CN106762914A - 一种低流量开关控制驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种低流量开关控制驱动器，该驱动器包括阀驱动系统和和主阀(1)，其中：所述阀驱动系统，其输入端连接供油路，其输出端连接负载液压缸的无杆腔端口A；主阀(1)输入端连接负载液压缸的无杆腔端口A，主阀(1)输出端连接回油路；供油路同时连接负载液压缸的有杆腔B。本发明利用两个阀驱动形成差动回路，因而可以减小泵的供油流量；同时利用液容元件和液感元件形成振荡回路，将供油路中本身存在的微幅压力波转换成幅度满足需要的流量波输出，从而使经过主阀的流量减小到零同时关闭主阀，因而可以减小主阀的开关损耗，是一种低供油量、低阀损耗和无液压冲击的阀控制驱动器。

Description

一种低流量开关控制驱动器

技术领域

本发明涉及驱动器，特别是一种低流量开关控制驱动器。

背景技术

在液压系统中，液压冲击和振动噪声是常见故障之一，严重影响液压系统的控制精度和可靠性，增加系统能耗，甚至给系统带来潜在的故障。导致液压冲击的原因主要有泵站、液压阀和管路结构，而液压阀是仅次于泵站的第二大元凶。在液压阀控制过程中，改变阀口状态或者切换控制状态会使液流速度急剧变化，使流体的动能变为压力能，产生急剧的压力变化。液压冲击所造成的压力急剧交替升降波动过程是一种非恒定流动，流动参数产生阶跃变化的动态过程中，其压力瞬时的最大升值可达到管路中正常压力的许多倍，而且压力升降的频率较高，同时伴随切流、紊流、涡流等现象。当切换过程中压力差过大时，还会产生气穴现象，对系统具有极大的危害。液压冲击普遍存在于各类液压系统中。例如ABS工作过程中，换向阀处于频繁切换状态。当换向阀突然换向时，油液速度突然变化，压强快速升高或降低，引起冲击波动，压力冲击波作用于液压轮缸，从而引起振动与噪声。

在过去的几十年里专家和学者们尝试各种手段抑制或者消除液压冲击产生的影响。文献【Soft switching approach to reducing transition lossein an on/offhydraulic valve.In Proceedings of the ASME 2009Dynamic Systems and ControlConference,DSCC,Hollywood,California,USA,2009,October 12-14】中报道了Rannow和Li设计了一个软切换容腔。当开关阀部分开启时，流量暂时流入单向阀或者软切换容腔内；当换向阀完全开启后，流量从零流量切换控制容腔中流出。仿真模型中，换向阀的PWM信号频率为20Hz，占空比为50％，切换响应时间为7.5ms，系统流量为37.9L/min，负载压力为6.89MPa，单向阀的调定压力为0.138MPa，仿真结果表明该设计减少了79％的切换损失以及66％的系统总损失。文献【Soft switch lock-release mechanism for a switch-Modehydraulic pump circuit.Journal of Dynamic Systems,Measurement,and Control,2014,136(3)】中报道了切换模式的液压回路中系统压力，切换容腔(切换过程中发生流量脉动的流体体积)和液压介质含气率对系统效率的影响。实验结果表明，系统的容积效率在61％到75％之间，主要的能量损失来自于高速开关阀的切换损失，并随着含气率、系统压力和切换容积的增加而增加。减小液压介质的含气量和阀与泵、马达之间的压缩容腔可以提高系统的效率。专利文献CN 204141015公开了一项关于软切换电磁换向阀的技术，该技术的目的在于通过设置带节流槽的两台阶式弧形结构，减小换向冲击力，提高阀的可靠性。

以上设计均是从控制阀的外部或者内部增加一个机械缓冲的结构，当阀快速开启或者闭合的时瞬间增大的压力被存储为弹簧势能或者节流容腔里的流体压缩势能，从而避免了压力脉动。这一类设计可以有效解决一部分切换控制系统，以及低速的数字液压系统中的压力脉冲，但是由于单向阀、零流量切换控制容腔以及节流容腔的响应速度和压力补偿能力有限，在压力冲击太大或者脉动频率太高的情况，这种设计只能减轻液压冲击而不能有效的去除液压冲击。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中不足，提供一种能够自动适应负载的变压节能驱动器，该驱动器可以主动降低液压阀开关过程中的压力冲击，从而减小系统振动，减小液压阀的开关损耗，提高系统的控制性能。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的低流量开关控制驱动器，包括阀驱动系统和和主阀，其中：所述阀驱动系统，其输入端连接供油路，其输出端连接负载液压缸的无杆腔端口A；主阀输入端连接负载液压缸的无杆腔端口A，主阀输出端连接回油路；供油路同时连接负载液压缸的有杆腔B。

