CN102414454B

CN102414454B - 用于工作机械的液压控制设备

Info

Publication number: CN102414454B
Application number: CN201080018383.5A
Authority: CN
Inventors: 西川裕康; 秋山征一; 清水裕介; 土井敦亘; 岛原圣; 中西学; 柴田雅史
Original assignee: Caterpillar SARL
Current assignee: Caterpillar SARL
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2030-08-17
Also published as: EP2418390A4; EP2418390B1; CN102414454A; WO2011027668A1; JP5372674B2; JP2011052799A; EP2418390A1; US8899035B2; US20120036845A1

Abstract

由发动机驱动的液压泵(2)、液压致动器(3)、以及负控制回路(4)设置在开放式中心液压回路(10)中，并且中央旁路中的液压作为负控制压力被引导到液压泵(2)。另外，将负控制压力控制为预定值的负控制压力控制装置(6)也设置在负控制回路(4)中。液压泵(2)的泵特征被确定为当负控制回路(4)中的负控制压力不小于第一预定压力时使得排出流动速率最小化。此外，设置检测液压致动器(3)是否处于非操作状态的怠速检测装置(5)，使得当检测到非操作状态时负控制压力等于或大于第一预定压力。

Description

用于工作机械的液压控制设备

技术领域

本发明涉及用于工作机械的液压控制设备，其通过开放式中心液压回路中的中央旁路中的负控制压力来控制液压泵的排出流动速率。

背景技术

在传统的设有开放式中心液压回路的工作机械，例如液压挖掘机和轮式装载机中，通过中央旁路中的工作液压来控制液压泵的排出流动速率。例如，专利文献1公开了一种中央旁路中设置有小孔(节流孔)的液压回路结构，其中从小孔上游侧引出的负控制通路与调节器控制阀相连通。

在该技术中，调节器控制阀被控制为使得液压泵的排出流动速率随着负控制通道中的工作液压(即负控制压力)的降低而升高。该构造被认为，当回路中的液压缸或液压马达不操作(即没有任何操作，控制杆处于空档位置)或者如果有操作但操作幅度(可操纵变化)非常小时，能够通过将更高的负控制压力引入到调节器控制阀来使得液压泵的排出流动速率最小化。这种通过中央旁路中小孔的压差来对液压泵的排出流动速率进行的控制通常被称为“负控制”。

用于负控制的小孔节流特征基于当工作机械处于正常操作、即发动机以标定发动机速度转动时液压泵的排出流动速率的泵特征设定。例如，泵特征被设置成使得排出流动速率Q随着负控制压力Pn的降低而升高，并且使得排出流动速率Q随着负控制压力Pn的升高而降低，如图3的实线所示。

在该例中，标定发动机速度下的泵特征被设定成使得当负控制压力Pn为第一压力P1或更大时排出流动速率Q被设定为第一流动速率Q1，而当负控制压力Pn小于第二压力P2时排出流动速率Q被设置为第二流动速率Q2(Q2＞Q1)。此外，在负控制压力Pn满足P2＜＝Pn＜P1的范围内，排出流动速率Q与负控制压力Pn的升高成比例地降低。

对于这种泵特征，小孔的节流特征被设置成使得当控制杆处于空档位置时产生的负控制压力使得液压泵的排出流动速率Q最小化。例如，如图3的虚线所示，小孔的节流特征被设置成使得当排出流动速率Q为第一流动速率Q1时负控制压力Pn(即小孔上游压力)变为第一压力P1或更大。与图3中实线和虚线的交点A相对应的压力Pn1是当控制杆处于空档位置时的负控制压力，并且与该交点对应的泵流动速率为第一流动速率Q1。

参考文献

专利文献1：日本专利公开No.2001-271806

发明内容

本发明所要解决的问题

但是，用于液压泵的这种排出流动速率Q的泵特征不能适用于实际发动机速度低于标定发动机速度的情况，因为该泵特征是针对标定发动机速度限定的。更具体地，当发动机速度降低时，泵排出流动速率与发动机速度的降低成比例地降低。因此，如图3中点划线所示，例如，针对相同的负控制压力Pn的排出流动速率Q在整个范围上降低。

因此，当控制杆处于空档位置时的负控制压力是与图3中的点划线和虚线的交叉点B相对应的压力Pn2，压力Pn2小于第一压力P1。

此外，如果在低于标定发动机速度的发动机速度下液压泵的最小排出流动速率Q3小于第一压力P1下小孔的流动速率Qs(即与点C相对应的流动速率)，那么与交叉点B相对应的泵流动速率Qr会大于最小排出流动速率Q3。换句话说，超过最小排出流动速率Q3的泵流动速率Qr的多余液压流体会浪费地流到液压流体舱，这使得效率降低。在这种情况下，因为液压泵以远高于最低要求排放流动速率Q3的量排出液压流体，所以出现压力损失并且实际排出压力低于期望排出压力。

