CN1190601C - 用于六通型多路阀控制的负荷传感液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于六通型多路阀的负荷传感液压系统。使用排量可控制的变量泵、六通型多路阀，能控制多个液压负载，在多路阀的工作油口上设置有压力检测口，能检测系统最高负载压力，而且在六通多路阀的旁通回油路上，六通多路阀组和液压油箱之间，设置有流量检测装置，能检测流经六通多路阀旁通油路后回油箱的液压油流量。由于在旁路回油路上设置了流量检测元件，因此可以将旁路节流损失控制在很小的值；又因为系统中检测了负载压力，所以能做到对液压泵的输出压力进行控制，有效地减少了旁路节流损失并实现了“压力适应”控制，使系统在运行时能更好地适应负载变化，进一步降低了功率损失，提高了可靠性。

Description

用于六通型多路阀的负荷传感液压系统

技术领域

本发明涉及液压泵、泵送装置或系统的控制，是一种用于六通型多路阀控制的负荷传感液压系统。

背景技术

在大部分液压驱动的机械设备如液压挖掘机、起重机中，其液压回路中至少包括一只液压泵和一只多路阀。其中，液压泵提供驱动机械设备的压力油，多路阀位于液压泵和执行机构之间，用来控制液压油流量大小和流动方向，从而控制执行机构的运动方向和速度。

根据液压系统中所采用的液压泵排量是否可变，可以将这种“泵—阀—执行机构”模式的液压系统分为定量系统和变量系统。无论是定量系统还是变量系统，其内部均不可避免地存在多种形式的功率损失，如节流损失、溢流损失、泄漏损失等。其中，节流损失和泄漏损失在工作中占功率损失的大部分。由于这些功率损失的存在，使液压系统系统严重发热，不但浪费了能源，造成环境污染，而且严重影响整机的可靠性。

变量液压系统由于能更好地适应机械设备在工作时的负载功率需求，比定量液压系统效率要高，节能性较好，所以现代的大功率液压机械设备大部分采用变量液压系统，能有效地消除上述的各种液压功率损失。根据对变量泵的控制策略，变量系统又可分为恒功率系统、负流量控制系统、流量需求控制系统和负荷传感控制系统。在这些系统中，恒功率系统、负流量控制系统和流量需求控制系统多采用三位六通型多路阀，而负荷传感控制系统多采用三位四通(不包括负荷传感孔)型多路阀。在这些系统中所采用的阀控策略，其目的就是为了减少或消除上面提到的各种节流损失、泄漏损失和溢流损失等。

在恒功率系统中，液压泵在各种负载条件下都能充分利用发动机功率，又不会使发动机过载，在工程机械中得到了广泛应用。在同等工作能力的液压驱动机械设备上，与定量系统相比，恒功率系统可以采用额定功率较小的发动机。在驱动装置工作点相同的条件下，恒功率系统也比定量系统效率高，体现出一定的节能性。在恒功率系统中，采用恒功率液压泵和三位六通型多路阀，液压泵的工作点(压力和排量)位于恒功率曲线上，泵排量随负载压力的升高而减小。多路阀阀心在中位时，系统自然处于卸荷状态；工作时依靠旁路节流作用提高泵输出压力，从而能克服阻力进行工作。这种系统的优点是结构简单，多路阀制造工艺成熟，不需额外的卸荷回路，能充分利用发动机功率。其主要缺点是旁路节流损失较大，在系统压力不足以克服负载阻力时，发动机的全部功率都消耗在液压系统的发热上。

在流量需求控制系统中，采用了正流量控制泵和六通型多路阀，泵的排量正比于多路阀的阀心位移。其优点是泵输出流量受多路阀先导操纵压力的控制，在一定程度上减少了旁路节流损失，但没有从根本上解决这一问题，在某些工况条件下损失仍然较大。无论何种系统，只要采用六通型多路阀，除非采取某种措施，否则就不可避免地产生旁路节流损失，在系统长时间工作时，这种损失是相当大的。负流量控制就是减小这一损失的一种有效途径。

