CN101424188B - 一种混凝土喷射机械液压控制装置及混凝土喷射机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土喷射技术领域，提供了一种混凝土喷射机械液压控制装置。该混凝土喷射机械液压控制装置包括原动机、液压油泵、主油路、压力控制阀、流量控制阀、液压马达、多路阀、液压油箱；原动机的动力输出端连接液压油泵的动力输入端，液压油泵的入油口连接液压油箱，液压油泵的出油口连接主油路，压力控制阀的进油口连接主油路，压力控制阀的出油口连接多路阀的入油口，流量控制阀的入油口连接所述主油路，流量控制阀的出油口连接液压马达的入油口，多路阀、液压马达的回油口均连接液压油箱。多路阀用于控制负载变化范围大的执行元件，定量柱塞液压马达用于驱动负载稳定的执行元件。本发明还提供了一种混凝土喷射机器人。

Description

一种混凝土喷射机械液压控制装置及混凝土喷射机器人 

技术领域

本发明涉及混凝土喷射技术领域，尤其涉及一种混凝土喷射机械液压控制装置及混凝土喷射机器人。 

背景技术

混凝土喷射机械是水电隧道、地下厂房、地铁工程、铁路隧道、岩土工程、军事地下工程及公路工程等领域内广泛使用的一种施工设备。混凝土喷射机械利用液压力或压缩空气，将预拌好的混合料通过管道输送到喷嘴处，高速喷射到受喷面凝结硬化，从而形成混凝土支护层。喷射混凝土技术以其简便的工艺、经济的造价，广泛应用于各种施工领域。 

混凝土喷射机械主要分为混凝土喷射机和混凝土喷射机器人。混凝土喷射机主要包括混凝土泵送装置、空气压缩装置、计量装置；混凝土喷射机器人较混凝土喷射机复杂，功能先进，适应能力强，增加了行走装置和机械手装置等部分，运动机构、执行元件多，其复杂程度高。 

现有技术中，混凝土喷射机器人的各个装置工作负载和工作状况差异很大，因此，各个装置均采用独立的原动机驱动。例如空气压缩机装置和计量装置，负载较大但负载基本稳定，要求转速恒定，一般采用原动机直接驱动，如图1、图2所示，交流电动机直接驱动空气压缩机、计量泵；机械手装置负载较小，但机械手作业时负载变化较大，一般采用原动机驱动液压泵和负载敏感多路阀控制，如图3所示，交流电动机驱动柱塞泵101，柱塞泵101的出油口与机械手多路阀102的进油口连接。 

根据负载大小和负载变化情况，各个装置分别由不同的原动机驱动，这就需要众多原动机和油泵组成动力源，这样造成混凝土喷射机器人的成本高、控制复杂程度高。 

发明内容 

针对现有技术中混凝土喷射机器人需要众多原动机和油泵进行驱动的问题，本发明提供了一种混凝土喷射机械液压控制回路及混凝土喷射机器人。 

一种混凝土喷射机械液压控制装置，包括原动机、液压油泵、主油路、压力控制阀、流量控制阀、液压马达、多路阀、液压油箱； 

所述原动机的动力输出端连接所述液压油泵的动力输入端，所述液压油泵的入油口连接所述液压油箱，所述液压油泵的出油口连接所述主油路，所述压力控制阀的进油口连接所述主油路，所述压力控制阀的出油口连接所述多路阀的入油口，所述流量控制阀的入油口连接所述主油路，所述流量控制阀的出油口连接所述液压马达的入油口，所述多路阀、液压马达的回油口均连接所述液压油箱； 

所述多路阀用于控制负载变化的执行元件，所述液压马达用于驱动负载稳定的执行元件。 

优选地，所述流量控制阀和所述液压马达之间的管路上设有开关阀，该开关阀的入油口连接所述流量控制阀的出油口，该开关阀的出油口连接所述液压马达的入油口。 

优选地，所述开关阀为逻辑插装阀。 

优选地，所述压力控制阀为压差传感阀。 

优选地，所述流量控制阀为节流阀。 

优选地，还包括电磁换向阀，所述电磁换向阀的第一通道口、第二通道口、第三通道口、回油口分别连接所述开关阀的控制端、压力控制阀的控制端、所述流量控制阀的出油口、所述液压油箱。 

