CN1683797A - 工程机械举升油缸双泵－马达液压驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械举升油缸双泵－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

工程机械举升油缸双泵-马达液压驱动系统

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，尤其涉及一种工程机械举升油缸双泵-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。

目前在工程机械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，而在控制阀上的60％的损失方面具有较大的发掘潜力。

油缸是工程机械中常用的执行元件，其工作特点在于往复运动频繁，即要反复举升和下放重物，举升力较大且经常承受负值载荷，重物下放过程中，其惯性能、重力势能和制动能都转化为液压系统的节流损失，不仅造成了能源的浪费，还会引起发热、噪声和振动，甚至是系统故障和寿命降低等危害。

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，充分利用重物下落时的重力势能、惯性能和制动能或者回转物体的惯性能和制动能，本发明的目的在于提供一种工程机械举升油缸双泵-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包括：两个泵-马达、变频电机、两个比例方向阀、油缸、三个单向阀、溢流阀、增速阀、控制手柄、信号控制单元和变频器；其相互连接关系如下：

1)变频电机分别和排量比与油缸的两腔面积比相等的第一、第二泵-马达同轴相联；

2)第一比例方向阀的P口和T口分别与第二泵一马达的排油口和吸油口相连，第一比例方向阀的B口与油缸的无杆腔相连，第一比例方向阀的A口分别与溢流阀的P口、第一单向阀的出油口和第二单向阀的进油口相连；

3)第二比例方向阀的P口经增速阀的A口和P口与第一泵-马达的排油口相连，第二比例方向阀的T口经第三单向阀分别与第-泵-马达的吸油口和增速阀的T口相连，第二比例方向阀的B口分别与与溢流阀的P口、第一单向阀的出油口和第二单向阀的进油口相连，第二比例方向阀的A口与油缸的有杆腔相连；

4)增速阀的P口与第一泵-马达的排油口相连，增速阀的T口分别与第一泵-马达的吸油口和第三单向阀的出油口相连，增速阀的A口与第二比例方向阀的P口相连，增速阀的B口与油缸的无杆腔和第一比例方向阀的B口相连；

5)与控制手柄相连的信号控制单元分别与变频器、两比例方向阀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。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

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、两泵一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

附图是工程机械举升油缸的双泵-马达驱动系统结构原理图。

图中：1、泵-马达，2、变频电机，3、泵-马达，4、比例方向阀，5、油缸，6、单向阀，7、单向阀，8、溢流阀，9、比例方向阀，10、增速阀，11、单向阀，12、控制手柄，13、信号控制单元，14、变频器。

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：两个泵-马达1、3、变频电机2、两个比例方向阀4、9、油缸5、三个单向阀6、7、11、溢流阀8、增速阀10、控制手柄12、信号控制单元13和变频器14；其相互连接关系如下：

1)变频电机2分别和排量比与油缸5的两腔面积比相等的第一、第二泵-马达1、3同轴相联；

2)第一比例方向阀4的P口和T口分别与第二泵-马达3的排油口和吸油口相连，第一比例方向阀4的B口与油缸5的无杆腔相连，第一比例方向阀4的A口分别与溢流阀8的P口、第一单向阀7的出油口和第二单向阀7的进油口相连；

3)第二比例方向阀9的P口经增速阀10的A口和P口与第一泵-马达1的排油口相连，第二比例方向阀9的T口经第三单向阀11分别与第一泵-马达1的吸油口和增速阀10的T口相连，第二比例方向阀9的B口分别与与溢流阀8的P口、第一单向阀7的出油口和第二单向阀7的进油口相连，第二比例方向阀9的A口与油缸5的有杆腔相连；

4)增速阀10的P口与第一泵一马达1的排油口相连，增速阀10的T口分别与第一泵-马达1的吸油口和第三单向阀7的出油口相连，增速阀10的A口与第二比例方向阀9的P口相连，增速阀10的B口与油缸5的无杆腔和第一比例方向阀4的B口相连；

