CN104989692A - 复合控制式变量泵及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合控制式变量泵及其控制方法。复合控制式变量泵，包括一台变量泵本体和复合控制装置，变量泵本体能在正排量至负排量之间工作；变量泵本体包括变量控制油缸、工作油口；复合控制装置包括负载敏感调节阀、变量油缸压力调节阀、油路切换阀、位置传感器、控制器；控制器对油路切换阀的控制使复合控制式变量泵工作在负载敏感泵控制模式或泵马达比例控制模式。复合控制式变量泵的控制方法，使复合控制式变量泵分时工作在泵和马达工况。本发明在常规开式变量柱塞结构基础上，增加相关控制元件使之成为具备泵与马达特性的复合控制式的变量泵，使得一台变量泵可分时工作在泵和马达工况。

Description

复合控制式变量泵及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种复合控制式变量泵及其控制方法。

背景技术

近年来，节能减排成为工程机械的重要发展方向。能量回收在工程机械中具有广阔的前景，已成为工程机械研究的热点。

在现有采用能量回收系统的工程机械中，一台泵用于驱动工作装置，还需一台马达用于能量回收装置，它们需进行组合连接。在某些工程设备中，工作装置的泵与能量回收装置中的马达不同时工作。这样的组合方式，存在占用结构空间大，元件利用率低，成本高的缺点。例如，公布号为CN103998784A、名称为“流体压泵马达”的专利。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供了一种能分时工作在泵和马达工况的复合控制式变量泵及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

复合控制式变量泵，包括一台变量泵本体和复合控制装置，其中：变量泵本体能在正排量至负排量之间工作；变量泵本体包括变量控制油缸、工作油口；复合控制装置包括负载敏感调节阀、变量油缸压力调节阀、油路切换阀、位置传感器、控制器；负载敏感调节阀连接油路切换阀，油路切换阀连接变量控制油缸；变量油缸压力调节阀连接油路切换阀，用于调节变量控制油缸压力，使变量泵本体能在正排量至负排量之间工作，变量油缸压力调节阀为比例阀；油路切换阀使负载敏感调节阀与变量油缸压力调节阀择一与变量控制油缸连通；位置传感器与变量泵本体连接，用于通过位置传感器的测量值得到变量泵排量；控制器与变量油缸压力调节阀连接，位置传感器将测量值传递至控制器，控制器根据位置传感器测量值修正对变量油缸压力调节阀的控制指令，调节变量控制油缸压力，控制器与油路切换阀连接，发出控制信号控制油路切换阀动作；控制器对油路切换阀的控制使复合控制式变量泵工作在负载敏感泵控制模式或泵马达比例控制模式；

根据外部指令，当需要负载敏感泵控制模式时：控制器接收外部指令后发送控制信号至油路切换阀，油路切换阀连通负载敏感调节阀与变量控制油缸之间油路，同时隔断变量油缸压力调节阀与变量控制油缸之间油路，复合控制式变量泵切换至负载敏感控制模式，复合控制式变量泵体现负载敏感变量泵工作特性；

根据外部指令，当需要泵马达比例控制模式时：控制器接收外部指令后发出控制信号至油路切换阀，油路切换阀连通变量油缸压力调节阀与变量控制油缸之间油路，同时隔断负载敏感调节阀与变量控制油缸之间的油路，复合控制式变量泵切换至泵马达比例控制模式，控制器发出信号比例调节变量油缸压力调节阀的开度，进而比例调节变量控制油缸压力，复合控制式变量泵工作在下述三种工况之一：复合控制式变量泵在待机状态，处于零排量；复合控制式变量泵体现比例变量泵工作特性；复合控制式变量泵体现比例变量马达工作特性。

本发明在常规开式变量柱塞结构基础上，增加相关控制元件使之成为具备泵与马达特性的复合控制式的变量泵，使得一台变量泵可分时工作在泵和马达工况。

复合控制式变量泵分时工作在泵和马达工况。

作为优选，变量泵本体为斜盘式变量柱塞泵。斜盘式变量泵是变量泵中常用的一种，具备结构紧凑，工作压力高，性能稳定的特点。

作为优选，油路切换阀为两位三通电磁阀。该两位三通电磁阀分别控制变量泵的两种工作模式，失电时为一种工作模式，得电时为另一种工作模式，响应速度快。

作为优选，变量油缸压力调节阀为比例伺服阀。该比例伺服阀带自反馈功能，能够根据控制器的指令进行闭环控制，也可以根据位置传感器25参数进行闭环控制，控制精度高，响应速度快。

