CN107143540A - 数字式负载敏感液压控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字式负载敏感液压控制系统及方法。采用数字式流量源控制多执行器系统，多执行器系统中的每一联执行器均配备连接各自的数字式流量源，每个数字式流量源经各自的数字负载敏感油路连接并控制执行器的两端；数字式流量源采用液压自由活塞发动机，数字负载敏感油路包括液压容腔、三位四通电磁比例阀、液压缸、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、速度传感器、负载敏感控制器和负载速度控制器。本发明克服了传统负载敏感系统中单个大功率发动机驱动较低负载时效率降低的缺点，本发明通过对每一个执行器匹配一个合适的液压自由活塞发动机，使系统具有液压源效率高、液压驱动执行器效率高、系统响应速度快等优势。
Description
技术领域
本发明涉及了一种负载敏感液压系统，特别是一种数字式负载敏感液压控制系统及方法。
背景技术
传统负载敏感液压系统由变量泵、节流元件、执行器、负载敏感回路组成。负载敏感回路是通过液压反馈或者电子信号反馈的方式，通过调节变量泵的排量使系统压力和最大负载压力之差保持恒定。最大负载压力的执行器的节流元件两端压差恒定，其它执行器的节流元件前有减压阀以保证两端压差恒定，系统通过调节节流元件的开口面积调节流量。传统负载敏感系统最大优点在于泵的压力能够实时适应最高负载压力的变化，因此压力损失较小；且这是通过调节液压泵的排量来实现的，而不是采用溢流阀溢流来实现，因此系统的节流损耗较小。
如图1所示，传统负载敏感系统在多执行器系统上也有一些不足：一，对于单泵多执行器系统非最大负载压力的执行器，存在较大的节流损耗。二，单泵多执行器系统使用功率较大的发动机和变量泵，系统工作中由于多执行器并不同时工作在最大负荷下，变量泵经常工作在较低排量，发动机的负载较低，系统整体效率较低。三，当负载压力和流量突然增加时，液压泵的排量增加，输出压力增加，由于发动机的大转动惯量，动态响应慢，发动机输出转速和扭矩不能快速适应负载工况的变化。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种数字式负载敏感液压控制系统及方法，可适用在工程机械、农业机械等，利用液压自由活塞发动机解决传统负载敏感液压系统动态响应速度慢，效率较低等问题。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种数字式负载敏感液压控制系统：
采用数字式流量源控制多执行器系统，多执行器系统中的每一联执行器均配备连接各自的数字式流量源，每个数字式流量源经各自的数字负载敏感油路连接并控制执行器的两端，以此实现每一联执行器的节能，提高了整体系统的效率。
一方面，单个数字式流量源和数字负载敏感油路组合相比单个大功率发动机和大排量变量泵具备体积小、响应速度快、液压源效率高、液压执行器效率高的特点，另一方面能使得多个数字式流量源和数字负载敏感油路组合相比单个大功率发动机仍然具备较低负载时总效率高的优势。
所述的数字式流量源为具有非连续性输出波形的流量源。优选的采用PWM波形。
具体实施中，所述的执行器为油缸。
所述的数字式流量源采用液压自由活塞发动机，数字负载敏感油路包括液压容腔、三位四通电磁比例阀、液压缸、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、速度传感器、负载敏感控制器和负载速度控制器，液压自由活塞发动机的油液入口连接油箱，液压自由活塞发动机的油液出口与液压容腔连接，液压容腔与三位四通电磁比例阀的阀口P连接，三位四通电磁比例阀的阀口A与液压缸的无杆腔连接，三位四通电磁比例阀的阀口B与液压缸的有杆腔连接，三位四通电磁比例阀的阀口T与油箱连接；在三位四通电磁比例阀的阀口P安装第一压力传感器，在三位四通电磁比例阀的阀口A安装第二压力传感器，在三位四通电磁比例阀的阀口B安装第三压力传感器，将第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器连接到负载敏感控制器，负载敏感控制器连接液压自由活塞发动机的控制端；在液压缸的活塞杆上安装速度传感器，速度传感器经负载速度控制器与三位四通电磁比例阀连接。
