CN108425893B - 一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，所述第一双向变量泵、第二双向变量泵和伺服电机直接连接，来独立驱动所述液压缸，并通过两个所述第一双向变量泵、第二双向变量泵实现液压缸的流量平衡，同时采用伺服电机驱动，使得用导线代替液压管路传递动力的分布式智能控制，本发明的系统主回路很短且没有节流元件,因此压力损失少、发热量少，不需要冷却装置，同时避免了系统的节流损失和溢流损失，系统效率较高，而且本发明在负值负载的情况下，还可以将负载回馈的势能转化为电能储存到所述电源装置中，进行重复利用，节约了能源。

Description

一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统
技术领域
本发明涉及液压技术领域，特别是一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统。
背景技术
液压挖掘机作为工程机械中最常用的机械，其存在耗油高、排放差、能量利用率低缺点。在能源短缺和环境污染问题日趋严重形势下，如何实现挖掘机的节能和减排，越来越受到人们重视，成为目前研究的热点。
当前挖掘机仍采用发动机-变量泵-多路阀-执行器的驱动系统。由于节能环保要求，部分研究采用普通电机替代发动机，但系统效率仍有待提高。随着交流伺服电动机的相继研制成功，伺服电机-定量液压泵/马达-液压阀-执行器系统已开展工程应用，如注塑机等。这些液压系统节能方法在提高效率方面起到了重要的作用。
发明专利：一种全电动伺服挖掘机(申请号：201110453095.9)，采用交流伺服电动机与滚珠丝杠相结合的电-机传动与伺服系统，它的优点是电能直接变换为机械能、系统简单耗能少、占用空间小。但在要求低速大转矩、大出力的工况时，这种电-机传动与伺服系统要加上减速器才能完成传动任务，使系统复杂化。有时即使加上减速器仍不能满足要求，如在大功率传动时，其最佳传动方案就是选择电液传动系统或电液伺服系统。
发明专利：全电驱动的液压挖掘机动力系统(申请号：201610406357.9)，通过控制各个伺服电机的转速大小和转速方向，从而来控制与各个伺服电机连接的双向定量泵的输出流量的大小和方向，最终完成对各个液压执行元件的速度控制。①该系统采用伺服电机驱动一个双向定量泵来控制对称液压缸，液压缸活塞侧的有效面积减小，使得活塞伸出时输出力大幅度减小。②当系统压力较高时，驱动定量泵所需的力矩较大，对电机性能要求高，例如要求转矩、功率范围宽，而且该系统无法回收负值负载回馈的能量。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，将双变量泵和伺服电机直接连接来独立驱动液压缸，不仅实现液压缸两侧流量的精确匹配，避免了系统的节能损失和溢流损失，系统效率高。同时由于采用变排量和变转速的控制，可达到更宽的转速范围和获得较大的转矩输出，降低了伺服电机的性能要求。液压缸实现按需驱动，节约电能，同时可以将负值负载回馈的能量进行回收利用。
本发明是这样实现的：一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，包括一控制器、一电源装置和至少一液压模块；所述液压模块包括一液压缸、一第一双向变量泵、一第二双向变量泵、一伺服电机、一变频器以及一蓄能器；所述液压缸包括缸体、活塞和活塞杆，所述活塞杆的一端固定连接于所述活塞，所述活塞气密性可滑动地连接于所述缸体内，且所述活塞将所述缸体内部分为第一腔室和第二腔室；
所述变频器和所述控制器分别电连接于所述电源装置，所述变频器电连接于所述伺服电机，所述伺服电机的输出端连接于所述第一双向变量泵和第二双向变量泵的驱动端，所述第一双向变量泵的一端口气密性地连接于所述第一腔室；所述第二双向变量泵的一端口气密性地连接于所述第二腔室；所述第一双向变量泵的另一端和所述第二双向变量泵的另一端气密性并联后气密性地连接于所述蓄能器；所述第一双向变量泵、所述第二双向变量泵、所述变频器分别通信连接于所述控制器。
进一步地，还包括一第一单向阀和一第二单向阀，所述第一单向阀包括第一入口和第一出口，所述第二单向阀包括第二入口和第二出口；所述第一双向变量泵的一端口与所述第一出口气密性地连接同时气密性地连接于所述第一腔室；所述第二双向变量泵的一端口与所述第二出口气密性地连接，同时气密性地连接于所述第二腔室；所述第一入口与所述第二入口气密性的并联后气密性地连接于所述蓄能器。
