CN114278624B - 一种闭式泵控快速起竖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭式泵控快速起竖系统，使用伺服电机驱动液压泵，液压缸的换向由切换液压泵斜盘的正负倾角来完成，伺服电机的转速和液压泵的排量共同决定输出流量的大小，以此来控制液压缸上升和下降的速度；负载过重心时伺服电机可吸收负载势能，负载下降时平衡阀将多余的流量导入油箱，保证液压缸在上升和下降时液压泵都有合适的吸油和压油流量。齿轮泵在系统中起到补油作用；对于负载的锁止，使用插装阀组成的开关回路进行控制，避免了使用平衡阀锁止带来的节流损失，使负载的上升和下降同时具有较高的液压效率。本发明提出的闭式液压回路，克服了传统阀控液压系统的缺点，具有效率更高，体积更小，重量更轻的特点，能够实现负载快速起竖。
Description
技术领域
本发明属于液压传动领域，具体涉及一种闭式泵控快速起竖系统。
背景技术
随着我国工程机械行业的巨大发展，有效降低负载起竖工作中的能耗具有重要意义。在负载起竖过程中，液压驱动利用液压存储压力能实现大规模能量传递，产生巨大推力，十分适用于大型工程机械这样的重载操作工况。在传统的开式阀控起竖回路中，传动原理为，液压泵在伺服电机的驱动下，从油箱吸油产生压力，液压油经过各类控制阀，最后到达液压缸推动负载，最后回到油箱，系统的压力、执行机构的速度和方向依靠各类的液压阀来控制。郭绍波公开了《一种多缸协同起竖液压系统》，采用开式阀控起竖回路控制双作用液压缸，起竖速度和回平速度明显提高，缩短了发射时间，但是该液压系统较为复杂，从而导致液压系统的整体体积较大，并且起竖和回平过程中节流损失较大。开式阀控快速起竖系统有明显的缺点，一是油液容易泄露，液压油在经由各类阀时，由于管道与阀的接口处可能的密封失效，很容易产生油液的泄露，在负载起竖过程中存在安全隐患；二是效率问题，在整个液压系统中，一般伺服电机和液压泵的损失约占10%，而液压阀的损失为40%~60%，最终到达执行机构的只有30%~50%，效率较低；三是整个液压系统的体积问题，在传统液压系统中所有元件需通过管路连接，使得液压系统体积增大，占用空间，增加负重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种闭式泵控快速起竖系统，此液压系统可实现负载快速起竖，并且与传统的开式阀控液压系统相比较，具有效率更高，体积更小，重量更轻的特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种闭式泵控快速起竖系统，包括液压泵、齿轮泵、伺服电机、第一液控换向阀、第二液控换向阀、第一平衡阀、第二平衡阀、第一两通插装阀、第二两通插装阀、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第一节流阀、第二节流阀、第一溢流阀、第二溢流阀、液压缸。
油箱的设计主要考虑液压缸正反腔容积差，起到补油的作用。液压泵为变量泵，伺服电机和液压泵之间直接连接，作为液压系统的动力源向整个系统提供动力。齿轮泵与液压泵同轴连接，齿轮泵和油箱的设计主要考虑液压缸正反腔容积差，起到补油的作用