作为优选，位置传感器为角度传感器或位移传感器。角度传感器或位移传感器能够测量斜盘的旋转角度或变量控制油缸的直线位移，可方便、准确地测量复合控制式变量泵的排量。

作为优选，复合控制式变量泵还包括外部输入油口、梭阀；所述外部输入油口，用于接入外部油路；所述梭阀有三个压力油口，两个输入油口分别与复合控制式的变量泵工作油口、外部输入油口连通，第三油口为输出油口，其选择两个输入油口中较大压力侧压力经第三油口传输到变量油缸压力调节阀。梭阀能够引入外部控制压力信号，为变量控制缸压力调节阀提供了备用控制油源，有利于变量油缸压力调节阀控制压力信号的稳定输出。

作为优选，复合控制式变量泵的工作油口还装有压力传感器，压力传感器测量复合控制式的变量泵工作油口压力，并将压力信号传输至控制器，控制器根据位置传感器和压力传感器的反馈值修正对变量油缸压力调节阀的控制指令。通过对变量泵的复合控制装置工作油口的压力测量值，可设定系统的安全压力，并对变量油缸压力调节阀的调节提供修正参数。复合控制式变量泵的控制方法，复合控制式变量泵分时工作在泵和马达工况。

本发明将工作装置与能量循环装置有机整合成为一个结构紧凑的液压二次元件，极大地简化液压系统；通过控制该复合控制式变量泵的排量能够实现液压泵与液压马达工作特性间的便利转换，实现机械能与液压能的双向转换，成本低，结构简单，减轻了设备重量，减少了故障率，节约能量，维修方便。

作为优选，复合控制式变量泵的控制方法中，控制器对油路切换阀的控制使复合控制式变量泵工作在负载敏感泵控制模式或泵马达比例控制模式；

根据外部指令，当需要负载敏感泵控制模式时：控制器接收外部指令后发送控制信号至油路切换阀，油路切换阀连通负载敏感调节阀与变量控制油缸之间油路，同时隔断变量油缸压力调节阀与变量控制油缸之间油路，复合控制式变量泵切换至负载敏感控制模式，复合控制式变量泵体现负载敏感变量泵工作特性；

根据外部指令，当需要泵马达比例控制模式时：控制器接收外部指令后发出控制信号至油路切换阀，油路切换阀连通变量油缸压力调节阀与变量控制油缸之间油路，同时隔断负载敏感调节阀与变量控制油缸之间的油路，复合控制式变量泵切换至泵马达比例控制模式，控制器发出信号比例调节变量油缸压力调节阀的开度，进而比例调节变量控制油缸压力，复合控制式变量泵工作在下述三种工况之一：复合控制式变量泵在待机状态，处于零排量；复合控制式变量泵体现比例变量泵工作特性；复合控制式变量泵体现比例变量马达工作特性。

上述方法在开式变量柱塞结构基础上，增加相关控制元件使之成为具备泵与马达特性的复合控制式变量泵，其优点在于：1.实现负载敏感泵控制模式与泵马达比例控制模式之间的切换；2.在泵马达比例控制模式下，复合控制式的变量泵的排量可以在正排量至负排量之间比例调节；3.变量油缸压力调节阀采用伺服比例调节，排量调节精度高，响应快；4.控制器采用闭环控制能够实时测量和控制复合控制式变量泵的排量与压力，控制精度高，安全性高。

