CN110397646B - 一种油缸控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油缸控制系统及控制方法，用于降低油源消耗，控制油缸伸缩，包括多路阀和第一单向阀，所述油缸有杆腔与多路阀连接，所述油缸无杆腔经第一单向阀与多路阀连接，所述的油缸控制系统还连接设置控制器、旁通回路单元、压力传感单元、多冗余单元和蓄能单元，所述的控制器通过压力传感单元与旁通回路单元连接，控制器通过压力传感单元的指令控制旁通回路单元工作，所述的多冗余单元与蓄能单元连接，控制油缸伸缩。本发明采用旁通回路实现液压油缸控制，降低系统搭建成本、减小系统发热，降低冷却系统负荷；控制系统采用电液控制技术，可扩展性强，便于实现自动化控制；提高速度控制回路负载适应性；有较好的节能效果提高系统控制精度。

Description

一种油缸控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于电液领域，尤其涉及一种油缸控制系统及控制方法。
背景技术
液压油缸在机械行业应用十分广泛。液压油缸一般有两个油腔，通过不同油腔进油及回油可实现油缸活塞杆的伸出及缩回。受油缸结构及使用方式限制，一般油缸无杆腔液压油作用面积与有杆腔作用面积不同，我们将无杆腔面积与有杆腔面积之比称作缸杆比，缸杆比一般大于1。当有杆腔进油而无杆腔回油时，回油流量如下式所示。
Q有-i·Q无
从上式可以看出，当液压系统油源流量固定不变时，缸杆比越大，无杆腔回油流量越大。以某型钻机给进油缸为例，其缸杆比达到2.1，这样，钻机给进油缸无杆腔进油时，有杆腔回油流量是有杆腔进油流量的2.1倍，若在液压系统设计时，根据系统流量选择油缸控制多路阀，由于油缸缸杆比大，无杆腔回油流量太大，会在无杆腔产生较大的背压，在钻机等举升装置中，需要一定的背压以平衡举升装置及钻具的自重，但是当缸杆较大时，油缸有杆腔背压过大，系统功率损失较大，发热严重，而且油缸缩回速度受背压影响较大，油缸缩回速度不可控。若根据无杆腔回油流量选择多路阀，虽解决了无杆腔背压问题，但这将大大增加液压系统搭建成本。另一种方法是多路阀采用非对称阀芯，此方法成本相对于第一种方法较低，但存在阀芯需要定制，供货周期较长，通用性较差等问题，而且由于无法实现对多路阀A、B口单独控制，所以系统的负载适应性较差，当外负载较大时，无法实现油缸速度的精确控制，易发生油缸失速，造成设备损坏，甚至引发安全事故。在部分大尺寸油缸控制中，采用两个电控比例换向阀分别单独控制油缸有杆腔及无杆腔流量以达到匹配系统的目的，此类方案虽解决了流量不对称的问题，但大大增加系统搭建成本，而且由于电控系统可靠性问题，当系统发生故障时，需要专业维修人员进行维修，操作人员无法快速判断系统故障，而导致系统无法正常工作，因此其使用范围受到了较大的限制。
另一方面随着油缸尺寸的增大，由于油缸伸缩过程中，系统流量差异较大，特别是在油缸伸出过程中，需要大流量供给，因此造成油源功率储备较大，在油缸主要应用于举升情况下，大流量油液主要克服油缸及负载重力势能，在油缸频繁往复过程中，为克服重力需要消耗大量的能量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种油缸控制系统及控制方法，以解决现有技术中存在系统背压较大、液压油发热严重、系统搭建成本高、通用性较差、高能耗等问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种油缸控制系统，用于降低油源消耗，控制油缸伸缩，包括多路阀和第一单向阀，所述油缸有杆腔与多路阀连接，所述油缸无杆腔经第一单向阀与多路阀连接，
所述的油缸控制系统还连接设置控制器、旁通回路单元、压力传感单元、多冗余单元和蓄能单元，所述的控制器通过压力传感单元与旁通回路单元连接，控制器通过压力传感单元的指令控制旁通回路单元工作，所述的多冗余单元与蓄能单元连接，控制油缸伸缩。