上述所有阀类元件均可集成一体化到一个液压阀块内，不需要繁杂的管路连接。集成后的阀块直接与液压缸和液压泵相连，由伺服电机提供动力，大大缩小了整个液压系统的体积。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：采用闭式回路设计，基于“电驱液传”的原理，以伺服电机驱动液压泵，液压泵通过集成阀块驱动液压缸，液压缸的换向由切换液压泵斜盘的正负倾角来完成，构成流体传动闭式循环，兼具传统液压驱动和直接电力驱动作动器的优点，对外仅包括供电接口和机械安装接口。液压自锁模块及卸荷模块的使用最大限度的提高了安全性。所提供的液压系统能够实现负载垂直起竖时间更短，同时保证起竖过程中平稳可靠，提高整个液压系统的效率，占用空间更小。
附图说明
图1 是本发明的闭式泵控快速起竖液压系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图1及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
结合图1，一种闭式泵控快速起竖系统,包括液压泵1、齿轮泵2、伺服电机3、第一液控换向阀4.1、第二液控换向阀4.2、第一平衡阀5.1、第二平衡阀5.2、第一两通插装阀6.1、第二两通插装阀6.2、第一电磁换向阀7.1、第二电磁换向阀7.2、第一节流阀8.1、第二节流阀8.2、第一溢流阀9.1、第二溢流阀9.2、液压缸10。
液压泵1、齿轮泵2与伺服电机3同轴依次联接。液压泵1为变排量液压泵，其上设有第一接口A1和第二接口A2。所述液压缸10设有第三接口A3和第四接口A4 ，液压泵1的第二接口A2分别通过单向阀与齿轮泵2的出油口、第一液控换向阀4.1的接口A、第一平衡阀5.1的进油口、第一两通插装阀6.1的接口A连通，第一两通插装阀6.1的接口B通过管道分别与第一电磁换向阀7.1接口P、第一节流阀8.1接口、第一溢流阀9.1进油口、液压缸10的第三接口A3连通，液压泵1的接口A1通过单向阀分别与齿轮泵2的出油口、第二液控换向阀4.2的接口A、第二平衡阀5.2的进油口、第二两通插装阀6.2的接口A连通，第二两通插装阀6.2的接口B分别通过管道与第二电磁换向阀7.2接口P、第二节流阀8.2接口、第二溢流阀9.2进油口、液压缸10的第四接口A4连通，液压泵1的第一接口A1通过单向阀、第一节流阀8.1接口、第二节流阀8.2接口、第一溢流阀9.1出油口、第二溢流阀9.2出油口、第一电磁换向阀7.1的接口T、第二电磁换向阀7.2的接口T、第一平衡阀5.1出油口、第二平衡阀5.2出油口 、第一液控换向阀4.1的接口C、第二液控换向阀4.2的接口C、齿轮泵2的吸油口分别与油箱相连通，第一电磁换向阀7.1的接口A与第一两通插装阀6.1的接口X连通，第二电磁换向阀7.2的接口A与第二两通插装阀6.2的接口X连通，第一液控换向阀4.1的接口B与第二平衡阀5.2的压力控制口连通，第二液控换向阀4.2的接口B与第一平衡阀5.1的压力控制口连通。
所提出的闭式泵控快速起竖液压系统使用伺服电机3驱动液压泵1，液压缸10的换向由液压泵1切换斜盘的正负倾角来完成，伺服电机3的转速和液压泵1的排量共同决定输出流量的大小，以此来控制液压缸10上升和下降的速度。齿轮泵2在系统中起到补油作用。所有阀类元件均可集成一体化到一个液压阀块内，不需要繁杂的管路连接。集成后的阀块直接与液压缸10和液压泵1相连，由伺服电机3提供动力，大大缩小了整个液压系统的体积。系统设计充分考虑了液压缸10两腔的面积差，使用对称油路应对非对称液压缸10排油的流量变化，在过重心时优先考虑使用伺服电机3吸收负载势能，负载下降时使用平衡阀5.1将多余的流量导入油箱，从而保证液压缸10在上升和下降时液压泵1都有合适的吸油和压油流量。齿轮泵2在液压回路中起到补油的作用。对于负载的锁止，使用第一两通插装阀6.1、第二两通插装阀6.2组成的开关回路进行控制，避免了传统起竖系统中使用平衡阀锁止负载带来的节流损失，使负载的上升和下降同时具有较高的液压效率。
