CN107489671B - 混合动力工程机械多执行器控制系统 - Google Patents

混合动力工程机械多执行器控制系统 Download PDF

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Abstract

一种混合动力工程机械多执行器控制系统，包含有双泵双回路液压控制系统，并增设有背压调节单元、第一转换控制阀、第二转换控制阀、第三转换控制阀、第四转换控制阀、第五转换控制阀、第六转换控制阀、液控单向阀组。本发明通过增加混合动力系统，实现了动臂势能和回转制动动能的回收利用，实现了能量回收与消除载荷差异节流损耗的一体化控制，有效地消除了现有技术的不足，具有高能效低排放等多方面的优点。

Description

混合动力工程机械多执行器控制系统
技术领域
本发明涉及一种工程机械多执行器控制系统，具体是一种用于混合动力背压调节单元对多个执行器控制阀压差、动势能和动力进行调控、匹配和回收利用系统。
背景技术
现有广泛应用在挖掘机、装载机、叉车、汽车起重机、联合收割机等各种类型的工程机械、农业机械、林业机械，广泛采用负载敏感、正流量、负流量等液压控制技术，正流量和负流量系统本质上都是多执行器的节流控制系统，由于无阀口压差补偿装置，作业中操控性受负载变化影响较大，增大了操作难度。负载敏感系统虽然在每一联阀上都设置了压差补偿器，使阀的输出流量不受负载变化影响，改善了操控性。但上述三种回路原理动力源的输出压力始终与最大负载对应阀匹配，造成其余工作执行器控制阀阀口的压差较大，执行器载荷差值越大，产生的压差也越大，能耗也越大。研究表明，正是由于多执行器系统压差的不完全匹配，产生的能耗要占到整机能量的30%以上。另外现有的挖掘机，装载机等工程机械，作业中举升机构高频次不断升降；上车回转或行走系统频繁的加速起动和减速制动，机器作业中积聚的动势能也通过控制阀节流作用转化为热能耗散掉。此外，目前一种新的趋势是采用混合动力方式提升工程机械类装备动力源的能效，解决由于载荷大范围变化，发动机偏离高效工作区造成动力源能耗大的问题。但现有的油电或是油液混合方式，功能只是提升动力源的能效，并增加了整机成本，影响整机的性价比，制约其推广应用。
申请号为CN 104452866A的发明专利，公开了一种具有液压负流量控制装置的液压挖掘机。该专利采用负流量控制，液压泵的排量随着控制压力信号增大而减小，即控制压力和排量成反比。但是，在传统的负流量控制系统中，都采用多路阀作为主控阀控制液压执行器的运作，进出油口面积比关系固定不变，只有一个控制自由度，同一时刻只能控制液压执行器一个腔的压力或流量，可控性差；工作时执行器进出口同时节流，压力损失大，特别是在超越负载工况下，这个问题更为严重，造成大的能耗和系统发热。
发明内容
针对工程机械上述存在的问题和不足，本发明提供一种混合动力工程机械多执行器控制系统，由混合动力背压调节单元对工程机械中多个执行器控制阀压差、动势能和动力进行调控、匹配和回收利用，通过压力或扭矩的容积调控，实现对多执行器的控制阀压差进行调控、匹配，提高动力源的能效；对动势能进行无节流、短转换链可控回收、再生利用，提高能量回收再生效率。
本发明基于上述问题和目的，采用如下技术方案。
一种混合动力工程机械多执行器控制系统，包含有双泵双回路液压控制系统，其特征在于：增设有背压调节单元、第一转换控制阀、第二转换控制阀、第三转换控制阀、第四转换控制阀、第五转换控制阀、第六转换控制阀、液控单向阀组；
所述第一转换控制阀的第一工作油口A1与左行走液压马达第一工作油口连通、第二工作油口B1与左行走液压马达第二工作油口连通；
所述第二转换控制阀的第一工作油口A2与回转液压马达第一工作油口连通、第二工作油口B2与回转液压马达第二工作油口连通；
所述第三转换控制阀的第一工作油口A3与斗杆液压缸的有杆腔连通、第二工作油口B3与斗杆液压缸的无杆腔连通；
