CN102057110A - 一种控制液压系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对适于执行工作机中的至少一个液压工作功能的液压系统进行控制的液压系统控制单元、液压系统以及工作机。液压系统根据由液压系统控制单元确定的操作信号来执行液压控制功能。在第一步骤(30)中，控制单元接收与所述工作功能相关联的操作员控制输入。本方法的显著特征在于第二步骤，其中，控制单元接收(31)指示与工作功能相关联的负载的负载输入。此外，在第三步骤中，控制单元响应于操作员控制输入和负载输入来确定(32)操作信号。

Description

一种控制液压系统的方法
技术领域
本发明涉及对适于执行工作机中的至少一个液压工作功能的液压系统进行控制的方法、液压系统控制单元、液压系统以及工作机。
背景技术
在具有液压系统的几种类型的工作机中，引入了负载感测液压系统。在所谓的开放中心的系统中，即没有负载感测的液压系统中，液压流量是负载依赖的，并且因此取决于系统压力或者作用于气缸的负载。图3图示了特定阀开启如何引起给定负载的液压流量。如图3中所示，对于给定的恒定阀开启X，增加的负载导致降低的液压流量。为了在负载增加时达到相同的流量，操作员必须增大液压控制杆的角度。
在负载感测系统中，阀开启和液压流量之间的关系是与负载无关的，如图4中的线X所示。这导致了操作员不再必须通过增大控制杆角度来补偿所增加的负载。操作员可将控制杆稳定地保持在特定角度，并且系统将确保流量稳定。
负载感测系统的缺点是：由于通过增大控制杆的角度来对所增加的负载进行补偿，所以操作员不再接收反馈。在特定情况下，例如，处理大石块的情况下，实际上想要这样的反馈。利用保持流量恒定的负载感测系统，(用于流量降低的)操作员将感觉不到负载的重量，并且，因此可能对机器的把握不够直观。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于控制液压系统的方法，该方法减少操作员对负载感测系统的负面体验，而同时保持负载感测系统的优点。
这是借助于用于适于执行工作机中的至少一个液压工作功能的液压系统的方法来解决的。该液压系统依照由液压系统控制单元确定的操作信号来执行液压控制功能。在第一步骤中，控制单元接收与所述工作功能相关联的操作员控制输入。该方法的显著特征在于第二步骤，其中，控制单元接收指示与工作功能相关联的负载的负载输入。此外，在第三步骤中，控制单元响应于操作员控制输入和负载输入来确定操作信号。
本发明的目的还借助于液压系统控制单元来解决，该液压系统控制单元适于执行根据权利要求1-14中的任何权利要求的用于控制液压系统的方法，所述液压系统适于执行工作机中的至少一个液压工作功能。本发明的目的也借助于包括根据权利要求15所述的液压系统控制单元的液压系统，以及包括根据权利要求16所述的液压系统的工作机来解决。
本发明的主要优点在于，在装载铲斗时，操作员将从液压系统接收反馈。操作员可集中力量而不损害液压系统的效率。操作员将感觉到作用于铲斗的负载重量。
这样的反馈在很多情况下对操作机器时的操作员来说非常重要。例如，当操作挖掘机时，在去除大型、沉重的目标(石块等等)的时候，能感觉到目标的重量是很重要的。否则，挖掘机就会倾斜和/或损坏。同样，当向铲斗装载重型目标时，轮式装载机的操作员需要来自液压系统的反馈。此外，当从砂砾堆装载砂砾时，操作将更简单。例如，操作员将感觉到铲斗什么时候要戳入砂砾堆中。
本发明的其他优选实施例和优点将在独立权利要求和下文的详细描述中显现。
附图说明
下面将参照附图中所示的实施例更加详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了工作机的侧视图。
图2示出了液压系统、液压系统控制单元以及液压功能。
图3图示了在引入负载感测系统之前，铲斗上的负载如何影响液压系统中的液压流量。
图4图示了具有负载感测的液压系统中液压流量的负载独立性。
图5图示了根据本发明的一个实施例，在具有液压系统控制单元的液压系统中铲斗上的负载如何影响液压流量。
图6图示了根据本发明的另一个实施例，在具有液压系统控制单元的液压系统中，铲斗上的负载如何影响液压流量。