在负流量控制系统中，采用了负流量控制泵和六通型多路阀，泵上所加的先导控制压力越高，排量越小。在这种系统中，由于在多路阀的旁路回油通路(即卸荷通路)上安装了流量检测元件，因此可以通过某种泵排量控制策略，将旁路回油流量控制在较小的值。由于产生旁路节流损失的液压油要通过旁路回油路回油箱，因此在控制旁路回油流量的同时，也就抑制住了旁路节流损失，从根本上解决了问题。从本质上看，负流量控制是利用安装在旁路回油路上的流量检测元件，将旁路回油流量控制在较小值，是一种恒流量控制。为达到这一目的，通常的做法利用流量检测元件，将流量信号转变为压力信号(此压力代表了旁路回油流量)，并控制这一压力信号为定值。不论采用何种流量检测元件，这种控制带来的一个直接后果是流量检测元件前的入口压力为定值，而且在阀心处于中位的情况下，这一压力就等于泵的输出压力。为了能比较容易地克服负载压力，以提高工作的平稳性，这一压力需要设定在较高的值，从而加重了系统在不工作时的负担，也加大了泄漏损失，使液压泵长期处在高压工作状态下。

在负荷传感液压系统中，采用的是负荷传感泵和四通型多路阀。由于采用了四通型多路阀，没有旁路回油通路，彻底消除了旁路回油节流损失。不但如此，在负荷传感控制策略下，泵输出压力始终比最大负载压力高出一个很小的固定值，使泵输出压力始终与最高负载压力相适应。在负荷传感控制下，执行机构的工作速度也能够较好地得到控制。因此，负荷传感控制可以总结为“压力适应(负载)，流量可控”。无论从节能性还是操纵性上，负荷传感液压系统都有较好的性能。其缺点是多路阀、负荷传感泵的结构复杂，成本高，限制了它的普及。

综上所述，在现有的液压系统节能控制方式中，有的结构复杂，成本较高，如负荷传感控制系统；有的不能有效消除旁路节流损失，如恒功率系统和流量需求控制系统；负流量控制系统虽然较好地消除了旁路回油损失，而且能较好地控制执行机构的工作速度，但缺乏像负荷传感控制那样的压力适应控制功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于六通型多路阀的负荷传感液压系统，在六通型多路阀的工作油口设置压力检测口，旁路回油路上设置流量检测元件，降低旁路节流损失并实现压力适应控制。

本发明使用排量可控制的变量泵和六通型多路阀，能控制多个液压负载，在多路阀的工作油口上设置有压力检测口，能检测系统最高负载压力，而且在六通多路阀的旁通回油路上，在六通多路阀组和液压油箱之间，设置有流量检测装置，能检测流经六通多路阀旁通油路后回油箱的液压油流量。能控制位于旁通油路上的流量检测装置的入口压力，使之始终比系统最高负载压力高出一个小的固定值，并且当流量检测装置的入口压力达到泵控制器中设定的某一极限值后，泵控制器就控制流量检测装置的入口压力维持在这一极限值。

本发明采用的技术方案如下：

在液压泵的输出口分成两路，一路通过两个负载保持单向阀分别进入一级多路阀、二级多路阀的P口，两多路阀的A口和B口分别与两个液压缸的无杆倥和有杆腔相连，两多路阀的T口与油箱相连，一级多路阀的Q口与二级多路阀的O口相连，二级多路阀的Q口通过液压管路与流量检测元件的入口相联，而流量检测元件的出口则与油箱相连，同时通过压力信号通路与泵控制器相连，连接两个液压缸的有杆腔和无杆腔的液压管上各自与第一个梭阀、第二个梭阀的两个输入口连接，两梭阀的输出口与第三个梭阀的两个输入口相连，第三个梭阀的输出通过压力信号管路与泵控制器相连，泵控制器的输出通过压力信号通路与液压泵的先导压力输入口相连。泵控制器为PI控制器，包括一个比例运算单元和一个积分运算单元。所说泵控制器，包括电子泵控制器、第一压力传感器和第二压力传感器、电液比例减压阀；电子泵控制器的输出与电液比例减压阀的电流输入端相连，而电液比例减压阀的压力输出端与液压泵的先导压力输入端相连。

所说泵控制器，包括微处理器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、第三D/A转换器、V/I转换器；第一A/D转换器、第二A/D转换器的一端分别接第一压力传感器和第二压力传感器，另一端接微处理器，微处理器经第三D/A转换器、V/I转换器接电液比例减压阀。

为在消除旁路节流损失的同时做到液压泵的“压力适应”控制，在六通多路阀的工作油口处设置压力检测口，检测各工作装置的负载压力；设置最大压力检测网络，并联接到上面所说的压力检测口，将各工作装置中的最高负载压力检测出来；在六通多路阀组和液压油箱之间的旁路回油路上设置流量检测元件(通常是用节流孔)，将流量信号转化为压力信号。在这种结构的基础上，首先选出各工作装置中最大的负载压力值作为参考值，并在这一参考压力值的基础上再加上一个很小的固定值(为的是能可靠地克服负载压力)，将相加后的和作为目标值。第二步是检测旁路回油流量检测元件入口处的压力值，并通过对液压泵排量的控制，使这一压力值能跟随目标值的变化而变化。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

