CN105442658A - 一种工程机械快速响应动力系统 - Google Patents

Abstract

一种工程机械快速响应动力系统，属于工程机械动力控制系统技术领域，它包括执行机构和动力快速响应单元，所述执行机构由油缸、工作液压泵、3个三位四通换向阀和3个液压缸组成；所述动力快速响应单元由蓄能器、第一电磁换向阀、安全阀、第二电磁换向阀、油缸、单向阀、动力液压泵、电动机、电机变频器、控制单元、压力传感器组成。本发明能够迅速的根据液压元件压力的具体变化情况进行及时、快速、高效地调节液压泵的转速，并能提高能量利用率和降低液压机械动力系统提供的额定功率即降低电动机额定功率。

Description

一种工程机械快速响应动力系统

技术领域

本发明属于工程机械动力控制系统技术领域，适用于包括挖掘机、铲车、装载车这些以电网或电池电能为动力的工程机械。

背景技术

工程机械是用于工程建设的施工机械的总称。广泛用于建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域，种类繁多。长期以来工程机械大部分发动机为大功率柴油发动机。

传统的动力方式柴油发动机由于其额定功率较高，不仅有较为昂贵的成本，并且大量柴油的消耗对环境造成了一定的污染。最近几年混合动力工程机械得到迅速发展，但混合动力工程机械的柴油发动机与电动机的切换不流畅，并且电动机的使用受到很大程度的限制。最重要的是大部分工程机械采用恒定功率的交流异步电机额定功率偏高并且没有制动功能，该交流异步电机转速虽然能通过变频器调节，但由于电机启动与制动、加速与减速时[xw2]转动惯量大，电机本身又不存在制动装置，从而导致该电机所带动的液压泵对启动制动或负载变化的响应非常缓慢，造成动力系统大量的功率损失与操作动作的延迟。

以清洁能源为动力、降低该动力系统提供的额定工作功率、提高该动力系统的效率以及提高工程机械动力系统响应的速度是当前工程机械研究的一个方向。

以一种电动液压挖掘机械为例。液压挖掘机是一种多功能工程机械，被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。

传统液压挖掘机械动力系统提供的额定功率高，并且液压挖掘机械能量利用率较低，该电动液压挖掘机将交流同步电动机作为动力的唯一来源，该同步电机外接变频器，由变频器根据负载的大小及变化调节电机的转速与功率，最终达到电动机转速与动力液压泵油量的合理匹配。但当该电动液压挖掘机在启动、制动或加减速时，由于该电动机缺少制动系统从而在这个过程中导致整个动力系统响应缓慢，故该动力系统较为容易发生操作延迟现象，并且频繁造成能源浪费，故而该额定功率下系统的能量利用率较低，液压泵转速不能及时根据液压元件压力的变化做出及时调整。

发明内容

本发明目的是为了降低电动机额定功率、提高系统能量利用率、提高挖掘机动力系统的响应速度，当电动液压挖掘机执行元件的工作压力发生变化时，电动液压挖掘机的电机转速能够较快的做出相应调整从而较为迅速的改变液压泵供给动力系统的压力。

一种工程机械快速响应动力系统，其特征是包括执行机构和动力快速响应单元，所述执行机构由油缸、工作液压泵、3个三位四通换向阀和3个液压缸组成；

第1液压缸与第1三位四通换向阀的进油口和出油口连接，第2液压缸与第2三位四通换向阀的进油口和出油口连接，第3液压缸与第3三位四通换向阀的进油口和出油口连接，工作液压泵与第4三位四通换向阀的的进油口和出油口连接，4个三位四通换向阀的另外的出油口均与动力液压泵连接，4个三位四通换向阀的另外的进油口均和油缸连接；

所述动力快速响应单元由蓄能器、第一电磁换向阀、安全阀、第二电磁换向阀、油缸、单向阀、动力液压泵、电动机、电机变频器、控制单元、压力传感器组成，蓄能器通过第一电磁换向阀与动力液压泵的出油口连接，蓄能器通过安全阀与油缸连接，第二电磁换向阀与动力液压泵的进油口和蓄能器连接，动力液压泵由电动机驱动，并且动力液压泵的进油口经单向阀与油缸连接，压力传感器采集4个三位四通换向阀的进油口及蓄能器的压强反馈给控制单元，控制单元与电机变频器连接且与第一电磁换向阀、第二电磁换向阀连接，电机变频器与电动机连接，电动机与动力液压泵连接，控制单元控制第一电磁换向阀、第二电磁换向阀的开闭。

所述蓄能器为气瓶式蓄能器；

所述控制单元由微控制器、AD698电路模块、电磁铁驱动模块、变频器模块、USB接口、存储器模块、差分信号输入通道、电源部分构成，用户设定通过差分信号输入通道输入微控制器，由24V电源向电源部分提供电能，压力传感器通过AD698电路模块将信号输入微控制器，微控制器分别通过电磁铁驱动模块和变频器模块调节电磁铁的开闭和变频器的工作状态；

