一种液压控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，涉及一种液压控制系统及其控制方法，具体涉及一种挖掘机液压控制系统及其控制方法。

背景技术

现有挖掘机中动臂大小腔都设有端口溢流阀，设定值为定值，略高于系统设定压力，在此溢流压力下，在进行挖掘或重载平地作业时，一般动臂无动作，仅依靠铲斗与斗杆的复合操纵进行作业；此时，当挖掘或重载平地内收操作，铲斗遇到较大阻力，反作用力传递给动臂；由于动臂油缸端口溢流压力较高，动臂油缸可以承受较大的反作用力，在该反作用力下，导致挖掘机前端翘起并微微离开地面，产生整机晃动，影响操作舒适性；受力如图1所示，挖掘机前端翘起情况如图2所示。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种液压控制系统及其控制方法，在平地和挖掘作业时，能够防止挖掘机前端翘起，保持整机稳定，提高操作舒适性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提出了一种液压控制系统，包括动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、动臂换向阀、斗杆换向阀、铲斗换向阀、传感器、电磁阀以及控制器；所述动臂油缸与动臂换向阀连接，所述斗杆油缸与斗杆换向阀连接，所述铲斗油缸与铲斗换向阀连接；所述控制器分别与动臂换向阀、斗杆换向阀、铲斗换向阀的两个控制端电性连接，所述控制器与电磁阀的控制端电性连接，所述控制器与传感器通信连接；所述传感器与动臂油缸的连接，用于采集动臂油缸大腔和小腔的压力以及动臂油缸活塞杆位移信号，并将压力数据和位移信号传输至控制器；所述电磁阀的进油口与动臂油缸的小腔连接，出油口与动臂油缸的大腔连接，所述电磁阀包括常闭工作位和导通工作位，当进行挖掘和平地作业时，动臂换向阀无先导压力或先导信号，且铲斗换向阀和斗杆换向阀有先导压力或先导信号的情况下，若负载大于预设负载，则控制器向电磁阀发出切换至导通工作位的信号；所述控制器还用于根据传感器采集的压力数据和位移信号以及操作人员的操作信号向电磁阀、动臂换向阀、斗杆换向阀、铲斗换向阀发出更换工作位的信号。

结合第一方面，进一步地，本发明的液压系统还包括液压油箱和主泵，所述主泵的出油口分别与动臂换向阀的进油口C1、斗杆换向阀的进油口C2、铲斗换向阀的进油口C3连接，所述动臂换向阀的出油口A1与动臂油缸的大腔连接，所述动臂油缸的小腔与动臂换向阀的回油口B1连接，所述动臂换向阀的出油口D1与液压油箱连接；所述斗杆换向阀的出油口A2与斗杆油缸的小腔连接，所述斗杆油缸的大腔与斗杆换向阀的回油口B2连接，所述斗杆换向阀的出油口D2与液压油箱连接；所述铲斗换向阀的出油口A3与铲斗油缸的小腔连接，所述铲斗油缸的大腔与铲斗换向阀的回油口B3连接，所述铲斗换向阀的出油口D3与液压油箱连接。

结合第一方面，进一步地，本发明的液压系统还包括溢流阀，所述溢流阀的进油口与主泵的出油口连接，所述溢流阀的出油口与液压油箱连接，溢流阀的设置用于设定系统压力，保护主泵等液压元件。

同时，液压系统中还设有若干个端口溢流阀，若干个端口溢流阀分别设置于动臂油缸与动臂换向阀的A1口之间、动臂油缸与动臂换向阀的B1口之间、斗杆油缸与斗杆换向阀的A2口之间、斗杆油缸与斗杆换向阀的B2口之间、铲斗油缸与铲斗换向阀的A3口之间以及铲斗油缸与铲斗换向阀的B3口之间。端口溢流阀的设置用于保护动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸。

结合第一方面，进一步地，本发明的液压系统还包括单向阀组，所述单向阀组的进油口与液压油箱连接，出油口与动臂换向阀的进油口E连接；单向阀组的设置用于防止动臂油缸的大腔出现吸空的情况，当进行动臂油缸的大小腔油路接通后，动臂油缸的大腔补油一方面通过电磁阀将小腔液压油流入大腔进行补油；一方面通过单向阀组所在油路自液压油箱对大腔进行补油。

