CN204493301U - 基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及流体传动与控制领域，旨在提供基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路。该基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，包括供油系统、高速开关阀组、电子控制单元和执行器；供油系统包括发动机、阀配流柱塞泵、高压舱、转速转角传感器、温度传感器、压力传感器、先导比例溢流阀、蓄能器和安全阀，高速开关阀组设置执行器的油口上，能通过电子控制单元分别控制执行器与高压舱、执行器与油箱之间油液的通断。本实用新型将高压共轨方法和数字液压技术相结合，不仅提高了液压系统的工作压力，进一步发挥了液压传动功率密度大的优势，而且利用高速开关阀作为唯一的控制阀使液压系统简单易控，同时系统的效率也得到提高。

Description

基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路

技术领域

本实用新型是关于机、电、液控制技术为特征的流体传动与控制领域，特别涉及基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路。

背景技术

现有的工程机械多采用传统的模拟液压系统，利用泵开式回路，由一个泵控制多个执行器，泵和执行器之间通过负载敏感阀、比例阀等来控制执行器的动作，由于系统的工作压力一般在25-35MPa之间，导致执行器的尺寸不能太小，故导致整个系统的尺寸不能太小，无法进一步的减小整机的结构尺寸。

在工程机械上，利用数字液压技术进行液压回路的设计目前还处于研究阶段，2010年，有学者在轮式装载机上用高速开关阀组成的数字液压回路替代传统的负载敏感系统，通过仿真研究发现，改进后的系统可以减少33-63％的能量消耗。工程机械具有重载及多执行器的特点，如果能够通过提高液压系统的压力来减小系统流量的需求进而提高液压元件的功率密度比，则可大幅度的减小执行器的尺寸，从而也使工程机械的整体尺寸变得紧凑。

高压共轨是用具有较大容积的共轨舱把高压油泵输送的高压油蓄积起来，并利用电子控制单元，压力传感器，压力调节阀等实现精确的压力控制。目前，高压共轨主要应用在柴油发动机高压共轨燃油电喷系统中，其共轨压力可以达到200MPa，主要目的是将喷射压力和喷射过程完全分开，使高压油压力与发动机转速无关，在通过电子控制单元来控制高速开关阀来调节燃油喷射量，提高燃油效率。

随着数字液压的普及，由高速开关阀组成的数字液压回路受到了越来越多的关注，由于高速开关阀能够对进油口和回油口实现单独的控制，从而能够更加精确的实现速度及位移控制，而且由于高速开关阀没有节流压差，因而从效率上来讲数字液压回路的效率要高于由传统的伺服阀和比例阀组成的液压回路。但当要求高速开关阀的通流能力较大时，其开关的响应时间往往又较慢，生产频响高且流量大的高速开关阀往往是一个难题。然而，如果降低对高速开关阀通流能力的要求，则其可以达到很高的频响，其开关响应时间可以达到毫秒级，所以高速开关阀的发展趋势是小流量高频响阀。高速开关阀的频响越高其控制性能越好，常采用脉宽调制的方法来控制高速开关阀，然而由于脉宽调制对阀的频响要求太高，故比较可行的办法是采用脉数调制，即用很多个小流量高频响的高速开关阀来组成一个大流量的高速开关阀组，通过控制一个阀组中小流量开关阀的开和关的个数来控制其通过的流量，这样就降低了对高速开关阀频响的要求，同时由于小流量高频响的高速开关阀是未来的发展方向，通过脉数控制高速开关阀组的方法具有很大的市场应用价值。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能进一步的提高液压系统的工作压力，提高液压元件的功率密度比的基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路。为解决上述技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，包括供油系统、高速开关阀组、电子控制单元和执行器，所述供油系统包括发动机、阀配流柱塞泵、高压舱、转速转角传感器、温度传感器、压力传感器、先导比例溢流阀、蓄能器和安全阀；所述发动机用于驱动阀配流柱塞泵，阀配流柱塞泵的出油口与高压舱的进油口连接，先导比例溢流阀的回油口与油箱A连接，阀配流柱塞泵的吸油口、吸油滤油器、油箱A依次连接；高压舱的回油口与安全阀的进油口连接，安全阀的回油口与油箱B连接；阀配流柱塞泵和高压舱之间的连接管路上设有先导比例溢流阀、温度传感器、压力传感器、蓄能器，温度传感器、压力传感器、先导比例溢流阀、安全阀、转速转角传感器的控制信号线分别与电子控制单元连接；