附图说明

图1 为本发明实施例中负载敏感泵控制模式的示意图。 。

图2 为本发明实施例中控制系统框图 。

图3 为本发明实施例中泵马达比例控制模式之一的待机状态的示意图。

图4 为本发明实施例中泵马达比例控制模式之二的比例变量泵状态的示意图 。

图5 为本发明实施例中泵马达比例控制模式之三的比例变量马达状态的示意图。

图6-图10，为油路切换阀26的实现方式。

图11-图14，为变量油缸压力调节阀23的实现方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例

本发明的量泵复合控制系统由变量泵本体1、复合控制装置2两大部分组成。

变量泵本体1是本发明复合控制式变量泵的结构基础，其能实现排量在正排量至负排量变化，有一个较大控制行程。复合控制式的变量泵在下述四种工况之一：复合控制式的变量泵处于负载敏感变量泵工作模式；变量油缸压力调节阀23隔断复合控制式的变量泵的工作油口A与液压油箱之间油路，变量泵复合控制装置处于待机状态；复合控制式的变量泵体现比例变量泵工作特性；复合控制式的变量泵体现比例变量马达工作特性。

变量泵本体1受控于复合控制装置2。

变量控制油缸11用于控制排量，其工作容腔从复合控制式的变量泵A口取压力信号。

变量控制油缸12用于平衡变量控制油缸11的力矩，其工作容腔压力信号受控于复合控制装置2。

复合控制装置2包括：负载敏感调节阀21、梭阀22、变量油缸压力调节阀23、油路切换阀26、位置传感器25、压力传感器24、控制器27。

复合控制装置2是复合控制式变量泵调节的执行部分，直接控制变量泵本体1。

负载敏感调节阀21调节该复合控制式的变量泵为负载敏感变量泵功能时的流量、压力特性。

压力控制阀211从复合控制式的变量泵的A口取压力信号，该油口与油路切换阀26入口连通，该阀能够设置该复合控制式的变量泵的安全压力。

流量控制阀212的X口接外部油路，阀芯的一端从复合控制式的变量泵A口取压力信号，阀芯的另一端受到X口与复位弹簧压力双重作用，流量控制阀212的输出端口与变量控制油缸12相连接，X口压力变化，引起复合控制式的变量泵的排量变化。

梭阀22的三个压力油口，两个输入口分别与复合控制式的变量泵的A口、外部输入油X1口连通，第三口为输出油口，其选择两个输入口较大压力侧压力信号输出。

变量油缸压力调节阀23输入油口b2口与梭阀22的输出油口连通，b3油口与液压油箱连通，b1油口与油路切换阀26a2口连通，该阀为高响应的比例伺服阀，用于控制变量控制油缸12容腔压力值。

油路切换阀26输入油口a1口与压力控制阀211输出口连通，油路切换阀26输入油口a2口与变量油缸压力调节阀23输出口b1口连通，油路切换阀26输出油口a3口与变量控制油缸12连通。

位置传感器25用于检测复合控制式的变量泵的排量，直接与变量泵本体1连接。

压力传感器24用于检测复合控制式的变量泵的A口压力信号。

控制器27采集位置传感器25、压力传感器24值，并结合相关控制逻辑，产生输出信号，对变量油缸压力调节阀23、油路切换阀26进行闭环控制，且该控制器留有外部通讯接口。

控制器主要包括电源、输入接口、输出接口、信号处理单元、调节器、前置放大级、功率放大级、测量放大电路等部分组成。控制器可以采用下述实现方式：

控制器是一种集成模块，由A/D 模块、微处理器、D/A 模块、存储器、 和输入接口、输出接口等构成。输入接口用于外部数据的输入，输出接口用于向外传输数据。输入接口和输出接口并非是单一的插孔，可有多个插孔供数据线使用。A/D 模块用于将模拟量转化为数字量，D/A 模块用于将数字量转化为模拟量。微处理器是控制器的核心部件，可以连续存取数据和应用程序。

复合控制式变量泵的控制方法，复合控制式变量泵分时工作在泵和马达工况。

控制器27对油路切换阀26的控制使复合控制式变量泵工作在负载敏感泵控制模式或泵马达比例控制模式；

    根据外部指令，当需要负载敏感泵控制模式时：控制器27接收外部指令后发送控制信号至油路切换阀26，油路切换阀26连通负载敏感调节阀21与变量控制油缸12之间油路，同时隔断变量油缸压力调节阀23与变量控制油缸12之间油路，复合控制式变量泵切换至负载敏感控制模式，复合控制式变量泵体现负载敏感变量泵工作特性；

