一种盘刹系统和控制所述盘刹系统的方法
【专利摘要】本发明公开了一种盘刹系统，包括油源、比例阀、多组刹车钳缸和电控系统，所述油源通过所述比例阀与所述多组刹车钳缸相连通，所述多组刹车钳缸中的至少一组与所述比例阀之间设置有对应的开关阀，所述比例阀和所述开关阀电连接至所述电控系统，所述电控系统用于控制所述比例阀调压和控制所述开关阀的开关。
【专利说明】一种盘刹系统和控制所述盘刹系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种盘刹系统和控制所述盘刹系统的方法，特别是一种液压盘式刹车制动油压的自动换档与分段调压方法。
【背景技术】
[0002]液压盘式刹车相对于带式刹车具有刹车力矩大、制动可靠、操作控制方便等优点，因而在石油钻机、修井机、通井机上得到广泛应用。
[0003]请参照图1，图1是盘式刹车的一种典型液压控制回路的示意图。该盘式刹车的典型液压控制回路由油源1、刹车阀2、刹车手柄3、刹车钳缸4?9等主要部件组成。刹车阀2分为司钻阀和电液比例阀(简称为比例阀)两种类型。刹车手柄3分为机械刹车手柄和电子刹车手柄两种类型。但机械刹车手柄须与司钻阀相对应，电子刹车阀须与比例阀相对应。调节与刹车阀2相连的刹车手柄3的转角，可使油源I经刹车阀2输出油压，并作用到刹车钳缸4?9上，产生相应制动力矩。连续调节刹车手柄3的转角可连续调节作用到刹车钳缸上的油压，进而连续调节盘刹制动力矩。
[0004]目前，上述液压盘式刹车普遍存在两个问题:
[0005]1、盘刹设计时一般都采用较大安全系数以应对紧急工况，但却由此导致正常工况下的刹车油压过低问题。刹车油压过低对轻载阶段的制动力调节影响很大，同时也造成了钳缸、刹车块与液压油的长期无谓损耗。
[0006]2、现有刹车阀只有单一线性调压特性，油压调节变化率始终固定不变，无法满足不同作业工况的特殊要求，如送钻作业时所需的精细微调特性，起下钻作业时所需的适中工作特性和事故处理时所需的快速响应特性等。
[0007]降低安全系数有利于提高钳缸工作效率，也可改善轻载阶段的控制效果，但以牺牲系统安全性为代价的想法显然是不可取的；非线性刹车阀的设想虽好，但从设计与制造角度来看却是很难实现的。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种盘刹系统和控制所述盘刹系统的方法。
[0009]一种盘刹系统，包括油源、比例阀、多组刹车钳缸和电控系统，所述油源通过所述比例阀与所述多组刹车钳缸相连通，所述多组刹车钳缸中的至少一组与所述比例阀之间设置有对应的开关阀，所述比例阀和所述开关阀电连接至所述电控系统，所述电控系统用于控制所述比例阀调压和控制所述开关阀的开关。
[0010]一种控制如上述盘刹系统的方法，包括:
[0011]当所述电子刹车手柄的转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的开关阀或者开关阀组合的开关，并控制不同的控制信号至所述比例阀以使得所述比例阀增加或降低油压。
[0012]与现有液压盘式刹车的制动油压调节方法相比，本发明具有如下有益效果:[0013]1、可将过低的刹车油压通过自动升档(减少多余钳缸)切换到灵敏度较高的调压区段，由此显著改善轻载阶段的制动控制效果；
[0014]2、可显著提高刹车手柄的操控性能，利用制动油压调节的分段线性特性满足不同作业工况对制动特性的特殊要求；
[0015]3、正常工况时，可将部分钳缸自动转入待用状态(暂停使用)，从而减少钳缸、刹车块、液压油的长期无谓损耗；
[0016]4、处理紧急情况时，可根据刹车手柄的操作意图自动将待用钳缸全部并入制动系统，产生最大制动力矩确保安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是一种传统的盘式刹车的典型液压控制回路的示意图。
[0018]图2是本发明一个实施例提供的盘刹系统的结构示意图。
[0019]图3是换档控制方法的工作流程图。
[0020]图4是上行分段映射方法的几何关系示意图。
[0021]图5是本发明的盘刹换档液压控制回路的一个示例示意图。
[0022]图6是本实施例的电控单元的电路原理图。
【具体实施方式】
[0023]本发明的具体工作原理是:1、将刹车钳缸分组，根据换档控制方法对钳缸组合进行动态切换，通过隔离或添加钳缸数量，使在用钳缸数与最佳刹车油压范围相匹配；2、采用分段映射方法对电子刹车手柄的单纯线性转角关系进行变换。通过电液比例阀(以下简称为比例阀)实现刹车油压的分段线性调压。下面结合附图介绍本发明的【具体实施方式】。
[0024]请参照图2，图2是本发明一个实施例提供的盘刹系统的结构示意图。该盘刹系统100包括油源1、比例阀2、多组刹车钳缸8?13和电控系统110，所述油源I通过所述比例阀2与所述多组刹车钳缸8?13相连通，所述多组刹车钳缸8?13中的至少一组与所述比例阀2之间设置有对应的开关阀(可以是电磁开关阀)3?5，所述比例阀2和所述开关阀3?5电连接至所述电控系统110，所述电控系统110用于控制所述比例阀2调压和控制所述开关阀3?5的开关。
