CN1123863A - 用于工业挖掘机的液压控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于液压挖掘机的液压控制系统，包括一个经一负荷传感管路与第一和第二压力补偿阀连通的负荷传感阀，根据负荷传感管路中形成的负荷传感压力调节工作流体的排放量，负荷传感管路在负荷传感阀和第一压力补偿阀之间，一个位于负荷传感管路中间的回转转矩调节器根据先导流体的压力选择允许和禁止第一压力补偿阀和负荷传感阀之间流体连通。

Description

用于工业挖掘机的液压控制系统

本发明涉及工业用车辆中使用的液压控制系统，特别是能对装备在挖掘机或移动式挖斗上的液压悬臂液压缸和液压回转电动机的联合或单独动作进行有效地控制的液压控制系统，以使挖掘机进行各种作业。

正如本领域技术人员已知的，常规的挖掘机包括一个移动底架，一个通过枢轴安装在底架上并在其附近做水平转动的上旋架，一个固定在上旋架前方在有限范围内做垂直角运动的悬臂，和一个经互连臂枢轴式安装在悬臂末端的挖斗。液压回转电动机可以使上旋架旋转，悬臂可以随液压悬臂液压缸的伸出或回缩在一垂直面摆动。挖斗的摆动由其本身的液压缸以同样的方式完成。通过使用液压控制系统能够正确地控制回转电动机、悬臂液压缸和挖斗液压缸的动作，从而使挖掘机执行采掘、挖掘、运土和分派给其的其它类似工作。

然而，已经证明对先有技术的挖掘机采用的液压控制系统至少提出了如下阐述的两方面缺陷。首先，在借助强大转矩转动重型级的上旋架以克服其惯性的情况下，回转电动机中的流体压力很可能增加，这理所当然会对准确控制回转电动机转速产生不利影响。其次，在悬臂液压缸和回转电动机被同步操纵的情况下，回转电动机中的流体压力会变得大大高于悬臂液压缸中形成的流体压力，结果将使上旋架以比悬臂上升速度快得多的转速转动。

为避免上述缺陷，1990年7月3日授予Yoshino的美国专利No.4,938,023中公开一种液压控制系统。该液压控制系统包括一个用于控制第一传动装置动作的第一分配阀，一个用于控制第二传动装置动作的第二分配阀，一个用于控制送到第一传动装置的流体流量的第一流量控制阀，一个用于控制送到第二传动装置的流体流量的第二流量控制阀。一个为降低送到第二传动装置的流体压力而设置的减压阀。减压阀出口侧的压力通过一个由外部先导压力控制的定比减压阀控制。

4,938,023号专利中讲述的液压控制系统在控制上旋架转速与悬臂上升速度匹配这方面比先有技术的系统有明显优点。然而，很明显，4,938,023号专利留下了某些未解决的缺陷。一个缺陷是：上旋架起动运动过程中，由于回转电动机中的压力波动，使回转电动机侧的减压阀和悬臂液压缸侧的压力补偿阀经常出现压力损失。因此，该液压控制系统不能以有效的和降低能耗比的方式进行其作业。另一个缺陷是需要使用附加阀使上旋架的转速与悬臂上升速度匹配，从而使该液压控制系统制造复杂并且昂贵。

本发明的目的是提供一种用于液压挖掘机的液压控制系统，该液压控制系统能消除先有技术设备中固有的缺陷，此外能够基本上避免或减少液压回路中压力损失，从而降低能耗保证精确地控制回转电动机的转速准确地与操纵杆或操作按扭的摆角成比例。

本发明的另一个目的是提供一种用于液压挖掘机的液压控制系统，该液压控制系统能够在回转电动机和悬臂液压缸联合动作的情况下保持两者间的最佳转速平衡，

从这些目的来看，本发明属于具有一个上旋架和一个悬臂的液压挖掘机的液压控制系统的构造，该液压控制系统包括一个流体储罐；一个与储罐连通用于可调地排放加压工作流体的可调容积式泵；一个借助工作流体旋转地驱动的液压回转电动机，该液压回转电动机使上旋架转动；一个可根据回转电动机进行操纵以控制工作流体流量的第一流量控制阀；一个适合于借助先导流体(pilot fluid)摆动以改变第一流量控制阀位置的操纵杆；一个位于第一流量控制阀下游侧以补偿作用在回转电动机上的流体压力的第一压力补偿阀；一个适合于借助工作流体来伸出和回缩以使悬臂上升的液压缸；一个可根据液压缸进行操纵以控制工作流体流量的第二流量控制阀；一个位于第二流量控制阀下游侧以补偿作用在液压缸上的流体压力的第二压力补偿阀；一个通过负荷传感管路与第一和第二压力补偿阀连通并对负荷传感管路中形成的负荷传感压力敏感的负荷传感阀，该负荷传感阀用于调节工作流体的排放量；和一个位于负荷传感阀和第一压力补偿阀之间的负荷传感管路中路上的回转转矩调节器，该回转转矩调节器根据先导流体的压力选择允许或阻止第一压力补偿阀和负荷传感阀之间的流体连通。

