閉式電液控制系統的製作方法

2023-05-20 19:49:21

專利名稱：閉式電液控制系統的製作方法
技術領域：
本發明一種閉式電液控制系統，屬於電液控制領域，具體來講是一種用液壓泵(傳統伺服或比例泵、變轉速泵)連續控制差動液壓缸運動速度、方向和位置的裝置。
背景技術：
電液控制系統有容積控制和節流(閥控)控制兩大類。傳統的觀點是，在對動態響應要求高的中小功率系統中採用節流控制技術，而在大功率系統中採用容積控制技術。節流控制電液系統最大的不足是存在大的節流損失，系統能量效率低並引起系統發熱。所以新的發展方向是不經過閥，用液壓泵直接控制液壓缸的運動。
當執行器是液壓馬達和雙出杆的等截面液壓缸時，因其兩腔流量對稱，泵從液壓缸吸入的油流量與排出到液壓缸的油流量相等，液壓泵的進出油口就可以和液壓馬達或等截面液壓缸的兩腔直接相連，並控制液壓缸的運動，液壓缸的運動速度與泵的排量和轉速成比例。為了消除系統的洩漏和油液壓縮性的影響，在液壓缸的兩腔分別連接一小通徑的單向閥，通過一低壓油源(低壓蓄能器、低壓油箱、低壓泵等)向系統補油，同時對液壓缸兩腔預壓緊。這樣的系統具有能量損失小，能量效率高的特點，已有了相應的專利技術[EP0271744，1988-06-22，DE 3919823A1，1990-12-20]。但是在液壓技術中廣泛應用的執行器是單出杆的差動液壓缸。其特點是佔用空間小，輸出力大，但進出油口排出的油的流量不相等。這樣如仍沿用控制等截麵缸的迴路原理，系統就無法正常工作，因此泵控差動缸一直是泵控技術的難點。有文獻表明，在迴路中設置一液壓泵和馬達組成的液壓變壓器，通過對壓力和流量的變換，可適應差動缸的流量差。為了補償差動缸的流量偏差，德國Rexroth公司發展了用兩臺伺服泵複合驅動差動缸的迴路原理，用2臺泵來補償差動缸的流量差。本發明者將這一原理應用於變速電機與定量液壓泵組成的電液控制系統。但是，用液壓變壓器和兩臺泵組成的系統結構複雜、成本高，不利於推廣利用。經德國漢堡工業大學研究，提出了利用單臺伺服泵，配合液控單向閥或電控閥來平衡差動缸不對稱流量的原理。該迴路中，兩個液控單向閥的出口分別與液壓缸二腔和液壓泵的進出油口相連，二液控單向閥的進口連通，並連接到補油的油箱或低壓蓄能器上，當液壓泵向液壓缸的無杆腔供油時，因液壓泵從有杆腔吸出的油流量大於缸運動所提供的油流量，使這一腔壓力降低，系統通過單向閥向有杆腔補油，補充的油量就是液壓缸二腔的流量差。當液壓缸收回時，液壓缸有杆腔進油，無杆腔排油，這時有杆腔的壓力使另一單向閥打開，將無杆腔多餘的油液排回油箱。這種迴路存在的主要問題是有近一半的流量要經過液控單向閥交換，不僅要產生較大的能量損失，也需要大通徑的液控單向閥和較大容積的蓄能器。傳統的液壓泵都只有二個油口，一個進油口，一個出油口。如不計容積效率，理論上泵的吸排油口流量是相等的。以軸向柱塞泵為例，在設計配流盤時，泵就只有二個配流窗口，吸油和排油配流窗口所佔角度範圍相等，這樣就不能平衡差動缸的不對稱流量。

發明內容
本發明一種閉式電液控制系統目的在於，提供一種根據液壓缸的面積差，通過重新設計液壓泵配流盤或吸、排油腔，在液壓泵內就平衡掉差動缸的流量差，只需非常小的液控單向閥和蓄能器補償泵的洩漏和油的壓縮即可使系統正常運轉，使液壓泵與差動液壓缸就像泵控雙出杆缸一樣工作，用液壓泵直接控制差動液壓缸迴路，液壓系統自動補償差動缸不對稱流量、消除傳統閥控技術存在的節流損失、解決現有技術能耗大、系統發熱問題和實現電液控制技術節能的一種閉式電液控制系統。
