CN104066897B - 对工程机械的工具的下降过程进行控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对工程机械的工具(3)的下降过程进行控制的方法。该工程机械具有液压系统(10)，所述液压系统(10)包括：液压缸(11)，其用于移动所述工具；和第一控制阀(12)，其用于控制来自液压缸的活塞侧(13)的液压流体流量；以及回收单元(14)，其连接至控制阀，用于通过从液压缸的活塞侧接收返回流量来回收能量。液压缸的活塞侧(13)和控制阀(12)彼此连接，并且液压缸的活塞杆侧(15)在所述控制阀和所述回收单元之间的位置(16)处连接至控制阀(12)和回收单元(14)。所述方法包括以下步骤：确定工具(3)的所要求的下降速度；确定液压缸(11)的活塞侧(13)的期望压力，和控制回收单元(14)提供反压力，以在液压缸的活塞侧产生期望压力；以及通过控制阀(12)，使液压缸的活塞侧(13)和回收单元(14)之间能够流体连通并且液压缸的活塞侧(13)和液压缸(11)的活塞杆侧(15)之间能够流体连通；以及控制所述控制阀(12)，使得流过控制阀的流量对应于所要求的工具(3)的下降速度。

Description

对工程机械的工具的下降过程进行控制的方法
技术领域
本发明涉及一种用于对工程机械的工具的下降过程进行控制的方法。
本发明适用于工业建筑机械领域的工程机械，特别是轮式装载机和铰接式卡车。虽然将针对轮式装载机来描述本发明，但本发明不限于这种特定机械，而是也可用于具有液压作业功能的其它工程机械，例如自卸车、挖掘机或其它建筑设备。
背景技术
工程机械具有铲斗、货厢或其它类型的工具，用于挖掘、提升、载运和/或运输负载。
例如，轮式装载工具有受液压驱动的工作功能，例如，布置在负载臂单元上的工具的提升和倾斜。负载臂单元包括多个液压缸，以移动负载臂和附接至负载臂的工具。能够布置一对液压缸，以提升负载臂，并且能够在负载臂上布置另一液压缸，以使工具倾斜。
通常通过车架转向的轮式装载机还具有一对液压缸，用以通过使轮式装载机的前部和后部相对彼此枢轴旋转而使轮式装载机旋转/转向。
除了液压缸之外，轮式装载机的液压系统还包括一个或多个液压机械(泵)，以向负载臂单元和转向单元的液压缸提供液压流体。
通过在液压系统中使用回收单元，能够利用来自一个或多个液压缸的返回流来回收能量。回收单元可以是由返回流驱动的液压马达。优选地，该液压马达又连接至发电机。然而，现有技术中的具有回收单元的液压系统以及用于在该液压系统中回收能量的已知方法的缺点在于：需要较大的回收单元，以能够处理液压流体流量。液压流体流量与工具的速度成正比。例如，与系统中的其它液压功能相比，当轮式装载机的铲斗下降时，该操作能够关联于较大的液压流体流量。这意味着，回收单元必须“加大”，从而能够处理返回流，或者返回流(或者其至少一部分)必须被旁路到液压油箱而不回收任何能量。另外，必须控制铲斗的速度，以使回收功能不在系统中产生任何非希望的不稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在本文的“技术领域”部分中限定的方法，通过这种方法，能够在工具下降期间、在产生相对大的液压返回流时回收能量，同时，消除液压系统中的不稳定性。
通过根据本发明第一方面的用于对工程机械的工具的下降过程进行控制的方法实现了该目的，该工程机械具有液压系统，该液压系统包括：液压缸，该液压缸用于移动所述工具；第一控制阀，该第一控制阀用于控制来自液压缸的活塞侧的液压流体的流量；以及回收单元，该回收单元连接至所述控制阀，用于通过接收来自液压缸的活塞侧的返回流来回收能量，液压缸的活塞侧和所述控制阀彼此连接，并且，液压缸的活塞杆侧在所述控制阀和回收单元之间的位置处连接至所述控制阀和回收单元，所述方法包括：确定所述工具的所要求的下降速度，确定液压缸的活塞侧的期望压力，并控制所述回收单元提供反压力，以在液压缸的活塞侧产生所述期望压力，通过所述控制阀，使液压缸的活塞侧与所述回收单元之间能够流体连通并使液压缸的活塞侧与液压缸的活塞杆侧之间能够流体连通，以及以流过所述控制阀的流量对应于所述工具的所要求的下降速度的方式来控制所述控制阀。
