CN113175450A - 一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统 - Google Patents

一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统 Download PDF

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CN113175450A CN202110530288.3A CN202110530288A CN113175450A CN 113175450 A CN113175450 A CN 113175450A CN 202110530288 A CN202110530288 A CN 202110530288A CN 113175450 A CN113175450 A CN 113175450A
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吴瑕
缪骋
任好玲
付胜杰
李钟慎
陈其怀
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Abstract

本发明公开了一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，非对称油缸采用了一个基于电动/发电机变转速和第一泵/马达、第二泵/马达变排量复合控制的闭式电液控制系统；通过改变泵/马达排量和电动/发电机的转速来调节油缸的速度，实现无节流损耗；采用了一个由蓄能器、电磁换向阀、第二泵/马达组成的非对称油缸的两腔流量差的高压侧补油单元，解决了非对称液压缸两腔流量不对称问题，同时扩大了蓄能器的工作压力范围。机械臂的势能既可以通过第一泵/马达工作在马达模式驱动电动/发电机工作在发电模式，并通过电机控制器把势能转换成电能储存在电池中；也可以通过第二泵马达工作在泵模式对蓄能器充油，把势能转换成液压能储存在蓄能器中。

Description

一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统
技术领域
本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其是涉及一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统。
背景技术
随着世界范围内能源短缺和环境污染问题的日趋严重，研究工程机械的节能问题具有重要的现实意义。发动机效率低和液压系统效率低是工程机械效率低下的主要原因。混合动力技术和电驱动技术均被认为是工程机械最为理想的驱动方式之一。
工程机械在工作过程中，存在大量的负值负载，比如机械臂下降。传统工程机械由于不具备储能单元，为了防止负值负载的失控，一般在负值负载一侧增加单向节流阀，因此大量的势能或制动动能消耗在节流口上。混合动力技术利用辅助电动机的“削峰填谷”作用，可以有效地改善发动机的工作状况，提高发动机的燃油效率，混合动力系统和纯电驱动系统的动力系统已经具备电池，为能量回收提供了一条新的途径。
目前的混合动力或纯电驱动工程机械主要改变动力系统，而原有的液压系统几乎没有改变，主要还是采用泵-基于集成式的多路阀-多执行器的阀控液压系统，这就造成了液压系统的效率仍然较低。并且，传统低压侧补油系统中蓄能器压力范围较窄导致的蓄能器额定体积较大。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一套针对非对称油缸的新型闭式电液控制系统，克服传统液压驱动系统中液压系统效率低的不足之处，并且克服了传统低压侧补油系统中蓄能器压力范围较窄导致的蓄能器额定体积较大的不足之处。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，包括：电池、电机控制器、电动/发电机、第一泵/马达、蓄能器、第一电磁换向阀、第二泵/马达、第一单向阀、第二单向阀、补油溢流阀、第三单向阀、第四单向阀、安全阀、第二电磁换向阀、低压溢流阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、油缸、机械臂和油箱；
