CN104480991B - 一种挖掘机液压泵控制回路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机液压泵控制回路及其控制方法，包括第一变量泵、第二变量泵、第一和第二变量泵调节机构、第一比例减压阀、第二比例减压阀、第一电磁开关阀、泵一和泵二出口压力传感器、操纵杆压力传感器、动臂油缸位移传感器、斗杆油缸位移传感器、铲斗油缸位移传感器、转速传感器及控制器；该回路的控制方法通过操纵杆压力传感器和转速传感器检测柴油发动机的工况类别，通过第二比例减压阀和第一电磁开关阀控制第一和第二变量泵的排量，使得柴油发动机在低怠速附近工作平稳。本发明是一种提高柴油发动机中低速的适应能力，降低工作装置溢流时的能量损失的挖掘机液压泵控制回路及其控制方法。

Description

一种挖掘机液压泵控制回路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种挖掘机液压泵控制回路，本发明还涉及该挖掘机液压泵控制回路的控制方法。

背景技术

挖掘机是工程机械的排头兵，被广泛使用在土石方、农田水利、港口等很多场所，柴油发动机因其功率密度高而被广泛使用，绝大多数挖掘机选用柴油发动机作为动力源。挖掘机所用柴油发动机最大扭矩所对应的转速绝大多数处于高怠速和低怠速之间，根据发动机外特性，最大扭矩对应转速以上的数值有效性高，且带载能力强，最大扭矩对应转速以下的工作区间带载能力弱些。随着目前国内外对挖掘机排放限制越来越严格，几乎所有品牌厂家的柴油发动机采用了涡轮增压器来提高发动机的功率、提高燃油的利用率降低排放。涡轮增压器的低速区间响应时间比较长，而挖掘机液压系统的响应比较快，这样就会导致液压泵的选型及控制中受到发动机低速特性的限制，往往会出现严重掉速和熄火现象。另外，挖掘机不断朝着高效和低耗方向发展，变量泵的使用已经比较普遍，目前变量泵的高效区集中在中压和全排量区间，小排量和溢流状态下的效率很低，长期工作在这些区间不但不能提高有用功，而且会导致能量严重浪费。挖掘机是通过工作装置来实现基本功能，一般配置有动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗和铲斗油缸，在实际作业中很容易使油缸处于极限位置而产生溢流损失。常规的方法通过压力切断的方式来实现，又会导致实际挖掘中效率降低。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种提高柴油发动机中低速的适应能力，降低工作装置溢流时的能量损失的挖掘机液压泵控制回路。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供该该挖掘机液压泵控制回路的控制方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的挖掘机液压泵控制回路，包括第一变量泵、第二变量泵、先导泵、第一溢流阀、第二溢流阀、第一变量泵调节机构、第二变量泵调节机构、斗杆油缸、动臂油缸、铲斗油缸和柴油发动机，第一比例减压阀连接于所述的第一变 量泵调节机构、第二变量泵调节机构和先导泵之间，第二比例减压阀的一端与先导泵连接，所述的第二比例减压阀的另一端连接第一电磁开关阀的一个油口，所述的第一电磁开关阀的另4个油口分别与所述的第一变量泵调节机构、第二变量泵调节机构、第一溢流阀和第二溢流阀连接；所述的第一变量泵上设有泵一出口压力传感器，所述的第二变量泵上设有泵二出口压力传感器，所述的先导泵的先导液压油路上设有操纵杆压力传感器，包括斗杆位移传感器、动臂位移传感器和铲斗位移传感器，所述的柴油发动机上设有转速传感器，还包括一个控制器，所述的第一比例减压阀、第二比例减压阀和第一电磁开关阀的控制端与所述的控制器的输出端相连，所述的泵一出口压力传感器、泵二出口压力传感器、操纵杆压力传感器、动臂位移传感器、斗杆位移传感器、铲斗位移传感器和转速传感器与所述的控制器的输入端相连。

所述的斗杆位移传感器为设在所述的斗杆油缸上的斗杆油缸位移传感器，所述的动臂位移传感器为设在所述的动臂油缸上的动臂油缸位移传感器，所述的铲斗位移传感器为设在所述的铲斗油缸上的铲斗油缸位移传感器。

