CN103867505A - 一种矿用自卸车和液压驱动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压驱动装置，包括机壳和曲轴，还包括至少两个液压油缸和至少两个检测装置及控制器，各液压油缸分别与曲轴的各曲柄铰接，每个检测装置用于获取每个液压油缸换向位置信号，控制器获取各个检测装置信号，控制各液压油缸协同工作。本发明还提供了一种矿用自卸车和液压驱动装置控制方法。本发明稳定性好，负载适应能力强，调速范围广。

Description

一种矿用自卸车和液压驱动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种矿用自卸车和液压驱动装置及控制方法。

背景技术

非公路矿用自卸车是在露天矿山为完成岩石土方剥离与矿石运输任务而使用的一种重型自卸车，其工作特点为运程短、承载重。因其外形超宽，总质量超量，不允许在公路上行驶。非公路矿用自卸车从驱动方式上可分为机械传动和电传动。近年来，由于电传动非公路矿用自卸车具有底盘结构简单、操作轻便灵活、可靠性高、运行经济性好，因而在大型露天矿山开采运输中得到广泛应用。电传动又分为直流驱动和交流驱动。由于直流驱动系统的维护费用相对较高，且由于电机装在车轮中心，空间有限，绝缘材料和铁磁材料性能远远赶不上吨位增长的要求，直流驱动系统已经影响了车辆大型化的发展。因此，随着车辆大型化的要求，交流驱动系统已成为大吨位车辆发展的必然选择。

交流驱动系统由柴油机驱动交流发电机发电，发出的三相交流电经整流器整成直流，然后逆变器根据需要，将直流逆变成合适频率与电压的交流输入交流电动机，交流电动机经过齿轮传动驱动车轮实现矿用自卸车的行走。由于交流驱动系统采用交流异步电机，电机的维护量大大降低，且交流传动无需机械传动扭矩，也不需要定期拆装电机更换电刷和换向器，运行成本也大大降低。

但由于作为矿用自卸车核心部件的交流传动电控系统，国内无法配套，长期依赖进口。且造价占整车比例大，导致国产矿用自卸车的成本很难降下来。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种矿用自卸车和液压驱动装置及控制方法，以解决矿用自卸车的低速大扭矩驱动装置和多个液压油缸协同控制问题。

一方面，本发明提供了一种液压驱动装置，包括机壳和曲轴，还包括至少两个液压油缸和至少两个检测装置及控制器，各液压油缸分别与曲轴的各曲柄铰接，每个检测装置用于获取每个液压油缸换向位置信号，控制器获取各个检测装置信号，控制各液压油缸协同工作。

进一步地，每个检测装置包括上止点传感器和下止点传感器，上止点传感器和下止点传感器分别用于检测每个曲柄上止点和下止点位置。

进一步地，还包括偏转装置，上止点传感器和下止点传感器安装在偏转装置上。

进一步地，每个检测装置包括压差传感器，压差传感器安装在每个液压油缸上。

进一步地，每个检测装置包括角度传感器，每个角度传感器用于检测每个液压油缸摆动角度。

进一步地，还包括第一控制阀和第二控制阀及差动阀，差动阀的进油口与液压油缸无杆腔相通，差动阀的出油口与液压油缸有杆腔相通，第一控制阀的一进出油口与液压油缸无杆腔相连通，第二控制阀的一进出油口与液压油缸有杆腔相连通。

本发明提供的液压驱动装置，采用多个液压油缸驱动曲轴旋转，多个液压油缸与多个曲柄铰接，解决了矿用自卸车低转速大扭矩的需要。为了实现多个液压油缸协同控制，第一种方案：采用上止点传感器和下止点传感器检测曲柄上止点和下止点位置，上止点传感器和下止点传感器可以采用接近开关或者其它类型的传感器。控制器获取上止点传感器和下止点传感器信号，控制第一控制阀和第二控制阀及差动阀动作。实现液压油缸换向动作以及调节曲轴转速和扭矩大小。结构巧妙，性能稳定可靠，可以实现多个档位选择控制。为实现液压油缸换向的准确性，因为控制系统的信号从输入到输出响应过程中存在滞后，会造成液压油缸换向滞后。因此还设置了偏转装置，上止点传感器和下止点传感器安装在偏转装置上。当控制器接收到曲轴正反转输入信号后，即向偏转装置输出控制信号，使偏转装置向相反方向偏转一定角度。从而可以提前获取曲柄到达上止点或下止点信号，弥补控制系统的信号从输入到输出响应过程中存在滞后问题。

