一种基于多源网络的液压系统设计方法.pdf

本发明涉及一种基于多源网络的液压系统设计方法，按所述设计方法所设计的液压系统，通过多泵和蓄能单元的灵活搭配，形成具有不同流量、压力输出特性、相互独立且有一定能量储备能力的多个液压源。利用网络流的拓扑映射关系，实现泵源和执行器的匹配，同时选择一个最优路径，以此来减少能量损失。其优点是：通过泵源和压力分级阀组、压力分级阀组和控制阀组、控制阀组和执行元件之间的网络连接，实现了回路中压力和流量的匹配，提高了系统的效率和能量利用率，同时提高了系统的可靠性。同时，本发明还可以根据工况，利用多余回路和蓄能器来实现能量的回收再利用。

权利要求书
1.  一种基于多源网络的液压系统设计方法，按所述设计方法所设计的液压 系统包括：油箱、变量液压泵、驱动变量液压泵的电机、定量液压泵、驱动定 量液压泵的电机、低压蓄能器、中压蓄能器、高压蓄能器、低压力安全阀、中 压力安全阀、高压力安全阀、开关阀、比例阀、压力传感器、流量传感器、执 行器，其特征是：变量液压泵和定量液压泵的进油口均与油箱连接，变量液压 泵和定量液压泵的出口分别连接一个单向阀，然后分成三路分油路，变量液压 泵和定量液压泵的出口都配有和油箱联通的安全阀，且定量液压泵的出口均配 有与油箱联通的旁路卸荷阀，在分成三路的分油路中，第一路分油路作为高压 力等级分油路，在油路上连接有高压蓄能器，第二路分油路作为中压力等级分 油路，在油路上连接有中压蓄能器，第三路分油路作为低压力等级分油路，在 油路上连接有低压蓄能器，在低压蓄能器、中压蓄能器和高压蓄能器的出口处 分别配有一个开关阀，经过压力分级的压力油分油路每一路再分成三个支路， 分别连接到三个并列的开关阀上，经过开关阀后，每一个支路连接到一个比例 阀上，每一个比例阀的出口也分成三路分别连接到三个并列的开关阀上，经过 开关阀后，每一个支路连接到一个执行器的液压缸进油口上，液压缸的回油分 成三路分别连接到三个并列的开关阀上，经过开关阀后，每一个支路连接到一 个比例阀的油口上，三个比例阀的回油连接在一起和油箱接通。

2.  根据权利要求1所述的基于多源网络的液压系统设计方法，其特征是： 所述基于多源网络的液压系统分为四个模块：多源流量级、压力分级模块、功 能控制阀模块和多执行器，多源流量级包括油箱、电机、定量泵、变量泵、低 压蓄能器、中压蓄能器、高压蓄能器、单向阀，多源流量级内部各个定量泵配 有与油箱联通的旁路卸荷阀，且包括定量泵和变量泵的所有液压泵的出口都连 接有一个单向阀，油路分成三路分油路，第一路连接高压蓄能器，第二路连接 中压蓄能器，第三路连接低压蓄能器，在每一个蓄能器的出口配有一个开关阀， 三路分油路中任一分油路不工作时用蓄能器出口的开关阀切断该路的蓄能器， 通过控制各开关阀能够使液压泵单独或与低压蓄能器、中压蓄能器或高压蓄能 器中任一部件共同供油，各个液压泵出口的单向阀起隔断作用；压力分级模块 包括低压力安全阀、中压力安全阀和高压力安全阀；经过压力分级的压力油分 油路每一路再分成三个支路，分别连接到三个并列的开关阀上，经过并列的开 关阀后，每一个支路连接到一个比例阀上，三个并列比例阀的回油连接在一起 和油箱接通；每一个比例阀的出口也分成三路支路分别连接到三个并列的开关 阀上，经过并列的开关阀后，每一路支路连接到多执行器中的一个执行器的液 压缸进油口上，液压缸的回油分成三路支路分别连接到相应的开关阀上，经过 开关阀后，每一路支路连接到一个比例阀的油口上，呈现网状结构。

