CN1296627C - 工程机械液压马达双泵－马达液压驱动系统 - Google Patents
工程机械液压马达双泵－马达液压驱动系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种工程机械液压马达的双泵-马达液压驱动系统。系统中两泵-马达同轴相联，变频电机驱动液压系统，并回收执行机构工作过程中的惯性能、重力势能以及制动能。比例方向阀控制执行元件的换向，在低速小流量时起到阀控作用，同时还可以用来控制能量的回收。当系统所须的工作速度较大时，双泵-马达并联工作，从而提高系统的工作速度，满足工作需要。本发明克服了工程机械中阀控系统效率低下和泵控系统响应慢精度低的缺陷，综合利用了阀控系统高响应高精度和泵控系统高效率的优势，采用了马达能量回收提高了系统的效率，同时增速阀的采用使得系统在采用相对小型泵-马达可以获得较高的工作速度，降低了元件的成本。
Description
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，尤其是涉及一种工程机械液压马达双泵—马达液压驱动系统。
背景技术
近年来，随着世界范围内工业技术的发展，能源短缺和环境污染问题日趋严重。工程机械多采用柴油机—液压系统—多执行器驱动方案，耗油高、排放差，其节能问题已受到业界的广泛关注。马达是工程机械中常用的执行元件，
目前在工程机械回转马达节能方面的研究主要体现在如下三个方面：提高工作元件(柴油机和液压元件)性能、改进液压系统和改善柴油机—液压系统—执行器的功率匹配。在工作元件(包括：柴油机、液压泵、控制阀、油缸和液压马达等)方面，主要是通过改进结构和提高加工工艺来提高元件的工作效率，但由于技术已经比较成熟，节能潜力有限，效果不很明显。在功率匹配方面，主要是通过采用先进的控制技术，如负载自适应控制、分段功率控制、分工况控制、压力切断控制、转速感应控制和自动怠速控制等，来提高能量的利用率。电子控制系统在液压挖掘机领域也得到了越来越多的应用。这方面的进一步研究有助于提高系统的操作性和控制精度，而对系统节能效果的提高已不很显著。在液压系统方面，负载敏感、正负流量控制、恒功率控制等节能技术在液压挖掘机系统中都得到了应用，并取得了一定的节能效果。但是进一步在这些方面取得进展已经比较困难了。
以工程机械中用量最大的液压挖掘机为例，正常工作过程中液压系统的效率大约为13％～24％，其中，控制阀的效率只有40％。一般情况下，提高柴油机、泵、油缸和马达的效率比较困难，除非有大的突破，否则单从元件上节能的空间不是很大；而在控制阀上的60％的损失方面具有较大的发掘潜力。
液压马达是工程机械中常用的液压执行元件，其工作特点在于正反转换向频繁、经常承受负载荷、转动惯量比较大、制动频繁且制动能损失比较大，特别是卷扬马达下放和制动时释放的重力势能尤为可观，容易引起液压油发热、噪声，甚至系统故障，降低系统寿命。
近年来提出的利用柴油机发电并利用电力驱动液压系统的动力方案有利于改善柴油机的工作状态，提高了系统的燃油利用率。同时，由于系统采用电机带泵，这也为液压系统的节能提供了一个新的研究方向。
发明内容
为了降低液压控制阀的节流损失，充分利用马达回转过程中释放出来的重力势能、惯性能和制动能，本发明的目的在于提供一种工程机械液压马达双泵-马达液压驱动系统，利用液压马达对上述能量进行回收，即将原本消耗在节流阀口处的液压能通过回收马达转换为机械能，再通过电动机的反工况运行发电，将电能回馈或储存再利用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如包括：增速阀、补油系统、两个泵-马达、比例方向阀、液压马达、控制手柄、信号控制单元、变频器和变频电机；其相互连接关系如下：
1)变频电机分别和排量相等的第一、第二泵—马达同轴相联；
