CN102449317B - 数字液压调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数字液压调节器(2)，具有至少两个阀构件列，其中一个阀构件列能将供应管线与调节器出口连接，另一个阀构件列能将调节器出口与排放管线连接。在调节器(2)中各阀构件列的阀构件并联连接且能单独或以不同组合彼此同时地被切换。一个阀构件列的多个阀构件具有各自不同的流动横截面。根据本发明具有最小流动横截面的阀构件成双地设置在阀构件列中。本发明还涉及具有差动缸(1)和数字液压调节器(2)的系统单元，其具有四个阀构件列，其中两个以其共同的调节器出口与差动缸的一个压力腔室连接，另两个以其共同的调节器出口与差动缸(1)的另一个压力腔室连接。通过独立调节两个压力腔室中的压力，差动缸可用作能精确调节的线性控制构件。

Description

数字液压调节器
技术领域
本发明涉及一种调节器，其尤其能够用于纤维幅材制造机(例如造纸机或纸板机)的液压系统中。
背景技术
在造纸机中广泛地使用液压作为操纵及控制介质；特别地，控制构件(Stellglieder)被液压驱动，通过该控制构件能够以高精度调节和施加很大的力。
一般情况下，使用通过泵施加压力的例如液压油的工作流体。受压的液压油到液压控制构件(例如液压缸或液压马达)中的导入通常通过比例控制阀或比例阀进行控制，所述阀能够以电气、液压或气动的方式被驱动。
这种控制阀具有可位移或可偏置的控制滑阀或控制活塞，所述控制滑阀或控制活塞可以对应于其在所属的(相应的)阀体中的位置来调节出口的额定压力，为此由泵输送的液压油的压力被向下调节。控制活塞在阀体中的可动性强制性地需要在控制活塞与阀体之间具有一定的间隙或缝隙，从而不可避免地存在控制阀的内部泄漏。缝隙不能选择得太小，否则阀容易受到液压油中的污物的影响。
近来研制出了可代替的压力调节器，其在本申请中普遍被称为数字液压调节器。如果这种数字液压调节器用作减压器，则其在本申请的全文中被称为数字液压减压器。
例如在期刊Fliud Nr.7-8，2008第12、13页就描述了这种数字液压调节器或数字液压减压器的工作方式。然而，为了提高本申请的可读性，再次简短地概括说明数字液压调节器的工作方式：
简单来说，数字液压调节器是由一排并联的仅具有开/关(AUF/ZU)功能的阀构成；即简单的输入/输出切换阀，其可以允许或中断流体流通并且在本申请中可以普遍被称为阀。所有的阀一方面与一个共同的输入管线连接，另一方面又与一个共同的输出管线连接。阀自身可以是传统的电磁阀，即具有电磁驱动的阀。当然也可以选择其它的驱动形式。
通过连接或安装节流构件或者通过阀自身使得，当阀被打开时其具有不同的流体流动。如果例如设有四个阀，则在分别能由所属的阀选择性开启的单个通道中的流量(Durchflussraten，流量率)Q彼此为1∶2∶4∶8；在阀数目更多时此序列相应地继续。
通过打开和关闭基于数学模型由计算机确定和选择的单个阀或阀组，就可以在输出管线或在与该输出管线连接的控制构件中实现十分快速且精确的压力调节。这是通过用数字方式生成的(近似的)调节曲线来代替前述比例控制阀的模拟调节曲线来实现的。由于取消了模拟比例阀的非线性和/或滞后，该曲线可以是近似阶梯状的直线，这允许快速且(几乎)不会过调节地到达调节点。
在现有技术的压力调节器中，多个阀(以下称为阀构件，其具有切换阀的功能和刚性节流的功能)是可彼此独立操作的。通过同时切换阀构件的适当组合来绘制调节曲线。如果一个单独的阀构件不再起作用，则调节的精度会下降，但是调节功能仍得到保持。
发明内容
本发明的目的在于提出一种数字液压调节器，其在一阀构件故障时能够以简单的方式确保高调节精度。
此目的通过具有权利要求1的特征的数字液压调节器来实现。
已经发现，极小流量的阀构件，即流动横截面很小的阀构件，对于调节精度是至关重要的，并且所述阀构件也是那些最频繁地被操纵的阀构件。
在调节由液压缸操纵的压光机的辊隙中的线性负载的情况下作为特别的示例进行研究，并证实了如下结论：具有极小流量、亦即具有很小流动横截面的阀构件对于这种调节的精度至关重要。