所述阀配流柱塞泵用于将油液泵送进高压舱中，获得稳定的高压油液(压力在60MPa以上)；转速转角传感器安装在阀配流柱塞泵的转轴上，用于获得阀配流柱塞泵的转速、转角信息，并将获得的转速、转角信息输入电子控制单元进行监测；所述温度传感器、压力传感器分别用于获得管路中油液的温度、压力，并将获得的温度、压力信息输入电子控制单元进行监测；所述电子控制单元能通过控制先导比例溢流阀，调节高压舱内油液的压力；所述蓄能器用于保证高压舱内油液的压力在先导比例溢流阀设定压力的正负5％之内波动；所述安全阀用于限定高压舱内油液的最高压力，同时防止高压舱内油液压力突然迅速的下降；

所述高速开关阀组设置执行器的油口上，分别用于控制执行器与高压舱、执行器与油箱之间油液的通断；所述高速开关阀组包括至少四个并行连接的小流量高频响高速开关阀，且每个高速开关阀组分别通过线路连接到电子控制单元，电子控制单元通过控制小流量高频响高速开关阀打开的个数，实现对通过高速开关阀组的油液流量的控制，进而控制执行器的动作。

在本实用新型中，所述电子控制单元包括显示器和可编程的PLC。

在本实用新型中，所述安全阀采用卸荷溢流阀，且其卸荷功能通过电子控制单元进行控制。

在本实用新型中，所述小流量高频响高速开关阀采用二位二通阀，且额定流量在1～5L/min范围内。

在本实用新型中，所述发动机采用柴油发动机。

在本实用新型中，所述执行器包括双向运动的执行器、单向运动的执行器；

所述双向运动的执行器的两个油口分别连接有两组高速开关阀组，且每个油口连接的两组高速开关阀组，一组高速开关阀组与高压舱连接，另一组高速开关阀组与油箱连接，即每个油口都设有和高压舱连接的高速开关阀、和油箱连接的高速开关阀；

所述单向运动的执行器的两个油口分别为进油口和回油口，进油口通过一个高速开关阀组与高压舱连接，回油口通过一个高速开关阀组与油箱连接。

在本实用新型中，所述双向运动的执行器包括单杆双作用液压缸、双向定量马达，单向运动的执行器包括单向定量马达。

本实用新型的工作原理：将高压舱蓄积的高压油液通过高速开关阀组输送到各个执行器，同时各个执行器同样的通过高速开关阀组将油液排回油箱；整个液压系统由一个电子控制单元(ECU)控制，通过输入负载期望的运行规律和监测系统运行参数，控制每个高速开关阀组中小流量高速开关阀同时打开的个数，进而控制负载的运动。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过高压共轨方法提高了液压系统的工作压力，从而为降低执行器所需要的流量打下了基础，进一步的提高液压元件的功率密度比，使整个系统变得更加的紧凑。传统的液压系统一般工作于35MPa以下。而本实用新型提出的采用高压共轨的方法，利用阀配流的柱塞泵能够泵送至少60MPa的压力油液，并且利用一个容积较大的高压舱蓄积起来，通过先导式比例溢流阀和蓄能器来调定压力，采用高压共轨的方法，当系统稳定在某一压力时，发动机只需要消耗很少的能量以维持泵转动就行。

2、利用数字液压技术来控制执行器及负载的运动，而不是通过传统的伺服阀或者比例阀来控制。由于采用高速开关阀来控制，没有节流损耗，因而提高了效率，同时提高了系统的可控性。

3、一般的数字液压回路选用脉宽调制的方法进行控制，不仅对阀的频响要求很高，而且容积产生压力波动。本实用新型采用数个小流量高频响高速开关阀组成一个高速开关阀组，通过控制一个阀组中同时打开的小流量高速开关阀的个数来控制通过此阀组的油液量，这样不仅减小了对阀频响的要求，同时也减小了压力波动。