如上文所述，传统的负控制具有这样的问题，即当发动机速度落到标定发动机速度以下时不能获得最小泵排出流动速率。该问题可能会使得燃油效率降低。

本发明针对上述问题进行考虑，且本发明的一个目的是提供一种用于工作机械的液压控制设备，其在控制杆处于空档位置时不管发动机速度如何都将液压泵的排出流动速率保持为最低流动速率，以减小输出，从而改进燃油消耗。

解决问题的方法

为了实现上述目的，根据权利要求1，本发明的用于工作机械的液压控制设备的特征在于，所述设备包括：发动机，其提供用于所述工作机械的驱动源；液压泵，其设置在开放式中心液压回路上并且由所述发动机驱动；液压致动器，其设置在所述液压回路中并且响应于所述液压泵提供的液压流体而操作；负控制回路，其将所述液压回路中的中央旁路中的液压作为负控制压力引导到所述液压泵；怠速检测装置，其检测所述液压致动器是否处于非操作状态；以及负控制压力控制装置，其将所述负控制压力控制为任意值，其中，所述液压泵具有当所述负控制压力大于或等于第一预定压力时使所述液压泵的排出流动速率最小化的泵特征，且当所述怠速检测装置检测到所述液压致动器的非操作状态时，所述负控制压力控制装置将所述负控制压力强制控制为所述第一预定压力或更高。

此外，根据权利要求2的本发明的用于工作机械的液压控制设备的特征在于，除了权利要求1所述的结构之外，还包括压力开关，其根据是否存在对与所述液压致动器相连的操作杆的操作输入而输出开或关信号，其中，当从所述压力开关接收到关信号时，所述怠速检测装置检测到非操作状态。

此外，根据权利要求3的本发明的用于工作机械的液压控制设备的特征在于，除了权利要求2的结构之外，当从所述压力开关持续地接收到关信号预定的时间段时，所述怠速检测装置检测到非操作状态。

换句话说，当怠速检测装置，即发动机的自动减速功能被致动时检测到液压致动器的非操作状态。

此外，根据权利要求4的本发明的用于工作机械的液压控制设备的特征在于，除了权利要求1-3中的任意一项所述的结构之外，还包括液压锁定装置，其锁定与所述液压致动器相连的控制阀的操作，其中，当所述液压锁定装置被致动时所述怠速检测装置检测到非操作状态。

发明效果

根据本发明的用于工作机械的液压控制设备(权利要求1)，因为当液压致动器处于非操作状态时负控制压力的最小值被强制控制为第一预定压力或更高，所以与发动机速度无关地保持更高的负控制压力，从而保持从液压泵的最小排出流动速率。这能够帮助改进燃料效率。

此外，根据本发明的用于工作机械的液压控制设备(权利要求2)，通过检查操作杆是否存在任何操作输入，非操作状态可以由简化的结构可靠地检测。

此外，根据本发明的用于工作机械的液压控制设备(权利要求3)，通过向用于确定非操作状态的状况添加时间限制，可防止控制在短时间段内被反复执行，这可以使得控制稳定化。

此外，根据本发明的用于工作机械的液压控制设备(权利要求4)，可以通过检查液压锁定装置的操作来更可靠地检测非操作状态。此外，仅当操作者致动液压锁定装置时才确定非操作状态，这帮助改进操作感受。

附图说明

图1示出液压回路示图，其示意性地示出使用根据本发明的实施方式的用于工作机械的液压控制设备的液压回路；

图2示出表示液压泵的排出流动速率和该液压控制设备的负控制压力之间的关系的曲线图；且

图3示出表示传统液压控制的曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图说明本发明的实施方式。

1.构造

本发明适用于液压挖掘机的开放式中心液压回路10，如图1示意性地示出。该图示出用于操作液压缸3以使得前工作机械延伸和缩回的液压回路的示意性构造。

液压泵2被发动机1驱动以将存储在液压流体舱11中的液压流体排出到液压回路10。液压流体从液压泵2通过控制阀8被供应到液压缸3。此外，液压泵2设有调节器2a以控制从液压泵2排出的液压流体的流动速率。发动机的速度可以由操作者使用加速转盘16任意地设置。例如，当加速转盘16被设置在位置1，发动机1被控制成保持最慢的发动机速度(1000rpm)。此外，当加速转盘16被设置在位置10，发动机1被控制成保持最快的发动机速度(2000rpm)。这样，根据加速转盘16的位置步进地设置发动机速度。