由于在旁路回油路上设置了流量检测元件，因此可以将旁路节流损失控制在很小的值；又因为系统中检测了负载压力，所以能做到对液压泵的输出压力进行控制，因而在六通多路阀液压系统中有效地实现了减少旁路节流损失和“压力适应”控制的有机结合，使液压系统在运行时能更好地适应负载变化的要求，不但大大降低了功率损失，而且显著降低了泄漏损失，降低了能源消耗，有利于环境保护。同时，系统的工作强度也有所降低，提高了可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是将六通多路阀简化为三个联动的可变节流阀后所表示的负流量负荷传感原理图；

图3是泵控制器的结构框图；

图4是图3中的泵控制器中的PI控制器的结构框图；

图5是采用计算机控制技术和电液比例控制技术实施本发明的原理图；

图6是用电子技术实现泵控制器的结构框图；

图7是正控制液压泵的特性图；

图8是负控制液压泵的特性图；

图9采用固定节流口作为流量检测元件时，通过的流量与压力之间的关系曲线图(假设流量检测元件的出口直接通液压油箱)。

图中，1.变量液压泵，1A.液压系统，2.液压缸，2A.液压缸，3.多路阀，3A.多路阀，3b.多路阀操纵手柄，3a.多路阀操纵手柄，3c.多路阀工作油口1，3d.多路阀工作油口2，3e.多路阀旁路回油口(或称为多路阀旁通油口)，3f.多路阀阀芯，4.旁路回油流量检测元件，5.系统旁路回油通路(或称为旁通油路)，6.压力信号通路，7.最高负载压力信号通路，8.泵控制器，8A.PI控制器，8B.比例运算单元，8C.积分运算单元，8D饱和环节，8E.电子泵控制器，8a.微处理器，8b.A/D转换器，8c.A/D转换器，8d D/A转换器，8e电压/电流(V/I)转换器，9.油箱，10.梭阀，10A.梭阀，10B.梭阀，11.负载保持单向阀，11A.负载保持单向阀，12.液压泵先导控制压力信号通路，13.压力传感器，13A.压力传感器，14.电液比例减压阀。

具体实施方式

在图1中，液压泵1的输出口一方面与负载保持单向阀11和11A的输入相连，同时也与的一级多路阀的O口相连。这样，液压泵输出的液压油分成了两部分，一部分通过负载保持单向阀11和11A进入多路阀的P口。多路阀的A口和B口分别与液压缸的无杆腔和有杆腔相连，T口则与油箱相连。根据多路阀阀心所处的位置，P口压力油从A口或B口输出，进入液压缸，进而驱动液压缸2和2A；而从液压缸流出的液压油则从多路阀的T口流出回油箱。一级多路阀3的Q口与二级多路阀3A的O口相连，二级多路阀3A的Q口通过液压管路5与流量检测元件4的入口相联，而流量检测元件4的出口则与油箱9相连。因此，液压泵输出的另一部分压力油则输入到第一级多路阀11的O口，然后从Q口输出，进入二级多路阀11A的O口，然后又从二级多路阀11A的Q口输出，通过旁通油路5和流量检测元件4回到液压油箱9。因为流量检测元件4的入口同时也通过压力信号管路6与泵控制器8相联，因此在流量检测元件4入口处的压力P_o通过压力信号通路6送到泵控制器8。联接液压缸的有杆腔和无杆腔的液压管上同时也各自与一个梭阀的两个输入口联接，以便使梭阀输出液压缸的最高压力。如梭阀10输出液压缸2的最高压力；梭阀10B输出液压缸2A的最高压力。梭阀10和10B的输出又与第三个梭阀10A的两个输入相联接，从而使梭阀10A输出两个输入压力中较高的一个压力。这样，最高负载压力P_max就可以通过由梭阀10、10B和10A组成的梭阀组检测出来，由梭阀10A输出。梭阀10A的输出通过压力信号管路7与泵控制器8相联。泵控制器8的输出通过压力信号通路12与液压泵1的先导压力输入口相联。因此，泵控制器8在负流量负荷传感控制策略下产生控制压力P_c，并通过压力信号通路12送到泵的先导压力输入口，用来控制泵排量的变化。