3.  根据权利要求2所述的基于多源网络的液压系统设计方法，其特征是： 所述基于多源网络的液压系统的控制步骤如下：
1)液压泵首先为低压蓄能器充液，此时打开低压蓄能器出口处的开关阀，低压 蓄能器充完液后再为中压蓄能器充液，打开中压蓄能器出口处的开关阀，中压 蓄能器充完液后再为高压蓄能器充液，打开高压蓄能器出口处的开关阀，充液 完成后，系统开始正常工作，此时根据具体工况的压力和流量需求确定多源流 量级的工作方式，如果此时有液压泵不参与供油，则需要打开该泵的旁路卸荷 阀，泵的出口油液通过旁路卸荷阀流回油箱，以此来实现系统在不同工况下所 需的各种流量，然后压力油分三路输出，使系统能够输出相同流量不同压力的 油液；
2)压力分级模块，实现不同压力级的安全压力控制，配合蓄能器，实现不同压 力输出；
3)功能控制阀模块输出的液压油，分成三路，分别接到三个执行器的液压缸上， 将油液输送到每个执行器上，使各执行器获得各种相匹配的压力和流量的油液， 实现执行器的各种运动；
4)基于多源网络的液压系统，在多源流量级和执行器间存在7种可行的回路， 在系统方案设计阶段，首先泵源和执行器呈网状连接，然后通过仿真模拟进行 离线自学习，针对不同负载工况，分别使系统工作在设定的3种压力下，同时 每种压力下又有7种可选回路，共需进行21次实验来进行离线自学习；在离线 自学习的过程中，分别记录不同工况下的21次实验的流量和压力传感器采集的 数据，得出每个回路的能量消耗，输送给专家库，并找出能耗最小的回路，进 而确定某种工况下的最优液压传动系统及其控制方案；当一个点出现故障时， 首先剔除包含该点的所有回路，再根据知识库从剩余的回路中选择能耗最低的 回路进而完善液压传动及控制系统，使其具有冗余功能。

说明书一种基于多源网络的液压系统设计方法
技术领域
本发明属于液压技术应用领域，涉及一种基于多源网络的液压系统设计方法。
背景技术
液压技术作为现代传动与控制的关键技术之一，被广泛的应用于行走机械、矿山机械、船舶机械、航空航天机械等。液压技术的应用和发展被视为是衡量一个国家的工业化水平和现代工业发展水平的重要标志。液压系统具有高功重比、响应快、刚度大、承载能力强等优点。然而，传统的液压系统具有效率低、可靠性差、受温度影响较大等缺点。
重型机械的液压系统通常具有多个液压泵(即多泵源)和多个执行元件(即多执行器)，工作过程中各个执行器的工况不尽相同，具有高速时轻载，低速时重载两个特点，且高低速相差悬殊，为了满足系统工作时的需求，设计液压系统时一般按液压系统所需的最大压力和最大流量来选择液压泵，而系统大部分时间工作在部分载荷区。这时泵源以最大压力和最大流量输出，会造成大量的液压油从溢流阀流走，势必会造成能量的浪费，其根源在于泵源与执行器不匹配。此外，液压源与执行器间均采用单通路连接方式，即液压源与执行器之间只有一个通路，这种连接方式虽然简单，易于控制，但是通路中任一环节出现故障，均会使整条通路无法工作，进而导致整个液压系统不能正常工作。系统的能量在液压源和各执行器间单向传输，不便于能量流在各执行器间进行调配。因此，研究如何设计高效可靠的液压系统势在必行。
目前，用于提高液压系统效率的常用设计方法是采用变量泵作为主控元件，即泵控系统，但是效果并不理想，原因是当负载变大时，液压泵的内泄漏增加， 造成液压缸或液压马达的速度特性变差。此外，快速响应变量泵的价格昂贵，维护成本高也是限制此类系统应用的一个重要原因。
发明内容
本发明针对上述液压系统中存在的缺陷，提供一种基于网络的具有传动效率高、可靠性高和能够实现能量回收的液压多源网络系统的设计方法。