该低流量开关控制驱动器在工作过程中，其实现负载液压缸伸长阶段的供应流量低于负载液压缸所需流量。

所述阀驱动系统包含两条平行回路，一条主控制回路和辅助控制回路，其中：一条主控制回路安装主阀，一条辅助控制回路依次安装辅阀、液容元件和液感元件。

所述的液容元件，为皮囊式蓄能器或弹簧式蓄能器或定制的液压容腔，其两端的压力差和流经蓄能器的流量有以下关系：

式中：Q为通过蓄能器的流量，C为蓄能器液容系数，为蓄能器的压力变化率，V₀为蓄能器初始体积，P₀为蓄能器预冲压力。

所述液感元件是细长管路，管壁的杨氏模量E≥1e4MPa，其两端的压力差和流经液感元件的流量具有以下关系：

式中：ΔP为液感元件两端的压力差，为液感元件的流量变化率，L为液感元件的液感系数，ρ为液压油的密度，l为液感元件的长度，D为液感元件的截面直径，Q为系统瞬时流量。

所述的液容元件和液感元件有以下关系：

C＝L，

式中：C为液容元件的液容系数，L为液感元件的液感系数。

所述主阀与辅阀的流量特性相同。

所述主阀和辅阀均为高速开关阀。

所述的负载液压缸，为不对称油缸。

所述阀驱动系统输入液压源为轴向柱塞泵，输出压力满足一下关系：

P_S＝P_S0+P_Sasin(ωt)

式中：P_S0为平均压力；P_Sa为压力波的幅值，为压力波的频率；ω为压力波的角频率；t为时间。

本发明与现有抑制液压阀切换过程的液压冲击的装置相比具有以下的主要的有益效果：

利用阀驱动1的快速切换控制，实现液压缸伸长过程中的节流功能，在供应流量低于负载流量时仍然正常工作，提高能量的使用效率。

2.阀驱动1具有两条平行回路，其中由辅阀，液容元件和液感元件构成的RLC振荡回路回路在有液压正弦波输入的工作状态下能够输出设计所需要的正弦流量。当需要关闭主阀时，通过使RLC振荡回路的流量自动增加到所需流量，从而使通过主阀的流量主动减小到零，并在零流量时刻附近关闭主阀。随后待到RLC回路的流量振荡回零时，在关闭辅阀。从而实现主阀与辅阀均在零流量状态下关闭。

3.通过调节相应控制阀的输入信号占空比可以调节负载运动速度的大小，具有更好的控制性能。

4.通过建立图4所示反馈控制系统，总共分为4个控制阶段。液压缸伸长过程中，主阀开启，主阀关闭；当系统收到关闭主阀的指令时，启动RLC振荡回路，同时保持主阀开启；当系统检测到通过主阀的流量为零时，闭合主阀，同时保持辅阀开启；通过辅阀的流量在微振幅正弦压力波的输入下经过RLC振荡回路继续变化直至为零，此时闭合辅阀。至此整条回路实现零流量关闭。

5.采用低流量开关控制驱动器，可以实现液压阀开关过程无液压冲击，供应流量低于负载流量时系统仍然可以正常运行，具有节能特性。以如下系统为例，试验泵为西门子hydroleduc W12，该泵输出压力为平均压力205bar，所含压力波频率为113Hz，压力波幅值为2bar。液压缸活塞直径为20mm，活塞杆直径为10mm，行程为0.1m。高速开关阀为奥地利林茨LCM研究所提供，响应时间为2mm。图4为被驱动的不对成液压缸在所述低损耗开关控制驱动器的驱动下做活塞杆伸出的匀速运动。图5为液压阀切换过程功率损耗图。通过实验数据可以看出本发明能够在阀切断时主动将过流量降低到零，极大地降低了开关损耗，并有效抑制了液压阀切断过程中产生的液压冲击。