所述第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器采集实际压力信号输入到负载敏感控制器，负载敏感控制器通过PWM信号控制液压自由活塞发动机的输出。
所述速度传感器采集液压缸的活塞杆的实际速度信号输入负载速度控制器，负载速度控制器输出控制三位四通电磁比例阀的位置和开度。
本发明涉及的液压自由活塞发动机是一种将内燃机和液压泵集成为一体，以液体为工作介质，利用液流的压力能实现动力非刚性传输的复合动力装置。它将传统内燃机驱动变量液压泵的静液复合驱动系统中，省去内燃机中将活塞的往复运动转化为旋转运动的曲轴组件及变量液压泵(柱塞泵)中将旋转运动转化为液压泵活塞往复运动的旋转斜盘组件，而直接将内燃机的活塞与液压泵的活塞刚性连接组成。
上述液压自由活塞发动机本质上是一种数字式流量源，负载敏感控制器可以通过PWM信号控制液压自由活塞发动机的输出。
二、一种数字式负载敏感液压控制方法：
采用以下方式分别在负载敏感控制回路和负载速度控制回路进行流量和速度控制：
对于负载敏感控制回路：用第一压力传感器采集三位四通电磁比例阀的阀口P的压力作为系统压力，用第二压力传感器和第三压力传感器分别采集三位四通电磁比例阀的阀口A和阀口B的压力，取阀口A和阀口B的压力中的较大值作为负载压力；
当系统压力与负载压力之差变大时，通过负载敏感控制器发出输出信号控制液压自由活塞发动机减小单个周期内的平均输出流量，使得液压容腔的输入流量变小，而液压容腔的输出流量不变；
当系统压力与负载压力之差变小时，通过负载敏感控制器发出输出信号控制液压自由活塞发动机增大单个周期内的平均输出流量，使得液压容腔的输入流量变大，而液压容腔的输出流量不变；
对于负载速度控制回路：当给定速度与用速度传感器采集到的液压缸活塞杆的速度之差变小时，通过负载速度控制器输出信号控制三位四通电磁比例阀减小阀口P的开度，在两端压力之差不变的情况下，使得液压缸活塞杆的速度减小；当给定速度与用速度传感器采集到的液压缸活塞杆的速度之差变大时，通过负载速度控制器输出信号控制三位四通电磁比例阀增大阀口P的开度，在两端压力之差不变的情况下，使得液压缸活塞杆的速度增大。
当液压缸的活塞杆向外伸出时，通过负载速度控制器控制三位四通电磁比例阀使得阀口P和阀口A相通；当液压缸的活塞杆向内回缩时，负载速度控制器使三位四通电磁比例阀使得阀口B和阀口T相通；当液压缸的活塞杆不需要运动时，负载速度控制器使三位四通电磁比例阀处于中位。
所述的负载敏感控制器发出PWM波形的输出信号到液压自由活塞发动机，来控制液压自由活塞发动机输出流量。
PWM波形的输出是通过0/1控制输出流量的数字式流量源。传统的变量泵的开度是0到1的连续调节。以液压自由活塞发动机为例，控制信号为1时，输出正的正弦波流量，控制信号为0时，输出负的正弦波流量。这种0/1控制输出流量的方式相比0到1的连续调节应用到负载敏感控制过程中的优势原理是0/1控制因为输出只有0和1两种，抗噪声能力强，为数字信号控制，无需进行数模转换。
由此，本发明结合负载敏感控制技术和数字液压技术的优势，组成一个数字式的负载敏感控制液压系统。本发明系统一方面通过系统压力与负载压力反馈调节液压自由活塞发动机的输出，使系统压力与负载压力相适应，另一方面通过液压缸的速度反馈控制三位四通电磁比例阀的开度来调节负载流量。
如图2所示，本发明对于多执行器系统，对于每一联执行器，都配备功率大小匹配的液压自由活塞发动机和数字负载敏感控制技术，不仅可实现每一联执行器的节能，而且克服了传统系统中单个大功率发动机驱动较低负载时效率降低的缺点，提高了整体系统的效率。
本发明的有益效果是：
本发明克服了传统负载敏感系统中单个大功率发动机驱动较低负载时效率降低的缺点，本发明通过对每一个执行器匹配一个合适的液压自由活塞发动机，使系统具有以下优势：
1，液压源效率高，与传统发动机变量泵机构相比减少了曲柄连杆机构，提高了机械效率，单泵单执行器系统发动机更好的匹配负载，效率较高；
2，液压驱动执行器效率高，根据负载敏感技术，系统压力略高于负载压力，节流损耗较小；
