基于变转速与变排量的负流量系统和电动工程机械装置

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体而言，涉及一种基于变转速与变排量的负流量系统和电动工程机械装置。

背景技术

在双碳战略和绿色生态发展的背景下，电动化因其可实现零排放、零污染、高效节能、低噪声和易于智能化等众多优点，已成为工程机械绿色转型升级的重要途经。

但是，当前工程机械电动化技术仍处于初级阶段，以中型挖掘机为例，主要采用电机替代原本柴油发动机驱动负流量液压控制系统，然而在控制方面仍沿用传统方式，由驾驶员通过油门旋钮给定转速后恒速运行。

在一方面，经验不足的驾驶员很难根据当前工况选定和调整合适的转速，造成在高转速下存在较大的空载损耗、在低转速下作业效率难以满足等不足。而另一方面，电机恒速运行，液压泵变排量匹配负载流量需求的方式，导致液压泵的运行能效波动，造成较大能量损失。

因此，现有的电驱系统相对于柴油发动机所具备的优良调速特性、强过载能力、宽高效工作区间以及高动态响应等众多性能优势,并没有被充分发挥以优化系统的操控性和节能性。尤其是，对于系统的负流量压力，仅仅通过对电驱转速的单一调节控制，仍不能够满足恒压稳定和节能减排的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于变转速与变排量的负流量系统和电动工程机械装置，以解决上述问题。

本发明采用了如下方案：

本申请提供了一种基于变转速与变排量的负流量系统，包括：驱动电机组件、负流量变量泵组件、多路阀组件、先导操控组件、执行器组件、流量检测组件以及压力感应组件和控制组件；所述驱动电机组件与负流量变量泵组件相机械连接，所述负流量变量泵组件用于接收驱动电机组件所输出的变转速形式的动力，所述负流量变量泵组件的输入端外接一液压油箱，所述负流量变量泵组件的输出端用于提供液压油至多路阀组件；所述先导操控组件与执行器组件分别连接在多路阀组件上，所述先导操控组件用于调节多路阀组件进入至执行器组件内的流量，对应控制所述执行器组件的运行速度；所述流量检测组件安装在多路阀组件至油箱的油路上，并与负流量变量泵组件相油路连接，用于实时监测多路阀组件流回油箱的流量，以将流量以负流量压力的形式表征出来，进而通过流量检测组件所反馈出的负流量压力来调节负流量变量泵组件的排量；所述控制组件与压力感应组件和驱动电机组件分别电性连接，所述压力感应组件对应配置在流量检测组件的输入端，所述控制组件用于接收压力感应组件的信号，进而发送转速控制信号至驱动电机组件；其中，基于变转速与变排量的负流量系统，包括以下步骤：

S1：获取流量检测组件所感应到的实时负流量压力并反馈至负流量变量泵组件，定义出第一设定压力，判断出实时负流量压力与第一设定压力的大小关系，对应调节负流量变量泵组件的排量大小，以将负流量压力维持在第一设定压力；

S2：由控制组件通过执行其内部存储的计算机程序，控制驱动电机组件的转速，对压力感应组件所检测到的负流量压力进行闭环控制，定义出第二设定压力，判断出实时负流量压力与第二设定压力的大小关系，对应调节驱动电机组件的转速大小。

作为进一步改进，所述驱动电机组件包括电源、驱动器以及电机；所述电源与驱动器的输入端相电性连接，所述驱动器的输出端与电机相电性连接，所述电机同轴传动连接至负流量变量泵组件。

作为进一步改进，所述第一设定压力大于第二设定压力，且两者的差值处于一个较小压力裕度内，使得所述负流量变量泵组件和所述驱动电机组件适于分阶段对负流量压力进行调节而互不干扰。

作为进一步改进，所述驱动电机组件以闭环控制的方式，维持负流量压力稳定在第二设定压力；在压力感应组件所测得的负流量压力小于第二设定压力时，对应增大驱动电机组件的转速；以及，在压力感应组件所测得的负流量压力大于第二设定压力时，对应减小驱动电机组件的转速。