所述第四转换控制阀的第一工作油口A4与动臂液压缸的有杆腔连通、第二工作油口B4与动臂液压缸无杆腔连通；
所述第五转换控制阀的第一工作油口A5与铲斗液压缸的有杆腔连通、第二工作油口B5与铲斗液压缸的无杆腔连通；
所述第六转换控制阀的第一工作油口A6与右行走液压马达第一工作油口连通、第二工作油口B6与右行走液压马达第二工作油口连通；
所述液控单向阀组是由九个液控单向阀构成，每个液控单向阀第一工作油口分别与各自对应的多路控制阀回油路连通、第二工作油口与油箱连通。
所述的混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述背压调控单元是油电混合结构，或是油液混合结构。
所述油电混合结构是由两组相同的系统构成，包括背压调控电动/发电机的输入端连接逆变器的输出端、输出端与转速传感器的输入端以及背压调控液压泵/马达的输入端相接；背压调控液压泵/马达的第一工作油口、背压调控液压蓄能器的第一工作油口、压力传感器的输入端与背压调控单向阀的进油口连通；第一组背压调控液压泵/马达的第二工作油口与第一转换控制阀的第三工作油口R1、第二转换控制阀第三工作油口R2、第三转换控制阀第三工作油口R3连通；第二组背压调控液压泵/马达的第二工作油口与第四转换控制阀第三工作油口R4、第五转换控制阀第三工作油口R5、第六转换控制阀第三工作油口R6连通；摆角传感器与背压调控液压泵/马达变量机构连接；滤波电容与整流器并联接入两组逆变器的输入端；双向DC-DC变换器与超级电容组并联接入两组逆变器的输入端；
所述油液混合结构是由两组相同的系统构成，包括背压调控液压泵/马达的第一工作油口、背压调控液压蓄能器的第一工作油口、压力传感器的输入端与背压调控单向阀的进油口连通；第一组背压调控液压泵/马达的第二工作油口与第一转换控制阀的第三工作油口R1、第二转换控制阀第三工作油口R2、第三转换控制阀第三工作油口R3连通；第二组背压调控液压泵/马达的第二工作油口与第四转换控制阀第三工作油口R4、第五转换控制阀第三工作油口R5、第六转换控制阀第三工作油口R6连通；背压调控液压泵/马达通过转速传感器与第二背压调控液压泵/马达同轴连接；第二背压调控液压泵/马达第二工作油口与第二背压调控液压蓄能器第一工作油口以及第二压力传感器输入端相连；第二摆角传感器与第二背压调控液压泵/马达的变量机构相连。
所述的混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述双泵双回路液压控制系统是负流量控制系统，或是正流量控制系统；
混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述背压调控单元是油电混合结构，其背压调控电动/发电机是与第一主液压泵、第二主液压泵连接，或不连接。
实施本发明上述所提供的一种混合动力工程机械多执行器控制系统，与现有技术相比，其优点与积极效果如下。
本系统结构通过设置压力能电气再生结构，对执行器回油腔的压力进行调控，使得多执行器系统在大载荷差异工况下，每个执行器控制阀的压差相等，液压泵的输出压力和流量与各个执行器所需匹配，因而消除了载荷不一致所产生的节流损失。
本系统结构无需压差补偿阀，不受负载差异变化影响，精确控制和分配流量，进一步降低了控制阀控制流量的节流损失。
本系统结构包含有动势能的回收利用功能，采用同一套硬件系统，实现了动臂势能和回转制动动能的回收利用，实现了能量回收与消除载荷差异节流损耗的一体化控制。
本系统结构通过控制执行器回油腔压力，调节发动机的工作点，使发动机工作在高效的工作区域，满足了发动机动力匹配要求。
本系统结构方案降低了机器的装机功率，减小了系统的发热，增加了机器可持续工作时间并降低冷却功率，解决了工程机械液压油箱小易引起液压油发热和老化的问题。
本系统结构方案在保留变现有多执行器操控模式优点的基础上，有效地消除了原有方案的不足，具有高能效、低排放、动势能回收利用和动力匹配一体化等多方面的优点。
