专利名称：起重机以及起重机用闭式卷扬负功率控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程机械技术领域，特别地涉及一种起重机以及起重机用闭式卷扬负功率控制系统。
背景技术：
起重机是一种常见的工程机械。相关技术中，由发动机驱动开式或闭式系统以实现吊重物的起升，该闭式系统中主要包括变量泵和卷扬马达。在开式系统中重物下降的速度可通过平衡阀来调节控制，而在闭式系统中因闭式系统散热效果差，因此不能安装平衡阀。相关技术中的负功率吸收方式主要通过发动机本身吸收一部分负功率，其原理如图1所示。图1是根据相关技术中的起重机用闭式卷扬负功率吸收方式原理的示意图。图1中的箭头表示功率的流量，重物G为起重机的吊重物。如图1所示，重物G下降时产生负功率，该负功率传递给闭式系统，闭式系统向发动机输出功率，相应地发动机吸收功率。相关技术中，只能通过限制重物的下降速度来限制负功率的产生。随着起重机行业的发展，起重量越来越大，下降时需要吸收的负功率也越来越多(因为负功率的大小和重物质量成正比)，速度被限制的也越来越小，因发动机本身能吸收的负功率是有限的，超出发动机的吸收范围后会有飞车危险。因此相关技术中对于起重机用闭式卷扬负功率控制的效果不佳，对于该问题，相关技术中尚未提出有效解决方案。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种起重机以及起重机用闭式卷扬负功率控制系统，以解决现有技术中对于起重机用闭式卷扬负功率控制的效果不佳的问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种起重机用闭式卷扬负功率控制系统。本发明的起重机用闭式卷扬负功率控制系统用于吸收起重机的卷扬机构在吊重物下放时产生的负功率，所述控制系统包括发动机、分动箱、开式系统、和闭式系统，其中 所述开式系统和闭式系统分别与所述分动箱连接，并通过所述分动箱连接到所述发动机； 所述闭式系统包括与所述分动箱连接的闭式变量泵、通过液压管路与所述闭式变量泵连接的卷扬马达、以及与所述卷扬马达连接的卷扬减速机；所述分动箱用于在起重机进行下降作业时将所述负功率的部分或全部传递给所述开式系统。进一步地，所述开式系统中包括开式变量泵，与所述分动箱连接，用于从所述分动箱取得动力并输出压力油；比例换向阀，与所述开式变量泵连接；所述起重机的加载溢流阀，与所述比例换向阀连接；先导比例减压阀，与所述比例换向阀连接，用于控制所述压力油经由所述比例换向阀流向所述加载溢流阀的流量。进一步地，所述开式系统中包括开式变量泵，与所述分动箱连接，用于从所述分动箱取得动力并输出压力油；液控换向阀，与所述开式变量泵连接；比例加载溢流阀，与所述液控换向阀连接；电磁换向阀，与所述液控换向阀连接，用于控制所述液控换向阀的导通或者关断。 进一步地，所述开式系统中包括开式变量泵，与所述分动箱连接，用于从所述分动箱取得动力并输出压力油；第一和第二比例换向阀，都与所述开式变量泵连接；第一至第四先导比例减压阀，其中第一和第二先导比例减压阀与第一比例换向阀连接，第三和第四先导比例减压阀与第二比例换向阀连接；液压元件和加载溢流阀，其中所述液压元件的第一油口与所述第一和第二比例换向阀连接，第二油口与所述第二比例换向阀连接，所述加载溢流阀与所述第二比例换向阀连接；并且，所述液压元件用于吸收所述开式变量泵取得的动力；所述第一先导比例减压阀用于控制所述压力油经由所述第一比例换向阀流向所述液压元件的第一油口的流量；所述第二先导比例减压阀用于控制所述压力油经由所述第一比例换向阀流向所述液压元件的第二油口的流量；所述第三先导比例减压阀用于控制所述压力油经由所述第二比例换向阀流向所述液压元件的第一油口的流量；所述第四先导比例减压阀用于控制所述压力油经由所述第二比例换向阀流向所述加载溢流阀的流量。