图7示出了根据本发明的方法。
图8图示了包括本发明的简单负载感测系统。
图9图示了用于控制包括本发明的液压泵排量的简单系统。
图10图示了用于控制包括本发明的液压泵速度的简单系统。
具体实施方式
现在将参照详细说明中所描述的以及附图中所示处的实施例来详细描述本发明。
本发明涉及用于对适于执行工作机中的至少一个液压工作功能的液压系统进行控制的方法、液压系统控制单元、液压系统以及工作机。单元、包括单元的系统以及包括系统的工作机适于执行本文所述的实施例中的方法步骤。因此，本领域的技术人员应当理解，尽管在本文中没有详细描述，但是详细的描述也包括适于执行所述方法步骤的单元、系统以及工作机。
图1示出了轮式装载机形式的工作机1。工作机1的机体包括前机身部分2和后机身部分3。后机身部分3包括驾驶室4。机身部分2、3以它们可以枢转这样的方式相互连接。工作机1包括用于处理目标或者材料的设备5。设备11包括装载臂单元6和安装在装载臂单元上的铲斗形式的器具7。装载臂单元6的第一端枢转地连接到前车辆部分2。器具7连接到装载臂单元6的第二端。
装载臂单元6可以借助于两个液压缸8、9形式的两个第二促动器来相对于车辆的前部分2提升或者下降，两个液压缸8、9中的每个的一端连接到前车辆部分2并且另一端连接到装载臂单元6。铲斗7可以借助于液压缸10形式的第三促动器相对于装载臂单元6倾斜，液压缸10的一端连接到前车辆部分2，并且另一端经由连杆臂系统连接到铲斗7。工作机1具有驱动系(未示出)，该驱动系具有内燃机、自动变速器和液力变矩器。该驱动系是普通的驱动系，并且在本申请中将不会再做任何进一步的描述。
参见图2，工作机1包括液压系统17，液压系统17适于执行工作机中的至少一个液压工作功能。由发动机10经由液力变矩器(未示出)驱动的至少一个液压泵12向液压缸8、9、10、14提供液压流体。系统中的多个电控液压阀单元13电连接到液压系统控制单元24，并且液压地连接到气缸8、9、10、14，用于调节它们的工作，并且由此执行提升和/或倾斜16设备的液压工作。控制单元24也可以控制泵的排量和/或速度。液压系统通过经由装载单元附件15操作16设备5来执行工作功能。
液压系统17根据由液压系统控制单元24确定的操作信号来执行液压工作功能。液压系统从液压系统控制单元24接收操作信号，并且基于操作信号对系统(阀13和/或泵)进行操作，使得在气缸8、9、10、14中产生流量，并且执行工作功能。
控制单元24耦合到驾驶室4中设置的多个电气操作员控制杆。参见图7，当运行时，控制单元从这些控制杆接收30与所述工作功能相关联的操作员控制输入。与所述工作功能相关联的操作员控制输入意味着，在操作所述控制杆时操作员启动液压工作功能。控制杆可由用于操纵液压系统的任何其他模块取代，诸如操纵杆、按钮或者触摸屏。
目前工作机(例如，挖掘机或者轮式装载机)中呈现的负载感测系统中的一个问题是操作员不再通过必须通过拉动操作控制杆补偿铲斗上所增加的负载并由此增加操作员控制输入来接收反馈。这在图3中示出，其中液压系统17保持流量恒定。
操作员将体验到他本能地期望减少液压流量的情形。原因在于，大多数操作员习惯于引入负载感测系统之前工作机1中的液压系统17。利用保持流量恒定的负载感测系统，  (习惯于流量减少的)操作员将觉得好像负载非常低，直到负载太重铲斗被卡住为止。
由于操作员对由铲斗上增加的负载所引起的减少流量的反馈已经习惯，所以在这样的情形下，操作员对具有负载无关的流量的负载感测系统产生负面体验。在另一方面，负载感测系统具有极高的期望性能和效率优点。因此，本发明的目的是提供一种用于控制液压系统17的方法，该方法减小了操作员对负载感测系统的负面体验，而同时保持负载感测系统的优点。
为了达到这个目的，本发明的显著特征在于以下步骤，参见图7，控制单元24接收31指示与工作功能相关联负载的负载输入L。在下一步骤中，控制单元响应于操作员控制输入α和负载输入L来确定32操作信号F。这在图5-图6中被图示，在下文中将对其进行详细描述。
因此，控制单元24接收两个输入，并基于这些来运算/计算操作信号F。负载输入是指示机器1上铲斗7上的负载的值。