所述电池与电机控制器、电动/发电机电气连接，电动/发电机、第一泵/马达、第二泵/马达机械臂相联；第一泵/马达的A口接第三电磁换向阀的P口，第三电磁换向阀的A口与油缸的有杆腔相连；B口接第四电磁换向阀的P口，第四电磁换向阀的A口与油缸无杆腔相连；第二泵/马达的A口分为三路：第一路与第一电磁换向阀的P口相连，第一电磁换向阀的A口接蓄能器，第二路与第二单向阀的出油口相连，第二单向阀的进油口与油箱相连，第三路与补油溢流阀的进油口相连，补油溢流阀的出口与油箱相连；第二泵/马达的B口分为两路，第一路与第四电磁换向阀的P口相连，第二路与第一单向阀的进油口相连，第一单向阀的出油口接油箱；
安全阀的进油口分为两路：第一路接第三单向阀的出油口，第三单向阀的进油口接第三电磁换向阀的P口，第二路接第四单向阀的出油口，第四单向阀的进油口与第四电磁换向阀的P口相连；安全阀的出油口接油箱。第二电磁换向阀的A口与低压溢流阀的进油口相连，低压溢流阀的出油口接油箱，第二电磁换向阀的P口接第三电磁换向阀的P口，第二电磁换向阀的P1口接第三电磁换向阀的P口；油缸与机械臂机械相连。
在一较佳实施例中：通过调节电动/发电机的转速和第一泵/马达和第二泵/马达的排量来调节油缸和机械臂的速度。
在一较佳实施例中：所述第二泵/马达的排量由油缸的两腔流量差除以电动/发电机的实际转速来设定；第一泵/马达的排量由油缸的有杆腔流量除以电动/发电机3的实际转速来设定。
在一较佳实施例中：所述机械臂的势能通过第一泵/马达工作在马达模式以驱动电动/发电机工作在发电模式，并通过电机控制器把势能转换成电能储存在电池中。
在一较佳实施例中：所述机械臂的势能通过第二泵马达工作在泵模式对蓄能器充油，把势能转换成液压能储存在蓄能器中。
在一较佳实施例中：所述蓄能器、电磁换向阀、第二泵/马达组成了非对称油缸的两腔流量差的高压侧补油单元。
在一较佳实施例中：当机械臂上升时，第三电磁换向阀和第四电磁换向阀得电，电池输出电能通过电机控制给电动/发电机，电动/发电机工作在电动模式驱动第一泵/马达，第一泵/马达工作在泵模式，B口为出油口，为油缸无杆腔供油。
在一较佳实施例中：当蓄能器的压力高于其最小工作压力时，第一电磁换向阀得电，蓄能器储存的液压油可以释放出来，通过第二泵/马达释放到B口共同为机械臂油缸无杆腔供油；当蓄能器的压力低于其最小工作压力时，第一电磁换向阀不得电，油箱的液压油通过第二单向阀和第二泵/马达释放到B口共同为机械臂油缸无杆腔供油；第二泵/马达的排量由油缸两腔的流量差除以电动/发电机的转速来设定。
在一较佳实施例中：当机械臂下降时，第三电磁换向阀和第四电磁换向阀得电，油缸无杆腔的液压油通过第四电磁换向阀，驱动第一泵/马达和第二泵/马达，使其工作在马达模式，第二泵/马达通过第一电磁换向阀将油液回充到蓄能器中将机械臂势能转换成液压能储存在蓄能器中；第一泵/马达驱动电动/发电机工作在发电机模式，机械臂的势能转换为电能，经过电机控制器处理之后，存储到电池中，完成对机械臂势能液压、电气的复合式能量回收。
在一较佳实施例中：所述第一溢流阀的设定压力为蓄能器的最高压力，当第二泵/马达向蓄能器充油的过程中，蓄能器的压力达到其最高工作压力时多余的油液从第一溢流阀中溢流回油箱；当蓄能器的压力低于其最小工作压力时，第一电磁换向阀不得电，第二泵/马达通过第二单向阀从油箱中吸油。
在一较佳实施例中：第二电磁换向阀与溢流阀组成油液冷却单元，当油温升高时，第二电磁换向阀得电，回路中的高温油液通过低压溢流阀流入到油箱中冷却，以及控制低压侧的压力。
本发明与背景技术相比，具有有益的效果是：
1、本发明提供了一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，将电动/发电机应用于工程机械的非对称油缸的闭式驱动系统，通过调节电动/发电机的转速和第一泵/马达和第二泵/马达的排量来调节油缸和机械臂的速度，实现了容积式调速，提高了液压系统能量利用率。