[0025]可选的，电控系统110包括电控单元7和电子刹车手柄6，所述比例阀2和所述开关阀3?5电连接至所述电控单元7，所述电控单元7电连接至所述电子刹车手柄6，所述电子刹车手柄6根据转动角产生转角信号并输出至所述电控单元7，所述电控单元7根据所述转角信号控制所述比例阀2调压和控制所述开关阀3?5的开关。
[0026]可选的，所述电控单元110用于当所述转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的开关阀或者开关阀3?5组合的开关，并控制不同的控制信号至所述比例阀22以使得所述比例阀增加或降低油压。
[0027]可选的，所述多组刹车钳缸8?13中的一组直接连通到所述比例阀2，所述多组刹车钳缸中8?13的其他组分别通过各自对应的开关阀3?5连通到所述比例阀2。
[0028]可选的，每组所述刹车钳缸8?13中刹车钳缸的个数为一个或者多个。
[0029]具体举例而言，油源I输出的液压油经过比例阀2的调压后作用到由电磁开关阀(以下简称为开关阀)3~5组成的换档回路上。其中，开关阀3~5可将刹车钳缸8~13分成4种组合关系(组合关系并非固定不变，可根据钳缸的实际数量，通过I~3只开关阀实现2~4种组合)。比例阀2和开关阀3~5都受电子控制单元(以下简称为电控单元)7的控制，而电控单元7则是根据电子刹车手柄6提供的转角信号、换档控制方法和分段映射方法进行工作的。
[0030]请参照图3，图3是换档控制方法的工作流程图。图3中，电控单元7在读取电子刹车手柄6的转角信号Vx后，先要进行调压方向判断。若为上行调压方向，则将Vx与上行换档临界值进行比较，反之则与下行换档临界值￥?.?进行比较，判断是否需要换档。若判断需要增档，则将当前油压减半输出，同时增大I档；若判断需要降档，则将当前油压加倍输出，同时降低I档；若判断无需换档，则使油压倍增关系不变且不做档位切换。换档的具体对应关系如下:
[0031]开关阀3~5都断电时钳缸8保持接通(I档)；3通4断5断时钳缸8~9接通(II档)；3通4通5断时钳缸8~11接通(III档)，3~5都通电时钳缸8~13接通(IV档)。
[0032]请参照图4，图4是上行分段映射方法的几何关系示意图。
[0033]图4中VURn为上行换档临界值，UURn为上行映射临界值，η为临界点序号可根据实际需要确定，当前电子刹车手柄转角Vx与当前映射电压Uy的映射关系由如下插补方法公式实现:
[0034]Uy — Uup.2+ (Uur 3_Uup.2) / (VUP.3~Vm 2) X (VX_VUP.2) +Uup.2
[0035]将计算出的Uy进行DA转换，转换后的模拟电压送入比例阀用于调节油压。
[0036]下行分段映射方法与上行分段映射方法相似，只要将分段映射方法公式中的脚标UP改为LW，并代入下行方向的相关参数即可。
[0037]分段映射方法中的分段数和各临界点的参数值均可根据实际需要确定。一般来讲，分段越细，越接近非线性，控制就越平稳。
[0038]电控单元7的硬件电路由AD转换器、单片计算机、功率继电器、DA转换器、功率放大器等元件组成，其作用是完成电子刹车手柄转角电压的数据采集、换档控制运算、分段映射计算、开关阀控制、DA转换等。电控单元可以是基于单片计算机、可编程控制器或其他嵌入式系统原理的电子单元(不在本发明申请内容之列)。
[0039]与现有液压盘式刹车的制动油压调节方法相比，本发明具有如下优势或特点:
[0040]可将过低的刹车油压通过自动升档(减少多余钳缸)切换到灵敏度较高的调压区段，由此显著改善轻载阶段的制动控制效果；
[0041]可显著提高电子刹车手柄的操控性能，利用制动油压调节的分段线性特性满足不同作业工况对制动特性的特殊要求；
[0042]正常工况时，可将部分钳缸自动转入待用状态(暂停使用)，从而减少钳缸、刹车块、液压油的长期无谓损耗；
[0043]处理紧急情况时，可根据电子刹车手柄的操作意图自动将待用钳缸全部并入制动系统，产生最大制动力矩确保安全。
[0044]本实施例可以应用于额定功率1470KW的JC70型钻机绞车，其配置的盘刹系统包括，刹车盘(直径X宽度):1600_X76_ ;刹车钳缸总成:常开型工作钳4只和常闭型安全钳2只；液压源额定工作油压lOMPa。
[0045]请参照图5，图5是本发明的盘刹换档液压控制回路的一个示例示意图。图5中的4只常开型工作钳缸，通过2只电磁开关阀组成3档关系。采用3段映射方法，上下行路径重合，4个临界换档电压分别选定为0V、3.87V、6.71V和10V，与之相应的4个临界映射电压分别选为 0V,2.28V、6.95V 和 IOV。
[0046]请参照图6，图6是本实施例的电控单元的电路原理图。图6中，MCU采用51型单片计算机，AD和DA分别采用ADC0808和DAC0832芯片，功率继电器为DC24V2A，功率放大器为 LM741。
[0047]结果表明，本发明建立的自动换档调压和分段线性调压技术可行，使用效果优于原有盘式刹车，有望成为现有技术的升级换代技术。
[0048]本发明还提供一种控制上述盘刹系统的方法，上述实施例中的描述也适用于本方法。本方法包括:
[0049]当所述转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的开关阀或者开关阀组合的开关，并控制不同的控制信号至所述比例阀以使得所述比例阀增加或降低油压。
[0050]可选的，所述当所述转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的开关阀或者开关阀组合的开关包括:
[0051]电控单元在读取电子刹车手柄的转角信号Vx后，进行调压方向判断；
[0052]若为上行调压方向，则将Vx与上行换档临界值VUP.η进行比较，反之则与下行换档临界值VLW.n进行比较，判断是否需要换档；
[0053]若判断需要增档，则将当前油压减半输出，同时增大I档；若判断需要降档，则将当前油压加倍输出，同时降低I档；若判断无需换档，则使油压倍增关系不变且不做档位切换；其中，不同的档位对应不同的开关阀或者开关阀组合的开关。
[0054]可选的，当所述转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的控制信号至所述比例阀以使得所述比例阀增加或降低油压包括:
[0055]根据电子刹车手柄转角Vx与映射电压Uy的映射关系计算出当前电子刹车手柄转角Vx所对应的映射电压Uy ；
[0056]将计算出的Uy进行DA转换，转换后的模拟电压送入比例阀用于调节油压。
[0057]为了举例说明本发明的实现，描述了上述的【具体实施方式】。但是本发明的其他变化和修改，对于本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或者仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。
【权利要求】
1.一种盘刹系统，其特征在于，包括油源、比例阀、多组刹车钳缸和电控系统，所述油源通过所述比例阀与所述多组刹车钳缸相连通，所述多组刹车钳缸中的至少一组与所述比例阀之间设置有对应的开关阀，所述比例阀和所述开关阀电连接至所述电控系统，所述电控系统用于控制所述比例阀调压和控制所述开关阀的开关。
2.根据权利要求1所述的盘刹系统，其特征在于，所述多组刹车钳缸中的至少一组与所述比例阀之间设置有对应的开关阀具体包括: 所述多组刹车钳缸中的一组直接连通到所述比例阀，所述多组刹车钳缸中的其他组分别通过各自对应的开关阀连通到所述比例阀。
3.根据权利要求1所述的盘刹系统，其特征在于，每组所述刹车钳缸中刹车钳缸的个数为一个或者多个。
4.根据权利要求1所述的盘刹系统，其特征在于，所述电控系统包括电控单元和电子刹车手柄，所述比例阀和所述开关阀电连接至所述电控单元，所述电控单元电连接至所述电子刹车手柄，所述电子刹车手柄根据转动角产生转角信号并输出至所述电控单元，所述电控单元接收来 自电子刹车手柄的转角信号，通过IO 口输出开关阀控制信号，通过DA 口输出比例阀控制信号。
5.根据权利要求4所述的盘刹系统，其特征在于，所述电控单元进一步用于:当所述转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的开关阀或者开关阀组合的开关，并控制不同的控制信号至所述比例阀以使得所述比例阀增加或降低油压。
6.—种控制如权利要求1所述的盘刹系统的方法，其特征在于，包括: 当所述电子刹车手柄的转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的开关阀或者开关阀组合的开关，并控制不同的控制信号至所述比例阀以使得所述比例阀增加或降低油压。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当所述转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的开关阀或者开关阀组合的开关包括: 电控单元在读取电子刹车手柄的转角信号Vx后，进行调压方向判断； 若为上行调压方向，则将Vx与上行换档临界值VUP.n进行比较，反之则与下行换档临界值￥?.?进行比较，判断是否需要换档； 若判断需要增档，则将当前油压减半输出，同时增大I档；若判断需要降档，则将当前油压加倍输出，同时降低I档；若判断无需换档，则使油压倍增关系不变且不做档位切换；其中，不同的档位对应不同的开关阀或者开关阀组合的开关。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述转角信号所指示的转角位于不同的转角范围时，控制不同的控制信号至所述比例阀以使得所述比例阀增加或降低油压包括: 根据电子刹车手柄转角Vx与映射电压Uy的映射关系计算出当前电子刹车手柄转角Vx所对应的映射电压Uy ； 将计算出的Uy进行DA转换，转换后的模拟电压送入比例阀用于调节油压。
【文档编号】F16D121/18GK103453054SQ201210173993
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】林立 申请人:林立, 王中金, 马义来, 刘子博