变量液压变压器控制单出杆液压缸系统及其控制方法

摘要

变量液压变压器控制单出杆液压缸系统及其控制方法，属于液压系统节能技术领域。本发明是为了解决现有液压变压器控制液压缸系统效率低下的问题。包括第一压力传感器(1)和液压蓄能器(2)、电磁换向阀(3)、位移传感器(4)、单出杆液压缸(5)、第二压力传感器(6)、液控单向阀(7)、变量液压变压器(8)和控制器(9)；控制器(9)的控制量主要包括变量液压变压器(8)的斜盘角度β1、变量液压变压器(8)的配流盘角度β2以及电磁换向阀(3)的开关和方向，控制器(9)通过协调β1和β2的耦合关系完成对目标量的控制。本发明利用变量液压变压器的变排量和变压功能，可完成对单出杆液压缸的速度控制，有效的提高液压变压器的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变量液压变压器控制单出杆液压缸系统及其控制方法，属于液压系统 节能技术领域。

背景技术

液压系统由于具有功率密度大的特点而被应用到很多场合，但是液压系统也同时存在 着效率不高的缺点。在日益增长的能源危机下，液压系统的节能研究正成为广大科研人员 关注的热点。

在众多的液压系统节能技术中，基于压力共轨(Common Pressure Rail简称CPR)的 液压系统近年来得到了快速的发展。压力共轨液压系统与电网相似，整个系统分成高压和 低压两个管路，高压管路一般由恒压变量泵和液压蓄能器作为动力源，低压管路一般与油 箱连接。液压执行元件以并联的方式接入系统，因为压力共轨系统高压管路的压力波动较 小，所以只需控制液压执行元件的排量就可完成对负载的控制，这种技术消除了传统阀控 液压系统的节流损失，而且可以回收能量，所以效率较高且多个执行元件之间干扰较小。 但是，压力共轨系统要求液压执行元件必须是可变排量的，对于驱动旋转负载的变量液压 泵/马达已经有成熟产品，而驱动直线负载的液压缸通常不能变量，从而限制了压力共轨 系统的应用范围，尤其是一些具备周期工作性质且有较大势能回收潜力的工况。针对这个 问题，液压变压器应运而生，通过在液压缸前串接一个液压变压器可完成对液压缸压力的 调整，它的最大特别之处在于配流盘结构(如图1所示)，由三个油口组成，分别与压力 共轨系统的高压端，负载端以及压力共轨系统的低压端组成，通过改变配流盘的角度来调 整CPR高压端和负载端之间的压力比，从而实现CPR高压端的压力对不同负载压力的适 应。现有的液压变压器一般通过轴向柱塞元件改造而成，但迄今为止，液压变压器仍然没 有广泛的应用，主要原因是液压变压器的效率较低。而造成现有的液压变压器效率低下的 一个原因是轴向柱塞元件在不同转速下的效率差别较大。在工作过程中，液压变压器由于 不能变量导致为了满足不同流量的需求而使转速变化频繁且经常处在低效率区。申请号为 200810137522.0的题名为“液压缸控斜盘式柱塞液压变压器”的发明专利，结构上类似于斜 盘式轴向柱塞元件，可以借鉴斜盘式轴向柱塞元件的变量方法，使液压变压器能够变量从 而控制转速工作在高效率区成为可能。

发明内容

本发明是为了解决现有液压变压器控制液压缸系统效率低下的问题，提供一种变量液 压变压器控制单出杆液压缸系统及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述变量液压变压器控制单出杆液压缸系统包括第一压力传感器和液压蓄能 器，它还包括电磁换向阀、位移传感器、单出杆液压缸、第二压力传感器、液控单向 阀、变量液压变压器和控制器；

液压蓄能器连通CPR高压端，电磁换向阀的P口、第一压力传感器以及变量液压变 压器的A口连通CPR高压端；电磁换向阀的T口连通CPR低压端，电磁换向阀的T口 还同时连通单出杆液压缸的上油口，电磁换向阀的A口连通液控单向阀的控制油口，电 磁换向阀的B口堵死；单出杆液压缸的下油口连通液控单向阀的出油口，单出杆液压缸 的下油口还连通第二压力传感器；液控单向阀的进油口连通变量液压变压器的B口；液压 变压器的T口连通CPR低压端；

控制器的液压缸目标速度信号输入端接收由手柄发出的速度信号；控制器的两个压力 信号输入端分别连接第一压力传感器和第二压力传感器的压力信号输出端；控制器的位移 信号输入端连接位移传感器的位移信号输出端；控制器的两个开关信号输出端分别连接电 磁换向阀的两个开关控制信号输入端；控制器的角度信号输出端一连接变量液压变压器的 斜盘角度信号输入端β₁，控制器的角度信号输出端二连接变量液压变压器的配流盘角度 信号输入端β₂。