从下面结合附图对本发明的优选实施例所做的详细描述中可以明显地了解本发明上述和其它目的、特征、优点。

图1是根据本发明的液压控制系统的液压回路图；

图2是对图1所示的液压控制系统的一种改进；

图3是提供给回转转矩调节器的先导压力与负荷传感管路中形成的负荷传感压力之间的关系图；

图4是先导压力管路中的先导压力与操纵杆的操纵角度之间的变化关系；

图5是先导压力的压力和数量与提供给电子定比控制减压阀的电流之间的关系图；

图6是负荷传感压力和回转转速相对于加到电子减压阀的电流的变化对时间的关系图；

图7是回转电动机和转臂液压缸中工作流体数量与负荷压力之间的关系图。

参考图1，本发明的液压控制系统具体由一个用于产生高压工作流体的可调容积式泵10和一个产生低压先导流体的辅助泵12组成，两个泵都由一个原动机(prime mover)驱动，为简单起见附图中未画出该原动机。可调容积式泵10通常装有一个隔板14，以根据其倾角改变工作流体的排放量。隔板的倾角由一个负荷传感阀14和一个功率控制阀18控制。应该理解，工作流体排放量的变动与隔板倾角成比例，即倾角越大，可调容积式泵排放的工作流体越多。

泵10排出的工作流体通过一个主输送管路20传送到由液压操作的回转电动机22和液压悬臂液压缸24。回转电动机22用于正向或反向转动挖掘机的上旋架(未画出)并具有第一和第二流体连通孔22a，22b，工作流体通过该孔流入或流出回转电动机22。同时，悬臂液压缸24适用于升高或降低挖掘机的悬臂(未画出)并具有供给工作流体以使悬臂液压缸24伸出和回缩的第一和第二压力室24a，24b。

利用第一流量控制阀28使工作流体进入回转电动机22或允许工作流体从回转电动机22排放到流体储罐26。具体地说，通过下面描述的导向装置控制第一流量控制阀的位置，使工作流体经流体连通孔22a，22b之一进入或禁止进入回转电动机22。从回转电动机22排出的工作流体经主排放管路30送入流体储罐26。

第二流量控制阀32用于控制泵10和悬臂液压缸24之间或悬臂液压缸24和流体储罐26之间工作流体的输送。如同上述第一流量控制阀28，通过导向装置控制第二流量控制阀的位置以实现悬臂液压缸24的伸出和回缩。从悬臂液压缸24排出的工作流体经主排放管路3(送入流体储罐26。

用于控制第一和第二流量控制阀28、32位置的导向装置其中包括：一个第一操纵杆34和一个第二操纵杆36，两个操纵杆能构由驾驶员手动摆动。第一操纵杆34经先导流体输送管路38与辅助泵12连接，并根据其摆角使先导流体通过第一和第二控制管路40、42传送到第一和第二先导压力室44、46两者中的一个。能够注意到导向室44、46设置在第一流量控制阀28的两端。在先导流体应被送到第一导向室44的情况下，第一流量控制阀28将被向左移动。反之，向第二导向室46引入先导流体将使第一流量控制阀28向右移动。

第二操纵杆36也经先导流体输送管路38与辅助泵12连接，并根据其摆角使先导流体通过第三和第四控制管路48、50传送到第三和第四先导压力室52、54两者中的一个。可以看出，第三和第四导向室52、54排列在第二流量控制阀32的两端。向第三导向室52输送先导流体将使第二流量控制阀32向左移动，而先导流体进入第四导向室54将使第二流量控制阀32向右移动。