2、本发明提供了一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，机械臂的势能既可以通过第一泵/马达工作在马达模式驱动电动/发电机工作在发电模式，并通过电机控制器把势能转换成电能储存在电池中；也可以通过第二泵马达7工作在泵模式对蓄能器充油，把势能转换成液压能储存在蓄能器中。
3、本发明提供了一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，采用了一个由蓄能器、电磁换向阀、第二泵/马达组成的非对称油缸的两腔流量差的高压侧补油单元，解决了非对称液压缸两腔流量不对称问题，同时扩大了蓄能器的工作压力范围，克服了传统非对称油缸闭式驱动系统低压侧补油导致蓄能器工作压力范围较小导致的蓄能器的额定体积较大的不足之处。
附图说明
图1是本发明之较佳实施例的整体结构框图。
附图标识说明：
1、电池 2、电机控制器
3、电动/发动机 4、第一泵/马达
5、蓄能器 6、第一电磁换向阀
7、第二泵/马达 8、第一单向阀
9、第二单向阀 10、第一溢流阀
11、第三单向阀 12、第四单向阀
13、第二溢流阀 14、第二电磁换向阀
15、第三溢流阀 16、第三电磁换向阀
17、第四电磁换向阀 18、油缸
19、机械臂 20、油箱
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，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。
请参照附图所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括电池1、电机控制器2、电动/发电机3、第一泵/马达4、蓄能器5、第一电磁换向阀6、第二泵/马达7、第一单向阀8、第二单向阀9、补油溢流阀10、第三单向阀11、第四单向阀12、安全阀13、第二电磁换向阀14、低压溢流阀15、第三电磁换向阀16、第四电磁换向阀17、油缸18、机械臂19和油箱20。
其相互连接关系如下：
电池1与电机控制器2、电动/发电机3电气连接，电动/发电机3、第一泵/马达4、第二泵/马达7机械臂相联；第一泵/马达4的A口接第三电磁换向阀16的P口，第三电磁换向阀16的A口与油缸18的有杆腔相连；B口接第四电磁换向阀17的P口，第四电磁换向阀17的A口与油缸18无杆腔相连；第二泵/马达7的A口分为三路：第一路与第一电磁换向阀6的P口相连，第一电磁换向阀6的A口接蓄能器5，第二路与第二单向阀9的出油口相连，第二单向阀9的进油口与油箱相连，第三路与补油溢流阀10的进油口相连，补油溢流阀10的出口与油箱相连；第二泵/马达7的B口分为两路，第一路与第四电磁换向阀17的P口相连，第二路与第一单向阀8的进油口相连，第一单向阀8的出油口接油箱20；安全阀13的进油口分为两路：第一路接第三单向阀11的出油口，第三单向阀11的进油口接第三电磁换向阀16的P口，第二路接第四单向阀12的出油口，第四单向阀12的进油口与第四电磁换向阀17的P口相连；安全阀13的出油口接油箱20。第二电磁换向阀14的A口与低压溢流阀15的进油口相连，低压溢流阀15的出油口接油箱20，第二电磁换向阀14的P口接第三电磁换向阀16的P口，第二电磁换向阀14的P1口接第三电磁换向阀17的P口；油缸18与机械臂19机械相连。
系统的工作原理如下：
1.当机械臂19上升时，第三电磁换向阀16和第四电磁换向阀17得电，电池1输出电能通过电机控制2给电动/发电机3，电动/发电机3工作在电动模式驱动第一泵/马达4，第一泵/马达4工作在泵模式，B口为出油口，为油缸无杆腔供油。当蓄能器5的压力高于其最小工作压力时，第一电磁换向阀6得电，蓄能器5储存的液压油可以释放出来，通过第二泵/马达7释放到B口共同为机械臂19油缸无杆腔供油；当蓄能器5的压力低于其最小工作压力时，第一电磁换向阀6不得电，油箱20的液压油通过第二单向阀9和第二泵/马达7释放到B口共同为机械臂19油缸无杆腔供油；第二泵/马达7的排量由油缸18两腔的流量差除以电动/发电机3的转速来设定。
