CN202971435U - 基于can总线的多路换向多级调节液压系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，包括液压缸驱动承载子系统、多路换向模块化子系统、CAN总线控制子系统和水平对置双级活塞发动机动力装置，所述水平对置双级活塞发动机动力装置与所述液压缸驱动承载子系统连接，所述多路换向模块化子系统与所述液压缸驱动承载子系统连接，所述CAN总线控制子系统分别与所述多路换向模块化子系统连接。本实用新型的有益效果是：大大降低了制造成本，维护检测费用大大减少；功能选择大大提高；系统油温温度控制方便，保证了油液清洁度；各个实时监控模块对液压各路系统进行监控和自我修复，实现了液压系统的电液信一体化控制。

Description

基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统

技术领域

本实用新型涉及机械液压系统领域，具体为一种可以应用于各类车辆与工程机械相结合的基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统。

背景技术

现有由发动机、变量液压泵、变量液压马达及行走机构组成的负荷驱动系统是一个多变量的复杂系统。为使该系统在任何状态下都有最佳的性能输出，必须对该系统进行控制，这必然会影响多路换向的液压系统运作效果。目前，大量的研究完善的只是对液压泵，马达本身的压力和排量进行控制。当各元件组成一个系统时，为达到最佳性能和工作寿命及制造成本的控制目标和控制方式，均需要从发动机性能，液压传动和车辆理论方面进行综合研究才能得出结论，而这一研究的成果还很少，暂时无法解决现有技术中存在的技术问题。

CAN总线能够对分布式控制系统和过程式控制系统进行简洁而有效支配，其优势在于自动管理化和系统分散化。在各种复杂系统运作的过程中有着卓越的特性及极高的可靠性。特别是对液压系统的多路运作时，进行多级调节，机械效率将可以大大提升。最重要的是CAN总线系统的经济效益好，启动成本低，且能够大大简化各种复杂线路，运作维护费用低，节约成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对以上所述现有技术存在的不足，提供一种功能更优、控制管理化、制造成本低、维护费用低、工程机械效率更高且灵活多变开放模式，可适用于各种车辆与工程机械相结合的基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统。

本实用新型是这样实现的：基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，包括液压缸驱动承载子系统、多路换向模块化子系统、CAN总线控制子系统和水平对置双级活塞发动机动力装置，所述水平对置双级活塞发动机动力装置与所述液压缸驱动承载子系统连接，用于提供动力，所述多路换向模块化子系统与所述液压缸驱动承载子系统连接，用于调控所述液压缸驱动承载子系统，所述CAN总线控制子系统分别与所述多路换向模块化子系统连接，用于进行模块化控制。所述水平对置双级活塞发动机动力装置作为动力源，对系统中的液压泵提供能量；然后带动液压缸驱动承载子系统，通过两个三位四通电磁换向阀控制工程机械作为前、后支腿的前单活塞杆缸和后单活塞杆缸的运动，与此同时，CAN总线控制子系统控制的多路换向模块化子系统就会对工程机械各个外部输出进行多级调节，使得整个工程液压系统在运作过程中平稳，合理，有效进行。因此，基于CAN总线控制的多路换向多级调节工程机械液压系统可以制造得更简单，结构清晰，成本更低，模块系统合理分配，使得效率更高，节约能源，更加符合绿色节能环保的需求。

所述CAN总线控制子系统，包括信息采集模块，CAN总线协议和ECU控制单元，所述信息采集模块为安装在多路换向模块化子系统中的压力传感器和流量传感器，安装在水平对置双级活塞发动机动力装置中的转速传感器和油温传感器；所述信息采集模块与所述ECU控制单元连接，通过CAN总线把各个模块统一起来，实现点对点，一点对多点及全局控制方式；用一种简洁，快速，实时反馈对各个执行元件进行有效支持分布式控制和过程式控制。

所述液压缸驱动承载子系统，其包括油箱、过滤器、双活塞发动机、定量液压泵、三位四通电磁换向阀、液压锁、前单活塞杆缸、后单活塞杆缸；所述邮箱通过过滤器与所述双活塞发动机连接，所述双活塞发动机通过定量液压泵和由CAN总线控制的三位四通电磁换向阀与前单活塞杆缸和后单活塞杆缸连接；所述两个前单活塞杆缸和两个后单活塞杆缸均为并联油路控制，分别由液压锁双向锁紧。液压锁运作时，系统的油源为双活塞发动机输出传动箱的输出轴驱动的定量液压泵，发动机可以为整个液压系统提供全部动力，液压泵的最高压力由溢流阀设定。液压油经过油路进入由CAN总线控制的三位四通电磁换向阀，控制作为前、后支腿的前单活塞杆缸和后单活塞杆缸，用来支承工程机械车身和加载的负载，消除运作时对车轮的损伤。其中两个前单活塞杆缸和两个后单活塞杆缸均为并联油路控制，分别由液压锁双向锁紧。截止阀和压力指示器对油路进行实时监控。协调合理的运作使得液压系统平稳，安全，高效进行。

