CN102086655A - 可变输出液压执行机构系统 - Google Patents

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Abstract

本发明可变输出液压执行机构系统，公开了产生由车辆的液压系统施加的动态可变平均流量的方法和设备。

Description

可变输出液压执行机构系统
技术领域
技术领域主要涉及液压控制系统。更具体地，技术领域涉及用于从液压系统提供可变力和/或可变速度的方法和设备。
背景技术
多种建筑设备采用液压系统来控制由该设备执行的功能。建筑设备操作人员配备有一个或多个输入装置，其可操作地连接至诸如液压缸之类的一个或多个液压执行机构，所述液压执行机构控制该设备的各种组件或装置的相对位置以进行多种操作。例如，反铲挖土机通常具有多个操纵杆和/或脚踏板，以控制反铲挖土机的各种功能，如吊杆(boom arm)的位置、连接至吊杆的铲斗臂的位置、以及连接至铲斗臂的铲斗的位置。
诸如控制杆之类的输入装置的运动幅度通常控制诸如反铲挖土机上的铲斗臂之类的给定装置的输出，即力和/或速度。一些操作要求给定装置的精确输出，如采用反铲挖土机在管道附近挖掘。在这种情况中，期望的是，相对于管道或其它物体控制铲斗臂的输出。这种操作将辅以对输出的进一步控制，如对铲斗臂的力和/或速度的进一步控制。
液压系统可以采用以加压流体的形式存储能量的蓄能器。蓄能器可以获得受超越负载影响的加压流体。当建筑设备降低负载时，该设备的重力和所述负载将加压流体提供至蓄能器。该加压流体可以进行其它工作，或保留在蓄能器中。当降低所述负载时，加压流体流向通常具有预加压和固定体积的蓄能器。随后从蓄能器获得处于几乎恒定压力水平的加压流体，用于随后重新使用或分配至该设备的多种组件或装置，以进行多种操作。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种车辆，包括底盘、支撑底盘的地面接合装置和由底盘支撑的液压系统。该液压系统包括液压缸，该液压缸包括壳体和活塞组件。该壳体包围活塞组件的至少一部分。该活塞组件包括活塞头和活塞杆。该活塞头包括孔侧表面和与孔侧表面相对的杆侧表面。壳体和孔侧表面限定孔腔。壳体和杆侧表面限定杆腔。液压系统还包括与孔腔流体连通以向孔腔提供加压流体的压力源。该压力源与杆腔流体连通，以向杆腔提供加压流体。液压系统还包括构造为调整压力源和杆腔之间的流体连通的至少一个阀，和连接至所述至少一个阀以周期性地改变加压流体至杆腔的供给的控制系统。该控制系统构造为相对于液压缸的所需要的输出控制所述至少一个阀自动地、周期性地在打开命令和关闭命令之间变换。
根据本发明的另一个方面，提供了一种产生通过车辆的液压系统施加的动态可变平均流量的方法。该方法包括提供具有包括液压缸和压力源的液压系统的车辆的步骤。该液压缸包括活塞，该活塞包括孔侧表面和杆侧表面。液压缸流体连接至压力源，以接收加压流体。该方法还包括步骤：基于占空比周期性地向孔侧表面和杆侧表面中的至少一个提供压力，和响应于至少一个操作人员输入调节该占空比。
根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆，包括底盘、支撑底盘的地面接合装置和由底盘支撑的液压系统。该液压系统包括：液压缸，与液压缸流体连通以提供加压流体的压力源，构造为调整压力源和液压缸之间的流体连通的至少一个阀，连接至所述至少一个阀、以根据占空比周期性地改变加压流体至液压缸的供给的控制系统，以及与控制系统通信的操作人员输入装置。该控制系统基于来自操作人员的输入调节所述占空比。
附图说明
通过参考下面结合附图对本发明实施方式的说明，本发明的上述和其它特征，以及实现它们的方法将变得更加清楚，并且本发明本身将得到更好的理解，在附图中：
图1为示例性车辆的透视图；
图2为处于第一、全操作模式的示例性液压系统的示意图；
图3为图2中的、处于第二、部分操作模式的液压系统的示意图；
图4为一连串循环的图示，示出了图2的液压系统在提供合成或″RMS″力或压力的占空比下在第一和第二模式之间快速切换；以及
