CN1786486A - 液压控制回路及其方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于减少由过载引起的发热和能量损耗的液压控制回路及其方法。本发明的液压控制回路包括：控制杆，用于根据操纵变量产生操纵信号；控制阀，其由先导信号压力驱动，用于控制自液压泵传递到致动器的受压流体的流量；位移传感器，用于检测控制阀的切换位置；泵压力传感器，用于检测施加到液压泵的泵压力；电子比例阀，用于向控制阀提供先导信号压力；以及，控制器，用于接收操纵信号，确定先导信号压力，向电子比例阀输出控制信号，接收来自位移传感器和泵压力传感器接收信号，并将该信号同预存的参考数据比较，并且向电子比例阀输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀的切换位置。

Description

液压控制回路及其方法
技术领域
本发明通常涉及一种液压控制回路，更具体地，涉及一种液压控制回路，其用于通过使用反馈控制调节控制阀的切换位置，减小由于液压泵上的过载而引起的发热和能量损耗。
背景技术
重型建筑机械和设备，诸如挖掘机，使用液压控制回路用于驱动包括转臂和臂的作业机械。通过诸如液压缸的致动器，使得作业机械的操作成为可能。通常，从液压泵排放装置排放出恒定流量的流体，并且由控制阀将受压流体提供给液压缸。然后，来自液压缸的受压流体汇集到储备箱，并且用于驱动致动器。
图1是相关领域的液压控制回路的示意图。该具体示例的液压控制回路对应于正液压控制系统。
根据正液压控制系统，液压泵1排放受压流体流，其与控制杆4的操纵变量成比例，以便于驱动液压缸2。下面将解释相关领域的液压控制系统的配置和操作关系。
自液压泵1排放的受压流体通过控制阀3提供给液压缸2。通过施加在操纵控制杆4时产生的先导信号压力，控制阀3开始操作。因此，来自液压泵1的受压流体提供给液压缸2，并且来自液压缸2的受压流体排放到储备箱T。
控制器5控制液压泵1以确保液压泵1排放与控制杆4的操纵变量成比例的受压流体流。为此，用于检测先导信号压力的压力传感器9安装在控制杆4的先导信号线上，并且压力传感器9检测到的先导信号压力以电信号的形式输入到控制器5。压力传感器9的电信号指出了控制杆4的操纵变量。这样，控制器5操作来自压力传感器9的输入信号的相对应的流出量，并且向电子降压阀7传送控制信号。电子降压阀7接收来自控制器5的控制信号，并且控制调节器8以控制液压泵1的输出流量。所执行的液压泵1的输出流量控制与控制杆4的操纵变量成比例。
然而，上述相关领域的技术带来了问题。例如，尽管可以控制控制杆4的操纵变量(即，液压泵1的输出流量可以根据先导压力进行控制)，但是控制阀3的行程不能与先导压力成比例地形成。结果，过载被施加到液压泵1。
为了控制重型建筑机械和设备中的作业机械的速度，液压控制系统的控制阀3控制受压流体的流量。控制阀3的阀芯具有孔口，其形成了用于受压流体的通路(或者流量通道)。当先导信号压力施加到控制阀3时，阀芯移动并且通路的截面积改变。结果，改变了通过控制阀3的受压流体的流量，并且因此控制了作业机械的速度。
另一方面，诸如转臂的作业机械由于其自重而下落，因此控制该转臂的控制阀3使用具有特别小截面积的量出式(meter-out)孔口，用作液压缸和储备箱之间的通路。这样，当受压流体通过狭窄的量出式孔口时，流速增加。此时，不同的压力施加到阀芯抬肩表面，并且此压力的不均衡产生了控制阀3内部的流动力。
特别地，施加到控制阀3阀芯的轴向的流动力对可控性和控制阀3的伺服系统有大的影响。当通过移动阀芯增加孔口的通路面积时，流动力在相反的方向上施加到阀芯的运动。结果，产生了粘滞的效果，其中阀芯不会与控制杆4的操纵变量成比例地移动。
图2是说明了控制杆的先导信号压力同控制阀阀芯的通路面积之间的关系的曲线图；而图3是说明了控制杆的先导信号压力同液压泵的输出流量之间的关系的曲线图。
在图2中，C-T1图线示出了，正常通路面积相对于量出式孔口的先导信号压力的改变而改变，该量出式孔口(orifice)具有形成在控制阀中的最小通路面积；P-N图线示出了连接液压泵和中性通路并且向储备箱排放受压流体的通路面积变化；并且，P-C图线示出了连接液压泵和液压缸的通路面积变化。