这些步骤提供了以下优点，即在装载铲斗7时，操作员将从液压系统17接收反馈。操作员集中力量，而没有损害液压系统的效率。通过建立负载输入值L和操作信号值F之间的关系，由于液压流量减少，所以操作员将感觉到铲斗上增加的负载。
这给出了更偏软件的液压系统17，其中，液压流量取决于铲斗上的负载。硬件没有改变。而是液压控制信号被重新解释操作情形的依赖性。因此，改进的液压系统控制单元24提供了改进的操作性。
负载输入L和操作信号F之间的关系是使用控制单元24中的SW机制建立的。实际上，是在液压系统控制单元的控制映射中定义的。这样的映射的例子在图5-图6中被图示，将在下文中对其进行描述。
参照该方法，控制单元24基于重复的负载输入L来确定操作期间工作功能中负载的变化。控制单元24响应于所确定的负载变化来改变工作功能的期望速度。
为了建立反馈，优选地将负载输入L和操作信号F之间的关系确定为使增加的负载输入值L得出降低的操作信号值F。这就意味着在铲斗上的负载增加时，操作员将感觉到液压系统1 7的功率损耗。然后，操作员将拉动操作控制杆，以增加液压系统中的流量F。将参照图5-图6进一步详细描述关于该关系的细节。
所增加的负载输入值L可得出操作员控制输入α的第一控制范围中降低的操作信号值F，第一控制范围小于操作员控制输入α的整体操作范围。操作员控制输入α对应于操作控制杆的角度。
第一控制范围外部的操作范围部分优选地由100％(最大的控制杆偏转)或者十分接近100％的操作员控制输入α来表示。对于另一个输入值(控制杆角度)，第一控制范围、所增加的负载L得出降低的操作信号值F。控制范围优选为从0到大约99％。
控制范围外部的范围在图5中通过垂直线(B)来图示。对于这条线，存在操作员控制输入α的最大(100％)值，这意味着最大控制杆偏转。这条线可以替代地几乎垂直。垂直或者几乎垂直的线意味着操作信号F不(或者几乎不)取决于负载输入L。这给操作员提供了覆写映射(其中，所增加的负载输入值得出操作信号F在控制范围内的减少值)的可能性。这是通过将控制杆拉动到最大偏转来实现的。然后，他将体验对于在铲斗上作用的负载没有响应的情形。
控制映射的两种替代在图5-图6中被图示，并将进一步描述。标记A表示10％的操作员控制输入α；而标记B表示100％的操作员控制输入α，这是最大控制杆偏转。
每条新线表示每10％，但是，这仅仅是例子。在实际生活中，对于每个可能的控制输入值α都有一条线。
本领域的技术人员应当理解，这些仅图示了这样的映射的例子。操作信号F和负载输入L之间的关系可以根据工作机1的操作员应当接收哪个反馈而变化。因此，本领域的技术人员将认识到，可以以各种方式来组合来自这两个映射(图5-图6)的特定、有利特性，以便提供适当的反馈。
负载输入L和操作信号F之间的关系在操作员控制输入α的整个操作范围上可以是线性的。作为替代它在操作员控制输入α的整个操作范围上非线性可以是非线性的。这个关系不同于不存在这样的明确关系的负载感测系统。图5中示出了线性关系，而图6中示出了非线性关系。
负载输入L和操作信号F之间的关系对于控制输入α的一些值可以是线性的，对于其他值可以是非线性的。这在图5中通过不同的线A和B来图示。
以梯度或者坡度表示的负载输入L和操作信号F之间的关系对于操作员控制输入α的不同值可以是相同的。作为替代它可以对操作员控制输入的不同值而变化。这通过图5中的不同的线来图示。如图所示，对于每10％的角度增加(对应于控制输入)，呈现一条新的线。
利用非平行的线，操作员将体验到全部控制杆角度的不同反馈，模拟开放中心液压系统的行为。也就是，液压流量降低关于全部控制杆角度的负载增加将是不同的。如所图示和所讨论的那样，100％控制杆角度将仍得出100％，而较小的控制杆角度对于全部负载值L将向液压缸或者气缸(未示出)给出操作信号F的更低值。
对于操作员控制输入α的特定值，负载输入L和操作信号F之间的关系在负载输入值L的至少第一间隔中可以是线性的，并在负载输入L的第二间隔中可以是非线性的。这在图5中被图示。标记A表示10％α(控制杆角度)，并且标记B表示100％α(最大偏转)。
该替代的优点是，液压系统的耐久性可通过显著地降低对高负载装载的液压流量增加的可能性来改善。另一个优点是降低了事故(倾翻机器等等)的风险。此外，限制了发动机功率，并通过引入该实施例，对驱动系的功率反馈是安全的。