所谓多源是指改变原有的多泵共源的拓扑结构形式，通过多泵和蓄能单元的灵活搭配，形成具有不同流量、压力输出特性、相互独立且有一定能量储备能力的多个液压源。所谓网络是利用网络流的拓扑映射关系，实现泵源和执行器的匹配，同时选择一个最优路径，以此来减少能量损失。
本发明的目的是这样实现的：
本发明基于上述多源和网络两个概念提供的基于多源网络的液压系统设计方法所设计的液压系统包括油箱、变量液压泵、驱动变量液压泵的电机、定量液压泵、驱动定量液压泵的电机、低压蓄能器、中压蓄能器、高压蓄能器、低压力安全阀、中压力安全阀、高压力安全阀、开关阀、比例阀、压力传感器、流量传感器、执行器，变量液压泵和定量液压泵的进油口均与油箱连接，变量液压泵和定量液压泵的出口分别连接一个单向阀，然后分成三路分油路，变量液压泵和定量液压泵的出口都配有和油箱联通的安全阀，且定量液压泵的出口均配有与油箱联通的旁路卸荷阀，在分成三路的分油路中，第一路分油路作为高压力等级分油路，在油路上连接有高压蓄能器，第二路分油路作为中压力等级分油路，在油路上连接有中压蓄能器，第三路分油路作为低压力等级分油路，在油路上连接有低压蓄能器，在低压蓄能器、中压蓄能器和高压蓄能器的出口处分别配有一个开关阀，经过压力分级的压力油分油路每一路再分成三个支路，分别连接到三个并列的开关阀上，经过开关阀后，每一个支路连接到一个比例 阀上，每一个比例阀的出口也分成三路分别连接到三个并列的开关阀上，经过开关阀后，每一个支路连接到一个执行器的液压缸进油口上，液压缸的回油分成三路分别连接到三个并列的开关阀上，经过开关阀后，每一个支路连接到一个比例阀的油口上，三个比例阀的回油连接在一起和油箱接通。
本发明的基于多源网络的液压系统可以分为四个模块：多源流量级、压力分级模块、功能控制阀模块和多执行器。多源流量级包括油箱、电机、定量泵、变量泵、低压蓄能器、中压蓄能器、高压蓄能器、单向阀，基于网络的思想，多源流量级内部各个定量泵配有与油箱联通的旁路卸荷阀，且包括定量泵和变量泵的所有液压泵的出口都连接有一个单向阀，油路分成三路分油路，第一路连接高压蓄能器，第二路连接中压蓄能器，第三路连接低压蓄能器，在每一个蓄能器的出口配有一个开关阀，三路分油路中任一分油路不工作时用蓄能器出口的开关阀切断该路的蓄能器，通过控制各开关阀能够使液压泵单独或与低压蓄能器、中压蓄能器或高压蓄能器中任一部件共同供油，各个液压泵出口的单向阀起隔断作用；压力分级模块包括低压力安全阀、中压力安全阀和高压力安全阀；经过压力分级的压力油分油路每一路再分成三个支路，分别连接到三个并列的开关阀上，经过并列的开关阀后，每一个支路连接到一个比例阀上，三个并列比例阀的回油连接在一起和油箱接通；每一个比例阀的出口也分成三路支路分别连接到三个并列的开关阀上，经过并列的开关阀后，每一路支路连接到多执行器中的一个执行器的液压缸进油口上，液压缸的回油分成三路支路分别连接到相应的开关阀上，经过开关阀后，每一路支路连接到一个比例阀的油口上，呈现网状结构。
本发明的基于多源网络的液压系统的控制步骤如下：
1)液压泵首先为低压蓄能器充液，此时打开低压蓄能器出口处的开关阀，低压 蓄能器充完液后再为中压蓄能器充液，打开中压蓄能器出口处的开关阀，中压蓄能器充完液后再为高压蓄能器充液，打开高压蓄能器出口处的开关阀，充液完成后，系统开始正常工作，此时根据具体工况的压力和流量需求确定多源流量级的工作方式，如果此时有液压泵不参与供油，则需要打开该泵的旁路卸荷阀，泵的出口油液通过旁路卸荷阀流回油箱，以此来实现系统在不同工况下所需的各种流量，然后压力油分三路输出，使系统能够输出相同流量不同压力的油液；