本發明一種閉式電液控制系統，它包含有差動液壓缸[1]、安全閥[2]和[3]、小通徑液控單向閥[4]和[5]、位移傳感器[6]，減法器[8]、控制器[7]和[12]、液壓泵[9]、原動機[10]、低壓供油系統[11]、轉速控制器[13]，其特徵是所採用的液壓泵有3個與外界相連通的油口，液壓泵的油口[pA]通過液壓管路與差動液壓缸的無杆腔[A]相聯通、油口[pB]通過液壓管路與差動液壓缸的有杆腔[B]相聯通、油口[pT]通過液壓管路與低壓油源[11]相聯通。
上述的閉式電液控制系統，其特徵是所述的液壓泵[9]是電子控制的變排量泵或是排量固定的定量液壓泵。
上述的閉式電液控制系統，其特徵是所述的原動機[10]是轉速可調的電動機、不含轉速控制裝置的普通電動機或是燃油驅動的內燃發動機。
上述的閉式電液控制系統中的液壓泵[9]，其特徵是泵結構為軸向柱塞形式，液壓泵有3個配流窗口[15]、[16]、[17]、它們在液壓泵的內部通過流道與泵的進出油口[pA]、[pB]、[pT]相連通，其3個配流窗口[15]、[16]、[17]沿圓周方向串聯或並聯布置，其中串聯布置時，配流窗口[15]佔有二分之一圓周的角度、配流窗口[16]、[17]共佔有二分之一圓周的角度，配流窗口[16]、[17]所佔角度範圍的比值根據液壓缸的面積比來確定；並聯布置時，配流窗口[16]、[17]都佔有二分之一圓周的角度範圍，配流窗口[15]佔有另外二分之一圓周的角度範圍。
上述的閉式電液控制系統中的液壓泵[9]，其特徵是泵結構為雙作用的葉片泵或雙作用的葉片馬達，配流窗口[21]、[24]通過流道在泵的內部與泵的出油口[pA]連通，配流窗口[22]、[23]分別與泵的油口[pB]、[pT]相連通。
本發明閉式電液控制系統主要優點在於是通過對液壓泵進出油口的重新布置和對配流盤的改進設計，使液壓泵本身就能適應差動缸面積差產生的不對稱流量，並組成差動快速迴路，從而可很方便地控制差動缸在正反兩個方向的運動，而不需要通過單向閥過多地交換流量，使組成的系統簡單、可靠、能量效率高。本發明通過改變泵的轉速或泵的排量來控制差動液壓缸的運動，實現節能。同現有技術相比，其最大優點是液壓泵本身就可以基本平衡差動液壓缸的不對稱流量，不需要較大通徑的液控單向閥來進行油的交換。僅需較小通徑的液控單向閥，甚至僅僅是單向閥，補償系統洩漏、油液壓縮產生的流量差，從而避免了採用大通徑液控單向閥補油產生較大的節流損失和由此引起的發熱。特別是當液壓缸的面積比與配流窗口2與1之間的比值相同時，系統完全可按照與控制雙出杆缸一樣的方法工作，將二隻液控單向閥改為二隻只需補償系統少量洩漏的小通徑的單向閥，進一步簡化迴路並增加系統的可靠性。在大多數的應用場合，如飛行器中的電液執行器、工程機械等設備中，本項發明可代替傳統的閥控技術獲得應用。
四

圖1變量泵、變速電機和差動缸組成的閉式電液控制系統。其中，1-液壓缸、2，3-安全閥、4，5-小通徑液控單向閥、6-位移傳感器，7，12-控制器、8-減法器，9-有三個油口的液壓泵、10-電動機、11-低壓供油系統、13-電機轉速控制器、14-活塞杆。