注意该发动机1的输出(单位为马力)随着加速转盘16的位置读数的增加而增加。因此，加速转盘16的最大位置，即位置10，提供最高的发动机输出。液压泵2的输出(单位为马力)也根据发动机输出而设置。

控制阀8被构造成通过在多个阀芯(流动速率控制阀杆)位置之间切换来可变地控制液压流体的分配方向和流动速率的控制阀。此外，操作先导管线14连接至控制阀8的阀芯的各端。

操作先导管线14连接至远程控制阀13，远程控制阀13根据操作杆13的操作幅度而打开或关闭以引导与对阀芯的操作幅度相对应的先导压力。这里，设置两个操作先导管线14来响应操作杆13向两个方向的操作。由此，如果操作杆13向两个方向中的任一方向操作，控制阀8的阀芯竖直地(如图1所示竖直地)移动，以根据操作杆的操作幅度而控制供给到液压缸3的液压流体的流动速率，从而延伸或缩回液压缸3。

此外，选择滑阀7a与控制阀8并行地设置在操作先导管线14之间。选择滑阀7a起选择两个操作先导管线14中具有较高压力的一个的作用。被选择的先导压力被引入至压力开关7。

压力开关7是仅当高于控制杆的空档位置(控制杆未被操作时)压力的先导压力被输入时才输出开信号的开关。因为从选择滑阀7a引入的压力不取决于操作杆13被操作的方向，所以压力开关7响应于操作杆13的任何操作输入而输出开信号。相对地，压力开关7在操作杆13处于空档位置时输出关信号。该开或关信号被发送至控制器5，后文将对控制器进行说明。

在中央旁路15、即当操作杆13处于空档位置时液压泵2排出的液压流体的返回路径中，小孔9和负控制释放阀17彼此并行地设置。此外，负控制回路4设置在从中央旁路15的分支中，该分支在小孔9和负控制释放阀17的上游侧(更靠近控制阀8)。

负控制回路4是用于对液压泵2的调节器2a进行负控制的回路。“负控制”这一术语是指通过响应于负控制回路4的工作液压的任何上升或下降而减小或增加液压泵2的排出流动速率以保持液压泵2的输出基本恒定的控制。这里通过负控制回路4引入到调节器2a的工作液压被称为“负控制压力”。

小孔9和负控制释放阀17都是用于产生负控制压力的阀。负控制释放阀17起安全阀的作用，其将中央旁路15中的工作液压限制在预设的上限或更低的范围内。小孔9是节流阀，其限制从中央旁路15排出到液压流体舱11中的液压流体的流动速率。

由小孔9和负控制释放阀17所产生的负控制压力Pn与中央旁路15中的液压流体的流动速率Q相关，如图2中的虚线所示，其中负控制压力Pn随着流动速率Q的增加而增加。关于小孔9的节流特征，负控制压力Pn与流动速率Q之间的相互关系由下述公式1表示：

P_{n} = \frac{ρ}{2 C^{2} A^{2}} Q^{2} + P_{t}

(公式1)

(其中ρ代表液压流体的密度，C代表流动速率系数，A代表开口面积，且Pt代表舱压力)。

要被引入调节器2a的负控制压力Pn与由该负控制压力Pn控制的液压泵2的排出流动速率之间的关系在图2中示出。当操作杆13处于空档位置时，液压泵的排出流动速率等于中央旁路15中的液压流体的流动速率Q。接下来的说明中将使用符号“Q”表示操作杆13处于空档位置时的排出流动速率。

图2中的实线表示发动机1处于标定发动机速度时的泵特征，即当加速转盘16设置到位置10时的泵特征。图2中的点划线表示当发动机1以低于标定发动机速度的速度转动时的泵特征，即当加速转盘设置到位置1时的泵特征。

当加速转盘16被设置为位置10时的泵特征设置成使得当负控制压力Pn大于或等于第一压力P1(第一预定压力)时排出流动速率Q被设置为第一流动速率Q1，而当负控制压力Pn小于第二压力P2时排出流动速率Q被设置为第二流动速率Q2(Q2＞Q1)。此外，在负控制压力Pn满足P1＜＝Pn＜P2的范围内，排出流动速率Q与负控制压力Pn的增加成比例地减小。