所述的斗杆位移传感器、动臂位移传感器和铲斗位移传感器为角度传感器，所述的角度传感器安装在动臂、斗杆和铲斗的铰点位置。

为了解决上述第二个技术问题，本提供的挖掘机液压泵控制回路的控制方法，通过操纵杆压力传感器和转速传感器检测柴油发动机的工况类别，通过第二比例减压阀和第一电磁开关阀控制第一变量泵和第二变量泵的排量，使得柴油发动机在低怠速附近工作平稳。

所述的第一变量泵、第二变量泵分别通过第一变量泵调节机构、第二变量泵调节机构实现出口压力与排量对应关系的变化，所述的第一变量泵调节机构和所述的第二变量泵调节机构均包含四路控制信号，其中第一变量泵出口压力、第二变量泵出口压力和功率控制信号三路信号控制变量泵的功率曲线，第四路控制信号控制变量泵的排量；通过动臂油缸位移传感器、斗杆油缸位移传感器、铲斗油缸位移传感器和第一变量泵、第二变量泵的出口压力判断动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸所处的位置，并基于此对第一变量泵和第二变量泵进行控制。

挖掘机液压泵控制回路的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：控制器通过转速传感器检测柴油发动机的转速、操纵杆出口压力以及动臂油缸、铲斗油缸和斗杆油缸的位移；

步骤2：根据柴油发动机转速对柴油发动机运行工况进行判断，当柴油发动机转速介于低怠速和低怠速*60％+高怠速*40％时，则进入 步骤3，否则，进入步骤4；

步骤3：当控制器检测到第一变量泵或第二变量泵出口压力超过系统溢流压力的90％，或者控制器检测到操纵杆出口压力超过工作压力的70％时，控制器给第一电磁开关阀通电，同时给第二比例减压阀控制指令，使第一变量泵和第二变量泵排量限制在最大排量60％；否则控制器给第一电磁开关阀断电，同时给第二比例减压阀断电；

步骤4：当控制器检测到第一变量泵或第二变量泵出口压力超过统溢流压力的90％，同时控制器检测动臂油缸位移传感器、斗杆油缸位移传感器和铲斗油缸位移传感器，并判断各自油缸所处的位置，当油缸位移大于等于伸出极限位置的95％，或者小于等于缩回极限位置的105％时，进入步骤5，否则，进入步骤6；

步骤5：控制器给第一电磁开关阀通电，同时根据操纵杆出口压力反比例给第一比例减压阀和第二比例减压阀控制指令，使第一变量泵和第二变量泵的功率和排量限制到最小位置，否则控制器给第一电磁开关阀断电，同时给第一比例减压阀和第二比例减压阀断电；

步骤6：控制器给第一电磁开关阀和第二比例减压阀断电，同时给第一比例减压阀控制指令，使第一变量泵和第二变量泵的功率处于最大位置。

采用上述技术方案的挖掘机液压泵控制回路及其控制方法，包括第一变量泵、第二变量泵、第一和第二变量泵调节机构、第一比例减压阀、第二比例减压阀、第一电磁开关阀、泵一出口压力传感器、泵二出口压力传感器、操纵杆压力传感器、动臂油缸位移传感器、斗杆油缸位移传感器、铲斗油缸位移传感器、转速传感器及控制器；所述的比例减压阀和电磁开关阀与控制器的输出端相连；传感器与控制器的输入端相连。操纵杆压力传感器与挖掘机液压系统先导液压油路相连，用于检测操纵杆控制信号的大小；油缸位移传感器用于分别检测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的行程；第一变量泵、第二变量泵通过变量泵调节机构实现出口压力与排量对应关系的变化。每一个变量泵的调节机构包含四路控制信号，第一变量泵出口压力、第二变量泵出口压力、功率控制信号，该三路信号控制变量泵的功率曲线，第四路控制信号控制变量泵的排量。