图5为液压系统的优选实施方式的示意图。
在所有附图中对应的附图标记表示对应的部件。虽然附图示出了本发明的实施方式，但附图没有必要是按比例绘制的，一些特征可以放大以更好地图示和说明本发明。
具体实施方式
下文公开的实施方式不是穷尽式的，或不是将本发明限制为在接下来的详细描述中公开的精确形式。相反，选择以及描述所述实施方式是为了本领域技术人员可以利用它们的教导。
如图1直观示出的那样，车辆10能够进行多种不同操作，以移动泥土或其它材料。虽然反铲式装载机例证性地示出为示例性的车辆，但车辆10可以为任何适合的车辆，如平地机、推土机等
车辆10包括底盘12、铲组件14、驾驶室16、地面接合装置18和诸如反铲20之类的工具。铲组件14、驾驶室16和反铲20由底盘12支撑。铲组件14还包括由多个支承臂24(仅示出一个)支撑的工具或铲斗22。可以由液压缸26相对于底盘12抬升和降低铲斗22和支承臂24。可以由液压缸28相对于支承臂24移动铲斗22。
反铲20可以用来通过吊杆30、铲斗臂32和铲斗34的运动挖沟和/或移动材料。吊杆30由底盘12支撑。铲斗臂32可活动地连接至吊杆30。可以通过液压缸36相对于吊杆30抬升或降低铲斗臂32。铲斗34可活动地连接至铲斗臂32。可以由液压缸38相对于铲斗臂32移动铲斗34。
车辆10由多个地面接合装置18推进。当期望附加的稳定性时，多个稳定装置40可以降低，以增加车辆10的基座。
位于驾驶室16内的操作人员控制铲组件14、反铲20和车辆10的运动。虽然驾驶室16示出为封闭室，但驾驶室16可以敞开或部分封闭。操作人员通过位于驾驶室16内的诸如控制杆、操纵杆之类的操作人员输入装置42控制铲斗22、铲组件14、反铲20和车辆10的运动。操作人员输入装置42构造为控制液压缸26、28、36和38以及其它装置。
液压缸26、28、36和38的位置和方位是示例性的，在本文中讨论的所有的液压缸的位置和方位同样如此。液压缸26、28、36和38定位并定向为使得它们通过膨胀或收缩执行工作。类似地，在膨胀或收缩期间液压缸26、28、36和38可以具有超越负载。
图2和3图示了车辆10的双作用汽缸52的不同的操作模式，其图示了液压缸26、28、36和38中的一个或多个，或者车辆10的其它液压缸。图2示出了构造为以完全输出70(即，从压力源54能获得的最大力和/或最大速度)推动活塞组件58的第一或完全输出模式。图3示出了构造为以部分输出84(即，从压力源54能获得的部分力和/或部分速度)推动活塞组件58的第二或部分输出液压模式。
压力源54可以为蓄能器、泵或其它压力源。液压缸52包括壳体56和包括活塞杆59和活塞头60的活塞组件58。壳体56和活塞头60限定了孔腔62。壳体56和活塞头60在活塞头60的与孔腔62相对的一侧也限定了杆腔64。活塞头60限定了孔侧表面66和与孔侧表面66相对且小于孔侧表面66的杆侧表面68。
参照图2，当处于完全输出模式时，压力源54向孔腔62提供加压流体，加压流体以完全输出70推动活塞组件58。完全输出70也表征为全部力70和/或全速70。在完全输出70处，汽缸52的输出等于压力源54的压力乘以孔侧表面66的面积、且减去任何摩擦损失。
如该实施方式中所示，存在于杆腔64中的流体返回容器或储液器72。容器或储液器72也可以为用于接收随后重新使用或分配至该设备的多个组件或装置以进行多种操作的加压流体的蓄能器。完全输出70图示为液压缸52的活塞组件58的延伸。完全输出70也可以在液压缸52缩回期间出现。
现在参照图3，当处于部分输出模式时，加压流体提供至孔腔62和杆腔64。杆侧表面68上的力对抗孔侧表面66上的力。然而，由于孔侧表面66大于杆侧表面68，汽缸52仍然膨胀，但力和速度比汽缸处于完全输出模式时的小。部分输出84在上面也图示为液压缸52的活塞组件58的延伸。还可以预想的是，部分输出84可以用来缩回液压缸52。例如，还可以预想的是，压力源54能够向杆腔64提供加压流体，而不向孔腔62提供加压流体。