基于上述变量液压变压器控制单出杆液压缸系统的控制方法，具体过程为：

步骤一、控制器采集液压缸速度控制手柄的目标速度信号、第一压力传感器、第二压 力传感器的压力信号以及位移传感器的信号；

步骤二、设定控制器有两个目标量：一个是液压缸的速度所对应的输出流量，另一个 是参照轴向柱塞元件的转速与效率关系表来确定的处在高效率区的液压变压器转速；控制 器的控制量主要包括变量液压变压器的斜盘角度β₁、变量液压变压器的配流盘角度β₂以 及电磁换向阀的开关和方向，控制器通过协调β₁和β₂的耦合关系完成对目标量的控制；

步骤三、其中，当速度信号向上时，电磁换向阀处于右位，变量液压变压器将CPR 高压端的压力油经变压后通过液控单向阀传到单出杆液压缸下腔；当速度信号向下时， 电磁换向阀处于左位，变量液压变压器将单出杆液压缸下腔的压力油经变压后回收到 CPR高压端并储存在液压蓄能器中，完成重力势能的回收。

本发明的有益效果是：本发明的优点是利用变量液压变压器的变排量和变压功能，不 仅可完成对单出杆液压缸的速度控制，而且可以通过调整斜盘角度以及配流盘角度的耦合 关系使液压变压器处于效率高的转速区间内，可有效的提高液压变压器的效率。通过加装 液控单向阀可以保证如图所示的工况在停机状态下保持位置稳定，同时可以有效缓解单出 杆液压缸在向上运动的初始状态下由于压力建立所需时间而导致的振荡问题。另外，利用 液压变压器可以完成重力势能回收并存储在液压蓄能器中，所以更有利于提高液压系统效 率。

附图说明

图1为液压变压器配流盘结构图，图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述变量液压变压器控 制单出杆液压缸系统，它包括第一压力传感器1和液压蓄能器2，它还包括电磁换向阀3、 位移传感器4、单出杆液压缸5、第二压力传感器6、液控单向阀7、变量液压变压器8 和控制器9；

液压蓄能器2连通CPR高压端，同时，电磁换向阀3的P口、第一压力传感器1以 及变量液压变压器8的A口连通CPR高压端；

电磁换向阀3的T口连通CPR低压端，电磁换向阀3的T口还同时连通单出杆液压 缸5的上油口，电磁换向阀3的A口连通液控单向阀7的控制油口，电磁换向阀3的B 口堵死；

单出杆液压缸5的下油口连通液控单向阀7的出油口，同时，单出杆液压缸5的下油 口连通第二压力传感器6。液控单向阀7的进油口连通变量液压变压器8的B口。液压变 压器8的T口连通CPR低压端；

控制器9的液压缸目标速度信号输入端接收由手柄发出的速度信号；

控制器9的两个压力信号输入端分别连接第一压力传感器1和第二压力传感器6的压 力信号输出端；

控制器9的位移信号输入端连接位移传感器4的位移信号输出端；

控制器9的两个开关信号输出端分别连接电磁换向阀3的两个开关控制信号输入端；

控制器9的角度信号输出端一连接变量液压变压器8的斜盘角度信号输入端β₁，控 制器9的角度信号输出端二连接变量液压变压器8的配流盘角度信号输入端β₂。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一所述 变量液压变压器控制单出杆液压缸系统的控制方法，来实现对单出杆液压缸的速度控制， 具体过程为：

控制器9根据采集获得的液压缸速度控制手柄的目标速度信号、第一压力传感器1、 第二压力传感器6的压力信号以及位移传感器4的信号组成闭环速度控制系统。设定控制 器9有两个目标量，一个是液压缸的速度所对应的输出流量，另一个是参照轴向柱塞元件 的转速与效率关系表来确定的处在高效率区的液压变压器转速，控制器9的控制量主要包 括变量液压变压器8的斜盘角度β₁、变量液压变压器8的配流盘角度β₂以及电磁换向阀 3的开关和方向，控制器9通过协调β₁和β₂的耦合关系完成对目标量的控制，具体为首 先调整β₁处于最大值，再通过调整β₂完成液压变压器对负载的适应，然后根据液压变压 器的实测效率表来调整β₁使得液压变压器处于高效率区；

当速度信号向上时，电磁换向阀3处于右位，变量液压变压器8将CPR高压端的压 力油经变压后通过液控单向阀7传到单出杆液压缸5下腔，实现对液压缸向上的推动；液 控单向阀7可以保证如图1所示的工况在静止状态下保持位置稳定，同时可以有效缓解单 出杆液压缸在向上运动的初始状态下由于压力建立所需时间而导致的振荡问题；

当速度信号向下时，电磁换向阀3处于左位，液控单向阀7的控制油口与压力油接通 从而控制液控单向阀7反向连通，变量液压变压器8将单出杆液压缸5下腔的压力油经变 压后回收到CPR高压端并储存在液压蓄能器中，完成重力势能的回收；

在以上两个过程中，变量液压变压器8的转速都被控制器9通过调整β₁和β₂的大小 设定在高效率转速区内，从而避免了现有液压变压器由于转速常处于低效率区而导致的整 机效率较低问题。