他液压功能件是否仍然是工作的和这些工作的功能件的流量需求。如果所有控制阀组件61-64都处于中央的中间位置，节流阀56关闭到由Qmin定义的最小位置并且旁通阀57被完全打开。如果压力经由第二选择滑阀51施加到泵控制输入端36，节流阀56和旁通阀57中的变化影响供给节点54处的压力和泵32的排量。

如本文前面对现有的补偿系统的描述，泵32的输出压力被设置为满足作用在四个液压致动器16-19上的最大载荷力。因此，在供给管路55内的最终压力可能明显大于具有较小载荷的另一个功能件所需的压力水平。因此，压力补偿器先前被包括在每个液压功能件中来保持控制阀组件上的预先设定的压力差，以最小化在流体通过控制阀组件流到相关联的液压致动器的流速方面的压力变化影响。

本液压系统不需要这样的压力补偿器。相反，根据公式(14)和(15)计算用于操作相关联的控制阀组件的每个功能件的等效流量系数Kveq_i，取决于所有液压功能件中最大的功能件压力值Ps_typical_i，即规定为Ps_system的值。因此，每个功能件的控制阀组件的操作采用上述独特的参数和控制过程实现压力补偿。

前面的描述主要是针对本发明的优选的实施例。虽然应当注意在本发明的范围内的各种改进，可以预料的是，本领域的技术人员可能会做出目前由本发明的实施例公开的内容显而易见的其他改进。因此，本发明的范围应由下面的权利要求确定，而不是由上述公开限制。

Claims (42)

1.一种用于操作液压系统的方法，该操作液压系统具有泵、回流管路、从该泵接收加压流体的供给节点、以及多个液压功能件，每个液压功能件包括液压致动器和控制阀组件，流体通过该控制阀组件从该供给节点流到该液压致动器，所述方法包括：

接收多个指令，每个指令指定多个液压功能件中不同的一个的所需的操作；

对于每个指令，使用该指令导出指定与各个液压功能件相关的载荷大小的功能件载荷值和表示各个功能件的供给流体压力水平的功能件压力值；井且

对于接收指令的每个给定的液压功能件，响应于给定液压功能件的功能件载荷值以及响应于多个液压功能件中最大的功能件压力值，操作给定的液压功能件的相关联的控制阀组件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中操作每个给定的液压功能件的各个控制阀组件包括：导出流量系数，该流量系数规定所给定的液压功能件的流量限制和流导中的一个；根据该流量系数导出电流电平；并且将电流电平施加到各个控制阀组件。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，对于每个指令，使用该指令导出功能件流量值，该功能件流量值指定各个液压功能件的流量，从而产生多个功能件流量值；并且其中操作给定的液压功能件的相关控制阀组件也是响应于给定的液压功能件的功能件流量值。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括，在接收多个指令之前，通过对各个指令变化与(1)功能件载荷值的多个量值，(2)功能件压力值的多个量值，以及(3)功能件流量值的多个量值中的每个的各自关系进行定义来表示多个液压功能件的特征。

5.根据权利要求3所述的方法，其中操作每个给定的液压功能件的各个控制阀组件包括：导出流量系数，该流量系数为给定的液压功能件规定流量限制和流导中的一个；根据流量系数导出电流电平；并将电流电平施加到各个控制阀组件。

6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括导出流量共享值，该流量共享值指定出多个液压功能件所需的总流量与泵的可用流量之间的关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其中也根据流量共享值操作每个液压功能件的控制阀组件。

8.根据权利要求6所述的方法，其中操作给定的液压功能件的各个控制阀组件包括：

导出流量系数Kveq_i，该流量系数Kveq_i规定所给定的液压功能件的流量限制和流导中的一个，其中根据给定液压功能件被指令的移动方向使用下面公式中的一个导出：

$\mathrm{Kveq}\_i=\frac{\mathrm{Qspeed}\_i/R*\mathrm{Flow}\_\mathrm{share}}{\sqrt{R*(\mathrm{Ps}\_\mathrm{system}-\mathrm{dPload}\_i)-\mathrm{Pr}}}$

和

$\mathrm{Kveq}\_i=\frac{\mathrm{Qspeed}\_i*\mathrm{Flow}\_\mathrm{share}}{\sqrt{\mathrm{Ps}\_\mathrm{system}+R*(\mathrm{dPload}\_i-\mathrm{Pr})}}$

其中dPload_i是给定的液压功能件的功能件载荷值，Ps_system是所有液压功能件中最大的功能件压力值，Qspeed_i是给定的液压功能件的功t能件流量值，Flow_share是流量共享值，R是给定液压功能件的液压致动器的头部腔中的活塞面积与有杆腔中的另一活塞面积的比，以及Pr是回流管路中的压力；并且

根据流量系数Kveq_i，将电流电平施加到给定的液压功能件的控制阀组件。

9.根据权利要求3所述的方法，其中液压系统进一步包括按比例控制从泵到供给节点的流体流动的节流阀，并且该方法进一步包括根据多个功能件流量值操作该节流阀。

10.根据权利要求9所述的方法，其中操作节流阀包括使用功能件流量值的总和导出流量系数，该流量系数规定为节流阀流量限制和流导中的一个。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在供给节点将压力施加到泵的排量控制输入端。