根据外部指令，当需要泵马达比例控制模式时：控制器27接收外部指令后发出控制信号至油路切换阀26，油路切换阀26连通变量油缸压力调节阀23与变量控制油缸12之间油路，同时隔断负载敏感调节阀21与变量控制油缸12之间的油路，复合控制式变量泵切换至泵马达比例控制模式，控制器27发出信号比例调节变量油缸压力调节阀23的开度，进而比例调节变量控制油缸12压力，复合控制式变量泵工作在下述三种工况之一：复合控制式变量泵在待机状态，处于零排量；复合控制式变量泵体现比例变量泵工作特性；复合控制式变量泵体现比例变量马达工作特性。

复合控制式的变量泵工作模式如下。

1、复合控制式的变量泵工作模式一：负载敏感泵控制模式。

图1中，变量泵的复合控制方法及装置工作在负载敏感泵控制模式

如图1所示，控制器27无控制信号发送至油路切换阀26，该复合控制式的变量泵进入负载敏感泵控制模式，其A口输出液压能。变量控制器21从复合控制式的变量泵A口与外部控制X口提取控制压力信号，经过油路切换阀26，对变量控制油缸12进行压力控制，平衡另一变量控制油缸11推力，实现对复合控制式的变量泵泵功能的流量与压力控制。在该模式中梭阀22、变量油缸压力调节阀23不参与对变量控制油缸12的控制。压力传感器24测量复合控制式的变量泵A口压力，并传输至控制器27。位置传感器25测量复合控制式的变量泵的排量，并将信号传输至控制器27，防止复合控制式的变量泵进入马达工作状态。

2、复合控制式的变量泵工作模式二：泵马达比例控制模式。

泵马达比例控制模式之一：待机状态

如图3所示，控制器27发送控制信号至油路切换阀26，油路切换阀26隔断压力控制阀211出口与变量控制油缸12之间油路，连通变量油缸压力调节阀23出口与变量控制油缸12之间油路。压力流量控制阀21不参与控制，其出口油路被隔断。梭阀22对比复合控制式的变量泵A口与外部控制X1口的压力信号，将较高压力侧信号输出。梭阀出口传递至压力流量控制阀21部分的油路被油路切换阀26隔断；同时梭阀输出信号传递至并受控于变量油缸压力调节阀23。位置传感器25测量复合控制式的变量泵的排量，将信号传递至控制器27。控制器27发出控制信号至变量油缸压力调节阀23。变量油缸压力调节阀23隔断梭阀22出口与油路切换阀26之间油路，复合控制式变量泵始终处于零排量，复合控制式的变量泵处于待机状态。

泵马达比例控制模式之二：比例变量泵状态

如图4所示，控制器27发送控制信号至油路切换阀26，油路切换阀26隔断压力控制阀211出口与变量控制油缸12之间油路，连通变量油缸压力调节阀23出口与变量控制油缸12之间油路。负载敏感调节阀21不参与控制，其出口油路被油路切换阀26隔断。梭阀22对比复合控制式的变量泵A口与外部控制X1口的压力信号，将高压力侧信号输出。梭阀22出口传递至压力流量控制阀21部分的油路被油路切换阀26隔断；梭阀22出口信号传递至变量油缸压力调节阀23，并被变量油缸压力调节阀23隔断。变量控制油缸12经油路切换阀26、变量油缸压力调节阀23与油箱连通。控制器27发出控制信号，调节变量油缸压力调节阀23开度，进而调节变量控制油缸12压力。位置传感器25实时测量复合控制式的变量泵的排量，并将测量值传递至控制器27，控制器27根据位置传感器25的反馈值实时修正对变量油缸压力调节阀23的控制指令。压力传感器24测量复合控制式的变量泵出口A处的压力值，并传输至控制器27。此时，复合控制式的变量泵在比例变量泵状态下工作。