优选地，所述流量控制阀的入油口和所述主油路之间的管路上还设有定差减压阀，所述定差减压阀的入油口连接主油路，所述定差减压阀的出油口连接所述流量控制阀的入油口，所述定差减压阀的控制端连接所述电磁换向阀的第三通道口。 

优选地，还包括溢流阀，所述溢流阀的入油口连接所述主油路，其出油口连接所述液压油箱。 

优选地，所述原动机为柴油机。 

优选地，所述原动机为电动机。 

优选地，所述液压油泵为电比例调节的变量柱塞泵。 

优选地，所述多路阀为机械手控制多路阀。 

优选地，所述液压马达为柱塞液压马达。 

优选地，所述负载变化的执行元件具体为机械手。 

优选地，所述负载稳定的执行元件具体为空气压缩机。 

一种混凝土喷射机器人，该混凝土喷射机器人采用上述的混凝土喷射机械液压控制装置进行控制。 

本发明提供的混凝土喷射机械液压控制装置采用一个原动机和液压油泵组成的动力源，同时控制混凝土喷射机械中的两个负载差异较大的两个液压执行元件。这种结构减少了动力元件，降低了混凝土喷射机械的生产成本，易于实现控制。 

本发明还提供了一种混凝土喷射机器人，该混凝土喷射机器人采用上述的混凝土喷射机械液压控制装置进行控制。该混凝土喷射机器人采用一个原动机和液压油泵组成的动力源，同时驱动混凝土喷射机器人中的两个负载差异较大的工作装置，这种结构减少了动力元件，降低了混凝土喷射机器人的生产成本，还易于控制。 

附图说明

图1为现有技术中混凝土喷射机器人的空气压缩机装置的驱动方式示意图； 

图2为现有技术中混凝土喷射机器人的机械手的控制回路； 

图3为第一实施例提供的混凝土喷射机械液压控制装置简图； 

图4为第二实施例提供的混凝土喷射机械液压控制装置简图； 

其中，图1-4中： 

柱塞泵101、机械手控制多路阀102； 

柴油机201、电比例调节的变量柱塞泵202、主油路203、压差传感阀204、电磁换向阀205、逻辑插装阀206、可变节流阀207、溢流阀208、定量柱塞液压马达209、多路阀210、液压油箱211； 

柴油机301、电比例调节的变量柱塞泵302、主油路303、压差传感阀304、电磁换向阀305、逻辑插装阀306、可变节流阀307、溢流阀308、定量柱塞液压马达309、多路阀310、液压油箱311、定差减压阀312。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容进行描述，以下的描述仅是示范性和解释性的，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。 

请参看图3，图3为本发明第一实施例提供的混凝土喷射机械液压控制装置简图。 

如图3所示，该混凝土喷射机械液压控制装置包括柴油机201、电比例调节的变量柱塞泵202、主油路203、压差传感阀204、电磁换向阀205、逻辑插装阀206、可变节流阀207、溢流阀208、定量柱塞液压马达209、多路阀210、液压油箱211。 

柴油机201的动力输出端连接电比例调节的变量柱塞泵202的动力输入端，电比例调节的变量柱塞泵202的入油口连接液压油箱211，电比例调节的变量柱塞泵202的出油口连接主油路203，压差传感阀204的进油口连接主油路203，压差传感阀204的出油口连接多路阀210的入油口，多路阀210的出油口连接液压油箱211；可变节流阀207的入油口连接主油路203，可变节流阀207的出油口连接逻辑插装阀206的入油口，逻辑插装阀206的出油口连接定量柱塞液压马达209的入油口，定量柱塞液压马达209的出油口连接液压油箱211，电磁换向阀205的第一通道口、第二通道口、第三通道口、回油口分别连接逻辑插装阀206的控制端、压差传感阀204的控制端、可变节流阀207的出油口、液压油箱211，溢流阀208的入油口连接主油路203，溢流阀208的出油口连接液压油箱211。多路阀210用于控制负载变化大的执行元件，定量柱塞液压马达209用于驱动负载稳定的执行元件。 