附图说明
图1是本发明具体实施例1的结构原理图。
图2是本发明具体实施例2第一组背压调控单元的结构原理图。
图3是本发明具体实施例2第二组背压调控单元的结构原理图。
图中：1：背压调节单元，2：第一转换控制阀，3：第二转换控制阀，4：第三转换控制阀，5：第四转换控制阀，6：第五转换控制阀，7：第六转换控制阀，8：液控单向阀组，9：背压调控电动/发电机，10：转速传感器，11：背压调控液压泵/马达，12：摆角传感器，13：背压调控液压蓄能器，14：压力传感器，15：背压调控单向阀，16：逆变器，17：滤波电容，18：整流器，19：电源，20：双向DC-DC变换器，21：超级电容组，22：左行走液压马达，23：回转液压马达，24：斗杆液压缸，25：多路控制阀组，26：动臂液压缸，27：铲斗液压缸，28：右行走液压马达，29：第一主液压泵，30：第二主液压泵，31：控制器，32：第二背压调控液压蓄能器，33：第二压力传感器，34：第二摆角传感器，35：第二背压调控液压泵/马达。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
实施上述本发明所提供的一种混合动力工程机械多执行器控制系统，如附图1所示，包含有双泵双回路液压控制系统，其特征在于：增设有背压调节单元1、第一转换控制阀2、第二转换控制阀3、第三转换控制阀4、第四转换控制阀5、第五转换控制阀6、第六转换控制阀7、液控单向阀组8；
所述第一转换控制阀2的第一工作油口A1与左行走液压马达22第一工作油口连通、第二工作油口B1与左行走液压马达22第二工作油口连通；
所述第二转换控制阀3的第一工作油口A2与回转液压马达23第一工作油口连通、第二工作油口B2与回转液压马达23第二工作油口连通；
所述第三转换控制阀4的第一工作油口A3与斗杆液压缸24的有杆腔连通、第二工作油口B3与斗杆液压缸24的无杆腔连通；
所述第四转换控制阀5的第一工作油口A4与动臂液压缸26的有杆腔连通、第二工作油口B4与动臂液压缸26无杆腔连通；
所述第五转换控制阀6的第一工作油口A5与铲斗液压缸27的有杆腔连通、第二工作油口B5与铲斗液压缸27的无杆腔连通；
所述第六转换控制阀7的第一工作油口A6与右行走液压马达28第一工作油口连通、第二工作油口B6与右行走液压马达28第二工作油口连通；
所述液控单向阀组8是由九个液控单向阀构成，每个液控单向阀第一工作油口分别与各自对应的多路控制阀25回油路连通、第二工作油口与油箱连通。
所述的混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述背压调控单元1是油电混合结构，或是油液混合结构。
本实施例采用油电混合结构，油电混合结构是由两组相同的系统构成，包括背压调控电动/发电机9的输入端连接逆变器16的输出端、输出端与转速传感器10的输入端以及背压调控液压泵/马达11的输入端相接；背压调控液压泵/马达11的第一工作油口、背压调控液压蓄能器13的第一工作油口、压力传感器14的输入端与背压调控单向阀15的进油口连通；第一组背压调控液压泵/马达11的第二工作油口与第一转换控制阀2的第三工作油口R1、第二转换控制阀3第三工作油口R2、第三转换控制阀4第三工作油口R3连通；第二组背压调控液压泵/马达11的第二工作油口与第四转换控制阀5第三工作油口R4、第五转换控制阀6第三工作油口R5、第六转换控制阀7第三工作油口R6连通；摆角传感器12与背压调控液压泵/马达11变量机构连接；滤波电容17与整流器18并联接入两组逆变器16的输入端；双向DC-DC变换器21与超级电容组20并联接入两组逆变器16的输入端。