C-T2图线示出了量出式孔口的异常通路的面积变化。根据C-T2曲线，即使先导信号压力输入到控制阀，阀芯由于流动力仍不能正确地移动，产生了停滞。结果，量出式孔口的通路面积的变化量相比于C-T1图线而言是特别小的。
如图3中所示，在通过很大程度地操纵控制杆使先导信号压力增加时，液压泵的输出流量增加很多。然而，如果由于流动力的施加使控制阀阀芯的操作状态对应于C-T2图线，则当排放自液压泵的大量受压流体通过量出式孔口时，产生了大的流动力。在该情况中，过载被施加到液压泵1，并且阀芯不能与控制杆的操纵变量成比例的移动。
图4是说明控制杆的先导信号压力同控制阀阀芯的行程之间的关系的图线；而图5是说明先导信号压力相对于时间和泵压力的关系的图线。
在图4中，实线A表示当阀芯由于先导信号压力而移动时控制阀3的阀芯的正常行程，而虚线B表示控制阀3的阀芯的异常行程。
在图5中，斜线C表示控制阀处于正常操作时的泵压力变化；而虚像D表示过载被施加到液压泵时的泵压力变化。
参考图4，在控制阀3的正常操作下，阀芯与至控制阀的输入先导信号压力的量值成比例地移动。另一方面，如果产生了大的流动力并且因此控制阀3的操作是异常的，则阀芯的行程不与先导信号压力的量值成比例。例如，如虚线B所示，尽管先导信号压力增加，但控制阀3的阀芯是静止的，并且突然在某一点开始移动。
因此，当控制阀3处于异常操作时，过载被施加到液压泵1，如图5中的斜线所示。液压泵1上的过载是能量损耗的主要原因。尽管先导信号压力增加，但控制阀3的阀芯仍处于静止状态，这意味着设备的可操纵性明显劣化。
在控制阀3中产生的流动力不仅影响可控性以及控制阀3的伺服系统，而且还引起能量损耗。因此，为了保证控制阀3和整个液压控制系统的安全，有必要克制施加到控制阀3的阀芯的流动力。
作为减小或者抵消流动力量值的尝试，使控制阀3的阀芯和套管变形，或者改变控制阀3的结构。然而，在实践中，这些技术不能用于控制阀3。此外，不论控制阀3的结构变化有多大，仍不能完全地移除流动力。这使得难于设计高度稳定的液压控制系统。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种液压控制回路及其方法，其中回路压力稳定地维持，并且致动器的驱动是更为有效和准确的。
本发明的另一目的在于，通过使用反馈控制调节控制阀的切换位置，并防止在液压泵上出现过载，减小了由液压控制控制回路上的过载引起的发热和能量损耗。
本发明的另一目的在于，提供一种液压控制回路及其方法，其中如果由于流动力施加到控制阀上而引起控制阀未正确地同控制杆的操纵变量成比例地操作，则通过反馈控制调节控制阀的切换位置，由此极大地改善了液压控制回路的可操纵性和液压控制。
为了实现上文的目的，提供了一种液压控制回路，用于通过控制来自液压泵的受压流体驱动致动器，该液压控制回路包括：控制杆，用于根据操纵变量产生操纵信号；控制阀，其安装在连接液压泵和致动器的供给线上，并且由先导信号压力驱动，用于控制自液压泵传递到致动器的受压流体的流量；位移传感器，其安装在控制阀的末端，用于检测控制阀的切换位置；泵压力传感器，其安装在供给线上，用于检测施加到液压泵的泵压力；至少一个电子比例阀，其由外部控制信号驱动，用于向控制阀提供先导信号压力；以及，控制器，用于接收来自控制杆的操纵信号，以确定待提供给控制阀的先导信号压力，向一个或多个电子比例阀输出相应的控制信号，接收来自位移传感器和泵压力传感器的信号，并将该信号同预存的参考数据比较，并且向一个或多个电子比例阀输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀的切换位置。
本发明的另一方面提供了一种液压控制方法，用于通过借助于遵循控制杆操纵的电子比例阀操作控制阀，并且控制自液压泵排放的受压流体，其中该方法包括以下步骤：接收由控制杆根据操纵变量而产生的操纵信号；根据该操纵信号，确定待提供到控制阀的先导信号压力，并且向电子比例阀输出相应的控制信号；接收来自检测施加到液压泵的泵压力的泵压力传感器的信号以及来自检测控制阀切换位置的位移传感器的信号；将来自泵压力传感器和位移传感器的信号同预存的参考数据比较，并且判定控制阀是否处于正常操作；以及，如果控制阀未处于正常操作，则向电子比例阀输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀的切换位置。