本发明通过操纵杆压力传感器和转速传感器检测柴油发动机的工况类别，通过第二比例减压阀和第一电磁开关阀控制第一变量泵和第二变量泵的排量，使得柴油发动机在低怠速附近工作平稳；通过动臂油缸位移传感器、斗杆油缸位移传感器、铲斗油缸位移传感器和第一变量泵、第二变量泵出口压力判断动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的位移，控制第一变量泵和第二变量泵排量和功率，降低液压系统能量 损失，最终达到降低柴油发动机的油耗的目的。该控制回路及控制方法不但可以有效解决柴油发动机大惯性、大时延、大滞后等特性与液压系统快速响应之间匹配的矛盾问题，同时可以有效提高发动机也液压系统在各自高效区的工作频率，提升挖掘机整机的效率和能量利用率。该系统同样可以适用于其它如电动机和油电混合动力系统的匹配与控制系统中。

附图说明

图1是液压泵控制回路原理图。

图2是控制器输入/输出逻辑框图。

图3是负流量控制原理图。

图4是正流量控制原理图。

图5是液压泵功率控制原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，挖掘机液压泵控制回路，包括第一变量泵1、第二变量泵2、先导泵16、第一溢流阀21、第二溢流阀22、第一变量泵调节机构3、第二变量泵调节机构4、斗杆油缸17、动臂油缸18、铲斗油缸19和柴油发动机20，第一比例减压阀5连接于第一变量泵调节机构3、第二变量泵调节机构4和先导泵16之间，第二比例减压阀6的一端与先导泵16连接，第二比例减压阀6的另一端连接第一电磁开关阀7的一个油口，第一电磁开关阀7的另4个油口分别与第一变量泵调节机构3、第二变量泵调节机构4、第一溢流阀21和第二溢流阀22连接，第一变量泵1上设有泵一出口压力传感器8，第二变量泵2上设有泵二出口压力传感器9，先导泵16的先导液压油路上设有操纵杆压力传感器10，斗杆油缸17上设有斗杆油缸位移传感器12，动臂油缸18上设有动臂油缸位移传感器11，铲斗油缸19上设有铲斗油缸位移传感器13，柴油发动机20上设有转速传感器14，还包括一个控制器15，第一比例减压阀5、第二比例减压阀6和第一电磁开关阀7的控制端与控制器15的输出端相连，泵一出口压力传感器8、泵二出口压力传感器9、操纵杆压力传感器10、动臂油缸位移传感器11、斗杆油缸位移传感器12、铲斗油缸位移传感器13和转速传感器14与所述的控制器15的输入端相连。

操纵杆压力传感器10与挖掘机液压系统的先导泵16的先导液压油路相连，用于检测操纵杆控制信号的大小；各油缸位移传感器用于分别检测动臂油缸18、斗杆油缸17和铲斗油缸19的行程。

如图1和图2所示，挖掘机液压泵控制回路的控制方法，通过操纵杆压力传感器10和转速传感器14检测柴油发动机20的工况类别， 通过第二比例减压阀6和第一电磁开关阀7控制第一变量泵1和第二变量泵2的排量，使得柴油发动机20在低怠速附近工作平稳。

第一变量泵1、第二变量泵2分别通过第一变量泵调节机构3、第二变量泵调节机构4实现出口压力与排量对应关系的变化，第一变量泵调节机构3和第二变量泵调节机构4均包含四路控制信号，其中第一变量泵出口压力、第二变量泵出口压力和功率控制信号三路信号控制变量泵的功率曲线，第四路控制信号控制变量泵的排量；通过动臂油缸位移传感器11、斗杆油缸位移传感器12、铲斗油缸位移传感器13和第一变量泵1、第二变量泵2的出口压力判断动臂油缸18、斗杆油缸17、铲斗油缸19所处的位置，并基于此对第一变量泵1和第二变量泵2进行控制。

挖掘机液压泵控制回路的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：控制器15通过转速传感器14(n1)检测柴油发动机20的转速、操纵杆出口压力p3以及动臂油缸18、铲斗油缸19和斗杆油缸17的位移信号s1，s2和s3。案例所选柴油发动机20的低怠速为1000rpm，高怠速为2000rpm；