结合附图1，液压系统工作过程说明如下，负载上升时，液压泵1调整为正摆角，第一电磁换向阀7.1的第一开关S1和第二电磁换向阀7.2的第二开关S2同时得电，解除液压缸10锁止状态，调整伺服电机3转速，液压缸10无杆腔进油，负载上升。无杆腔压力高于第一液控换向阀4.1设定压力P1时，第二平衡阀5.2先导压力建立后开启，第二平衡阀5.2导通后的流动压损是预设压力P2，此时液压泵1连接液压缸10的无杆腔侧处于吸油和经油箱补油阶段，P2的压损会使油液进入液压泵10的进油口，而不会经第二平衡阀5.2外泄。负载上升至过重心位置时，在负载的作用下，液压缸10产生负推力，负载有牵引液压缸10的工况时，会导致液压泵1进油侧压力上升，压油侧压力下降，待压油侧压力降至P1以下时，第二平衡阀5.2关闭，防止负推力下液压缸10有杆腔的油液经第二平衡阀5.2外泄，使液压缸10不受控，此时对负推力下产生的负功率由伺服电机3吸收。负载上升至顶端后，对第一开关S1、第二开关S2断电，同时将伺服电机3的转速调整至0rpm，液压泵1的斜盘倾角回至零位，液压缸10被第一两通插装阀6.1、第二两通插装阀6.2组成的开关回路锁止。在任意位置停止时，与此过程相同。负载下降时，液压泵1调节为负摆角，第一开关S1和第二开关S2同时得电，解除液压缸10锁止状态，调整伺服电机3转速，液压缸10有杆腔进油，负载下降，由于液压缸10两腔面积差的存在，此时无杆腔的排油流量大于有杆腔的进油流量，液压泵1能够接受无杆腔的排油而不用从油箱补油。液压缸10下降过程两腔存在流量差，如果第一平衡阀5.1不导通，液压缸10的无杆腔侧多余流量将导致有杆腔侧的压力上升，有杆腔侧的压力高于第二液控换向阀4.2的设定压力P3时，第一平衡阀5.1建立先导压力后导通，多余的流量从第一平衡阀5.1泄流至油箱。如果在负载下降过程中液压缸10失控， 液压缸10有杆腔的压力势必下降甚至出现负压，在有杆腔侧压力低于P3时，第一平衡阀5.1关闭，同时伺服电机3将被液压泵1反拖超速而形成的制动效应，从而阻止液压缸10的失控下降。负载下降至底端后，对第一开关S1、第二开关S2断电，同时将伺服电机3的转速调整至0rpm，液压泵1的斜盘摆角回至零位，液压缸10被第一两通插装阀6.1、第二两通插装阀6.2组成的开关回路锁止。在下降的任意位置停止时，与此过程相同。
结合附图1，系统安全性说明如下，在闭式回路中，液压泵充足的补油和补油的及时性，是保证液压泵的安全工作的前提。此回路中，液压泵1的吸油不仅接受系统回油，也能够直接从油箱内吸油，如果吸油侧有正压力，说明液压泵1已经具有可靠吸油的条件，无簧单向阀能够隔断油箱和液压泵1的吸油口，防止吸油侧的压力油进入油箱内，一旦吸油出现负压，油箱内的油液会通过无簧单向阀及时的补充到液压泵1的吸油侧，同时串联的齿轮泵2作为补油泵，保证液压泵1吸油的及时性和可靠性。液压缸10下降时，负载势能主要由伺服电机3吸收，第一平衡阀5.1只用于下降时液压缸10无杆腔的排油，第二平衡阀5.2工作时不节流，不会带来额外的节流损失，因此在负载快速起竖的情况下可以大大减少能源的浪费。负载下降时的减速和停止依靠伺服电机3的制动特性，减速和制动平稳。第一两通插装阀6.1、第二两通插装阀6.2组成的开关回路在负载静止和液压泵1斜盘摆角回零时锁止负载，防止液压泵1斜盘零位时的微小泄漏导致负载下滑。液压缸10两腔分别连接第一溢流阀9.1、第二溢流阀9.2，有效防止第一两通插装阀6.1、第二两通插装阀6.2开启失效时液压缸10两腔憋压，提高回路安全性。