其中的背压调控液压泵/马达有液压泵工况和马达两种工况，背压调控电动/发电机有电动机和发电机两种工况。当发动机工作负载较轻时，通过调节背压调控液压泵的摆角来提高执行器的背压，配合液控单向阀组对多执行器的控制阀压差进行调控、匹配，提升发动机的能效，此时背压调控液压泵/马达处于马达工况，背压调控电动/发电机处于发电机工况。当发动机工作负载过大时，背压调控液压蓄能器驱动背压调控液压泵/马达配合超级电容组驱动的背压调控电动/发电机向系统供能，提升发动机能效，此时背压调控液压泵/马达处于液压泵工况，背压调控电动/发电机处于电动机工况。当系统有较大的动、势能时，背压调控液压泵/马达配合所述液控单向阀组将系统的动能、势能存储于背压调控蓄能器以及超级电容组中，对动势能进行无节流、短转换链可控回收，提高能量回收再生效率，此时背压调控液压泵/马达处于马达工况，背压调控电动/发电机处于发电机工况。
所述的混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述双泵双回路液压控制系统是负流量控制系统，或是正流量控制系统；当采用负流量控制系统时第一主液压泵、第二主液压泵可以是通过压力控制的变量液压泵，并且随着压力增高，泵输出流量减小；当采用正流量系统时第一主液压泵、第二主液压泵是电比例控制的变排量液压泵。
所述混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述背压调控单元1是油电混合结构，其背压调控电动/发电机9是与第一主液压泵29、第二主液压泵30连接，或不连接。
实施例2
实施上述本发明所提供的一种混合动力工程机械多执行器控制系统，如附图2、附图3所示，包含有双泵双回路液压控制系统，其特征在于：增设有背压调节单元1、第一转换控制阀2、第二转换控制阀3、第三转换控制阀4、第四转换控制阀5、第五转换控制阀6、第六转换控制阀7、液控单向阀组8；
所述第一转换控制阀2的第一工作油口A1与左行走液压马达22第一工作油口连通、第二工作油口B1与左行走液压马达22第二工作油口连通；
所述第二转换控制阀3的第一工作油口A2与回转液压马达23第一工作油口连通、第二工作油口B2与回转液压马达23第二工作油口连通；
所述第三转换控制阀4的第一工作油口A3与斗杆液压缸24的有杆腔连通、第二工作油口B3与斗杆液压缸24的无杆腔连通；
所述第四转换控制阀5的第一工作油口A4与动臂液压缸26的有杆腔连通、第二工作油口B4与动臂液压缸26无杆腔连通；
所述第五转换控制阀6的第一工作油口A5与铲斗液压缸27的有杆腔连通、第二工作油口B5与铲斗液压缸27的无杆腔连通；
所述第六转换控制阀7的第一工作油口A6与右行走液压马达28第一工作油口连通、第二工作油口B6与右行走液压马达28第二工作油口连通；
所述液控单向阀组8是由九个液控单向阀构成，每个液控单向阀第一工作油口分别与各自对应的多路控制阀25回油路连通、第二工作油口与油箱连通。
所述的混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述背压调控单元1是油电混合结构，或是油液混合结构。
所述油液混合结构是由两组相同的系统构成，包括背压调控液压泵/马达11的第一工作油口、背压调控液压蓄能器13的第一工作油口、压力传感器14的输入端与背压调控单向阀15的进油口连通；第一组背压调控液压泵/马达11的第二工作油口与第一转换控制阀2的第三工作油口R1、第二转换控制阀3第三工作油口R2、第三转换控制阀4第三工作油口R3连通；第二组背压调控液压泵/马达11的第二工作油口与第四转换控制阀5第三工作油口R4、第五转换控制阀6第三工作油口R5、第六转换控制阀7第三工作油口R6连通；背压调控液压泵/马达11通过转速传感器10与第二背压调控液压泵/马达35同轴连接；第二背压调控液压泵/马达35第二工作油口与第二背压调控液压蓄能器32第一工作油口以及第二压力传感器33输入端相连；第二摆角传感器34与第二背压调控液压泵/马达35的变量机构相连。

Claims (3)

1.一种混合动力工程机械多执行器控制系统，包含有双泵双回路液压控制系统；其特征在于：增设有背压调节单元（1）、第一转换控制阀（2）、第二转换控制阀（3）、第三转换控制阀（4）、第四转换控制阀（5）、第五转换控制阀（6）、第六转换控制阀（7）及液控单向阀组（8）；
