一种液压铲工作装置的控制回路技术领域
本发明涉及一种用于控制液压铲工作装置的液压系统，用于液压铲动臂和斗杆举升机构，降低其工作能耗的控制回路。
背景技术
在挖掘机，装载机以及其它由液压缸驱动，需要工作装置频繁上下往复运动的机械装置中，通常由于工作装置自身重量较大，液压缸驱动其上升时，液压系统需要克服其重力做工，工作装置下降时，工作装置的势能经液压阀节流转换为热能消耗掉，不仅浪费能源，且会使液压系统油温升高，增加系统故障概率，影响液压系统的使用寿命。尤其像液压铲这样的重型设备，工作装置自重大，每次举升动作都需要消耗巨大的能量用于举升工作装置本身。
若能将此类工作装置具有的势能回收利用，将会有可观的节能效果，且能延长液压系统的寿命。为了利用这部分能量，德国利勃海尔公司申请了使用能量回收缸平衡工作装置重力，减小这部分能耗的发明专利（CN102561442A），我国杨双来也申请了在挖掘机原有双液压缸驱动工作装置的基础上，增设气液储能缸平衡工作装置重量的发明专利（CN102518606A）。但这种方法需要在原有双液压缸的基础上增加第三个液压缸，会改变原有机械装置的结构，布置也较为困难。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种结构简单，不改变原有工作装置的结构，且可回收并再利用工作装置势能的一种液压铲工作装置的控制回路。
本发明结构紧凑，集成度高，不影响机械装置的原有液压系统，适用于多种液压系统，有多种组合解决方案。
本发明的控制回路包括液压缸液-气储能平衡回路和液压缸驱动回路两部分，使用的液压缸为具有三个容腔的液压缸。
所述液压缸液-气储能平衡回路包括高压蓄能器、低压蓄能器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、原动机、液压泵马达、压力传感器、第二控制器、安全阀、单向阀、油箱、位移传感器。动臂液压缸第三工作油口通过第一截止阀与高压蓄能器相连；液压泵马达的一个工作油口通过第二截止阀与高压蓄能器相连，液压泵马达的另一个工作油口通过第三截止阀与低压蓄能器相连。
在每个蓄能器的油口处均连接安全阀和单向阀，其中安全阀高压侧连接蓄能器，低压侧连接油箱。每个蓄能器均连接一个单向阀，单向阀连接油箱，允许的油液流动方向为从油箱到蓄能器。在两组蓄能器的油口处均安装有压力传感器，压力传感器采集到的油压信号输送至第二控制器。原动机与液压泵马达通过联轴器连接，用于驱动液压泵马达。在液压缸上装有位移传感器，有位移传感器采集液压缸伸出的位移信号输送至第二控制器。由第二控制器采用合适的控制方法控制三个截止阀以及原动机。
使用时，低压蓄能器预先充入较低压力的气体或不充入气体，而高压蓄能器需要预先充入一定的高压气体，并通过第一截止阀与液压缸的一个油口（PA和PC中的一个）连接，通常第一截止阀处于打开状态，第二截止阀和第三截止阀处于关闭状态。此时与高压蓄能器相连的腔室具有与高压蓄能器一样的压力，通过调定预充的压力，即可使与高压蓄能器相连的腔室具有足够的平衡力来平衡工作装置的重量。当液压缸驱动回路驱动液压缸缩回时，工作装置下降，与高压蓄能器相连的腔室体积减小，该腔室油液进入高压蓄能器，工作装置的势能转换并储存在高压蓄能器中，避免了在液压阀口处由于节流作用损失。液压缸驱动回路驱动液压缸伸出时，工作装置上升，与高压蓄能器相连的腔室体积增大，高压蓄能器中的油液进入该腔室，储存在高压蓄能器中的能量装换为工作装置的势能，减少液压泵输出能量，具有较好的节能效果。
由于蓄能器内油液压力会随着体积的变化而变化，因此设置低压蓄能器及相关元件用以调节高压蓄能器的压力。第二控制器具有三种工作模式：
（1）静态工作点模式
在该模式下，第二控制器内设有三个压力阈值p1，p2和p3，且p1＞p2＞p3。其中p1为高压蓄能器的最高工作压力，p3为高压蓄能器的最低工作压力，p2为高压蓄能器的预设工作压力。第二控制器通过压力传感器实时监测高压蓄能器的压力p。