圖2軸向柱塞泵配流盤設計方案1。其中，15，16，17-腰形配流槽、18，19-卸荷槽、20-對稱軸、PA，PB-進油口，PT-回油口圖3軸向柱塞泵配流盤設計方案2。其中，15，16，17-腰形配流槽、18，19-卸荷槽、20-對稱軸，PA，PB-進油口，PT-回油口圖4定量泵、變速電機和差動缸組成的閉式電液控制系統。其中，1-液壓缸、2，3-安全閥、4，5-小通徑液控單向閥、6-位移傳感器，8-減法器，9-有三個油口的液壓泵、10-電動機、11-低壓供油系統、12-控制器、13電機轉速控制器、14-活塞杆。
圖5雙作用葉片泵配流原理。其中，21，22，23，24-配流窗口，PA，PB-進油口，PT-回油口圖6變量泵、內燃發動機和差動缸組成的閉式電液控制系統。其中，1-液壓缸、2，3-安全閥、4，5-小通徑液控單向閥、6-位移傳感器，7-控制器、8-減法器，9-有三個油口的液壓泵、10-內燃發動機、11-低壓供油系統、。14-活塞杆下面結合附圖對本發明的原理和結構作進一步詳細說明。
液壓泵差動缸組成的閉式電液控制系統是由差動液壓缸[1]、安全閥[2]和[3]、小通徑液控單向閥[4]和[5]、位移傳感器[6]，減法器[8]、控制器[7]和[12]、具有三個油口的液壓泵[9]、原動機[10]、低壓供油系統[11]、轉速控制器[13]共13個部件組成。其中，差動液壓缸[1]是用來驅動負載對外做功的執行機構，活塞杆[14]只從液壓缸的一端伸出，所以液壓缸兩腔A、B的作用面積不相等。安全閥[2]和[3]的作用是起安全保護作用，限制液壓缸A、B兩腔的最高壓力，當A、B腔的壓力超過這兩個閥的設定壓力值時，這兩個閥將打開，使A、B兩腔的油液通過這兩個閥流回油箱。液控單向閥[4]和[5]的作用是在液壓缸A、B兩腔和低壓油源之間進行油的交換，補償由系統洩漏、油的壓縮和液壓泵配流窗孔比值與液壓缸的面積比不完全相等所產生的流量偏差。當液壓泵配流窗孔比值與液壓缸面積比完全一致時，可改用普通的單向閥，這兩個閥也可以採用電控的二位開關閥。位移傳感器[6]的作用是檢測控制液壓缸的行程和速度，並轉換為電信號，供給減法器與設定值進行比較，對液壓缸的位置和速度進行監視、顯示和閉環控制。減法器[8]的作用是檢測所獲得的液壓缸位置與速度信號uxf並與設定值uxs進行比較，比較產生的差值輸入到控制器[7]和[12]，作為這兩個控制器的輸入信號。控制器[7]的作用是按照某種控制策略對偏差值ue進行處理，用於控制泵的排量，實現對液壓缸位置和速度的控制。控制器[12]的作用是根據偏差值ue，按設計好的控制規律產生控制液壓泵轉速的控制信號，其控制信號也要輸入到控制器[7]，用於校正液壓泵的排量。液壓泵[9]的作用是通過改變其轉速和排量控制液壓缸[1]的運動速度和運動方向，它可以是定量泵，如雙作用葉片泵或馬達，也可以是變量泵，如軸向柱塞泵，與傳統只有進出二個油口的泵不同，新的泵擁有三個油口，其中油口pA、pB分別與液壓缸的A、B二腔通過管道相連通。油口pT與低壓油源連通。部件[10]是電動機或內燃發動機，它可以是普通的異步電動機、開關磁阻電機，也可以是伺服電機，當用於行走機械設計時，就是內燃發動機。低壓油源[11]的作用是補充系統的洩漏和油的壓縮，同時通過液控單向閥[4]和[5]對液壓缸的A、B二腔預壓緊。液壓泵[9]的外洩油也要引入此油泵。轉速控制器[13]的作用是控制原動機[10]的轉速。