在本发明的优选实施方式中，杆侧表面68为孔侧表面66的表面积的一部分。例如，杆侧表面68可以为孔侧表面66的表面积的一半。在该实施方式中，处于部分输出模式的活塞组件58的输出运动(即力和/或速度)大约是相对于完全输出模式的活塞组件58的输出运动(即力和/或速度)的一半。杆侧表面68可以为比孔侧表面66大的表面积、与孔侧表面66相同的表面积、或者为孔侧表面66的表面积的小部分(如四分之一)。
根据本发明，设置一个或多个阀，以控制汽缸52在图2的完全输出模式和图3的部分输出模式之间切换。通过以受控的速率在所述模式之间变换，则可以在完全输出和部分输出之间调节汽缸52的输出。例如，完全输出模式进行的时间越长，汽缸52的输出将越接近完全输出。部分输出模式进行的时间越长，汽缸52的输出将越接近部分输出。因此，不是仅具有两种输出(完全输出和部分输出)，汽缸52可以具有范围为从完全输出至部分输出的可变输出。
现在参照图5，图示了示例性的液压控制系统86。操作人员操纵操作人员输入装置42，以要求汽缸52输出期望的延伸速度或力。输入装置42产生至控制器92的操作人员输入90。控制器92接收操作人员输入90，并监测从压力源54可获取的压力。基于所请求的延伸速度(如操作人员输入90所指示的那样)和可获取的压力，控制器92控制汽缸52在完全输出模式(如图2)中运行多长时间和汽缸52在部分输出模式(如图3)中运行多长时间。在图5中示出虚线，以示出控制器90和多种其它组件之间的电子(或其它)通信线路。
根据优选的实施方式，汽缸52采用如图4所示的占空比在完全运转模式和部分运转模式之间快速切换。每个循环具有相邻脉冲之间的时间周期(b)和每个脉冲持续的长度(a)。脉冲的长度(a)与脉冲之间的周期(b)之比为占空比。该占空比可以在0至1的范围内。当占空比为0时，汽缸52总是以部分输出模式运转，提供如图所示的在F2处的力或压力。当占空比为1时，汽缸52总是以完全输出模式运转，提供如图所示的在F1处的压力。占空比越接近0，汽缸52的延伸速度(或力)越接近处于部分输出模式中的汽缸52的延伸速度。占空比越接近1，汽缸52的延伸速度(或力)越接近处于完全输出模式中的汽缸52的延伸速度。完全和部分输出模式之间的周期性切换的合成输出是如图4所示的所述输入的均方根。
根据操作人员输入信号90，控制器92调节占空比。例如，如果操作人员要求汽缸52延伸得更快或力更大，则控制器92通过增加占空比而响应。如果操作人员要求汽缸52延伸得更慢或力更小，则控制器92通过减小占空比而响应。汽缸52的输出为汽缸52在以完全输出模式运转时的力、汽缸52在以部分输出模式运转时的力和占空比的函数。汽缸52在以完全输出模式运转时的力是由压力源54供给的压力和汽缸52的几何形状(例如，孔侧表面66的表面积)的函数。类似地，汽缸52在以部分输出模式运转时的力是由压力源54供给的压力和汽缸52的几何形状(例如，孔侧表面66的面积和杆侧表面68的面积)的函数。优选地，通过增加或减小每个脉冲的长度(a)来调节占空比。然而，也可以通过减小或增加相邻脉冲之间的时间周期(b)、减小或增加相邻脉冲之间的时间周期(b)和调节每个脉冲的长度(a)的某种组合、或以任何其它方式调节占空比。
相邻脉冲之间的时间长度(b)影响完全输出模式和部分输出模式之间的切换的可感知性。相邻脉冲之间的时间长度(b)越长，所述切换变得越容易感知。例如，如果相邻脉冲之间的时间长度(b)为一分钟，且占空比为50％，则操作人员将可能每30秒注意到速度改变。然而，如果相邻脉冲之间的时间长度(b)太短，则操作人员将不能注意到所述延伸的速度的快速变化。而且，由于汽缸52和车辆10的其它组件的质量和其它特征引起的阻尼将进一步降低汽缸52的输出速度(或力)的变化的可感知性。因此，即使汽缸52以不同的模式快速运转，操作人员也感知汽缸52是以恒定的平均速度延伸。汽缸52的“平均”压力(或力)也可以称为由汽缸52接收到的压力的均方根。该均方根压力(或力)是所述占空比和由压力源54提供的压力的函数。此外，正由汽缸52移动的负载也将影响汽缸52的输出。