以下介绍该混凝土喷射机械液压控制装置的工作原理。 

根据输入工况信号，机械手单独动作时，电比例调节的变量柱塞泵202的电比例控制阀输入电流I₀，调整其排量，电比例调节的变量柱塞泵202提供符合多路阀210控制的压力油流量Q₀；定量柱塞液压马达209单独工作 时，电比例调节的变量柱塞泵202的电比例控制阀输入电流I₁，调整其排量，电比例调节的变量柱塞泵202提供符合定量柱塞液压马达209工作的压力油流量Q₁；定量柱塞液压马达209和多路阀210同时工作时，电比例调节的变量柱塞泵202的电比例控制阀输入电流I₂，调整其排量，电比例调节的变量柱塞泵1提供符合定量柱塞液压马达209和多路阀210同时工作的压力油流量Q₂。 

多路阀210独自工作时，电磁换向阀205不通电，逻辑插装阀206关闭到定量柱塞液压马达209的油路，电比例控制的变量柱塞泵202输出的压力油克服压差传感阀204的开启压力P₀后，多路阀210开始工作。 

定量柱塞液压马达209运转需要稳定的转速，就必须要保证定量柱塞液压马达209支路的压力油流量恒定且不受负载的影响。设置该混凝土喷射机械液压控制装置中的多路阀210的安全阀的设定压力及该支路油压P₁小于定量柱塞液压马达209的工作压力P₂。 

定量柱塞液压马达209单独工作或者定量柱塞液压马达209与多路阀210同时动作，电磁换向阀205通电，逻辑插装阀206开启到定量柱塞液压马达209的油路。当压力油通过可变节流阀207时，会在可变节流阀207前后产生压力差ΔP₁，并且压力差ΔP₁随通过可变节流阀207的压力油流量而改变，当电比例控制的变量柱塞泵202提供的压力油流量较小时，压差传感阀204前压力P与可变节流阀207后压力P₂的压差ΔP₁小于压差传感阀204设定开启压力P₀，即ΔP₁＜P₀，压差传感阀204关闭，压力油优先供给定量柱塞液压马达209。当电比例控制的变量柱塞泵202提供的压力油流量增大至Q₁，ΔP₁增大至ΔP₁＝P₀时，定量柱塞液压马达209获得需求的额定转速。当比例控制的变量柱塞泵202提供的压力油流量增大至Q₂，ΔP₁增大至ΔP₁＞P₀时，压差传感阀204开启，部分压力油流量进入多路阀210，通过可变节流阀207的压力油流量减小。通过可变节流阀207的压力油流量减小至Q₁，ΔP₁减小至ΔP₁＝P₀时，压差传感阀204保持当前开启度。此时，通过可变节流阀207的压力油流量为Q₁，定量柱塞液压马达209获得需求的额定转速，电比例调节的变量柱塞泵202提供的多余流量控制多路阀210动作。 

以下介绍上述混凝土喷射机械液压控制装置的优点。 

该控制装置采用一个由柴油机201和电比例调节的变量柱塞泵202组成的动力源，同时控制混凝土喷射机械中的两个负载差异较大的两个液压执行元件。这种结构减少了动力元件，降低了混凝土喷射机械的生产成本，易于实现控制。 

设置该混凝土喷射机械液压控制装置中的多路阀210的安全阀的设定压力及该支路油压P₁小于定量柱塞液压马达209的工作压力P₂。这样保证柱塞液压马达的转速只与可变节流阀207的通流面积相关，避免了机械手多路阀支路负载过大而影响空气压缩机的稳定转速，保证空气压缩机能稳定工作。通过改变可变节流阀207的通流面积来改变用于驱动柱塞液压马达209的压力油的流量，可以实现定量柱塞液压马达209的转速的调节。 

上述实施例采用柴油机作为原动机，还可以采用电动机作为原动机，这两种方式均在本发明的保护范围内。 

请参考图4，图4为本发明第二实施例提供的混凝土喷射机械液压控制装置简图。 

如图4所示，该混凝土喷射机械液压控制装置包括柴油机301、电比例调节的变量柱塞泵302、主油路303、压差传感阀304电磁换向阀305、逻辑插装阀306、可变节流阀307、溢流阀308、定量柱塞液压马达309、多路阀310、液压油箱311、定差减压阀312。 