附图说明

图1是本发明的低流量开关控制驱动器的系统原理图。

图2是图1中的阀驱动1的系统原理图。

图3是系统控制原理图。

图4是实例中被驱动液压缸示意图。

图5是换向阀切断过程中的功率损耗图。

图中：1.主阀，2.辅阀，3.液容元件，4.液感元件。

具体实施方式

本发明公开了一种低流量开关控制驱动器，包括阀驱动系统和主控制阀；阀驱动系统的输入端连接恒压网络的供油路，其输出端连接负载液压缸的无杆腔端口；主控制阀输入端连接负载液压缸的无杆腔端口，其输出端连接恒压网络的回油路；恒压网路的供油路同时连接负载液压缸的有杆腔；阀驱动系统包括两条平行回路，其中一条平行回路包括一个主控制阀；另外一条平行回路包括一个辅控制阀，一个液感元件和一个液容元件。本发明利用阀驱动系统与主控制阀形成差动回路，因而可以减小泵的供油流量；两个主控制阀及一个辅控制阀采用PWM控制的高速开关阀，因而最大限度地减小阀的节流损失；同时利用液容元件和液感元件形成振荡回路，将供油路中本身存在的微幅压力波转换成幅度满足需要的流量波输出，从而使经过主阀的流量减小到零同时关闭主阀，因而可以减小主阀的开关损耗，是一种低供油量，低阀损耗，无液压冲击的阀控制驱动器。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的低流量开关控制驱动器，其结构如图1至图2所示，包括阀驱动系统和主控制阀，其中：所述阀驱动系统，其输入端连接供油路，其输出端连接负载液压缸的无杆腔端口A；所述主控制阀为主阀1，其输入端连接负载液压缸的无杆腔端口A，其输出端连接回油路；供油路同时连接负载液压缸的有杆腔B；

所述阀驱动系统包括两条平行回路，一条主控制回路和辅助控制回路。

所述主控制回路包括一个主控制阀。

所述辅助控制回路包括一个辅阀2，一个液容元件3和一个液感元件4。该辅助控制回路形成RLC振荡回路，在有压力波输入的条件下可输出正弦流量波。

所述的液容元件3，为皮囊式蓄能器或弹簧式蓄能器或定制的液压容腔，其两端的压力差和流经蓄能器的流量有以下关系：

式中：Q为通过蓄能器的流量，C为蓄能器液容系数，为蓄能器的压力变化率，V₀为蓄能器初始体积，P₀为蓄能器预冲压力。

所述的液感元件4是细长管路，管壁的杨氏模量E≥1e4MPa，其两端的压力差和流经液感元件的流量具有以下关系：

式中：ΔP为液感元件两端的压力差，为液感元件的流量变化率，L为液感元件的液感系数，ρ为液压油的密度，l为液感元件的长度，D为液感元件的截面直径，Q为通过液感元件的瞬时流量。

所述的液容元件3和所述的液感元件4有以下关系：

C＝L，

式中：C为液容元件的液容系数，L为液感元件的液感系数。

所述的主阀1、主阀2和辅阀均为高速开关阀。所述的主阀1与辅阀2具有相同的流量特性。

所述的负载液压缸，为不对称油缸。

所述的低流量开关控制驱动器的供应源为轴向柱塞泵，输出压力中含有振幅为2bar左右的正弦波，输出压力满足一下关系：

P_S＝P_S0+P_Sasin(ωt)

式中：PS0为平均压力；PSa为压力波的幅值，为压力波的频率；ω为压力波的角频率；t为时间。

图1中：P₁和Q₁表示负载压力端A的压力和流量；P₂和Q₂表示负载压力端B的压力和流量，Q表示恒压供油网路的供油流量，箭头方向为正向。

图2中：Q11表示通过主阀的流量，Q12表示通过辅阀的流量，箭头方向为正向。

图4中：F表示被驱动液压缸受到的外力F，箭头方向为正向。

本发明提供的低流量开关控制驱动器，其通过建立RLC振荡系统，在局部回路中形成正弦流量波，从而主动将控制阀的流量降为零，并在零流量状态下关闭液压阀，实现低损耗和无液压冲击的阀关闭功能，具体实施工作过程如下：