控制单元通过分析三位四通阀进油口和蓄能器进油口处的压力，实现控制蓄能器的开闭，当动力液压泵提供压力过高或电动机启动时将多余能量存入蓄能器中，当动力液压泵提供压力不足或电动机启动时蓄能器变为动力源与力液压泵共同为动力系统提供压力，从而提高动力系统响应速度减少动力系统的响应时间。

本发明中的控制单元还可以采用博士力士乐牌控制器，其具体型号为RC4-4/20，该控制器接受压力传感器发出的信号，对蓄能器的开闭及变频器输出功率的大小进行调节。

所述压力传感器采用重载传感器，用来检测4个三位四通换向阀进油口及蓄能器处的压强，并将这几处的压强反馈给控制单元。

本发明具有下述有益效果：

1、本发明的蓄能器在动力液压泵提供压力足够时作为储能装置，在动力液压泵提供压力不足时变为动力装置，不仅能够降低电动机的最大功率，从而提高了动力系统的能量利用率，并且还能起到降低动力系统噪声、消除动力系统脉动的效果；

2、本发明的压力传感器能及时检测到各个工作回路中压力的大小，并将具体信号反馈给控制单元，控制单元根据反馈信息对电机变频器和两个电磁换向阀发出快速信号，使电动机与蓄能器做出快速响应，达到动力快速响应系统及时、快速、高效的调节供给压力的目的；

3、本发明的微控制器能够更加准确和方便的按照用户的初设定值对液压阀入口出的压力进行监测，从而更加迅速与准确的对液压阀的开闭及变频器的工作状态进行调节，降低整个液压系统的响应速度，提高液压系统工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例（挖掘机）的结构原理图

图中，1a-A电磁换向阀，1b-B电磁换向阀，1c-C电磁换向阀，1d-D电磁换向阀，2a-A液压缸，2b-B液压缸，2c-C液压缸，3-工作液压泵，4-蓄能器，5-E电磁换向阀，6-安全阀，7-F电磁换向阀，8-油缸，9-单向阀，10-动力液压泵，11-电动机，12-电机变频器，13-控制单元，14-压力传感器。

图2为控制单元原理结构简图。

具体实施方式

以下结合附图介绍本发明详细技术方案：

实施例：如图1所示，挖掘机快速响应动力系统，包括执行机构Ⅰ和动力快速响应单元Ⅱ。

执行机构Ⅰ包括：A电磁换向阀1a、B电磁换向阀1b、C电磁换向阀1c、D电磁换向阀1d、A液压缸2a、B液压缸2b、C液压缸2c、工作液压泵3、油缸8；

A电磁换向阀1a、B电磁换向阀1b、C电磁换向阀1d和D电磁换向阀1d都为三位四通换向阀；

A液压缸2a、B液压缸2b与C液压缸2c分别于对应的A电磁换向阀1a、B电磁换向阀1b和C电磁换向阀1c一侧的一个进油口和一个出油口连接，工作液压泵3与D电磁换向阀1d一侧的一个进油口和一个出油口连接，A电磁换向阀1a、B电磁换向阀1b、C电磁换向阀1c和D电磁换向阀1d另外的一个进油口和一个出油口分别与动力液压泵10和油缸8连接。

动力液压泵10提供的液压油经A电磁换向阀1a、B电磁换向阀1b、C电磁换向阀1c和D电磁换向阀1d供给A液压缸2a、B液压缸2b、C液压缸2c和工作液压泵3，A液压缸2a、B液压缸2b、C液压缸2c和工作液压泵3内的液压油经A电磁换向阀1a、B电磁换向阀1b、C电磁换向阀1c和D电磁换向阀1d回到油缸8。

动力快速响应单元Ⅱ包括：蓄能器4、E电磁换向阀5、安全阀6、F电磁换向阀7、油缸8、单向阀9、动力液压泵10、电动机11、电机变频器12、控制单元13、压力传感器14，蓄能器4通过E电磁换向阀5与动力液压泵10的出油口连接，蓄能器4通过安全阀6与油缸8连接，F电磁换向阀7与动力液压泵10的进油口连接，动力液压泵10由电动机11驱动，动力液压泵10的进油口经单向阀9与油缸8连接，压力传感器14采集A电磁换向阀1a、B电磁换向阀1b、C电磁换向阀1c和D电磁换向阀1d进油口及蓄能器4处的压强反馈给控制单元13，控制单元13与电机变频器12连接，电机变频器12与电动机11连接，电动机11与动力液压泵10连接，控制单元13还与E电磁换向阀5、F电磁换向阀7连接并控制两个电磁换向阀的开闭。