2)压力分级模块，实现不同压力级的安全压力控制，配合蓄能器，实现不同压力输出；
3)功能控制阀模块输出的液压油，分成三路，分别接到三个执行器的液压缸上，将油液输送到每个执行器上，使各执行器获得各种相匹配的压力和流量的油液，实现执行器的各种运动；
4)控制优化方案：基于多源网络的液压系统，在多源流量级和执行器间存在7种(只用一个功能控制阀有种，用两个控制阀有种，用三个控制阀有1种)可行的回路。在系统方案设计阶段，首先泵源和执行器呈网状连接，然后通过仿真模拟进行离线自学习。针对不同负载工况，分别使系统工作在设定的3种压力下，同时每种压力下又有7种可选回路，即共需进行21次实验来进行离线自学习；在离线自学习的过程中，分别记录不同工况下的21次实验的流量和压力传感器采集的数据，得出每个回路的能量消耗，输送给专家库，并找出能耗最小的回路，进而确定某种工况下的最优液压传动系统及其控制方案；当一个点出现故障时，首先剔除包含该点的所有回路，再根据知识库从剩余的回路中选择能耗最低的回路进而完善液压传动及控制系统，使其具有冗余功能。
本发明的优点：
1)效率高。传统的液压回路中，因压力和流量均按最高的来配置，因此存在较大的能量浪费，而液压多源网络回路通过多源和网络流，基本实现了负载流量和压力的匹配，因此系统基本无溢流，故效率高，能源利用率高。
2)可靠性高。传统的液压回路中只有一条回路可用，如果回路中的某个点发生故障，整个系统将无法正常工作。而多源网络液压回路的多源流量级和执行元件间有7种回路可用，优先使用最节能的回路，其余回路作为系统的冗余存在。当最优回路出现故障时，其余有效回路会自动替换原有回路，以此来保证系统继续正常工作，故系统具有较高的可靠性。
3)可回收能量。多源网络液压回路有多个蓄能器，并且存在多余的回路，因此可以根据系统的具体工况用来回收执行元件多余的能量，储存到蓄能器中，供后续使用，例如重力势能等。
4)通用性。本发明不仅适用于多执行器、多负载工况的液压系统，尤其适用于可靠性要求较高的系统，此外还可以为其他系统的可靠性设计提供帮助。
附图说明
图1本发明的液压多源网络系统结构示意图；
图2液压多源网络系统的原理图；
图3液压多源网络系统的原理图。
具体实施方式
如图2和图3所示，本发明共有14个元件组成，可以分为四个模块：多源流量级、压力分级模块、功能控制阀模块和多执行器。多源流量级包括油箱1，电机2.1、2.2、2.3，液压泵(定量泵4.1、4.2和变量泵3)，蓄能器(低压蓄能器10、中压蓄能器9和高压蓄能器8)，旁路卸荷阀7.1、7.2，单向阀6.1、6.2、6.3；基于网络的思想，多源流量级内部所有的液压泵(包括定量泵4.1、4.2和 变量泵3)都要在出口连接一个单向阀6.1、6.2和6.3，并在定量泵的出口配有旁路卸荷阀7.1和7.2，液压泵接通后再分成三路，变量泵3作为第一路连接高压蓄能器8，定量泵4.1作为第二路连接中压蓄能器9，定量泵4.2作为第三路连接低压蓄能器10，每个蓄能器的出口处均配有一个开关阀7.3、7.4、7.5，当不需要蓄能器与泵共同供油时用蓄能器出口处的开关阀切断该蓄能器与系统的通路；压力分级模块包括低压力安全阀5.3、中压力安全阀5.2和高压力安全阀5.1，多源流量级匹配后实现不同的压力输出；经过压力分级的压力油分三路分油路输出，第一路压力油分油路再分成三个支路，第一支路串联开关阀7.6后接到比例阀11.1P口，第二支路串联开关阀7.9后接到比例阀11