第二种方案：在液压油缸上安装压差传感器检测液压油缸换向位置。控制器获取压差传感器信号，控制第一控制阀和第二控制阀及差动阀动作。实现液压油缸换向动作以及调节曲轴转速和扭矩大小。结构巧妙，性能稳定可靠，可以实现多个档位选择控制。压差传感器位于换向位置之前。弥补控制系统的信号从输入到输出响应过程中存在滞后问题。

第三种方案，采用角度传感器，获取液压油缸摆动角度，从而获取液压油缸换向位置。控制器获取角度传感器信号，控制第一控制阀和第二控制阀及差动阀动作。实现液压油缸换向动作以及调节曲轴转速和扭矩大小。结构巧妙，性能稳定可靠，可以实现多个档位选择控制。

另外还提供了一种矿用自卸车，包括上述的液压驱动装置。

本发明提供的矿用自卸车，采用了上述低速大扭矩液压驱动装置，满足了矿用自卸车实际工况需要，负载适应能力强，调速范围广。而且液压驱动装置可以直接驱动车轮旋转，车轮的速度和扭矩调节非常方便，节省了一些传动装置。

另外还提供了一种液压驱动装置控制方法，包括以下步骤，

步骤1：获取曲轴旋转方向信号；

步骤2：判断各液压油缸位置区间；假如曲轴沿着顺时针方向旋转，曲柄下止点到上止点区间为[0～π]，曲柄上止点到下止点区间为[π～2π]；假如曲轴沿着逆时针方向旋转，曲柄下止点到上止点区间为[0～π]，曲柄上止点到下止点区间为[π～2π]；

步骤3：控制液压系统向[0～π]区间的至少一个液压油缸无杆腔供油，或者控制液压系统向[0～π]区间的至少一个液压油缸有杆腔和无杆腔同时供油；或者控制液压系统向[π～2π]区间的至少一个液压油缸有杆腔供油；

步骤4：获取所有液压油缸换向信号；

步骤5：控制液压油缸换向动作。

进一步地，在步骤3中，至少包括以下档位中的一个：

第一档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔供油，向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油；

第二档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔供油，切断向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油；

第三档位：液压系统向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油，切断向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔供油；

第四档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔和有杆腔供油；切断向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油；

第五档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔和有杆腔供油；向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油。

进一步地，在步骤4中，在液压油缸换向之前，获取液压油缸换向信号。

进一步地，在步骤5中，如果检测到相位相隔180度的两个液压油缸（1）的任何一个液压油缸换向信号，控制该两个液压油缸同时换向。

本发明提供的一种液压驱动装置控制方法，通过判断各液压油缸位置区间和曲轴旋转方向信号；实现多个液压油缸协同驱动控制。控制逻辑简单，易于实现。另外，为了实现调节液压驱动装置转速和扭矩大小，液压驱动装置包括五个档位，负载适应能力强，调速范围广。另外，为了提高控制系统稳定性能，还采用了冗余设计，如果检测到相位相隔180度的两个液压油缸中一个液压油缸换向信号，控制两个液压油缸同时换向，因为该两个液压油缸的活塞杆运动方向相反，只需要检测其中一个液压油缸换向信号，就可以知道另一个液压油缸换向位置。如果是采用上止点传感器和下止点传感器，一个上止点传感器和下止点传感器损坏，不会影响该液压油缸换向动作。同理，如果是采用压差传感器或者角度传感器，也不会影响该液压油缸换向动作。确保了控制系统的稳定性，另外还具有传感器故障显示和报警功能。.