优选地，如果在同当前先导信号压力的参考数据进行比较的控制阀切换位置和泵压力这两者中均发现误差，则判定控制阀处于正常操作，并且向电子比例阀输出行程(stroke)误差校正控制信号，用于调节控制阀的切换位置。
优选地，参考数据包括，相对于先导信号压力变化的控制阀切换位置的位移，以及，相对于先导信号压力变化的泵压力变化。
优选地，参考数据包括，相对于先导信号压力变化的控制阀切换位置的位移，以及，相对于控制阀位移的泵压力变化。
优选地，作为参考数据而存储的泵压力变化处于最大泵压力和最小泵压力之间的范围内，该最大泵压力和最小泵压力是通过考虑控制阀的工作容限而确定的。
附图说明
通过下文结合附图进行的详细描述，上文的本发明的目的、特征和优点将变得更加显而易见，在附图中：
图1是相关领域的液压控制回路的示意图；
图2是说明了控制杆的先导信号压力同控制阀阀芯的通路面积之间的关系的曲线图；
图3是说明了控制杆的先导信号压力同液压泵的输出流量之间的关系的曲线图；
图4是说明控制杆的先导信号压力同控制阀阀芯的行程之间的关系的图线；
图5是说明先导信号压力相对于时间和泵压力的关系的图线；
图6是根据本发明的一个实施例的液压控制回路的示意图；和
图7是说明了根据本发明的一个实施例的液压控制回路的信号流的示意图。
具体实施方式
下面，此处将通过参考附图描述本发明的优选实施例。在下文的描述中，公知的功能和构造由于其将在不必要的细节上模糊本发明，因此未对其进行详细描述。
图6是根据本发明的一个实施例的液压控制回路的示意图；而图7是说明了根据本发明的一个实施例的液压控制回路的信号流的示意图。
本发明的液压控制回路包括：液压泵1，用于排放受压流体；和控制阀3，其通过向液压缸2(其是致动器)提供由液压泵1提供的受压流体，并使来自液压缸2的受压流体排出到储备箱T，驱动液压缸2。
控制阀3安装在连接液压泵1和液压缸2的供给线10上，并且在控制阀的两个末端上形成了连接到先导信号线11的先导入口3a、3b。先导信号线11用作用于产生自先导泵12的先导信号供电的通路。而且，阀芯(未示出)以可滑动方式安装到控制阀3中。因此，在通过先导信号线11输入先导信号压力时，阀芯(未示出)在水平方向上移动。
尽管在图1中没有示出，但是在阀芯外部形成了通路(或者液流通道)用以分别连接液压泵1、储备箱T和液压缸2。由于阀芯在控制阀3的内部水平移动，因此这些通路要么打开要么闭合，并且这些通路的面积是变化的。作为其结果，通过控制阀3的流量是变化的。
电子比例阀13安装在连接到先导泵12的先导(pilot)信号线11上。电子比例阀13响应于来自控制器17(这将在下面得到描述)的控制信号开始操作，并且向控制阀3的先导入口3a、3b提供先导信号压力。
控制器17的接收部分18连接到控制杆14，以便于接收操纵信号。操作部分19操作对应于操纵信号的控制信号，并且输出部分20向电子比例阀13传送该控制信号。即，控制杆14输出与操纵变量成比例的操纵信号，而控制器17操作对应于操纵信号的流量，并且将其相应的操纵信号输出到电子比例阀13。由于控制杆14、控制器17和电子比例阀14是相互配合的，因此控制阀3与控制杆14的操纵变量成比例地切换，并且来自液压泵1的受压流体提供给液压缸2用于其操作。
优选地，液压泵1是可变位移的液压泵，其输出流量由调节器15控制。调节器15由电子降压阀16驱动，而该电子降压阀16由来自控制器17的控制信号控制。换言之，控制器17根据控制杆14的操纵变量，通过控制控制电子降压阀16，控制液压泵1。
除了控制液压泵1以外，根据本发明的液压控制回路中的控制器17还根据控制杆14的操纵变量，控制电子比例阀13。结果，切换了控制阀3，并且驱动了液压缸2。在另一情况中，如果大的流动力施加到控制阀3的阀芯的轴向上，则阀芯不能与控制杆14的操纵变量成比例地移动，并且过载被施加到液压泵1。在该情况中，控制器17通过防止过载出现在液压泵1上而执行功能。
位移传感器22安装在控制阀3的末端。位移传感器22检测控制阀3的切换位置，并且输出位移信号(其是电信号)。这里，控制阀3的切换位置是指根据控制杆14的操纵变量的控制阀3的阀芯行程。通过利用电接触型位移传感器或者光传感器，可以检测阀芯的移动量。
泵压力传感器23安装在液压泵1和控制阀3之间的供给线上。泵压力传感器23检测施加到液压泵1的泵压力，并且输出泵压力信号(其是电信号)。
