CN102444640A - 用于控制可变排量液压泵的流量叠加系统 - Google Patents

用于控制可变排量液压泵的流量叠加系统 Download PDF

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Abstract

一种阀组件将多个液压致动器连接至可变排量泵以及储槽。单独的阀与每个液压致动器相关联，并且包括：位于供应管与和泵的控制端口相连接的叠加节点之间的可变流源孔，位于叠加节点与相关联的液压致动器之间的可变测流孔，以及位于叠加节点与储槽之间的可变旁路孔。随着阀操作而扩大了测流孔，流源孔也扩大，而旁路孔缩小。当阀操作而缩小了测流孔，流源孔也缩小而旁路孔扩大。这些操作改变了流入和流出叠加节点的流体流量，这改变了施加于于泵控制装置的压力，因而使得泵的输出按需求而改变，以驱动相关联的液压致动器。

Description

用于控制可变排量液压泵的流量叠加系统
技术领域
本发明涉及用于操作液压动力机器的阀组件；并且更加特别地涉及产生控制可变排量液压泵的压力信号的阀组件。
背景技术
液压驱动机器上的工作元件的速度取决于液压系统中原则上狭小的孔的横截面积以及通过这些孔的压降。为了便于控制，已经设计了压力补偿液压控制系统来消除压降。这些先前的控制系统包括了负载感测导管，它们将阀进出口处的压力传递给可变排量液压泵的输入端，该可变排量液压泵将加压的工作液体供给到系统中。所得到的这种对泵输出的自调节提供了近似常数的通过控制孔的压降，该控制孔的横截面积能够被机器操作者控制。这样就有利于控制是因为，由于压降被保持为常数，工作元件的运动速度就仅由孔的横截面积来决定。
在NO.5,715,865、名称为“压力补偿液压控制阀系统”的美国专利中公开了一种这样的系统，其中一单独的阀部件控制从泵到每个液压致动器的工作流体流量，所述液压致动器驱动工作元件。这些阀部件的类型是其中作用于液压致动器的最大负载压力被感测来提供负载感测压力，该压力被传递给泵的控制输入端口。最大负载压力由梭阀的菊花链决定，这些梭阀接收来自所有阀部件的负载压力。
每个阀部件包括控制阀和单独的压力补偿阀，控制阀带有可变的测流孔。来自泵的输出压力被施加到测流孔的一侧和位于测流孔另一侧的压力补偿阀上，响应负载感测压力，从而将通过测流孔的压降保持成基本为常数。
虽然这个系统是有效的，但是除了具有测流孔的控制阀之外，每个阀部件中还都需要有单独的压力补偿阀以及梭阀。这些额外的构件增加了液压系统的成本以及复杂性，这对不是十分昂贵的机器来说是重要的考虑因素。因此，需要有对执行这个功能的费用和复杂性都较低的技术。
发明内容
提供用于液压系统的控制阀组件，其中来自可变排量泵的流体被提供到供应管中，用来操作多个液压致动器。来自多个液压致动器的流体进入回流管，流体经过该回流管流入储槽。
控制阀组件包括流量叠加节点和多个控制阀。流量叠加节点连接至可变排量泵的控制输入端口。多个控制阀中的每一个被可操作地连接，从而当其打开时，流体从可变排量泵流向流量叠加节点的流量增加，流体从流量叠加节点分别流向多个液压致动器的流量增加，并且流体从流量叠加节点流向回流管的流量减少。这个操作改变了作用于可变排量泵的控制输入端口的压力，该压力通过增加提供给供应管的流体而进行响应，以便满足用于操作各个液压致动器而增加的流体需求。
在本发明的一方面，每个控制阀进一步包括可变流量通路，流体经该可变流量通路而从相关联的液压致动器流向回流管。