根据本发明，数字液压调节器具有至少两个阀构件列(Ventilelementreihen)，其中一个阀构件列能够将一个供应管线与一个调节器出口连接，而另一个阀构件列能够将该调节器出口与一个排放管线连接。各阀构件列中的阀构件并联连接，并且能够被单独或以不同的组合彼此同时地被切换(连通)。一个阀构件列的至少若干个阀构件具有各自不同的流动横截面。根据本发明，至少各阀构件列的流动横截面最小的阀构件双倍地(doppelt)设置在所述阀构件列中。
以此方式确保了，在流动横截面最小的阀构件故障的情况下，通过这种功能的冗余仍能保持始终不变的调节质量。
此外，所述设置的优点在于，根据本发明名义上结构相同的阀构件实际上也可以具有略微不同的流动横截面或者以略微不同的流量流过。这种差别可以在数字液压调节器中以如下方式使用：在确定用于调节干预(Reglereingriff)的阀构件的待切换的组合时，选择两个阀构件中的较为合适的那个阀构件具有最小流量。由此能够进一步使调节精细化。
阀构件优选由电磁切换阀和设置在该阀上的节流件(Drossel)结合而成。节流件可以通过简单的钻孔制成并且可以在随后与始终相同的阀组合。以此方式，具有运动部件并由此更易受干扰的这些构件始终是相同的。这使得构造成本更经济并且简化了备用件的储存。
在一个阀构件列内，具有不同流动横截面的阀构件优选被设置成，它们具有从阀构件到阀构件逐级增加的流动横截面。所述流动横截面优选从级到级是加倍的。
在一有利的设计中，流动横截面被构成为二进制数列(Reihe)，最小的流动横截面用1表示，则其它的流动横截面为2、4、8和16等。
根据本发明的数字液压调节器优选被设计成，使得切换阀和节流件被设计用于且适用于采用液体(特别是液压油)的应用；或者切换阀和节流件被设计用于且适用于采用气体(特别是压缩空气)的应用。此外，切换阀可以是电磁驱动的阀。
在本发明的应用中，调节器可以与控制装置连接，该控制装置控制切换阀或切换阀组的打开，其中该控制装置可以控制作为压力调节器或作为流量调节器的调节器。
本发明可以用于具有差动缸和数字液压调节器的系统单元，其中所述调节器具有四个阀构件列，所述阀构件列中的两个阀构件列具有与差动缸的缸侧压力腔室相连接的共同的调节器出口，而另两个阀构件列则具有与差动缸的活塞杆侧压力腔室相连接的共同的调节器出口。在这种系统单元中，在从调节器出口导引至缸侧压力腔室的线路中可以设置流量传感器。在这种设计中，流量传感器可以用作位置传感器，如以下说明的。
特别有利的是一种带有两个这种系统单元的设置，其中各差动缸作用于在其两个端部上进行支承的辊的支承点上，其中控制装置将流量传感器的信号分析为各辊端部的位置信息，并且两个差动缸的运动基于所述位置信息而同步。
以下说明根据本发明的调节器的不同应用。
通常，为了控制由差动缸(亦即具有两个分别由活塞侧限定的腔室的双作用液压缸)产生的力，仅调节该缸的一个腔室中的压力即可，而在另一个腔室中的是环境压力或者储存容器中的压力(容器压力)。
如果缸要“推压(Drücken)”(例如活塞杆应该伸出)，则在活塞侧腔室中的压力升高。如果在其它情况下缸应该“拉拽(Ziehen)”(例如活塞杆应被拉入)，则在杆侧腔室中的压力会升高。
在从推压到拉拽或相反的负载变换的情况下，该调节强制经历缸不施加力的状态(死区)，其中在这种状态下两个腔室具有容器压力。在这种状态下两个腔室与容器连接并且活塞在一定程度上松脱或呈自由状。
此外，如果覆盖大范围的力，则难以提供相应的确保较小的力的精确调节的灵敏调节。
通过数字液压调节的精度，可以对差动缸的两个腔室同时施加压力，并且相互独立地调节腔室中的压力。以此方式，通过使两个压力腔室具有在高压力级上相应调节的压差，能够调节液压缸应施加的非常小的力，即在工作为抵抗(克服)期望的力的压力腔室中通过反压力实现或支持这种力调节。
此外，还具有的优点是，如果进入调节器中的入口压力和来自调节器的出口压力的大小相近，即如果调节器上的压降很小，则数字液压调节的精度就更好。这意味着，在两个腔室中的压力可以保持在供应压力(调节器的入口压力)附近，使得在其最小的打开时间内穿流过阀构件的容积很小，由此恰好改善了在很小的变化范围内的灵敏调节。为了增强这种积极的效果，控制装置可以被设计成这样进行压力的选择：两个腔室压力的较高者仅略低于供应压力。由此，与待产生的力无关地，始终在最好的调节精度范围内进行调节。