.2P口，第三支路串联开关阀7.12后接到比例阀11.3P口，第二路压力油分油路再分成三个支路，第一支路串联开关阀7.7后接到比例阀11.1P口，第二支路串联开关阀7.10后接到比例阀11.2P口，第三支路串联开关阀7.13后接到比例阀11.3P口，第三路压力油分油路再分成三个支路，第一支路串联开关阀7.8后接到比例阀11.1P口，第二支路串联开关阀7.11后接到比例阀11.2P口，第三支路串联开关阀7.14后接到比例阀11.3P口，三个并列比例阀的回油连接在一起和油箱接通；比例阀11.1的出口分成三路支路，第一路支路串联开关阀7.15后连接在液压缸12.1的进油口，第二路支路串联开关阀7.21后连接在液压缸12.2的进油口，第三路支路串联开关阀7.27后连接在液压缸12.3的进油口；比例阀11.2的出口分成三路支路，第一路支路串联开关阀7.16后连接在液压缸12.1的进油口，第二路支路串联开关阀7.22后连接在液压缸12.2的进油口，第三路支路串联开关阀7.28后连接在液压缸12.3的进油口；比例阀11.3的出口分成三路支路，第一路支路串联开关阀7.17后连接在液压缸12.1的进油口，第二路支路串联开关阀7.23后连接在液压缸12.2的进油口，第三路支路串联开关阀7.29后连接在液压缸12.3的 进油口；液压缸12.1的回油路分成三路支路，第一路支路串联开关阀7.18后接在比例阀11.1上，第二路支路串联开关阀7.19后接在比例阀11.2上，第三路支路串联开关阀7.20后接在比例阀11.3上，液压缸12.2的回油路分成三路支路，第一路支路串联开关阀7.24后接在比例阀11.1上，第二路支路串联开关阀7.25后接在比例阀11.2上，第三路支路串联开关阀7.26后接在比例阀11.3上，液压缸12.3的回油路分成三路支路，第一路支路串联开关阀7.30后接在比例阀11.1上，第二路支路串联开关阀7.31后接在比例阀11.2上，第三路支路串联开关阀7.32后接在比例阀11.3上，每一个比例阀的进油口配有一个流量传感器13.1、13.2、13.3和一个压力传感器14.1、14.2、14.3，每一个比例阀的出油口配有一个压力传感器14.4、14.5、14.6、14.7、14.8、14.9。
具体来说，可以分为如下几个步骤：
1)多源流量级各个元件按照图2的连接方式连接，以此来实现流量的匹配。各个元件连接好后，液压泵首先为低压蓄能器10充液，此时打开低压蓄能器前的开关阀7.5，低压蓄能器充完液后再为中压蓄能器9充液，打开中压蓄能器前的开关阀7.4，中压蓄能器充完液后再为高压蓄能器8充液，打开高压蓄能器前的开关阀7.3，充液完成后，系统开始正常工作，此时根据具体工况的压力和流量需求确定多源流量级的工作方式，即液压泵供油或液压泵和蓄能器共同供油，如果此时有液压泵不参与供油，则需要打开该泵的旁路卸荷阀，泵的出口油液通过旁路卸荷阀流回油箱，以此来实现系统在不同工况下所需的各种流量，然后压力油分三路输出，使系统能够输出相同流量不同压力的油液。
2)压力分级模块按照图2所示与多源流量级连接，根据系统的工况设定3种不同的安全压力，配合泵口蓄能器，输出各种不同压力不同流量的油液，实现了压力分级，以满足系统的要求，压力分级后各路压力油经开关阀分别连接到功 能控制阀模块。
3)功能控制阀模块按照图3连接，功能控制阀模块输出的液压油分成多路接到各个执行器上。
4)每一个功能控制阀都和所有的执行器相连，以使执行元件可以获得各种压力和流量的油液，实现执行元件的各种运动，同时系统具有冗余。