2)比例方向阀的P口分别与第一泵—马达的排油口和增速阀的油口B口相连，比例方向阀的T口分别与第二泵—马达吸油口、补油系统的第一单向阀的出油口和增速阀的油口A口相连，比例方向阀的A口和B口与液压马达的两个油口A口和B口相连；
3)增速阀的P口与第二泵—马达的排油口相连，增速阀的T口分别与第一泵—马达吸油口和补油系统的第二单向阀的出油口相连，增速阀的A口分别与第二泵—马达的吸油口、补油系统的第一单向阀的出油口和比例方向阀的T口相连；
4)与控制手柄相连的信号控制单元分别与变频器、比例方向阀和增速阀(1)的控制信号接口电连接；变频器与变频电机电连接。
所述的信号控制单元是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。
所述的补油系统包括溢流阀、油泵和两个单向阀；溢流阀的一端分别与两个单向阀的进油口和油泵的出油口相连，第一单向阀的出油口接第二泵—马达的吸油口，第二单向阀的出油口接第一泵—马达的吸油口。
本发明与背景技术相比，具有有益的效果是：
1、系统采用双泵—马达系统驱动，利用电动机的反工况发电，有效地回收液压执行元件的重力势能、惯性能和制动能；
2、变频电机和两泵—马达的旋转方向固定不变，当系统快速换向时，电机转速可以不必下降到零就可以继续下一项工作，从而提高了工作效率和系统元件的寿命，同时也对系统液压油的清洁很有好处；
3、两泵—马达在工作的过程中根据控制信号的大小既可以单独工作，也可以并联工作，充分发挥二者的潜能，降低了装机功率，节约成本；
4、电机转速随着控制信号成线性变化，比例方向阀的过流面积与控制信号成非线性变化：当控制信号较小时，比例方向阀开口较小，可以配合泵控，实现阀控与泵控的相互结合；当控制信号升高到一定值后，比例方向阀的过流面积开始迅速升高到最大，系统转为泵控，从不仅降低系统的节流损失，又可以尽可能地维持系统的操作性。
附图说明
附图是工程机械液压马达的双泵—马达驱动系统结构原理图。
图中：1、增速阀，2、补油系统，3、泵—马达，4、比例方向阀，5、液压马达，6、控制手柄，7、信号控制单元，8、变频器，9、变频电机，10、泵—马达。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明包括：增速阀1、补油系统2、两个泵—马达3、10、比例方向阀4、液压马达5、控制手柄6、信号控制单元7、变频器8和变频电机9；其相互连接关系如下：
1)变频电机9分别和排量相等的第一、第二泵—马达3、10同轴相联；
2)比例方向阀4的P口分别与第一泵—马达3的排油口和增速阀1的油口B口相连，比例方向阀4的T口分别与第二泵—马达10吸油口、补油系统2的第一单向阀的出油口和增速阀1的油口A口相连，比例方向阀4的A口和B口与液压马达5的两个油口A口和B口相连；
3)增速阀1的P口与第二泵—马达10的排油口相连，增速阀1的T口分别与第一泵—马达3吸油口和补油系统2的第二单向阀的出油口相连，增速阀1的A口分别与第二泵—马达10的吸油口、补油系统2的第一单向阀的出油口和比例方向阀4的T口相连；
4)与控制手柄6相连的信号控制单元7分别与变频器8、比例方向阀4和增速阀1的控制信号接口电连接；变频器8与变频电机9电连接。
所述的信号控制单元13是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。
所述的补油系统2包括溢流阀、油泵和两个单向阀；溢流阀的一端分别与两个单向阀的进油口和油泵的出油口相连，第一单向阀的出油口接第二泵—马达10的吸油口，第二单向阀的出油口接第一泵—马达3的吸油口。
本发明的工作原理如下：
控制手柄6发出控制信号经信号控制单元7的数据处理之后，向变频器8发出控制指令，控制变频电机9的转速，即控制了泵—马达3和10的流量，变频电机9的旋转方向固定不变；同时，向比例方向阀4发出控制信号，控制阀芯的位移，即控制两阀口的过流面积。当控制信号较小时，阀口的开度很小，此时系统处于节流调速状态；当控制信号升高到某值以后，继续升高控制信号则阀口会迅速开大，系统由节流调速转变为变频调速，从而减小了系统的节流损失。