4、传统的工程机械、农业机械多采用负载敏感控制技术，液压系统不仅复杂，而且效率低。本实用新型将高压共轨方法和数字液压技术相结合，不仅提高了液压系统的工作压力，进一步的发挥了液压传动功率密度大的优势，而且利用高速开关阀作为唯一的控制阀使液压系统简单易控，同时系统的效率也得到提高。

附图说明

图1为的液压系统原理图。

图中的附图标记为：1油箱A；2吸油滤油器；3柴油发动机；4阀配流柱塞泵；5先导比例溢流阀；6温度传感器；7压力传感器；8转速转角传感器；9蓄能器；10电子控制单元；11高压舱；12安全阀；13油箱B；14单向定量马达；15双向定量马达；16单杆双作用液压缸；17其他执行器；18.1-18.10高速开关阀组；19.1-19.4小流量高频响高速开关阀。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

如图1所示的基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，包括供油系统、高速开关阀组、电子控制单元10和执行器。通过将高压共轨方法和数字液压回路技术整合到一起：将高压舱11蓄积的高压油液通过高速开关阀组输送到各个执行器，同时各个执行器同样的通过高速开关阀组将油液排回油箱；整个液压系统由一个电子控制单元10(ECU)控制，通过输入负载期望的运行规律和监测系统运行参数，控制每个高速开关阀组中小流量高速开关阀同时打开的个数，进而控制负载的运动。

供油系统包括柴油发动机3、阀配流柱塞泵4、高压舱11、转速转角传感器8、温度传感器6、压力传感器7、先导比例溢流阀5、蓄能器9和安全阀12；供油系统采用了柴油机电喷技术中高压共轨方法，能够产生压力在60MPa以上的稳定的高压油液，并且压力稳定时发动机只用消耗很少的功率保持泵运转即可。

柴油发动机3用来驱动阀配流柱塞泵4、阀配流柱塞泵4的出油口与高压舱11的进油口连接，先导比例溢流阀5的回油口连接到油箱A1，阀配流柱塞泵4的吸油口、吸油滤油器2、油箱A1依次连接，高压舱11的回油口与安全阀12的进油口连接，安全阀12的进油口与油箱B13连接；阀配流柱塞泵4和高压舱11之间的连接管路上设有先导比例溢流阀5、温度传感器6、压力传感器7、蓄能器9，温度传感器6、压力传感器7、先导比例溢流阀5、安全阀12、转速转角传感器8的控制信号线连接到电子控制单元10。

利用阀配流柱塞泵4将高压油液(压力在60MPa以上)泵送进容积较大的高压舱11中，类似于共轨舱。所述电子控制单元10能通过控制先导比例溢流阀5，通过先导式比例溢流阀5来调定系统压力，并利用蓄能器9使高压舱11压力在很小的范围内波动，通过安全阀12来限定高压舱11的安全压力和防止高压舱11压力突然降低。转速转角传感器8安装在阀配流柱塞泵4的转轴上，用于获得阀配流柱塞泵4的转速、转角信息，并将获得的转速、转角信息输入电子控制单元10进行监测。温度传感器6、压力传感器7分别用于获得管路中油液的温度、压力，并将获得的温度、压力信息输入电子控制单元10进行监测。安全阀12采用卸荷溢流阀，且其卸荷功能通过电子控制单元10进行控制。供油系统通过高压共轨的方法为液压系统提供一个稳定的高压油液源，为提高执行器元件的功率密度比打下基础。

高速开关阀组设置执行器的油口上，分别用于控制执行器与高压舱11、执行器与油箱之间油液的通断，通过数字液压技术提高效率。高速开关阀组包括至少四个(根据负载需求而定)并行连接的相同的小流量高频响高速开关阀，这些小流量高频响的高速开关阀的额定流量在1-5L/min的范围内，由于额定流量很小，高速开关阀的开关响应时间可以达到毫秒级；而小流量高频响高速开关阀具有响应时间快，耐高压及通流能力小等特点。每个高速开关阀组分别通过线路连接到电子控制单元10，电子控制单元10通过脉数控制的方法，即控制高速开关阀组中同时打开或者关闭的小流量高频响高速开关阀的个数来控制通过的油液量，进而控制负载的速度、转速、力或者力矩。小流量高频响高速开关阀采用二位二通阀。