进一步地，所述的旁通回路单元包括第二单向阀和第一换向阀，所述的油缸与第二单向阀连接，第二单向阀的控制油口与第一换向阀的控制油口连接，所述控制器控制第二单向阀开启和第一换向阀的动作。
进一步地，油源包括控制油源和控制油源，所述多路阀的液控端分别与控制油源、控制油源连接；
所述油缸经第一单向阀与多路阀连接，油缸无杆腔至多路阀油路不通，多路阀至油缸无杆腔油路通。
进一步地，所述的压力传感单元包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器连接于控制油源与多路阀先导油口之间；所述第二压力传感器分别与控制器、第二单向阀连接。
进一步地，所述的油缸控制系统还设置第一减压阀，所述第一减压阀的控制端与控制器连接，第一减压阀分别与第一换向阀的控制油口连接，
所述多冗余单元包括第二减压阀和截止阀，所述第二减压阀分别与蓄能单元、第一换向阀的控制油口连接，所述截止阀分别与第一减压阀、控制油源连接。
进一步地，所述的油缸控制系统还设置第二换向阀和和梭阀，所述的梭阀分别与控制油源、控制油源和第二换向阀连接。
进一步地，所述的蓄能单元包括蓄能器，所述的蓄能器分别与第一减压阀和第二换向阀连接。
一种油缸控制方法，所述的控制方法包括本发明所述的油缸控制系统。
具体地，通过第一压力传感器获取控制油源压力，当控制油源压力大于多路阀开启压力时，控制器根据多路阀输出特性，计算出油缸理论缩回速度，然后通过第二压力传感器获取第一换向阀的压力，控制器通过匹配第一换向阀的输出特性，根据输出特性计算出第一换向阀对应的开口量，从而控制第一减压阀的工作压力，以控制第一换向阀打开，控制油缸伸缩。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
(1)本发明实现油缸控制，系统搭建成本低，可有效解决油缸无杆腔大流量背压问题；大流量回油不通过多路直接回油箱，减小了系统发热，降低了冷却系统负荷；控制系统采用电液控制技术，可扩展性强，便于实现自动化控制；提高了速度控制回路负载适应性；有较好的节能效果；
(2)在第二换向阀的控制回路中增加越权截止阀及独立控制减压阀，当电气回路故障时或者控制油源故障时，可通过越权控制，单独控制无杆腔油液释放，一方面可避免系统完全失效，无法工作，带来的安全隐患，另一方面为专业的电气维修工程师争取检修时间。
附图说明
图1是实施例1中液压系统原理图；
图2是常规油缸液压控制系统原理图；
图3是实施例1中油缸伸出原理图；
图4是实施例1中油缸缩回原理图；
图中各标号表示：1、油缸；2、第一单向阀；3、第二单向阀；4、第一换向阀；5、多路阀；6、截止阀；7、梭阀；8、第一压力传感器；9、第一减压阀；10、控制器；11、第二压力传感器；12、蓄能器；13、安全阀；14、第二换向阀；15、第二减压阀。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
一种油缸控制系统，用于降低油源消耗，控制油缸伸缩，包括多路阀和第一单向阀，所述油缸有杆腔与多路阀连接，所述油缸无杆腔经第一单向阀与多路阀连接，所述的油缸控制系统还连接设置控制器、旁通回路单元、压力传感单元、多冗余单元和蓄能单元，所述的控制器通过压力传感单元与旁通回路单元连接，控制器通过压力传感单元的指令控制旁通回路单元工作，所述的多冗余单元与蓄能单元连接，控制油缸伸缩。油缸流出的液压油经过旁通回路流回油缸的油箱。旁通回路控制可实现油缸控制，系统搭建成本低，可有效解决大缸杆比油缸无杆腔现存的技术问题，此外，系统搭建采用可采用常规多路阀，提高了系统的通用性；其余的零部件和零部件之间的连接关系也可采用常规的设计。
本发明的各部件之间的“连接”关系，均采用该领域常规连接方式进行连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合本发明实施例中的附图1～4，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