12.根据权利要求1所述的方法，其中液压系统进一步包括按比例控制从泵到供给节点的流体流动的节流阀；并且进一步包括，对于每个指令，使用该指令导出功能件泵流量值，该功能件泵流量值表示各个液压功能件要求的来自泵的流量，从而产生多个功能件泵流量值；并且进一步包括根据多个功能件泵流量值操作节流阀。

13.根据权利要求12所述的方法，其中操作节流阀包括使用功能件流量值的总和导出流量系数，该流量系数规定为节流阀流量限制和流导中的一个。

14.根据权利要求13所述的方法，其中操作节流阀进一步包括，根据流量系数，产生用于操作节流阀的电流电平。

15.根据权利要求12所述的方法，其中操作节流阀包括：

导出流量共享值，该流量共享值规定为由多个液压功能件要求的总流量与从泵的可用流量之间的关系；

根据公式导出流量系数Kvq：

$\mathrm{Kvq}=\frac{\mathrm{Qpump}*\mathrm{Flow}\_\mathrm{share}}{\sqrt{\mathrm{Pm}\arg \mathrm{in}}}$

其中Qpump是由工作中的所有多个液压功能件的功能件泵流量值的总和产生的值，Flow_share是流量共享值，并且Pmargin是表示泵极限的值；并且

根据流量系数Kvq将电流电平施加到节流阀。

16.根据权利要求12所述的方法，其中液压系统进一步包括旁通阀，该旁通阀按比例控制从供给节点到对多个液压功能件进行旁通的回流管路的流体流量；其中该方法包括：单独根据每个指令，导出表示通过旁通阀的流量的功能件旁通值；并且根据选定的功能件旁通值操作该旁通阀。

17.根据权利要求16所述的方法，其中操作旁通阀包括：使用选定的功能件旁通值导出流量系数，该流量系数规定为旁通阀流量限制和流导之一。

18.根据权利要求16所述的方法，其中操作节流阀包括：使用最小的功能件旁通值与泵流量值总和之和来导出流量系数，该流量系数规定为节流阀的流量限制和流导中的一个。

19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：在接收多个指令之前，分别通过对各个指令变化与(1)功能件载荷值的多个量值，(2)功能件压力值的多个量值，以及(3)功能件流量值的多个量值，以及(4)功能件旁通值的多个量值中的每个的关系进行定义来表示多个液压功能件的特征。

20.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，对于每个指令，使用该指令导出功能件泵流量值，该功能件泵流量值表示各个液压功能件要求来自泵的流量，从而产生多个功能件泵流量值；并且根据多个功能件泵流量值改变来自泵的流体流量。

21.根据权利要求20所述的方法，其中液压系统进一步包括旁通阀，其按比例控制从供给节点到对多个液压功能件进行旁通的回流管路的流体流量；其中该方法包括：

单独根据每个指令，导出表示通过旁通阀的流量的功能件旁通值；并且根据选定的其中一个功能件旁通值操作该旁通阀。

22.根据权利要求21所述的方法，其中操作旁通阀包括：使用选定的其中一个功能件旁通值来导出流量系数，该流量系数规定为旁通阀的流量限制和流导之一。

23.根据权利要求22所述的方法，其中操作旁通阀进一步包括：根据流量系数，产生用于操作旁通阀的电流电平。

24.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：

导出流量共享值，该流量共享值指定由多个液压功能件所需的总流量与泵的可用流量之间的关系；

根据公式导出流量系数Kvb：

$\mathrm{Kvb}=\frac{\mathrm{Qbypass}*\mathrm{Flow}\_\mathrm{share}}{\sqrt{\mathrm{Ps}\_\mathrm{system}-\mathrm{Pr}}}$

其中Qbypass是对应于所有液压功能件中最小的功能件旁通值的值，而Ps_system是所有液压功能件中最大的功能件压力值，Flow_share是流量共享值，而Pr是回流管路中的压力；并且

根据流量系数Kvb，将电流电平施加到旁通阀。

25.一种用于操作液压系统的方法，该系统具有泵、从泵接收加压流体的供给节点、以及多个液压功能件，每个液压功能件均包括液压致动器和控制阀组件，流体通过该控制阀组件从供给节点流到该液压致动器和流体通过控制阀组件从液压致动器流到回流管路，所述方法包括：

对于多个液压功能件中的每一个对液压功能件的指令变化与(1)液压功能件流量，(2)与液压功能件相关的载荷量值，以及(3)液压功能件的供给压力水平的量值中的每个的各自关系进行定义；

此后，

接收多个指令，每个指令指定多个液压功能件中不同的一个的所需的操作；

分别根据每个指令，使用该指令值和关系导出指定各个液压功能件的流量的功能件流量值、指示与各个液压功能件相关的载荷大小的功能件载荷值、以及表示各个液压功能件的供给压力水平的功能件压力值，从而产生多个功能件流量值、功能件载荷值、以及功能件压力值；并且