所述液压缸驱动承载子系统中还设置用于与ECU控制单元连接的压力传感器和压力指示器。

所述多路换向模块化子系统，其包括回转模块，伸缩模块，变幅模块，制动模块和起升模块，所述回转模块由三位四通电磁换向阀和与所述三位四通电磁换向阀连接的回转马达组成；所述伸缩模块由双作用单活塞杆的伸缩缸、可调节流阀、溢流阀、单向阀和三位四通电磁换向阀组成，所述伸缩缸通过可调节流阀、溢流阀和单向阀与所述三位四通电磁换向阀；所述变幅模块由双作用单活塞杆的变幅缸、溢流阀、可调节流阀、单向阀和三位四通电磁换向阀组成，所述变幅缸通过溢流阀、可调节流阀和单向阀与三位四通电磁换向阀；所述制动模块由制动缸、压力传感器、可调节流阀和单向阀组成，所述制动缸通过可调节流阀与所述三位四通电磁换向阀连接，且设置有与所述可调节流阀并联的单向阀，还有压力传感器，所述制动缸为弹簧复位单作用液压缸；所述起升模块由起升马达，单向阀，可调节流阀，溢流阀和三位四通电磁换向阀组成，所述起升马达通过单向阀，可调节流阀和溢流阀与三位四通电磁换向阀连接。系统的执行元件分为模块化，各个模块的启动，停止和换向都是用CAN总线控制子系统进行多级调节。可以顺序操作，多路操作，也可以单独操作。在运作过程中，基于CAN总线控制子系统会对油路情况进行实时监控，对各个模块的开度多级调节，达到效率利用最大化，减少损失，节能高效。

所述水平对置双级活塞发动机，由一级直动连杆齿轮式的主动活塞系统和与所述主动活塞系统相对应的一级旋转式的辅助活塞系统组合而成，所述主动活塞系统和与其相配合的所述辅助活塞系统设有四对，且水平对置的方式，每个缸体内有一组动活塞系统和辅助活塞系统组成的双级活塞。主动活塞做功同时，辅助活塞旋转往返运动配合主动活塞，形成一种新型的双级活塞运动方式。双级活塞同时做功，包括同时进气、同时压缩、同时燃烧、同时排气四个冲程，在新型的运动组合方式，使得高能量下气体利用充分，功率增加，节能高效。同时，一级旋转式辅助活塞系统搭载发动机的进气系统，通过旋转连杆，同步控制着发动机进气，与整个双级活塞系统形成一体，系统之间相互配合，高效节能，符合绿色节能需求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：提供了在CAN总线控制子系统支持下对液压系统的各个多路换向模块进行有效支持分布式控制和整体式实时控制；在ECU伺服控制中，信号控制电磁伺服换向阀既是信号元件，又是功率放大元件；伺服换向阀将控制系统中的电气部分与液压部分连接起来，从而实现电液信号的转换和放大，对液压执行元件进行控制；通过CAN总线把各个执行模块和控制模块连接，大大降低了制造成本，维护检测费用大大减少；在CAN总线控制下，可以多主方式工作，支持有效分布式控制和整体式实时控制；整个工程机械液压系统分成各个模块，进行模块化管理，同时各个模块可以按照用户需求进行组装和制造，功能选择大大提高；系统中各类传感器和伺服系统准确地控制和反馈液压系统的实时情况；设置单独的散热、加热、过滤回路，系统油温温度控制方便，保证了油液清洁度；把CAN现场总线运用在液压系统是本实用新型的创新点，同时用过ECU控制单元控制各个系统，通过PID模糊算法和脉冲信号进行准确控制，各个实时监控模块对液压各路系统进行监控和自我修复，实现了液压系统的电液信一体化控制。

附图说明：

图1为本实用新型基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统的系统示意图；

图2为基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统中液压缸驱动承载子系统的系统示意图；

图3为基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统中多路换向模块化子系统的系统示意图；

图4为基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统中CAN总线控制子系统的原理框图；

图5为基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统中水平对置双级活塞发动机动力装置的立体结构图；