当控制信号为正，比例方向阀4右行，泵—马达3高压油进入液压马达5的B口，推动液压马达正转；液压马达的回油经A口、比例方向阀4的A口和T口、泵—马达10、增速阀1的P口和T口通向泵—马达3的吸油口，实现闭式系统的工作回路。
如果变频电机9转速已经达到最大，继续增大控制信号，则增速阀1的阀芯左行，泵—马达10的排油口经增速阀1的P口和B口通向泵—马达3的排油口，实现两泵—马达3和10的并联。
当液压马达5在外力作用下拖动回转时，马达工作在泵工况，所排出的高压油推动泵—马达10转动，其转速超过变频电机9的同步转速时，变频电机9处于发电状态，回收外力所做的功。发出的电能可以回馈或者储存再利用。
制动时，控制信号经变频器8控制电机减速，液压马达5的回油推动泵—马达10并带动变频电机9发电，实现惯性能和制动能的回收。继续减小控制信号，比例方向阀4逐渐关小，系统转为阀控，使液压马达准确可靠制动。
当控制信号为负，比例方向阀4左行，泵—马达3高压油比例方向阀4的P口和A口、与液压马达5的A口相连，驱动液压马达5反转；液压马达5回油经液压马达5的B口、比例方向阀4的B口和T口、泵—马达10、增速阀1的P口和T口通向泵—马达3的吸油口，实现闭式系统的工作回路。
如果变频电机9转速已经达到最大，继续增大控制信号，则增速阀1的阀芯左行，泵—马达10的排油口经增速阀1的P口和B口通向泵—马达3的排油口，实现两泵—马达3和10的并联。
当液压马达5在外力作用下拖动回转时，液压马达5工作在泵工况，所排出的高压油推动泵—马达10转动，其转速超过变频电机9的同步转速时，变频电机9处于发电状态，回收外力所做的功。发出的电能可以回馈或者储存再利用。
同样，制动时可以回收回转惯性能和制动能。当变频电机已达到速度极限时，为了获得较大的回转速度，增速阀1阀芯左行，泵—马达10的排油口经增速阀1的P口和B口通向泵—马达3的排油口，实现两泵—马达3和10的并联。
Claims (3)
1、一种工程机械液压马达双泵-马达液压驱动系统，其特征在于包括：增速阀(1)、补油系统(2)、两个泵-马达(3、10)、比例方向阀(4)、液压马达(5)、控制手柄(6)、信号控制单元(7)、变频器(8)和变频电机(9)；其相互连接关系如下：
1)变频电机(9)分别和排量相等的第一、第二泵-马达(3、10)同轴相联；
2)比例方向阀(4)的P口分别与第一泵-马达(3)的排油口和增速阀(1)的油口B口相连，比例方向阀(4)的T口分别与第二泵-马达(10)吸油口、补油系统(2)的第一单向阀的出油口和增速阀(1)的油口A口相连，比例方向阀(4)的A口和B口与液压马达(5)的两个油口A口和B口相连；
3)增速阀(1)的P口与第二泵-马达(10)的排油口相连，增速阀(1)的T口分别与第一泵-马达(3)吸油口和补油系统(2)的第二单向阀的出油口相连，增速阀(1)的A口分别与第二泵-马达(10)的吸油口、补油系统(2)的第一单向阀的出油口和比例方向阀(4)的T口相连；
4)与控制手柄(6)相连的信号控制单元(7)分别与变频器(8)、比例方向阀(4)和增速阀(1)的控制信号接口电连接；变频器(8)与变频电机(9)电连接。
2、根据权利要求1所述的一种工程机械液压马达双泵-马达液压驱动系统，其特征在于：所述的信号控制单元(13)是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。
3、根据权利要求1所述的一种工程机械液压马达双泵-马达液压驱动系统，其特征在于：所述的补油系统(2)包括溢流阀、油泵和两个单向阀；溢流阀的一端分别与两个单向阀的进油口和油泵的出油口相连，第一单向阀的出油口接第二泵-马达(10)的吸油口，第二单向阀的出油口接第一泵-马达(3)的吸油口。
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