CN107503997B - 背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统 - Google Patents

Abstract

一种背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，通过增设动力调控单元、背压调控单元、控制器、转换控制阀、液控单向阀及压力传感器，并控制最高负载执行器以外各执行器的回油腔压力，使各个执行器进油腔的压力及控制阀口的压差相同，实现了液压泵压力流量与各液压执行器相匹配，同时将液压混合动力功能扩展到动势能回收利用，进一步消除了载荷差异所造成的多执行器系统的节流损失，极大地提升了节能效果，缩短了投资回收周期，有利于推广应用。

Description

背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统

技术领域

本发明涉及一种液压控制技术中多执行器的控制系统，特别是一种用于工程装备的动力匹配与降低多执行器系统压差损失的电液控制技术。

背景技术

目前，各种类型工程机械、筑路机械、矿山机械、林业机械和农业机械等非道路移动装备，普遍采用内燃发动机驱动液压泵作动力源，经多路阀和管路分配与传递动力，控制多个执行器复合动作的液压系统，这也是液压技术应用最广泛、最重要的领域，特点是功率密度高、结构紧凑、操控性好和环境适应性强，但致命不足是能量利用率低，整机能效仅有20%左右。研究表明，控制阀口非常大的能量损失、发动机长时间工作在低效区以及动势能转换过程的能量耗散，是造成工程装备装机功率大、燃油消耗大、排放差和发热严重的根源，其中控制阀产生的能量耗散最为严重。在已公开的发明专利“采用负载敏感技术的节能型盾构管片拼装定位电液控制系统，CN103032396A”，针对多执行器系统往往具有负载变化范围广的特点，通过采用负载敏感控制原理，使液压泵的输出压力始终跟随负载变化而改变，避免了原有系统始终以最高工作压力供油所造成的能量浪费，减少了节流损失和溢流损失，但由于泵的输出压力只能与最高负载相匹配，而对于多执行器系统，较大载荷差异所造成低负载执行器控制阀的节流损失始终无法消除，而这部分损失恰恰是多执行器系统最主要的能耗来源，占到发动机输出功率的35%~39%。

另外，工程机械在实际运行中载荷大范围变化，造成动力源常常运行在低效率的工作区域，增大了动力源的排放和能耗，因此，需要根据载荷的变化情况，采用扭矩耦合方式附加其他形式的动力源，对原有的动力源进行匹配，如油电混合动力方式的电动/发电机或液压混合动力方式的液压泵/马达，在低载荷工况辅助动力源作为负载，吸收主动力源的功率，从而提升主动力源的能效，而在大载荷工况下，辅助动力源释放所吸收的能量并辅助主动力源一起驱动负载做功，但现有混合动力方式，辅助动力源提供的能量要经过控制阀的二次节流产生损耗，而且功能仅仅是匹配发动机的工作点，附加这一单元后，整机的成本会增大许多，且成本回收周期较长，制约推广应用。

发明内容

针对上述现有负载敏感多执行器系统存在的不足，本发明提供一种背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，通过能量再生利用结构，控制最高负载执行器以外各执行器的回油腔压力，使各执行器进油腔的压力以及所有控制阀口的压差均相同，使液压泵的压力及流量与各液压执行器均相匹配，消除载荷差异所造成的多执行器系统的节流损失，并通过控制执行器的回油腔压力来调控动力源的工作点，调控单元与动力源非刚性连接，将液压混合动力功能进一步扩展到动势能回收利用，进一步减小节流损耗，最大程度地提升节能效果，缩短投资回收周期，利于推广应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，包括有动力源，主液压泵，分动箱，安全阀，第一液压执行器，第二液压执行器，第一控制阀，第二控制阀。其特征是进一步增设有动力调控单元，背压调控单元，控制器，第一转换控制阀，第二转换控制阀，第一液控单向阀，第二液控单向阀，第一压力传感器，第二压力传感器，第三压力传感器，第四压力传感器。

第一控制阀的工作油口分别与第一液压执行器的工作油口连通，第二控制阀的工作油口分别与第二液压执行器的工作油口连通；主液压泵的出油口分别与第一控制阀、第二控制阀的进油口连通，第一控制阀的回油口与第一液控单向阀的出油口连通，第二控制阀的出油口与第二液控单向阀的出油口连通；动力源的输出轴与分动箱连接，主液压泵的输入轴与分动箱连接；第一转换控制阀的油口A1和油口B1分别与第一液压执行器的工作油口连通，第二转换控制阀的油口A2和油口B2分别与第二液压执行器的工作油口连通；第一压力传感器、第二压力传感器分别与第一液压执行器的工作油口连通，第三压力传感器、第四压力传感器分别与第二液压执行器的工作油口连通，所有压力传感器、位移传感器、转速传感器的输出信号均连接到控制器，这些信号经过控制器运算后给出控制第一控制阀、第二控制阀、第一转换控制阀、第二转换控制阀和转速控制器动作的信号。