柴油机301的动力输出端连接电比例调节的变量柱塞泵302的动力输入端，电比例调节的变量柱塞泵302的入油口连接液压油箱311，电比例调节的变量柱塞泵302的出油口连接主油路303，压差传感阀304的进油口连接主油路303，压差传感阀304的出油口连接多路阀310的入油口，多路阀310的出油口连接液压油箱311；定差减压阀312的入油口连接主油路303，定差减压阀312的出油口连接可变节流阀307的入油口，可变节流阀307的出油口连接逻辑插装阀306的入油口，逻辑插装阀306的出油口连接定量柱塞液压马达309的入油口，定量柱塞液压马达309的出油口连接液压油箱311，电磁换向阀305的第一通道口连接逻辑插装阀306的控制端、第二通道口连接压差传感阀304的控制端、第三通道口连接可变节流阀307的出油口和定 差减压阀312的控制端、回油口连接液压油箱311，溢流阀308的入油口连接主油路303，溢流阀308的出油口连接液压油箱311。多路阀310用于控制负载变化范围大的执行元件，定量柱塞液压马达309用于驱动负载稳定的执行元件。 

以下介绍该混凝土喷射机械液压控制装置的工作原理。 

根据输入工况信号，机械手单独动作时，电比例调节的变量柱塞泵302的电比例控制阀输入电流I₀，调整其排量，电比例调节的变量柱塞泵302提供符合多路阀310控制的压力油流量Q₀；定量柱塞液压马达309单独工作时，电比例调节的变量柱塞泵302的电比例控制阀输入电流I₁，调整其排量，电比例调节的变量柱塞泵302提供符合定量柱塞液压马达309工作的压力油流量Q₁；定量柱塞液压马达309和多路阀310同时工作时，电比例调节的变量柱塞泵302的电比例控制阀输入电流I₂，调整其排量，电比例调节的变量柱塞泵1提供符合定量柱塞液压马达309和多路阀310同时工作的压力油流量Q₂。 

多路阀310独自工作时，电磁换向阀305不通电，逻辑插装阀306关闭到定量柱塞液压马达309的油路，电比例控制的变量柱塞泵302输出的压力油克服压差传感阀304的开启压力P₀后，多路阀310开始工作。 

定量柱塞液压马达309运转需要稳定的转速，就必须要保证定量柱塞液压马达309支路的压力油流量恒定且不受负载的影响。设置可变节流阀307与定差减压阀312组成调速回路。 

定量柱塞液压马达309单独工作或者定量柱塞液压马达309与多路阀310同时动作，电磁换向阀305通电，逻辑插装阀306开启到定量柱塞液压马达309的油路。当电比例控制的变量柱塞泵302提供的压力油流量较小时，压差传感阀304前压力P与可变节流阀307后压力P₂的压力差ΔP₂小于压差传感阀304设定开启压力P₀，既ΔP₂＜P₀，定差减压阀312完全开启，压差传感阀304关闭，压力油优先供给定量柱塞液压马达309。当电比例控制的变量柱塞泵302提供的压力油流量增大至Q₁，ΔP₂增大至ΔP₂＝P₀时，定量柱塞液压马达309到达额定转速，定差减压阀312处于临界关闭状态，压差传感阀304处于临界开启状态。当比例控制的变量柱塞泵302提供 的压力油流量增大至Q₂，ΔP₂增大至ΔP₂＞P₀时，定差减压阀312开始关闭，通过定差减压阀312流量减小，当减小至ΔP₂＝P₀时，保持当前开启度。同时压差传感阀304开启，部分压力油流量进入多路阀310，此时，通过定差减压阀312、可变节流阀307压力油流量为Q₁，定量柱塞液压马达309获得需求的额定转速，电比例调节的变量柱塞泵302提供的多余压力油流量控制多路阀310动作。 

可变节流阀307与定差减压阀312组成调速回路，可变节流阀307前后压差在定差减压阀312的作用下保持恒定，通过改变可变节流阀307的流通面积来改变可变节流阀307的用于驱动柱塞液压马达的压力油的流量，从而实现定量柱塞液压马达309的转速的调节。 