3，系统响应速度快，液压自由活塞发动机的活塞惯性小，响应速度快；
4，怠速时可以关闭发动机提高燃油经济性。
附图说明
图1是传统负载敏感液压系统原理图。
图2是本发明的数字式负载敏感液压系统原理图。
图3是本发明实施例1的具体实施结构图。
图4是本发明实施例2的具体实施结构图。
图中：1、液压自由活塞发动机，2、液压容腔，3-1、第一压力传感器，3-2、第二压力传感器，3-3、第三压力传感器4、负载速度控制器，5、三位四通电磁比例阀，6、液压缸，7、速度传感器，8、负载敏感控制器，9、油箱，10、动臂油缸，11、斗杆油缸，12、铲斗油缸，13、侧倾油缸，14、提升油缸。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明具体实施包括液压自由活塞发动机1、液压容腔2、三位四通电磁比例阀5、液压缸6、油箱9、第一压力传感器3-1、第二压力传感器3-2、第三压力传感器3-3、速度传感器7、负载敏感控制器8和负载速度控制器4，液压自由活塞发动机1的油液入口连接油箱9，液压自由活塞发动机1的油液出口与液压容腔2连接，液压容腔2与三位四通电磁比例阀5的阀口P连接，三位四通电磁比例阀5的阀口A与液压缸6的无杆腔连接，三位四通电磁比例阀5的阀口B与作为执行器的液压缸6的有杆腔连接，三位四通电磁比例阀5的阀口T与油箱9连接；在三位四通电磁比例阀5的阀口P安装第一压力传感器3-1，在三位四通电磁比例阀5的阀口A安装第二压力传感器3-2，在三位四通电磁比例阀5的阀口B安装第三压力传感器3-3，将第一压力传感器3-1、第二压力传感器3-2和第三压力传感器3-3经负载敏感控制器8连接到液压自由活塞发动机1；在液压缸6的活塞杆上安装速度传感器7，速度传感器7经负载速度控制器4与三位四通电磁比例阀5连接。
第一压力传感器3-1、第二压力传感器3-2和第三压力传感器3-3采集实际压力信号输入到负载敏感控制器8，负载敏感控制器8输出信号控制液压自由活塞发动机1的输出。
速度传感器7采集液压缸6活塞杆的实际速度信号输入负载速度控制器4，负载速度控制器4输出控制三位四通电磁比例阀5的位置和开度。
上述液压容腔2内的压力与流经液压容腔2的流量具有以下关系：
QC＝QS-QL (2)
其中，Ps为液压容腔的压力(即系统压力)，VC为液压容腔的体积，B为油液有效体积模量，QC为流经(流进或者流出)液压容腔的流量，QS为液压自由活塞发动机的输出流量，QL为流进三位四通电磁比例阀阀口P的流量。
上述三位四通电磁比例阀5中的节流孔两端的压力和流经三位四通电磁比例阀5中的节流孔的流量具有以下关系：
其中，Q为流经三位四通电磁比例阀5中的节流孔的流量，Cd为流量系数，kp1为三位四通电磁比例阀5的开度，kp1∈[0,1]，Ap1为三位四通电磁比例阀5中的节流孔最大开口面积，ρ为液压油的密度，ΔP为三位四通电磁比例阀5中的节流孔两端的压力。
本发明的实施工作过程如下：
对于负载敏感控制回路
第一压力传感器3-1采集三位四通电磁比例阀5阀口P的压力，即系统压力。第二压力传感器3-2和第三压力传感器3-3分别采集三位四通电磁比例阀5阀口A和阀口B的压力，比较得到两者中的较大值，较大值即负载压力。
当系统压力与负载压力之差变大时，负载敏感控制器8的输入信号增大，负载敏感控制器8减小输出信号从而减小液压自由活塞发动机1一个周期内的平均输出流量，液压容腔2的输入流量变小，而液压容腔2的输出流量即负载流量不变，由上述公式(1)(2)可知，系统压力下降，系统压力与负载压力之差变小。
当系统压力与负载压力之差变小时，负载敏感控制器8的输入信号减小，负载敏感控制器8适当的增加输出信号从而增加液压自由活塞发动机1一个周期内的平均输出流量，液压容腔的输入流量变大，而液压容腔的输出流量即负载流量不变，由上述公式(1)(2)可知，系统压力上升，系统压力与负载压力之差变大。
可见本发明负载敏感控制回路为负反馈控制，使得系统压力始终与负载压力相匹配。
上述负载敏感控制器8控制液压自由活塞发动机1输出流量的方式为PWM控制。负载敏感控制器8输出信号的周期不变，通过改变信号的占空比控制液压自由活塞发动机1一个周期内的平均输出流量。