所述背压调控单元包括有背压调控液压泵/马达Ⅰ，背压调控液压泵/马达Ⅱ，背压调控液压蓄能器Ⅰ，背压调控液压蓄能器Ⅱ，第五压力传感器，第六压力传感器，补油单向阀，第一位移传感器，转速传感器，第二位移传感器。背压调控液压泵/马达Ⅰ油口P1与第一转换控制阀的油口R1和第二转换控制阀的油口R2连通，背压调控液压泵/马达Ⅰ油口P2与背压调控液压蓄能器Ⅰ进油口、第五压力传感器、补油单向阀出油口连通，转速传感器检测背压调控液压泵/马达转速，第一位移传感器检测背压调控液压泵/马达Ⅰ摆角; 背压调控液压泵/马达Ⅱ油口P3与背压调控液压蓄能器Ⅱ进油口，第六压力传感器连接，第二位移传感器检测背压调控液压泵/马达Ⅱ摆角。

所述背压调控单元中，背压调控液压泵/马达Ⅰ与背压调控液压泵/马达Ⅱ同轴连接，它们可以与分动箱连接，也可以与分动箱不连接。

所述动力调控单元为电气方式时，包括有动力调控电动/发电机，转速控制器，双向DC-DC变换器，超级电容器。动力调控电动/发电机驱动轴连接到分动箱上，转速控制器的输出端连接到动力调控电动/发电机，双向DC-DC变换器的一端与转速控制器的直流母线连接，双向DC-DC变换器的另一端与超级电容器连接，电源开关与转速控制器的输入端连接。

所述动力调控单元为液压控制方式时，包括有动力调控液压泵/马达，动力调控液压蓄能器，第七压力传感器，第三位移传感器。动力调控液压泵/马达驱动轴连接到分动箱上，动力调控液压泵/马达的进油口P5与动力调控蓄能器的工作油口、第七压力传感器工作油口连通，液压泵/马达的油口P4与油箱连通，第三位移传感器安装在动力调控液压泵/马达上检测其排量。

所述主液压泵是负载敏感型的变量液压泵、恒压变量液压泵、恒功率变量液压泵、负流量控制型液压泵、比例变排量液压泵以及这些方式组合的液压泵。

所述第一控制阀、第二控制阀可以是四边联动的多路换向阀，也可以是进出油口独立控制的液压阀组，控制方式可以是液压先导控制，手动控制和电比例控制。

所述第一液压执行器、第二液压执行器是液压缸，或者是液压马达。

所述第一转换控制阀、第二转换控制阀可以是液压控制，或者是电气信号控制。

所述第一转换控制阀、第二转换控制阀不局限于权利要求2所述的连接方式，如第一转换控制阀的油口A1、油口B1分别与第一控制阀的进出油口连接，第二转换控制阀的油口A2、油口B2，分别与第二控制阀的进出油口连通，第一转换控制阀的油口R1，第二转换控制阀的油口R2与背压调控液压泵/马达Ⅰ的油口P1连通。

实施上述技术方案，与现有技术相比，具有以下的有益效果。

本系统通过设置压力能液压再生结构，对执行器回油腔的压力进行调控，使得双执行器系统在大载荷差异工况下，两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。

本系统无需压差补偿阀，不受负载差异影响，实现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。

本系统采用新的结构设置控制，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，能量回收与消除载荷差异所产生节流损耗的一体化控制。

本系统采用新的结构设置控制执行器回油腔的压力，来调节发动机的工作点，使发动机工作在高效工作区域，满足了发动机动力匹配的要求。

本系统整机结构方案降低了机器的装机功率，减小了系统的发热，增加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。

本系统的控制方案在保留现有多执行器操控模式优点的基础上，有效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是本发明含有电气动力调控单元和与分动箱连接的背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理结构图。

图2是本发明含有液压动力调控单元和与分动箱连接的背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理结构图。

图3是本发明只采用与分动箱连接的背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理结构图。

图4是本发明含有电气动力调控单元和与分动箱分离背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理结构图。

图5是本发明含有液压动力调控单元和与分动箱分离背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理结构图。

