數字式負載敏感液壓控制系統及方法與流程

本發明涉及了一種負載敏感液壓系統，特別是一種數字式負載敏感液壓控制系統及方法。

背景技術：

傳統負載敏感液壓系統由變量泵、節流元件、執行器、負載敏感回路組成。負載敏感回路是通過液壓反饋或者電子信號反饋的方式，通過調節變量泵的排量使系統壓力和最大負載壓力之差保持恒定。最大負載壓力的執行器的節流元件兩端壓差恒定，其它執行器的節流元件前有減壓閥以保證兩端壓差恒定，系統通過調節節流元件的開口面積調節流量。傳統負載敏感系統最大優點在于泵的壓力能夠實時適應最高負載壓力的變化，因此壓力損失較小；且這是通過調節液壓泵的排量來實現的，而不是采用溢流閥溢流來實現，因此系統的節流損耗較小。

如圖1所示，傳統負載敏感系統在多執行器系統上也有一些不足：一，對于單泵多執行器系統非最大負載壓力的執行器，存在較大的節流損耗。二，單泵多執行器系統使用功率較大的發動機和變量泵，系統工作中由于多執行器并不同時工作在最大負荷下，變量泵經常工作在較低排量，發動機的負載較低，系統整體效率較低。三，當負載壓力和流量突然增加時，液壓泵的排量增加，輸出壓力增加，由于發動機的大轉動慣量，動態響應慢，發動機輸出轉速和扭矩不能快速適應負載工況的變化。

技術實現要素：

為了解決背景技術中存在的問題，本發明的目的在于提出一種數字式負載敏感液壓控制系統及方法，可適用在工程機械、農業機械等，利用液壓自由活塞發動機解決傳統負載敏感液壓系統動態響應速度慢，效率較低等問題。

本發明采用的技術方案如下：

一、一種數字式負載敏感液壓控制系統：

采用數字式流量源控制多執行器系統，多執行器系統中的每一聯執行器均配備連接各自的數字式流量源，每個數字式流量源經各自的數字負載敏感油路連接并控制執行器的兩端，以此實現每一聯執行器的節能，提高了整體系統的效率。

一方面，單個數字式流量源和數字負載敏感油路組合相比單個大功率發動機和大排量變量泵具備體積小、響應速度快、液壓源效率高、液壓執行器效率高的特點，另一方面能使得多個數字式流量源和數字負載敏感油路組合相比單個大功率發動機仍然具備較低負載時總效率高的優勢。

所述的數字式流量源為具有非連續性輸出波形的流量源。優選的采用pwm波形。

具體實施中，所述的執行器為油缸。

所述的數字式流量源采用液壓自由活塞發動機，數字負載敏感油路包括液壓容腔、三位四通電磁比例閥、液壓缸、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、速度傳感器、負載敏感控制器和負載速度控制器，液壓自由活塞發動機的油液入口連接油箱，液壓自由活塞發動機的油液出口與液壓容腔連接，液壓容腔與三位四通電磁比例閥的閥口p連接，三位四通電磁比例閥的閥口a與液壓缸的無桿腔連接，三位四通電磁比例閥的閥口b與液壓缸的有桿腔連接，三位四通電磁比例閥的閥口t與油箱連接；在三位四通電磁比例閥的閥口p安裝第一壓力傳感器，在三位四通電磁比例閥的閥口a安裝第二壓力傳感器，在三位四通電磁比例閥的閥口b安裝第三壓力傳感器，將第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器連接到負載敏感控制器，負載敏感控制器連接液壓自由活塞發動機的控制端；在液壓缸的活塞桿上安裝速度傳感器，速度傳感器經負載速度控制器與三位四通電磁比例閥連接。

所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器采集實際壓力信號輸入到負載敏感控制器，負載敏感控制器通過pwm信號控制液壓自由活塞發動機的輸出。

所述速度傳感器采集液壓缸的活塞桿的實際速度信號輸入負載速度控制器，負載速度控制器輸出控制三位四通電磁比例閥的位置和開度。

本發明涉及的液壓自由活塞發動機是一種將內燃機和液壓泵集成為一體，以液體為工作介質，利用液流的壓力能實現動力非剛性傳輸的復合動力裝置。它將傳統內燃機驅動變量液壓泵的靜液復合驅動系統中，省去內燃機中將活塞的往復運動轉化為旋轉運動的曲軸組件及變量液壓泵(柱塞泵)中將旋轉運動轉化為液壓泵活塞往復運動的旋轉斜盤組件，而直接將內燃機的活塞與液壓泵的活塞剛性連接組成。