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种液压驱动装置结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明一种液压驱动装置的上止点传感器和下止点传感器安装示意图；

图4为图3的左视图；

图5为本发明一种液压驱动装置的液压油缸的液压系统结构示意图；

图6为本发明另一种液压驱动装置结构示意图；

图7为本发明一种液压驱动装置控制方法示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明所述的曲柄3上止点和下止点是指，曲轴2旋转180度，如果液压油缸1上下布置，曲柄3上止点是指曲柄3旋转至最上方位置，曲柄3下止点是指曲柄3旋转至最下方位置。如果液压油缸1水平布置，曲柄3上止点和下止点是指曲柄3旋转至水平位置的左右两个位置。

如图1和图2所示，本发明优选提供的一种液压驱动装置，包括机壳（图中未示意出）和曲轴2，曲轴2安装在机壳上，曲轴2包括8个曲柄3和8个液压油缸1，一个液压油缸1的活塞杆铰接在一个曲柄3上，每个液压油缸1的缸筒铰接在机壳上。8个液压油缸1通过曲柄3，将液压油缸1的直线运动转变为曲轴2旋转运动。

为了解决曲轴2动平衡问题，曲轴2和液压油缸1的个数一般为偶数，且曲柄3都是对应布置，也就是说，对应的两个曲柄3的相位相隔180度。

如图3和图4所示，还包括8个上止点传感器5和8个下止点传感器6，一个上止点传感器5用于测量一个曲柄3上止点位置信号，一个下止点传感器6用于测量一个曲柄3下止点位置信号。8个上止点传感器5和8个下止点传感器6均为接近开关，接近开关工作稳定性好，适应恶劣的工作环境。8个上止点传感器5和8个下止点传感器6安装在偏转装置4上，8个上止点传感器5和8个下止点传感器6沿曲轴2轴线排列，上止点传感器5和下止点传感器6分别位于对应曲柄3的上止点和下止点换向位置附近，对应的上止点传感器5和下止点传感器6相位相隔180度。当控制器接收到曲轴2正反转输入信号后，即向偏转装置4输出控制信号，使偏转装置4向相反方向偏转一定角度。从而可以提前获取曲柄3到达上止点或下止点信号，弥补控制系统的信号从输入到输出响应过程中存在滞后问题。

本发明提供的液压驱动装置，采用多个液压油缸1驱动曲轴2旋转，多个液压油缸1与多个曲柄3铰接，解决了矿用自卸车低转速大扭矩的需要。另外，该液压驱动装置，可以很方便的控制其中几个液压油缸1作功，控制其中几个液压油缸1不作功的模式，实现多个档位控制。例如：三种作用区间模式包括：①[0～2π]液压油缸1作功；②[0～π]液压油缸1作功，[π～2π]液压油缸1不作功；③[0～π]液压油缸1不作功，[π～2π]液压油缸1作功。调节液压驱动装置转速和输出扭矩的大小，使得负载适应能力强，调速范围广。另外，液压油缸1还具有三种驱动模式，如图5所示，例如：第一种驱动模式，如果第一控制阀8的进油口P和第二控制阀7的出油口T以及差动阀9同时打开，液压油缸1无杆腔进油，液压油缸1无杆腔的液压油进入液压油缸1的有杆腔，液压油缸1的有效作用面积为无杆腔作用面积与有杆腔作用面积之差，液压油缸1作用力最小，液压油缸1的活塞杆运动速度最高。例如：第二种驱动模式，如果第一控制阀8进油口P和第二控制阀7出油口T同时打开，差动阀9关闭，液压油缸1无杆腔进油，液压油缸1有杆腔回油，液压油缸1的有效作用面积为无杆腔作用面积，液压油缸1作用力最大。例如：第三种驱动模式，如果第一控制阀8出油口T和第二控制阀7进油口P同时打开，差动阀9关闭，液压油缸1有杆腔进油，液压油缸1无杆腔回油，液压油缸1的有效作用面积为有杆腔作用面积，液压油缸1作用力较小。这样就很方便可以调节液压驱动装置转速和扭矩大小，使得负载适应能力强，调速范围广。

本发明的一种液压驱动装置的控制器还具有8个液压油缸1状态记忆功能，可以将上次停机时8个液压油缸1状态进行记忆，为下一次液压驱动装置启动提供数据。该液压驱动装置在启动时，可以控制偏转装置4旋转，从而重新获取液压油缸1位置信号，进而控制各区间液压油缸1的伸缩。

