液压控制系统和方法 |
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| 申请号 | CN201580007033.1 | 申请日 | 2015-02-03 | 公开(公告)号 | CN105960493B | 公开(公告)日 | 2019-08-02 |
| 申请人 | 卡特彼勒环球矿业有限责任公司; | 发明人 | M·比特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种液压控制系统(116)，其包括闭环液压回路(164)，闭环液压回路(164)包括至少一个 液压 马 达 (130)。多个可变 排量 泵 (140A、140B)在闭环液压回路(164)中并联 流体 连接。所述多个液压 致动器 (142A、142B)被配置成调节可变排量泵(140A、140B)的排量。导向 阀 组件(143)被配置成向液压致动器(142A、142B)提供具有与可变排量泵(140A、140B)的期望排量相应的导向压 力 的液压流体。压力调节装置(146)被配置成当闭环液压回路(164)中的工作压力达到最大容许工作压力时，限制提供给液压致动器(142A、142B)的液压流体的导向压力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种液压控制系统(116)，其包括： |
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| 说明书全文 | 液压控制系统和方法技术领域背景技术[0002] 液压机，例如液压挖掘机，使用发动机来驱动液压泵，从而向液压机的多个液压回路提供液压动力。每个液压回路可包括一个或多个致动器，例如液压缸和/或液压马达。多个液压致动器中的每一者均可需要来自一个或多个液压泵的液压流体流来操作关联的液压缸或液压马达。每一个液压致动器所需要的流量根据操作员的输入而变化。可以控制液压泵，以向液压系统提供多个液压致动器中的每一者所需要的液压流。 [0003] 在一些系统中，所述多个液压回路包括闭环液压回路。所述闭环液压回路可包括一个或多个液压马达，所述一个或多个液压马达由在所述闭环液压回路中并联流体连接的多个可变排量泵提供所需要的流量。已经采用了各种控制系统来控制闭环液压回路中的多个可变排量泵。 [0004] 本发明的系统和方法至少部分地旨在改善已知系统。 发明内容[0005] 一方面，本发明涉及一种液压控制系统。所述液压控制系统包括闭环液压回路，所述闭环液压回路包括至少一个液压马达。多个可变排量泵在所述闭环液压回路中并联流体连接，并且配置为向所述至少一个液压马达提供加压的液压流体。多个液压致动器中的每一者与所述多个可变排量泵中的一者关联，所述多个液压致动器配置为调节所述关联的可变排量泵的排量。导向阀组件配置为向所述多个液压致动器中的每一者提供具有导向压力的液压流体，所述导向压力对应于多个可变排量泵中每一个的所期望排量。压力调节装置配置为当闭环液压回路中液压流体的工作压力达到最大容许工作压力时，限制提供到所述多个液压致动器的液压流体的导向压力。 [0006] 在本发明的另一方面，一种机器包括发动机和液压控制系统。所述液压控制系统包括闭环液压回路，所述闭环液压回路包括至少一个液压马达。多个可变排量泵在所述闭环液压回路中并联流体连接，并且配置为向所述至少一个液压马达提供加压的液压流体。多个液压致动器中的每一者与所述多个可变排量泵中的一者关联，多个液压致动器配置为调节所述关联的可变排量泵的排量。导向阀组件配置为向所述多个液压致动器中的每一者提供具有导向压力的液压流体，所述导向压力对应于多个可变排量泵中每一个的所期望排量。压力调节装置配置为当闭环液压回路中液压流体的工作压力达到最大容许工作压力时，限制提供到所述多个液压致动器的液压流体的导向压力。所述多个可变排量泵配置为由所述发动机提供动力。 [0007] 在本发明的又一方面，一种操作在闭环液压回路中并联流体连接并配置为向至少一个液压马达提供加压的液压流体的多个可变排量泵的方法，包括：向与所述多个可变排量泵关联的多个液压致动器中的每一者提供具有导向压力的液压流体，所述导向压力对应于多个可变排量泵中每一个的所期望排量。所述方法进一步包括：当闭环液压回路中液压流体的工作压力达到最大容许工作压力时，限制提供到所述多个液压致动器的液压流体的导向压力。 附图说明[0009] 图1是根据本发明的示例性实施例的机器的示意图； [0010] 图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的液压控制系统； [0011] 图3是示出图2的液压控制系统的示例性操作的细节的示意图；以及[0012] 图4是示出图2的液压控制系统的示例性操作的细节的另一示意图。 