所述第一转换控制阀（2）的第一工作油口A1与左行走液压马达（22）的第一工作油口连通、第二工作油口B1与左行走液压马达（22）第二工作油口连通；
所述第二转换控制阀（3）的第一工作油口A2与回转液压马达（23）第一工作油口连通、第二工作油口B2与回转液压马达（23）第二工作油口连通；
所述第三转换控制阀（4）的第一工作油口A3与斗杆液压缸（24）的有杆腔连通、第二工作油口B3与斗杆液压缸（24）的无杆腔连通；
所述第四转换控制阀（5）的第一工作油口A4与动臂液压缸（26）的有杆腔连通、第二工作油口B4与动臂液压缸（26）无杆腔连通；
所述第五转换控制阀（6）的第一工作油口A5与铲斗液压缸（27）的有杆腔连通、第二工作油口B5与铲斗液压缸（27）的无杆腔连通；
所述第六转换控制阀（7）的第一工作油口A6与右行走液压马达（28）第一工作油口连通、第二工作油口B6与右行走液压马达（28）第二工作油口连通；
所述液控单向阀组（8）是由九个液控单向阀构成，每个液控单向阀第一工作油口分别与各自对应的多路控制阀（25）回油路连通、第二工作油口与油箱连通；
所述背压调节单元（1）是油电混合结构，或是油液混合结构；
所述油电混合结构是由两组相同的系统构成，包括背压调控电动/发电机（9）的输入端连接逆变器（16）的输出端、输出端与转速传感器（10）的输入端以及背压调控液压泵/马达（11）的输入端相接；背压调控液压泵/马达（11）的第一工作油口、背压调控液压蓄能器（13）的第一工作油口、压力传感器（14）的输入端与背压调控单向阀（15）的进油口连通；第一组背压调控液压泵/马达（11）的第二工作油口与第一转换控制阀（2）的第三工作油口R1、第二转换控制阀（3）第三工作油口R2、第三转换控制阀（4）第三工作油口R3连通；第二组背压调控液压泵/马达（11）的第二工作油口与第四转换控制阀（5）第三工作油口R4、第五转换控制阀（6）第三工作油口R5、第六转换控制阀（7）第三工作油口R6连通；摆角传感器（12）与背压调控液压泵/马达（11）变量机构连接；滤波电容（17）与整流器（18）并联接入两组逆变器（16）的输入端；双向DC-DC变换器（21）与超级电容组（20）并联接入两组逆变器（16）的输入端；
所述油液混合结构是由两组相同的系统构成，包括背压调控液压泵/马达（11）的第一工作油口、背压调控液压蓄能器（13）的第一工作油口、压力传感器（14）的输入端与背压调控单向阀（15）的进油口连通；第一组背压调控液压泵/马达（11）的第二工作油口与第一转换控制阀（2）的第三工作油口R1、第二转换控制阀（3）第三工作油口R2、第三转换控制阀（4）第三工作油口R3连通；第二组背压调控液压泵/马达（11）的第二工作油口与第四转换控制阀（5）第三工作油口R4、第五转换控制阀（6）第三工作油口R5、第六转换控制阀（7）第三工作油口R6连通；背压调控液压泵/马达（11）通过转速传感器（10）与第二背压调控液压泵/马达（35）同轴连接；第二背压调控液压泵/马达（35）第二工作油口与第二背压调控液压蓄能器（32）第一工作油口以及第二压力传感器（33）输入端相连；第二摆角传感器（34）与第二背压调控液压泵/马达（35）的变量机构相连。
2.根据权利要求1所述的混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述双泵双回路液压控制系统是负流量控制系统，或是正流量控制系统。
3.根据权利要求1所述混合动力工程机械多执行器控制系统，其特征在于：所述背压调控单元（1）是油电混合结构，其背压调控电动/发电机（9）是与第一主液压泵（29）、第二主液压泵（30）连接，或不连接。
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