該系統的工作過程是首先將外部設定指令信號uxs輸入到減法器[8]，在減法器中與液壓缸速度或位置檢測值uxf比較，產生的偏差信號一路作為控制器[7]的輸入信號，同時作為控制器[12]的輸入信號。控制器[7]通過對偏差信號和泵轉速信號的運算，產生控制泵排量的信號，從而可改變進入液壓缸的流量，使液壓缸的位置或速度跟蹤設定信號。當設定信號為正時，液壓泵pA口向液壓缸的無杆腔A供油，pB口從有杆腔B吸油，液壓缸的活塞杆作伸出運動。B腔不夠的油液通過低壓油源經pT口補充。當設定信號為負值時，液壓泵的進、出油口改變方向，向有杆腔B排油，而從無杆腔A吸油，使活塞杆作收回運動。A腔多出的油液經pT口排回到低壓油源。控制器[12]的作用是控制泵的轉速，與液壓泵的排量配合，降低系統的空轉損失和提高系統在部分負載工況的能量效率。在液壓缸的運動中，如果負載超過系統允許的最高值，安全閥[2]或[3]就會打開，起到限制最高壓力的作用。
本發明閉式泵控差動缸電液系統主要優點在於是通過對液壓泵進出油口的重新布置和對配流盤的改進設計，使液壓泵本身就能適應差動缸面積差產生的不對稱流量，並組成差動快速迴路，從而可很方便地控制差動缸在正反兩個方向的運動，而不需要通過單向閥過多地交換流量，使組成的系統簡單、可靠、能量效率高。本發明通過改變泵的轉速或泵的排量來控制差動液壓缸的運動，實現節能。同現有技術相比，其最大優點是液壓泵本身就可以基本平衡差動液壓缸的不對稱流量，不需要較大通徑的液控單向閥來進行油的交換。僅需較小通徑的液控單向閥，甚至僅僅是單向閥，補償系統洩漏、油液壓縮產生的流量差，從而避免了採用大通徑液控單向閥補油產生較大的節流損失和由此引起的發熱。特別是當液壓缸的面積比與配流窗口2與1之間的比值相同時，系統完全可按照與控制雙出杆缸一樣的方法工作，將二隻液控單向閥改為二隻只需補償系統少量洩漏的小通徑的單向閥，進一步簡化迴路並增加系統的可靠性。在大多數的應用場合，如飛行器中的電液執行器、工程機械等設備中，本項發明可代替傳統的閥控技術獲得應用。
五具體實施例方式
實施方式1在圖1所示的實施方案中，液壓泵採用排量可根據電子信號連續調節的比例或伺服泵，其配流盤如圖2、圖3所示，經過了特殊的設計。泵的油口由傳統的進、排油2個油口改為3個，油口[pA]和液壓缸的無杆腔[A]相連，油口[pB]和液壓缸的有杆腔[B]相連通，油口[pT]和低壓油源[11]相連通。原動機[10]可以是內燃發動機、也可以是轉速可調的電動機，它可以是交流異步電機、交流或直流伺服電機、開關磁阻電機等形式。轉速控制器[13]可選用目前技術成熟的任一形式。傳感器[6]可選擇磁致伸縮式、電感式等，即可以輸出模擬信號也可輸出數位訊號，並同時可提供液壓缸的速度和位置值。低壓油源[11]採用低壓蓄能器，充氣壓力為0.2MPa。控制器[7]和[12]都選用簡單的PID控制器。安全閥[2]和[3]選用直接作用式，液控單向閥[4]和[5]直接集成在液壓泵上。