第一压力补偿阀56位于第一流量控制阀28下游侧用于与其以流体连通，第二压力补偿阀58以同样方式位于第二流量控制阀32下游侧。第一压力补偿阀56经依次通往负荷传感阀16的负荷传感管路60与第二压力补偿阀58以流体连通。当回转电动机22中形成的负荷压力小于悬臂液压缸24中导致的负荷压力时，第一压力补偿阀56将被移动以节流互连第一流量控制阀28和回转电动机22的第一连接管路66，从而减少传送到回转电动机22的工作流体量。如果回转电动机22中的负荷压力大于悬臂液压缸24中的负荷压力，第一压力补偿阀56将使第一连接管路66畅通，允许大量工作流体进入回转电动机22。这样，负荷传感管路60加入与第一连接管路66的流体连通，接收来自回转电动机22的负荷压力。

同样，只要作用在悬臂液压缸24上的负荷压力保持低于回转电动机22的负荷压力，第二压力补偿阀58将继续节流互连第二流量控制阀32和悬臂液压缸24的第二连接管路68，从而减少输送到悬臂液压缸24的工作流体量。反之，如果作用在悬臂液压缸24上的负荷压力增长到大于回转电动机22的负荷压力，第二压力补偿阀58不再节流第二连接管路68，允许大量工作流体传送到悬臂液压缸24。这样，负荷传感管路60加入与第二连接管路68的流体连通，接收来自悬臂液压缸24的负荷压力。

正是上述原因，负荷传感管路60中的负荷传感压力等于作用在回转电动机22上的负荷压力或与悬臂液压缸24有关的负荷压力。无论哪个压力大于另一个压力，通过负荷传感管路60中负荷传感压力和可调容积式泵10之间压差的大小控制前述负荷传感阀16的位置，以便根据作用在回转电动机22或悬臂液压缸24上的负荷压力适当地调节流体排放量。

从图1可以看到，第一压力补偿阀56装配有一个阀体62，VS64可滑动地装配在阀体62中。阀体62具有一个通过第一流量控制阀28通向可调容积式泵12的进口62a，一个经第一流量控制阀28与回转电动机22连接的第一出口62b和有选择地耦合负荷传感管路60的第二出口62c。第一压力补偿阀56的VS64适合于根据作用在VS64一端的泵压与作用在其另一端的负荷传感压力之间的压差表现出第一，第二和第三位置之一。

当VS64处在第一位置时，即如图1所示的最左端的位置，阀体62的进口62a将与第一和第二出口62b，62c分开。以便泵10、回转电动机22和负荷传感管路60之间不存在流体连通。随着VS64处在第二，即中间位置，阀体62的进口62a只与第一出口62b连接，这样，允许工作流体进入回转电动机22。在VS64移到第三，即最右端位置的情况下，进口62a将同时与第一和第二出口62b，62c连接。

本发明的重要特性之一是回转转矩调节器82跨越第一压力补偿阀56的第二出口62c附近的负荷传感管路60设置。回转转矩调节器82用来根据操纵杆34传送的先导压力的大小允许或阻止第一压力补偿阀56和负荷传感阀16之间的流体连通。

为执行上述操作，回转转矩调节器82的构造包括一个可在第一位置和第二位置之间移动的柱塞84，其中在第一位置允许第一压力补偿阀56经负荷传感管路60与负荷传感阀16连通，在第二位置第一压力补偿阀56与负荷传感阀16分开，一个用于向柱塞84一端施加先导压力以推进后者进入图1所示的第一位置的第一柱塞传动装置86，和一个用于将负荷传感压力作用在柱塞84的另一端以将后者偏移到第二位置的第二柱塞调节器88。

第一柱塞传动装置86包括一个导向室90，一个可延伸地装配在导向室90中并具有相对大直径，即受压面积的导向活塞92，和一个通常将导向活塞92偏压向柱塞84的压簧94。另一方面，第二柱塞传动装置88装配有一个与负荷传感管路60保持连通的负荷传感室96和一个通过负荷传感室96可延伸地插入并且其顶端与柱塞84接触的负荷传感活塞98。负荷传感活塞98的直径小于第一柱塞传动装置86导向活塞92的直径，使两个活塞92，、98的受压面积应互不相同。止回阀100与负荷传感管路60相连，与回转转矩调节器82平行，其作用是容许来自负荷传感管路60的负荷传感压力传送到第一压力补偿阀56，特别是当回转转矩调节器82的柱塞84处在第二，即右手位置时应如此。这将使液压悬臂液压缸24能构控制第一压力补偿阀的位置。

