CN103850286B - 一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统，包括先导操作手柄、第一压力继电器、第二压力继电器、第一溢流阀、电量储存单元、电机控制器、第一定量泵、第二定量泵、电动机、第二溢流阀、第一开中心六通比例方向阀、第二开中心六通比例方向阀、第一梭阀、第一油缸、第二梭阀、第三梭阀、第二油缸、电磁换向阀、定差溢流阀、第三溢流阀、节流口、压力传感器以及总成控制器等。通过配合采用电动机和定量泵，在降低成本的同时通过动态调整电动机的转速实现液压泵流量和负载所需流量的匹配。本发明克服了传统负流量系统在重载时调速行程较短的不足之处，在建立负载所需要压力之前在节流口上没有节流损耗，降低液压系统的能量损失。

Description

一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统

技术领域

本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其是涉及一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统。

背景技术

随着世界范围内能源短缺和环境污染问题的日趋严重，节能减排技术是目前研究的热点。液压挖掘机是一种功率比较大的工程机械，但是其能量的总利用率较低。液压挖掘机实现节约能源、降低排放一直是业界努力追求的目标。混合动力驱动技术和电驱动技术是当前的研究热点。

当前主流挖掘机仍然采用发动机-变量泵-多路阀-执行器的驱动系统，发动机一般由驾驶员根据实际作业工况设置在某个固定档位，在实际挖掘时，发动机的转速基本维持在某个转速。因此传统挖掘机用的负流量控制系统前提必须采用变量泵。其工作原理为：在多路换向阀中位回油通道上设置一个节流口，油液通过节流口产生压差，将节流口前压力引至液压泵变量机构来控制液压泵的排量。当回路中多路换向阀各联阀芯均处于中位时，液压泵的液压油通过中心油道到达主控阀底部溢流阀，经过底部溢流阀的增压产生方向流。当多路换向阀任意一联处于最大开度时，液压泵输出流量几乎全部进入相应的执行元件，通过节流口的回油量很小，此时主泵的排量自动增加到最大以满足作业速度的需要。当多路换向阀的开度在中位和最大开度之问微动时，变量泵的排量也在最小和最大排量之间变化，且控制压力越大，液压泵的排量越小，即液压泵的控制压力与液压泵的排量成反比。

传统负流量系统中，调速是采用旁路回油节流和进油节流的组合，通过回油节流建立的压力克服负载压力，因此调速特性受负载压力和液压泵流量的影响。在轻负荷时，驱动负载所需要的压力较小，多路换向阀的开度稍离开中位，即可通过回油节流建立压力克服负载压力，流量调速行程大，操纵性能好。重载时，驱动负载所需要的压力较大，多路换向阀的开度需要较大时，甚至已经越过调速区域后，才可建立克服负载所需压力，有效的调速范围行程减小，调速特性曲线变陡，阀的调速性能变差。此外，在负流量控制的液压系统中，在建立起克服负载所需压力之前，传统负流量系统中仍然有大量的流量通过节流口，不仅存在较大的功率损失，同时由于减小了液压泵的排量，导致建立克服负载所需压力的时间的较长。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是为电驱动液压挖掘机提供一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统，其能通过电动机的调速有效解决液压挖掘机液压泵流量和负载的匹配问题，同时由于定量泵代替变量泵，降低了成本。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统，包括先导操作手柄、第一压力继电器、第二压力继电器、第一溢流阀、电量储存单元、电机控制器、第一定量泵、第二定量泵、电动机、第二溢流阀、第一开中心六通比例方向阀、第二开中心六通比例方向阀、第一梭阀、第一油缸、第二梭阀、第三梭阀、第二油缸、电磁换向阀、定差溢流阀、第三溢流阀、节流口、压力传感器以及总成控制器；其中：