结合第一方面，进一步地，所述斗杆换向阀至少包括3个工作位，所述3 个工作位自左往右依次为左工作位、中工作位以及右工作位；所述斗杆换向阀中工作位的6个口皆不互通；左工作位的油口C2与油口A2导通、油口B2 与油口D2导通；右工作位的油口C2与油口B2导通，油口A2与油口D2导通。在斗杆换向阀的阀芯处于左、右工作位置时，此时斗杆油缸做伸缩运动即斗杆做内收外摆操作，即挖机斗杆处于工作状态。

结合第一方面，进一步地，所述铲斗换向阀至少包括3个工作位，所述3 个工作位自左往右依次为左工作位、中工作位以及右工作位；所述铲斗换向阀中工作位的6个口皆不互通；左工作位的油口C3与油口A3导通、油口B3 与油口D3导通；右工作位的油口C3与油口B3导通，油口A3与油口D3导通。在铲斗换向阀的阀芯处于左、右工作位置时，此时铲斗油缸做伸缩运动即斗杆做内收外摆操作，即挖机铲斗处于工作状态。

优选地，所述斗杆换向阀为三位六通电磁换向阀；所述铲斗换向阀为三位六通电磁换向阀。

结合第一方面，进一步地，所述动臂换向阀至少包括3个工作位，所述3 个工作位自左往右依次为左工作位、中工作位以及右工作位；所述动臂换向阀中工作位的油口A1和油口E口导通，其余油口皆不互通；左工作位的油口 C1与油口A1导通、油口B1与油口D1导通；右工作位的油口C1与油口B1导通，油口A1与油口D1导通。当防翘起操作后，由于动臂油缸的活塞杆上升，导致动臂上升，为保持作业姿态，需要进一步对动臂位置进行补偿；通过控制器控制动臂换向阀处于右工作位，此时主泵将压力油进入动臂油缸小腔，活塞杆下移，并至防翘起前位置为止。

优选地，所述动臂换向阀为三位六通电磁换向阀。

结合第一方面，进一步地，所述电磁阀为二位二通电磁阀，上工作位的两个油口不互通，及常闭工作位；下工作位的两个油口互通，即导通工作位。

结合第一方面，进一步地，所述传感器包括压力传感器和位移传感器，所述压力传感器分别与控制器以及动臂油缸的大腔和小腔连接，用于采集动臂油缸大腔和小腔的压力，并将压力数据传输至控制器；所述位移传感器设置于动臂油缸的活塞杆上，用于采集动臂油缸活塞杆位移数据，并将位移数据传输至控制器。

结合第一方面，进一步地，所述动臂油缸可为单油缸，也可为双油缸。

第二方面，本发明提出了一种液压控制系统的控制方法，基于上述的液压控制系统，包括以下步骤：

进行挖掘或平地作业；

所述传感器实时采集动臂油缸大腔压力P1和动臂油缸小腔压力P2，并将采集的压力数据传输至控制器；

当动臂换向阀无先导压力或先导信号，而铲斗换向阀和斗杆换向阀有先导压力或先导信号时，所述控制器对来自于传感器的压力数据和预设于控制器中的挖掘机翘起压力Pm进行对比；

若负载过大，即动臂油缸的小腔压力P2大于预设于控制器中的挖掘机翘起压力Pm时，所述控制器向电磁阀发出控制信号，使得电磁阀的阀芯上移，电磁阀处于导通工作位，此时动臂油缸的大腔和小腔的油路接通，小腔的压力油流向大腔，小腔压力降低；

当小腔压力P2降低至小于预设于控制器中的挖掘机翘起压力Pm时，控制器向电磁阀发出控制信号，使得电磁阀的阀芯下移，电磁阀处于常闭工作位，此时动臂油缸的大腔和小腔的油路闭合。

需要说明的是：预设于控制器中的挖掘机翘起压力Pm为挖掘机的一个设计参数，指为在仅操纵斗杆油缸和铲斗油缸作业时，得到的能引起挖机翘起并影响操作员感受的最小动臂小腔压力值。

结合第二方面，进一步地，本发明的控制方法还包括所述传感器实时采集动臂油缸的活塞杆相对缸筒的位移值，并将位移值L传输至控制器。

结合第二方面，进一步地，本发明的控制方法还包括动臂位置补偿方法，具体为：

当控制器检测到挖掘机在进行平地作业、控制器未收到驾驶员的动臂油缸操作信号、控制器向电磁阀发出切换至导通工作位的控制信号以及控制器接收到传感器采集的动臂油缸活塞发生位移这四种情况同时发生时，需要对动臂位置进行补偿，具体补偿方法如下：