来自位移传感器22的位移信号和来自泵压力传感器23的泵压力信号输入到控制器17的接收部分18。然后，控制器17的操作部分19将输入到接收部分18的泵压力信号和位移信号同预存储在存储器21中的参考数据21a、21b进行比较，并且判定控制阀3是否处于正常操作。如果其判定控制阀3未处于正常操作，则控制器17的输出部分20输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀3的切换位置。
优选地，存储在控制器17的存储器21中的参考数据包括，相对于先导信号压力变化的控制阀切换位置的位移21a，以及相对于先导信号压力变化的泵压力变化21b。尽管未说明，但是，相对于控制阀切换位置的泵压力变化也可以用作参考数据，取代相对于先导信号压力的泵压力变化21b。优选地，泵压力变化处于最大泵压力和最小泵压力之间的范围内，该最大泵压力和最小泵压力是通过考虑控制阀3的工作容限而确定的。
如果在同当前先导信号压力的参考数据进行比较的控制阀3的切换位置和泵压力中均发现误差，则控制器17判定控制阀3未处于正常操作，并且向电子比例阀13输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀3的切换位置。
下文将讨论具有上述配置的液压控制回路的操作。
通过使用控制排放自液压泵1的受压流体流量的控制阀3，使得液压缸2的操作是可行的。即，如果先导信号压力经由先导信号线11提供给控制阀3的先导入口3a、3b，则控制阀3的阀芯在水平方向上移动(如在图中可以看到的)。结果，分别控制了自液压泵1提供给液压缸2的受压流体的方向、自液压缸2排放到储备箱T的受压流体的方向以及它们的流量。
电子比例阀13响应于由控制器17传送的控制信号开始驱动。而且，电子比例阀13向先导入口31、3b提供先导信号压力，其是在先导信号线11上由先导泵形成的。
当操纵控制杆14时，根据操纵变量产生了操纵信号，并且其被传送到控制器17的接收部分18。操作部分19确定提供给控制阀3的先导信号压力，并且将其相应的控制信号输出到电子比例阀13。然后，控制阀3的阀芯开始移动，并且与控制杆14的操纵变量成比例地驱动液压缸2。
同时，控制器17的接收部分18接收来自安装在控制阀3末端的位移传感器22的阀芯行程的位移信号以及来自泵压力传感器23的泵压力信号。
操作部分19将泵压力信号和位移信号同存储器21中的参考数据21a、21b进行比较。如果在同当前先导信号压力的参考数据进行比较的控制阀3的切换位置和泵压力这两者中均发现误差，则控制器17判定控制阀3未处于正常操作，并且向电子比例阀13输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀3的切换位置。
下面将讨论使用根据本发明一个实施例的液压控制回路的液压控制方法。
在第一步骤中，操纵用于驱动液压缸2的控制杆14，并且自其产生的操纵信号被发送到控制器17的接收部分18。
在第二步骤中，操作部分19根据自接收部分18提供的操纵信号，确定需被提供给控制阀的先导信号压力，并且输出部分20向电子比例阀13输出对应于所确定的先导信号压力的控制信号。
在第三步骤中，控制器17的接收部分18接收由泵压力传感器检测到的泵压力信号以及由位移传感器检测到的控制阀切换位置的位移信号。
在第四步骤中，控制器17的操作部分19将该泵压力信号和位移信号同存储在存储器21中的数据进行比较，并且判定控制阀3是否处于正常操作。
优选地，参考数据包括，相对于先导信号压力变化的控制阀切换位置的位移21a，以及，相对于先导信号压力变化的泵压力变化21b。尽管未说明，但是，相对于控制阀切换位置的泵压力变化也可以用作参考数据，取代相对于先导信号压力的泵压力变化21b。优选地，泵压力变化处于最大泵压力和最小泵压力之间的范围内，该最大泵压力和最小泵压力是通过考虑控制阀3的工作容限而确定的。
如果在同当前先导信号压力的参考数据进行比较的控制阀3的切换位置和泵压力这两者中均发现误差，则控制器17判定控制阀3未处于正常操作。
在第五步骤中，如果发现控制阀3未处于正常操作，则控制器17向电子比例阀13输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀3的切换位置。