对于特定的操作员控制输入值α，负载输入L和操作信号F之间的关系可以取决于工作机1的操作状态。这意味着，机器通过手动输入或者是通过自动检测来确定操作状态。一种操作状态可以是向铲斗中添加砂砾，并且另一种可以是装载爆破岩石。
优点在于，装载和液压流量之间的关系可取决于操作状态，以将最适合的反馈提供给操作员。例如，装载爆破岩石包括处理更重的目标以及由于根据与装载砂砾的情况更强的负载反馈的其本质引起的益处。
负载输入L可基于负载指示信号来确定。例如，这样的指示信号是液压泵或者一个或多个液压缸中的压力。基于这个信号，确定操作信号F的值，使得操作员从器具中的负载接收反馈。本发明中增加的负载得出操作信号降低的值。这被发送到液压ECU，基于此，ECU控制液压缸。
本领域的技术人员应当理解，操作信号可控制液压缸13和/或控制液压泵12的排量或速度。关注的点在于要达到的结果，即对气缸8、9、10、14的控制。根据一种替代，来自液压系统控制单元24的操作信号F控制液压阀。如果铲斗7上的负载增加，则控制这些阀，以降低流量。
根据另一种替代，泵没有机械地耦合到内燃机。然后，来自液压系统控制单元24的操作信号控制液压泵12的排量或者泵的速度。控制泵的速度是通过控制耦合到泵的电发动机的速度来执行的。在两种替代中，这得出了对操作员的反馈，操作员可能拉动操作控制杆，以增加操作信号F的值。
如已经描述的，本发明的主要范围是通过控制液压系统向操作员产生反馈。使用不同的控制映射来产生多种反馈替代。如上所述，在图5-图6中图示的控制映射的替代图示了这样的映射的例子。负载输入L和操作信号F之间的关系可以根据机器1的操作员应当接收哪个反馈而变化。因此，本领域的技术人员将认识到，可以以各种方式组合这两种映射的特定的、有利的特性，以便提供适当的反馈。
力反馈系统可以耦合到操作控制杆，以便向操作员产生反馈。这样的反馈可以与上述的液压控制一起操作，或者其单独操作。
力反馈系统通常在操纵杆或者转向盘中使用，以为人们提供来自PC或者控制台的真实触感反馈。其广泛用于医学、空间和飞行模拟器中，以便为学生和专业人员提供逼真的训练，这些学生和专业人员仅仅基于视觉和听觉还有他们的触觉做出瞬间决定。在过去的几年中，这种技术已经扩展到PC和下一代控制台游戏。在游戏中，力反馈比早期使用的无方向振动反馈更丰富、更真实并且更其引人。通过使用高级软件和电子装置，力反馈能够像设备受到真实外力那样移动转向盘或者操纵杆。
当使用力反馈向工作机1的操作员建立反馈时，操作员能够在操作员控制杆中感觉到机器1正承受外力。为了建立合适的反馈，控制映射应该用于建立作用于铲斗的负载L和作用于控制杆上的力反馈之间的关系。增加的负载将得出在控制杆上增加的力反馈。
图8-10图示了包括本发明的液压系统17的例子。图8图示了简单的负载感测系统。在这个系统中，在引入本发明之前，液压泵12的排量是经由阀单元21自动控制的。其从液压阀1 3接收压力输入，对应于液压缸14中的压力。如果负载增加，则压力输入变化并且排量变化。这导致改变的液压来补偿铲斗7上增加的负载。控制单元从控制杆20接收与所述工作功能相关联的操作员控制输入。基于所接收到的信号，该单元确定操作信号，所述操作信号反馈到阀13，以控制该阀。然后，液压系统17中的阀根据操作信号来执行液压控制功能。
引入了本发明。压力传感器18检测气缸14中的压力，并且产生指示与工作功能相关联的负载的负载输入。负载输入被馈送给液压系统控制单元24。该控制单元还从控制杆20接收与所述工作功能相关联的操作员控制输入。基于所接收到的信号，该单元确定操作信号，操作信号被馈送给阀13，以控制该阀。然后，液压系统1 7中的阀根据操作信号来执行液压控制功能。
图9图示了用于控制液压泵排量的简单系统。操作信号被馈送给泵，以控制排量。来自控制单元24的操作信号用于控制泵和阀13两者。以与参照图8的描述相同的方式，控制单元从传感器18接收负载输入，并从控制杆20接收操作员控制输入。然后，确定操作信号，并且由此控制液压系统17。
