CN108266358B - 一种变量泵操作手柄全行程控制装置及其复合控制方法 - Google Patents

一种变量泵操作手柄全行程控制装置及其复合控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变量泵操作手柄全行程控制装置及其复合控制方法，包括变量泵(1)，变量泵(1)经滚轮柱(8)和摆杆(7)连接有控制阀块(25)，控制阀块(25)连接有控制器(3)和多路阀(13)，多路阀(13)上设有操控手柄(11)，所述变量泵(1)的主机发动机上设有转速传感器(2)，变量泵(1)的出口设有压力传感器(14)，操控手柄(11)上设有手柄压力传感器(12)，转速传感器(2)、压力传感器(14)和手柄压力传感器(12)均与控制器(3)连接。本发明消除了主机操控手柄的空行程问题，提高了手柄操控主机动作的控制精度和持续控制能力。

Description

一种变量泵操作手柄全行程控制装置及其复合控制方法
技术领域
本发明涉及一种变量泵操作手柄全行程控制装置及其复合控制方法，属于变量泵复合控制领域。
背景技术
在工程机械液压控制系统中，变量泵输出流量由通过手柄控制的多路阀进行控制，在不同工况下，主机存在主辅卷扬、伸缩、变幅、回转等多个动作，由于各动作所需流量不同且多路阀不同通道管阻特性不同，变量泵输出流量通过多路阀时呈现不同流量压差特性，导致低流量段、恒功率段、恒压段内过多路阀的流量产生比变量泵预定恒流量压差值低的压差，主要体现在操控手柄时存在空行程问题，且发动机转速越低或压力越高时空行程现象越严重，这导致操作者对各个动作控制预期感觉缺失，无法掌握动作控制的准确时机，甚至发动机转速及负载压力变化时，操控手柄会失去持续控制作用，使用户操控体验较差且易发生安全事故。因此，设计一种新控制机构与方法以改善工程机械中卷扬提升类主机操控手柄空行程问题变得十分紧迫。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种变量泵操作手柄全行程控制装置及其复合控制方法。它消除了主机操控手柄的空行程问题，提高了手柄操控主机动作的控制精度和持续控制能力。
本发明的技术方案：一种变量泵操作手柄全行程控制装置，包括变量泵，变量泵经滚轮柱和摆杆连接有控制阀块，控制阀块连接有控制器和多路阀，多路阀上设有操控手柄，所述变量泵的主机发动机上设有转速传感器，变量泵的出口设有压力传感器，操控手柄上设有手柄压力传感器，转速传感器、压力传感器和手柄压力传感器均与控制器连接。
前述的变量泵操作手柄全行程控制装置中，所述控制阀块包括由上至下依次设置的恒功率阀、恒压阀和流量阀，所述流量阀包括从左至右依次连接的推杆、流量阀芯、弹簧座和调节螺钉，流量阀芯外侧设有流量阀套，弹簧座上套设有小弹簧和大弹簧，小弹簧和大弹簧外侧设有螺套，调节螺钉外侧设有密封锁紧螺母，流量阀左端设有比例电磁铁。
前述的变量泵操作手柄全行程控制装置中，所述推杆中部设有流量阀芯台阶面积差，推杆中段连接有回油口。
前述的变量泵操作手柄全行程控制装置中，所述控制器包括依次连接的A/D转换器、计算机、D/A转换器和比例阀放大器，比例阀放大器与比例电磁铁连接，A/D转换器分别与转速传感器、压力传感器和手柄压力传感器连接。
前述的变量泵操作手柄全行程控制装置中，所述变量泵包括上变量缸和下变量缸。
前述的变量泵操作手柄全行程控制装置的复合控制方法：采用转速传感器检测主机发动机的转速信号，压力传感器检测变量泵的出口压力信号，手柄压力传感器检测操控手柄的序列信号，检测到的主机发动机的转速信号、变量泵的出口压力信号和操控手柄的序列信号通过数据线与控制器进行通信，控制器进行处理后给予比例电磁铁一相应电流值，比例电磁铁的推力经过推杆传递至流量阀芯，使流量阀芯始终处于临界工作状态。
前述的变量泵操作手柄全行程控制装置的复合控制方法中，控制器将检测到的主机发动机的转速信号、变量泵的出口压力信号和操控手柄的序列信号通过A/D转换器转换为计算机能识别的数字量，计算机读取转换后的数字量后计算出比例电磁铁的控制值，比例电磁铁的控制值经D/A转换器转换成模拟量信号，模拟量信号经比例阀放大器放大后控制比例电磁铁。