步骤2：根据柴油发动机20转速对柴油发动机20运行工况进行判断，当柴油发动机20转速介于1000rpm和1400rpm时，则进入步骤3，否则，进入步骤4；

步骤3：当控制器15检测到第一变量泵1或第二变量泵2出口压力p1，p2超过30Mpa，或者控制器15检测到操纵杆压力传感器10的操纵杆出口压力p3超过工作压力的2.8Mpa时，控制器15给第一电磁开关阀7(Pv1)通电，同时给第二比例减压阀6(Psv2)控制指令，使第一变量泵1和第二变量泵2排量限制在最大排量66mL/r；否则控制器15给第一电磁开关阀7(Pv1)断电，同时给第二比例减压阀6(Psv2)断电。第二比例减压阀6控制压力与泵排量的对应关系如图3和图4所示。

步骤4：当控制器15检测到第一变量泵1或第二变量泵2出口压力p1，p2超过30Mpa，同时控制器15检测动臂油缸位移传感器11(s1)、斗杆油缸位移传感器12(s2)、铲斗油缸位移传感器13(s3)，并判断油缸所处的位置，当油缸位移大于等于3m，或者小于等于0.8m时，进入步骤5，否则，进入步骤6；

步骤5：控制器15给第一电磁开关阀7(Pv1)通电，同时根据操纵杆压力传感器10的操纵杆出口压力p3反比例给第一比例减压阀5(Psv1)和第二比例减压阀6(Psv2)控制指令，使第一变量泵1和第二变量泵2的功率和排量限制到最小位置。否则控制器15给第一电磁开关阀7(Pv1)断电，同时给第一比例减压阀5(Psv1)、第二比例减压 阀6(Psv2)断电。第一比例减压阀5(Psv1)的控制压力与变量泵功率之间的对应关系如图5所示。比例减压阀的出口压力升高变量泵的功率减小，比例减压阀的出口压力减小变量泵的功率增大。

步骤6：控制器15给第一电磁开关阀7(Pv1)和第二比例减压阀6(Psv2)断电，同时给第一比例减压阀5(Psv1)控制指令，使第一变量泵1和第二变量泵2的功率处于最大位置。

进一步的，为了确保系统更有效的运行，可以增加比例减压阀对每个变量泵分别给予控制，该控制回路和控制方法不受变量泵数量的限制，对于单泵系统或者三泵系统同样可以采用本方法。对于油缸位移的检测除了采用位移传感器以外还可以采用角度传感器，将角度传感器安装在动臂、斗杆和铲斗的铰点位置，无论是位移传感器还是角度传感器，目的是为了检测油缸的位置，两种方式都可以，同样可以实现本专利的控制功能。

Claims (6)

1.一种挖掘机液压泵控制回路，包括第一变量泵(1)、第二变量泵(2)、先导泵(16)、第一溢流阀(21)、第二溢流阀(22)、第一变量泵调节机构(3)、第二变量泵调节机构(4)、斗杆油缸(17)、动臂油缸(18)、铲斗油缸(19)和柴油发动机(20)，其特征在于：第一比例减压阀(5)的一个油口与所述的第一变量泵调节机构(3)、第二变量泵调节机构(4)连接，另一个油口与所述的先导泵(16)连接，第二比例减压阀(6)的一端与所述的先导泵(16)连接，所述的第二比例减压阀(6)的另一端连接第一电磁开关阀(7)的一个油口，所述的第一电磁开关阀(7)的另4个油口分别与所述的第一变量泵调节机构(3)、第二变量泵调节机构(4)、第一溢流阀(21)和第二溢流阀(22)连接；所述的第一变量泵(1)上设有泵一出口压力传感器(8)，所述的第二变量泵(2)上设有泵二出口压力传感器(9)，所述的先导泵(16)的先导液压油路上设有操纵杆压力传感器(10)，包括斗杆位移传感器、动臂位移传感器和铲斗位移传感器，所述的柴油发动机(20)上设有转速传感器(14)，还包括一个控制器(15)，所述的第一比例减压阀(5)、第二比例减压阀(6)和第一电磁开关阀(7)的控制端与所述的控制器(15)的输出端相连，所述的泵一出口压力传感器(8)、泵二出口压力传感器(9)、操纵杆压力传感器(10)、动臂位移传感器、斗杆位移传感器、铲斗位移传感器和转速传感器(14)与所述的控制器(15)的输入端相连。