在本发明的另一方面，每个控制阀包括：(1)连接在可变排量泵与流量叠加节点之间的可变流源孔(flow source orifice)，(2)连接在流量叠加节点与相关联的液压致动器之间的测流孔，用于改变流量叠加节点与相关联的液压致动器之间的流量，以及(3)连接在流量叠加节点与回流管之间的可变旁路孔。其中，对于设定的控制阀，随着测流孔扩大，可变流源孔也扩大，而可变旁路孔缩小；而随着测流孔缩小，可变流源孔也缩小，而可变旁路孔扩大。
附图说明
图1是结合了本发明的液压系统的图；以及
图2是图1液压系统的示意图，其带有某些独立于控制阀的内部构件，且为了更好地理解它们之间的功能关系而对这些内部构件进行了重新的排列。
具体实施方式
这里使用的术语“直接连接”的意思是相关联的构件之间被管道连接在一起而没有任何中间元件，比如阀、孔或其它装置，而这些元件对对流体流动的限制或者控制超出任何管道的固有限制。如果构件被描述为在两个点或两个元件之间“直接连接”，则该构件是直接连接于每个这样的点或元件。
首先参考图1，液压系统10具有三个液压功能元件11，12和13，而在实践本发明的其它液压系统中可以使用更多或更少的液压功能元件。每个液压功能元件11，12和13分别包括阀单元14、15或16以及诸如活塞-气缸之类的液压致动器21、22或23，不过，也可使用其它类型的致动器。这三个阀单元14、15和16相组合而形成控制阀组件17。这些阀单元可以是物理上分离的组件或者是单个的集成构件。第一个阀单元14具有第一控制阀24，第二阀单元15具有第二控制阀25，以及第三阀单元16具有第三控制阀26。每个控制阀24、25和26控制流体在相互关联的液压致动器21、22或23与可变排量泵20及储液槽18之间的流动。泵20将加压流体提供给供应管28并且该泵的类型是输出压力等于供给控制输入端口19的压力加上被称为“泵余量(pump margin)”的固定的预定值。为了保持“泵余量”，泵20增加或减少其排量。例如，如果出口压力与控制输入端口压力之间的压差小于泵余量，该泵将增加排量。如果出口压力与控制输入端口压力之间的压差大于泵余量，则该泵的排量将被减小。公知的是，通过孔的流量可被表示为与流动面积和压差平方根之间成比例。因为这个泵控制方法提供了“泵余量”的恒定压差，所以流出泵20的流量与泵出口和控制输入端口19之间的流动面积成线性比例关系。流体还通过回流管30流入储槽18。供应管28及回流管30延伸至阀单元14-16的每一个。
每个控制阀24、25和26是一个中心开口的三位阀，并且例如可以是滑阀。尽管在示例性的液压系统10中，控制阀24-26被指示为由电磁线圈操作，但它们中的一个或更多也可通过先导压力或机械杠杆或联动装置所操作。
将对第一控制阀24进行详细描述，该描述也适用于另外两个控制阀25和26。第一控制阀24具有供应端口32，该供应端口连接于来自泵20的供应管28。控制阀内部的可变流源孔34提供供应端口32与流量出口36之间的流体流通。为了便于理解液压系统10的后续操作描述，用于每个控制阀24、25和26的可变流源孔分别使用标记34a、34b和34c来分别表示。第一控制阀的流量出口36直接连接于管道，该管道连接于所有阀单元14-16中的流量出口并形成流量叠加节点44。因此，控制阀中的每个变流源孔34a、b和c直接连接在供应管28与流量叠加节点44之间并且在它们之间提供了独立的可变流体通路。
由传统的负载单向阀38将流量出口36连接到控制阀的测流孔入口40处，这样当有大的负载作用在相关联的液压致动器21上时，流体就不能够从测流孔返回到供应管。第一控制阀24内的可变测流孔45将流量出口36连接到两个工作端口46和48中的一个上，这取决于第一控制阀从中心、空档位置移动的方向。两个工作端口46和48连接到相应的第一液压功能元件11内的第一液压致动器21的不同端口上。控制阀24在正常情况下被偏压到中心位置中，而在该中心位置，工作端口46和48都被关闭。