遵从上述技术方案，结合图1～4，图中各字母标号均为了方便描述。本实施例提供一种油缸控制系统，用于降低油源消耗，控制油缸1伸缩，油源向油缸1提供液压油，控制系统包括多路阀5和第一单向阀2，油缸1有杆腔与多路阀5连接，所述油缸1无杆腔经第一单向阀2与多路阀5连接，多路阀5优选为液控比例多路阀；油缸控制系统还连接设置控制器10、旁通回路单元、压力传感单元、多冗余单元和蓄能单元，控制器10通过压力传感单元与旁通回路单元连接，控制器10通过压力传感单元的指令控制旁通回路单元工作，多冗余单元与蓄能单元连接，控制油缸1伸缩。
旁通回路单元包括第二单向阀3和第一换向阀4，油缸1与第二单向阀3 连接，第二单向阀3的控制油口与第一换向阀4的控制油口连接，控制器10 控制第二单向阀3开启和第一换向阀4的动作。其中，第二单向阀3为液控单向阀；第一换向阀4为电比例两位两通换向阀；油缸1流出的液压油经过旁通回路流回油缸1的油箱；油缸1的A口与第二单向阀3的B口连接，第二单向阀3的A口与第一换向阀4的油口P连接，第二单向阀3的控制油口 C与第一换向阀4的控制油口C连接。
油源包括控制油源1、控制油源2；多路阀5的油口P连接高压油源，多路阀5的油口T与油缸1的油箱连接，多路阀5的液控端a1连接控制油源1，多路阀5的液控端a2连接控制油源2。油缸1的A口经第一单向阀2与多路阀5的A口连接，油缸1无杆腔的A口至多路阀5的A口油路不通，多路阀5的A口至油缸1 无杆腔的A口油路通。
压力传感单元包括第一压力传感器8和第二压力传感器11，第一压力传感器8连接于控制油源1与多路阀5先导油口a1口之间；第二压力传感器11 分别与控制器10、第二单向阀3连接。第二压力传感器11获取第一换向阀4 的阀前压力。
油缸控制系统还设置第一减压阀9，第一减压阀9的控制端与控制器10连接，第一减压阀9B口与第一换向阀4的控制油口C连接，第一减压阀9优选为电比例减压阀。控制器10分别与第一压力传感器8、第一减压阀9的控制端和第二压力传感器11连接，控制器10通过第一压力传感器8获取控制油源1的压力参数，进而控制第一减压阀9的工作压力，实现第二单向阀3的开启及第一换向阀4的动作。第一减压阀9可单独控制油缸1无杆腔油液释放且其释放速度可以通过调节第一减压阀9压力控制。
多冗余单元包括第二减压阀15和截止阀6，第二减压阀15分别与蓄能单元、第一换向阀4的控制油口连接，截止阀6分别与第一减压阀9、控制油源1连接。第二减压阀15优选为手动减压阀。截止阀6的A口与第一减压阀9的B口连接，截止阀6的B口与控制油源1的a口连接。截止阀6截断时，第一减压阀9控制第一换向阀4的开口量，截止阀6打开时，控制油源1控制第一换向阀4的开口量。当电控系统出现故障时，多路阀5的先导油口a1的控制信号无法通过控制器10传导至第一换向阀4，造成油缸1无法缩回。此时，在回路中设置截止阀6，可起到越权控制的目的，在电控系统故障时，截止阀6打开，先导油口a1及先导油口b1可同时控制第一换向阀4及多路阀5，从而实现全液压控制，操作简单，快捷，可实现不停机系统维护，从而避免由于操作人员不懂得维护电气系统而造成的停工损失，同时在系统中设置第二减压阀15，第二减压阀15采用手动控制，在某些特殊情况下，如某钻机给进系统伸出时，当系统发生故障，油缸1无法缩回，此时整个执行机构伸出高度较高，为钻机维修带来不便，而且存在安全隐患。需要单独控制油缸1缩回时，可通过调节第二减压阀15实现对第一换向阀4的单独控制，且缩回速度可控。
油缸控制系统还设置第二换向阀14和梭阀7，第二换向阀14为液控换向阀，优选为两位两通换向阀。梭阀7分别与控制油源1、控制油源2和第二换向阀14连接。梭阀7的A口与控制油源1的a口连接，梭阀7的B口与控制油源2的b 口连接，梭阀7的C口与第二换向阀14的C口连接。梭阀7获取控制油源1的a 口、控制油源2的b口处压力，控制第二换向阀14动作。控制油源1或控制油源 2为低压时，第二换向阀14的P口与A口切断；控制油源1或控制油源2为高压时，第二换向阀14的P口与A口接通。