本发明的液压驱动装置，为了控制液压油缸1换向，还可以采用在液压油缸1上安装压差传感器，获取液压油缸1换向信号，控制器获取压差传感器信号，控制液压油缸1换向。

也可以在液压油缸1与壳体铰接位置安装角度传感器，检测液压油缸1在伸缩过程中摆动角度，从而可以获得液压油缸1换向信号。首先标定摆动角度为0度和180度时，为液压油缸1的换向时刻；如逆时针旋转时，摆动角度从正穿越到负，为液压油缸1最大位移处；摆动角度从负穿越到正，为液压油缸1最小位移处。每个液压油缸1换向只需要1个角度传感器；可获取任意时刻液压油缸1的位置信息；如逆时针旋转时，摆动角度大于0的，全部在[0，π]区间；摆动角度小于0的，全部在[π，2π]区间；可通过编程，定义换向时刻的角度，解决系统的响应滞后性问题。

如图6所示，本发明公开另一种液压驱动装置，该液压驱动装置与图2所示的液压驱动装置不同在于，液压油缸1布置方式不同。图2所示的所有液压油缸1与壳体铰接点在同一轴线上，图6所示的一部分液压油缸1与壳体铰接点在一轴线上，另一部分液压油缸1与壳体铰接点在另一轴线上。

如图7所示，本发明还优选了一种液压驱动装置控制方法，包括以下步骤，

步骤1：获取曲轴旋转方向信号；

步骤2：判断各液压油缸位置区间；假如曲轴沿着顺时针方向旋转，曲柄下止点到上止点区间为[0～π]，曲柄上止点到下止点区间为[π～2π]；假如曲轴沿着逆时针方向旋转，曲柄下止点到上止点区间为[0～π]，曲柄上止点到下止点区间为[π～2π]；

步骤3：控制液压系统向[0～π]区间的至少一个液压油缸无杆腔供油，或者控制液压系统向[0～π]区间的至少一个液压油缸有杆腔和无杆腔同时供油；或者控制液压系统向[π～2π]区间的至少一个液压油缸有杆腔供油；

步骤4：获取所有液压油缸换向信号；

步骤5：控制液压油缸换向动作。

为了实现调节液压驱动装置转速和扭矩大小，采用了三种作用区间模式和三种驱动模式，且三种作用区间模式和三种驱动模式能组合出满足更多作业工况要求的档位，负载适应能力强，调速范围广。

第一档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔供油，向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油；

第二档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔供油，切断向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油；

第三档位：液压系统向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油，切断向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔供油；

第四档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔和有杆腔供油；切断向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油；

第五档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸无杆腔和有杆腔供油；向[π～2π]区间的所有液压油缸有杆腔供油。

为了液压油缸1换向准确性，在液压油缸1换向位置之间获取换向信号，如果采用上止点传感器5和下止点传感器6获取液压油缸1换向信号方案，当控制器接收到曲轴2正反转输入信号后，即向偏转装置4输出控制信号，使偏转装置4向相反方向偏转一定a角度。a角度大小可以根据曲轴2转速大小进行调节，曲轴2转速越高，a角度也就越大，曲轴2转速越低，a角度也就越小。

为了提高控制系统稳定性能，还采用了冗余设计，如果检测到相位相隔180度的两个曲柄3的任何一个曲柄3上止点或下止点位置信号，控制两个曲柄3上的两个液压油缸1同时换向，因为该两个液压油缸1的活塞杆运动方向相反，只需要检测其中一个液压油缸1换向信号，就可以知道另一个液压油缸1需要换向动作。如果一个检测液压油缸1换向信号的传感器损坏，不会影响该液压油缸1换向动作，确保了控制系统的稳定性。例如，一个曲柄3上止点信号1，对应的另一个曲柄3下止点信号2，如果信号1和信号2进行逻辑“或”运算，运算结果是“1”，控制对应的两个液压油缸1换向动作。也就是说，信号1和信号2只需要一个有信号，对应的两个液压油缸1就能实现换向控制。

另外还具有传感器故障显示和报警功能。例如，一个曲柄3上止点信号1，对应的另一个曲柄3下止点信号2，如果信号1和信号2进行逻辑“异或”运算，运算结果是“1”，就可以启动传感器故障显示和报警。