第一控制阀24还有旁路孔50a，该旁路孔直接连接在控制阀的旁路入口51与旁路出口52之间。用于其它控制阀25和26的每一个的旁路孔用标记50b和50c来分别表示。旁路孔50a、50b和50c被串联起来以提供叠加节点44与回流管30之间的流体通路。尤其是对于示例性液压系统10，第三控制阀26的旁路入口51直接连接于叠加节点44。该控制阀26的旁路出口52直接连接于第二控制阀25的旁路入口51，第二控制阀25的旁路出口直接连接于第一控制阀24的旁路入口51。第一控制阀24的旁路出口52直接连接于回流管30。因此串联的旁路孔50a、50b和50c直接连接在叠加节点44与回流管30之间的。
图2是液压系统10的示意图，其中可变流源孔34a、b和c以及旁路孔50a、b和c被排列成更加具有功能性的组，那些实际上位于控制阀24、25和26的孔被显示为位于相应的控制阀24、25和26外侧。这个功能图显示了三个可变流源孔34a、b和c是直接并联在来自泵20的供应管28与流量叠加节点44之间。这种并联形成了可变流量部分56。三个旁路孔50a，b和c在流量叠加节点44与连到储液槽18的回流管30之间串联并且形成了液压系统10的旁路部分58。
首先假设所有控制阀24-26是位于中心位置，在该中心位置中工作端口46和48都被关闭。在这样的情形下，来自泵20而供给到供应管28的输出，流过可变流源孔34a-c，所有这些可变流源孔现在都收缩成相对小的流通面积。因此，来自泵20的相对较小量的流体流经可变流量部分56而到达叠加节点44。这时，旁路部分58内的所有旁路孔50a-c被扩大，以提供相对较大的流通面积，从而允许进入叠加节点44中的流体容易地进入回流管30。结果，流体叠加节点44处的压力处于相对较低的水平，该压力穿过泵控制管60而被传递到可变排量泵20的控制输入端口19。
或者，当一个控制阀24、25或26处于中心位置时，它的可变流源孔34a、b或c能够被完全关闭，从而没有流体能在供应管28与流量叠加节点44之间流过那一个控制阀。在这种形式的系统中，可以增加单独的小固定节流孔35来将供应管28连接到可变流量部分56内的流量叠加节点44上，从而当所有控制阀处于中心位置时，一些来自供应管的流量进入流量叠加节点。
与第一液压功能元件11相关地描述本发明的控制技术的操作，其它液压功能元件12和13也以同样的方式操作。第一控制阀24从中心位置沿着两个方向中的任意一个所做的打开运动将测流孔入口40经可变测流孔45而连接到工作端口46或48中的一个上，这取决于该运动的方向。第一控制阀24的打开还将另一个工作端口48或46连接到出口42上，该出口42通向回流管30。同时，可变流源孔34a扩大了与控制阀的运动距离相关的量，因此使得泵增加从供应管28到流量叠加节点44的流体流量，以保持如前所述的“泵余量”。同时，旁路孔50a的尺寸缩小，使得叠加节点44处的压力增加。因此，当第一控制阀23打开流体所通过而被供应到第一液压致动器21的通路，经过可变流量部分56而进入叠加节点44的流量就增加了，而同时，也增加了因旁路孔50a而产生的对从节点出来到储槽回流管30流量的限制，由此造成了在流量叠加节点44处的压力增加。
当流量叠加节点压力大到足够克服作用在第一致动器21上的负载压力时，流体开始流过第一控制阀24的测流孔45而驱动第一致动器。