所述控制器向动臂换向阀的控制端发送控制信号，使得动臂换向阀切换至右工作位，此时动臂油缸的小腔得油，动臂油缸活塞杆下移；

所述控制器每隔Δt时间，对动臂油缸活塞杆实时位移值L3与电磁阀切换至导通工作位前的动臂活塞杆位移值L1进行差值计算，得到差值Δl1；

当Δl1绝对值落入设定值[Δl-n,Δl+n]范围时，所述控制器向动臂换向阀发送控制信号，使得动臂换向阀切换至中工作位，以保持动臂油缸此时位置。

所述设定值中Δl为控制器对接收到的电磁阀切换至导通工作位前的动臂油缸活塞杆位移值L1和电磁阀切换至常闭工作位后的动臂油缸活塞杆位移值 L2进行差值计算得到位移差的绝对值；设定值中n为挖掘机设计参数之一(n 为不同吨位挖掘机油缸位移差值修订值，在误差范围内，挖机姿态不影响正常作业)，若Δl1在[Δl-n,Δl+n]范围内，则动臂油缸活塞杆的位移不会对平地操作造成需要进行位置补偿的影响。

结合第二方面，进一步地，动臂位置补偿行为于电磁阀切换到常闭工作位后Δk时间后发生，Δk为根据不同吨位常用工作速度的设定值。

与现有技术相比，本发明提供了一种液压控制系统及其控制方法，具备以下有益效果：

(1)本发明的液压控制系统通过电磁阀和传感器的设置，使得在平地和挖掘作业时，使作业时传递给动臂油缸小腔的反作用力能够得到释放，防止挖掘机前端翘起，保持整机稳定，提高操作舒适性。

(2)本发明的液压控制系统在平地下可以实现动臂位置的补偿，驾驶员不必再次调整动臂作业姿态，降低作业人员疲劳强度，提高作业效率。

附图说明

图1为现有技术中挖掘机挖掘或重载平地内收操作时的受力示意图；

图2为现有技术中挖掘机挖掘或重载平地内收操作时前端翘起的示意图；

图3为本发明液压系统的液压原理图(图中动臂油缸为双油缸)。

图中附图标记的含义为：

1-主泵；2-控制器；3-动臂换向阀；4-电磁阀；5-动臂油缸；6-传感器； 7-斗杆油缸；8-斗杆换向阀；9-铲斗油缸；10-铲斗换向阀；11-液压油箱； 12-单向阀组；13-溢流阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

如图3所示，本发明提出的液压系统，包括动臂油缸5、斗杆油缸7、铲斗油缸9、动臂换向阀3、斗杆换向阀8、铲斗换向阀10、传感器6、电磁阀 4以及控制器2；动臂油缸5与动臂换向阀3连接，斗杆油缸7与斗杆换向阀 8连接，铲斗油缸9与铲斗换向阀10连接；控制器2分别与动臂换向阀3、斗杆换向阀8、铲斗换向阀10的两个控制端电性连接，控制器2与电磁阀4的控制端电性连接，控制器2与传感器6通信连接；传感器6与动臂油缸5 的连接，用于采集动臂油缸5大腔和小腔的压力以及动臂油缸5活塞杆位移信号，并将压力数据和位移信号传输至控制器2；电磁阀4的进油口与动臂油缸5的小腔连接，出油口与动臂油缸5的大腔连接，电磁阀4包括常闭工作位和导通工作位，当进行挖掘和平地作业时，动臂换向阀3无先导压力或先导信号，且铲斗换向阀10和斗杆换向阀8有先导压力或先导信号的情况下，若负载大于预设负载，则控制器2向电磁阀4发出切换至导通工作位的信号；控制器2还用于根据传感器6采集的压力数据和位移信号以及操作人员的操作信号向电磁阀4、动臂换向阀3、斗杆换向阀8、铲斗换向阀10发出更换工作位的信号。