该电动机、第一定量泵和第二定量泵同轴机械相联，电动机通过电机控制器与电量储存单元电性相连；该第二溢流阀的进油口、第一开中心六通比例方向阀的P口和P1口以及第二开中心六通比例方向阀的P口均连接第二定量泵的出油口，第二溢流阀的出油口接油箱；该第一开中心六通比例方向阀的T口连接油箱，第一开中心六通比例方向阀的A口连接第一油缸的无杆腔，第一开中心六通比例方向阀的B口连接第一油缸的有杆腔，第一开中心六通比例方向阀的D口连接第二开中心六通比例方向阀的P1口；第二开中心六通比例方向阀的T口连接油箱，第二开中心六通比例方向阀的A口连接第二油缸的无杆腔，第二开中心六通比例方向阀的B口连接第二油缸的有杆腔，第二开中心六通比例方向阀的D口连接定差溢流阀的进油口；第一油缸的有杆腔和无杆腔分别和第一梭阀的两个进油口相连；第二油缸的有杆腔和无杆腔分别和第三梭阀的两个进油口相连；第一梭阀和第三梭阀的出油口分别和第二梭阀的两个进油口相连，第二梭阀的出油口接电磁换向阀的P口，电磁换向阀的T口连接油箱，电磁换向阀的A口连接定差溢流阀的K口；节流口的进油口、第三溢流阀的进油口以及压力传感器均连接定差溢流阀的出油口，节流口的出油口以及第三溢流阀的出油口均连接油箱；先导操作手柄的P口、第一溢流阀的进油口均连接第一定量泵的出油口，第一溢流阀的出油口和先导操作手柄的T口连接油箱。

作为一种优选方案，所述先导操作手柄连接第一压力继电器和第二压力继电器，第一压力继电器、第二压力继电器和压力传感器的输出信号作为总成控制器的输入信号，总成控制器输出信号控制电机控制器和电磁换向阀。

作为一种优选方案，所述电量储存单元为电池或电容。

作为一种优选方案，所述电量储存单元为镍氢电池。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

（1）在电驱动液压挖掘机中，由于电动机代替发动机驱动液压泵后，考虑到电动机相对发动机具有良好的调速性能的特点，通过电动机的转速的调整代替了传统驱动中通过改变液压泵排量来优化液压泵流量和负载所需流量的匹配。因此系统可以采用定量泵代替变量泵，不仅降低了成本，同时由于电动机的变转速相对变量泵的变排量具有更快的动态响应，进而可以动态的实现液压泵流量和负载所需流量的匹配。

（2）通过在节流口之前增加了一个定差溢流阀以及若干梭阀，利用梭阀获得负载的最大压力，在第二定量泵的出口压力建立起克服负载所需要的压力之前，定差溢流阀关闭，在由于第二定量泵出口、第一开中心六通比例方向阀的P口、第二开中心六通比例方向阀的P口以及定差溢流阀进油口之间组成了一个密闭容腔，同时电动机的转速最大，进而可以在第二定量泵的出口快速建立起克服负载所需要的压力，不仅克服了传统负流量系统中在重载时的有效的调速范围行程减小，调速特性曲线(流量随行程变化)变陡的不足之处，同时在建立负载所需要压力之前在节流口上没有节流损耗，降低液压系统的能量损失。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：

附图说明

图1是本发明之较佳实施例的结构原理图；

图2是本发明之较佳实施例中阀芯开度与流量的曲线图。

附图标识说明：

1、先导操作手柄2、第一压力继电器

3、第二压力继电器4、第一溢流阀

5、电量储存单元6、电机控制器

7、第一定量泵8、第二定量泵

9、电动机10、第二溢流阀

11、第一开中心六通比例方向阀

12、第二开中心六通比例方向阀

13、第一梭阀14、第一油缸

15、第二梭阀16、第三梭阀

17、第二油缸18、电磁换向阀

19、定差溢流阀20、第三溢流阀

21、节流口22、压力传感器

23、总成控制器

具体实施方式

请参照图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有先导操作手柄1、第一压力继电器2、第二压力继电器3、第一溢流阀4、电量储存单元5、电机控制器6、第一定量泵7、第二定量泵8、电动机9、第二溢流阀10、第一开中心六通比例方向阀11、第二开中心六通比例方向阀12、第一梭阀13、第一油缸14、第二梭阀15、第三梭阀16、第二油缸17、电磁换向阀18、定差溢流阀19、第三溢流阀20、节流口21、压力传感器22以及总成控制器23；其中：