蓄能单元包括蓄能器12，蓄能器12分别与第一减压阀9和第二换向阀14 连接。蓄能器12同时作为第一减压阀9油源，减少系统油源配置。第二减压阀 15的A口与蓄能器12的A口连接，第二减压阀15的B口与第一换向阀4的C口连接。如图1所示，为本发明的液压原理图，油缸1伸缩采用电液双控制而非全电气控制，此方案不仅保留了全液压控制系统的可靠性及便于维护性，而且加入电气控制系统，提高了系统的响应速度计控制精度。
图2是常规油缸液压控制系统原理图，包含油缸101，多路阀102，从图中可看出液压油缸A、B口直接与多路阀A、B口连接，由于油缸两端面积比差异，因此，在无杆腔进油与有杆腔回油不对称，特别是在缸杆比较大时，无杆腔回油数倍于有杆腔进油，一般解决办法是采用非对称阀芯设计，多路阀 A、B口额定流量根据油缸面积比定制，由于需要非标定、存在制供货周期较长，通用性较差等问题。
如图3所示，为油缸1伸出原理图，此时控制油源1为低压，控制油源 2为高压。推动多路阀5工作于右位，控制油源1为低压，控制器10通过第一传感器8获取控制油源1压力参数，控制第一减压阀9工作压力，从而控制第一换向阀4及第二单向阀3开启。梭阀7获取控制油源信号，控制第二换向阀14工作于下位。此时蓄能器12中储存的压力油释放，进入油缸1无杆腔。高压油流经多路阀5、第一单向阀2流入油缸1无杆腔。由于蓄能器 12和高压油源(控制油源2)同时为油缸1无杆腔供油，因此在满足油缸伸出速度的同时，可适当减小高压油源的输出流量以减小系统功率损耗。
如图4所示，为油缸1缩回原理图，此时控制油源1为高压，控制油源2为低压。推动多路阀5工作于左位，控制油源1为高压，控制器10通过第一压力传感器8获取控制油源1的压力参数，控制第一减压阀9工作压力，从而控制第一换向阀4及第二单向阀3开启。此时通过第一压力传感器8和第二压力传感器 11组成闭环控制回路，控制第一换向阀4的开启量以达到油缸无杆腔被压及油缸缩回速度双重控制，提高系统控制精度。高压油源(控制油源1)流经多路阀5流入油缸1的有杆腔，推动油缸1缩回，由于第一单向阀2的存在，此时油缸1无杆腔回油只能流经第二单向阀3、第一换向阀4回油箱。同时将部分油缸无杆腔回油储存于蓄能器12，作为补充油源，供下一次油缸1伸出使用，实现将油缸缩回过程中的能量回收缸杆伸出时能量的释放，从而起到较好的节能效果。安全阀13的主要作用是保护蓄能器12，防止超压，属于蓄能器12回路的常规设计。
在实际应用中，只需要控制多路阀5便可实现对旁通回路的开启与关闭，操作简单。油缸大流量回油不经过多路阀5而通过旁通回路直接回油，降低了系统发热。不需要采用大流量多路阀或非对称阀芯设计，大大降低系统搭建成本。在旁通回路设计中，采用了多冗余设计，即可实现电液控制，提高系统控制精度，又可实现全液压控制，提高了系统可靠性及维护便捷性，同时在系统中设置有手动减压阀15，可单独控制油缸无杆腔油液释放，提高了系统使用的安全性。在油缸无杆腔增加了蓄能器12储能及控制系统，可在油缸缩回过程中系统背压储存，当油缸伸出时，将压力释放，有较好的节能效果。
本实施例还给一种油缸控制方法，包括本发明的油缸控制系统。
具体为：通过第一压力传感器8获取控制油源1压力，当控制油源1压力大于多路阀5开启压力时，控制器10根据多路阀5输出特性，从而计算出油缸理论缩回速度，然后通过第二压力传感器11获取第一换向阀4的P口压力，控制器10通过匹配第一换向阀9输出特性，根据薄壁孔压力流量输出特性，从而计算出第一换向阀4对应的开口量，从而控制第一减压阀9的工作压力，以控制第一换向阀4打开，从而保证油缸缩回速度只与油缸有杆腔进油量有关，而不受外负载影响，从而避免油缸有杆腔背压过大造成的能量损失，或者背压过小造成的油缸缩回速度过快。