2.当机械臂19下降时，第三电磁换向阀16和第四电磁换向阀17得电，油缸18无杆腔的液压油通过第四电磁换向阀17，驱动第一泵/马达4和第二泵/马达7，使其工作在马达模式，第二泵/马达7通过第一电磁换向阀6将油液回充到蓄能器5中将机械臂19势能转换成液压能储存在蓄能器5中；第一泵/马达4驱动电动/发电机3工作在发电机模式，机械臂19的势能转换为电能，经过电机控制器2处理之后，存储到电池1中，完成对机械臂19势能液压、电气的复合式能量回收；
3.机械臂19上升和下降的速度通过调节电动/发电机3和第一泵/马达4、第二泵/马达7的排量；其中第二泵/马达7的排量由油缸18的两腔流量差除以电动/发电机3的实际转速来设定；第一泵/马达4的排量由油缸18的有杆腔流量除以电动/发电机3的实际转速来设定。电动/发电机3的目标转速按油缸18的无杆腔流量除以第一泵/马达4和第二泵/马达7的最大排量之和来设定，尽可能保证第一泵/马达4和第二泵/马达7工作在高排量高效区域。
4.第一溢流阀10的设定压力为蓄能器5的最高压力，当第二泵/马达7向蓄能器5充油的过程中，蓄能器5的压力达到其最高工作压力时多余的油液从第一溢流阀10中溢流回油箱20；当蓄能器5的压力低于其最小工作压力时，第一电磁换向阀6不得电，第二泵/马达7可通过第二单向阀9从油箱20中吸油。
5.当整个系统油压过高时，可通过第三单向阀11和第四单向阀12，经安全阀13进行卸荷。
6.当第二电磁换向阀14与溢流阀15组成油液冷却单元，当油温升高时，第二电磁换向阀14得电，回路中的高温油液通过低压溢流阀15流入到油箱中冷却，以及控制低压侧的压力。
综上所述，本发明的设计重点在于：
一、将电动/发电机3应用于工程机械的非对称油缸18的闭式驱动系统，通过调节电动/发电机3的转速和第一泵/马达4和第二泵/马达7的排量来调节油缸18和机械臂19的速度，实现了容积式调速，提高了液压系统能量利用率。
二、机械臂19的势能既可以通过第一泵/马达4工作在马达模式驱动驱动电动/发电机3工作在发电模式，并通过电机控制器2把势能转换成电能储存在电池1中；也可以通过第二泵马达7工作在泵模式对蓄能器5充油，把势能转换成液压能储存在蓄能器5中。
三、采用了一个由蓄能器5、电磁换向阀6、第二泵/马达7组成的非对称油缸18的两腔流量差的高压侧补油单元，解决了非对称液压缸两腔流量不对称问题，同时扩大了蓄能器8的工作压力范围，克服了传统非对称油缸闭式驱动系统低压侧补油导致蓄能器工作压力范围较小导致的蓄能器的额定体积较大的不足之处。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于包括：电池(1)、电机控制器(2)、电动/发电机(3)、第一泵/马达(4)、蓄能器(5)、第一电磁换向阀(6)、第二泵/马达(7)、第一单向阀(8)、第二单向阀(9)、补油溢流阀(10)、第三单向阀(11)、第四单向阀(12)、安全阀(13)、第二电磁换向阀(14)、低压溢流阀(15)、第三电磁换向阀(16)、第四电磁换向阀(17)、油缸(18)、机械臂(19)和油箱(20)；
所述电池(1)与电机控制器(2)、电动/发电机(3)电气连接，电动/发电机(3)、第一泵/马达(4)、第二泵/马达(7)机械臂相联；第一泵/马达(4)的A口接第三电磁换向阀(16)的P口，第三电磁换向阀(16)的A口与油缸(18)的有杆腔相连；B口接第四电磁换向阀(17)的P口，第四电磁换向阀(17)的A口与油缸(18)无杆腔相连；第二泵/马达(7)的A口分为三路：第一路与第一电磁换向阀(6)的P口相连，第一电磁换向阀(6)的A口接蓄能器(5)，第二路与第二单向阀(9)的出油口相连，第二单向阀(9)的进油口与油箱相连，第三路与补油溢流阀(10)的进油口相连，补油溢流阀(10)的出口与油箱相连；第二泵/马达(7)的B口分为两路，第一路与第四电磁换向阀(17)的P口相连，第二路与第一单向阀(8)的进油口相连，第一单向阀(8)的出油口接油箱(20)；
安全阀(13)的进油口分为两路：第一路接第三单向阀(11)的出油口，第三单向阀(11)的进油口接第三电磁换向阀(16)的P口，第二路接第四单向阀(12)的出油口，第四单向阀(12)的进油口与第四电磁换向阀(17)的P口相连；安全阀(13)的出油口接油箱(20)；第二电磁换向阀(14)的A口与低压溢流阀(15)的进油口相连，低压溢流阀(15)的出油口接油箱(20)，第二电磁换向阀(14)的P口接第三电磁换向阀(16)的P口，第二电磁换向阀(14)的P1口接第三电磁换向阀(17)的P口；油缸(18)与机械臂(19)机械相连。