进一步地，所述加载溢流阀为比例加载溢流阀。进一步地，所述液压元件为两片阀合流控制的液压马达或两片阀合流控制的伸缩油缸。进一步地，所述液压元件为所述起重机的变幅油缸，所述第一油口为该变幅油缸的无杆腔，所述第二油口为该变幅油缸的有杆腔。进一步地，所述变幅油缸为双变幅油缸。进一步地，所述开式变量泵为负荷传感泵或电控变量泵。根据本发明的又一方面，提供了一种起重机，该起重机包括本发明的起重机用闭式卷扬负功率控制系统。应用本发明的技术方案，能够获得以下有益效果1、闭式卷扬下降时所产生的负功率由分动箱传递到开式系统，由开式系统吸收， 重物下降速度不再受到限制；2、通过控制先导比例减压阀的电流来实现比例换向阀输出给比例加载溢流阀的流量比例控制，以得到比例加载溢流阀不同的加载功率，由于控制为无级调节，因此加载稳定，不会使速度产生突变；3、比例加载溢流阀的压力也可无级调节，在闭式系统产生的负功率较小时设定压力较低系统超调小，加载更加平稳，当闭式系统产生的负功率较大时，设定压力较高满足加载功率要求；4、无论闭式系统输出的负功率如何变化，都可通过控制先导比例减压阀的电流或者比例加载溢流阀的压力使发动机的功率维持在目标控制值；5、由一个比例换向阀实现变幅起升和系统加载两个功能，较传统的控制方式节省了一个比例换向阀。
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中
图1是根据相关技术中的起重机用闭式卷扬负功率吸收方式原理的示意图；图2是根据本发明实施例的发动机输出功率时的功率传递关系的示意图；图3是根据本发明实施例的发动机吸收功率时的功率传递关系的示意图；图4是根据本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统的第一种基本结构示意图；图5是根据本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统的第二种基本结构示意图；图6是根据本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统的第三种基本结构示意图；图7是根据本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统的第四种基本结构示意图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统主要用于吸收起重机的卷扬机构在吊重物下放时产生的负功率。图2是根据本发明实施例的发动机输出功率时的功率传递关系的示意图。图3是是根据本发明实施例的发动机吸收功率时的功率传递关系的示意图。如图2和图3所示，本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统主要包括发动机1、分动箱2、开式系统3和闭式系统4。其中开式系统3和闭式系统4分别与分动箱 2连接，并通过分动箱2连接到发动机1。闭式系统4包括相互连接的闭式变量泵和卷扬马达，还包括卷扬减速机(图中未示出)。分动箱2能够用于在起重机进行上升作业时将发动机输出的功率传递给开式系统3和闭式系统4 (如图3所示，其中箭头表示功率流向)，对于负功率的控制方面，分动箱2能够在起重机进行下降作业时将负功率的部分(此时另一部分传递给发动机)或全部传递给开式系统3(如图3所示，其中箭头表示功率流向)。图3 还示出了重物G，该重物G在下降时产生负功率。图4是根据本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统的第一种基本结构示意图。如图4所示，起重机用闭式卷扬负功率控制系统中的开式系统3的第一种可选结构是包括开式变量泵30，与分动箱2连接，用于从分动箱取得动力并输出压力油；比例换向阀41 ；先导比例减压阀42、起重机的加载溢流阀43。并且，开式变量泵30、先导比例减压阀42、以及加载溢流阀43分别与比例换向阀41连接；先导比例减压阀42用于控制压力油经由比例换向阀41流向加载溢流阀43的流量。在图4中示出了比例换向阀41采取三位的比例换向阀的情形，此时可将Bl 口堵住，如图4所示；另外也可以采用两位的比例换向阀。图5是根据本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统的第二种基本结构示意图。如图5所示，起重机用闭式卷扬负功率控制系统中的开式系统3的第二种可选结构是包括开式变量泵30，与分动箱2连接，用于从分动箱2取得动力并输出压力油；电磁换向阀51 ；液控换向阀52 ；比例加载溢流阀53。开式变量泵30、电磁换向阀51和比例加载溢流阀53分别与液控换向阀52连接；电磁换向阀51用于控制液控换向阀52的导通或者关断。在图5所示的结构中，电磁换向阀51能够控制液控换向阀52工作状态的切换，以实现压力油与比例加载溢流阀断开或者连通，通过比例加载溢流阀53控制加载压力的大小来实现加载压力的无级调节。