图6为基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统中水平对置双级活塞发动机动力装置的剖视图（A为主动活塞系统、B为辅助活塞系统、C为进气控制系统）。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细的描述说明。

基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，如图1所示，包括液压缸驱动承载子系统、多路换向模块化子系统、CAN总线控制子系统和水平对置双级活塞发动机动力装置，所述水平对置双级活塞发动机动力装置与所述液压缸驱动承载子系统连接，用于提供动力，所述多路换向模块化子系统与所述液压缸驱动承载子系统连接，用于调控所述液压缸驱动承载子系统，所述CAN总线控制子系统分别与所述多路换向模块化子系统连接，用于进行模块化控制。通过水平对置双级活塞发动机动力装置带动双向定量液压泵5工作，液压油经过过滤器2，首先进入前后支腿模块，经过两个三位四通电磁换向阀（8,15）改变液压油流向，进而控制前后支腿双作用单活塞杆缸，同时由两个液压锁对单活塞杆缸进行双向锁止。液压油经过前后支腿模块系统后，进入多路换向模块化子系统。每一个模块都通过三位四通电磁换向阀进行整体实时控制，信号全部连接到CAN总线上，ECU控制单元对各个模块系统进行精确和有效控制。最终实现各个系统有效分布式控制和整体式实时监控，使得各个系统不仅可以独立运转，还可以共同协调运作；实现点对点，一点对多点，全局控制的运作。

所述液压缸驱动承载子系统，如图2所示，包括油箱1，过滤器2，截止阀3，双级活塞发动机4，双向定量液压泵5，比例溢流阀6，流量传感器7，三位四通电磁换向阀（8，15），液压单向控制阀(9,10,11,12,16,17,18,19)，前支腿双作用单活塞杆缸（13，14），后支腿双作用单活塞杆缸（20，21），截止阀22和压力指示器23，压力传感器53。双向定量液压泵在双级活塞发动机的曲轴箱输出取力，定量泵工作，液压油从油箱流入管道。经过过滤器和截止阀出来，流入前后支腿模块。通过三位四通电磁换向阀控制液压油的流向，进而达到控制两个支腿的双作用单活塞杆缸，从而控制前后支腿的活动。ECU控制单元，会根据流量传感器和压力传感器对油路变化进行实时监控，运用PID模糊算法和脉冲宽度来准确控制换向时机，实现行走工程机械的前后支腿精确控制，减少了反馈时间，使得执行元件的灵敏度大大提升。在每一个支腿模块中，通过两个液压控制单向阀来组成液压锁而进行双向锁止，保证前后支腿双作用单活塞杆缸安全运行。

所述液压缸驱动承载子系统的回油模块，如图2所示，由单向阀49，带污染指示过滤器50，冷却器51和温度传感器52组成。液压油先后经过前后支腿模块，多路换向模块，最后回流油箱。由于所述工程机械液压系统中，伺服阀是属于高精度液压元件，对油液污染特别敏感，因此系统主油路采用两级过滤。第一级过滤采用大容量的粗过滤器2，第二级过滤采用高精度过滤器50，满足伺服阀对油液污染的要求。同时，为了延长主油路过滤器的使用寿命，控制油箱污染程度，在加热散热回路中，又设置两级过滤，过滤器设置同主油路。冷却器和温度传感器主要是检测回油的实时温度，保证油箱的油液满足下一次使用要求。