该电动机9、第一定量泵7和第二定量泵8同轴机械相联，该电动机9通过电机控制器6与电量储存单元5电性相连，该电量储存单元5为电池或电容，在本实施例中，该电量储存单元5为镍氢电池；第二溢流阀10的进油口、第一开中心六通比例方向阀11的P口和P1口以及第二开中心六通比例方向阀12的P口均连接第二定量泵8的出油口，第二溢流阀10的出油口接油箱，第一开中心六通比例方向阀11的T口连接油箱，第一开中心六通比例方向阀11的A口连接第一油缸14的无杆腔，第一开中心六通比例方向阀11的B口连接第一油缸14的有杆腔，第一开中心六通比例方向阀11的D口连接第二开中心六通比例方向阀12的P1口；第二开中心六通比例方向阀12的T口连接油箱，第二开中心六通比例方向阀12的A口连接第二油缸17的无杆腔，第二开中心六通比例方向阀12的B口连接第二油缸17的有杆腔，第二开中心六通比例方向阀12的D口连接定差溢流阀19的进油口；第一油缸14的有杆腔和无杆腔分别和第一梭阀13的两个进油口相连；第二油缸17的有杆腔和无杆腔分别和第三梭阀16的两个进油口相连；第一梭阀13和第三梭阀16的出油口分别和第二梭阀15的两个进油口相连，第二梭阀15的出油口接电磁换向阀18的P口，电磁换向阀18的T口连接油箱，电磁换向阀18的A口连接定差溢流阀19的K口；节流口21的进油口、第三溢流阀20的进油口以及压力传感器22均连接定差溢流阀19的出油口，节流口21的出油口以及第三溢流阀20的出油口均连接油箱；先导操作手柄1的P口、第一溢流阀4的进油口均连接第一定量泵7的出油口，第一溢流阀4的出油口和先导操作手柄1的T口连接油箱。

以及，该先导操作手柄1连接第一压力继电器2和第二压力继电器3，第一压力继电器2、第二压力继电器3和压力传感器22的输出信号作为总成控制器23的输入信号，总成控制器23输出信号控制电机控制器6和电磁换向阀18，总成控制器23的输入信号还可包括其他输入和输出信号，本发明专利仅涉及与负流量控制相关的信号。

参照图2所示，详述本实施例的工作原理如下：

1.电气控制原理

在液压系统中的第二开中心六通比例方向阀12的回油通道上设置第三溢流阀20和节流口21而组成负流量控制压力检测单元，油液通过节流口21产生压差，通过压力传感器22检测得到负流量控制压力p_i3，并作为总成控制器23的输入信号。总成控制器23根据输入信号p_i1，p_i2，p_i3等信号产生电机控制器6的控制信号C1（表征电动机9的目标转速）和电磁换向阀18的控制信号C2（24表征电磁换向阀18的电磁铁得电，0表征电磁换向阀18的电磁铁失电）。

（1）电机控制器6的控制信号C1的规则如下：

1）根据电动机9的调速范围、第一定量泵7和第二定量泵8的调速范围，设定电动机9的最低转速n_min对应的控制信号C_1min和最高转速n_max对应的控制信号C_1max；假设由第三溢流阀20设定的负流量控制压力p_i3的最大值为p_i3max；

2)电机控制器6的初始工作信号可以由驾驶员设定在某个转速对应的信号C₀，让电动机9开始工作；

3）检测负流量控制压力p_i3，第一压力继电器2和第二压力继电器3的输出信号分别为p_i1和p_i2；

4）当第一压力继电器2和第二压力继电器3的输出信号p_i1和p_i2均没有信号时，表明先导操作手柄1处于中位，此时设定电机控制器6的控制信号C1=C_1min；

5）当任何一个第一压力继电器2和第二压力继电器3产生输出信号p_i1和p_i2时，通过负流量控制压力p_i3修正电机控制器6的控制信号C1,修正公式为C1=C₀-p_i3*(C_1max-C_1min)/p_i3max，且电机控制器6的控制信号C1不低于C_1min，即控制压力p_i3越大，电机控制器6的控制信号C1越小，电动机9的转速越小，第二定量泵8的输出流量减少。

（2）电磁换向阀18的控制信号C2的规则如下：

电磁换向阀18是否得电取决于第一压力继电器2和第二压力继电器3的输出信号p_i1和p_i2。当p_i1和p_i2均没有输出信号时，C2等于0，即电磁换向阀18的电磁铁失电，定差溢流阀19的控制油口K的压力最小，使得第二定量泵8的液压油可以以一个较低的压力回油箱；当任何一个p_i1和p_i2有输出信号时，C2等于24，电磁换向阀18的电磁铁得电，通过第二梭阀15的出油口（负载最大压力p_i4）引至定差溢流阀19的控制油口K，使得定差溢流阀19在其进口压力比负载最大压力p_i4大某个值（由定差溢流阀19设定）时才打开。