作为进一步改进，所述多路阀组件包括至少相并联设置的第一三位六通阀和第二三位六通阀，所述先导操控组件包括与第一三位六通阀相联动的第一手柄件、和与第二三位六通阀相联动的第二手柄件，所述执行器组件包括与第一三位六通阀相连的第一执行件、和与第二三位六通阀相连的第二执行件。

作为进一步改进，所述流量检测组件设置在多路阀组件的中位回油的油路上，用于监测出通过多路阀组件中位流回油箱的流量；所述流量检测组件的输入端与负流量变量泵组件相油路连接，用于调节负流量变量泵组件的排量。

作为进一步改进，所述流量检测组件包括一节流口，所述节流口前端的负流量压力与多路阀组件的回油流量呈正相关，且所述节流口前端的负流量压力与负流量变量泵组件的排量呈负相关。

作为进一步改进，所述流量检测组件还包括一溢流阀，所述溢流阀与节流口相互并联，用于防止节流口的压力过大。

作为进一步改进，所述节流口邻近设置在流量检测组件的输入端，所述压力感应组件包括设置在流量检测组件的输入端的压力传感器，且所述压力传感器与节流口相毗邻。

本申请另提供一种电动工程机械装置，包括前述的基于变转速与变排量的负流量系统。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

1、本申请的基于变转速与变排量的负流量系统，将流量检测组件安装连接在多路阀组件和负流量泵组件上，以此来监测多路阀组件的流量，将压力感应组件连接在流量检测组件的输入端，以此来将流量信息反馈至控制组件进而调控驱动电机组件的排量，从而，通过驱动电机组件驱动负流量变量泵组件为多路阀组件供给液压油，由先导操控组件控制多路阀组件的阀芯位移进而控制执行器组件的运动速度，流量检测组件用以检测多路阀组件的回油流量并反映出负流量压力大小，负流量变量泵组件感应到负流量压力并通过调节其排量以维持在第一设定压力，同时控制组件以压力感应组件所采集的负流量压力为实际值，以小于第一设定压力的第二设定压力为目标值，通过调节驱动电机组件的转速进行闭环控制。

2、当执行器组件的流量需求不断增大，负流量压力出现减小的趋势，此时负流量变量泵组件的排量将率先提升至最大排量，随后驱动电机组件的转速再提升；而当执行器组件的流量需求不断减小，负流量压力出现增大的趋势，此时驱动电机组件的转速将率先降低至最低转速，随后负流量变量泵组件的排量再降低，以此来共同维持负流量压力的稳定。

3、在运行过程中，负流量变量泵组件的排量在运行过程中始终处于系统流量所需的最大值，显著改善了负流量变量泵组件的运行能效。并且，通过变转速与变排量的方式来实现动力源全范围的流量自适应匹配，自动适应工程机械中的精细作业和快速复合动作等复杂多变的工况需求，降低了对用户的操作要求，充分利用了电驱动系统的优良特性，实现了负流量系统的节能性和操控性的提升。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于变转速与变排量的负流量系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例的控制方法的控制框图；

图3是本发明一实施例的控制方法的步骤图。

图标：1-驱动电机组件；11-电源；12-驱动器；13-电机；2-负流量变量泵组件；3-多路阀组件；31-第一三位六通阀；32-第二三位六通阀；4-流量检测组件；41-节流口；42-溢流阀；5-执行器组件；51-第一执行件；52-第二执行件；6-先导操控组件；61-第一手柄件；62-第一手柄件；7-压力感应组件；8-控制组件。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例

结合图1至图2，本实施例提供了一种基于变转速与变排量的负流量系统，包括：驱动电机组件1、负流量变量泵组件2、多路阀组件3、流量检测组件4、执行器组件5、先导操控组件6、以及压力感应组件7和控制组件8。驱动电机组件1与负流量变量泵组件2相机械连接，负流量变量泵组件2配置成用于接收驱动电机组件1变转速形式的动力，负流量变量泵组件2的输入端外接一液压油箱，负流量变量泵组件2的输出端用于提供液压油至多路阀组件3。先导操控组件6与执行器组件5分别连接在多路阀组件3上，先导操控组件6用于调节多路阀组件3进入至执行器组件5内的流量，对应控制执行器组件5的运行速度。流量检测组件4安装在多路阀组件3至油箱的油路上，并与负流量变量泵组件2相油路连接，用于实时监测多路阀组件3流回油箱的流量，以将流量以负流量压力的形式表征出来，进而通过流量检测组件4所反馈出的负流量压力来调节负流量变量泵组件2的排量。控制组件8与压力感应组件7和驱动电机组件1分别电性连接，压力感应组件7对应配置在流量检测组件4的输入端，控制组件8用于接收压力感应组件7的信号，进而发送转速控制信号至驱动电机组件1。