以下介绍上述混凝土喷射机械液压控制装置的优点。 

该控制装置采用一个柴油机和电比例调节的变量柱塞泵组成的动力源，同时控制混凝土喷射机械中的两个负载差异的两个液压执行元件。这种结构减少了动力元件，降低了混凝土喷射机械的生产成本，易于实现控制。 

该控制装置在主油路303和可变节流阀307之间增设一个定差减压阀312，可变节流阀307与定差减压阀312组成调速回路，可变节流阀307前后压差在定差减压阀312的作用下保持恒定，保证柱塞液压马达的转速只与可变节流阀307的通流面积相关，与负载压力无关联。通过改变可变节流阀307的流通面积来改变用于驱动柱塞液压马达309的压力油的流量，可以实现定量柱塞液压马达309的转速的调节。 

上述实施例采用柴油机作为原动机，还可以采用电动机作为原动机，这两种方式均在本发明的保护范围内。 

本发明还提供了一种混凝土喷射机器人，以下实施例对此进行简单介绍。 

第三实施例提供了一种混凝土喷射机器人，该混凝土喷射机器人的空气压缩机装置和机械手采用第一实施例提供的混凝土喷射机械液压控制装置进行控制。 

请参看图3，定量柱塞液压马达209驱动该混凝土喷射机器人的空气压缩机，多路阀210控制该混凝土喷射机器人的机械手，其余实施过程与第一实施例类似，在此不再做详细介绍。 

第四实施例提供了一种混凝土喷射机器人，该混凝土喷射机器人的空气压缩机装置和机械手采用第二实施例提供的混凝土喷射机械液压控制装置进行控制。 

请参看图4，定量柱塞液压马达309驱动该混凝土喷射机器人的空气压缩机，多路阀310控制该混凝土喷射机器人的机械手，其余实施过程与第二实施例类似，在此不再做详细介绍。 

上所述仅是本发明的优选实施方式的描述，应当指出，由于文字表达的有限性，而在客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (16)

1.一种混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，包括原动机、液压油泵、主油路、压力控制阀、流量控制阀、液压马达、多路阀、液压油箱；

所述原动机的动力输出端连接所述液压油泵的动力输入端，所述液压油泵的入油口连接所述液压油箱，所述液压油泵的出油口连接所述主油路，所述压力控制阀的进油口连接所述主油路，所述压力控制阀的出油口连接所述多路阀的入油口，所述流量控制阀的入油口连接所述主油路，所述流量控制阀的出油口连接所述液压马达的入油口，所述多路阀、液压马达的回油口均连接所述液压油箱；

所述多路阀用于控制负载变化的执行元件，所述液压马达用于驱动负载稳定的执行元件。

2.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述流量控制阀和所述液压马达之间的管路上设有开关阀，该开关阀的入油口连接所述流量控制阀的出油口，该开关阀的出油口连接所述液压马达的入油口。

3.根据权利要求2所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述开关阀为逻辑插装阀。

4.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述压力控制阀为压差传感阀。

5.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述流量控制阀为节流阀。

6.根据权利要求2-5任一项所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，还包括电磁换向阀，所述电磁换向阀的第一通道口、第二通道口、第三通道口、回油口分别连接所述开关阀的控制端、压力控制阀的控制端、所述流量控制阀的出油口、所述液压油箱。

7.根据权利要求6所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述流量控制阀的入油口和所述主油路之间的管路上还设有定差减压阀，所述定差减压阀的入油口连接主油路，所述定差减压阀的出油口连接所述流量控制阀的入油口，所述定差减压阀的控制端连接所述电磁换向阀的第三通道口。

8.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，还包括溢流阀，所述溢流阀的入油口连接所述主油路，其出油口连接所述液压油箱。

9.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述原动机为柴油机。

10.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述原动机为电动机。

11.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述液压油泵为电比例调节的变量柱塞泵。

12.根据要求要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述多路阀为机械手控制多路阀。

13.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述液压马达为柱塞液压马达。

14.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述负载变化的执行元件具体为机械手。

15.根据权利要求1所述的混凝土喷射机械液压控制装置，其特征在于，所述负载稳定的执行元件具体为空气压缩机。

16.一种混凝土喷射机器人，其特征在于，该混凝土喷射机器人采用权利要求1-15任一项所述的混凝土喷射机械液压控制装置进行控制。

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