通过提供允许液压缸的活塞侧与液压缸的活塞杆侧之间的流体连通的方法，能够降低流入回收单元的液压流量。作为代替，由于来自活塞侧的液压流体的一部分能够流到液压缸的活塞杆侧，发生了从流量至压力的“转换”。换句话说；对于液压缸上的给定外部负载，随着液压缸中的压力将升高，流入回收单元的流量将减少。
通过提供一种使用液压系统的方法，其中液压缸的活塞侧和控制阀彼此连接，控制阀和回收单元彼此连接，并且液压缸的活塞杆侧在控制阀和回收单元之间的位置处连接至控制阀和回收单元，所以，允许液压缸的活塞侧和液压缸的活塞杆侧之间的流体连通，同时在液压缸的活塞杆侧和回收单元的入口侧具有基本相同压力的情况下，能够通过回收单元实现期望的反压力。
这将增大系统中的稳定性，因为在液压系统中，系统的不同部分中的压力优选是基本相同的。要避免具有不同压力的压力区域，因为液压系统的控制组件与一些时间延迟相关联，这能够使组件异相并引起系统不稳定。
在本发明的优选实施例中，该方法包括步骤：控制液压缸的活塞杆侧的压力，以在控制阀上获得所要求的下降速度所需的最小压力降，以及控制回收单元提供反压力，以在液压缸的活塞杆侧产生所述计算出的最小压力降压力，优选地，这通过使用如下的控制阀实现：该控制阀能够基本独立于所述阀上的压力降来给出期望流量，至少对于一定的压力降区间如此。换句话说，控制阀能够优选是可调的，以对所述阀上的不同压降给出期望流量，由此，对于控制阀上的不同压降，能够实现工具的期望速度。优选地，控制阀是一些类型的压力补偿阀。
通过借助于回收单元控制活塞杆侧的压力以在控制阀上产生获得所要求的下降速度所需的最小压降，能够最小化能量损失，同时能够实现期望速度。
本发明还涉及一种执行根据本发明的方法步骤的计算机程序和计算机可读介质。
在下文的说明和从属权利要求中公开了本发明的进一步优点和有利特征。
附图说明
下文参考附图，更详细地描述作为实例的本发明实施例。
在附图中：
图1是轮式装载机的侧视图，
图2是工程机械的液压系统的示意图，
图3是工程机械的另一液压系统，并且
图4是根据本发明的方法的一个实施例的示意性流程图。
具体实施方式
图1示出了轮式装载机形式的工程机械1。轮式装载机1可以视为具有能够应用根据本发明方法的液压系统的工程机械的一个实例。
轮式装载机有工具2。术语“工具”旨在包括利用液压的任意类型的工具，例如布置在轮式装载机上的铲斗、叉或夹持工具，或者布置在铰接式卡车上的货厢。所例示的工具是铲斗3，其布置在用于提升和降低铲斗3的臂单元4上，此外，铲斗3能够相对于臂单元4倾斜。轮式装载机1具有如下的液压系统，该液压系统包括至少一个液压机械(图1未示出)或液压泵，用于向该液压系统提供液压流体，例如用于提升和倾斜该铲斗。在图1例示的实例实施例中，液压系统包括用于操作臂单元4的两个液压缸5a、5b和用于使铲斗3相对于臂单元4倾斜的液压缸6。此外，液压系统还包括布置在轮式装载机的两个相反侧的两个液压缸7a、7b，用于借助于前车身部分8和后车身部分9的相对运动使轮式装载机转向。换句话说，工程机械借助于转向缸7a、7b进行车架转向。