此外，通过在两个压力腔室中同时进行压力调节，可明显更好地控制在差动缸中的推压与拉拽之间的变换；当只通过改变在一个压力腔室中的压力时，就足以适当地升高或降低反作用力，以便超过或低于另一个压力腔室的力。由此，在与容器连接的两个压力腔室中不再出现不受控制的状态。
数字液压调节技术的一种典型应用是控制辊的挤压力(Pressdrücken)和调节在机器横向方向CD(CD＝cross machine direction)上辊隙中的压力曲线(压力变化)。
这种数字液压技术也可以用于调节在造纸机或纸板机中的流料(箱)喷嘴(隙缝式喷嘴)的遮挡件(Blende)。通常，遮挡件的调节通过电动主轴驱动来实现，其中该遮挡件要确保来自流料箱的喷嘴狭缝(Düsenschlitz)的材料输出沿CD方向是均匀的。配备有步进电机和合适传动机构的执行机构(Stellantriebe)沿遮挡件的方向紧凑地(近似各75至150mm)安置，并且隙缝式喷嘴的缝宽的调节通过在隙缝式喷嘴下边缘的方向上使得遮挡件的下边缘局部地(微小地)弯曲来进行。
通过调节精度(其中该调节精度借助前述类型的数字液压技术实现，并且由于该液压使一次调节的压力被锁入容积中而维持没有进一步的消耗)，代替迄今常使用的主轴驱动，遮挡件调节可以通过差动缸来实现。以此方式，能够实现结构简单且维护少的遮挡件调节。
在这种方案中，代替主轴驱动，在通常的流料箱中分别设有差动缸，所述差动缸的活塞杆与路径传感器或位置传感器连接，以便保持活塞位置的精确调节值。作为位置传感器，可以使用不同的传感器类型；对于存在于流料箱处的环境条件，所谓的LVDT传感器(LVDT＝线性可变差动变压器)由于其耐用性(Robustheit)而特别适合。也可以使用其它的传感器类型。此外，对于调节而言，也可以使用力作为反馈量。
根据调节速度和调节精确性的要求，简单的数字液压调节器可以设有两倍的两个至三个阀构件(具有节流件的切换阀)，所述阀构件在实际调整的反馈下以如下方式调节两个压力腔室中的压力，即：通过遮挡件来调节期望的缝宽。每个差动缸都可以配备有其自己的阀构件。
如果要求的调节时间允许，则也可以选择下述方案：例如在一种多元复合方法(Multiplexverfahren)中仅设有一个调节器，该调节器可以在两个中心压力管线中调节两个压力腔室的压力。单个差动缸在此多元复合方法中依次单独地与中心压力管线连接，并且在所述差动缸的两个腔室中的额定压力由中心压力调节器调节。在此，单个位置传感器可以提供用于调节的值。随后，封闭两个腔室并由此与中心管线分隔。以此方式，对于每个差动缸而言，两个简单的切换阀就足够了，并且其还能够以极少的管线来实现。
还可行的是混合形式，其中在多元复合方法中由差动缸构成的组可以单独地或共同地与机械(预)调节叠加地进行调节。当然，各差动缸也可以配设有自己的调节器。
对于压力供应，由于极少的调节频率以及很短的调节路径，使用非常小的泵就足够了，该泵有利地与蓄压器联接，由此足以使一个调节器或多个调节器上的入口压力近似不变。
具体实施方式
在图1中示出了示意性地仅具有一个缸的用于遮挡件调节的这种差动缸的设置。
差动缸1具有两个压力腔室11和12。缸1的活塞杆与遮挡件6固定地联接，并且缸1用于向上和向下地调整图1中的遮挡件6。
管线21和22与所属的压力腔室11和12连接，并且接到之前详细描述的压力调节器2上。控制装置3接收作为信息的由位置传感器(未示出)发送出的位置信号x以及在腔室11和12中的两个压力。对于期望的腔室压力或活塞杆(或遮挡件)的目标位置(Sollposition)的作用量可以由计算、其它指标或测量值等得到。根据控制装置3的这些指标，压力调节器2调节腔室11和12中的期望压力。
此外，图1中还设有具有用于工作流体的泵和容器的供应单元4和用附图标记5表示的蓄压器。
作为工作流体，在此处除了常见的液压用液体之外还可以考虑水和/或水性乳液，其易于操纵并且没有环境危险。由于仅执行极小的运动并且在压力调节器中仅使用输入/输出切换阀，所以并不一定需要液压油的润滑能力。
图2示出了在具有数字压力调节器2的液压系统中用于检测差动缸1的活塞位置的设置。