實施方式2如圖4所示，與圖1所示方案相比，特殊之處在於液壓泵採用雙作用的定量葉片泵或馬達，只能通過改變電動機的轉速來控制液壓缸的運動。所以，系統中只有控制器[12]而不需控制器[7]。使用的雙作用葉片泵也經過了重新設計。如圖5所示，泵的進、出油口由原2個改為3個。其中泵的出油口[pA]不變，工作時連接到液壓缸的無杆腔[A]。泵的吸油口分為[pB]和[pT]2個單獨的油口，[pB]口與液壓缸的有杆腔[B]相連，[pT]口就相當於原泵的吸油口與低壓油源[11]相連通。
實施方式3如圖6所示，這種情況，系統的原動機[10]選用內燃機或轉速恆定的電動機。液壓泵與實施例1中所用相同，為新設計的軸向柱塞泵。兩種方案的差別僅僅是方案3沒有轉速控制器[13]和控制器[12]，系統通過改變液壓泵的排量來控制液壓缸的運動方向、速度和位置。
權利要求
1.一種閉式電液控制系統，它包含有差動液壓缸[1]、安全閥[2]和[3]、小通徑液控單向閥[4]和[5]、位移傳感器[6]，減法器[8]、控制器[7]和[12]、液壓泵[9]、原動機[10]、低壓供油系統[11]、轉速控制器[13]，其特徵是所採用的液壓泵有3個與外界相連通的油口，液壓泵的油口[pA]通過液壓管路與差動液壓缸的無杆腔[A]相聯通、油口[pR]通過液壓管路與差動液壓缸的有杆腔[B]相聯通、油口[pT]通過液壓管路與低壓油源[11]相聯通。
2.按照權利要求書1所述的閉式電液控制系統，其特徵是所述的液壓泵[9]是電子控制的變排量泵或是排量固定的定量液壓泵。
3.按照權利要求書1所述的閉式電液控制系統，其特徵是所述的原動機[10]是轉速可調的電動機、不含轉速控制裝置的普通電動機或是燃油驅動的內燃發動機。
4.按照權利要求書2所述的閉式電液控制系統中的液壓泵[9]，其特徵是泵結構為軸向柱塞形式，液壓泵有3個配流窗口[15]、[16]、[17]、它們在液壓泵的內部通過流道與泵的進出油口[pA]、[pB]、[pT]相連通，其3個配流窗口[15]、[16]、[17]沿圓周方向串聯或並聯布置，其中串聯布置時，配流窗口[15]佔有二分之一圓周的角度、配流窗口[16]、[17]共佔有二分之一圓周的角度，配流窗口[16]、[17]所佔角度範圍的比值根據液壓缸的面積比來確定；並聯布置時，配流窗口[16]、[17]都佔有二分之一圓周的角度範圍，配流窗口[15]佔有另外二分之一圓周的角度範圍。
5.按照權利要求書2所述的閉式電液控制系統中的液壓泵[9]，其特徵是泵結構為雙作用的葉片泵或雙作用的葉片馬達，配流窗口[21][24]通過流道在泵的內部與泵的出油口[pA]連通，配流窗口[22]、[23]分別與泵的油口[pB]、[pT]相連通。
全文摘要
一種閉式電液控制系統屬於液壓控制技術領域，具體來講是一種用液壓泵(傳統伺服或比例泵、變轉速泵)連續控制差動液壓缸運動速度、方向和位置的裝置。本發明由差動液壓缸[1]、安全閥[2]和[3]、小通徑液控單向閥[4]和[5]、位移傳感器[6]，減法器[8]、控制器[7]和[12]、液壓泵[9]、原動機[10]、低壓供油系統[11]、轉速控制器[13]共13個部件組成。本發明的特徵在於是液壓泵有3個油口[p
文檔編號F15B15/18GK1818382SQ20061001247
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月7日 優先權日2006年3月7日
發明者權龍 , 李鳳蘭 申請人:太原理工大學