图2是液压系统10的示意图。根据本发明的方法能够与这种液压系统一起使用。该液压系统包括：液压缸11，用于移动工具3；和控制阀12，用于控制来自液压缸的活塞侧13的液压流体的流量；以及回收单元14，该回收单元14连接至控制阀12，用于通过接收来自液压缸11的活塞侧13的返回流来回收能量。液压缸11的活塞侧13和控制阀12彼此连接，并且，液压缸11的活塞杆侧15在控制阀12和回收单元14之间的位置16处连接至控制阀12和回收单元14。在实践中，导管17能够将液压缸的活塞侧13与控制阀12相连，并且另一导管18能够将控制阀12与回收单元14的入口侧相连，并且另一导管19能够将液压缸的活塞杆侧15与导管18相连，其中导管18将控制阀12与回收单元14的入口侧相连。优选地，该液压系统包括一个或多个压力传感器。一个压力传感器20能够布置在液压缸的活塞侧13和控制阀12之间的位置处，并且一个压力传感器21能够布置在控制阀12和回收单元14之间。所述压力传感器用于实现压力补偿的流量控制。这些压力传感器也能够包括在控制阀或控制阀单元12内。优选地，回收单元14的出口侧连接至液压油箱22，以允许穿过回收单元14的返回流被引导至液压油箱22。回收单元14产生的反压力(counterpressure)乘以流经回收单元的流量对应于所回收的功率。控制阀12根据所要求的工具3的下降速度来控制进入回收单元14的流量。
图3例示了能够用于执行根据本发明的方法的液压系统10的另一实例。下文中，参考图3，首先描述与图2例示的系统相比较的任何额外组件或其它差异。该系统具有：泵23，用于向液压缸11提供液压流体；和第二控制阀12b，用于控制进入液压缸11的活塞杆侧15的流量。第二控制阀12b能够完全开启，以允许液压缸11的活塞侧13和活塞杆侧15之间的自由连通，而在阀12b上不存在任何明显压降。
回收单元14例如可以是与发电机24相连的液压马达。经回收的能量可直接到达消耗装置，或者被以适当的方式储存。限压阀25与液压马达14并联布置，以设置第一控制阀12的返回端口处的最大允许压力。这一压力能够例如借助于控制单元(未示出)对阀25进行控制来调节，且因此能够选择期望从液压缸回收的能量值的上限。来自液压缸的液压流体返回流将流经回收单元，并且，只要回收单元不产生比阀25的设定的最大允许压力高的反压力，就将回收能量。例如，该阀可以是限压阀，或者借助于控制单元和压力传感器起到限压阀作用的比例方向阀。
为了控制工程机械的工具的下降过程，根据本发明的方法包括以下步骤：确定所要求的所述工具的下降速度；确定液压缸的活塞侧的期望压力，并控制所述回收单元提供反压力，以产生液压缸的活塞侧的期望压力。该方法还包括以下步骤：通过该控制阀，使液压缸的活塞侧与回收单元之间能够流体连通并使液压缸的活塞侧与液压缸的活塞杆侧之间能够流体连通；以及，以流过所述控制阀的流量对应于所述工具的所要求的下降速度的方式来控制所述控制阀。
当最优化回收程序时，存在一些限制，这些限制可能影响到能够使用反压力的情形。由于通常不允许液压缸内的压力超过一定最大压力，所以，反压力必须与之适应。此外，反压力必须被改变以在控制阀上实现足够的压降，以使液压流体的流量能够满足所要求的下降速度。
有两种不同的控制原理可用于该方法。一种方式是测量液压缸的活塞侧的压力，并且控制回收单元以在液压缸的活塞侧产生期望压力。另一种方式是基于液压缸的活塞杆侧的压力来控制回收单元。仍能够在活塞侧实现期望压力，这是因为能够根据活塞侧的期望压力来计算活塞杆侧的期望压力，反之亦然。
在一个实施例中，该方法包括：测量液压缸的活塞侧的压力并计算该测量压力与液压缸的活塞侧的最大允许压力之间的差值，并且使用所计算出的差值作为输入来控制所述回收单元提供反压力，以在液压缸的活塞侧产生期望压力。以所谓的基于误差的反馈控制使用该方法。
在另一实施例中，该方法包括：计算液压缸的活塞杆侧的期望压力，并控制所述回收单元提供反压力，以产生液压缸的活塞杆侧的期望压力，由此，产生液压缸的活塞侧的期望压力。以所谓的前馈链路控制使用该方法。
基于误差反馈的控制和/或前馈链路控制能够用于控制液压系统，并且执行根据本发明的方法。