第一柱塞传动装置86的导向室90通过一个先导压力管路102和一个换向阀104与第一和第二控制管路40、42耦合，从而能允许压力随操纵杆34的角度变化的先导流体进入导向室90。先导压力管路102有一个接合点，先导排放管路106从该接合点分路将先导压力管路102与主排放管路30连接。沿先导排放管路106某处，设置一个起可改变设定的先导减压作用的电子定比控制减压阀108，在该减压阀处先导压力管路102中的先导流体开始排放到流体储罐26中。电子减压阀108能与电子控制器110向其提供的电流准确对应以改变先导减压。最好，甚至是必须在电子减压阀108和换向阀104之间的先导压力管路102上设置一个小孔112。该小孔在阻止因第一和第二控制管路40、42中先导压力突然下降而另外导致第一流量控制阀28错误位置的控制方面起着关键作用。

转到图2，这是根据本发明的液压控制系统的一种改进。改进的液压控制系统包括一个转换阀114，其位置由电子控制器110控制。更具体地说，如图2所示，转换阀114可在第一位置和第二位置之间移动。其中在第一位置允许通过电子减压阀108的进口将先导流体输送给第一柱塞传动装置86，在第二位置经旁路管路116直接将先导流体提供给第一柱塞传动装置86。应该指出，止回阀118设置在先导压力管路102上，以阻止当转换阀114处在第二位置时先导流体向电子减压阀回流。改进的液压控制系统的其余部件与图1中所示相同，因此这里不需重复说明。

下面将说明该液压控制系统的操作和工作情况。如果操作操纵杆34移动第一流量控制阀28，主输送管路20中的工作流体将经第一流量控制阀28提供给第一压力补偿阀56，使柱塞64从所示的最左边位置移动到中间位置，于是允许工作流体经第一互连管路66进入回转电动机22。

由于回转电动机22中的负荷压力使工作流体的压力变得很大，第一压力补偿阀56的柱塞64逐渐向最右边的位置移动，从而实现了阀体62的第一出口62b和第二出口62c之间的流体连通，保证回转电动机22中的负荷压力经回转转矩调节器82向负荷传感管路60传送。这样在负荷传感管路60中形成的负荷传感压力被引入第二柱塞传动装置88的负荷传感室96使负荷传感活塞98向右移动，造成回转电动机22的负荷压力不再传送到负荷传感管路60。导致负荷传感压力减小并因此降低了可调容积式泵10中流体排放量。

同时，如果先导流体根据操纵杆34的操作经先导压力管路102引入第一柱塞传动装置86的导向室90，导向活塞92延伸使柱塞84向左偏移，从而允许阀体62的第二出口62c与负荷传感管路60之间连通。能够使回转电动机22中的负荷压力传送到负荷传感管路60，增加作用在负荷传感阀16上的负荷传感压力，使可调容积式泵10排放更大量的工作流体。流体排放量的增加使回转电动机22中的负荷压力相应地增加，从而向回转电动机22施加更大的转矩。

通过回转转矩调节器82控制的负荷传感压力LS的数量可以由下面的公式表示： $\mathrm{LS}=\frac{\mathrm{Al}}{\mathrm{As}}\•\mathrm{Pi}+k\•\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{As}}$

其中″As″表示负荷传感活塞98的受压面积，″Al″表示导向活塞92的受压面积，″Pi″表示作用在第一柱塞调节器86的导向活塞92上的先导压力，″k″是CS94的系数，″δ″是CS94的位移。

正如从公式中明显看到的那样，负荷传感压力LS随着并依据负荷压力Pi而改变，其关系在图3中表示。驾驶员操作操纵杆34时，先导流体经换向阀104和负荷压力管路102进入第一柱塞传动装置86的导向室90，这时，如图4中所证实的，先导压力与操纵杆34的角度成比例增加。因此，通过简单地改变操纵杆34的操作角度能够获得所需的先导压力、负荷传感压力和回转负荷压力，即回转转矩。

电子减压阀108用来在先导压力管路102中的先导压力超过其预选的先导减压时将先导流体排放到流体储罐26。如图5所示，由于先导减压与电流强度成反变化，通过增加或降低提供给电子减压阀108的电流能改变先导减压。先导压力的上限和负荷传感压力由先导减压决定。具体地说，电流为0mA时，先导流体以20bar的压力通过电子减压阀108排放，允许一个阀的负荷传感压力达到280bar。如果电流增加到例如300mA，先导流体开始以10bar的压力排放，从而限定负荷传感压力低于160bar。此外，如果在电流为0mA时将回转电动机减压阀78、80的减压设定成为一个大于最大负荷传感压力的值，即使操纵杆34工作在最大角度也能避免回转电动机减压阀78、80中的压力损失。