对于负载速度控制回路
在系统工作过程中，当给定速度与液压缸6活塞杆的速度之差变小时，负载速度控制器4的输入信号变小，负载速度控制器4减小输出信号来减小三位四通电磁比例阀阀口P的开度，在两端压力之差不变的情况下，从上述公式(3)可知，流经三位四通电磁比例阀阀口P的流量减小，从而液压缸活塞杆的速度减小。
当给定速度与液压缸6活塞杆的速度之差变大时，负载速度控制器4的输入信号变大，负载速度控制器4增大输出信号来增大三位四通电磁比例阀阀口P的开度，在两端压力之差不变的情况下，从上述公式(3)可知，流经三位四通电磁比例阀阀口P的流量增大，从而液压缸活塞杆的速度增大。
另，当液压缸6的活塞杆向外伸出时，负载速度控制器4使三位四通电磁比例阀5处于左位，使得阀口P和阀口A相通；当液压缸6的活塞杆向内回缩时，负载速度控制器4使三位四通电磁比例阀5处于右位，使得阀口B和阀口T相通；当液压缸6的活塞杆不需要运动时，负载速度控制器4使三位四通电磁比例阀5处于中位。
可见，本发明的负载速度控制回路为负反馈系统，使得液压缸7活塞杆的速度与给定速度相等。
本发明的实施例如下：
实施例1：
将本发明应用于挖掘机的工作装置中，则如图3所示，针对动臂油缸10、斗杆油缸11和铲斗油缸12分别匹配功率大小合适的液压自由活塞发动机及相应的数字式负载敏感油路。
当动臂油缸10、斗杆油缸11和铲斗油缸12需要运动时，只需要开启相应的液压自由活塞发动机1及控制相应的三位四通电磁阀5。
因此，每个油缸液压回路中的系统压力与负载压力相匹配，又因为液压自由活塞发动机1的结构优势，系统整体效率比传统负载敏感系统高。
如果是采用传统单个大功率发动机和大排量变量泵驱动三个油缸：系统压力只能适应负载压力最高的油缸，系统压力与其他两个油缸的负载压力之差较大，非最高负载的这两个油缸前的控制阀的节流损耗较大；由于三个油缸并不总是同时处于最大工况下，大功率发动机和大排量变量泵的整体输出功率较低，因此大功率发动机和大排量变量泵的整体效率较低。
而本实施例中对三个油缸各匹配一个功率大小合适的液压自由活塞发动机和相应的数字负载控制油路。三个液压自由活塞发动机出口的系统压力能适应三个油缸的负载压力，系统节流损耗较小；三个油缸的运动分别由各自的液压自由活塞发动机和相应的数字负载控制油路控制，液压自由活塞发动机的额定功率与油缸的最大工况相匹配，因此液压自由活塞发动机的整体效率较高，在怠速时还能关闭液压自由活塞发动机提高燃油经济性。
实施例2：
将本发明应用于轮式装载机的工作装置中，则如图4所示，针对侧倾油缸13或提升油缸14分别匹配功率大小合适的液压自由活塞发动机及相应的数字式负载敏感油路。
当侧倾油缸13或提升油缸14需要运动时，只需要开启相应的液压自由活塞发动机1及控制相应的三位四通电磁阀5。因此，每个油缸液压回路中的系统压力与负载压力相匹配，又因为液压自由活塞发动机1的结构优势，系统整体效率比传统负载敏感系统高。
如果是采用传统单个大功率发动机和大排量变量泵驱动两个油缸：系统压力只能适应负载压力较高的油缸，系统压力与另一个油缸的负载压力之差较大，较低负载的这个油缸前的控制阀的节流损耗较大；由于两个油缸并不总是同时处于最大工况下，大功率发动机和大排量变量泵的整体输出功率较低，因此大功率发动机和大排量变量泵的整体效率较低。
而本实施例中对两个油缸各匹配一个功率大小合适的液压自由活塞发动机和相应的数字负载控制油路。两个液压自由活塞发动机出口的系统压力能适应两个油缸的负载压力，系统节流损耗较小；两个油缸的运动分别由各自的液压自由活塞发动机和相应的数字负载控制油路控制，液压自由活塞发动机的额定功率与油缸的最大工况相匹配，因此液压自由活塞发动机的整体效率较高，在怠速时还能关闭液压自由活塞发动机提高燃油经济性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种数字式负载敏感液压控制系统，其特征在于：采用数字式流量源控制多执行器系统，多执行器系统中的每一联执行器均配备连接各自的数字式流量源，每个数字式流量源经各自的数字负载敏感油路连接并控制执行器的两端。
2.根据权利要求1所述的一种数字式负载敏感液压控制系统，其特征在于：所述的数字式流量源为具有非连续性输出波形的流量源。