当计算液压缸的活塞杆侧的期望压力时，该方法能够包括：计算液压缸的活塞杆侧的压力，以在控制阀上产生获得所要求的下降速度所需的期望压降或最小压降，并控制所述回收单元提供反压力，以在液压缸的活塞杆侧产生所计算出的最小压降压力。此外，该方法能够包括：基于液压缸的活塞侧的最大允许压力来计算液压缸的活塞杆侧的最大允许压力，并控制所述回收单元提供反压力，以使液压缸的活塞杆侧的压力小于或等于液压缸的活塞杆侧的所计算出的、最大允许压力，从而使液压缸的活塞侧的压力保持小于或等于液压缸的活塞侧的最大允许压力。
为了实现一种在不超过最大允许压力的情况下尽可能多地回收能量的方法，该方法优选包括以下步骤：计算液压缸的活塞杆侧的压力，以在控制阀上产生获得所要求的下降速度所需的最小压降，并基于活塞缸的活塞侧的最大允许压力来计算液压缸的活塞杆侧的最大允许压力，并且，控制所述回收单元提供反压力，以使液压缸的活塞杆侧的压力是所计算出的最大允许压力和所计算出的最小压降压力中的最小压力，由此，确保液压缸的活塞侧的压力小于或等于液压缸的活塞侧的最大允许压力。
优选地，确定作用在液压缸11上的力，该力包括负载(在图2和3中以M指示)以及由于摩擦和加速引起的任意力。所确定的力能够用于计算液压缸11的活塞侧13的最大允许压力。然后，能够计算活塞杆侧的最大允许压力。该值能够用在液压系统的所谓前馈链路控制中。液压缸11的活塞侧13的压力能够用于确定作用在液压缸11上的力。
在图4中的流程图示意性示出的方法实施例中，控制单元接收到来自操作者的下降速度请求。“请求工具的下降操作”110。然后，决定是否可能在该下降操作期间回收任何能量。“能否回收能量？”120。在液压缸上的负载不足以实现所要求的下降速度的情况下，必须提高液压缸的活塞杆侧的压力，例如通过图3中的泵提高，因此，不回收能量。“根据不回收模式来控制所述工具”130。在负载足够的相反情况下，能够回收能量。“根据回收模式来控制所述工具”140。通过布置在液压缸的活塞侧和回收单元之间的控制阀，执行液压缸的活塞侧与回收单元之间的流体连通以及液压缸的活塞侧与液压缸的活塞杆侧之间的流体连通。然而，参考图3，也必须控制第二控制阀12b。第二控制阀12b完全开启，以允许流体到液压缸的活塞杆侧的流体连通。“开启至液压缸的活塞杆侧的流体连通”150。之后，计算给出控制阀上的最小压降的、在液压缸的活塞杆侧的压力(Pmpd)，并计算给出液压缸的活塞侧的最大允许压力的、在液压缸的活塞杆侧的压力(Pmap)。“计算Pmpd和Pmap”160。比较这两个压力Pmpd和Pmap，以找出最高的压力。“压力Pmpd是否超过压力Pmap？”170。如果“是”，控制单元就向回收单元发信号以产生反压力，以给出液压缸的活塞侧的最大允许压力Pmap。“使用Pmap调节器”180。如果“否”，控制单元就向回收单元发信号以产生反压力，以给出液压缸的活塞杆侧的压力Pmpd，从而在控制阀上产生最小压降。“使用Pmpd调节器”190。然后，该控制阀受到控制以实现与所要求的下降速度相对应的液压流体流量。“控制从液压缸至回收单元的流量”200。优选地，连续重复上述方法步骤中的一些或全部方法步骤。
应理解，本发明不限于上述和附图中例示的实施例；相反，本领域技术人员应明白，可在附加权利要求的范围内做出许多变化和变型。

Claims (9)

1.一种用于对工程机械的工具(3)的下降过程进行控制的方法，所述工程机械具有液压系统(10)，所述液压系统(10)包括：液压缸(11)，所述液压缸(11)用于移动所述工具；第一控制阀(12)，所述第一控制阀(12)用于控制来自所述液压缸的活塞侧(13)的液压流体的流量；以及回收单元(14)，所述回收单元(14)连接至所述控制阀，用于通过接收来自所述液压缸的活塞侧的返回流来回收能量，所述液压缸的活塞侧(13)和所述控制阀(12)彼此连接，并且，所述液压缸的活塞杆侧(15)在所述控制阀和所述回收单元之间的位置(16)处连接至所述控制阀(12)和所述回收单元(14)，所述方法包括：