此液压系统特别适用于多执行器回路，执行器包括双向运动的执行器、单向运动的执行器；双向运动的执行器包括单杆双作用液压缸16、双向定量马达15，单向运动的执行器包括单向定量马达14。除此之外，由于高速开关阀的开关过程没有节流损耗，故此系统对比传统的伺服阀和比例阀组成的液压系统而言具有更高的效率。

双向运动的执行器的两个油口分别连接有两组高速开关阀组，且每个油口连接的两组高速开关阀组，一组高速开关阀组与高压舱11连接，另一组高速开关阀组与油箱连接，即每个油口都设有和高压舱11连接的高速开关阀、和油箱连接的高速开关阀。例如单杆双作用液压缸16的有杆腔分别与高速开关阀组18.1和高速开关阀组18.2连接，高速开关阀组18.1又与油箱A1连接，控制有杆腔与油箱A1之间油液的通断，高速开关阀组18.2又与高压舱11连接，负责有杆腔与高压舱11之间油液的通断；单杆双作用液压缸16的无杆腔分别与高速开关阀组18.3和高速开关阀组18.4连接，分别负责无杆腔与高压舱11之间油液的通断、无杆腔与油箱A1之间油液的通断。所有的阀组都通过电子控制单元10进行控制，如需要液压缸活塞杆向左运动并增大输出力，则需要根据负载速度要求控制高速开关阀组18.3中的n(n＝3,4,……)个小流量高频响高速开关阀19打开，同时需要打开高速开关阀组18.1中的m个小流量高频响高速开关阀19打开，其中必须满足n>m,这样才能增大输出力，当需要变化速度或者改变输出力的时候，只需要通过电子控制单元10改变n和m的数值，即可以得到理想的速度或者力输出曲线。若要驱动活塞杆向右运动，这时需要控制高速开关阀组18.2及高速开关阀组18.4中打开的小流量高频响高速开关阀19的个数，通过改变个数的大小，同样的也可以达到所需要的负载速度或力输出曲线。对于双向定量马达15，其控制方法类似与单杆双作用液压缸16。

单向运动的执行器的两个油口分别为进油口和回油口，进油口通过一个高速开关阀组与高压舱11连接，回油口通过一个高速开关阀组与油箱A1连接。例如单向定量马达14的进油口通过一个高速开关阀组18.9与高压舱11连接，控制其与高压舱11之间油液的通断，单向定量马达14的回油口通过另一个高速开关阀组18.10与油箱A1连接，控制其与油箱A1之间油液的通断。通过控制高速开关阀组18.9与高速开关阀组18.10中打开的小流量高频响高速开关阀19的个数，来调节单向定量马达14进油口与回油口之间的压差，从而使马达的输出力矩产生变化，同时改变进油口的打开的小流量高频响高速开关阀19的个数，也改变了单向定量马达14的输入流量，使其转速发生变化。故通过改变高速开关阀组18.9及高速开关阀组18.10中打开的小流量高频响高速开关阀19的个数，即可改变单向定量马达14的转速及转矩，使其按照负载的需求而变化。

另外，电子控制单元10可采用显示器加可编程的PLC组成。

综上所述，本实用新型将高压共轨方法及数字液压技术相结合，不仅提高了液压系统的压力(超过60MP)，提高液压元件的功率密度比，使整个液压系统更加的紧凑，同时提高了系统的效率。而且通过提高压力，在输出相同功率的前提下使负载所需要的流量变小，从而使小流量高频响的高速开关阀组成的高速开关阀组能够应用于此类液压回路中，并且由于高速开关阀良好的可控性，使其能够达到更好的控制效果。

本实用新型在工作时：

首先系统升压，达到指定的压力：阀配流柱塞泵4将油液泵送到高压舱11，此时高速开关阀组全部处于常闭状态，将先导式比例溢流阀5的溢流压力调定到指定压力，随着高压舱11油液的增多，油液压力逐渐上升，观察压力传感器7当达到指定压力时，泵送的油液从先导式比例溢流阀5溢出，此时柴油发动机3只需消耗少部分能量维持泵低速运转即可。安全阀12用来限制高压舱11油液的最大压力，同时当油液压力突然下降时(高压油管道或者高压舱11出现了泄露)，电子控制单元10能够控制安全阀12及时打开进行卸荷。转速转角传感器8，温度传感器6等用来监测液压系统运行的参数，以用来进行效率的评估。