泵10经由用于测量由泵10输送给该系统的工作流体的体积流量的流量计51将工作流体提供至两个压力调节器2，所述压力调节器分别与差动缸1连接。在测量位置14检测泵10的输送压力以及在必要时检测温度。流量计52检测工作流体到各缸1的缸侧压力腔室中的输入。检测位置19提供在通向缸1的压力管线中的压力和必要时温度的测量值。通过数字液压调节器2的无损失的工作方式，使得由流量计52检测的工作流体的量与实际上在各缸侧压力腔室中存在的填充量相符，其是用于活塞位置的可靠测量(Maβ)。
借助两个液压缸1的重负载(例如造纸机中的辊)的运动始终存在两个活塞杆的运动的同步问题。由于流量测量的结果，形成用于活塞位置的位置传感器，其中流量计52应该进行精确测量。为此，优选使用相对精确的齿轮系统。此外，在供应管线中用流量计51的流量测量给出了另一测量值，其可以检测用于压力腔室的流量计52的结果的可信度。
通过间接的测量，用于活塞位置的绝对值有可能略有误差或错误，但是可以从同时被检测并在此暴露于相同的外部影响的(分别用于缸1的)两个测量值推断出，两个活塞是如何同步地运动，或者其运动是否出现不允许的强烈的相互偏离。可以使用这种识别，必要时通过采用适当的措施来改善同步性。此外，由测量值还可以推断该液压系统中的功能性故障。

Claims (19)

1.一种数字液压调节器，具有至少两个阀构件列，在所述阀构件列中，一个阀构件列能够将一供应管线与一调节器出口连接，而另一个阀构件列能够将该调节器出口与一排放管线连接，其中：
各所述阀构件列的阀构件并联连接，并且能够单独或以不同的组合彼此同时地被切换，并且
一个阀构件列的至少若干个阀构件具有各自不同的流动横截面，
其特征在于，至少各所述阀构件列的具有最小流动横截面的阀构件双倍地设置在所述阀构件列中。
2.如权利要求1所述的数字液压调节器，其中所述阀构件由电磁切换阀和设置在所述电磁切换阀上的节流件组装而成。
3.如权利要求1所述的数字液压调节器，其特征在于，在一个阀构件列内，所述若干个阀构件具有从阀构件到阀构件逐级增加的流动横截面。
4.如权利要求2所述的数字液压调节器，其特征在于，在一个阀构件列内，所述若干个阀构件具有从阀构件到阀构件逐级增加的流动横截面。
5.如权利要求3所述的数字液压调节器，其特征在于，所述流动横截面是一级一级地加倍的。
6.如权利要求4所述的数字液压调节器，其特征在于，所述流动横截面是一级一级地加倍的。
7.如权利要求1至6中任一项所述的数字液压调节器，其特征在于，最小的流动横截面表示为1，则其它的流动横截面表示为2、4、8和16。
8.如权利要求2、4、6中任一项所述的数字液压调节器，其中所述切换阀和节流件被设计为且适合于使用液体。
9.如权利要求8所述的数字液压调节器，其中，所述液体是液压油。
10.如权利要求2、4、6中任一项所述的数字液压调节器，其中所述切换阀和节流件被设计为且适合于使用气体。
11.如权利要求10所述的数字液压调节器，其中所述气体是压缩空气。
12.如权利要求8所述的数字液压调节器，其特征在于，所述切换阀是电磁驱动阀。
13.如权利要求10所述的数字液压调节器，其特征在于，所述切换阀是电磁驱动阀。
14.如权利要求1至6中任一项所述的数字液压调节器，其特征在于，所述调节器与控制装置连接，该控制装置控制切换阀或切换阀组合的打开。
15.如权利要求14所述的数字液压调节器，其特征在于，所述控制装置控制作为压力调节器的调节器。
16.如权利要求14所述的数字液压调节器，其特征在于，所述控制装置控制作为流量调节器的调节器。
17.一种具有差动缸和如前述权利要求1至16中任一项所述的数字液压调节器的系统单元，其中所述调节器具有四个阀构件列，所述阀构件列中的两个阀构件列通过其共同的调节器出口与所述差动缸的缸侧压力腔室连接，而另两个阀构件列则通过其共同的调节器出口与所述差动缸的活塞杆侧压力腔室连接。
18.如权利要求17所述的系统单元，其特征在于，至少在从调节器出口至缸侧压力腔室的线路中设置流量传感器。
19.一种具有两个如权利要求18所述的系统单元的装置，其特征在于，各差动缸作用于在两个端部被支承的辊的支承点上，其中与所述调节器连接的控制装置将所述流量传感器的信号分析为各辊端部的位置信息，并且两个差动缸的运动基于所述位置信息而同步。
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