图10图示了用于控制液压泵速度的简单系统。在液压系统中，电动机22用于控制泵的速度。来自控制单元24的操作信号用于控制泵(经由电动机控制单元23)和阀13。以与参照图8-图9的描述相同的方式，控制单元从传感器18接收负载输入，并从控制杆20接收操作员控制输入。然后，由该单元确定操作信号，并且由此控制液压系统17。

Claims (17)

1.一种用于对适于执行工作机(1)中的至少一个液压工作功能的液压系统进行控制的方法，其中，所述液压系统根据由液压系统控制单元(24)确定的操作信号(F)来执行液压控制功能，所述方法包括以下步骤：
-控制单元(24)接收与所述工作功能相关联的操作员控制输入(α)，
其特征在于，
-控制单元接收指示与所述工作功能相关联的负载的负载输入(L)，
-控制单元响应于所述操作员控制输入(α)和所述负载输入(L)来确定所述操作信号(F)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述负载输入(L)和所述操作信号(F)之间的关系，使得由增加的负载输入值(L)得出减小的操作信号值(F)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，由所述增加的负载输入值(L)得出在所述操作员控制输入(α)的第一控制范围内的减小的操作信号值(F)，所述第一控制范围小于所述控制输入(α)的整个操作范围。
4.根据权利要求1-3中的任何一项所述的方法，其中，所述负载输入(L)和所述操作信号(F)之间的关系在所述操作员控制输入(α)的整个操作范围上是线性的。
5.根据权利要求1-3中的任何一项所述的方法，其中，所述负载输入(L)和所述操作信号(F)之间的关系在所述操作员控制输入(α)的整个操作范围上是非线性的。
6.根据权利要求1-3中的任何一项所述的方法，其中，对于所述操作员控制输入(α)的特定值，所述负载输入(L)和所述操作信号(F)之间的关系在所述负载输入值(L)的至少第一间隔中是线性的，并且在所述负载输入值(L)的第二间隔中是非线性的。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，以梯度或者坡度表示的所述负载输入(L)和所述操作信号(F)之间的关系对于所述操作员控制输入(α)的不同值是相同的。
8.根据权利要求1-6中的任何一项所述的方法，其中，以梯度或坡度表示的所述负载输入(L)和所述操作信号(F)之间的关系对于所述操作员控制输入(α)的不同值是变化的。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，所述负载输入(L)和所述操作信号(F)之间的关系在液压系统控制单元(24)的控制映射中被定义。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，所述操作员控制输入(α)对应于操作控制杆的角度。
11.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，对于特定的操作员控制输入值(α)，所述负载输入(L)和所述操作信号(F)之间的关系取决于所述工作机(1)的操作状态。
12.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，所述负载输入(L)是基于负载指示信号确定的。
13.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，所述控制单元(25)基于重复的负载输入(L)来确定操作期间所述工作功能中的负载变化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述控制单元(24)响应于所确定的负载变化而改变所述工作功能的期望速度。
15.一种适于执行根据权利要求1-14中任何一项所述的任何方法步骤的液压系统控制单元(24)。
16.一种包括根据权利要求15所述的液压系统控制单元(24)的液压系统(17)。
17.一种包括根据权利要求16所述的液压系统的工作机(1)。
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