泵马达比例控制模式之三：比例变量马达状态

如图5所示，控制器27发送控制信号至油路切换阀26，油路切换阀26隔断压力控制阀211出口与变量控制油缸12之间油路，连通变量油缸压力调节阀23出口与变量控制油缸12之间油路。负载敏感调节阀21不参与控制，其出口油路被油路切换阀26隔断。梭阀22对比复合控制式的变量泵A口与外部油路接口X1口的压力信号，将较高的压力信号输出。梭阀22出口与压力流量控制阀21之间的油路被油路切换阀26隔断。梭阀22出口压力信号经变量油缸压力调节阀23、油路切换阀26传递至变量控制油缸12。控制器27发出控制信号，调节变量油缸压力调节阀23开度，进而调节变量控制油缸12压力。位置传感器25实时测量符合控制式的变量泵的排量，并将测量值传递至控制器27，控制器27根据位置传感器25的测量值实时修正对变量油缸压力调节阀23的控制指令。压力传感器24测量复合控制式的变量泵A处的压力值，并传输给控制器27。此时，复合控制式的变量泵A口流入压力油，复合控制式的变量泵吸油口排出低压油至油箱，复合控制式的变量泵在比例变量马达状态下工作，且复合控制式的变量泵的连接轴旋转方向与其余三种工作模式保持一致。

本实施例中，位置传感器25、油路切换阀26、变量油缸压力调节阀23有多种实现方式，具体如下：

变量泵本体1可以是柱塞泵，也可以是叶片泵。

位置传感器25测量复合式变量泵的排量有两种方式：

（1）安装转角传感器，转角传感器安装于斜盘的旋转中心处。

2安装位移传感器，该传感器用于测量变量控制油缸位移，通过计算可以转化为排量参数。安装的位置可以在变量控制油缸11活塞杆上，也可以在变量控制油缸12活塞杆上。

如图6-图10，机能型式的展开，油路切换阀26的多种实现方式，油路切换阀26可以为两位三通或两位四通电磁阀、三位四通电磁阀。

如图11-图14，变量油缸压力调节阀23的多种实现方式，包括比例阀、比例伺服阀等。

本发明在常规开式变量柱塞结构基础上，增加相关控制元件使之成为具备泵与马达特性的复合控制式的变量泵，其优点在于：

1、复合控制式的变量泵应用于开式液压系统中，复合控制式的变量泵有一个油口始终连通液压油箱，还有一个油口始终连通工作油路；

2.采用变量泵的结构并扩大变量范围，使之在正排量至负排量之间变化，从而实现泵与马达结构上的统一；

3、复合控制式的变量泵对排量进行比例精确调节；

4、带复合控制装置的变量泵连接轴旋转方向唯一，且可以通轴联接；

5、测量元件对复合控制式的变量泵进行实时测量，控制器能够监控复合控制式的变量泵的压力、排量参数，同时能够发出调节指令控制变量油缸压力调节阀与油路切换阀；

6、将工作装置与能量循环装置有机整合成为一个结构紧凑的液压二次元件，极大地简化液压系统；

7、通过控制该复合控制式变量泵的排量能够实现液压泵与液压马达工作特性间的便利转换，实现机械能与液压能的双向转换，成本低，结构简单，减轻了设备重量，减少了故障率，节约能量，维修方便。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种复合控制式变量泵，包括一台变量泵本体（1）和复合控制装置（2），其特征在于，变量泵本体（1）能在正排量至负排量之间工作；变量泵本体（1）包括变量控制油缸（11、12）、工作油口（A）；复合控制装置（2）包括负载敏感调节阀（21）、变量油缸压力调节阀（23）、油路切换阀（26）、位置传感器（25）、控制器（27）；负载敏感调节阀（21）连接油路切换阀（26），油路切换阀（26连接变量控制油缸（12）；变量油缸压力调节阀（23）连接油路切换阀（26），用于调节变量控制油缸（12）压力，使变量泵本体1能在正排量至负排量之间工作，变量油缸压力调节阀（23）为比例阀；油路切换阀（26）使负载敏感调节阀（21）与变量油缸压力调节阀（23）择一与变量控制油缸（12）连通；

位置传感器（25）与变量泵本体（1）连接，用于通过位置传感器（25）的测量值得到变量泵排量；控制器（27）与变量油缸压力调节阀（23）连接，位置传感器（25）将测量值传递至控制器（27），控制器（27）根据位置传感器（25）测量值修正对变量油缸压力调节阀（23）的控制指令，调节变量控制油缸（12）压力，控制器（27）与油路切换阀（26）连接，发出控制信号控制油路切换阀（26）动作；控制器（27）对油路切换阀（26）的控制使复合控制式变量泵工作在负载敏感泵控制模式或泵马达比例控制模式；