图6是本发明只采用与分动箱分离背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理结构图。

图中：1、动力源，2、主液压泵，3、分动箱，4、安全阀，5、第一液压执行器，6、第二液压执行器，7、第一控制阀，8、第二控制阀，9、第一转换控制阀，10、第二转换控制阀，11、背压调控单元， 12、控制器，13、第一压力传感器，14、第二压力传感器，15、第三压力传感器，16、第四压力传感器，17、背压调控蓄能器Ⅰ，18、背压调控蓄能器Ⅱ，19、背压调控液压泵/马达Ⅰ，20、背压调控液压泵/马达Ⅱ，21、第五压力传感器，22、第六压力传感器，23、补油单向阀，24、第一位移传感器，25、转速控制器，26、第二位移传感器，27、动力调控单元， 28、动力调控电动/发电机，29、动力调控液压泵/马达，30、动力调控蓄能器，31、第七压力传感器，32、第三位移传感器，33、转速控制器，34、双向DC-DC变换器，35、超级电容器，36、电源开关。

G1、第一液控单向阀，G2、第二液控单向阀，P1、背压调控液压泵/马达Ⅰ进油口，P2、背压调控液压泵/马达Ⅰ出油口， P3、背压调控液压泵/马达Ⅱ进油口， P4、背压调控液压泵/马达Ⅱ出油口，A1、第一转换控制阀油口Ⅰ，B1第一转换控制阀油口Ⅱ，R1第一转换控制阀油口Ⅲ，A2第二转换控制阀油口Ⅰ，B2第二转换控制阀油口Ⅱ，R2第二转换控制阀油口Ⅲ,P5、动力调控液压泵/马达出油口，P6、动力调控液压泵/马达进油口。

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一步的说明。

实施例1

如附图1所示，是本发明背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统实施例1，其含有电气动力调控单元和与分动箱连接的背压调控单元，控制二个液压执行器的回路原理。该系统中包括有动力源1为内燃发动机，主液压泵2为变排量液压泵，分动箱3主要传递扭矩，各轴速比例均为1∶1，安全阀4设定压力为32 MPa，第一液压执行器5选用液压缸，第二液压执行器6选用液压缸，第一控制阀7，第二控制阀8均采用正流量控制的比例多路阀。其结构关系是进一步增设有动力调控单元27，背压调控单元11，控制器12采用32位的工业控制计算机，第一转换控制阀9采用电控方式，第二转换控制阀10采用电控方式，第一液控单向阀G1通经为32 mm，第二液控单向阀G2通经为32 mm，第一压力传感器13，第二压力传感器14，第三压力传感器15，第四压力传感器16的压力范围为0-40 MPa。

第一控制阀7的工作油口分别与第一液压执行器5的工作油口连通，第二控制阀8的工作油口分别与第二液压执行器6的工作油口连通；主液压泵2的出油口分别与第一控制阀7、第二控制阀8的进油口连通，第一控制阀7的回油口与第一液控单向阀G1的出油口连通，第二控制阀8的出油口与第二液控单向阀G2的出油口连通；动力源1的输出轴与分动箱3连接，主液压泵2的输入轴与分动箱3连接；第一转换控制阀9的油口A1和油口B1分别与第一液压执行器5的工作油口连通，第二转换控制阀10的油口A2和油口B2分别与第二液压执行器6的工作油口连通；第一压力传感器13、第二压力传感器14分别与第一液压执行器5的工作油口连通，第三压力传感器15、第四压力传感器16分别与第二液压执行器6的工作油口连通，所有压力传感器、位移传感器、转速传感器的输出信号均连接到控制器12，这些信号经过控制器12运算后给出控制第一控制阀7、第二控制阀8、第一转换控制阀9、第二转换控制阀10和转速控制器33动作的信号。

实施背压调控液压泵/马达Ⅰ19，背压调控液压泵/马达Ⅱ20选用轴向柱塞结构，排量为75 ml，背压调控液压蓄能器Ⅰ17，背压调控液压蓄能器Ⅱ18均采用活塞式结构，补油单向阀23通经选用32 mm，第五压力传感器21，第六压力传感器22，压力范围为40 MPa，第一位移传感器24，第二位移传感器26选用差动变压器形式，转速传感器25采用高精度的编码器。

背压调控液压泵/马达Ⅰ19的油口P1与第一转换控制阀9的油口R1和第二转换控制阀10的油口R2连通，背压调控液压泵/马达Ⅰ19的油口P2与背压调控液压蓄能器Ⅰ17进油口、第五压力传感器21、补油单向阀23出油口连通，第一位移传感器24检测背压调控液压泵/马达Ⅰ19的摆角，转速传感器25检测背压调控液压泵/马达Ⅰ19的转速；背压调控液压泵/马达Ⅱ20的油口P3与背压调控液压蓄能器Ⅱ18和第六压力传感器22的工作油口连接，背压调控液压泵/马达Ⅱ20的油口P6与油箱连接，第二位移传感器26检测背压调控液压泵/马达Ⅱ20的排量；背压调控液压泵/马达Ⅰ19与背压调控液压泵/马达Ⅱ20同轴连接后再与分动箱3通过扭矩耦合方式连接。