上述中的基于变转速与变排量的负流量系统，将流量检测组件4安装连接在多路阀组件3和负流量泵组件2上，以此来监测多路阀组件3的流量，将压力感应组件7连接在流量检测组件4的输入端，以此来将流量信息反馈至控制组件8进而调控驱动电机组件1的排量。从而，通过驱动电机组件1驱动负流量变量泵组件2为多路阀组件3供给液压油，由先导操控组件6控制多路阀组件3的阀芯位移进而控制执行器组件5的运动速度，流量检测组件4用以检测多路阀组件3的回油流量并反映出负流量压力大小，负流量变量泵组件2感应到负流量压力并通过调节其排量以维持在第一设定压力，同时控制组件8以压力感应组件7所采集的负流量压力为实际值，以小于第一设定压力的第二设定压力为目标值，通过调节驱动电机组件1的转速进行闭环控制。

当执行器组件5的流量需求不断增大，负流量压力出现减小的趋势，此时负流量变量泵组件2的排量将率先提升至最大排量，随后驱动电机组件1的转速再提升；而当执行器组件5的流量需求不断减小，负流量压力出现增大的趋势，此时驱动电机组件1的转速将率先降低至最低转速，随后负流量变量泵组件2的排量再降低，以此来共同维持负流量压力的稳定。

在运行过程中，负流量变量泵组件2的排量在运行过程中始终处于系统流量所需的最大值，显著改善了负流量变量泵组件2的运行能效。并且，通过变转速与变排量的方式来实现动力源全范围的流量自适应匹配，自动适应工程机械中的精细作业和快速复合动作等复杂多变的工况需求，降低了对用户的操作要求，充分利用了电驱动系统的优良特性，实现了负流量系统的节能性和操控性的提升。

在本实施例中，驱动电机组件1包括电源11、驱动器12以及电机13。电源11与驱动器12的输入端相电性连接，驱动器12的输出端与电机13相电性连接，电机13同轴传动连接至负流量变量泵组件2。其中，电源11用于给驱动器12提供电能，驱动器12用于接收控制组件8所发送的目标转速信号并进一步控制电机13对应以指定转速运行，电机13直接同轴连接至驱使负流量变量泵组件2进行工作。

在本实施例中，多路阀组件3包括至少相并联设置的第一三位六通阀31和第二三位六通阀32，先导操控组件6包括与第一三位六通阀31相联动的第一手柄件61、和与第二三位六通阀32相联动的第二手柄件62，执行器组件5包括与第一三位六通阀31相连的第一执行件51、和与第二三位六通阀32相连的第二执行件52。其中，通过各自所配属的手柄件对应控制各个三位六通阀的阀芯开度，进而控制进入至各执行件的流量，以此来分别输出各个执行件的运行速度。优选地，第一执行件51和第二执行件52为液压油缸或者液压马达。

如图1所示，在本实施例中，流量检测组件4设置在多路阀组件3的中位回油的油路上，用于监测出通过多路阀组件3中位流回油箱的流量。流量检测组件4的输入端与负流量变量泵组件2相油路连接，用于调节负流量变量泵组件2的排量。显然的，流量检测组件4用于将多路阀组件3的流量信息和压力大小直接反映给负流量变量泵组件2中，使其能够调节自身排量以维持在预定的压力值（第一设定压力）范围内。