5)与控制手柄12相连的信号控制单元13分别与变频器14、两比例方向阀4、9的控制信号接口电连接；变频器14与变频电机2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。

本发明的工作原理如下：

控制手柄12发出控制信号经信号控制单元13的数据处理之后，向变频器13发出控制指令，控制变频电机2的转速，即控制了泵-马达1和3的流量，变频电机2的旋转方向固定不变；同时，向比例方向阀4和9发出控制信号，控制阀心的位移，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和9右行，泵-马达3高压油进入油缸无杆腔，推动油缸举起重物；油缸有杆腔的液压油经比例方向阀9的A口和T口、泵-马达1、增速阀10的P口和A口、比例方向阀9的P口和B口、溢流阀8回油。

如果变频电机2转速已经达到最大，继续增大控制信号，则增速阀10的阀心右行，泵-马达1的排油口经增速阀10的P口和B口通向油缸5的无杆腔，实现两泵-马达1和3的并联。

制动时，控制信号经变频器14控制电机减速，油缸5的回油推动泵-马达1并带动变频电机2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和9逐渐关小，系统转为阀控，使油缸准确可靠制动。

当控制信号为负，比例方向阀4和9左行，泵-马达1高压油增速阀10的P口和A口、比例方向阀9的P口和A口进入油缸有杆腔，推动油缸下放重物；油缸无杆腔的液压油经比例方向阀4的B口和T口、泵-马达3比例方向阀4的P口和A口和溢流阀8回油。

如果油缸5承受的负载较大，在负载力的作用下推动油缸5下行，则无杆腔内形成的高压油推动泵-马达3做功，带动变频电机2发电，实现重力势能的回收。同样，制动时可以回收重物的惯性能和制动能。当变频电机已达到速度极限时，为了获得较大的下放速度，增速阀10阀心左行，油缸5的无杆腔通过增速阀10的B口和T口与泵-马达1的吸油口相连，实现了两泵-马达的并联能量回收。

Claims (2)

1、一种工程机械举升油缸双泵-马达液压驱动系统，其特征在于包括：两个泵-马达(1、3)、变频电机(2)、两个比例方向阀(4、9)、油缸(5)、三个单向阀(6、7、11)、溢流阀(8)、增速阀(10)、控制手柄(12)、信号控制单元(13)和变频器(14)；其相互连接关系如下：

1)变频电机(2)分别和排量比与油缸(5)的两腔面积比相等的第一、第二泵-马达(1、3)同轴相联；

2)第一比例方向阀(4)的P口和T口分别与第二泵-马达(3)的排油口和吸油口相连，第一比例方向阀(4)的B口与油缸(5)的无杆腔相连，第一比例方向阀(4)的A口分别与溢流阀(8)的P口、第一单向阀(7)的出油口和第二单向阀(7)的进油口相连；

3)第二比例方向阀(9)的P口经增速阀(10)的A口和P口与第一泵-马达(1)的排油口相连，第二比例方向阀(9)的T口经第三单向阀(11)分别与第一泵-马达(1)的吸油口和增速阀(10)的T口相连，第二比例方向阀(9)的B口分别与与溢流阀(8)的P口、第一单向阀(7)的出油口和第二单向阀(7)的进油口相连，第二比例方向阀(9)的A口与油缸(5)的有杆腔相连；

4)增速阀(10)的P口与第一泵-马达(1)的排油口相连，增速阀(10)的T口分别与第一泵-马达(1)的吸油口和第三单向阀(7)的出油口相连，增速阀(10)的A口与第二比例方向阀(9)的P口相连，增速阀(10)的B口与油缸(5)的无杆腔和第一比例方向阀(4)的B口相连；

5)与控制手柄(12)相连的信号控制单元(13)分别与变频器(14)、两比例方向阀(4、9)的控制信号接口电连接；变频器(14)与变频电机(2)电连接。

2、根据权利要求1所述的一种工程机械举升油缸双泵-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。

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