进一步选择动力调控单元选用电气控制方式，包括有动力调控电动/发电机28，功率为37 kW，转速控制器33，采用矢量控制的变频器，双向DC-DC变换器34自主研制，超级电容器35容量为40 法拉，电源开关36的额定功率40 kW。

动力调控电动/发电机28的驱动轴与分动箱3连接，转速控制器33的输出端与动力调控电动/发电机28连接，双向DC-DC变换器34的一端连接在转速控制器33的直流母线上，双向DC-DC变换器34的另一端与超级电容器35连接，电源开关36的输出端与转速控制器33的输入端连接。

进一步选择主液压泵2选用比例变排量液压泵。

进一步选择第一控制阀7、第二控制阀8选用四边联动的多路换向阀，控制方式选用液压先导控制。

进一步选择第一转换控制阀9、第二转换控制阀10选用电气信号控制方式。

实施例2

如附图2所示，是本发明背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统实施例2，其含有液压动力调控单元和与分动箱3连接的背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理。

本实施例2的组成及连接关系与实施例1类似，区别仅仅是动力调控单元27采用液压控制方式，所述动力调控单元27包含有动力调控液压泵/马达29，选用轴向柱塞结构，动力调控液压蓄能器30，第七压力传感器31，第三位移传感器32。动力调控液压泵/马达29驱动轴直接连接到分动箱3上，动力调控液压泵/马达29油口P5与动力调控液压蓄能器30的工作油口，第七压力传感器31连通，动力调控液压泵/马达29油口P6与油箱连通，第三位移传感器32安装在动力调控液压泵/马达29上，检测其排量。

实施例3

如附图3所示，是本发明背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统实施例3，其只采用与分动箱3连接的背压调控单元11控制二个液压执行器的回路原理。本实施例与实施例1和实施例2的区别是系统中不包含动力调控单元27，动力源选用电动机。

实施例4

如附图4所示，是本发明背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统实施例4，其含有电气动力调控单元和与分动箱分离的背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理。该系统的组成与实施例1的组成完全相同，区别仅仅是背压调控单元27中的背压调控液压泵/马达Ⅰ19和背压调控液压泵/马达Ⅱ20的驱动轴不与分动箱连接。

实施例5

如附图5所示，是本发明背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统实施例5，其含有液压动力调控单元和与分动箱分离背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理。本实施例5的系统组成与实施例2相同，区别仅仅是背压调控单元27中的背压调控液压泵/马达Ⅰ19和背压调控液压泵/马达Ⅱ20的驱动轴不与分动箱连接。

实施例6

如附图6所示，是本发明背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统实施例6，其仅采用与分动箱3分离背压调控单元控制二个液压执行器的回路原理。本实施例6的系统组成与实施例3相同，区别仅仅是背压调控单元27中的背压调控液压泵/马达Ⅰ19和背压调控液压泵/马达Ⅱ20的驱动轴不与分动箱连接。

Claims (10)

1.一种背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，包括有：动力源（1）、主液压泵（2）、分动箱（3）、安全阀（4）、第一液压执行器（5）、第二液压执行器（6）、第一控制阀（7）及第二控制阀（8），还包括第一位移传感器（24）、第二位移传感器（26）、第三位移传感器（32）和转速传感器（25）；其特征在于：

进一步增设有动力调控单元（27）、背压调控单元（11）、控制器（12）、第一转换控制阀（9）、第二转换控制阀（10）、第一液控单向阀（G1）、第二液控单向阀（G2）、第一压力传感器（13）、第二压力传感器（14）、第三压力传感器（15）及第四压力传感器（16）；