2.液压工作原理

（1）当p_i1和p_i2均没有输出信号时，即第一开中心六通比例方向阀11或者第二开中心六通比例方向阀12均处于中位，电磁换向阀18的电磁铁失电，定差溢流阀19的控制油口K卸荷，第一开中心六通比例方向阀11和第二开中心六通比例方向阀12的油口P-A和B-T或者P-B和A-T均关闭，油路P1-D卸荷回路接通，第二定量泵8的全部流量通过定差溢流阀19和节流口21以一个较小的压力值回油箱，通过节流口21的流量达到最大值，进而使得负流量控制压力p_i3为最大值，这个最大值由与节流口21并联的第三溢流阀20确定，使得电动机9的转速自动减少到最小。

（2）当第一开中心六通比例方向阀11或者第二开中心六通比例方向阀12离开中位，但均尚未越过其阀口遮盖量X1时，电磁换向阀18的电磁铁得电，第一开中心六通比例方向阀11和第二开中心六通比例方向阀12的油口P-A或者P-B关闭，油路P1-D卸荷回路接通，通过第三梭阀16，第一梭阀13和第二梭阀15得到第一油缸14和第二油缸17的两腔的最大压力p_i4，并引至定差溢流阀19的控制油口K，当定差溢流阀19的进口压力，即第二定量泵8的出口压力，尚未建立其比第一油缸14和第二油缸17的两腔的最大压力p_i4高某个值（由定差溢流阀19设定）时，定差溢流阀19关闭，节流口21无节流损耗，提高了液压系统的效率，同时使得控制压力p_i3为零，此时电动机9的转速增加到最大。第二定量泵8的全部流量进入定差溢流阀19的前腔并快速建立克服负载所需要的压力，一旦压力建立后，定差溢流阀19打开，第二定量泵8的所有液压油通过定差溢流阀19和节流口21回油箱，通过节流口21的流量达到最大值，进而使得负流量控制压力p_i3为最大值，这个最大值由与节流口21并联的溢流阀17确定，使得电动机9的转速自动减少到最小。

（3）当回路中第一开中心六通比例方向阀11和第二开中心六通比例方向阀12的任何一个或者两个的阀芯离开中位越过其阀口遮盖量X1但没有越过调速区域的最大开度X2时，电磁换向阀18的电磁铁得电，通过第三梭阀16，第一梭阀13和第二梭阀15得到第一油缸14和第二油缸17的两腔的最大压力p_i4，并引至定差溢流阀19的控制油口K，当定差溢流阀19的进口压力，即第二定量泵8的出口压力，尚未建立其比第一油缸14和第二油缸17的两腔的最大压力p_i4高某个值（由定差溢流阀19设定）时，定差溢流阀19关闭，由第二定量泵8出口、第一开中心六通比例方向阀11的P口、第二开中心六通比例方向阀12的P口以及定差溢流阀19进油口之间组成了一个密闭容腔，节流口21无节流损耗，不仅提高了液压系统的效率，同时使得控制压力p_i3为零，电动机9的转速增加到最大。因此不管负载是轻负载还是重负载，在建立其克服最大负载所需要的压力之前，电动机9的转速最大，同时第二定量泵8的所有液压油在密封容腔快速建立起克服负载所需要的压力，保证了该系统的调速特性不受负载压力的影响。

（4）当回路中第一开中心六通比例方向阀11或第二开中心六通比例方向阀12的阀芯越过调速区域的最大开度X2时，电磁换向阀18仍然得电，第一开中心六通比例方向阀11或第二开中心六通比例方向阀12的油路P1-D关闭，第二定量泵8的输出流量全部通过第一开中心六通比例方向阀11或第二开中心六通比例方向阀12的油路P-A或者油路P-B进入相应的第一油缸14或者第二油缸17的两腔，没有流量通过节流口21，此时电动机9的转速增加到最大以满足作业速度的需要。