主阀1切断过程分为四个阶段，假定各元件均为理想状态。

控制阶段1：

当系统处于初始工作状态时，主阀1开启，辅阀关闭，系统构成差动回路，负载A端流量Q1、负载B端流量Q2以及供油流量Q存在如下关系：

Q₁＝Q+Q₂

控制阶段2：

当接到主阀1的关闭指令时，开启辅阀，同时保持主阀1开通，通过辅阀的流量存在如下关系：

控制阶段3：

当检测到通过主阀的流量为零，闭合主阀1，同时辅阀保持开通，通过辅阀的流量满足如下关系：

Q₁₁＝0

Q_12平均＝Q+Q₂

控制阶段4：

当检测到辅阀的流量为零，闭合辅阀，此时最终完成了主阀1的切断过程。

由上可知，在理想情况下，基于低流量开关控制驱动器的系统开关损耗可以减低到非常低。

针对本发明对主阀1的切断过程进行试验，试验系统液压输入源为西门子柱塞泵hydroleduc W12，该泵输出压力为平均压力205bar，所含压力波频率为113Hz，压力波幅值为2bar。试验系统所包含的液感元件为长度0.2m直径为0.008m的液压管路。试验系统所包含的液容元件为0.8L的皮囊式蓄能器。试验系统所驱动液压缸活塞直径为20mm，活塞杆直径为10mm，行程为0.1m。高速开关阀为奥地利林茨LCM研究所提供，响应时间为2mm。

实例中采用本发明的系统的阀切断损耗为1500焦耳，而普通三位四通换向阀的切断损耗为6700焦耳。本发明将原本的开关损耗降低为22％。

上述具体实施方法用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的权利要求范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低流量开关控制驱动器，其特征是包括阀驱动系统和和主阀(1)，其中：所述阀驱动系统，其输入端连接供油路，其输出端连接负载液压缸的无杆腔端口A；主阀(1)输入端连接负载液压缸的无杆腔端口A，主阀(1)输出端连接回油路；供油路同时连接负载液压缸的有杆腔B。

2.根据权利要求1所述的低流量开关控制驱动器，其特征是该驱动器在工作过程中，其实现负载液压缸伸长阶段的供应流量低于负载液压缸所需流量。

3.根据权利要求1所述的低流量开关控制驱动器，其特征在于所述阀驱动系统包含两条平行回路，一条主控制回路和辅助控制回路，其中：一条主控制回路安装主阀(1)，一条辅助控制回路依次安装辅阀(2)、液容元件(3)和液感元件(4)。

4.根据权利要求3所述的低流量开关控制驱动器，其特征在于所述的液容元件(3)，为皮囊式蓄能器或弹簧式蓄能器或定制的液压容腔，其两端的压力差和流经蓄能器的流量有以下关系：

$Q=C\frac{dP}{dt}=\frac{V_0}{1.4P_0}\frac{dP}{dt},$

式中：Q为通过蓄能器的流量，C为蓄能器液容系数，为蓄能器的压力变化率，V₀为蓄能器初始体积，P₀为蓄能器预冲压力。

5.根据权利要求3所述的低流量开关控制驱动器，其特征在于所述液感元件(4)是细长管路，管壁的杨氏模量E≥1e4MPa，其两端的压力差和流经液感元件的流量具有以下关系：

$\mathrm{\Δ}P=L\frac{dQ}{dt}=\frac{4\mathrm{\ρ}l}{{\mathrm{\πD}}^2}\frac{dQ}{dt},$

式中：ΔP为液感元件两端的压力差，为液感元件的流量变化率，L为液感元件的液感系数，ρ为液压油的密度，l为液感元件的长度，D为液感元件的截面直径，Q为系统瞬时流量。

6.根据权利要求3所述的低流量开关控制驱动器，其特征在于所述的液容元件(3)和液感元件(4)有以下关系：

C＝L，

式中：C为液容元件的液容系数，L为液感元件的液感系数。

7.根据权利要求3所述的低流量开关控制驱动器，其特征是所述主阀(1)与辅阀(2)的流量特性相同。

8.根据权利要求1所述的低流量开关控制驱动器，其特征在于所述主阀(1)和辅阀(2)均为高速开关阀。

9.根据权利要求1所述的低流量开关控制驱动器，其特征在于所述的负载液压缸，为不对称油缸。

10.根据权利要求1所述低流量开关控制驱动器，其特征在于阀驱动系统输入液压源为轴向柱塞泵，输出压力满足一下关系：

P_S＝P_S0+P_Sasin(ωt)

式中：P_S0为平均压力；P_Sa为压力波的幅值，为压力波的频率；ω为压力波的角频率；t为时间。