当p＞p1时，打开第二截止阀和第三截止阀，并启动原动机，原动机驱动液压泵马达将高压蓄能器中的油液转移至低压蓄能器，直至p＜p2时停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀，从而降低高压蓄能器的压力，并趋于预设工作压力p2。该过程中，若第二控制器通过压力传感器监测到低压蓄能器压力超过安全限定值时，同样停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀。
当p＜p3时，打开第二截止阀和第三截止阀，并启动原动机，原动机驱动液压泵马达将低压蓄能器中的油液转移至高压蓄能器，直至p＞p2时停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀，从而提高高压蓄能器的压力，并趋于预设工作压力p2。
两个安全阀防止蓄能器压力超过安全值，两个单向阀防止蓄能器被吸空。
（2）动态工作点—预设压力曲线模式
通过在第二控制器中预设压力与位移关系曲线，通过位移传感器33实时采集位移信号，对比预设曲线，得出实时理想压力值p0。
若p＞p0时，打开第二截止阀和第三截止阀，并启动原动机，原动机驱动液压泵马达将高压蓄能器中的油液转移至低压蓄能器，直至p=p0时停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀，从而降低高压蓄能器的压力至p0。该过程中，若第二控制器通过压力传感器监测到低压蓄能器压力超过安全限定值时，同样停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀。
若p＜p0时，打开第二截止阀和第三截止阀，并启动原动机，原动机驱动液压泵马达将低压蓄能器中的油液转移至高压蓄能器，直至p=p0时停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀，从而提高高压蓄能器的压力至p0。
（3）动态工作点—压力匹配模式
第一控制器与第二控制器可以实时通信。第一控制器通过压力传感器实时采集液压缸各腔压力值，计算出高压蓄能器所需的压力，并实时调节高压蓄能器油液压力至理想值。
该液压缸液-气储能平衡回路根据需要可简化为只包含高压蓄能器，安全阀和单向阀的简单系统，动臂液压缸工作油口PA（或PC）与高压蓄能器油口连接，同时高压蓄能器油口连接安全阀和单向阀。其中安全阀高压侧连接蓄能器，低压侧连接油箱。单向阀连接蓄能器和油箱，允许的油液流动方向为从油箱到蓄能器。同样具有良好的节能效果。
液压缸驱动回路具有多种形式：开式液压系统、闭式泵控系统等。
所述开式液压系统包含：操纵手柄，第一控制器，液压泵，原动机，换向阀，油箱，安全阀，压力传感器，流量再生阀。
该系统在驱动液压缸时，第一控制器根据操纵手柄的信号，控制换向阀处于不同的位置，从而实现液压缸伸出与缩回。压力传感器采集两个工作油口压力信号，实时传输至第一控制器。检出负载的最高压力，并反馈至液压泵。液压泵的变量控制机构根据反馈的压力控制液压泵的卸盘摆角，使液压泵输出压力始终高于负载压力一定值。当需要流量再生时，第一控制器驱动流量再生阀转换为通流状态，实现流量再生，减少泵输出的流量。该系统可以实现泵输出流量、压力与负载的自动匹配，减少溢流损失。
所述开式液压系统包含：操纵手柄，第一控制器，液压泵，两位两通比例阀，油箱，原动机，安全阀，压力传感器，流量再生阀。
该系统在驱动液压缸时，第一控制器根据操纵手柄的信号，计算出所需的压力和流量，协调控制四个两位两通比例阀和液压泵，从工作油口P1和P2输出适当的压力和流量，控制液压缸的伸出与缩回。由压力传感器采集的压力信号实时传回第一控制器，可以实现精确的闭环控制。当需要流量再生时，第一控制器驱动流量再生阀转换为通流状态，实现流量再生，减少泵输出的流量。该系统可以实现泵阀复合控制，方便的单独控制每个油口的工作状态，实现压力流量的精确匹配，能最大程度减少液压阀上的压力损失。
所述闭式泵控液压缸驱动回路包含：操纵手柄，第一控制器，液压泵马达，原动机，油箱，安全阀，单向阀，压力传感器；