图6是根据本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统的第三种基本结构示意图。如图6所示，起重机用闭式卷扬负功率控制系统中的开式系统3的第三种可选结构是包括开式变量泵30，与分动箱2连接，用于从分动箱2取得动力并输出压力油；第一比例换向阀621和第二比例换向阀622，都与开式变量泵30连接；第一至第四先导比例减压阀611至614，其中第一和第二先导比例减压阀611、612与第一比例换向阀621连接， 第三和第四先导比例减压阀与第二比例换向阀622连接；起重机的变幅油缸63和加载溢流阀64，其中变幅油缸63的无杆腔与第一比例换向阀621和第二比例换向阀622连接，变幅油缸63的有杆腔与第一比例换向阀621连接，加载溢流阀64与第二比例换向阀622连接。 变幅油缸63能够吸收开式变量泵30取得的动力。第一先导比例减压阀611用于控制压力油经由第一比例换向阀621流向变幅油缸63的第一油口的流量；第二先导比例减压阀612 用于控制压力油经由第一比例换向阀621流向变幅油缸63的第二油口的流量；第三先导比例减压阀613用于控制压力油经由第二比例换向阀622流向变幅油缸63的第一油口的流量；第四先导比例减压阀614用于控制压力油经由第二比例换向阀622流向加载溢流阀64 的流量。在图6中，变幅油缸63的第一油口内为无杆腔，第二油口内为有杆腔。变幅油缸63可以是双变幅油缸。加载溢流阀64可采用比例加载溢流阀。开式变量泵30可采用负荷传感泵或电控变量泵。另外，也可以用两片阀合流控制的液压马达或两片阀合流控制的伸缩油缸来替代变幅油缸63，如图7所示，图7是是根据本发明实施例的起重机用闭式卷扬负功率控制系统的第四种基本结构示意图。在图7中，两片阀合流控制的液压马达71的第一油口 711与第一比例换向阀621以及第二比例换向阀622连接，第二油口 712与第一比例换向阀621连接。以下对本实施例的技术方案作进一步说明。闭式变量泵31与卷扬马达32组成闭式系统主油路，向卷扬减速机33提供动能以提升重物G，在重物G下降过程中，其势能转换为动能传递给闭式系统。发动机通过分动箱与开式系统(通过直接作用于开式变量泵)和闭式系统(通过直接作用于闭式变量泵)同时发生作用。分动箱作为一个能量传递机构其可将发动机输出的功率同时传递给开式变量泵和闭式变量泵实现对外做功，也可将闭式系统中重物下降时产生的负功率(此工况下闭式变量泵带动分动箱和发动机转动)传递给分动箱，通过分动箱传递给发动机和开式系统。闭式系统主要的工作元件为闭式变量泵和卷扬马达。闭式变量泵负责控制卷扬机构起升和下降的速度控制，卷扬马达与减速机相连接，同步于重物的起和落。当重物起升时，发动机通过分动箱将部分能量输入到闭式变量泵，此时发动机对外做功，重物被提起。 当重物下降时，重物在重力作用下带动卷扬机转动，从而带动卷扬马达和闭式变量泵转动， 闭式变量泵将能量传递给分动箱。此下降过程为闭式变量泵对分动箱和发动机做功。因此对于发动机来说这是个负的功率(发动机此工况不对外输出功率，而是吸收功率)而发动机吸收的能量是有限的。
重物下降时产生的负功率Pm为Pm = MXgXV............ (1)式(1)中M表示吊重质量；g表示重力加速度；V表示重物下降速度。传递到闭式系统的负功率为P。为Pc = MXgXVXn1Xn2............O)式O)中Il i表示减速机及钢丝绳滑轮组的机械效率；n 2表示液压系统的机械效率。发动机吸收的负功率Pe = Ρ。，即Pe = MXgXVX H1X n2............ (3)式中Pe表示发动机吸收功率。从式(3)可以看出，发动机吸收的负功率与重物的质量M成正比，与下降速度V成正比。而发动机可吸收的负功率有限，因此当起重量M增大时，重物的最大下降速度V则应减小。随着起重机的发展，起重量的增大，仅由发动机吸收负功率已经不能满足需求。重物下降产生的负功率被发动机和开式系统所吸收。其中发动机吸收的功率为Pe = Pc-Pk............式中Pk表示开式系统吸收的负功率。由此得出发动机吸收的负功率=Pe = MgVX Il1X n2-Pk............ (5)本实施例通过控制开式系统吸收的负功率Pk，实现发动机吸收的负功率Pe小于其可吸收的最大负功率K Pm(其中Pm表示发动机可吸收的最大负功率)。以下以图6为例说明本实施例中的闭式卷扬负功率控制系统的工作过程。