3.根据权利要求1所述的一种数字式负载敏感液压控制系统，其特征在于：所述的数字式流量源采用液压自由活塞发动机(1)，数字负载敏感油路包括液压容腔(2)、三位四通电磁比例阀(5)、液压缸(6)、第一压力传感器(3-1)、第二压力传感器(3-2)、第三压力传感器(3-3)、速度传感器(7)、负载敏感控制器(8)和负载速度控制器(4)，液压自由活塞发动机(1)的油液入口连接油箱(9)，液压自由活塞发动机(1)的油液出口与液压容腔(2)连接，液压容腔(2)与三位四通电磁比例阀(5)的阀口P连接，三位四通电磁比例阀(5)的阀口A与液压缸(6)的无杆腔连接，三位四通电磁比例阀(5)的阀口B与液压缸(6)的有杆腔连接，三位四通电磁比例阀(5)的阀口T与油箱(9)连接；在三位四通电磁比例阀(5)的阀口P安装第一压力传感器(3-1)，在三位四通电磁比例阀(5)的阀口A安装第二压力传感器(3-2)，在三位四通电磁比例阀(5)的阀口B安装第三压力传感器(3-3)，将第一压力传感器(3-1)、第二压力传感器(3-2)和第三压力传感器(3-3)连接到负载敏感控制器(8)，负载敏感控制器(8)连接液压自由活塞发动机(1)的控制端；在液压缸(6)的活塞杆上安装速度传感器(7)，速度传感器(7)经负载速度控制器(4)与三位四通电磁比例阀(5)连接。
4.根据权利要求3所述的一种数字式负载敏感液压控制系统，其特征在于：所述第一压力传感器(3-1)、第二压力传感器(3-2)和第三压力传感器(3-3)采集实际压力信号输入到负载敏感控制器(8)，负载敏感控制器通过PWM信号控制液压自由活塞发动机(1)的输出。
5.根据权利要求3所述的一种数字式负载敏感液压控制系统，其特征在于：所述速度传感器(7)采集液压缸(6)的活塞杆的实际速度信号输入负载速度控制器(4)，负载速度控制器(4)输出控制三位四通电磁比例阀(5)的开度。
6.根据权利要求3-5任一所述的一种数字式负载敏感液压控制方法，其特征在于：采用以下方式分别在负载敏感控制回路和负载速度控制回路进行流量和速度控制：
对于负载敏感控制回路：用第一压力传感器(3-1)采集三位四通电磁比例阀(5)的阀口P的压力作为系统压力，用第二压力传感器(3-2)和第三压力传感器(3-3)分别采集三位四通电磁比例阀(5)的阀口A和阀口B的压力，取阀口A和阀口B的压力中的较大值作为负载压力；
当系统压力与负载压力之差变大时，通过负载敏感控制器(8)发出输出信号控制液压自由活塞发动机(1)减小单个周期内的平均输出流量，使得液压容腔(2)的输入流量变小，而液压容腔(2)的输出流量不变；
当系统压力与负载压力之差变小时，通过负载敏感控制器(8)发出输出信号控制液压自由活塞发动机(1)增大单个周期内的平均输出流量，使得液压容腔(2)的输入流量变大，而液压容腔(2)的输出流量不变；
对于负载速度控制回路：当给定速度与用速度传感器(7)采集到的液压缸(6)活塞杆的速度之差变小时，通过负载速度控制器(4)输出信号控制三位四通电磁比例阀减小阀口P的开度，在两端压力之差不变的情况下，使得液压缸(6)活塞杆的速度减小；当给定速度与用速度传感器(7)采集到的液压缸(6)活塞杆的速度之差变大时，通过负载速度控制器(4)输出信号控制三位四通电磁比例阀增大阀口P的开度，在两端压力之差不变的情况下，使得液压缸(6)活塞杆的速度增大。
7.根据权利要求6所述的一种数字式负载敏感液压控制方法，其特征在于：当液压缸(6)的活塞杆向外伸出时，通过负载速度控制器(4)控制三位四通电磁比例阀(5)使得阀口P和阀口A相通；当液压缸(6)的活塞杆向内回缩时，负载速度控制器(4)使三位四通电磁比例阀(5)使得阀口B和阀口T相通；当液压缸(6)的活塞杆不需要运动时，负载速度控制器(4)使三位四通电磁比例阀(5)处于中位。
8.根据权利要求3-5任一所述的一种数字式负载敏感液压控制方法，其特征在于：所述的负载敏感控制器(8)发出PWM波形的输出信号到液压自由活塞发动机(1)，来控制液压自由活塞发动机(1)输出流量。
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