根据外部指令，当需要负载敏感泵控制模式时：控制器（27）接收外部指令后发送控制信号至油路切换阀（26），油路切换阀（26）连通负载敏感调节阀（21）与变量控制油缸（12）之间油路，同时隔断变量油缸压力调节阀（23）与变量控制油缸（12）之间油路，复合控制式变量泵切换至负载敏感控制模式，复合控制式变量泵体现负载敏感变量泵工作特性；

根据外部指令，当需要泵马达比例控制模式时：控制器（27）接收外部指令后发出控制信号至油路切换阀（26），油路切换阀（26）连通变量油缸压力调节阀（23）与变量控制油缸（12）之间油路，同时隔断负载敏感调节阀（21）与变量控制油缸（12）之间的油路，复合控制式变量泵切换至泵马达比例控制模式，控制器（27）发出信号比例调节变量油缸压力调节阀（23）的开度，进而比例调节变量控制油缸（12）压力，复合控制式变量泵工作在下述三种工况之一：复合控制式变量泵在待机状态，处于零排量；复合控制式变量泵体现比例变量泵工作特性；复合控制式变量泵体现比例变量马达工作特性。

2.根据权利要求1所述的复合控制式变量泵，其特征是：变量泵本体为斜盘式变量柱塞泵。

3.根据权利要求1或2所述的复合控制式变量泵，其特征是：油路切换阀（26）为两位三通电磁阀。

4.根据权利要求1或2所述的复合控制式变量泵，其特征是：变量油缸压力调节阀（23）为比例伺服阀。

5.根据权利要求1或2所述的复合控制式变量泵，其特征是：位置传感器（25）为角度传感器或位移传感器。

6.根据权利要求1或2所述的复合控制式变量泵，其特征是：还包括外部输入油口（X1）、梭阀（22）；所述外部输入油口（X1）用于接入外部油路；所述梭阀有三个压力油口，两个输入油口分别与复合控制式的变量泵工作油口（A）、外部输入油口（X1）连通，第三油口为输出油口，其选择两个输入油口中较大压力侧压力经第三油口传输到变量油缸压力调节阀（23）。

7.根据权利要求1或2所述的复合控制式的变量泵，其特征是: 复合控制式的变量泵的工作油口（A）还装有压力传感器（24），压力传感器（24）测量复合控制式的变量泵工作油口（A）压力，并将压力信号传输至控制器（27），控制器（27）根据位置传感器（25）和压力传感器（24）的反馈值修正对变量油缸压力调节阀（23）的控制指令。

8.一种复合控制式变量泵的控制方法，其特征是：复合控制式变量泵分时工作在泵和马达工况。

9.根据权利要求8所述的复合控制式变量泵的控制方法，其特征是：控制器（27）对油路切换阀（26）的控制使复合控制式变量泵工作在负载敏感泵控制模式或泵马达比例控制模式；

    根据外部指令，当需要负载敏感泵控制模式时：控制器（27）接收外部指令后发送控制信号至油路切换阀（26），油路切换阀（26）连通负载敏感调节阀（21）与变量控制油缸（12）之间油路，同时隔断变量油缸压力调节阀（23）与变量控制油缸（12）之间油路，复合控制式变量泵切换至负载敏感控制模式，复合控制式变量泵体现负载敏感变量泵工作特性；

    根据外部指令，当需要泵马达比例控制模式时：控制器（27）接收外部指令后发出控制信号至油路切换阀（26），油路切换阀（26）连通变量油缸压力调节阀（23）与变量控制油缸（12）之间油路，同时隔断负载敏感调节阀（21）与变量控制油缸（12）之间的油路，复合控制式变量泵切换至泵马达比例控制模式，控制器（27）发出信号比例调节变量油缸压力调节阀（23）的开度，进而比例调节变量控制油缸（12）压力，复合控制式变量泵工作在下述三种工况之一：复合控制式变量泵在待机状态，处于零排量；复合控制式变量泵体现比例变量泵工作特性；复合控制式变量泵体现比例变量马达工作特性。