回转电动机22和悬臂液压缸联合动作过程中，例如，如果设定提供给电子减压阀108的电流为0mA，如图1所示，回转负荷压力将增加到280bar，使回转电动机产生更大回转转矩和转速。相反，当电流保持在300mA时，最大回转负荷压力将被限制在160bar，降低回转电动机22的转速。正如从图7中所见到的，回转电动机22转速的下降使悬臂液压缸24转速上升，因而使两者相互间的转速大致相等，帮助保持悬臂上升速度和上旋架回转转速的最佳平衡。另外，当回转负荷压力非常高时能避免第二压力补偿阀58中发生压力损失。

在回转电动机22单独动作而悬臂液压缸24静止的情况下，转换阀114应向图2中的左侧移动，以使先导流体能被直接引入第一柱塞传动装置86的导向室90而不可能在电子减压阀108中排放。因此，回转负荷压力能达到由减压阀78、80设定的减压，使回转电动机和上旋架增加到最大转速。

虽然本发明是通过参考一个优选实施例来描述的，很明显，本领域技术人员在不脱离由权利要求限定的本发明的实质和范围的情况下可以做出许多变化和改进。

Claims (8)

1.一种用于具有一个上旋架和一个悬臂的液压挖掘机的液压控制系统，该液压控制系统包括一个流体储罐；一个与储罐连通用于可调地排放加压工作流体的可调容积式泵；一个借助工作流体旋转地驱动的液压回转电动机，该液压回转电动机使上旋架转动；一个可根据回转电动机进行操纵以控制工作流体流量的第一流量控制阀；一个适合于借助先导流体摆动以改变第一流量控制阀位置的操纵杆；一个位于第一流量控制阀下游侧以补偿作用在回转电动机上的流体压力的第一压力补偿阀；一个适合于借助工作流体来伸出和回缩以使悬臂上升的液压缸；一个可根据液压缸进行操纵以控制工作流体流量的第二流量控制阀；一个位于第二流量控制阀下游侧以补偿作用在液压缸上的流体压力的第二压力补偿阀；一个通过负荷传感管路与第一和第二压力补偿阀连通并对负荷传感管路中形成的负荷传感压力敏感的负荷传感阀，该负荷传感阀用于调节工作流体的排放量；和一个位于处在负荷传感阀和第一压力补偿阀之间的负荷传感管路中间的回转转矩调节器，该回转转矩调节器根据先导流体的压力选择允许或阻止第一压力补偿阀和负荷传感阀之间的流体连通。

2.根据权利要求1所述的液压控制系统，其特征在于回转转矩调节器包括一个可在第一位置和第二位置之间移动的柱塞，其中在第一位置允许第一压力补偿阀经负荷传感管路与负荷传感阀连通，在第二位置第一压力补偿阀与负荷传感阀分开，一个用于向柱塞一端施加先导压力以推进柱塞进入第一位置的第一柱塞传动装置，和一个用于将负荷传感压力施加在柱塞另一端以将柱塞偏移到第二位置的第二柱塞调节器。

3.根据权利要求2所述的液压控制系统，其特征在于还包括一个与负荷传感管路相连并与回转转矩调节器平行的止回阀，当回转转矩调节器的柱塞处在第二位置时允许负荷传感压力从负荷传感管路传送到第一压力补偿阀。

4.根据权利要求3所述的液压控制系统，其特征在于操纵杆经第一和第二控制管路与第一流量控制阀连接以使先导流体能被输送到第一流量控制阀相对的两端，其中第一柱塞传动装置经一个先导压力管路和一个换向阀与第一和第二控制管路以流体连通。

5.根据权利要求4所述的液压控制系统，其特征在于先导压力管路通过一条从该先导压力管路分出的先导排放管路与储罐耦合，还包括一个与先导排放管路相连的电子定比控制减压阀，用于在先导流体开始从先导压力管路排放时可改变地设定先导减压。

6.根据权利要求5所述的液压控制系统，其特征在于先导压力管路带有一个小孔，该小孔位于电子减压阀和换向阀之间，当电子减压阀打开时用于阻止第一和第二控制管路中流体压力突然下降。

7.根据权利要求5所述的液压控制系统，其特征在于还包括一个转换阀，该转换阀可在第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置允许通过电子减压阀的进口将先导流体输送给第一柱塞传动装置，在第二位置经旁路管路直接将先导流体提供给第一柱塞传动装置。

8.根据权利要求7所述的液压控制系统，其特征在于还包括一个设置在先导压力管路上的止回阀，当转换阀处在第二位置时阻止先导流体向电子减压阀回流。

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