CN116181709A - 一种电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型闭式泵控非对称缸系统，其能够回收系统在顺载工况下的能量通过双向液压泵马达和双向变转速伺服电机发电给电储能单元进行能量储存，在逆载工况下电储能单元供电给双向变转速伺服电机和双向液压泵马达进行能量利用。同时该系统的非对称液压缸有第三个液压腔直连一个小型闭式泵控系统，通过单独的控制进行能量回收与利用，同时可以根据工况单独驱动小型闭式泵控系统主动控制流量和压力辅助控制非对称液压缸执行器从而提高系统使用性能。通过本发明，提高了电动工程机械动臂的能量利用效率，实现了对工作过程中浪费的能量进行回收与利用，同时提高动臂的负载能力和工作性能。

Description

一种电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统

技术领域

本发明涉及闭式泵控系统技术领域，具体而言，涉及一种电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统。

背景技术

随着国民经济发展和国家建设的需求，工程项目建设在国民经济发展中的作用举足轻重，挖掘机是社会飞速发展中不可或缺的一类工程机械。传统工程机械广泛采用发动机-变量泵-多路阀-执行器的驱动系统存在能耗高、噪音大、运行精度低和油液污染严重等急需解决的问题，同时全球能源短缺和各项建设对挖掘机的需求持续上升等问题对挖掘机的技术规格要求也越来越高，所以挖掘机工业技术向绿色、环保、智能、物联化发展是不变的趋势。但是现有的多路阀控制无法避免地会产生节流损失和溢流损失，且在重载能力和能量传递效率上不足，容易造成能源损失，在使用时噪声大、运行精度低也影响着用户体验。

发明内容

本发明公开了一种电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，结构简单，操作便利，旨在改善现有的工程机械存在能耗高、噪音大、运行精度低和油液污染严重问题。

本发明采用了如下方案：一种电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，包括电储能单元、油箱，还包括：第一双向变转速伺服电机、第一双向液压泵马达、非对称液压缸、第二双向液压泵马达、第二双向变转速伺服电机、第一电机驱动器、第二电机驱动器和控制器；其中，所述非对称液压缸适于连接系统外部负载，其包括有第一腔、第二腔和第三腔；

所述第一双向液压泵马达包括第一油口和第二油口，且第一油口与非对称液压缸的所述第一腔连通形成第一腔油路，第二油口与非对称液压缸的第二腔连通形成第二腔油路，所述非对称液压缸的第三腔连通至所述第二双向液压泵马达形成第三腔油路，且所述第二双向液压泵马达连接至所述第二双向变转速伺服电机，所述第二双向变转速伺服电机电连接至所述第二电机驱动器；所述第一双向变转速伺服电机配置为能通过控制所述第一双向液压泵马达的流量与压力而控制所述非对称液压缸的作动方向与作动速度；

所述电储能单元同时连接所述第一双向变转速伺服电机和第二双向变转速伺服电机，且配置为当系统外部负载处于顺载工况时，所述第一双向变转速伺服电机、第二双向变转速伺服电机以及第一双向液压泵马达、第二双向液压泵马达能在外部负载的作用下转动以发电给所述电储能单元以进行能量回收储存；当系统外部负载处于逆载工况时，所述电储能单元能供电给所述控制器和电机驱动器以驱动所述第一双向变转速伺服电机和第二双向变转速伺服电机转动；此时，所述控制器和第二电机驱动器配置为能根据系统外部负载的工作工况以驱动所述第二双向变转速伺服电机带动所述第二双向液压泵马达转动给予所述非对称缸的第三腔压力，实现非对称液压缸的大负载输出。

进一步地，所述非对称液压缸还包括有磁致伸缩位移传感器以及伸出杆，所述伸出杆活动连接至所述第一腔和第三腔，且适于与电动工程机械连接以承接系统外部负载；所述磁致伸缩位移传感器连接所述控制器和所述伸出杆，其配置为能收集所述伸出杆的位移数据，并将所述数据传递至所述控制器。

进一步地，所述第一双向液压泵马达的第一腔油路和第二腔油路上分别并联设置有连通至所述油箱的第一单向阀和第二单向阀，且在所述第一单向阀和第二单向阀上分别并联设置有连通至所述油箱的第一溢流阀和第二溢流阀。