上述液壓自由活塞發動機本質上是一種數字式流量源，負載敏感控制器可以通過pwm信號控制液壓自由活塞發動機的輸出。

二、一種數字式負載敏感液壓控制方法：

采用以下方式分別在負載敏感控制回路和負載速度控制回路進行流量和速度控制：

對于負載敏感控制回路：用第一壓力傳感器采集三位四通電磁比例閥的閥口p的壓力作為系統壓力，用第二壓力傳感器和第三壓力傳感器分別采集三位四通電磁比例閥的閥口a和閥口b的壓力，取閥口a和閥口b的壓力中的較大值作為負載壓力；

當系統壓力與負載壓力之差變大時，通過負載敏感控制器發出輸出信號控制液壓自由活塞發動機減小單個周期內的平均輸出流量，使得液壓容腔的輸入流量變小，而液壓容腔的輸出流量不變；

當系統壓力與負載壓力之差變小時，通過負載敏感控制器發出輸出信號控制液壓自由活塞發動機增大單個周期內的平均輸出流量，使得液壓容腔的輸入流量變大，而液壓容腔的輸出流量不變；

對于負載速度控制回路：當給定速度與用速度傳感器采集到的液壓缸活塞桿的速度之差變小時，通過負載速度控制器輸出信號控制三位四通電磁比例閥減小閥口p的開度，在兩端壓力之差不變的情況下，使得液壓缸活塞桿的速度減小；當給定速度與用速度傳感器采集到的液壓缸活塞桿的速度之差變大時，通過負載速度控制器輸出信號控制三位四通電磁比例閥增大閥口p的開度，在兩端壓力之差不變的情況下，使得液壓缸活塞桿的速度增大。

當液壓缸的活塞桿向外伸出時，通過負載速度控制器控制三位四通電磁比例閥使得閥口p和閥口a相通；當液壓缸的活塞桿向內回縮時，負載速度控制器使三位四通電磁比例閥使得閥口b和閥口t相通；當液壓缸的活塞桿不需要運動時，負載速度控制器使三位四通電磁比例閥處于中位。

所述的負載敏感控制器發出pwm波形的輸出信號到液壓自由活塞發動機，來控制液壓自由活塞發動機輸出流量。

pwm波形的輸出是通過0/1控制輸出流量的數字式流量源。傳統的變量泵的開度是0到1的連續調節。以液壓自由活塞發動機為例，控制信號為1時，輸出正的正弦波流量，控制信號為0時，輸出負的正弦波流量。這種0/1控制輸出流量的方式相比0到1的連續調節應用到負載敏感控制過程中的優勢原理是0/1控制因為輸出只有0和1兩種，抗噪聲能力強，為數字信號控制，無需進行數模轉換。

由此，本發明結合負載敏感控制技術和數字液壓技術的優勢，組成一個數字式的負載敏感控制液壓系統。本發明系統一方面通過系統壓力與負載壓力反饋調節液壓自由活塞發動機的輸出，使系統壓力與負載壓力相適應，另一方面通過液壓缸的速度反饋控制三位四通電磁比例閥的開度來調節負載流量。

如圖2所示，本發明對于多執行器系統，對于每一聯執行器，都配備功率大小匹配的液壓自由活塞發動機和數字負載敏感控制技術，不僅可實現每一聯執行器的節能，而且克服了傳統系統中單個大功率發動機驅動較低負載時效率降低的缺點，提高了整體系統的效率。