确定所述工具(3)的所要求的下降速度，
确定所述液压缸(11)的活塞侧(13)的期望压力，并控制所述回收单元(14)提供反压力，以在所述液压缸的活塞侧产生所述期望压力，
通过所述控制阀(12)，使所述液压缸的活塞侧(13)与所述回收单元(14)之间能够流体连通并使所述液压缸的活塞侧(13)与所述液压缸(11)的活塞杆侧(15)之间能够流体连通，以及
以流过所述控制阀的流量对应于所述工具(3)的所要求的下降速度的方式来控制所述控制阀(12)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述液压缸(11)的活塞杆侧(15)的期望压力，并控制所述回收单元(14)提供反压力，以产生所述液压缸的活塞杆侧的期望压力，由此，产生所述液压缸(11)的活塞侧(13)的期望压力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述液压缸(11)的活塞杆侧(15)的压力，以在所述控制阀(12)上产生期望的压降，并控制所述回收单元(14)提供反压力，以在所述液压缸(11)的活塞杆侧(15)产生所计算出的、期望的压降压力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算所述液压缸(11)的活塞杆侧(15)的压力，以在所述控制阀(12)上产生获得所要求的下降速度所需的最小压降，并控制所述回收单元(14)提供反压力，以在所述液压缸(11)的活塞杆侧(15)产生所计算出的最小压降压力。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述液压缸(11)的活塞侧(13)的最大允许压力来计算所述液压缸(11)的活塞杆侧(15)的最大允许压力，并控制所述回收单元(14)提供反压力，以使所述液压缸的活塞杆侧(15)的压力小于或等于所述液压缸的活塞杆侧的、所计算出的最大允许压力，从而使所述液压缸的活塞侧(13)的压力保持小于或等于所述液压缸的活塞侧的最大允许压力。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述液压缸(11)的活塞杆侧(15)的压力，以在所述控制阀(12)上产生获得所要求的下降速度所需的最小压降，并基于所述液压缸的活塞侧(13)的最大允许压力来计算所述液压缸的活塞杆侧(15)的最大允许压力，并且控制所述回收单元(14)提供反压力，以使所述液压缸的活塞杆侧(15)的压力是所计算出的最大允许压力和所计算出的最小压降压力中的最低压力，由此，确保所述液压缸的活塞侧(13)的压力小于或等于所述液压缸的活塞侧(13)的最大允许压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述液压缸(11)的活塞侧(13)的压力并计算该测量压力与所述液压缸的活塞侧(13)的最大允许压力之间的差值，并且使用所计算出的差值作为输入来控制所述回收单元(14)提供反压力，以产生所述液压缸(11)的活塞侧(13)的期望压力。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，确定作用在所述液压缸(11)上的力，并使用所确定的力来计算所述液压缸(11)的活塞侧(13)的最大允许压力。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，测量所述液压缸(11)的活塞侧(13)的压力，并使用所述液压缸的活塞侧的该测量压力来确定作用在所述液压缸(11)上的力。
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