根据本发明的液压控制回路及其方法，如果阀芯由于控制阀3上的流动力而未与控制杆14的操纵变量成比例地移动并且过载被施加在液压泵1上，则控制器17检测泵压力信号和控制阀的位移信号，并且通过反馈控制驱动电子比例阀13，以便于调节控制阀3的切换位置。这样，过载不再施加到液压泵1，并且控制阀3根据控制杆14的操纵平稳地工作，导致了控制杆14的可操纵性的改善。
总之，根据本发明的液压控制回路，通过使用反馈控制调节控制阀的切换位置，并且防止在液压泵上出现过载，可以稳定地维持回路压力。由于稳定地维持了回路压力，因此致动器的性能变得更加有效和准确，并且可以减小由于过载而引起的发热和能量损耗。
此外，即使在控制阀由于控制阀上的流动力的影响而未与控制杆的操纵变量成比例地操作时，通过使用反馈控制调节控制阀的切换位置，也可以容易地解决该异常操作问题。由此，可以提高控制阀的可操纵性，并且液压控制可以根据准确地执行。
尽管结合多种实施例描述了本发明，但是它们仅是说明性的。因此，根据前面的详细描述，对于本领域的技术人员而言，许多替换方案、修改方案和变化方案是将是显而易见的。前面的描述目的在于涵盖所有处于附属权利要求的精神和广泛范围内的该替换方案和变化方案。

Claims (10)

1.一种液压控制回路，用于通过控制来自液压泵的受压流体驱动致动器，该液压控制回路包括：
控制杆，用于根据操纵变量产生操纵信号；
控制阀，其安装在连接液压泵和致动器的供给线上，并且由先导信号压力驱动，用于控制自液压泵传递到致动器的受压流体的流量；
位移传感器，其安装在控制阀的末端，用于检测控制阀的切换位置；
泵压力传感器，其安装在供给线上，用于检测施加到液压泵的泵压力；
至少一个电子比例阀，其由外部控制信号驱动，用于向控制阀提供先导信号压力；以及
控制器，用于接收来自控制杆的操纵信号，以确定待提供给控制阀的先导信号压力，向一个或多个电子比例阀输出相应的控制信号，接收来自位移传感器和泵压力传感器的信号，并将该信号同预存的参考数据比较，并且向一个或多个电子比例阀输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀的切换位置。
2.权利要求1的液压控制回路，其中如果在同当前先导信号压力的参考数据进行比较的控制阀切换位置和泵压力中这两者均发现误差，则控制器向一个或者多个电子比例阀输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀的切换位置。
3.权利要求2的液压控制回路，其中参考数据包括，相对于先导信号压力变化的控制阀切换位置的位移，以及相对于先导信号压力变化的泵压力变化。
4.权利要求2的液压控制回路，其中参考数据包括，相对于先导信号压力变化的控制阀切换位置的位移，以及相对于控制阀位移的泵压力变化。
5.权利要求3或4的液压控制回路，其中作为参考数据而存储的泵压力变化处于最大泵压力和最小泵压力之间的范围内，该最大泵压力和最小泵压力是通过考虑控制阀的工作容限而确定的。
6.一种液压控制方法，用于通过借助于遵循控制杆操纵的电子比例阀操作控制阀，并且控制自液压泵排放的受压流体，其中该方法包括以下步骤：
接收由控制杆根据操纵变量而产生的操纵信号；
根据该操纵信号，确定待提供到控制阀的先导信号压力，并且向电子比例阀输出相应的控制信号；
接收来自检测施加到液压泵的泵压力的泵压力传感器的信号以及来自检测控制阀切换位置的位移传感器的信号；
将来自泵压力传感器和位移传感器的信号同预存的参考数据比较，并且判定控制阀是否处于正常操作；以及，
如果控制阀未处于正常操作，则向电子比例阀输出行程误差校正控制信号，用于调节控制阀的切换位置。
7.权利要求6的方法，其中在用于判定控制阀的操作状态的步骤中，如果在同当前先导信号压力的参考数据进行比较的控制阀切换位置和泵压力这两者中均发现误差，则控制阀的操作不是正常的。
8.权利要求7的方法，其中参考数据包括，相对于先导信号压力变化的控制阀切换位置的位移，以及相对于先导信号压力变化的泵压力变化。
9.权利要求7的方法，其中参考数据包括，相对于先导信号压力变化的控制阀切换位置的位移，以及相对于控制阀位移的泵压力变化。
10.权利要求8或9的方法，其中作为参考数据而存储的泵压力变化处于最大泵压力和最小泵压力之间的范围内，该最大泵压力和最小泵压力是通过考虑控制阀的工作容限而确定的。
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