现在参照图5，图示了优选实施方式的液压系统100。液压系统100包括以几乎恒定的压力水平提供加压流体的压力源/蓄能器102。液压系统100还包括如上所述的汽缸52。如下文更详细地讨论的那样，液压系统100包括高速切换阀106、108、110和112。如上所述，切换阀106、108、110和112将来自压力源54的流体引向孔侧表面66，以提供完全输出70，并如上所述，将来自压力源54的流体引向孔侧表面66和杆侧表面68，以提供部分输出84。
切换阀106、108、110和112每一个都连接至液压系统控制器92。优选地，切换阀106、108、110和112为具有高频响应的高速切换阀。例如，根据一种实施方式，频率响应为5Hz(或200毫秒切换时间)。根据另一种实施方式，频率响应为25Hz(或40毫秒切换时间)。也可以使用具有更大或更小频率响应的阀。精确的频率响应将依赖于所选择的阀和其它因素，如系统压力。预想的是，较快的切换时间和响应时间可以带来效率的提高和可感知性的降低。
高速切换阀110构造为打开或关闭至或来自杆腔64的加压流体的连通，且也称为杆阀110。高速切换阀112构造为打开或关闭至或来自孔腔62的加压流体的连通，且也称为孔阀112。如表1中所示，液压控制器92根据占空比控制高速切换阀106、108、110和112打开或关闭，以在图2的完全输出70和图3的部分输出84之间切换。
表1.液压控制逻辑命令
当处于完全输出模式时，阀106打开，以将来自杆腔64的压力释放至容器72，且阀110关闭，以阻隔来自压力源102的压力。因此，汽缸52试图提供完全速度(或力)。当处于部分输出模式时，阀110打开，以向杆腔64提供压力，且阀106关闭，以阻塞流体至容器72的溢出。因此，汽缸52试图提供部分输出速度(或力)。阀112在汽缸52延伸期间保持打开，以不断地向孔腔62提供加压流体。类似地，阀108在汽缸52延伸期间保持关闭，以阻塞流体至容器72的溢出。
可选地，液压系统100包括压力计120和阀122。液压控制器92可能设法将加压流体发送至其它系统，如另一蓄能器或可选的液压系统130，以控制车辆10的其它工具。液压系统130类似于液压系统100。液压系统130包括诸如泵之类的压力源132和压力计134。液压控制器92还可通过控制阀122打开而设法平衡压力计120和压力计134之间的压力读数。如果控制器92检测到系统130需要附加的压力，且压力计120指示蓄能器102具有足够的压力，则控制器92将打开阀122，以允许加压流体流向系统130。类似地，如果系统100需要压力，则控制器92可以打开阀122，以从压力源132或从系统130提供压力。
如前所述，当车辆10(即，如铲斗22或支承臂24)降低负载(也称为超越负载)，作用在活塞组件58上的力可以对孔腔62(或杆腔64，取决于负载的位置)内的流体进行加压。采用高速切换阀106、108、110和112，液压控制器92还可以用来将流出孔腔62(和杆腔64)的加压流体发送至车辆10的第二工具(例如，吊杆30)。例如，当操作人员想降低负载时，他们可以沿相反的方向移动操作人员输入装置42。因此，阀122打开，并提供卸压路径(假设液压系统130的压力小于系统100的压力)。孔腔62(和杆腔64)中的压力转向系统130，以允许汽缸52收缩。来自孔腔62的压力可以存储在蓄能器中，如蓄能器102或其它蓄能器。
如图5所示，车辆10可以包括监测汽缸52的位置的汽缸位置传感器124。基于监测到的位置，控制器92可以确定汽缸52的位置和杆59的延伸速度。控制器92可以将杆59的实际速度与操作人员通过操作人员输入装置42要求的速度进行比较。如果速度太慢，则控制器92可以增加占空比。如果速度太快，则控制器92可以降低占空比。
类似地，如果控制器92将占空比增加至1(即最大输出)且不能实现杆59的所需要的速度，则控制器92可以打开阀122，并从泵132或压力比蓄能器102高的其它源向系统100提供增加的压力。