与现有技术相比，本发明的操控手柄全行程控制的复合控制装置包括转速传感器、压力传感器、手柄压力传感器、控制器、比例电磁铁、流量阀、恒压阀和恒功率阀，转速传感器检测主机发动机转速信号，压力传感器检测变量泵出口压力，手柄压力传感器安装在操控手柄先导油口处检测操控手柄的序列信号，比例电磁铁安装在流量阀左端，无论变量泵处于何种工况，只要通过控制器采集工况信号，并进行运算后给予比例电磁铁一相应电流值，比例电磁铁的推力经过推杆传递至流量阀芯，当流量阀芯两端压差过小，导致流量阀芯偏离临界工作位置时，比例电磁铁补偿一控制器计算的推力，使流量阀芯始终维持在临界工作位置，能有效改善主机操控水平，使泵满足更加精确的控制要求，本发明可以延伸至各种有多动作工况要求的工程机械，实现变量泵对主机工况变化的连续自主适应。因此，本发明消除了主机操控手柄的空行程问题，提高了手柄操控主机动作的控制精度和持续控制能力。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明的控制阀块示意图；
图3是流量阀芯处于非工作位置时的状态示意图；
图4是流量阀芯处于临界工作位置时的状态示意图；
图5是负载敏感控制的流量-压力曲线图及未使用本发明的操控手柄空行程示意图；
图6是本发明的控制器原理图；
图7是恒流量工况时本发明对操控手柄控制的影响；
图8是高压工况时本发明对操控手柄控制的影响。
附图中的标记为：1-变量泵，2-转速传感器，3-控制器，4-流量阀，5-恒压阀，6-恒功率阀，7-摆杆，8-滚轮柱，9-上变量缸，10-下变量缸，11-操控手柄，12-手柄压力传感器，13-多路阀，14-压力传感器，15-比例电磁铁，16-推杆，17-流量阀套，18-流量阀芯，19-弹簧座，20-小弹簧，21-大弹簧，22-螺套，23-调节螺钉，24-密封锁紧螺母，25-控制阀块，26-A/D转换器，27-计算机，28-D/A转换器，29-比例阀放大器，S-吸油口，A-出油口，Ls-反馈油口，R-排气口，T1、T2-回油口，P0-先导油源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种变量泵操作手柄全行程控制装置，结构如图1、2、3、4和6所示，包括变量泵1，变量泵1经滚轮柱8和摆杆7连接有控制阀块25，控制阀块25连接有控制器3和多路阀13，多路阀13上设有操控手柄11，所述变量泵1的主机发动机上设有转速传感器2，变量泵1的出口设有压力传感器14，操控手柄11上设有手柄压力传感器12，转速传感器2、压力传感器14和手柄压力传感器12均与控制器3连接。
所述控制阀块25包括由上至下依次设置的恒功率阀6、恒压阀5和流量阀4，所述流量阀4包括从左至右依次连接的推杆16、流量阀芯18、弹簧座19和调节螺钉23，流量阀芯18外侧设有流量阀套17，弹簧座19上套设有小弹簧20和大弹簧21，小弹簧20和大弹簧21外侧设有螺套22，调节螺钉23外侧设有密封锁紧螺母24，流量阀4左端设有比例电磁铁15。
所述推杆16中部设有流量阀芯台阶面积差，推杆16中段连接有回油口。
所述控制器3包括依次连接的A/D转换器26、计算机27、D/A转换器28和比例阀放大器29，比例阀放大器29与比例电磁铁15连接，A/D转换器26分别与转速传感器2、压力传感器14和手柄压力传感器12连接。
所述变量泵1包括上变量缸9和下变量缸10。
变量泵操作手柄全行程控制装置的复合控制方法，该方法采用转速传感器检测主机发动机的转速信号，压力传感器检测变量泵的出口压力信号，手柄压力传感器检测操控手柄的序列信号，检测到的主机发动机的转速信号、变量泵的出口压力信号和操控手柄的序列信号通过数据线与控制器进行通信，控制器进行处理后给予比例电磁铁一相应电流值，比例电磁铁的推力经过推杆传递至流量阀芯，使流量阀芯始终处于临界工作状态。
控制器将检测到的主机发动机的转速信号、变量泵的出口压力信号和操控手柄的序列信号通过A/D转换器转换为计算机能识别的数字量，计算机读取转换后的数字量后计算出比例电磁铁的控制值，比例电磁铁的控制值经D/A转换器转换成模拟量信号，模拟量信号经比例阀放大器放大后控制比例电磁铁。