此外，当加速转盘16被设置为位置1时的泵特征设置成使得总体流动速率Q与加速转盘16被设置为位置10时相比变得更小。一般地，排出流动速率Qr可以以下述公式2表示，其中Qp是发动机1处于标定发动机速度时的排出流动速率且N为发动机1的实际发动机速度：

(公式2)

因此，当加速转盘16从位置10(标定发动机速度2000rpm)变为位置1(1000rpm)时流动速率Q减小到一半。

如上文所述表示小孔9的节流特征的图2中的虚线在大于或等于第一压力P1的范围内与发动机1在标定发动机速度时的泵特征曲线相交。换句话说，小孔9的节流特征被设置成使得产生负控制压力以将控制杆处于空档位置时来自液压泵2的液压流体的流动速率设置为第一流动速率Q1。因此，与两条曲线的交叉点A对应的压力Pn1是当控制杆处于空档位置时的负控制压力，并且与该交叉点A相对应的流动速率为Q1。

2.对负控制压力的控制

NFC(负流动控制)阀6设置在负控制回路4中。NFC阀6起在非致动状态下强制负控制压力Pn升高的负控制压力控制装置的作用，并且被构造成包括用于选择较高压力的选择滑阀6a和螺线管比例减压阀6b。螺线管比例减压阀6b被用于将先导泵12所供给的液压流体引导至负控制回路4，并且在控制器5的控制下打开或关闭。

这里，螺线管比例减压阀6b的阀打开比率被设置为使得当螺线管比例减压阀6b被打开(被励磁)时下游侧的液压压力变为预定压力Pc(Pc＞＝P1)。由此，引入到调节器2a的负控制压力Pn被强制保持为预定压力Pc，而与小孔9的实际上游压力值无关。在该实施方式中，预定压力被设置为小于与图2中的交叉点A对应的压力Pn1。

如图1所示，螺线管比例减压阀6b也连接至液压流体舱11，当螺线管比例减压阀6b关闭(未励磁)时第二压力(下游压力)被设置为最低压力(舱压力)。

控制器5(怠速检测装置)是由微型计算机构建的电子控制设备，并且设置为其上集成有现有的微处理器、ROM、RAM等的LSI装置。控制器5具有检测装置的功能，其检测液压缸3是否处于非操作状态。更具体地，控制器5控制螺线管比例减压阀6b在从压力开关7输入关信号时被励磁。另一方面，控制器5控制螺线管比例减压阀6b在从压力开关7输入开信号时不被励磁。

3.应用和效果

当在加速转盘16被设置为位置10的液压挖掘机中在操作杆13上进行操作输入时，根据操作的幅度在先导管线14上产生先导压力以对控制阀8进行控制。中央旁路15的工作液压随着操作杆13的操作幅度增大而减小。另一方面，因为控制器5控制螺线管比例减压阀6b在该情况下不被励磁，所以中央旁路15侧的工作液压在选择滑阀6a处被选择。因此，经过负控制回路4引入到调节器2a的负控制压力Pn被减小，从而增加从液压泵2排出的液压流体的流动速率。

然后，当不对操作杆13进行操作输入时，作为小孔9上游压力的负控制压力Pn变为压力Pn1。另一方面，控制器5控制螺线管比例减压阀6b被励磁，从而在螺线管比例减压阀6b的下游侧产生预定的压力Pc。在该情况下，因为在选择滑阀6a处中央旁路15侧的工作液压Pn1高于螺线管比例减压阀6b侧的工作液压Pc，所以中央旁路15侧的工作液压Pn1被引入调节器2a。

此外，当加速转盘16从位置10变为位置1时，中央旁路15中液压流体的流动速率Q减小，这减小选择滑阀6a处中央旁路15侧的工作液压。换句话说，压力沿着图2中表示小孔9的节流特征的虚线降低。但是，选择滑阀6a另一侧所产生的预定压力Pc防止被引入调节器2a的先导压力Pn下降到低于预定压力Pc。更具体地，液压泵2的排出流动速率Q与引入到调节器2a的先导压力Pn之间的关系变为如图2所示的点A’，这使得从液压泵2的排出流动速率Q最小化。

如上所述，根据该液压控制回路，由于在操作杆13没有任何操作输入的情况下负控制压力Pn的最小值被强制控制为预定压力Pc，所以保持与发动机速度无关的更高的负控制压力Pn，这可以使得液压泵2的排出流动速率Q最小化。这可以帮助在怠速操作期间(当不进行操作时)减小液压能损失，从而提高能量消耗效率。

此外，操作杆13的空档状态可以由简化的结构来检测，其能够可靠地检测液压缸3的非操作状态。

4.其他

虽然已经描述了本发明的一种实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，并且在不脱离本发明的精神的情况下可以进行多种修正。