所述多路换向模块化子系统，如图3所示，包括回转模块系统，伸缩模块系统，变幅模块系统，制动模块系统和起升模块系统。其主要由过滤器24，三位四通电磁换向阀（25，27，33，43），回转液压马达26，单向阀（28，34，40，44，49），溢流阀（29，35，45），可调节流阀（30，36，39，46），压力传感器（31，37，41，47，53），伸缩缸32，变幅缸38，制动缸42，起升马达48，带污染指示过滤器50，冷却器51和温度传感器52组成。油液经过一个过滤器，然后进入每个执行模块。模块的控制为信号伺服阀，信息采集由油路中的压力传感器，流量传感器，温度传感器完成。信号收集之后，通过CAN现场总线的有效分布式支持和整体式控制，ECU控制单元会根据传感器对油路变化进行实时监控，运用PID模糊算法和脉冲宽度来准确控制各个模块，进而对每个执行模块的开度多级调节，达到效率利用最大化，减少损失，节能高效。所述回转模块中，回转马达根据信号伺服阀的控制要求，可以按照ECU控制单元的思路运转。所述伸缩模块中，由油液控制伸缩缸来控制工程机械的执行元件，可调节流阀可以控制伸缩缸的运行速度，控制源是信号伺服阀，单向阀和溢流阀组成了一个保护系统。所述变幅模块跟所述伸缩模块类似，差别在于变幅缸是控制工程机械的幅度变化。所述制动模块中，由可调节流阀来控制油液速度，进而控制制动缸。制动缸的弹簧压力设定，可以保证制动过程的执行。所述起升模块中，起升马达运作控制工程机械的执行元件的升降。通过信号伺服阀来准确控制升降的时机和效果，可调节流阀控制升降的速度。整个多路换向模块化子系统，在ECU控制单元下，通过CAN总线对各类传感器信号进行信息采集之后，实现点对点，一点对多点和全局的控制。各个模块互补干涉影响，实现多路换向，多级调节。使得整个执行模块节能高效，响应迅速，多级调节，控制准确，符合工程机械液压系统工作要求。

所述CAN总线控制子系统，如图4所示，CAN总线技术规范就是一种通信协议，也就是规定CAN节点之间如何完成通信。协议结构分为两层，包括数据链路层和物理层。数据链路层由逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC组成。物理层由物理信号子层PLS和物理介质连接PMA组成。CAN总线把各个模块统一起来，实现点对点，一点对多点及全局控制方式。用一种简洁，快速，实时反馈对各个执行元件进行有效支持分布式控制和过程式控制。

所述工程机械液压系统的动力源，水平对置双级活塞发动机，如图5和图6所示，由一级直动连杆齿轮式的主动活塞系统A和一级旋转式的辅助活塞系统B组合而成，发动机有四对双级活塞水平对置，每个缸体内有一组双级活塞。主动活塞做功同时，辅助活塞旋转往返运动配合主动活塞，形成一种新型的双级活塞运动方式。双级活塞同时做功，包括同时进气、同时压缩、同时燃烧、同时排气四个冲程。新型的运动组合方式，使得高能量下气体利用充分，功率增加，节能高效。同时，一级旋转式辅助活塞系统搭载发动机的进气系统C，通过旋转连杆，同步控制着发动机进气，与整个双级活塞系统形成一体，系统之间相互配合，高效节能，符合绿色节能主题。

所述一级直动连杆齿轮式的主动活塞系统，主要由连杆，曲轴，小齿轮，大齿轮，偏心轮和活塞组成，整个装置水平放置。活塞跟连杆连接，连杆与曲轴链接，小齿轮与偏心轮链接再与大齿轮内啮合。运动时，活塞在缸体往返运动，带动连杆水平往返运动，连杆直推曲轴，曲轴绕着转轴旋转，同时带动小齿轮，小齿轮与大齿轮内啮合运动带动偏心轮转动，最终动力输出。在此过程中，连杆跟曲轴水平链接，带动大小齿轮和偏心轮转动，因此改变了传统活塞连杆曲柄运动方式，连杆没有对活塞造成侧压力，因此活塞在缸体运动没有受到摩擦力，机械损失极少，动力输出大。

所述一级旋转式的辅助活塞系统，主要由旋转活塞，活塞缸套，旋转连杆，活动活塞销，导轨滚珠，滚动轴承组成。整个辅助活塞系统水平放置，与主动活塞系统对置，形成一个完整的双级活塞系统。导轨滚珠安装在活塞缸套上，旋转活塞放在活塞缸套里面，旋转活塞外表面有凹陷螺纹路，导轨滚珠可以沿着螺纹路运动，带动活塞旋转。活塞由于滚珠的存在，改变以往的往返运动，形成边旋转边往返的新型运动组合。旋转连杆通过活动活塞销连接，旋转连杆内开小槽，旋转活塞带动活塞销在连杆的槽内运动。整个运动过程中，旋转活塞运作，连杆由于活塞旋转而旋转，旋转活塞螺纹路导致活塞旋转同时往返运动，最终形成一种新型旋转同时直线往返运动组合。在这种旋转运动方式，使传统的直线往返运动，变成了旋转同时直线往返运动。而且与一级主动活塞系统形成一组双级活塞系统。在发动机四个冲程中，同时进气、压缩、燃烧、排气，使得功率大大提升，运作更加平稳，输出功率高。