本發明的有益效果是：

本發明克服了傳統負載敏感系統中單個大功率發動機驅動較低負載時效率降低的缺點，本發明通過對每一個執行器匹配一個合適的液壓自由活塞發動機，使系統具有以下優勢：

1，液壓源效率高，與傳統發動機變量泵機構相比減少了曲柄連桿機構，提高了機械效率，單泵單執行器系統發動機更好的匹配負載，效率較高；

2，液壓驅動執行器效率高，根據負載敏感技術，系統壓力略高于負載壓力，節流損耗較小；

3，系統響應速度快，液壓自由活塞發動機的活塞慣性小，響應速度快；

4，怠速時可以關閉發動機提高燃油經濟性。

附圖說明

圖1是傳統負載敏感液壓系統原理圖。

圖2是本發明的數字式負載敏感液壓系統原理圖。

圖3是本發明實施例1的具體實施結構圖。

圖4是本發明實施例2的具體實施結構圖。

圖中：1、液壓自由活塞發動機，2、液壓容腔，3-1、第一壓力傳感器，3-2、第二壓力傳感器，3-3、第三壓力傳感器4、負載速度控制器，5、三位四通電磁比例閥，6、液壓缸，7、速度傳感器，8、負載敏感控制器，9、油箱，10、動臂油缸，11、斗桿油缸，12、鏟斗油缸，13、側傾油缸，14、提升油缸。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明具體實施包括液壓自由活塞發動機1、液壓容腔2、三位四通電磁比例閥5、液壓缸6、油箱9、第一壓力傳感器3-1、第二壓力傳感器3-2、第三壓力傳感器3-3、速度傳感器7、負載敏感控制器8和負載速度控制器4，液壓自由活塞發動機1的油液入口連接油箱9，液壓自由活塞發動機1的油液出口與液壓容腔2連接，液壓容腔2與三位四通電磁比例閥5的閥口p連接，三位四通電磁比例閥5的閥口a與液壓缸6的無桿腔連接，三位四通電磁比例閥5的閥口b與作為執行器的液壓缸6的有桿腔連接，三位四通電磁比例閥5的閥口t與油箱9連接；在三位四通電磁比例閥5的閥口p安裝第一壓力傳感器3-1，在三位四通電磁比例閥5的閥口a安裝第二壓力傳感器3-2，在三位四通電磁比例閥5的閥口b安裝第三壓力傳感器3-3，將第一壓力傳感器3-1、第二壓力傳感器3-2和第三壓力傳感器3-3經負載敏感控制器8連接到液壓自由活塞發動機1；在液壓缸6的活塞桿上安裝速度傳感器7，速度傳感器7經負載速度控制器4與三位四通電磁比例閥5連接。

第一壓力傳感器3-1、第二壓力傳感器3-2和第三壓力傳感器3-3采集實際壓力信號輸入到負載敏感控制器8，負載敏感控制器8輸出信號控制液壓自由活塞發動機1的輸出。

速度傳感器7采集液壓缸6活塞桿的實際速度信號輸入負載速度控制器4，負載速度控制器4輸出控制三位四通電磁比例閥5的位置和開度。

上述液壓容腔2內的壓力與流經液壓容腔2的流量具有以下關系：

qc＝qs-ql(2)

其中，ps為液壓容腔的壓力(即系統壓力)，vc為液壓容腔的體積，b為油液有效體積模量，qc為流經(流進或者流出)液壓容腔的流量，qs為液壓自由活塞發動機的輸出流量，ql為流進三位四通電磁比例閥閥口p的流量。

上述三位四通電磁比例閥5中的節流孔兩端的壓力和流經三位四通電磁比例閥5中的節流孔的流量具有以下關系：

其中，q為流經三位四通電磁比例閥5中的節流孔的流量，cd為流量系數，kp1為三位四通電磁比例閥5的開度，kp1∈[0,1]，ap1為三位四通電磁比例閥5中的節流孔最大開口面積，ρ為液壓油的密度，δp為三位四通電磁比例閥5中的節流孔兩端的壓力。

本發明的實施工作過程如下：

對于負載敏感控制回路

第一壓力傳感器3-1采集三位四通電磁比例閥5閥口p的壓力，即系統壓力。第二壓力傳感器3-2和第三壓力傳感器3-3分別采集三位四通電磁比例閥5閥口a和閥口b的壓力，比較得到兩者中的較大值，較大值即負載壓力。

當系統壓力與負載壓力之差變大時，負載敏感控制器8的輸入信號增大，負載敏感控制器8減小輸出信號從而減小液壓自由活塞發動機1一個周期內的平均輸出流量，液壓容腔2的輸入流量變小，而液壓容腔2的輸出流量即負載流量不變，由上述公式(1)(2)可知，系統壓力下降，系統壓力與負載壓力之差變小。

當系統壓力與負載壓力之差變小時，負載敏感控制器8的輸入信號減小，負載敏感控制器8適當的增加輸出信號從而增加液壓自由活塞發動機1一個周期內的平均輸出流量，液壓容腔的輸入流量變大，而液壓容腔的輸出流量即負載流量不變，由上述公式(1)(2)可知，系統壓力上升，系統壓力與負載壓力之差變大。

可見本發明負載敏感控制回路為負反饋控制，使得系統壓力始終與負載壓力相匹配。

上述負載敏感控制器8控制液壓自由活塞發動機1輸出流量的方式為pwm控制。負載敏感控制器8輸出信號的周期不變，通過改變信號的占空比控制液壓自由活塞發動機1一個周期內的平均輸出流量。