2.根据权利要求1所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：通过调节电动/发电机(3)的转速和第一泵/马达(4)和第二泵/马达(7)的排量来调节油缸(18)和机械臂(19)的速度。
3.根据权利要求2所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：所述第二泵/马达(7)的排量由油缸(18)的两腔流量差除以电动/发电机(3)的实际转速来设定；第一泵/马达(4)的排量由油缸(18)的有杆腔流量除以电动/发电机(3)的实际转速来设定。
4.根据权利要求1所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：所述机械臂(19)的势能通过第一泵/马达(4)工作在马达模式以驱动电动/发电机(3)工作在发电模式，并通过电机控制器(2)把势能转换成电能储存在电池(1)中。
5.根据权利要求1所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：所述机械臂(19)的势能通过第二泵马达(7)工作在泵模式对蓄能器(5)充油，把势能转换成液压能储存在蓄能器(5)中。
6.根据权利要求1所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：所述蓄能器(5)、电磁换向阀(6)、第二泵/马达(7)组成了非对称油缸(18)的两腔流量差的高压侧补油单元。
7.根据权利要求1所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：当机械臂(19)上升时，第三电磁换向阀(16)和第四电磁换向阀(17)得电，电池(1)输出电能通过电机控制(2)给电动/发电机(3)，电动/发电机(3)工作在电动模式驱动第一泵/马达(4)，第一泵/马达(4)工作在泵模式，B口为出油口，为油缸无杆腔供油。
8.根据权利要求7所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：当蓄能器(5)的压力高于其最小工作压力时，第一电磁换向阀(6)得电，蓄能器(5)储存的液压油可以释放出来，通过第二泵/马达(7)释放到B口共同为机械臂(19)油缸无杆腔供油；当蓄能器(5)的压力低于其最小工作压力时，第一电磁换向阀(6)不得电，油箱(20)的液压油通过第二单向阀(9)和第二泵/马达(7)释放到B口共同为机械臂(19)油缸无杆腔供油；第二泵/马达(7)的排量由油缸(18)两腔的流量差除以电动/发电机(3)的转速来设定。
9.根据权利要求1所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：当机械臂(19)下降时，第三电磁换向阀(16)和第四电磁换向阀(17)得电，油缸(18)无杆腔的液压油通过第四电磁换向阀(17)，驱动第一泵/马达(4)和第二泵/马达(7)，使其工作在马达模式，第二泵/马达(7)通过第一电磁换向阀(6)将油液回充到蓄能器(5)中将机械臂(19)势能转换成液压能储存在蓄能器(5)中；第一泵/马达(4)驱动电动/发电机(3)工作在发电机模式，机械臂(19)的势能转换为电能，经过电机控制器(2)处理之后，存储到电池(1)中，完成对机械臂(19)势能液压、电气的复合式能量回收。
10.根据权利要求1所述的一种非对称缸的机械臂闭式电液控制系统，其特征在于：所述第一溢流阀(10)的设定压力为蓄能器(5)的最高压力，当第二泵/马达(7)向蓄能器(5)充油的过程中，蓄能器(5)的压力达到其最高工作压力时多余的油液从第一溢流阀(10)中溢流回油箱(20)；当蓄能器(5)的压力低于其最小工作压力时，第一电磁换向阀(6)不得电，第二泵/马达(7)通过第二单向阀(9)从油箱(20)中吸油。
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