图1是一个可以扩展的系统，通过六通多路阀的级联进行扩展。图1中只扩展了一级多路阀3A，用来控制液压缸2A。类似，可以在此基础上继续扩展更多的多路阀，控制更多的液压缸。新扩展的多路阀的P口依然通过一个负载保持单向阀和液压管路与液压泵1的出口相连，O口通过液压管道与上一级多路阀的Q口相连，而流量检测元件4则总处在最后一级多路阀的Q口和液压油箱之间，T口依然与油箱联接，A口和B口仍然分别接液压执行元件(如液压缸)的两个接口，同样也用梭阀取出最大负载压力。

图2进一步说明了本发明的原理。图中，六通多路阀3(假设多路阀处于右位)被等效为三个联动的可变节流口3c、3d、3e和阀心3f，其中3c的入口相当于多路阀的P口，出口相当于多路阀的A口；3d的入口相当于多路阀的O口，出口相当于多路阀的Q口；3e的入口相当于多路阀的B口，出口则相当于多路阀的T口。而流量检测元件4依然位于最后一级多路阀的Q口与油箱9之间。当多路阀3处于中位时，旁通油口3d全开，泵输出流量全部通过旁通油路5和流量检测元件4回油箱9，而工作油口3c和3e则全闭。随着阀心3b的移动，多路阀在逐渐变为右位的过程中，工作油口3c和3e逐渐同步打开，而旁通油口3d则逐渐同步关闭。在这一过程中，液压泵1的排量受泵控制器8的控制，使流量检测元件4的入口压力P_o始终保持在比压力信号通道7所传递的最高负载压力P_max高出一个小的固定值ΔP。这样，在系统不工作时，系统负载压力P_max较小，在泵控制器8的作用下，流量检测元件4前面的入口压力也较小，而由于此时旁通油口3d全开，因此液压泵1的输出压力也较低，处在小流量、低压力状态下。随着阀心3b的移动，系统进入工作状态时，压力信号通道7中检测到的系统最高负载压力P_max逐渐增加，在泵控制器8的作用下，流量检测元件4的入口压力P_o也逐渐增加，相应的液压泵1的输出压力也逐渐增加。在这一过程中，由于旁通油口3d逐渐减小，而工作油口3c逐渐打开，为保证流量检测元件4的入口压力P_o能跟得上最高负载压力P_max的变化，液压泵1只有在泵控制器8的作用下增加流量。通过合理选择流量检测元件4和泵控制器8的参数，可以使通过旁通油路5回油箱的液压油流量极少(这就是减少旁路节流损失的原理)，因此液压泵1所增加的流量都进入了液压缸2，用来加快执行机构的速度，这也是这种系统能进行调速控制的原理。在控制过程中，当P_o增大到一定程度后便不在增加，在泵控制器的作用下维持在这一最大值。

图3为泵控制器8的作用原理图。泵控制器8的核心是一个PI控制器8A，它接收最高负载压力信号P_max和旁路流量检测元件4的入口压力信号P_o，其中P_max作为指令信号，P_o作为反馈信号。这样，泵控制器、液压泵和由多路阀3、3A、旁路流量检测元件4组成的液压系统1A构成了一个闭环控制系统，P_max和ΔP相加所产生的和经过一个饱和环节8D，然后与P_o相减所产生的差值e(即控制误差)作为PID控制器8A的输入，PID控制器8A的输出作为液压泵1的先导控制压力P_c，以控制其输出流量Q，进而控制流量检测元件的入口压力——P_o。如果饱和环节8D的饱和值设定为P_o(max)，则在泵控制器的作用下，旁路流量检测元件4的入口压力P_o所能达到的最大值就是P_o(max)。

图4为PI控制器8A的结构图。图中，控制误差e被同时送到两个运算单元中，一个是比例运算单元8B，另一个是积分运算单元8C。因此，PI控制器的输入量e与输出量P_c之间有如下关系：