本实施例的油缸控制方法中，油缸无杆腔并联旁通回路，无杆腔回油不经过多路阀5而经过旁通回路直接回油箱。旁通回路开启及闭合通过控制器10 控制，控制器10发出的控制指令通过压力传感器与多路阀5的控制油路获取。梭阀7与第二换向阀14组成逻辑控制回路，当油缸1缩回时，将油缸1及外负载重力势能储存于蓄能器12，当油缸1伸出时，控制蓄12能器释放压力，以减小系统功率输出。通过截止阀6设置越权控制，当截止阀6截止，第一减压阀9 和第二减压阀15可控制第一换向阀4开口，当截止阀6打开，减压阀15及减压阀9均失效，越权后，控制油源1直接控制第一换向阀4开口。同时在无杆腔控制油路中增加了单独调教控制回路，避免系统故障时油缸杆无法缩回而造成的安全隐患。通过第二减压阀15控制第一换向阀4的开口度，第二压力传感器 11获取第一换向阀4阀前压力。控制器10通过压力传感器与减压阀对第二换向阀14做闭环控制，做到了与负载无关的流量控制，提高了速度控制回路负载适应性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种油缸控制系统，用于降低油源消耗，控制油缸(1)伸缩，包括多路阀(5)和第一单向阀(2)，所述油缸(1)有杆腔与多路阀(5)连接，所述油缸(1)无杆腔经第一单向阀(2)与多路阀(5)连接，
其特征在于，所述的油缸控制系统还连接设置控制器(10)、旁通回路单元、压力传感单元、多冗余单元和蓄能单元，所述的控制器(10)通过压力传感单元与旁通回路单元连接，控制器(10)通过压力传感单元的指令控制旁通回路单元工作，所述的多冗余单元与蓄能单元连接，控制油缸(1)伸缩；
所述的旁通回路单元包括第二单向阀(3)和第一换向阀(4)，所述的油缸(1)与第二单向阀(3)连接，第二单向阀(3)的控制油口与第一换向阀(4)的控制油口连接，所述控制器(10)控制第二单向阀(3)开启和第一换向阀(4)的动作；
所述油源包括控制油源(1)和控制油源(2)，所述多路阀(5)的液控端分别与控制油源(1)、控制油源(2)连接；
所述油缸(1)经第一单向阀(2)与多路阀(5)连接，油缸(1)无杆腔至多路阀(5)油路不通，多路阀(5)至油缸(1)无杆腔油路通；
所述的压力传感单元包括第一压力传感器(8)和第二压力传感器(11)，所述第一压力传感器(8)连接于控制油源(1)与多路阀(5)先导油口之间；所述第二压力传感器(11)分别与控制器(10)、第二单向阀(3)连接；
所述的油缸控制系统还设置第一减压阀(9)，所述第一减压阀(9)的控制端与控制器(10)连接，第一减压阀(9)分别与第一换向阀(4)的控制油口连接，
所述多冗余单元包括第二减压阀(15)和截止阀(6)，所述第二减压阀(15)分别与蓄能单元、第一换向阀(4)的控制油口连接，所述截止阀(6)分别与第一减压阀(9)、控制油源(1)连接。
2.根据权利要求1所述的油缸控制系统，其特征在于，所述的油缸控制系统还设置第二换向阀(14)和和梭阀(7)，所述的梭阀(7)分别与控制油源(1)、控制油源(2)和第二换向阀(14)连接。
3.根据权利要求2所述的油缸控制系统，其特征在于，所述的蓄能单元包括蓄能器(12)，所述的蓄能器(12)分别与第一减压阀(9)和第二换向阀(14)连接。
4.一种油缸控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括权利要求1～3任一权利要求所述的油缸控制系统。
5.根据权利要求4所述的油缸控制方法，其特征在于，通过第一压力传感器(8)获取控制油源(1)压力，当控制油源(1)压力大于多路阀(5)开启压力时，控制器(10)根据多路阀(5)输出特性，计算出油缸(1)理论缩回速度，然后通过第二压力传感器(11)获取第一换向阀(4)的压力，控制器(10)通过匹配第一换向阀(9)的输出特性，根据输出特性计算出第一换向阀(4)对应的开口量，从而控制第一减压阀(9)的工作压力，以控制第一换向阀(4)打开，控制油缸(1)伸缩。
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