在本实施例的一种具体实施方式中，本发明的液压系统还包括液压油箱 11和主泵1，主泵1的出油口分别与动臂换向阀3的进油口C1、斗杆换向阀8的进油口C2、铲斗换向阀10的进油口C3连接，动臂换向阀3的出油口A1 与动臂油缸5的大腔连接，动臂油缸5的小腔与动臂换向阀3的回油口B1连接，动臂换向阀3的出油口D1与液压油箱11连接；斗杆换向阀8的出油口 A2与斗杆油缸7的小腔连接，斗杆油缸7的大腔与斗杆换向阀8的回油口B2 连接，斗杆换向阀8的出油口D2与液压油箱11连接；铲斗换向阀10的出油口A3与铲斗油缸9的小腔连接，铲斗油缸9的大腔与铲斗换向阀10的回油口B3连接，铲斗换向阀10的出油口D3与液压油箱11连接。

在本实施例的一种具体实施方式中，本发明的液压系统还包括溢流阀13，溢流阀13的进油口与主泵1的出油口连接，溢流阀13的出油口与液压油箱 11连接，溢流阀13的设定系统压力，保护主泵等液压元件。

同时，液压系统中还设有若干个端口溢流阀，若干个端口溢流阀分别设置于动臂油缸5与动臂换向阀3的A1口之间、动臂油缸5与动臂换向阀3的B1口之间、斗杆油缸7与斗杆换向阀8的A2口之间、斗杆油缸7与斗杆换向阀8的B2口之间、铲斗油缸9与铲斗换向阀10的A3口之间以及铲斗油缸9 与铲斗换向阀10的B3口之间。端口溢流阀的设置用于保护动臂油缸5、斗杆油缸7以及铲斗油缸9。

在本实施例的一种具体实施方式中，本发明的液压系统还包括单向阀组 12，单向阀组12的进油口与液压油箱11连接，出油口与动臂换向阀3的进油口E连接，单向阀组12的设置用于防止动臂油缸5的大腔出现吸空的情况，当进行动臂油缸5的大小腔油路接通后，动臂油缸5的大腔补油一方面通过电磁阀4将小腔液压油流入大腔进行补油；一方面通过单向阀组12所在油路自液压油箱11对大腔进行补油。

单向阀组12的在本液压系统中的使用原理为：当防翘起操作时，电磁阀 4处于导通工作位，动臂油缸5的小腔压力油进入大腔，此时动臂油缸5的活塞向上移动；由于油缸大腔作用面积大于小腔作用面积，当小腔流入大腔的压力油油量不足以支持油缸移动到相应位置时，需要自液压油箱11补油；单向阀组12包括单向阀和节流阀(实为节流孔)，节流孔的存在可以限制自液压油箱11的补油速度，进而防止动臂油缸5防翘起操作时，运动速度过快；单向阀一方面可以允许动臂大腔自液压油箱补油，另一方面在挖掘机工作时防止掉臂，起到保持阀的作用。

在本实施例的一种具体实施方式中，斗杆换向阀8至少包括3个工作位， 3个工作位自左往右依次为左工作位、中工作位以及右工作位；斗杆换向阀8 中工作位的6个口皆不互通；左工作位的油口C2与油口A2导通、油口B2与油口D2导通；右工作位的油口C2与油口B2导通，油口A2与油口D2导通。在斗杆换向阀8的阀芯处于左、右工作位置时，此时斗杆油缸7做伸缩运动即斗杆做内收外摆操作，即挖掘机的斗杆处于工作状态。

在本实施例的一种具体实施方式中，铲斗换向阀10至少包括3个工作位， 3个工作位自左往右依次为左工作位、中工作位以及右工作位；铲斗换向阀 10中工作位的6个口皆不互通；左工作位的油口C3与油口A3导通、油口B3 与油口D3导通；右工作位的油口C3与油口B3导通，油口A3与油口D3导通。在铲斗换向阀10的阀芯处于左、右工作位置时，此时铲斗油缸9做伸缩运动即斗杆做内收外摆操作，即挖掘机铲斗处于工作状态。

优选地，斗杆换向阀8为三位六通电磁换向阀；铲斗换向阀10为三位六通电磁换向阀。

在本实施例的一种具体实施方式中，动臂换向阀3至少包括3个工作位， 3个工作位自左往右依次为左工作位、中工作位以及右工作位；动臂换向阀3 中工作位的油口A1和油口E口导通，其余油口皆不互通；左工作位的油口C1 与油口A1导通、油口B1与油口D1导通；右工作位的油口C1与油口B1导通，油口A1与油口D1导通。当防翘起操作后，由于动臂油缸5的活塞杆上升，导致动臂上升，为保持作业姿态，需要进一步对动臂位置进行补偿；通过控制器2控制动臂换向阀3处于右工作位，此时主泵1将压力油进入动臂油缸5 的小腔，活塞杆下移，并至防翘起前位置为止。