所述进气控制系统由进气控制环板、固定螺钉、进气缸体、缸体外壳等组成。整个进气系统与一级旋转式的辅助活塞系统组合而成，配合运动。由于辅助活塞外表面螺纹路，导轨滚珠沿着螺纹路运动，辅助活塞边旋转边往返运动，带动连杆也在旋转。进气控制环板通过固定螺钉安装在旋转连杆上，进气缸体与进气控制挡板组合形成进气系统。进气控制环板有进气口，旋转连杆旋转同时，带动进气控制环板旋转，当旋转活塞运动到最低点的时候，环板进气口刚好落在配合进气口上，两者连通，进气。当旋转活塞远离配合进气口时，环板密封配合进气口，发动机进行压缩、燃烧、排气。导轨滚珠和辅助活塞螺纹路的配合，不仅改变活塞的传统运动，是机械传递更有效，而且控制着进气系统，使得整个一级旋转式的辅助活塞系统和进气控制系统有机结合。

以上所述者，仅为本新型的较佳实施例而已，当不能以此限定本新型实施的范围，即大凡依本新型申请专利范围及新型说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本新型专利涵盖的范围内。

Claims (6)

1.基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，其特征在于：包括液压缸驱动承载子系统、多路换向模块化子系统、CAN总线控制子系统和水平对置双级活塞发动机动力装置，所述水平对置双级活塞发动机动力装置与所述液压缸驱动承载子系统连接，用于提供动力，所述多路换向模块化子系统与所述液压缸驱动承载子系统连接，用于调控所述液压缸驱动承载子系统，所述CAN总线控制子系统分别与所述多路换向模块化子系统连接，用于进行模块化控制。

2.如权利要求1所述的基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，其特征在于：所述CAN总线控制子系统，包括信息采集模块，CAN总线协议和ECU控制单元，所述信息采集模块为安装在多路换向模块化子系统中的压力传感器和流量传感器，安装在水平对置双级活塞发动机动力装置中的转速传感器和油温传感器；所述信息采集模块与所述ECU控制单元连接。

3.如权利要求1所述的基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，其特征在于：所述液压缸驱动承载子系统，其包括油箱、过滤器、双活塞发动机、定量液压泵、三位四通电磁换向阀、液压锁、前单活塞杆缸、后单活塞杆缸；所述邮箱通过过滤器与所述双活塞发动机连接，所述双活塞发动机通过定量液压泵和由CAN总线控制的三位四通电磁换向阀与前单活塞杆缸和后单活塞杆缸连接；所述两个前单活塞杆缸和两个后单活塞杆缸均为并联油路控制，分别由液压锁双向锁紧。

4.如权利要求3所述的基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，其特征在于：所述液压缸驱动承载子系统中还设置用于与ECU控制单元连接的压力传感器和压力指示器。

5.如权利要求1所述的基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，其特征在于：所述多路换向模块化子系统，其包括回转模块，伸缩模块，变幅模块，制动模块和起升模块，所述回转模块由三位四通电磁换向阀和与所述三位四通电磁换向阀连接的回转马达组成；所述伸缩模块由双作用单活塞杆的伸缩缸、可调节流阀、溢流阀、单向阀和三位四通电磁换向阀组成，所述伸缩缸通过可调节流阀、溢流阀和单向阀与所述三位四通电磁换向阀；所述变幅模块由双作用单活塞杆的变幅缸、溢流阀、可调节流阀、单向阀和三位四通电磁换向阀组成，所述变幅缸通过溢流阀、可调节流阀和单向阀与三位四通电磁换向阀；所述制动模块由制动缸、压力传感器、可调节流阀和单向阀组成，所述制动缸通过可调节流阀与所述三位四通电磁换向阀连接，且设置有与所述可调节流阀并联的单向阀，还有压力传感器，所述制动缸为弹簧复位单作用液压缸；所述起升模块由起升马达，单向阀，可调节流阀，溢流阀和三位四通电磁换向阀组成，所述起升马达通过单向阀，可调节流阀和溢流阀与三位四通电磁换向阀连接。

6.如权利要求1所述的基于CAN总线的多路换向多级调节液压系统，其特征在于：所述水平对置双级活塞发动机，由一级直动连杆齿轮式主动活塞系统和与一级直动连杆齿轮式主动活塞系统相对应的一级旋转式辅助活塞系统组合而成，所述一级直动连杆齿轮式主动活塞系统和与其相配合的一级直动连杆齿轮式主动活塞系统设有四对，且水平对置的方式，每个缸体内有一级直动连杆齿轮式主动活塞系统和一级直动连杆齿轮式主动活塞系统组成的双级活塞。

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