所述第一控制阀（7）的工作油口分别与第一液压执行器（5）的工作油口连通；第二控制阀（8）的工作油口分别与第二液压执行器（6）的工作油口连通；主液压泵（2）的出油口分别与第一控制阀（7）、第二控制阀（8）的进油口连通，第一控制阀（7）的回油口与第一液控单向阀（G1）的出油口连通，第二控制阀（8）的出油口与第二液控单向阀（G2）的出油口连通；动力源（1）的输出轴与分动箱（3）连接，主液压泵（2）的输入轴与分动箱（3）连接；第一转换控制阀（9）的油口A1和油口B1分别与第一液压执行器（5）的工作油口连通，第二转换控制阀（10）的油口A2和油口B2分别与第二液压执行器（6）的进出油口连通；第一压力传感器（13）、第二压力传感器（14）分别与第一液压执行器（5）的工作油口连通，第三压力传感器（15）、第四压力传感器（16）分别与第二液压执行器（6）的工作油口连通；所有压力传感器、位移传感器、转速传感器的输出信号均连接到控制器（12），所述信号经过控制器（12）运算后给出控制第一控制阀（7）、第二控制阀（8）、第一转换控制阀（9）、第二转换控制阀（10）和转速控制器（33）动作的信号。

2.根据权利要求1所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征在于：所述背压调控单元（11）是由背压调控液压泵/马达Ⅰ（19）、背压调控液压泵/马达Ⅱ（20）、背压调控液压蓄能器Ⅰ（17）、背压调控液压蓄能器Ⅱ（18）、第五压力传感器（21）、第六压力传感器（22）、补油单向阀（23）、第一位移传感器（24）、转速传感器（25）及第二位移传感器（26）构成；

所述背压调控液压泵/马达Ⅰ（19）的油口P1与第一转换控制阀（9）的油口R1和第二转换控制阀的油口R2和连通；背压调控液压泵/马达Ⅰ（19）的油口P2与背压调控液压蓄能器Ⅰ（17）的进油口、第五压力传感器（21）和补油单向阀（23）的出油口连通；第一位移传感器（24）安装在背压调控液压泵/马达Ⅰ（19）上，检测其排量；背压调控液压泵/马达Ⅱ（20）的油口P3与背压调控液压蓄能器Ⅱ（18）的进油口、第六压力传感器（22）连通，背压调控液压泵/马达Ⅱ（20）的油口P4与油箱连通；第二位移传感器（26）安装在背压调控液压泵/马达Ⅱ（20）上，检测其排量；转速传感器（25）检测背压调控液压泵/马达Ⅰ或是背压调控液压泵/马达Ⅱ的转速。

3.根据权利要求1或2所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征在于：所述背压调控液压泵/马达Ⅰ（19）与背压调控液压泵/马达Ⅱ（20）同轴连接，所述背压调控液压泵/马达Ⅰ（19）与背压调控液压泵/马达Ⅱ（20）的驱动轴是与分动箱连接，或不连接。

4.根据权利要求1所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征是：当所述动力调控单元（27）是由动力调控电动/发电机（28）、转速控制器（33）、双向DC-DC变换器（34）、超级电容器（35）构成时，动力调控电动/发电机（28）的驱动轴与分动箱（3）连接，转速控制器（33）的输出端与动力调控电动/发电机（28）连接，双向DC-DC变换器（34）的一端连接在转速控制器（33）的直流母线上，双向DC-DC变换器（34）的另一端与超级电容器（35）连接，电源开关（36）的输出端与转速控制器（33）的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征在于：当所述动力调控单元（27）是由动力调控液压泵/马达（29），动力调控蓄能器（30）、第七压力传感器（31）和第三位移传感器（32）构成时，动力调控液压泵/马达（29）的驱动轴与分动箱（3）连接，且动力调控液压泵/马达（29）的进油口P5与动力调控蓄能器的工作油口、第七压力传感器（31）工作油口连通，动力调控液压泵/马达的油口P6与油箱连通，第三位移传感器（32）安装在动力调控液压泵/马达（29）上，检测其排量。

6.根据权利要求1所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征在于：所述主液压泵（2）是负载敏感型变量液压泵、恒压变量液压泵、恒功率变量液压泵、负流量控制型液压泵、比例变排量液压泵、或者是这些液压泵的组合。

7.根据权利要求1所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征在于：所述第一控制阀（7）、第二控制阀（8）是四边联动的多路换向阀，或是进出油口独立控制的液压阀组，控制方式是液压先导控制，手动控制或者是电气比例控制。

8.根据权利要求1所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征在于：所述第一液压执行器（5）和第二液压执行器（6）是液压缸，或是液压马达。

9.根据权利要求1所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征在于：所述第一转换控制阀（9）和第二转换控制阀（10）是液压控制，或是电气信号控制。

10.根据权利要求1所述的背压与动力匹配液压混合动力调控双执行器系统，其特征在于：所述第一转换控制阀油口A1、B1与第二转换控制阀油口A2、B2是分别与第一控制阀进出油口、第二控制阀进出油口连通，第一转换控制阀油口R1，第二转换控制阀油口R2与背压调控液压泵/马达Ⅰ油口P1连通。