当A电磁换向阀1a、B电磁换向阀1b、C电磁换向阀1c和D电磁换向阀1d进油口及蓄能器4处的压强发生变化时，变化信号由压力传感器14反馈给控制单元13。

所述控制单元13接受压力传感器14发出的信号，对变频器12输出功率的大小进行调节，通过对E电磁换向阀5、F电磁换向阀7的控制从而对蓄能器4的开闭进行调节。

若工作系统需要的压强过低或电机制动减速状态，控制单元13会使E电磁换向阀5处于接通状态，使F电磁换向阀7处于断开状态，动力液压泵10供给给系统的一部分能量或者电机制动减速的能量存储到蓄能器4中，并且控制单元13还会通过控制电机变频器12对电动机11进行变频调速，从而降低动力液压泵10供给系统的能量；

若工作系统需要的压强过高或电机启动加速时，控制单元13会使E电磁换向阀5处于断开状态，使F电磁换向阀7处于接通状态，动力液压泵10与蓄能器4共同供给系统能量，并且控制单元13还会通过控制电机变频器12对电动机11进行变频调速，从而提高动力液压泵10供给系统的能量，此时电动机11的额定电压就会明显降低，提高了动力系统的能量利用率。这还会使动力系统在负载发生变化时能够较为快速的做出响应，提高了动力系统响应速度，减少了动力系统的响应时间；压力传感器14能及时的检测到各个工作回路中压力的大小，并将具体信号反馈给控制单元13，让控制单元13根据反馈信息对电机变频器12和E电磁换向阀5、F电磁换向阀7发出快速信号，从而使电动机11与蓄能器4做出快速响应，从而达到动力快速响应系统及时、快速、高效的调节供给压力的目的。

Claims (6)

1.一种工程机械快速响应动力系统，其特征是包括执行机构和动力快速响应单元，所述执行机构由油缸、工作液压泵、3个三位四通换向阀和3个液压缸组成；第1液压缸与第1三位四通换向阀的进油口和出油口连接，第2液压缸与第2三位四通换向阀的进油口和出油口连接，第3液压缸与第3三位四通换向阀的进油口和出油口连接，工作液压泵与第4三位四通换向阀的的进油口和出油口连接，4个三位四通换向阀的另外的出油口均与动力液压泵连接，4个三位四通换向阀的另外的进油口均和油缸连接；

所述动力快速响应单元由蓄能器、第一电磁换向阀、安全阀、第二电磁换向阀、油缸、单向阀、动力液压泵、电动机、电机变频器、控制单元、压力传感器组成，蓄能器通过第一电磁换向阀与动力液压泵的出油口连接，蓄能器通过安全阀与油缸连接，第二电磁换向阀与动力液压泵的进油口和蓄能器连接，动力液压泵由电动机驱动，并且动力液压泵的进油口经单向阀与油缸连接，压力传感器采集4个三位四通换向阀的进油口及蓄能器的压强反馈给控制单元，控制单元与电机变频器连接且与第一电磁换向阀、第二电磁换向阀连接，电机变频器与电动机连接，电动机与动力液压泵连接，控制单元控制第一电磁换向阀、第二电磁换向阀的开闭。

2.根据权利要求1所述一种工程机械快速响应动力系统，其特征是所述控制单元通过分析三位四通阀进油口和蓄能器进油口处动力液压泵的压力，实现控制蓄能器的开闭；即将动力液压泵过高压力时的多余能量存入蓄能器中；当动力液压泵提供压力不足时蓄能器与动力液压泵共同为动力系统提供压力，从而提高动力系统响应速度减少动力系统的响应时间。

3.根据权利要求2所述一种工程机械快速响应动力系统，其特征是所述控制单元由24V电源向电源部分提供电能，用户的初始设定通过差分信号输入通道输入微控制器，压力传感器通过电路模块将采集的信号输入微控制器，微控制器分别通过电磁铁驱动模块和变频器模块调节电磁铁的开闭和变频器的工作状态。

4.根据权利要求1所述一种工程机械快速响应动力系统，其特征是所述压力传感器采用压力重载传感器，压力重载传感器检测4个三位四通换向阀进油口和蓄能器的压强，并将检测到的压强反馈给控制单元。

5.根据权利要求1所述一种工程机械快速响应动力系统，其特征是所述控制单元通过三位四通阀进油口和蓄能器进油口处的压力，实现控制蓄能器的开闭；即将电动机启动时的多余能量存入蓄能器中，使蓄能器与动力液压泵共同为动力系统提供压力，从而提高动力系统响应速度减少动力系统的响应时间。

6.根据权利要求1所述一种工程机械快速响应动力系统，其特征是所述控制单元由微控制器、AD698电路模块、电磁铁驱动模块、变频器模块、USB接口、存储器模块、差分信号输入通道、电源部分构成，用户设定通过差分信号输入通道输入微控制器，由24V电源向电源部分提供电能，压力传感器通过AD698电路模块将信号输入微控制器，微控制器分别通过电磁铁驱动模块和变频器模块调节电磁铁的开闭和变频器的工作状态；控制器接受压力传感器发出的信号，对蓄能器的开闭及变频器输出功率的大小进行调节。