进一步地，所述第一双向液压泵马达上还并联设置有第一二位二通电磁阀，所述第一二位二通电磁阀配置在所述非对称液压缸的第一腔油路和第二腔油路之间且处于常闭位置。

进一步地，在所述第一腔油路上设置有第二二位二通电磁阀且处于常开位置，所述第二腔油路上设置有第三二位二通电磁阀且处于常开位置，所述第三腔油路上设置有第四二位二通电磁阀且处于常开位置；所述第二二位二通电磁阀、第三二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀配置为能分别通过开闭动作切换所述第一腔油路、第二腔油路和第三腔油路的通断。

进一步地，所述第三腔油路上还并联设置有连通至所述油箱的第三溢流阀，所述第三溢流阀配置为当所述非对称液压缸的第三腔压力过载时能让油液从所述第三腔流入油箱。

进一步地，所述控制器电连接所述第一电机驱动器和第二电机驱动器，所述第一电机驱动器和第二电机驱动器分别电连接至所述第一双向变转速伺服电机和第二双向变转速伺服电机，所述第一双向变转速伺服电机和第二双向变转速伺服电机适于分别对所述第一电机驱动器和第二电机驱动器提供速度反馈和电流反馈。

有益效果：

1、该系统使用电储能单元与双向变转速伺服电机进行驱动和能量回收，让双向变转速伺服电机与双向液压泵马达相连控制流量与压力，通过控制器和电机驱动器控制电机的正反转来控制对称液压缸执行器的伸出和收回，通过控制器和电机驱动器控制电机正反转的速度来控制对称液压缸执行器的伸出和收回速度。

2、该系统应用的非对称缸有设置有第三腔单独直连一个小型泵控系统，能够根据工况对非对称缸进行单独的能量回收利用与负载力的驱动控制。通过对顺载工况和逆载工况的识别与两个伺服电机的单独控制能够实现伺服电机与电储能单元之间的能量交换从而实现能量的回收与利用，同时也可以更好地匹配工况进行负载力的输出。不同于传统的闭式泵控非对称缸系统，该新型闭式泵控非对称缸系统通过使用三腔液压缸解决了传统非对称缸闭式泵控系统中存在的流量补偿问题，且可以通过小型闭式泵控系统主动控制第三腔压力，辅助控制非对称缸的能量回收与作动，在能量利用效率、作动速度和输出力方面拥有巨大的提升。

附图说明

图1是本发明实施例新型闭式泵控非对称缸系统及其控制原理图；

图标：电储能单元1、第一双向变转速伺服电机2、第一双向液压泵马达3、油箱4、第一单向阀5、第二单向阀6、第一溢流阀7、第二溢流阀8、第一二位二通电磁阀9、第二二位二通电磁阀10、第三二位二通电磁阀11、磁致伸缩位移传感器12、非对称液压缸13、第四二位二通电磁阀14、第三溢流阀15、第二双向液压泵马达16、第二双向变转速伺服电机17、第二电机驱动器18、第一电机驱动器19、控制器20。

具体实施方式

实施例

结合图1，本实施例提供了一种电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，包括电储能单元1、油箱4，还包括：第一双向变转速伺服电机2、第一双向液压泵马达3、非对称液压缸13、第二双向液压泵马达16、第二双向变转速伺服电机17、第一电机驱动器19、第二电机驱动器18和控制器20；其中，所述非对称液压缸13适于连接系统外部负载，其包括有第一腔、第二腔和第三腔；

所述第一双向液压泵马达3包括第一油口和第二油口，且第一油口与非对称液压缸13的所述第一腔连通形成第一腔油路，第二油口与非对称液压缸13的第二腔连通形成第二腔油路，所述非对称液压缸13的第三腔连通至所述第二双向液压泵马达16形成第三腔油路，且所述第二双向液压泵马达16连接至所述第二双向变转速伺服电机17，所述第二双向变转速伺服电17机电连接至所述第二电机驱动器18；所述第一双向变转速伺服电机2配置为能通过控制所述第一双向液压泵马达3的流量与压力而控制所述非对称液压缸13的作动方向与作动速度；

所述电储能单元1同时连接所述第一双向变转速伺服电机2和第二双向变转速伺服电机17，且配置为当系统外部负载处于顺载工况时，所述第一双向变转速伺服电机2、第二双向变转速伺服电机17以及第一双向液压泵马达3、第二双向液压泵马达16能在外部负载的作用下转动以发电给所述电储能单元1以进行能量回收储存；当系统外部负载处于逆载工况时，所述电储能单元1能供电给所述控制器20和电机驱动器以驱动所述第一双向变转速伺服电机2和第二双向变转速伺服电机17转动；此时，所述控制器20和第二电机驱动器18配置为能根据系统外部负载的工作工况以驱动所述第二双向变转速伺服电机17带动所述第二双向液压泵马达16转动给予所述非对称缸的第三腔压力，实现非对称液压缸13的大负载输出。