在第一控制阀24打开的同时，其它控制阀25或26中的一个或多个也可以被打开。它们各自的可变流源孔34b和34c也同样将流体从供应管28传输到流量叠加节点44中。因为这三个可变流源孔34a-34c被相互并联，所以通过这些孔中每一个的压差都相同。该压差以及每个流源孔的横截面积决定了穿过所述孔的流量。进入流量叠加节点的总流量是分别流经每个可变流源孔34a-34c的流量的总和。结果，每个变流源孔所打开的面积总和决定了进入流量叠加节点44的合计流量，因而控制了来自可变排量泵20的输出流量。在每个控制阀24、25、26内的测流孔45的各自流通面积以及分别作用在致动器21、22和23上的负载压力决定了每个致动器从流量叠加节点44接收的流量。
当第一液压致动器21到达预期的位置，通过任何一种控制第一控制阀24的装置来使该第一控制阀24返回到中心位置。在中心位置，两个工作端口被重新关闭，从而切断了从流量叠加节点到第一液压致动器21的流体流。另外，可变流源孔34a收缩到相对较小的尺寸，这减少了从供应管28到流量叠加节点44的流量。使第一控制阀24返回到中心位置也扩大了旁路孔50a的尺寸。现在，如果其它控制阀25和26也同样位于中心位置，所有它们的旁路孔50a-c都相对较大，从而将流量叠加节点处的压力释放到回流管30。
或者，在每个阀单元11-13内的可变旁路孔50a-c的位置处可以用单个相对较小的固定节流孔替代。所述单个固定旁路节流孔的尺寸可以被选择成在一个或多个控制阀24、25或26打开时对流量叠加节点处的压力建立没有一点影响，但是当所有控制阀关闭时，仍然能释放节点处的压力。
前面所述主要是关于本发明的优选实施方式。尽管对在本发明的范围内的不同替换方式进行了一些关注，但是可以预期本领域技术人员会实现不明显脱离本发明所公开具体实施方式的其它替换实施方式。因此，本发明的范围由所附的权利要求所确定而不是由上述公开内容所限定。

Claims (20)

1.一种用于液压系统的控制阀组件，其中，来自可变排量泵的流体被提供给供应管，用来操作多个液压致动器，并且，来自多个液压致动器的流体进入回流管，所述控制阀组件包括：
流量叠加节点，该流量叠加节点与可变排量泵的控制输入端口流体连通；以及
多个阀单元，每个阀单元与多个液压致动器中的一个相关联，并且包括测流孔以及可变流源孔，该测流孔连接在流量叠加节点与相关联的液压致动器之间，用于改变上述两者之间的流体流量；
其中，多个阀单元的可变流源孔被并联在可变排量泵与流量叠加节点之间。
2.如权利要求1所述的控制阀组件，其中在多个阀单元的每一个中，随着测流孔扩大，可变流源孔也扩大，而随着测流孔缩小，可变流源孔也缩小。
3.如权利要求2所述的控制阀组件，其中多个阀单元的每一个还包括连接在流量叠加节点与回流管之间的可变旁路孔，其中可变旁路孔随着测流孔扩大而缩小，而且可变旁路孔随着测流孔缩小而扩大。
4.如权利要求1所述的控制阀组件，其中多个阀单元的每一个还包括连接在流量叠加节点与回流管之间的可变旁路孔。
5.如权利要求4所述的控制阀组件，其中多个阀单元内的可变旁路孔串联在流量叠加节点与回流管之间。
6.如权利要求4所述的控制阀组件，其中在每个阀单元内，可变流源孔、测流孔以及可变旁路孔被集成单个的控制阀。
7.如权利要求6所述的控制阀组件，其中控制阀是滑阀。
8.如权利要求4所述的控制阀组件，其中控制阀包括第一工作端口，多个液压致动器中的一个连接至该第一工作端口；并且其中控制阀具有：
a)第一位置，在该第一位置处，第一工作端口被关闭，可变流源孔具有第一尺寸，而可变旁路孔具有第二尺寸，以及
b)第二位置，在该第二位置处，第一工作端口被测流孔连接至流量叠加节点，可变流源孔具有大于第一尺寸的第三尺寸，并且可变旁路孔具有小于第二尺寸的第四尺寸。