进一步地，还包括两个二位二通电磁阀，所述第一双向变量泵的一端口与所述第一出口气密性地连接，同时气密性地串联一所述二位二通电磁阀后气密性地连接于所述第一腔室；所述第二双向变量泵的一端口与所述第二出口气密性地连接，同时气密性地串联另一所述二位二通电磁阀后气密性地连接于所述第二腔室，两所述二位二通电磁阀分别通信连接于所述控制器。
进一步地，所述液压模块有三个。
本发明具有如下优点：本发明提供一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，所述第一双向变量泵、第二双向变量泵和伺服电机直接连接，来独立驱动所述液压缸，并通过两个所述第一双向变量泵、第二双向变量泵实现液压缸的流量平衡，同时采用伺服电机驱动，使得用导线代替液压管路传递动力的分布式智能控制，本系统主回路很短且没有节流元件,因此压力损失少、发热量少，不需要冷却装置，同时避免了系统的节流损失和溢流损失，系统效率较高，而且本发明在负值负载的情况下，还可以将负载回馈的势能转化为电能储存到所述电源装置中，进行重复利用，节约了能源。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明所述的一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统的原理图。
图2为本发明所述的一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统的工况1的示意图。
图3为本发明所述的一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统的工况2的示意图。
图4为本发明所述的一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统的工况3的示意图。
图5为本发明所述的一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统的工况4的示意图。
图6为本发明所述伺服电机的调速原理图。
图7为本发明所述的一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统的效果示意图。
图中：1、控制器；2、液压模块；21、液压缸；211、缸体；2111、第一腔室；2112、第二腔室；212、活塞；213、活塞杆；22、二位二通电磁阀；23、第一单向阀；231、第一入口；232、第一出口；24、第二单向阀；241、第二入口；242、第二出口；25、第一双向变量泵；26、第二双向变量泵；27、伺服电机；28、变频器；29、蓄能器；3、铲斗；4、斗杆；5、动臂；A、伺服电机额定功率。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，包括一控制器1、一电源装置(未图示)和至少一液压模块2；所述液压模块2包括一液压缸21、一第一双向变量泵25、一第二双向变量泵26、一伺服电机27、一变频器28以及一蓄能器29；所述液压缸21包括缸体211、活塞212和活塞杆213，所述活塞杆213的一端固定连接于所述活塞212，所述活塞212气密性可滑动地连接于所述缸体211内，且所述活塞212将所述缸体211内部分为第一腔室2111和第二腔室2112；
所述变频器28和所述控制器1分别电连接于所述电源装置(未图示)，所述变频器28电连接于所述伺服电机27，所述伺服电机27的输出端连接于所述第一双向变量泵25和第二双向变量泵26的驱动端，实现同步运动，所述第一双向变量泵25的一端口气密性地连接于所述第一腔室2111；所述第二双向变量泵26的一端口气密性地连接于所述第二腔室2112；所述第一双向变量泵25的另一端和所述第二双向变量泵26的另一端气密性并联后气密性地连接于所述蓄能器29；所述第一双向变量泵25、所述第二双向变量泵26、所述变频器28分别通信连接于所述控制器1，所述控制器1控制所述变频器28调节所述伺服电机27的转速大小和方向，进而调节所述第一双向变量泵25和所述第二双向变量泵26的输出流量的大小和方向，所述控制器1直接控制所述第一双向变量泵25和所述第二双向变量泵26调节各自的排量的大小和方向，最终实现控制所述液压缸211精准的输出，从而实现精准控制负载进行工作。
由于所述活塞杆213使得所述第一腔室2111和第二腔室2112为非对称结构，因此所述液压缸21为非对称液压缸，所述第一腔室2111的最大容积大于所述第二腔室2112的最大容积；将所述第一双向变量泵25、第二双向变量泵26和伺服电机27直接连接来独立驱动所述液压缸21，不仅实现液压缸21两个腔室的流量的精确匹配，避免了系统的节能损失和溢流损失，系统效率高。