对于接收指令的每个给定的液压功能件，根据功能件流量值和给定的液压功能件的功能件载荷值并且根据多个液压功能件中最大的功能件压力值来操作所给定的液压功能件的控制阀组件。

26.根据权利要求25所述的方法，其中操作每个给定的液压功能件的各个控制阀组件包括导出流量系数，该系数指定为给定的液压功能件的流量限制和流导中的一个；根据流量系数导出电流电平；并且将电流电平施加到各个控制阀组件。

27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括导出流量共享值，其指定出多个液压功能件所需的总流量与从泵获得的流量之间的关系；并且每个流量系数也根据流量共享值导出。

28.根据权利要求25所述的方法，其中液压系统进一步包括：节流阀，该节流阀按比例控制从泵到供给节点的流体流动；以及旁通阀，其按比例控制从供给节点到回流管路的流体流动，其中该方法包括：

分别根据每个指令，导出表示通过旁通阀的流量的功能件旁通值；

根据最小的功能件旁通值操作旁通阀；并且

根据多个功能件流量值的总和操作节流阀。

29.根据权利要求28所述的方法，其中操作旁通阀包括使用最小的功能件旁通值来导出流量系数，该流量系数规定为旁通阀的流量限制和流导中的一个；并且根据流量系数，产生用于操作该旁通阀的电流电平。

30.根据权利要求28所述的方法，其中操作节流阀包括使用功能件流量值的总和来导出流量系数，该系数规定为节流阀的流量限制和流导中的一个；并且根据流量系数，产生用于操作节流阀的电流电平。

31.根据权利要求28所述的方法，其中泵具有根据施加到控制输入端的压力而变化的排量，井且进一步包括在供给节点处将压力施加到控制输入端。

32.根据权利要求25所述的方法，进一步包括，对于接收的每个指令，使用该指令导出功能件泵流量值，该功能件泵流量值指定为各个液压功能件要求来自泵的流量，从而产生多个功能件泵流量值；并且根据多个功能件泵流量值改变来自泵的流体流量。

33.一种用于操作液压系统的方法，该系统具有泵、按比例控制从泵到供给节点的流体流动的节流阀、以及多个液压功能件，每个功能件包括液压致动器和控制阀组件，流体通过该控制阀组件从供给节点流到该液压致动器和流体通过该控制阀组件从液压致动器流到回流管路，该液压系统还包括旁通阀，该旁通阀按比例控制从供给节点到对多个液压功能件进行旁通的回流管路的流体流量，所述方法包括：

接收多个指令，每个指令指定多个液压功能件中不同的一个的所需的操作；

分别根据每个指令，使用该指令值导出指定各个液压功能件流量的功能件流量值、指示与各个液压功能件相关的载荷大小的功能件载荷值、表示各个液压功能件供给压力水平的功能件压力值、以及表示旁通阀流量的功能件旁通值，从而产生多个功能件流量值、功能件载荷值、功能件压力值和功能件旁通值；

根据最小的功能件旁通值来操作旁通阀；

根据多个功能件流量值的总和操作节流阀；并且

对于接收指令的每个给定的液压功能件，根据给定液压功能件的功能件流量值和功能件载荷值来操作各个控制阀组件。

34.根据权利要求33所述的方法，进一步包括在接收多个指令之前，通过对各个指令变化与(1)功能件流量值的多个量值，(2)功能件载荷值的多个量值，(3)功能件压力值的多个量值，以及(4)功能件旁通值的多个量值中的每个的各自关系进行定义分别来表示多个液压功能件的特征。

35.根据权利要求32所述的方法，其中操作旁通阀包括：使用最小的功能件旁通值来导出流量系数，该流量系数规定为旁通阀的流量限制和流导中的一个。

36.根据权利要求35所述的方法，其中操作旁通阀进一步包括：使用流量系数产生用于操作旁通阀的电流电平。

37.根据权利要求33所述的方法，其中操作节流阀包括：使用功能件流通值的总和来导出流量系数，该流量系数规定为节流阀的流量限制和流导中的一个。

38.根据权利要求33所述的方法，其中操作节流阀包括：使用最小的功能件旁通值与功能件流量值的总和之和来导出流量系数，该流量系数规定为节流阀的流量限制和流导中的一个。

39.根据权利要求38所述的方法，其中操作节流阀进一步包括：使用流量系数产生用于操作节流阀的电流电平。

40.根据权利要求33所述的方法，其中操作给定的液压功能件的各个控制阀组件包括：根据给定的液压功能件的各个功能件流量值和功能件载荷值以及根据最大的功能件压力值，导出流量系数，该流量系数规定为给定的液压功能件的流量限制和流导中的一个；并且根据流量系数操作各个控制阀组件。

41.根据权利要求33所述的方法，进一步包括导出流量共享值，其指定多个液压功能件要求的总流量与从泵的可用流量之间的关系；也根据流量共享值进行操作旁通阀、操作节流阀、和操作每个液压功能件的控制阀组件中的至少一个。

42.根据权利要求33所述的方法，其中泵具有根据施加到控制输入端的压力而变化的排量；并且进一步包括在供给节点将压力施加到该控制输入端。

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