闭式泵控液压缸驱动回路中，第一控制器根据根据操纵手柄的信号，控制原动机的正反转，通过原动机的正反转控制液压缸伸出与缩回，给液压泵马达输入变量信号控制液压缸运动速度。压力传感器采集压力信号实时传送至第一控制器用于增加控制精度。该系统几乎没有节流损失，具有较好的节能效果。
所述的液-气储能平衡回路和液压缸驱动回路，可以任意组合，适合各种应用场合。
本发明具有以下优点：
（1）可有效回收重复上升与下降工作装置的势能并在其上升过程中释放存储的能量，节省能源。
（2）可以实时调节高压蓄能器内的压力，从而调节整个系统的平衡力，适应于多种工况。
（3）使用该发明，在工作装置上升时，液压缸所需流量减小，因此可以提高工作装置的上升速度，从而提高作业效率。
（4）工作装置下降时，减少了液压阀处节流发热，减少了液压系统的温升，提高了稳定性，延长了液压元件的使用寿命。
（5）使用了具有三个容腔的液压缸，不仅能够驱动工作装置，还集成了能量回收功能，集成度高，结构紧凑。
（6）用于机器改装时，无需改变原有机械结构，且适用于多种液压系统。
附图说明
图1是液压铲结构示意图；
图2是本发明中具有缩回腔、伸出腔和回收腔三个容腔的液压缸结构图；
图3是本发明中液压缸的液-气储能平衡回路图；
图4是本发明中液压缸驱动回路的一种实施方式—即开式液压缸驱动回路示意图；
图5是发明中液压缸驱动回路的第二种实施方式—即另一种开式液压缸驱动回路示意图；
图6是发明中液压缸驱动回路的第三种实施方式—即闭式液压缸驱动回路示意图；
图7是本发明实施例1中的液-气储能平衡回路和闭式泵控液压缸驱动回路，同时应用于动臂和斗杆；
图8是本发明实施例2中的气液储能平衡系统和一种开式液压缸驱动回路，应用于动臂；
图中，1-动臂液压缸，2-流量再生阀，3-高压蓄能器，4-低压蓄能器，5-斗杆液压缸，7-原动机，8-液压泵马达，9-液压铲工作装置，18-操纵手柄，19-第一控制器，20-第二控制器，21-液压泵，22-油箱，23-两位两通比例阀，24-安全阀，25-单向阀，27-压力传感器，29-换向阀，30-第一截止阀，31-第二截止阀，32-第三截止阀，33-位移传感器，PC-第一工作油口，。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：如图7所示，在该实施例中，两个动臂液压缸1和两个斗杆液压缸5均为具有三个容腔的液压缸。两个动臂液压缸的第三工作油口PC油口与高压蓄能器3相连。
高压蓄能器3的油口处分别连接安全阀24的高压侧和单向阀25，安全阀24的低压侧和单向阀25均连接油箱22。允许的油液流动方向为从油箱到高压蓄能器3。
本实施例的动臂液压缸驱动回路为闭式回路，它包括操纵手柄18，第一控制器19，液压泵马达8，原动机7，油箱22，安全阀24，单向阀25，两个压力传感器27。原动机7连接液压泵马达8，安全阀24和单向阀25均连接油箱22，操纵手柄18连接第一控制器19，第一控制器19连接液压泵马达8，两个压力传感器27分别连接在第一控制器19和两个动臂液压缸1的第一工作油口PA和第二工作油口PB。
两个斗杆液压缸5的第三工作油口PC油口与高压蓄能器3相连。
高压蓄能器3的油口处分别连接安全阀24的高压侧和单向阀25，安全阀24的低压侧和单向阀25均连接油箱22。允许的油液流动方向为从油箱到高压蓄能器3。
斗杆液压缸驱动回路包括操纵手柄18，第一控制器19，液压泵马达8，原动机7，油箱22，安全阀24，单向阀25，两个压力传感器27。原动机7连接液压泵马达8，安全阀24和单向阀25均连接油箱22，操纵手柄18连接第一控制器19，第一控制器19连接液压泵马达8，两个压力传感器27分别连接在第一控制器19和两个斗杆液压缸5的第一工作油口PA和第二工作油口PB。
本实施例的液压缸驱动回路工作原理：高压蓄能器3预先充入高压气体，用于平衡工作装置，并回收其势能。