本实施例中，所述的电动工程机械可以是挖掘机、升降机等机械，为了方便描述，本实施例以挖掘机为例进行说明，但不局限于挖掘机。

在本实施例中，所述非对称液压缸13还包括有磁致伸缩位移传感器12以及伸出杆，所述伸出杆活动连接至所述第一腔和第三腔，且适于与电动工程机械连接以承接系统外部负载；所述磁致伸缩位移传感器12连接所述控制器20和所述伸出杆，其配置为能收集所述伸出杆的位移数据，并将所述数据传递至所述控制器20。这里所述伸出杆用于承载负载，其工作原理为：

当非对称液压缸13的伸出杆向上伸出且所受负载力向上时，第一双向变转速伺服电机2处于顺载工况(例如挖掘机动臂与地面接触支撑机身缓慢下落)，非对称液压缸13的第一腔为高压腔，第二腔为低压腔，非对称液压缸13的伸出杆向上伸出，油液在系统外部负载的作用下由第一腔经过第一双向液压泵马达3流向第二腔同时带动第一双向液压泵马达3和第一双向变转速伺服电机2正向转动发电给电储能单元1完成电气能量的回收。第二双向变转速伺服电机17此时也处于顺载工况，油液在系统外部负载的作用下从油箱4流经第二双向液压泵马达16进入非对称液压缸13的第三腔，带动第二双向液压泵马达16和第二变转速伺服电机正向转动发电给电储能单元1完成能量的回收储存。

当非对称液压缸13伸出杆向下缩回且所受负载力向上时，第一双向变转速伺服电机2处于逆载工况(例如挖掘机动臂与地面接触支撑机身缓慢抬起或者挖掘机动臂与地面接触并向下挖掘)，此时，非对称液压缸13的第一腔为高压腔，第二腔为低压腔，电储能单元1供电在控制器20和第一电机驱动器19的控制下驱动第一双向变转速伺服电机2和第一双向液压泵马达3反向转动使油液由第二腔经过第一双向液压泵马达3流向第一腔推动非对称液压缸13伸出杆向下缩回。第二双向变转速伺服电机17此时也处于逆载工况，电储能单元1供电在控制器20和第二电机驱动器18的控制下驱动第二双向变转速伺服电机17和第二双向液压泵马达16反向转动，油液在第二双向液压泵马达16的作用下由非对称液压缸13的第三腔流经第二双向液压泵马达16流入油箱4，辅助非对称液压缸13伸出杆向下缩回；

当非对称液压缸13的伸出杆向下缩回且所受负载力向下时，第一双向变转速伺服电机2处于顺载工况(例如挖掘机动臂在空载或者负载状态下由高至低进行下放)，此时，非对称液压缸13的第一腔为低压腔，第二腔为高压腔，非对称液压缸13的伸出杆向下缩回，油液在系统外部负载的作用下由第二腔经过第一双向液压泵马达3流向第一腔同时带动第一双向液压泵马达3和第一双向变转速伺服电机2反向转动发电给电储能单元1完成电气能量的回收。第二双向变转速伺服电机17此时也处于顺载工况，油液在系统外部负载的作用下从非对称液压缸13第三腔流经第二双向液压泵马达16进入油箱4，带动第二双向液压泵马达16和第二变转速伺服电机反向转动发电给电储能单元1完成能量的回收储存；

当非对称液压缸13伸出杆向上伸出且所受负载力向下时，第一双向变转速伺服电机2处于逆载工况(例如挖掘机动臂在空载或者负载状态下由低至高进行抬升)，非对称液压缸13的第一腔为低压腔，第二腔为高压腔，电储能单元1供电在控制器20和第一电机驱动器19的控制下驱动第一双向变转速伺服电机2和第一双向液压泵马达3正向转动使油液由第一腔经过第一双向液压泵马达3流向第二腔推动非对称液压缸13伸出杆向上伸出。此时，第二双向变转速伺服电机17此时也处于逆载工况，电储能单元1供电在控制器20和第二电机驱动器18的控制下驱动第二双向变转速伺服电机17和第二双向液压泵马达16正向转动，油液在第二双向液压泵马达16的作用下由油箱4经第二双向液压泵马达16流入非对称液压缸13第三腔，辅助非对称液压缸13伸出杆向上伸出。