在图6中，第一比例换向阀621的Al 口和第二比例换向阀622的A2 口合流给变幅油缸的无杆腔供油；第一比例换向阀621的Bl 口为变幅油缸63有杆腔供油；第二比例换向阀622的B2 口为比例加载溢流阀64供油；第二比例换向阀622的中位机能为“0”型机能。具体控制如下当先导比例减压阀611、612、613及614全部失电时，第一比例换向阀621、第二比例换向阀622处于中位，系统无压力油输出；当先导比例减压阀611得电时第一比例换向阀621于右位工作，压力油经第一比例换向阀621从Al 口进入变幅油缸63 无杆腔，变幅油缸63实现起升动作；当先导比例减压阀612得电时，第一比例换向阀621于左位工作，压力油经第一比例换向阀从Bl 口进入变幅油缸63有杆腔，变幅实现下降动作； 当先导比例减压阀611、613同时得电时，压力油经第一比例换向阀621从Al 口进变幅无杆腔，同时压力油经第二比例换向阀622从A2 口进变幅无杆腔，实现了变幅起升时的高速合流；当先导比例减压阀614得电时，压力油经第二比例换向阀622从B2 口进比例加载溢流阀64。图中先导比例减压阀611至614输出的控制压力正比于控制电流，因此可实现第一比例换向阀621和第二比例换向阀622流量的比例输出，从而实现变幅油缸的速度或者比例加载溢流阀的流量与输入电流成正比。开式系统吸收的负功率由两部分组成，一部分为变幅系统动作时消耗的功率，一部分为加载溢流阀加载时消耗的功率。其中变幅系统消耗的功率是吊装过程中工况决定的 (比如变幅油缸动作与否，动作的快慢是由实际工况的要求决定)，而加载系统的功率是我们可实时控制的，为一变量参数。Pk = Q1X Δ P1/600+Q2 X Δ Ρ2/600............ (6)式中=Q1表示变幅系统的流量；Δ P1表示变幅系统压力；Q2表示供给加载溢流阀流量；ΔΡ2表示加载溢流阀压力；由此得出Pe = MgVX Jl1X Jl2-Q1X AP1ZeOO-Q2X ΔΡ2/600............ (7)发动机本身的功率输出状态可由其自带的控制器实时监测得出，并通过CAN总线传递给外围控制系统，我们称其为发动机负载率。发动机负载率=发动机实际输出功率/ 发动机额定功率。在存在负功率的情况下，一般维持发动机负载率在一个固定值(比如 5% )，我们视其为目标控制值。当负载率低于目标值时，增大先导比例减压阀614的控制电流，以增大比例换向阀输出给比例加载溢流阀的流量(式(7)中的( )使得比例加载溢流阀消耗功率增大，促使发动机负载率恢复到目标值；反之当发动机负载率高于目标值时，可减小先导比例减压阀614的电流，以减小加载溢流阀的功率消耗，使发动机负载率维持在目标值。另外，对于图5所示系统，当负载率低于目标值时，增大比例加载溢流阀53的输入电流，以增大比例加载溢流阀的加载压力(式⑵中的ΔΙ^)使得比例加载溢流阀消耗功率增大，促使发动机负载率恢复到目标值；反之当发动机负载率高于目标值时，可减小比例加载溢流阀53的输入电流，以减小加载溢流阀的功率消耗，使发动机负载率维持在目标值。如本实施例中的加载溢流阀采用电液比例溢流阀，则其压力大小(式(7)中的 ΔP2)可通过调节其控制电流的大小来实现无级控制。当负载率较低时，可使控制电流相对较小，使得溢流阀开启时的超调量减小，加载更加平稳。通过以上系统及控制方法，使闭式卷扬下放时输入到发动机的负功率不超过其可吸收的最大值。无论起重量M和下降速度V如何变化，都可通过对电先导比例减压阀614 或者比例加载溢流阀53电流大小的实时控制，使的发动机吸收负功率维持在目标设定值。从以上描述可以看出，应用本实施例的技术方案，可以获得如下有益效果1、闭式卷扬下降时所产生的负功率由分动箱传递到开式系统，由开式系统吸收， 重物下降速度不再受到限制；2、通过控制先导比例减压阀的电流来实现比例换向阀输出给比例加载溢流阀的流量比例控制，以得到比例加载溢流阀不同的加载功率，由于控制为无级调节，因此加载稳定，不会使速度产生突变；3、比例加载溢流阀的压力也可无级调节，在闭式系统产生的负功率较小时设定压力较低系统超调小，加载更加平稳，当闭式系统产生的负功率较大时，设定压力较高满足加载功率要求；4、无论闭式系统输出的负功率如何变化，都可通过控制先导比例减压阀的电流/ 或者比例加载溢流阀的电流使发动机的功率维持在目标控制值；5、第二比例换向阀622可实现变幅起升和系统加载两个功能，较传统的控制方式节省了一个比例换向阀。