结合图1，系统可靠性说明如下，过起竖重心后，此时液压缸10受拉，产生的负功率由伺服电机3吸收，伺服电机3反拖工作时通过制动电阻耗散能量，伺服电机3工作在发电机模式，响应快。依靠调节伺服电机3转速和液压泵1排量两种方式实现流量控制。过重心时，伺服电机3具有抱闸功能，若伺服电机3减速失效，对第一开关S1、第二开关S2断电，锁止液压缸10，保证安全可控。系统故障或断电后，全开第二节流阀8.2，再开启第一节流阀8.1，通过调整第一节流阀8.1的开度，能够控制负载下放的速度。
Claims (5)
1.一种闭式泵控快速起竖系统，其特征在于：包括液压泵(1)、齿轮泵(2)、伺服电机(3)、第一液控换向阀(4.1)、第二液控换向阀(4.2)、第一平衡阀(5.1)、第二平衡阀(5.2)、第一两通插装阀(6.1)、第二两通插装阀(6.2)、第一电磁换向阀(7.1)、第二电磁换向阀(7.2)、第一节流阀(8.1)、第二节流阀(8.2)、第一溢流阀(9.1)、第二溢流阀(9.2)、液压缸(10)；
液压泵(1)、齿轮泵(2)与伺服电机(3)同轴依次联接；所述液压泵(1)为变排量液压泵，其上设有第一接口A1和第二接口A2；所述液压缸(10)设有第三接口A3和第四接口A4 ，液压泵(1)的第二接口A2分别通过单向阀与齿轮泵(2)的出油口、第一液控换向阀(4.1)的接口A、第一平衡阀(5.1)的进油口、第一两通插装阀(6.1)的接口A连通，第一两通插装阀(6.1)的接口B通过管道分别与第一电磁换向阀(7.1)接口P、第一节流阀(8.1)接口、第一溢流阀(9.1)进油口、液压缸(10)的第三接口A3连通，液压泵(1)的接口A1通过单向阀分别与齿轮泵(2)的出油口、第二液控换向阀(4.2)的接口A、第二平衡阀(5.2)的进油口、第二两通插装阀(6.2)的接口A连通，第二两通插装阀(6.2)的接口B分别通过管道与第二电磁换向阀(7.2)接口P、第二节流阀(8.2) 接口、第二溢流阀(9.2)进油口、液压缸(10)的第四接口A4连通，液压泵(1)的第一接口A1通过单向阀、第一节流阀(8.1)接口、第二节流阀(8.2)接口、第一溢流阀(9.1)出油口、第二溢流阀(9.2)出油口、第一电磁换向阀(7.1)的接口T、第二电磁换向阀(7.2)的接口T、第一平衡阀(5.1)出油口、第二平衡阀(5.2)出油口 、第一液控换向阀(4.1)的接口C、第二液控换向阀(4.2)的接口C、齿轮泵(2)的吸油口分别与油箱相连通，第一电磁换向阀(7.1)的接口A与第一两通插装阀(6.1)的接口X连通，第二电磁换向阀(7.2)的接口A与第二两通插装阀(6.2)的接口X连通，第一液控换向阀(4.1)的接口B与第二平衡阀(5.2)的压力控制口连通，第二液控换向阀(4.2)的接口B与第一平衡阀(5.1)的压力控制口连通。
2.根据权利要求1所述的闭式泵控快速起竖系统，其特征在于：使用伺服电机(3)驱动液压泵(1)，液压缸(10)的伸缩由液压泵(1)切换斜盘的正负倾角来完成，伺服电机(3)的转速和液压泵(1)的排量共同决定输出流量的大小，以此来控制液压缸(10) 伸缩的速度；在过重心时优先考虑使用伺服电机(3)吸收负载势能，负载下降时使用第一平衡阀(5.1)将多余的流量导入油箱，从而保证液压缸(10)在伸缩时液压泵(1)有合适的吸油和压油流量；齿轮泵(2)在液压回路中起到补油作用；对于负载的锁止，使用第一两通插装阀(6.1) 、第二两通插装阀(6.2)组成的开关回路进行控制，避免了使用平衡阀锁止带来的节流损失，使负载的上升和下降同时具有较高的效率。