优选地，动臂换向阀3为三位六通电磁换向阀。

在本实施例的一种具体实施方式中，电磁阀4为二位二通电磁阀4，上工作位的两个油口不互通，及常闭工作位；下工作位的两个油口互通，即导通工作位。

在本实施例的一种具体实施方式中，传感器6包括压力传感器和位移传感器，压力传感器分别与控制器2以及动臂油缸5的大腔和小腔连接，用于采集动臂油缸5大腔和小腔的压力，并将压力数据传输至控制器2；位移传感器设置于动臂油缸5的活塞杆上，用于采集动臂油缸5活塞杆位移数据，并将位移数据传输至控制器2。

在本实施例的一种具体实施方式中，动臂油缸5可为单油缸，也可为双油缸。

本发明还提出了一种液压控制系统的控制方法，基于上述的液压系统，包括以下步骤：

进行挖掘或平地作业；

传感器6实时采集动臂油缸5大腔压力P1和动臂油缸5小腔压力P2，并将采集的压力数据传输至控制器2；

当动臂换向阀3无先导压力或先导信号，而铲斗换向阀10和斗杆换向阀 8有先导压力或先导信号时，控制器2对来自于传感器6的压力数据和预设于控制器2中的挖掘机翘起压力Pm进行对比；

若负载过大，即动臂油缸5的小腔压力P2大于预设于控制器2中的挖掘机翘起压力Pm时，控制器2向电磁阀4发出控制信号，使得电磁阀4的阀芯上移，电磁阀4处于导通工作位，此时动臂油缸5的大腔和小腔的油路接通，小腔的压力油流向大腔，小腔压力降低；

当小腔压力P2降低至小于预设于控制器2中的挖掘机翘起压力Pm时，控制器2向电磁阀4发出控制信号，使得电磁阀4的阀芯下移，电磁阀4处于常闭工作位，此时动臂油缸5的大腔和小腔的油路闭合。

需要说明的是：预设于控制器2中的挖掘机翘起压力Pm为挖掘机的一个设计参数，指为在仅操纵斗杆油缸7和铲斗油缸9作业时，得到的能引起挖机翘起并影响操作员感受的最小动臂小腔压力值。

在本实施例的一种具体实施方式中，本发明的控制方法还包括传感器6 实时采集动臂油缸5的活塞杆相对缸筒的位移值，并将位移值L传输至控制器2。

在本实施例的一种具体实施方式中，本发明的控制方法还包括动臂位置补偿方法，具体为：

当控制器2检测到挖掘机在进行平地作业、控制器2未收到驾驶员的动臂油缸5操作信号、控制器2向电磁阀4发出切换至导通工作位的控制信号以及控制器2接收到传感器6采集的动臂油缸5活塞发生位移这四种情况同时发生时，需要对动臂位置进行补偿，具体补偿方法如下：

控制器2向动臂换向阀3的控制端发送控制信号，使得动臂换向阀3切换至右工作位，此时动臂油缸5的小腔得油，动臂油缸5活塞杆下移；

控制器2每隔Δt时间，对动臂油缸5活塞杆实时位移值L3与电磁阀4切换至导通工作位前的动臂活塞杆位移值L1进行差值计算，得到差值Δl1；

当Δl1绝对值落入设定值[Δl-n,Δl+n]范围时，控制器2向动臂换向阀3发送控制信号，使得动臂换向阀3切换至中工作位，以保持动臂油缸5此时位置。

在本实施例的一种具体实施方式中，设定值中Δl为控制器2对接收到的电磁阀4切换至导通工作位前的动臂油缸5活塞杆位移值L1和电磁阀4切换至常闭工作位后的动臂油缸5活塞杆位移值L2进行差值计算得到位移差的绝对值；设定值中n为不同吨位挖掘机油缸位移差值修订值，在误差范围内，挖机姿态不影响正常作业，Δl和n皆为挖掘机设计参数之一，若Δl1在[Δl-n, Δl+n]范围内，则动臂油缸5活塞杆的位移不会对平地操作造成需要进行位置补偿的影响。

在本实施例的一种具体实施方式中，动臂位置补偿行为于电磁阀切换到常闭工作位后Δk时间后发生，Δk为根据不同吨位常用工作速度的设定值。

需要说明的是，在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。