本发明的设计重点在于：由于电动机代替发动机驱动液压泵后，考虑到电动机相对发动机具有良好的调速性能的的特点，系统采用了一个定量泵代替传统驱动系统中的变量泵，通过电动机的转速的调整代替了传统驱动中通过改变液压泵排量来优化液压泵流量和负载所需流量的匹配。不仅降低了成本，同时由于电动机的变转速相对变量泵的变排量具有更快的动态响应，进而可以动态的实现液压泵流量和负载所需流量的匹配。此外，通过在节流口之前增加了一个定差溢流阀以及若干梭阀，利用梭阀获得负载的最大压力，利用定差溢流阀使得在液压泵的出口压力建立起克服负载所需要的压力之前，电动机的转速最大，同时在由于液压泵出口、第一开中心六通比例方向阀的P口、第二开中心六通比例方向阀的P口以及定差溢流阀进油口之间组成了一个密闭容腔，使得在液压泵的出口快速建立起克服负载所需要的压力，不仅克服了传统负流量系统中在重载时的有效的调速范围行程减小，调速特性曲线(流量随行程变化)变陡的不足之处，同时在建立负载所需要压力之前在节流口上没有节流损耗，进一步降低液压系统的能量损失。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统，其特征在于：包括先导操作手柄（1）、第一压力继电器（2）、第二压力继电器（3）、第一溢流阀（4）、电量储存单元（5）、电机控制器（6）、第一定量泵（7）、第二定量泵（8）、电动机（9）、第二溢流阀（10）、第一开中心六通比例方向阀（11）、第二开中心六通比例方向阀（12）、第一梭阀（13）、第一油缸（14）、第二梭阀（15）、第三梭阀（16）、第二油缸（17）、电磁换向阀（18）、定差溢流阀（19）、第三溢流阀（20）、节流口（21）、压力传感器（22）以及总成控制器（23）；其中：

该电动机（9）、第一定量泵（7）和第二定量泵（8）同轴机械相联，电动机（9）通过电机控制器（6）与电量储存单元（5）电性相连；该第二溢流阀（10）的进油口、第一开中心六通比例方向阀（11）的P口和P1口以及第二开中心六通比例方向阀（12）的P口均连接第二定量泵（8）的出油口，第二溢流阀（10）的出油口接油箱；该第一开中心六通比例方向阀（11）的T口连接油箱，第一开中心六通比例方向阀（11）的A口连接第一油缸（14）的无杆腔，第一开中心六通比例方向阀（11）的B口连接第一油缸（14）的有杆腔，第一开中心六通比例方向阀（11）的D口连接第二开中心六通比例方向阀（12）的P1口；第二开中心六通比例方向阀（12）的T口连接油箱，第二开中心六通比例方向阀（12）的A口连接第二油缸（17）的无杆腔，第二开中心六通比例方向阀（12）的B口连接第二油缸（17）的有杆腔，第二开中心六通比例方向阀（12）的D口连接定差溢流阀（19）的进油口；第一油缸（14）的有杆腔和无杆腔分别和第一梭阀（13）的两个进油口相连；第二油缸（17）的有杆腔和无杆腔分别和第三梭阀（16）的两个进油口相连；第一梭阀（13）和第三梭阀（16）的出油口分别和第二梭阀（15）的两个进油口相连，第二梭阀（15）的出油口接电磁换向阀（18）的P口，电磁换向阀（18）的T口连接油箱，电磁换向阀（18）的A口连接定差溢流阀（19）的K口；节流口（21）的进油口、第三溢流阀（20）的进油口以及压力传感器（22）均连接定差溢流阀（19）的出油口，节流口（21）的出油口以及第三溢流阀（20）的出油口均连接油箱；先导操作手柄（1）的P口、第一溢流阀（4）的进油口均连接第一定量泵（7）的出油口，第一溢流阀（4）的出油口和先导操作手柄（1）的T口连接油箱。

2.根据权利要求1所述的一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统，其特征在于：所述先导操作手柄（1）连接第一压力继电器（2）和第二压力继电器（3），第一压力继电器（2）、第二压力继电器（3）和压力传感器（22）的输出信号作为总成控制器（23）的输入信号，总成控制器（23）输出信号控制电机控制器（6）和电磁换向阀（18）。

3.根据权利要求1所述的一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统，其特征在于：所述电量储存单元（5）为电池或电容。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于定量泵的电驱动液压挖掘机负流量系统，其特征在于：所述电量储存单元（5）为镍氢电池。