具体实施方式[0013] 下文是本发明的示例性实施例的详细说明。本文描述的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域的技术人员能够在许多不同的环境并且针对许多不同的应用实施和使用本发明。因此，所述示例性实施例并不旨在，而且也不应当视为保护范围的限制性描述。相反，保护范围应当由所附的权利要求书限定。 [0014] 本发明可部分地基于该认识，即当多个可变排量泵在闭环液压回路中并联流体连接时，以同步的方式控制多个可变排量泵是必要的。因此，同时改变所述多个可变排量泵的排量，优选地以简单且有成本效益的方式，是必要的。 [0015] 此外，本发明可部分地基于该认识，即确保多个可变排量泵中的每一者所排出的液压流体的压力不超过可损害液压系统的规定的系统压力，是必要的。在这方面，提供一种同时限制多个可变排量泵中每一个的导向压力的装置，以实现一种不太复杂且容易安装和维护的系统，是有利的。 [0016] 进一步，本发明可部分地基于该认识，即当用于调节所述泵的排量的致动器通过接收具有对应于多个可变排量泵中每一个的所期望排量的导向压力的液压流体被直接控制时，一种用于多个可变排量泵的控制系统的简单配置可以被实现。有利地，可以针对所有可变排量泵使用单个压力调节装置，基于所述闭环液压回路的接收系统压力来限制提供给每个致动器的导向液压流体。 [0017] 现在参照附图，图1中示意性地示出了机器100的示例性实施例。机器100可以是液压挖掘机，例如大型采矿挖掘机，或任何其它包括具有闭环液压回路的液压系统的作业机器。机器100包括发动机102。发动机102可以向机器100及其各部件提供动力。合适的发动机可包括汽油发动机、柴油发动机、电力发动机或不同类型发动机的任意组合。在一个实施例中，发动机102可以是产生并通过动力传送机构，例如轴或齿轮箱(未示出)，向机器100传送动力的柴油发动机。发动机102可产生机械动力输出，所述机械动力输出可例如通过一个或多个由发动机102提供动力的泵，被转换为液压动力。 [0018] 机器100可进一步包括包含用来操作机器100的控制机构的操作站或驾驶室104，控制机构例如输入装置106。驾驶室104可以是可旋转地安装在机器100的底盘101上的上部结构103的部分。输入装置106可以具体实现为操纵杆、杠杆、按钮及类似物并且可以可操作地连接到机器100的液压系统108。 [0019] 在一些实施例中，驾驶室104进一步包括诸如用于将信息传递给操作员的显示器的界面，并且可包括键盘、触摸屏，或任何其它合适的用于从操作员接收输入以控制或操作机器100、液压系统108和/或其它机器部件的机构。可选择地或者另外地，操作员可位于驾驶室104的外面和/或离机器100一定距离，并且可以远程控制机器100、液压系统108和/或其他机器部件。 [0020] 液压系统108可包括流体部件，诸如例如液压致动器或气缸、储箱、阀门、蓄能器、孔及其它合适的用于产生液压流体的加压流动的部件。液压系统108可进一步包括例如一个或多个储箱和/或贮存器112的流体源，和一个或多个液压泵，该液压泵可包括可变排量泵、固定排量泵、变量输送泵或其它合适的加压系统。液压泵可以驱动地连接到发动机102，或可经由齿轮机构或类似物间接地连接到发动机102。还可以设想，液压系统108可包括多个相互连接以向液压系统108提供液压流体的加压流体源。 [0021] 液压系统108可包括多个液压致动器，例如用于操作机器100的动臂的液压致动器120A、120B，用于操作机器100的杆的液压致动器122，用于操作机器100的铲斗的液压致动器124；和一个或多个液压马达，例如用于操作机器100的摆动机构的液压马达130(见图2)，和与机器100的左侧推进驱动和右侧推进驱动相关联的液压马达。摆动机构可操作地相对于机器100的底盘101而旋转上部结构103。应当理解，在其它实施例中，可以为不同的液压回路提供不同数量的液压马达和/或液压致动器。 [0022] 液压系统108进一步包括用于操作液压马达130的液压控制系统116，下文将对此进行更详细的描述。 [0023] 机器100也包括适于控制液压系统108和机器100的其它部件的控制单元114，机器100的其它部件例如液压控制系统116。控制单元114可操作地连接到输入装置106并可适于从操作员接收指示机器100或机器100的工具(例如，机器100的摆动机构)所期望的动作(或所期望的速度)的输入，并因此可确定与液压系统108的每个液压致动器或马达相关联的动力需求，以执行所期望的动作。 [0024] 控制单元114可包括一个或多个控制模块(例如，ECM、ECU等)。一个或多个控制模块可包括处理单元、存储器、用于接收和发送信号的传感器接口和/或控制接口。处理单元可表示根据本发明的系统所使用的一个或多个逻辑和/或处理部件，以执行各种通信、控制和/或诊断功能。一个或多个控制模块可使用任何适当的通信机构(例如，CAN总线)相互通信，以及与控制单元114内的其它部件和连接到控制单元114的其它部件通信。 [0025] 进一步，处理单元可适于执行例如来自存储装置(诸如存储器)的指令。一个或多个控制模块可各自负责执行用于液压控制系统116和/或机器100的其它部件的软件代码。例如，处理单元可包括一个或多个通用处理单元和/或专用单元(例如，ASIC、FPGA等)。在一些实施例中，处理单元的功能可具体实现在集成微处理器或微控制器中，包括集成的CPU、存储器、和一个或多个外围设备。 [0026] 现在参照图2，示出了一种用于控制机器100的摆动机构的液压控制系统116的示例性实施例。在图2所示的示例性实施例中，摆动机构包括闭环液压回路164。 [0027] 液压回路164包括液压马达130，液压马达130配置成驱动机器100的摆动机构逆时针(向左)或顺时针(向右)旋转。液压马达130以已知方式配置成接收液压流体以产生上部结构103围绕机器100的垂直轴线的摆动(见图1)。 [0028] 液压回路164进一步包括多个可变排量泵，在示例性实施例中，为第一可变排量泵140A和第二可变排量泵140B。可变排量泵140A、140B在闭环液压回路164中流体连接到液压马达130以向液压马达130提供加压液压流体。液压泵140A、140B可具体实现为可变排量轴向活塞泵，以及马达130可具体实现为固定排量液压马达或可变排量液压马达。液压马达 130的速度和扭矩通过调整可变排量泵140A、140B相应的旋转斜盘(未示出)的倾角来进行控制。用于各液压泵140A、140B的旋转斜盘角度对应于液压流体在闭环液压回路164中是以逆时针流动还是顺时针流动而为正值或负值。相应地，液压马达130通过可变排量泵140A、 140B可操作成以逆时针(向左摆动)或顺时针(向右摆动)摆动机器100的上部结构103。液压泵140A、140B的旋转斜盘角度可通过液压致动器142A、142B来进行控制，下文将对此进行更详细的描述。 [0029] 液压致动器142A、142B配置成经由液压管路153、155、157和159从导向阀组件143接收具有导向压力的加压流体，该导向压力对应于关联的可变排量泵140A、140B的所期望排量。在图2所示的示例性实施例中，导向阀组件143可包括第一导向阀144A和第二导向阀144B。例如，导向阀144A、144B可以是电动液压减压阀或用于产生导向压力的类似阀门。导向阀144A、144B可配置成经由导向泵145和液压管路147从贮存器112中接收加压液压流体。 例如，导向泵145可具体实现为电荷泵。 [0030] 每个液压致动器142A、142B可包括分别设置在腔室137A、137B中的活塞141A、141B。活塞141A、141B可例如通过弹簧组件139A、139B在腔室137A、137B中分别被偏压到中立的中心位置。腔室137A、137B的一侧在输入X1处分别经由液压管路153、157流体连接到第一导向阀144A，且腔室137A、137B的另一侧在输入X2处分别经由液压管路155、159流体连接到第二导向阀144B。腔室137A、137B的两侧之间的压差导致活塞141A、141B的运动，这接着导致关联的可变排量泵的旋转斜盘的角度的调整。在腔室137A、137B的两侧之间无压差的情况下，可变排量泵140A、140B可处于中立位置，其中液压马达130不被可变排量泵140A、 140B驱动。通过经由输入X1和X2中的一个向腔室137A、137B的一侧提供具有所期望的导向压力的液压流体，可变排量泵140A、140B可在闭环液压回路164中使用液压流体所期望的工作压力来驱动液压马达130。所期望的工作压力可由机器100的操作员根据由输入装置106(见图1)的致动所产生的控制信号而得到。控制单元114(见图1)可经由通信管路(未示出)操作地与输入装置106、以及例如导向泵145和/或导向阀144A、144B连接。控制单元114可产生用于例如导向阀144A、144B的控制信号，这导致由导向阀144A、144B产生且由液压致动器 142A、142B接收的适当导向压力以使液压泵140A、140B驱动液压马达130以所期望的速度旋转机器100的上部结构103。 [0031] 在图2所示的示例性实施例中，两个可变排量液压泵140A、140B在闭环液压回路164中并行布置以向液压马达130提供液压流体。然而应当理解，在其它实施例中，多于两个液压泵和多于一个液压马达根据应用可被包括在闭环液压回路164中。在一些实施例中，可变排量泵140A、140B可具有相同的构造，并且可由具有相同构造且从导向阀组件143接收相同导向压力的致动器142A、142B并行地控制。在其它实施例中，可变排量泵140A、140B可具有不同的构造，例如不同尺寸，并且可由具有相同构造或不同构造的致动器142A、142B并行地控制。例如，致动器142A、142B可具有相同的行为，即，相同的导向压力可导致关联的可变排量泵的旋转斜盘角度的相同调整。换句话说，导向阀144A、144B的致动同时控制可变排量液压泵140A、140B的排量。 [0032] 最大容许工作压力可与闭环液压电路164相关联。该最大容许工作压力可以是能够确保机器100的液压系统108的部件不被损坏的压力。为了确保不超过该最大容许工作压力，液压控制系统116包括压力调节装置146。在图2所示的示例性实施例中，压力调节装置146包括减压阀162，往复阀152，流体连接往复阀152和减压阀162的液压管路151，以及将减压阀162流体连接到贮存器112的液压管路150。减压阀162可配置为经由往复阀160接收闭环液压回路164中的工作压力，往复阀160经由旁路液压管路161和液压管路163被设置成平行于例如可变排量液压泵140A。 [0033] 减压阀162可配置为当从往复阀160接收到的工作压力低于预定压力，例如300bar时，处于关闭位置。在这种情况下，向液压致动器142A，142B提供具有由导向阀144A，144B产生的导向压力的液压流体的液压管路153，155从贮存器112流体地分离。相应地，由导向阀144A，144B设定的所述导向压力将被提供给液压致动器142A，142B。 [0034] 当减压阀162接收到的工作压力达到或超过可以是闭环液压回路164的最大容许工作压力的预定压力时，减压阀162打开以将往复阀152以及由此液压管路153、155的液压管路流体连接到贮存器112，该液压管路向液压致动器142A，142B提供导向压力。因此，即使导向阀144A，144B基于由控制单元114产生的控制信号设定更高的导向压力，提供给液压致动器142A，142B的导向压力被限制。通过这种方式，防止了活塞141A，141B根据设定的导向压力的进一步移动，并且防止闭环液压回路164中的工作压力升到高于最大容许工作压力。一旦液压回路164中的工作压力回到低于最大容许工作压力的压力时，减压阀162关闭，且由导向阀144A，144B设定的导向压力再次被提供给液压致动器142A，142B，而无需被限制或减少。 [0035] 还可以设想，在其他实施例中，可以省略往复阀152和160，并且多个减压阀162可用来检测闭环液压回路164中的压力，且以适当的方式将液压管路153，155流体连接到贮存器112。 [0036] 应当理解，上述示例性控制导致可变排量液压泵140A，140B的导向压力的同步减少，从而防止可变排量泵140A、140B中的每一者在系统中进一步增加工作压力。 [0037] 进一步应当理解，控制闭环液压回路164中的工作压力的其他方法可以根据本发明使用。例如，当工作压力达到最大容许工作压力时，可以限制提供给导向阀144A，144B的液压流体的压力，例如通过改变导向泵145的排量，而不用限制液压管路153，155，157和159中的导向压力。减少或限制提供给导向阀144A，144B的液压流体的压力的许多不同方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。在这种情况下，可以省略往复阀152，并且减压阀162可以流体连接在液压管路147和贮存器112之间。 [0038] 进一步应当理解，在根据本发明的其它示例性实施例中，闭环液压回路164中的工作压力可以用不同的方式检测，例如通过在闭环液压回路164中提供压力传感器(未示出)。这样的压力传感器可以连接至控制单元114，且控制单元114可以操作液压控制系统116的各部件，以限制或减少提供给液压致动器142A，142B的导向压力。例如，当达到最大容许工作压力时，控制单元114配置为致动导向阀144A，144B，从而覆盖对应于操作员操作的输入装置106的控制信号。 [0039] 最后，尽管液压控制系统116与机器100的摆动机构相关联地描述，但是还可以设想，液压控制系统可用于其他液压回路，例如用于推进机器100或相似机器的液压驱动回路。 [0040] 工业实用性 [0041] 根据前面的讨论，本文描述的用来控制机器的多个可变排量泵的系统和方法的工业实用性将显而易见。一种适用于本发明的示例性机器是挖掘机，诸如大型采矿挖掘机。同样地，描述的系统和方法可以适于多种机器和作业。 [0042] 根据一些实施例，一种操作多个可变排量泵的方法包括：向多个液压致动器中的每一者提供具有对应于多个可变排量泵中的每一者的期望排量的导向压力的液压流体，其中多个可变排量泵在闭环液压回路中并联地流体连通，并且配置为向至少一个液压马达提供加压液压流体。该方法进一步包括：接收闭环液压回路中的系统压力，并且当接收的系统压力达到最大容许系统压力时，限制提供给多个液压致动器的液压流体的导向压力。图2所示的实施例的示范性操作下面将参照图3和图4进行描述。 [0043] 图3以示意图的方式示出了图2的液压控制系统116的部分。在图3中，操作员已经致动输入装置106(见图1)以逆时针摆动机器100的上部结构103。相应地，控制单元114将为导向阀144B产生相应的控制信号，以经由输入X2向液压致动器142A，142B提供适当的导向压力。应当指出，为了简化起见，在图3和图4中仅示出液压致动器142A和关联的可变排量泵140A。同样地，液压致动器142A的弹簧组件139A已经被省略。然而，很容易想到将相同的导向压力提供至与可变排量泵140B相关联的液压致动器142B。 [0044] 如图3所示，只要液压回路164中的工作压力低于最大容许工作压力，由导向阀144B经由液压管路155提供的导向压力就会使活塞141A向下移动，从而改变可变排量泵 140A的旋转斜盘的调整角度。相应地，可变排量泵140A将以导致闭环液压回路164中的上部结构103的所期望移动(由图3中的箭头所示)的压力循环液压流体。由于系统压力低于最大容许系统压力，减压阀162关闭，并且液压管路155不会流体连接至低压贮存器112。 [0045] 图4示出了在闭环液压回路164中达到最大容许工作压力的情况。如图4所示，在减压阀162处接收的工作压力使减压阀162开启，并且流体连接液压管路155与贮存器112。相应地，提供给液压致动器142A的导向压力被限制，从而防止可变排量液压泵140A的排量进一步增加。这种情况同样适用于可变排量液压泵140B，从而使得液压回路164中的所有可变排量液压泵被同时控制，以确保不超过最大容许系统压力。 [0046] 应当指出，通过本文所述的示例性实施例，其中通过向液压致动器142A，142B提供具有适当导向压力的液压流体而直接控制液压致动器142A，142B，可以获得关于液压控制系统116的操作的额外有利之处。 [0047] 例如，有一种情况，在逆时针旋转机器100的上部结构103之后，操作员释放输入装置106，使得输入装置106返回至其中立位置。在这种情况下，不会产生导向压力信号，并且导向压力不会提供给液压致动器142A，142B。相应地，活塞141A，141B返回至它们的中心位置，并且可变排量泵140A，140B减少冲程至其中立位置，从而产生制动动量。相应地，上部结构103在逆时针方向上的移动通过现在起马达作用的可变排量泵140A，140B减慢。通过这种结构，当操作员释放输入装置106时，上部结构103的移动自动减慢，操作员无需将输入装置106移动到相反方向来减慢上部结构103的移动。当然，如果期望更快地制动上部结构103的移动，操作员还可以在相反方向移动输入装置106，以有效地制动上部结构103。 [0048] 进一步，如果负的负荷作用于液压马达130上，例如当上部结构103正沿逆时针方向旋转时，该负的负荷不能将上部结构103的旋转加速至快于由所产生的导向压力所期望和确定的旋转，这是因为所产生的导向压力导致限定的泵冲程，所述泵冲程将在施加该负的负荷时制动系统。 [0049] 应当连接的是在上述情况下，减压阀162仍然将用作压力调节装置以确保在任何环境下闭环液压回路164中的工作压力不会超过最大容许工作压力。 [0050] 应当理解的是，前述描述提供了所公开系统和方法的实例。然而，预期本发明的其它实现方式可以在细节上不同于前述实例。对本发明或其实例的所有引用旨在提及此时讨论的特定实例，并不旨在暗示对本发明范围的更一般的任何限制。除非本文另有指示或者上下文明显有矛盾，否则本文所描述的所有方法可以按照任何合适的顺序执行。 [0052] 虽然本文已描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离以下权利要求书的范围的情况下可以加入改进和修改。 |
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