图1和图2为变量泵操控手柄全行程控制装置，包括转速传感器2、压力传感器14、手柄压力传感器12、控制器3、比例电磁铁15、流量阀4、恒压阀5和恒功率阀6，转速传感器2检测主机发动机转速信号，压力传感器14检测变量泵1出口压力，手柄压力传感器12安装在操控手柄11先导油口处检测操控手柄11的序列信号，比例电磁铁15安装在流量阀4左端，上述装置通过数据线与控制器3进行通信，比例电磁铁15的推力经过推杆16传递至流量阀芯18，推杆16中部设有阀芯台阶面积差，感受变量泵1出口压力，推杆16中段与回油口连接，流量阀芯18右端有小弹簧20和大弹簧21。
图3和图4所示为流量阀芯18所处的位置，分别是流量阀芯18处于非工作位置时的状态示意图和处于临界工作位置时的状态示意图，当流量阀芯18两端压差较小时，流量阀芯18受预紧的小弹簧20和大弹簧21的作用离开工作位置；当比例电磁铁15输出推力时，流量阀芯18进入临界工作位置。
图5是负载敏感控制的流量-压力曲线图及未使用本发明的操控手柄空行程示意图，P0是恒功率起点，Pm0是恒压起点，Pc是系统最高压力，当调定好恒功率阀6和恒压阀5时，变量泵1恒功率段P0、恒压段Pm0压力起调点被确定。当调节螺钉23调定流量阀4右端小弹簧20和大弹簧21时，流量阀4的负载敏感控制压差便设定，其流量-压差曲线为图4中A、B、C段，最大恒流量压差下，弹簧力＝(出口压力P-负载压力Ls)×流量阀芯截面积，流量阀芯18处于工作位置，对应操控手柄11开度为1(完全打开)，当操控手柄11有动作时，较小的压差变化即可让流量阀芯18立刻工作，变量泵出口流量变化，体现出操控手柄11的完全控制。当转速过低和压力过高导致流量小于Qmax时，则流量压力曲线变为A′、B′、C′段，B、C段和A′、B′、C′段由于流量过多路阀13无法产生足够压差，导致操控手柄11动作时产生的初始段压差必须先克服流量阀芯18右端预紧力(初始段压差需使流量阀芯18先移动至临界工作位，见图3和图4)，才能进入临界工作状态，所以操控手柄11出现空行程现象，转速越低或压力越高，空行程感越强。
由于操控手柄11是通过在流量阀芯18两端产生压差来控制流量的，无论变量泵处于任何工况，只要通过控制器3采集工况信号，并进行必要运算后给予比例电磁铁15一相应电流值，迫使流量阀芯18始终处于临界工作状态，此时，弹簧力＝(出口压力P-负载压力Ls)×流量阀芯截面积+比例电磁铁推力，即可随时感知操控手柄11的任何动作，使得手柄动作时，输出流量立刻产生变化。
图6是本发明的控制器原理图，由压力传感器14、转速传感器2测量当前压力、转速后通过A/D转换将测量的模拟量值转换为计算机27能识别的数字量，计算机27读取转换后的数字量通过内置公式计算出比例电磁铁15的控制值，经D/A转换后将计算值转换成模拟量信号经比例阀放大器29放大后控制比例电磁铁15。
图7和图8分别是恒流量、高压工况时本发明对操作手柄控制的影响，在3秒操控手柄11开始关闭时，在本发明的作用下，斜盘的角度变化(即变量泵1流量变化)与操控手柄11的开度保持同步，说明低速和高压工况下消除了操控手柄11的空行程问题。
当变量泵1处于低速工况时，其输出流量未达到设定输出流量时，多路阀13两端的压差不能达到流量阀4中小弹簧20和大弹簧21的预设值，导致流量阀4不能工作，并使流量阀芯18远离工作位置，操控手柄11动作时多路阀13产生的初始段压差必须先克服流量阀芯18右端小弹簧20和大弹簧21的预紧力，使流量阀芯18移动至临界工作位置，才能使操控手柄11获得对流量阀4的控制能力。
当变量泵1进入恒功率段或恒压段时，变量泵1流量会相应降低，此时，流量阀芯18退出工作位置，为保持操控手柄11的完全控制，控制器3根据转速信号、压力信号和手柄信号经计算机27输出给比例电磁铁15一电流值，以推动流量阀芯18处于临界工作位置，以便随时感应操控手柄11动作时产生的压差，从而消除恒功率、恒压导致的操控手柄11空行程现象。