具体地，流量检测组件4包括一节流口41，节流口41前端的负流量压力与多路阀组件3的回油流量呈正相关，且节流口41前端的负流量压力与负流量变量泵组件2的排量呈负相关。其中，通过节流口41的前端压力即可获得所需的负流量压力。节流口41的前端压力与回油流量正相关，当回油流量越大，前端压力越大，反之，当回油流量越小，前端压力越小。并且，节流口41的前端压力与负流量变量泵组件2的排量负相关，当节流口41的前端压力越大，负流量变量泵组件2的排量越小，反之，当节流口41的前端压力越小，负流量变量泵组件2的排量越大。

更进一步地，流量检测组件4还包括一溢流阀42，溢流阀42与节流口41相互并联，用于防止节流口41的压力过大，从而起到保压防护的目的。

在本实施例中，节流口41邻近设置在流量检测组件4的输入端，压力感应组件7包括设置在流量检测组件4的输入端的压力传感器，且压力传感器与节流口41相毗邻。从而，压力感应组件7的压力传感器用于采集整个系统的负流量压力，并反馈至控制组件8，由控制组件8处理此信号并进一步控制驱动电机组件1的转速。

结合图2至图3，本实施例另提供一种控制方法，基于前述的变转速与变排量的负流量系统。具体包括以下步骤：

S1：获取流量检测组件4所感应到的实时负流量压力并反馈至负流量变量泵组件2，定义出第一设定压力，判断出实时负流量压力与第一设定压力的大小关系，对应调节负流量变量泵组件2的排量大小，以将负流量压力维持在第一设定压力；

S2：由控制组件8通过执行其内部存储的计算机程序，控制驱动电机组件1的转速，对压力感应组件7所检测到的负流量压力进行闭环控制，定义出第二设定压力，判断出实时负流量压力与第二设定压力的大小关系，对应调节驱动电机组件1的转速大小。

其中，负流量变量泵组件2通过排量调节将负流量压力稳定在第一设定压力，此控制过程是通过液压系统的硬件实现的，即将负流量压力通过控制油管引入进行排量控制。以及，控制组件8被配置为通过执行其内部存储的计算机程序来实现对转速控制。

如图2所示，在本实施例中，负流量变量泵组件2的排量V受负流量压力pN的控制，维持负流量压力值pN稳定在第一设定压力pS1，当负流量压力pN小于第一设定压力pS1时，对应增大负流量变量泵组件2的排量V。反之，当负流量压力值pN大于第一设定压力pS1时，对应减小负流量变量泵组件2的排量V。需要指出的是，负流量变量泵组件2的排量V在最大值Vmax和最小值Vmin之间变化，当排量V达到最大值Vmax且负流量压力值pN仍小于第一设定压力pS1时，将排量V稳定在最大值Vmax。反之，当排量V达到最小值Vmin且负流量压力值pN仍大于第一设定压力pS1时，将排量V稳定在最小值Vmin。

驱动电机组件1通过转速n*变化，对负流量压力pN进行闭环控制，维持负流量压力值pN稳定在第二设定压力pS2，当负流量压力值pN小于第二设定压力pS2时，对应增大驱动电机组件1的转速n*。反之，当负流量压力值pN大于第二设定压力pS2时，对应减小驱动电机组件1的转速n*。其中，驱动电机组件1的转速n*在最大值nmax和最小值nmin之间变化，当转速n*达到最大值nmax且负流量压力值pN仍小于第二设定压力pS2时，将转速稳定在最大值nmax。反之，当转速n*达到最小值nmin且负流量压力值pN仍大于第二设定压力pS2时，将转速稳定在最小值nmin。

在本实施例中，第一设定压力大于第二设定压力，且两者的差值处于一个较小压力裕度内，使得负流量变量泵组件2和驱动电机组件1适于分阶段对负流量压力进行调节而互不干扰。具体地，如图2所示，第一设定压力pS1大于第二设定压力pS2，且具有较小压力裕度

应当说明的是，本实施例中的驱动电机组件1的变转速闭环控制算法为PID控制算法。而在其他实施例中，还可以采用其他类型结构的闭环控制算法，这里不做具体限定，均落入在本发明的保护范围内。

另外，本实施例还提供一种电动工程机械装置，包括前述的基于变转速与变排量的负流量系统。

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。