2.根据权利1所述的挖掘机液压泵控制回路，其特征在于：所述的斗杆位移传感器为设在所述的斗杆油缸(17)上的斗杆油缸位移传感器(12)，所述的动臂位移传感器为设在所述的动臂油缸(18)上的动臂油缸位移传感器(11)，所述的铲斗位移传感器为设在所述的铲斗油缸(19)上的铲斗油缸位移传感器(13)。

3.根据权利1所述的挖掘机液压泵控制回路，其特征在于：所述的斗杆位移传感器、动臂位移传感器和铲斗位移传感器为角度传感器，所述的角度传感器安装在动臂、斗杆和铲斗的铰点位置。

4.控制权利要求1所述的挖掘机液压泵控制回路的方法，其特征是：通过操纵杆压力传感器(10)和转速传感器(14)检测柴油发动机(20)的工况类别，通过第二比例减压阀(6)和第一电磁开关阀(7)控制第一变量泵(1)和第二变量泵(2)的排量，使得柴油发动机(20)在低怠速附近工作平稳。

5.根据权利要求4所述的挖掘机液压泵控制回路的控制方法，其特征是：所述的第一变量泵(1)、第二变量泵(2)分别通过第一变量 泵调节机构(3)、第二变量泵调节机构(4)实现出口压力与排量对应关系的变化，所述的第一变量泵调节机构(3)和所述的第二变量泵调节机构(4)均包含四路控制信号，其中第一变量泵(1)出口压力、第二变量泵(2)出口压力和功率控制信号三路信号控制变量泵的功率曲线，第四路控制信号控制变量泵的排量；通过动臂位移传感器、斗杆位移传感器、铲斗位移传感器和第一变量泵(1)、第二变量泵(2)的出口压力判断动臂油缸(18)、斗杆油缸(17)、铲斗油缸(19)所处的位置，并基于此对第一变量泵(1)和第二变量泵(2)进行控制。

6.根据权利要求4或5所述的挖掘机液压泵控制回路的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：控制器(15)通过转速传感器(14)检测柴油发动机(20)的转速，控制器(15)检测操纵杆出口压力以及动臂油缸(18)、铲斗油缸(19)和斗杆油缸(17)的位移；

步骤2：根据柴油发动机(20)转速对柴油发动机(20)运行工况进行判断，当柴油发动机(20)转速介于低怠速和低怠速*60％+高怠速*40％时，则进入步骤3，否则，进入步骤4；

步骤3：当控制器(15)检测到第一变量泵(1)或第二变量泵(2)出口压力超过系统溢流压力的90％，或者控制器(15)检测到操纵杆出口压力超过工作压力的70％时，控制器(15)给第一电磁开关阀(7)通电，同时给第二比例减压阀(6)控制指令，使第一变量泵(1)和第二变量泵(2)排量限制在最大排量60％；否则控制器(15)给第一电磁开关阀(7)断电，同时给第二比例减压阀(6)断电；

步骤4：当控制器(15)检测到第一变量泵(1)或第二变量泵(2)出口压力超过统溢流压力的90％，同时控制器(15)检测动臂位移传感器、斗杆位移传感器和铲斗位移传感器，并判断各自油缸所处的位置，当油缸位移大于等于伸出极限位置的95％，或者小于等于缩回极限位置的105％时，进入步骤5，否则，进入步骤6；

步骤5：控制器(15)给第一电磁开关阀(7)通电，同时根据操纵杆出口压力反比例给第一比例减压阀(5)和第二比例减压阀(6)控制指令，使第一变量泵(1)和第二变量泵(2)的功率和排量限制到最小位置，否则控制器(15)给第一电磁开关阀(7)断电，同时给第一比例减压阀(5)和第二比例减压阀(6)断电；

步骤6：控制器(15)给第一电磁开关阀(7)和第二比例减压阀(6)断电，同时给第一比例减压阀(5)控制指令，使第一变量泵(1)和第二变量泵(2)的功率处于最大位置。