当操纵手柄18产生信号时，第一控制器19接收该信号，运算并分别控制动臂液压缸和斗杆液压缸的原动机7和液压泵马达8进入相应的工作状态。当控制信号是使液压缸收回时，液压缸驱动回路驱动液压缸缩回。由于工作装置重量大，依靠工作装置自重驱动其下降，一部分油液进入高压蓄能器，工作装置的势能转换并储存在高压蓄能器当中，避免了在液压阀口处由于节流作用损失。当控制信号是使工作装置上升时，液压缸驱动回路驱动液压缸伸出，工作装置上升，高压蓄能器中的油液进入液压缸腔室，储存在高压蓄能器中的能量装换为工作装置的势能，闭式泵控液压缸驱动回路只需输出较少能量即可，具有较好的节能效果。
实施例2：如图8所示，在该实施例中，液-气储能平衡回路包括高压蓄能器3、低压蓄能器4，第一截止阀30,第二截止阀31,第三截止阀32，原动机7，液压泵马达8，压力传感器27，第二控制器20，安全阀24，单向阀25，油箱22，位移传感器33。
图2所示，动臂液压缸1为具有三个容腔的液压缸。动臂液压缸1的第三工作油口Pc口连接第一截止阀30，第一截止阀30分别连接第二控制器20和高压蓄能器3，高压蓄能器3连接第二截止阀31，高压蓄能器3与第二截止阀31之间的连接油路上连接有压力传感器27、安全阀24和单向阀25，安全阀24和单向阀25连接油箱22，第二控制器20连接原动机7，原动机7连接液压泵马达8，液压泵马达8分别连接第三截止阀32和第二截止阀31，第三截止阀32连接低压蓄能器4，第三截止阀32与低压蓄能器4的连接油路上连接有压力传感器27、安全阀24和单向阀25，安全阀24和单向阀25连接油箱22；
第二控制器20连接第一控制器19，第一控制器19分别连接操纵手柄18、压力传感器27、两位两通比例阀23、液压泵21；液压泵21分别连接油箱22、原动机7、两位两通比例阀23，两位两通比例阀23连接动臂液压缸1的第二工作油口PB、第一工作油口PA口。
液压缸驱动回路包括操纵手柄18，第一控制器19，液压泵21，油箱22，5个两位两通比例阀23，安全阀24，原动机7，3个压力传感器27，流量再生阀2。
液压泵21分别连接油箱22、原动机7、两位两通比例阀23，两位两通比例阀23连接油箱22，油箱22与液压泵21之间连接有安全阀24，液压泵21与第一控制器19之间连接有一个压力传感器27，动臂液压缸1的第二工作油口PB与第一控制器19之间连接有一个压力传感器27，第一工作油口PA口与第一控制器19之间连接有一个压力传感器27。
本实施例中，在每个高压蓄能器3的油口处均连接安全阀和单向阀，其中安全阀高压侧连接蓄能器，低压侧连接油箱。单向阀连接蓄能器和油箱，允许的油液流动方向为从油箱到蓄能器。在两组蓄能器的油口处均安装有压力传感器，且压力信号采集至第二控制器。原动机与液压泵马达通过联轴器连接，用于驱动液压泵马达。在液压缸上装有位移传感器，将液压缸伸出的位移信号采集至第二控制器。
第二控制器采用静态工作点模式控制方法控制三个截止阀以及原动机。
使用时，低压蓄能器预先充入较低压力的气体，而高压蓄能器需要预先充入一定的高压气体，并通过第一截止阀与动臂液压缸的一个油口（PC口）连接；第一截止阀处于打开状态，第二截止阀和第三截止阀处于关闭状态。此时与高压蓄能器相连的腔室具有与高压蓄能器一样的压力，通过调定预充的压力，使与高压蓄能器相连的腔室具有足够的平衡力来平衡工作装置的重量。
当液压缸驱动回路驱动动臂液压缸缩回时，工作装置下降，与高压蓄能器相连的腔室体积减小，该腔室油液进入高压蓄能器，工作装置的势能转换并储存在高压蓄能器中，避免了在液压阀口处由于节流作用损失。
液压缸驱动回路驱动动臂液压缸伸出时，工作装置上升，与高压蓄能器相连的腔室体积增大，高压蓄能器中的油液进入该腔室，储存在高压蓄能器中的能量装换为工作装置的势能，减少液压泵输出能量。
第二控制器内设有三个压力阈值p1，p2和p3，且p1>p2>p3。其中p1为高压蓄能器的最高工作压力，p3为高压蓄能器的最低工作压力，p2为高压蓄能器的预设工作压力。第二控制器通过压力传感器实时监测高压蓄能器的压力p。