本发明实施例中，设置有小型闭式泵控系统，所述小型闭式泵控系统包括所述第四二位二通电磁阀14、第三溢流阀15、第二双向液压泵马达16、第二双向变转速伺服电机17和第二电机驱动器18。所述第三溢流阀15并联设置所述第三腔油路上，且连通至所述油箱4，所述第三溢流阀15配置为当所述非对称液压缸13的第三腔压力过载时能让油液从所述第三腔流入油箱4。非对称液压缸13的第三腔单独直连小型闭式泵控系统，当非对称液压缸13第三腔压力过载时第三溢流阀15工作让油液从非对称液压缸13第三腔流入油箱4，根据顺载和逆载工况，控制器20和第二电机驱动器18会联合控制第二双向变转速伺服电机17和第二双向液压泵马达16的转速和转向及发电等。

在本实施例中，所述第一双向液压泵马达3的第一腔油路和第二腔油路上分别并联设置有连通至所述油箱4的第一单向阀5和第二单向阀6，且在所述第一单向阀5和第二单向阀6上分别并联设置有连通至所述油箱4的第一溢流阀7和第二溢流阀8。当挖掘机动臂伸出(缩回)到最大位置或者负载过大导致该新型闭式泵控非对称缸系统内部压力过高时，油液会经由第一溢流阀7和第二溢流阀8流入油箱4实现系统的过载保护防止系统和元部件损坏；同时当该新型闭式泵控非对称缸系统内部流量不足时油箱4中的液压油会经由第一单向阀5和第二单向阀6流入该系统从而对非对称液压缸13的第一腔或第二腔补充油液。

所述第一双向液压泵马达3上还并联设置有第一二位二通电磁阀9，所述第一二位二通电磁阀9配置在所述非对称液压缸13的第一腔油路和第二腔油路之间且处于常闭位置。当挖掘机使用完毕或者该新型闭式泵控非对称缸系统损坏无法正常工作时，可主动操控使用第一二位二通电磁阀9对非对称液压缸13进行卸荷让非对称液压缸13伸出杆回到初始位置，控制非对称液压缸13第一腔和第二腔压力平衡防止系统损坏。

在优选实施例中，所述第一腔油路上设置有第二二位二通电磁阀10且处于常开位置，所述第二腔油路上设置有第三二位二通电磁阀11且处于常开位置，所述第三腔油路上设置有第四二位二通电磁阀14且处于常开位置；所述第二二位二通电磁阀10、第三二位二通电磁阀11、第四二位二通电磁阀14配置为能分别通过开闭动作切换所述第一腔油路、第二腔油路和第三腔油路的通断。在断电时，所述非对称液压缸13与第一腔油路、第二腔油路和小型闭式泵控系统全部连通保证该新型闭式泵控非对称缸系统能够正常工作。当挖掘机动臂因工况需要悬停在某一位置时，系统给电让第二二位二通电磁阀10、第三二位二通电磁阀11、第四二位二通电磁阀14同时切换到闭合位置从而切断第一腔油路、第二腔油路和小型泵控系统让非对称液压缸13处于保压状态。

所述控制器20电连接所述第一电机驱动器19和第二电机驱动器18，所述第一电机驱动器19和第二电机驱动器18分别电连接至所述第一双向变转速伺服电机2和第二双向变转速伺服电机17，所述第一双向变转速伺服电机2和第二双向变转速伺服电机17适于分别对所述第一电机驱动器19和第二电机驱动器18提供速度反馈和电流反馈。

该新型闭式泵控非对称缸系统主要通过控制第一双向变转速伺服电机2、第二双向变转速伺服电机17的转向和转速来控制非对称液压缸13的作动方向和作动速度。该新型闭式泵控非对称缸系统的控制系统包括控制器20和第一电机驱动器19、第二电机驱动器18，给控制器20输入一个目标信号，控制器20会自动分析处理数据给第一电机驱动器19、第二电机驱动器18从而控制第一双向变转速电机、第二双向变转速电机的转向和转速，同时根据安装在非对称液压缸13上的磁致伸缩位移传感器12收集位移和速度信号反馈数据给控制器20完成负反馈控制。控制器20会根据挖掘机工况和工作模式单独控制第一双向变转速伺服电机2和第二双向变转速伺服电机17来达到最佳工作性能。