控制器3采集转速、变量泵出口压力、手柄序列压力信号，通过逻辑运算后选择控制器3中内置存储器预置的不同主机动作数据表，再计算出系统工况对应的使流量阀芯18处于临界工作位置的补偿量，该补偿量就是比例电磁铁15的输入控制电流。
当主机做复合动作时，不同操作手柄11对应着不同的流量压差曲线数据包，控制器3对操控手柄11的信号序列进行优先级设置，在主机复合动作时，根据先入为主原则选取相应的控制曲线数据包，即当操作人员操控卷扬手柄和伸缩手柄时，控制器3采集到操控手柄11压力信号序列后，根据控制优先级自动匹配卷扬动作所对应的控制曲线数据包，计算出电流信号，比例电磁铁15接收电流信号后输出推力，优先保证操控手柄11全行程控制负载压力最高的动作。
本发明的工作原理：本发明通过转速传感器2检测主机发动机的转速信号，压力传感器14检测变量泵的出口压力信号，手柄压力传感器12检测操控手柄11的序列信号，检测到的信号通过数据线与控制器3进行通信，控制器3将检测到的主机发动机的转速信号、变量泵的出口压力信号和操控手柄11的序列信号通过A/D转换器26转换为计算机27能识别的数字量，计算机27读取转换后的数字量并通过内置公式计算出比例电磁铁15的控制值，比例电磁铁15的控制值经D/A转换器28转换成模拟量信号，模拟量信号经比例阀放大器29放大后控制比例电磁铁15，比例电磁铁15的推力经过推杆16传递至流量阀芯18，使流量阀芯18始终处于临界工作状态。

Claims (5)

1.一种变量泵操作手柄全行程控制装置的复合控制方法，其特征在于：所述变量泵操作手柄全行程控制装置包括变量泵(1)，变量泵(1)经滚轮柱(8)和摆杆(7)连接有控制阀块(25)，控制阀块(25)连接有控制器(3)和多路阀(13)，多路阀(13)上设有操控手柄(11)，所述变量泵(1)的主机发动机上设有转速传感器(2)，变量泵(1)的出口设有压力传感器(14)，操控手柄(11)上设有手柄压力传感器(12)，转速传感器(2)、压力传感器(14)和手柄压力传感器(12)均与控制器(3)连接；
所述控制阀块(25)包括由上至下依次设置的恒功率阀(6)、恒压阀(5)和流量阀(4)，所述流量阀(4)包括从左至右依次连接的推杆(16)、流量阀芯(18)、弹簧座(19)和调节螺钉(23)，流量阀芯(18)外侧设有流量阀套(17)，弹簧座(19)上套设有小弹簧(20)和大弹簧(21)，小弹簧(20)和大弹簧(21)外侧设有螺套(22)，调节螺钉(23)外侧设有密封锁紧螺母(24)，流量阀(4)左端设有比例电磁铁(15)；
采用转速传感器检测主机发动机的转速信号，压力传感器检测变量泵的出口压力信号，手柄压力传感器检测操控手柄的序列信号，检测到的主机发动机的转速信号、变量泵的出口压力信号和操控手柄的序列信号通过数据线与控制器进行通信，控制器进行处理后给予比例电磁铁(15)一相应电流值，比例电磁铁(15)的推力经过推杆传递至流量阀芯，使流量阀芯始终处于临界工作状态。
2.根据权利要求1所述的变量泵操作手柄全行程控制装置的复合控制方法，其特征在于：所述推杆(16)中部设有流量阀芯台阶面积差，推杆(16)中段连接有回油口。
3.根据权利要求1所述的变量泵操作手柄全行程控制装置的复合控制方法，其特征在于：所述控制器(3)包括依次连接的A/D转换器(26)、计算机(27)、D/A转换器(28)和比例阀放大器(29)，比例阀放大器(29)与比例电磁铁(15)连接，A/D转换器(26)分别与转速传感器(2)、压力传感器(14)和手柄压力传感器(12)连接。
4.根据权利要求1所述的变量泵操作手柄全行程控制装置的复合控制方法，其特征在于：所述变量泵(1)包括上变量缸(9)和下变量缸(10)。
5.根据权利要求1所述的变量泵操作手柄全行程控制装置的复合控制方法，其特征在于：控制器将检测到的主机发动机的转速信号、变量泵的出口压力信号和操控手柄的序列信号通过A/D转换器转换为计算机能识别的数字量，计算机读取转换后的数字量后计算出比例电磁铁的控制值，比例电磁铁的控制值经D/A转换器转换成模拟量信号，模拟量信号经比例阀放大器放大后控制比例电磁铁。
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