所述活塞杆213连接于挖掘机的负载，根据负载变化对所述伺服电机27进行变频调速，如图6所示，调速方式采用低载高速，中载速度逼近其额定功率，重载限制其转速，与此同时动态调整所述第一双向变量泵25和所述第二双向变量泵26的排量，理论上两个双向变量泵的排量比例与所述液压缸21两腔室的工作面积比例对应，但由于高压侧的双向变量泵因为压力高，输出流量更多，为了补充高压侧的双向变量泵所泄漏的油液，因此该高压侧的双向变量泵的排量比理论值略高，实现所述液压缸21的两个腔室的精确匹配。
由于采用所述伺服电机27进行驱动，代替了原有发动机，使得实现用导线代替原有液压管路传递动力的分布式智能控制，本发明的液压系统主回路很短且没有节流元件,因此压力损失少、发热量少，不需要冷却装置。
相比传统液压系统，本发明的液压系统是闭式系统，用油少、所需油箱容积很小,可把所述伺服电动机27、所述第一双向变量泵25、所述第二双向变量泵26、所述蓄能器29、所述变频器28组成一体,做成液压包形式，体积小，可以布置在挖掘机负载的附近。
本发明采用变排量和变转速的控制，可达到更宽的转速范围和获得较大的转矩输出，降低了伺服电机的性能要求。
伺服电机代替发动机驱动变量泵，系统效率大大提高，实现节能、减排和降噪。
传统系统开机后工作,执行机构不工作也不停机,电机和油泵照常运行,耗能大。而所述液压缸21需要工作时,所述伺服电机27即运转,所述液压缸21不工作时,所述伺服电机27即停转，实现按需驱动，节约电能。
本发明的工作原理，存在以下四种工况：
请参阅图2至图5所示，图中F为负载施加在所述活塞杆213的外力，v为所述活塞杆213的运行速度；液压力方向和外力F的方向相反；所述活塞杆213连接于挖掘机的负载，挖掘机的负载在工作过程中会产生势能，可以通过所述活塞杆213传递到所述液压模块2进行发电存储到所述电源装置(未图示)中；所述第一双向变量泵25和所述第二双向变量泵26既可以作为泵，也可以作为马达进行发电；
正值负载：液压力方向与速度v的方向相同，所述活塞杆213伸出/缩回，此时所述电源装置(未图示)输出电能驱动所述伺服电机27带动所述第一双向变量泵25或所述第二双向变量泵26，所述液压缸21输出能量给负载；
负值负载：液压力方向与速度v的方向相反，所述活塞杆213伸出/缩回，负载反馈能量给所述液压缸21，进而使所述第一双向变量泵25或所述第二双向变量泵26处于发电状态，将能量存储到所述电源装置(未图示)，进行回收利用。
工况1，请参阅图2所示：为负值负载的情况下，所述活塞杆213缩回，所述活塞杆213受到负载的压力，此时F为压力，使得所述第一腔室2111压力较高，将负载的势能传递给所述液压缸21，进而通过液压回路带动所述第一双向变量泵25进行发电，将电能存储到所述电源装置(未图示)中，进行回收利用，节约了能量，此时所述液压模块2中的油液的流向为：所述第一腔室2111中的油液通过所述第一双向变量泵25输送到所述第二双向变量泵26，再由所述第二双向变量泵26输送到所述第二腔室2112，此时该高压侧的所述第一双向变量泵25的排量比理论值略高，实现液压缸21两个腔室的精确匹配。同时由于所述第一腔室2111的最大容积大于所述第二腔室2112的最大容积，因此所述第一腔室2111输送出来的油液有多余，而多余的油液从所述第一双向变量泵25出来后直接流进所述蓄能器29中存储起来。
工况2，请参阅图3所示：为正值负载的情况下，所述活塞杆213伸出，所述活塞杆213受到负载的压力，此时F为压力，使得所述第一腔室2111压力较高，所述控制器1控制所述变频器28进而控制所述伺服电机27驱动所述第二双向变量泵26，将所述第二腔室2112的油液输送到所述第一双向变量泵25，并由所述第一双向变量泵25输送到所述第一腔室2111，由于所述第一腔室2111的最大容积大于所述第二腔室的最大容积，此时还需要所述蓄能器29中的油液进行补充，蓄能器29中的油液汇流到所述第一双向变量泵25，由所述第一双向变量泵25一起输送到所述第一腔室2111中。此时该高压侧的所述第一双向变量泵25的排量比理论值略高，实现液压缸21两个腔室的精确匹配。
工况3，请参阅图4所示：为负值负载的情况下，所述活塞杆213伸出，所述活塞杆213受到负载的拉力，此时F为拉力，使得所述第二腔室2112压力较高，所述控制器1控制所述变频器28进而控制所述伺服电机27驱动所述第二双向变量泵26，将所述第二腔室2112的油液输送到所述第一双向变量泵25，并由所述第一双向变量泵25输送到所述第一腔室2111，此时还需要所述蓄能器29中的油液进行补充，所述蓄能器29中的油液汇流到所述第一双向变量泵25，并由所述第一双向变量泵25一起输送到所述第一腔室2111。此时负载的势能传递给所述液压缸21，进而通过液压回路带动所述第二双向变量泵26进行发电，将电能存储到所述电源装置(未图示)中，进行回收利用，节约了能量。此时该高压侧的所述第二双向变量泵26的排量比理论值略高，实现所述液压缸21两个腔室的精确匹配。