本发明的一种液压驱动装置控制方法的步骤2中，判断各液压油缸1位置区间；将上次停机时8个液压油缸1作用区间状态进行记忆，为下一次液压驱动装置启动提供数据，划分8个液压油缸1位置区间。该液压驱动装置在启动时，可以控制偏转装置4旋转，从而重新获取液压油缸1位置信号，进而控制各区间液压油缸1的伸缩。

本发明还提出一种矿用自卸车，包括上述的液压驱动装置，液压驱动装置的液压油缸1至少包括两个，可以是4个、6个、8个、12个等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种液压驱动装置，包括机壳和曲轴（2），其特征在于，还包括至少两个液压油缸（1）和至少两个检测装置及控制器，各液压油缸分别与曲轴（2）的各曲柄（3）铰接，每个检测装置用于获取每个液压油缸换向位置信号，控制器获取各个检测装置信号，控制各液压油缸（1）协同工作。

2.根据权利要求1所述的液压驱动装置，其特征在于，每个检测装置包括上止点传感器（5）和下止点传感器（6），上止点传感器（5）和下止点传感器（6）分别用于检测每个曲柄（3）上止点和下止点位置。

3.根据权利要求2所述的液压驱动装置，其特征在于，还包括偏转装置（4），上止点传感器（5）和下止点传感器（6）安装在偏转装置（4）上。

4.根据权利要求1所述的液压驱动装置，其特征在于，每个检测装置包括压差传感器，压差传感器安装在每个液压油缸（1）上。

5.根据权利要求1所述的液压驱动装置，其特征在于，每个检测装置包括角度传感器，每个角度传感器用于检测每个液压油缸（1）摆动角度。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的液压驱动装置，其特征在于，还包括第一控制阀（8）和第二控制阀（7）及差动阀（9），差动阀（9）的进油口与液压油缸（1）无杆腔相通，差动阀（9）的出油口与液压油缸（1）有杆腔相通，第一控制阀（8）的一进出油口与液压油缸（1）无杆腔相连通，第二控制阀（7）的一进出油口与液压油缸（1）有杆腔相连通。

7.一种矿用自卸车，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的液压驱动装置。

8.一种液压驱动装置控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1：获取曲轴（2）旋转方向信号；

步骤2：判断各液压油缸（1）位置区间；假如曲轴（2）沿着顺时针方向旋转，曲柄（3）下止点到上止点区间为[0～π]，曲柄（3）上止点到下止点区间为[π～2π]；假如曲轴（2）沿着逆时针方向旋转，曲柄（3）下止点到上止点区间为[0～π]，曲柄（3）上止点到下止点区间为[π～2π]；

步骤3：控制液压系统向[0～π]区间的至少一个液压油缸（1）无杆腔供油，或者控制液压系统向[0～π]区间的至少一个液压油缸（1）有杆腔和无杆腔同时供油；或者控制液压系统向[π～2π]区间的至少一个液压油缸（1）有杆腔供油；

步骤4：获取所有液压油缸（1）换向信号；

步骤5：控制液压油缸（1）换向动作。

9.根据权利要求8所述的液压驱动装置控制方法，其特征在于，在步骤3中，至少包括以下档位中的一个：

第一档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸（1）无杆腔供油，向[π～2π]区间的所有液压油缸（1）有杆腔供油；

第二档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸（1）无杆腔供油，切断向[π～2π]区间的所有液压油缸（1）有杆腔供油；

第三档位：液压系统向[π～2π]区间的所有液压油缸（1）有杆腔供油，切断向[0～π]区间的所有液压油缸（1）无杆腔供油；

第四档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸（1）无杆腔和有杆腔供油；切断向[π～2π]区间的所有液压油缸（1）有杆腔供油；

第五档位：液压系统向[0～π]区间的所有液压油缸（1）无杆腔和有杆腔供油；向[π～2π]区间的所有液压油缸（1）有杆腔供油。

10.根据权利要求8所述的液压驱动装置控制方法，其特征在于，在步骤4中，在液压油缸（1）换向之前，获取液压油缸（1）换向信号。

11.根据权利要求8至10任意一项所述的液压驱动装置控制方法，其特征在于，在步骤5中，如果检测到相位相隔180度的两个液压油缸（1）的任何一个液压油缸（1）换向信号，控制该两个液压油缸（1）同时换向。

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