例如，虽然在上述实施方式中控制器5致动螺线管比例减压阀6b的触发是从压力开关7输入的关信号，但是除了关信号外或者替代关信号可以使用其他的触发。这种用于启动控制的触发的例子如下：

-当关信号被持续地输入预定的时间段，不管加速转盘的操作

-当液压锁定杆被关闭，不管加速转盘的操作

-当加速转盘被调低，并且检测到操作杆13的空档位置

-当加速转盘被调低，并且关信号被持续地输入预定的时间段

-当加速转盘被调低，并且液压锁定杆被关闭

如上文所述，通过给状况加上时间限制以确定液压缸3处于非操作状态，防止控制在短时间内被反复执行，从而使得控制稳定化。注意当发动机的自动减速功能被致动时，液压致动器的非操作状态可以被检测。

此外，可以通过检查用于锁定控制阀8的阀芯的液压锁定杆(液压锁定装置)的操作状态来更可靠地检测非操作状态。在这种情况下，仅当操作者启动液压锁定装置时才确定非操作状态，这帮助改进操作感受。

此外，虽然已经参照液压操作的操作杆13描述了上述实施方式，本发明也适用于电动操作杆。如果使用电动操作杆，通过向控制器5输入与操作杆的操作输出幅度相关的信号可以实现与上述实施方式相类似的效果。

虽然在上述实施方式中预定的压力Pc被设置在P1＜＝Pc＜＝Pn1的范围内，如图2所示，但是只要预定的压力Pc满足至少P1＜＝Pc就能够实现与上述实施方式类似的效果。

工业实用性

本发明适用于多种工作机械的制造工业，例如液压挖掘机以及推土机、轮式装载机、液压起重机。

附图标记说明

1发动机

2液压泵

2a调节器

3液压缸

4负控制回路

5控制器(怠速检测装置)

6NFC阀(负控制压力控制装置)

6a选择滑阀

6b螺线管比例减压阀

7压力开关

7a选择滑阀

8控制阀(控制阀)

9小孔

10液压回路

11液压流体舱

12先导泵

13操作杆

13a远程控制阀

14操作先导管线

15中央旁路

16加速转盘

17负控制释放阀

Claims

1.一种用于工作机械的液压控制设备，包括：

发动机(1)，其提供用于所述工作机械的驱动源；

加速转盘(16)，其被设置在多个位置之一，以根据加速转盘(16)的位置设置发动机速度；

液压泵(2)，其设置在开放式中心液压回路上并且由所述发动机(1)驱动，液压泵(2)的输出根据加速转盘(16)的位置而设置，并且液压泵(2)具有当负控制压力(P_n)等于或大于第一预定压力时根据加速转盘(16)使液压泵(2)的排出流动速率(Q)最小化的泵特征；

液压致动器(3)，其设置在所述液压回路中并且响应于所述液压泵(2)提供的液压流体而操作；

负控制回路(4)，其将所述液压回路中的中央旁路(15)中的液压作为负控制压力引导到所述液压泵(2)；

小孔(9)，其设置在中央旁路(15)上并且具有节流特征，其中，负控制压力(P_n)与排出流动速率(Q)之间的相互关系由公式表示，其中(ρ)代表液压流体的密度，(C)代表流动速率系数，(A)代表开口面积，且(P_t)代表舱压力；

怠速检测装置(5)，其检测所述液压致动器(3)是否处于非操作状态；以及

负控制压力控制装置，其将所述负控制压力(P_n)控制为任意值，

其中，当所述怠速检测装置(5)检测到所述液压致动器(3)的非操作状态时，在所述负控制压力控制装置(6)不考虑加速转盘(16)的位置将所述负控制压力(P_n)强制控制为所述第一预定压力或更高时使所述液压泵的排出流动速率最小化。

2.根据权利要求1所述的用于工作机械的液压控制设备，还包括压力开关(7)，其根据是否存在对与所述液压致动器(3)相连的操作杆(13)的操作输入而输出开或关信号，

其中，当从所述压力开关(7)接收到关信号时，所述怠速检测装置(5)检测到非操作状态。

3.根据权利要求2所述的用于工作机械的液压控制设备，其中，当从所述压力开关(7)持续地接收到关信号预定的时间段时，所述怠速检测装置(5)检测到非操作状态。

4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的用于工作机械的液压控制设备，还包括液压锁定装置，其锁定与所述液压致动器(3)相连的控制阀(8)的操作，

其中，当所述液压锁定装置被致动时所述怠速检测装置(5)检测到非操作状态。