当p>p1时，打开第二截止阀和第三截止阀，并启动液-气储能平衡回路的原动机，原动机驱动液压泵马达将高压蓄能器中的油液转移至低压蓄能器，直至p<p2时停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀，从而降低高压蓄能器的压力，并趋于预设工作压力p2。该过程中，若控制器通过压力传感器监测到低压蓄能器压力超过安全限定值时，同样停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀。
当p<p3时，打开第二截止阀和第三截止阀，并液-气储能平衡回路的启动原动机，原动机驱动液压泵马达将低压蓄能器中的油液转移至高压蓄能器，直至p>p2时停止原动机，同时关闭第二截止阀和第三截止阀，从而提高高压蓄能器的压力，并趋于预设工作压力p2。
两个安全阀防止蓄能器压力超过安全值，两个单向阀防止蓄能器被吸空。
当控制信号是使液压铲工作装置9下降时，第一控制器19协调控制四个二位二通比例阀23和液压泵21驱动液压缸回缩。当动臂液压缸大腔压力较低时，流量再生阀2打开，动臂液压缸大腔部分油液进入小腔，减少液压泵输出流量。另外一部分油液进入高压蓄能器中，工作装置的一部分势能通过油液储存在高压蓄能器中；当控制液压铲工作装置上升时，流量再生阀关闭，驱动回路驱动液压缸伸出，控制工作装置上升。此时，高压蓄能器中的油液进入动臂液压缸，辅助举升工作装置，储存在蓄能器中的能量被释放出来，转化为工作装置的动能和势能。在整个工作循环中，工作装置下降时，将其一部分动能和势能储存在蓄能器中，减少了液压铲工作装置势能的浪费；工作装置上升时，储存在蓄能器中的能量释放出来并转化为液压铲工作装置的势能，减少了泵输出的能量。同时流量再生功能减少了工作装置下降时的泵输出流量。
图4所示，液压驱动回路的其中的一种开式液压系统包含：操纵手柄18，第一控制器19，液压泵21，原动机7，换向阀29，油箱22，安全阀24，流量再生阀2，两个压力传感器27。
操纵手柄18连接第一控制器19，第一控制器19分别连接液压泵21、换向阀29、两个压力传感器27、流量再生阀2；液压泵21分别连接原动机7和油箱22，油箱22与液压泵21之间连接安全阀24；
换向阀29分别连接油箱22、液压泵21、压力传感器27和流量再生阀2。
图5所示，液压驱动回路的第二种开式液压系统，由操纵手柄18，第一控制器19，液压泵21，4个两位两通比例阀23，油箱22，原动机7，安全阀24，3个压力传感器27，流量再生阀2组成。
操纵手柄18连接第一控制器19，第一控制器19分别连接液压泵21、3个压力传感器27和4个两位两通比例阀23，流量再生阀2连接在液压缸的两个工作油口之间，液压泵21分别连接油箱22和原动机7，4个两位两通比例阀23均连接油箱22，安全阀24连接在油箱22与液压泵21之间，流量再生阀2连接在液压缸的两个工作油口。
驱动液压缸时，第一控制器根据操纵手柄的信号，计算出所需的压力和流量，协调控制四个两位两通比例阀和液压泵，从工作油口P1和P2输出适当的压力和流量，控制液压缸的伸出与缩回。由压力传感器采集的压力信号实时传回第一控制器，可以实现精确的闭环控制。当需要流量再生时，第一控制器驱动流量再生阀转换为通流状态，实现流量再生，减少泵输出的流量。该系统可以实现泵阀复合控制，方便的单独控制每个油口的工作状态，实现压力流量的精确匹配，能最大程度减少液压阀上的压力损失。
图6所示，液压驱动回路采用的闭式泵控液压缸驱动回路包含：操纵手柄18，第一控制器19，液压泵马达8，原动机7，油箱22，安全阀24，单向阀25，压力传感器27。
操纵手柄18连接第一控制器19，第一控制器19分别连接液压泵马达8、原动机7和2个压力传感器27，液压泵马达8与安全阀24、单向阀25连接，安全阀24、单向阀25均连接油箱22。
第一控制器根据操纵手柄的信号，控制原动机的正反转控制液压缸伸出与缩回，给液压泵马达输入变量信号控制液压缸运动速度。压力传感器采集压力信号实时传送至第一控制器用于增加控制精度。该系统几乎没有节流损失，具有较好的节能效果。
说明：本发明所述的第二控制器采用（RC6-9/20）；第一控制器采用（RC12-18/20）。
上述仅本发明较佳可行的实施例，非因此局限本发明保护范围，依照上述实施例所作各种变形或套用均在此技术方案保护范围之内。