本发明实施例中的新型闭式泵控非对称缸系统能够回收系统在顺载工况下的能量，通过双向液压泵马达和双向变转速伺服电机发电给电储能单元1进行能量储存，在逆载工况下电储能单元1供电给双向变转速伺服电机和双向液压泵马达进行能量利用。同时该系统的非对称液压缸13有第三个液压腔直连一个小型闭式泵控系统，通过单独的控制进行能量回收与利用，同时可以根据工况单独驱动小型闭式泵控系统主动控制流量和压力辅助控制非对称液压缸13执行器从而提高系统使用性能。通过本发明，提高了电动工程机械动臂的能量利用效率，实现了对工作过程中浪费的能量进行回收与利用，同时提高动臂的负载能力和工作性能。

应当理解的是：以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

Claims (7)

1.一种电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，包括电储能单元、油箱，其特征在于，还包括：第一双向变转速伺服电机、第一双向液压泵马达、非对称液压缸、第二双向液压泵马达、第二双向变转速伺服电机、第一电机驱动器、第二电机驱动器和控制器；其中，

所述非对称液压缸适于连接系统外部负载，其包括有第一腔、第二腔和第三腔；

所述第一双向液压泵马达包括第一油口和第二油口，且第一油口与非对称液压缸的所述第一腔连通形成第一腔油路，第二油口与非对称液压缸的第二腔连通形成第二腔油路，所述非对称液压缸的第三腔连通至所述第二双向液压泵马达形成第三腔油路，且所述第二双向液压泵马达连接至所述第二双向变转速伺服电机，所述第二双向变转速伺服电机电连接至所述第二电机驱动器；

所述第一双向变转速伺服电机配置为能通过控制所述第一双向液压泵马达的流量与压力而控制所述非对称液压缸的作动方向与作动速度；

所述电储能单元同时连接所述第一双向变转速伺服电机和第二双向变转速伺服电机，且配置为当系统外部负载处于顺载工况时，所述第一双向变转速伺服电机、第二双向变转速伺服电机以及第一双向液压泵马达、第二双向液压泵马达能在外部负载的作用下转动以发电给所述电储能单元以进行能量回收储存；当系统外部负载处于逆载工况时，所述电储能单元能供电给所述控制器和第一电机驱动器、第二电机驱动器以驱动所述第一双向变转速伺服电机和第二双向变转速伺服电机转动；此时，所述控制器和第二电机驱动器配置为能根据系统外部负载的工作工况以驱动所述第二双向变转速伺服电机带动所述第二双向液压泵马达转动给予所述非对称缸的第三腔压力，实现非对称液压缸的大负载输出。

2.根据权利要求1所述的电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，其特征在于，所述非对称液压缸还包括有磁致伸缩位移传感器以及伸出杆，所述伸出杆活动连接至所述第一腔和第三腔，且适于与电动工程机械连接以承接系统外部负载；所述磁致伸缩位移传感器连接所述控制器和所述伸出杆，其配置为能收集所述伸出杆的位移数据，并将所述数据传递至所述控制器。

3.根据权利要求1所述的电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，其特征在于，所述第一双向液压泵马达的第一腔油路和第二腔油路上分别并联设置有连通至所述油箱的第一单向阀和第二单向阀，且在所述第一单向阀和第二单向阀上分别并联设置有连通至所述油箱的第一溢流阀和第二溢流阀。

4.根据权利要求3所述的电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，其特征在于，所述第一双向液压泵马达上还并联设置有第一二位二通电磁阀，所述第一二位二通电磁阀配置在所述非对称液压缸的第一腔油路和第二腔油路之间且处于常闭位置。

5.根据权利要求1所述的电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，其特征在于，在所述第一腔油路上设置有第二二位二通电磁阀且处于常开位置，所述第二腔油路上设置有第三二位二通电磁阀且处于常开位置，所述第三腔油路上设置有第四二位二通电磁阀且处于常开位置；所述第二二位二通电磁阀、第三二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀配置为能分别通过开闭动作切换所述第一腔油路、第二腔油路和第三腔油路的通断。

6.根据权利要求1所述的电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，其特征在于，所述第三腔油路上还并联设置有连通至所述油箱的第三溢流阀，所述第三溢流阀配置为当所述非对称液压缸的第三腔压力过载时能让油液从所述第三腔流入油箱。

7.根据权利要求1所述的电动工程机械的新型闭式泵控非对称缸系统，其特征在于，所述控制器电连接所述第一电机驱动器和第二电机驱动器，所述第一电机驱动器和第二电机驱动器分别电连接至所述第一双向变转速伺服电机和第二双向变转速伺服电机，所述第一双向变转速伺服电机和第二双向变转速伺服电机适于分别对所述第一电机驱动器和第二电机驱动器提供速度反馈和电流反馈。

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