$P_c=K_p\·e+K_I\·{\∫}_0^t\mathrm{edt}$

式中：K_P——比例运算常数，K_I——积分运算常数。输出量P_c用来控制液压泵1的输出流量。

图5是利用电液比例技术和计算机技术实现的一个实施例子。图中，泵控制器8由电子泵控制器8E、压力传感器13和13A、电液比例减压阀14组成。最高负载压力P_max和旁路流量检测元件4的入口压力P_o分别由压力传感器13A和13转换成电压信号。压力传感器13A和13和电子泵控制器8E用导线相联，因此电子泵控制器能接收到最高负载压力P_max和旁路流量检测元件4的入口压力P_o。电子泵控制器8E的输出与电液比例减压阀14的电流输入端相联，而电液比例减压阀14的压力输出端与液压泵1的先导压力输入端相联。这样，电子泵控制器8E的输出信号以电流的形式输出，用来作为电液比例减压阀14的输入，电液比例减压阀14则将输入的电流信号转换成液压控制信号P_c，用来控制液压泵1的输出流量。旁路流量检测元件4则以固定节流口的形式实现，其入口压力P_o即代表了旁路回油流量Q_o的大小，两者之间的关系见图9。液压泵1既可以采用流量Q随先导压力P_c的增加而增加的正控制方式(这种泵被称为正控制泵)，如图7所示；也可以采用流量Q随先导压力P_c的增加而减小的负控制方式(这种泵被称为负控制泵)，如图8所示。当采用不同控制形式的液压泵时，泵控制器8的算法也有所不同。在以上的实施放案中，假设采用正控制泵。

当液压泵1采用负控制液压泵时，图4中PI控制器的输入量e与输出量P_c之间的关系应修正如下：

$P_c=P_{c\max }-(K_P\·e+K_I\·{\∫}_0^t\mathrm{edt})$

式中：K_P——比例运算常数，K_I——积分运算常数，P_cmax——负控制液压泵的最大先导压力输入。输出量P_c用来控制液压泵1的输出流量。

图6为图5中的泵控制器的结构框图。最高负载压力信号P_max和旁路流量检测元件4的入口压力信号P_o经压力传感器13A和13转换成电信号后，再由电子泵控制器8E中的A/D转换器8b、8c转换成数字信号，然后送到微处理器8a中进行PID运算。运算得到的结果则送到D/A转换器8d转换为电压信号，然后再经过V/I转换器8e将电压信号转换成电流信号(输出电流值与输入的电压值成正比例)，用来驱动电液比例减压阀14，以产生相应的控制压力P_c，使最高负载压力信号P_max和旁路流量检测元件4的入口压力信号P_o保持如下关系：

P_o＝P_max+ΔP    P_o≤P_o(max)式中，ΔP是在泵控制器的算法中设置的一个很小的压力值，P_o(max)是电子泵控制器8E内部饱和环节设定的饱和值。

Claims (2)

1.用于六通型多路阀的负荷传感液压系统，包括：在液压泵(1)的输出口分成两路，一路通过两个负载保持单向阀(11)、(11A)分别进入一级多路阀(3)、二级多路阀(3A)的P口，两多路阀的A口和B口分别与两个液压缸(2)、(2A)的无杆腔和有杆腔相连，两多路阀的T口与油箱相连，一级多路阀(3)的Q口与二级多路阀(3A)的O口相连，二级多路阀(3A)的Q口通过液压管路(5)与流量检测元件(4)的入口相连，而流量检测元件(4)的出口则与油箱(9)相连，同时通过压力信号通路(6)与泵控制器(8)相连，连接两个液压缸(2)、(2A)的有杆腔和无杆腔的液压管上各自与第一个梭阀(10)、第二个梭阀(10B)的两个输入口连接，两梭阀(10)、(10B)的输出口与第三个梭阀(10A)的两个输入口相连，第三个梭阀(10A)的输出通过压力信号管路(7)与泵控制器(8)相连，泵控制器(8)的输出通过压力信号通路(12)与液压泵(1)的先导压力输入口相连；泵控制器(8)为PI控制器(8A)，包括一个比例运算单元(8B)和一个积分运算单元(8C)；其特征在于：所说泵控制器(8)，包括电子泵控制器(8E)、第一压力传感器(13)和第二压力传感器(13A)、电液比例减压阀(14)；电子泵控制器(8E)的输出与电液比例减压阀(14)的电流输入端相连，而电液比例减压阀(14)的压力输出端与液压泵(1)的先导压力输入端相连。

2.根据权利要求1所述的用于六通型多路阀的负荷传感液压系统，其特征在于：所说泵控制器(8)，包括微处理器(8a)、第一A/D转换器(8b)、第二A/D转换器(8c)、第三D/A转换器(8d)、V/I转换器(8e)；第一A/D转换器(8b)、第二A/D转换器(8c)的一端分别接第一压力传感器(13)和第二压力传感器(13A)，另一端接微处理器(8a)，微处理器(8a)经第三D/A转换器(8d)、V/I转换器(8e)接电液比例减压阀(14)。

Images