液压控制器92可以控制高速切换阀106、108、110和112同时都关闭(即，全关闭位置)。液压控制器92可以采用全关闭位置缓冲或减慢完全输出模式和部分输出模式之间的变化。通过关闭所有的阀106、108、110和112，汽缸52有机会平衡。控制器92还可以采用全关闭位置以确保汽缸52的实际运动不超过操作人员输入。例如，由于在操作人员输入值和由位置传感器124感测的实际运动之间的误差校正，全关闭位置允许液压系统100平衡。
虽然已经将本发明描述为具有示例性的设计，但在本公开的精神和范围内还可以对本发明进行修改。因此，本申请试图采用其普遍原理涵盖本发明的任何变形、用途或适应。而且，本申请试图涵盖偏离本公开同时又为本发明所属领域所知或为本发明所属领域惯例的内容。

Claims (20)

1.一种车辆，包括：
底盘，
支撑底盘的地面接合装置，
由底盘支撑的液压系统，该液压系统包括：
包括壳体和活塞组件的液压缸，该壳体包围活塞组件的至少一部分，该活塞组件包括活塞头和活塞杆，该活塞头包括孔侧表面和与孔侧表面相对的杆侧表面，
壳体和孔侧表面限定孔腔，
壳体和杆侧表面限定杆腔，
与孔腔流体连通以向孔腔提供加压流体的压力源，该压力源与杆腔流体连通以向杆腔提供加压流体，
至少一个阀，构造为调整压力源和杆腔之间的流体连通，和
控制系统，所述控制系统连接至所述至少一个阀，以周期性地改变加压流体至杆腔的供给，该控制系统构造为相对于液压缸的所需要的输出控制所述至少一个阀自动地、周期性地在打开命令和关闭命令之间变换。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中压力源为蓄能器。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中所述至少一个阀为切换阀。
4.根据权利要求3所述的车辆，其中切换阀具有约5Hz或更大的频率响应。
5.根据权利要求1所述的车辆，还包括构造为调整压力源和孔腔之间的流体连通的孔阀。
6.根据权利要求1所述的车辆，其中液压缸为双作用液压缸。
7.根据权利要求1所述的车辆，其中杆侧表面小于孔侧表面。
8.根据权利要求1所述的车辆，还包括用于确定所述至少一个阀的占空比的操作人员输入装置。
9.一种产生通过车辆的液压系统施加的动态可变平均流量的方法，该方法包括下述步骤：
提供包括液压系统的车辆，该液压系统包括液压缸和压力源，
液压缸包括活塞，该活塞包括孔侧表面和杆侧表面，
液压缸流体连接至压力源，以接收加压流体，
基于占空比周期性地向孔侧表面和杆侧表面中的至少一个提供压力，和
响应于至少一个操作人员输入调节所述占空比。
10.根据权利要求9所述的方法，其中压力源为蓄能器。
11.根据权利要求10所述的方法，其中蓄能器以几乎恒定的压力存储加压流体。
12.根据权利要求9所述的方法，其中液压缸为双作用液压缸。
13.根据权利要求9所述的方法，其中杆侧表面小于孔侧表面。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括确定调节步骤中的误差和调节占空比以减小所述误差的步骤。
15.一种车辆，包括：
底盘，
支撑底盘的地面接合装置，和
由底盘支撑的液压系统，该液压系统包括：
液压缸，
压力源，与液压缸流体连通，以提供加压流体，
至少一个阀，构造为调整压力源和液压缸之间的流体连通，
控制系统，连接至所述至少一个阀、以基于占空比周期性地改变加压流体至液压缸的供给，和
与控制系统通信的操作人员输入装置，该控制系统基于来自操作人员的输入调节所述占空比。
16.根据权利要求15所述的车辆，其中压力源为蓄能器。
17.根据权利要求15所述的车辆，其中所述至少一个阀为切换阀。
18.根据权利要求17所述的车辆，其中切换阀具有约5Hz或更大的频率响应。
19.根据权利要求15所述的车辆，其中液压缸为双作用液压缸。
20.根据权利要求15所述的车辆，其中控制系统响应于操作人员要求增加液压缸的延伸速度而增加占空比。
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