3.根据权利要求1所述的闭式泵控快速起竖系统，其特征在于，起竖过程如下：
令液压泵(1)调整为正摆角，第一电磁换向阀(7.1)的第一开关S1和第二电磁换向阀(7.2)的第二开关S2同时得电，解除液压缸(10)锁止状态，调整伺服电机(3)转速，液压缸(10)无杆腔进油，负载上升；无杆腔压力高于第一液控换向阀(4.1)预设的压力P1时，第二平衡阀(5.2)先导压力建立后开启，第二平衡阀(5.2)导通后的流动压损是其设定的压力P2，此时液压泵(1)连接液压缸(10)的无杆腔侧处于吸油和经油箱补油阶段，P2的压损会使油液进入液压泵(1)的进油口，而不会经第二平衡阀(5.2)外泄；负载上升至过重心位置时，在负载的作用下，液压缸(10)产生负推力，负载有牵引液压缸(10)的工况时，会导致液压泵(1)进油侧压力上升，压油侧压力下降，待压油侧压力降至P1以下时，第二平衡阀(5.2)关闭，防止负推力下液压缸(10)有杆腔的油液经第二平衡阀(5.2)外泄，进而导致液压缸(10)不受控，此时在负推力下产生的负功率由伺服电机(3)吸收；负载上升至顶端后，对第一开关S1、第二开关S2断电，同时将伺服电机(3)的转速调整至0 rpm，液压泵(1)的斜盘倾角回至零位，液压缸(10)被第一两通插装阀(6.1)、第二两通插装阀(6.2)组成的开关回路锁止；在任意位置停止时，与此过程相同。
4.根据权利要求1所述的闭式泵控快速起竖系统，其特征在于，回平过程如下：
令液压泵(1)调整为负摆角，第一开关S1和第二开关S2同时得电，解除液压缸(10)锁止状态，调整伺服电机(3)转速，液压缸(10)有杆腔进油，负载下降，由于液压缸(10)两腔面积差的存在，此时无杆腔的排油流量大于有杆腔的进油流量，液压泵(1)能够接受无杆腔的排油而不用补油；液压缸(10)下降过程两腔存在流量差，如果第一平衡阀(5.1)不导通，液压缸(10)的无杆腔侧多余流量将导致有杆腔侧的压力上升，有杆腔侧的压力高于预设第二液控换向阀(4.2)的压力P3时，第一平衡阀(5.1)建立先导压力后导通，多余的流量从平衡阀(5.1)泄流至油箱；如果在负载下降过程中液压缸(10)失控，液压缸(10)有杆腔的压力势必下降甚至出现负压，在有杆腔侧压力低于P3时，第一平衡阀 (5.1)关闭，液压缸(10)的无杆腔侧多余流量将导致有杆腔侧的压力上升，同时伺服电机(3)将被液压泵(1)反拖超速而形成的制动效应，从而阻止液压缸(10)的失控下降；负载下降至底端后，对第一开关S1、第二开关S2断电，同时将伺服电机(3)的转速调整至0 rpm，液压泵(1)的斜盘摆角回至零位，液压缸(10)被两通插装阀(6)组成的开关回路锁止；在下降的任意位置停止时，与此过程相同。
5.根据权利要求1所述的闭式泵控快速起竖系统，其特征在于：液压泵(1)接受系统回油的同时能够直接从油箱内吸油，串联的齿轮泵(2)作为补油泵，保证液压泵(1)吸油的及时性和可靠性；液压缸(10)下降时，负载势能主要由伺服电机(3)吸收，负载下降时的减速和停止依靠伺服电机(3)的制动特性，减速和制动平稳；第一两通插装阀(6.1)、第二两通插装阀(6.2)组成的开关回路在负载静止和液压泵(1)斜盘摆角回零时锁止负载，防止液压泵(1)斜盘零位时的微小泄漏导致负载下滑；系统故障或断电后，全开第二节流阀(8.2)，再开启第一节流阀(8.1)，通过调整第一节流阀(8.1)的开度，能够控制负载下放的速度。
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