對于負載速度控制回路

在系統工作過程中，當給定速度與液壓缸6活塞桿的速度之差變小時，負載速度控制器4的輸入信號變小，負載速度控制器4減小輸出信號來減小三位四通電磁比例閥閥口p的開度，在兩端壓力之差不變的情況下，從上述公式(3)可知，流經三位四通電磁比例閥閥口p的流量減小，從而液壓缸活塞桿的速度減小。

當給定速度與液壓缸6活塞桿的速度之差變大時，負載速度控制器4的輸入信號變大，負載速度控制器4增大輸出信號來增大三位四通電磁比例閥閥口p的開度，在兩端壓力之差不變的情況下，從上述公式(3)可知，流經三位四通電磁比例閥閥口p的流量增大，從而液壓缸活塞桿的速度增大。

另，當液壓缸6的活塞桿向外伸出時，負載速度控制器4使三位四通電磁比例閥5處于左位，使得閥口p和閥口a相通；當液壓缸6的活塞桿向內回縮時，負載速度控制器4使三位四通電磁比例閥5處于右位，使得閥口b和閥口t相通；當液壓缸6的活塞桿不需要運動時，負載速度控制器4使三位四通電磁比例閥5處于中位。

可見，本發明的負載速度控制回路為負反饋系統，使得液壓缸7活塞桿的速度與給定速度相等。

本發明的實施例如下：

實施例1：

將本發明應用于挖掘機的工作裝置中，則如圖3所示，針對動臂油缸10、斗桿油缸11和鏟斗油缸12分別匹配功率大小合適的液壓自由活塞發動機及相應的數字式負載敏感油路。

當動臂油缸10、斗桿油缸11和鏟斗油缸12需要運動時，只需要開啟相應的液壓自由活塞發動機1及控制相應的三位四通電磁閥5。

因此，每個油缸液壓回路中的系統壓力與負載壓力相匹配，又因為液壓自由活塞發動機1的結構優勢，系統整體效率比傳統負載敏感系統高。

如果是采用傳統單個大功率發動機和大排量變量泵驅動三個油缸：系統壓力只能適應負載壓力最高的油缸，系統壓力與其他兩個油缸的負載壓力之差較大，非最高負載的這兩個油缸前的控制閥的節流損耗較大；由于三個油缸并不總是同時處于最大工況下，大功率發動機和大排量變量泵的整體輸出功率較低，因此大功率發動機和大排量變量泵的整體效率較低。

而本實施例中對三個油缸各匹配一個功率大小合適的液壓自由活塞發動機和相應的數字負載控制油路。三個液壓自由活塞發動機出口的系統壓力能適應三個油缸的負載壓力，系統節流損耗較小；三個油缸的運動分別由各自的液壓自由活塞發動機和相應的數字負載控制油路控制，液壓自由活塞發動機的額定功率與油缸的最大工況相匹配，因此液壓自由活塞發動機的整體效率較高，在怠速時還能關閉液壓自由活塞發動機提高燃油經濟性。

實施例2：

將本發明應用于輪式裝載機的工作裝置中，則如圖4所示，針對側傾油缸13或提升油缸14分別匹配功率大小合適的液壓自由活塞發動機及相應的數字式負載敏感油路。

當側傾油缸13或提升油缸14需要運動時，只需要開啟相應的液壓自由活塞發動機1及控制相應的三位四通電磁閥5。因此，每個油缸液壓回路中的系統壓力與負載壓力相匹配，又因為液壓自由活塞發動機1的結構優勢，系統整體效率比傳統負載敏感系統高。

如果是采用傳統單個大功率發動機和大排量變量泵驅動兩個油缸：系統壓力只能適應負載壓力較高的油缸，系統壓力與另一個油缸的負載壓力之差較大，較低負載的這個油缸前的控制閥的節流損耗較大；由于兩個油缸并不總是同時處于最大工況下，大功率發動機和大排量變量泵的整體輸出功率較低，因此大功率發動機和大排量變量泵的整體效率較低。

而本實施例中對兩個油缸各匹配一個功率大小合適的液壓自由活塞發動機和相應的數字負載控制油路。兩個液壓自由活塞發動機出口的系統壓力能適應兩個油缸的負載壓力，系統節流損耗較小；兩個油缸的運動分別由各自的液壓自由活塞發動機和相應的數字負載控制油路控制，液壓自由活塞發動機的額定功率與油缸的最大工況相匹配，因此液壓自由活塞發動機的整體效率較高，在怠速時還能關閉液壓自由活塞發動機提高燃油經濟性。

上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。