9.如权利要求8所述的控制阀组件，其中控制阀还包括第二工作端口，多个液压致动器中的一个连接至该第二工作端口；并且其中控制阀具有：
c)第三位置，在该第三位置处，第二工作端口被测流孔连接至流量叠加节点，可变流源孔具有大于第一尺寸的第五尺寸，并且可变旁路孔具有小于第二尺寸的第六尺寸。
10.如权利要求1所述的控制阀组件，其中多个阀单元中的每一个还包括单向阀，该单向阀阻止流体从测流孔向供应管方向流动。
11.一种用于控制从可变排量泵向多个液压致动器施加流体的控制阀组件，其中流体也从多个液压致动器流向通向储槽的回流管，所述控制阀组件包括：
流量叠加节点，该流量叠加节点与可变排量泵的控制输入端口流体连通；以及
可操作地连接的多个控制阀，其中对多个控制阀中任一个的打开控制通路，从可变排量泵至流量叠加节点的流体流量经该通路而增加，提供从流量叠加节点分别到多个液压致动器中的一个的流体通路，并且减少从流量叠加节点至回流管的流体流量。
12.如权利要求11所述的控制阀组件，其中多个控制阀中的每一个还包括可变流量通路，流体经该可变流量通路从各液压致动器向回流管流动。
13.如权利要求11所述的控制阀组件，其中多个控制阀中的每一个包括可变流源孔，当阀打开时，该可变流源孔增加了从可变排量泵至流量叠加节点的流体流量。
14.如权利要求11所述的控制阀组件，其中多个控制阀中的每一个包括可变测流孔，从流量叠加节点分别流向多个液压致动器中的一个的流体流经该可变测流孔。
15.如权利要求11所述的控制阀组件，其中多个控制阀中的每一个包括可变旁路孔，当阀打开时，该可变旁路孔减少流体从流量叠加节点至回流管的流体流量。
16.如权利要求11所述的控制阀组件，其中多个控制阀中的每一个包括：
可变流源孔，该可变流源孔与可变排量泵和流量叠加节点流体连通；
测流孔，该测流孔与流量叠加节点和各液压致动器流体连通；以及
可变旁路孔，该可变旁路孔与流量叠加节点和回流管流体连通。
17.如权利要求16所述的控制阀组件，其中多个控制阀中的每一个包括：
a)第一状态，在该第一状态中，第一工作端口被关闭，可变流源孔具有第一尺寸，而可变旁路孔具有第二尺寸，以及
b)第二状态，在该第二状态中，多个液压致动器中每一个分别被测流孔连接至流量叠加节点，可变流源孔具有大于第一尺寸的第三尺寸，而可变旁路孔具有小于第二尺寸的第四尺寸。
18.一种用于液压系统的控制阀组件，其中来自可变排量泵的流体被提供给供应管，用来操作液压致动器，并且其中来自液压致动器的流体进入与储槽连通的回流管，所述控制阀组件包括：
流量叠加节点，该流量叠加节点与可变排量泵的控制输入端口流体连通；以及
控制阀，该控制阀包括：(1)连接在供应管与流量叠加节点之间的可变流源孔，(2)连接在流量叠加节点与液压致动器之间的测流孔，用于改变上述两者之间的流量，以及(3)连接在流量叠加节点与回流管之间的可变旁路孔；
其中，当测流孔扩大时，可变流源孔也扩大而可变旁路孔缩小；而当测流孔缩小时，可变流源孔也缩小而可变旁路孔扩大。
19.如权利要求18所述的控制阀组件，其中控制阀是滑阀。
20.如权利要求18所述的控制阀组件，其中控制阀包括第一工作端口，液压致动器连接至该第一工作端口；并且其中控制阀具有：
a)第一位置，在该第一位置中，第一工作端口被关闭，可变流源孔具有第一尺寸，并且可变旁路孔具有第二尺寸，以及
b)第二位置，在该第二位置中，第一工作端口被测流孔连接至流量叠加节点，可变流源孔具有大于第一尺寸的第三尺寸，并且可变旁路孔具有小于第二尺寸的第四尺寸。
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