每个高速开关阀组由数个小流量高频响高速开关阀19组成，具体的数量要依据实际工况下，负载所需要的最大工作流量来定。每个小流量高频响高速开关阀19可以达到很高的频响，其开关时间可以再1ms以内，故其控制性能优越，将数个小流量高频响高速开关阀19并联起来组成一个高速开关阀组，就相当于一个大流量的高速开关阀，而且由于采用脉数控制的方法即控制同时打开的小流量高频响高速开关阀19的个数来调节流入或流出高速开关阀组的流量，从而高速开关阀组不仅具有较大的流量同时也兼具较高的开关速度，而传统的高速开关阀在大流量的情况下往往达不到毫秒级的开关速度，故采用这种方法：即利用数个并联的小流量高速开关阀来组成一个大流量高速开关阀，并利用脉数控制的方法，就可以得到一个相当于即具有大流量同时响应又快的高速开关阀。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，包括供油系统、高速开关阀组、电子控制单元和执行器，其特征在于，所述供油系统包括发动机、阀配流柱塞泵、高压舱、转速转角传感器、温度传感器、压力传感器、先导比例溢流阀、蓄能器和安全阀；所述发动机用于驱动阀配流柱塞泵，阀配流柱塞泵的出油口与高压舱的进油口连接，先导比例溢流阀的回油口与油箱A连接，阀配流柱塞泵的吸油口、吸油滤油器、油箱A依次连接；高压舱的回油口与安全阀的进油口连接，安全阀的回油口与油箱B连接；阀配流柱塞泵和高压舱之间的连接管路上设有先导比例溢流阀、温度传感器、压力传感器、蓄能器，温度传感器、压力传感器、先导比例溢流阀、安全阀、转速转角传感器的控制信号线分别与电子控制单元连接；

所述阀配流柱塞泵用于将油液泵送进高压舱中，获得稳定的高压油液；转速转角传感器安装在阀配流柱塞泵的转轴上，用于获得阀配流柱塞泵的转速、转角信息，并将获得的转速、转角信息输入电子控制单元进行监测；所述温度传感器、压力传感器分别用于获得管路中油液的温度、压力，并将获得的温度、压力信息输入电子控制单元进行监测；所述电子控制单元能通过控制先导比例溢流阀，调节高压舱内油液的压力；所述蓄能器用于保证高压舱内油液的压力在先导比例溢流阀设定压力的正负5％之内波动；所述安全阀用于限定高压舱内油液的最高压力，同时防止高压舱内油液压力突然迅速的下降；

所述高速开关阀组设置执行器的油口上，分别用于控制执行器与高压舱、执行器与油箱之间油液的通断；所述高速开关阀组包括至少四个并行连接的小流量高频响高速开关阀，且每个高速开关阀组分别通过线路连接到电子控制单元，电子控制单元通过控制小流量高频响高速开关阀打开的个数，实现对通过高速开关阀组的油液流量的控制，进而控制执行器的动作。

2.根据权利要求1所述的基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，其特征在于，所述电子控制单元包括显示器和可编程的PLC。

3.根据权利要求1所述的基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，其特征在于，所述安全阀采用卸荷溢流阀，且其卸荷功能通过电子控制单元进行控制。

4.根据权利要求1所述的基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，其特征在于，所述小流量高频响高速开关阀采用二位二通阀，且额定流量在1～5L/min范围内。

5.根据权利要求1所述的基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，其特征在于，所述发动机采用柴油发动机。

6.根据权利要求1所述的基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，其特征在于，所述执行器包括双向运动的执行器、单向运动的执行器；

所述双向运动的执行器的两个油口分别连接有两组高速开关阀组，且每个油口连接的两组高速开关阀组，一组高速开关阀组与高压舱连接，另一组高速开关阀组与油箱连接，即每个油口都设有和高压舱连接的高速开关阀、和油箱连接的高速开关阀；

所述单向运动的执行器的两个油口分别为进油口和回油口，进油口通过一个高速开关阀组与高压舱连接，回油口通过一个高速开关阀组与油箱连接。

7.根据权利要求6所述的基于高压共轨舱的多执行器重载数字液压回路，其特征在于，所述双向运动的执行器包括单杆双作用液压缸、双向定量马达，单向运动的执行器包括单向定量马达。