工况4，请参阅图5所示：为正值负载的情况下，所述活塞杆213缩回，所述活塞杆213受到负载的拉力，此时F为拉力，所述第二腔室2112的压力大于所述第一腔室2111的压力，此时所述液压模块2中的油液的流向为：所述第一腔室2111中的油液通过所述第一双向变量泵25输送到所述第二双向变量泵26，并由所述第二双向变量泵26输送到所述第二腔室2112，此时所述第一腔室2111流出的多余的油液从所述第一双向变量泵25流出后，直接流入所述蓄能器29中存储起来。同时该高压侧的所述第二双向变量泵26的排量比理论值略高，实现所述液压缸21两个腔室的精确匹配。
在具体一实施例中，优选地，还包括一第一单向阀23和一第二单向阀24，所述第一单向阀23包括第一入口231和第一出口232，所述第二单向阀24包括第二入口241和第二出口242；所述第一双向变量泵25的一端口与所述第一出口232气密性地连接，同时气密性地连接于所述第一腔室2111；所述第二双向变量泵26的一端口与所述第二出口242气密性地连接，同时气密性地连接于所述第二腔室2112；所述第一入口231与所述第二入口241气密性的并联后气密性地连接于所述蓄能器29。通过所述第一单向阀23和所述第二单向阀24可以防止所述液压模块2中出现气穴等其它不良影响。
在具体一实施例中，优选地，还包括两个二位二通电磁阀22，所述第一双向变量泵25的一端口与所述第一出口232气密性地连接，同时气密性地串联一所述二位二通电磁阀22后气密性地连接于所述第一腔室2111；所述第二双向变量泵26的一端口与所述第二出口242气密性地连接，同时气密性地串联另一所述二位二通电磁阀22后气密性地连接于所述第二腔室2112，两所述二位二通电磁阀22分别通信连接于所述控制器1。两个所述二位二通电磁阀22，主要是锁定所述液压缸21，避免由于所述第一双向变量泵25或第二双向变量泵26的油液泄漏而引起的滑动。
在具体一实施例中，优选地，所述液压模块2有三个。三个所述液压模块2一一对应连接于挖掘机的动臂5、斗杆4、铲斗3，实现三者分别独立驱动，方便控制。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，其特征在于：包括一控制器、一电源装置和至少一液压模块；所述液压模块包括一液压缸、一第一双向变量泵、一第二双向变量泵、一伺服电机、一变频器以及一蓄能器；所述液压缸包括缸体、活塞和活塞杆，所述活塞杆的一端固定连接于所述活塞，所述活塞气密性可滑动地连接于所述缸体内，且所述活塞将所述缸体内部分为第一腔室和第二腔室；
所述变频器和所述控制器分别电连接于所述电源装置，所述变频器电连接于所述伺服电机，所述伺服电机的输出端连接于所述第一双向变量泵和第二双向变量泵的驱动端，所述第一双向变量泵的一端口气密性地连接于所述第一腔室；所述第二双向变量泵的一端口气密性地连接于所述第二腔室；所述第一双向变量泵的另一端和所述第二双向变量泵的另一端气密性并联后气密性地连接于所述蓄能器；所述第一双向变量泵、所述第二双向变量泵、所述变频器分别通信连接于所述控制器；
所述液压模块有三个，三个所述液压模块一一对应连接于挖掘机的动臂、斗杆、铲斗，实现三者分别独立驱动。
2.根据权利要求1所述的一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，其特征在于：还包括一第一单向阀和一第二单向阀，所述第一单向阀包括第一入口和第一出口，所述第二单向阀包括第二入口和第二出口；所述第一双向变量泵的一端口与所述第一出口气密性地连接，同时气密性地连接于所述第一腔室；所述第二双向变量泵的一端口与所述第二出口气密性地连接，同时气密性地连接于所述第二腔室；所述第一入口与所述第二入口气密性的并联后气密性地连接于所述蓄能器。
3.根据权利要求2所述的一种伺服电机驱动双变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，其特征在于：还包括两个二位二通电磁阀，所述第一双向变量泵的一端口与所述第一出口气密性地连接，同时气密性地串联一所述二位二通电磁阀后气密性地连接于所述第一腔室；所述第二双向变量泵的一端口与所述第二出口气密性地连接，同时气密性地串联另一所述二位二通电磁阀后气密性地连接于所述第二腔室，两所述二位二通电磁阀分别通信连接于所述控制器。
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