显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种起重机用闭式卷扬负功率控制系统，用于吸收起重机的卷扬机构在吊重物下放时产生的负功率，其特征在于，所述控制系统包括发动机、分动箱、开式系统、和闭式系统， 其中所述开式系统和闭式系统分别与所述分动箱连接，并通过所述分动箱连接到所述发动机；所述闭式系统包括与所述分动箱连接的闭式变量泵、通过液压管路与所述闭式变量泵连接的卷扬马达、以及与所述卷扬马达连接的卷扬减速机；所述分动箱用于在起重机进行下降作业时将所述负功率的部分或全部传递给所述开式系统。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述开式系统中包括 开式变量泵，与所述分动箱连接，用于从所述分动箱取得动力并输出压力油； 比例换向阀，与所述开式变量泵连接；所述起重机的加载溢流阀，与所述比例换向阀连接；先导比例减压阀，与所述比例换向阀连接，用于控制所述压力油经由所述比例换向阀流向所述加载溢流阀的流量。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述开式系统中包括 开式变量泵，与所述分动箱连接，用于从所述分动箱取得动力并输出压力油； 液控换向阀，与所述开式变量泵连接；比例加载溢流阀，与所述液控换向阀连接；电磁换向阀，与所述液控换向阀连接，用于控制所述液控换向阀的导通或者关断。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述开式系统中包括 开式变量泵，与所述分动箱连接，用于从所述分动箱取得动力并输出压力油； 第一和第二比例换向阀，都与所述开式变量泵连接；第一至第四先导比例减压阀，其中第一和第二先导比例减压阀与第一比例换向阀连接，第三和第四先导比例减压阀与第二比例换向阀连接；液压元件和加载溢流阀，其中所述液压元件的第一油口与所述第一和第二比例换向阀连接，第二油口与所述第二比例换向阀连接，所述加载溢流阀与所述第二比例换向阀连接； 并且，所述液压元件用于吸收所述开式变量泵取得的动力；所述第一先导比例减压阀用于控制所述压力油经由所述第一比例换向阀流向所述液压元件的第一油口的流量；所述第二先导比例减压阀用于控制所述压力油经由所述第一比例换向阀流向所述液压元件的第二油口的流量；所述第三先导比例减压阀用于控制所述压力油经由所述第二比例换向阀流向所述液压元件的第一油口的流量；所述第四先导比例减压阀用于控制所述压力油经由所述第二比例换向阀流向所述加载溢流阀的流量。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述加载溢流阀为比例加载溢流阀。
6.根据权利要求4或5所述的控制系统，其特征在于，所述液压元件为两片阀合流控制的液压马达或者两片阀合流控制的伸缩油缸。
7.根据权利要求4或5所述的控制系统，其特征在于，所述液压元件为所述起重机的变幅油缸，所述第一油口为该变幅油缸的无杆腔，所述第二油口为该变幅油缸的有杆腔。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述变幅油缸为双变幅油缸。
9.根据权利要求2，3或4所述的控制系统，其特征在于，所述开式变量泵为负荷传感泵或电控变量泵。
10.一种起重机，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的起重机用闭式卷扬负功率控制系统。
全文摘要
本发明提供了一种起重机以及起重机用闭式卷扬负功率控制系统，用以解决现有技术中对于起重机用闭式卷扬负功率控制的效果不佳的问题。该控制系统包括发动机、分动箱、开式系统、和闭式系统，其中开式系统和闭式系统分别与分动箱连接，并通过分动箱连接到发动机；闭式系统包括与分动箱连接的闭式变量泵、通过液压管路与闭式变量泵连接的卷扬马达、以及与卷扬马达连接的卷扬减速机；分动箱用于在起重机进行下降作业时将负功率的部分或全部传递给开式系统。应用本发明的技术方案，闭式卷扬下降时所产生的负功率由分动箱传递到开式系统，由开式系统吸收，重物下降速度不再受到限制，因此有较佳的控制效果。
文档编号B66C13/20GK102491173SQ20111041221
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者刘权, 刘琴, 张建军, 李义, 李怀福, 李英智, 詹纯新 申请人:中联重科股份有限公司