CN115003918A - 用于液压驱动工作机器的开关阀块 - Google Patents

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汉斯·克纳普
约瑟夫·施托克
亚历克西斯·多尔
卡伦·麦凯
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Abstract

本发明涉及一种用于液压驱动工作机器的开关阀块，其包括多个阀块输入端，用于分别与一个或多个液压流体泵的压力输出端连接，多个阀块输出端，用于输出加压的液压流体，以及至少一个阀门，其设置在阀块输入端与阀块输出端之间，并适于在第一阀块输入端与第一阀块输出端之间或在第一阀块输入端与第二阀块输出端之间选择性地产生流体连接。本发明的特征在于，第一阀块输出端还已经与第二阀块输入端具有固定的流体连接。

Description

用于液压驱动工作机器的开关阀块
发明领域
本发明涉及一种用于液压驱动工作机器的开关阀块，涉及一种液压系统，以及涉及一种具有这种开关阀块或具有这种液压系统的工作机器。
背景技术
工作机器通常具有多个液压消耗器，例如液压转向油缸或液压提升油缸或倾斜油缸，用于提升或倾斜负载。
如果这些不同的液压消耗器是由一个共同的液压流体泵驱动的，则两个液压消耗器所需要的最高压力必须由泵持续提供。这样做的结果在于，在某些情况下，液体会以非常高的压力供应至消耗器，尽管这个消耗器实际上无需这么高的压力，而这只是因为另一个消耗器目前需要非常高的液体压力来完成其运动。这就造成了相当大的损失，降低了这种工作机器的效率。
由于以上讨论的主题，现有技术中已知的是，通过一个开关阀块将多个尺寸较小的压力源根据液压消耗器的要求进行捆绑，从而使具有小功率要求的液压消耗器获得较小的功率，而具有较大功率要求的液压消耗器则获得较大的功率。
WO 2008/009950 A1示出了这种概念的实施。
这样做的不利之处在于，启动液压消耗器的反应时间大大增加，这对工作机器的操作和可操作性产生了负面影响。最后需要的是，现在各个较小的压力源通过阀门相互结合，以驱动液压消耗器。
在机器的持续运行中，车辆控制装置根据驾驶员规范(如控制操纵杆)感知并确定每个液压工作功能的油量要求。车辆控制装置根据这一要求决定开关阀块中输入端与输出端的切换，或者决定所含阀门的启动/调整(“开关位置”)。所需的油量根据工作功能而设定。
在机器运行过程中，对不同的液压消耗器(如工作功能或转向功能)进行连续变化的输油速率分配/关联是极具挑战性的。它需要非常复杂的算法和快速精确的开关阀门技术，以确保操作人员的舒适度，这导致了实施成本相对较高，因为市场上没有经济批量的此类阀门技术。
本发明的目的在于克服或至少减轻上述问题。这是由具有独立权利要求1的所有特征的开关阀块完成的。本发明的其他有利实施例记载于权利要求2至15中。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于液压驱动工作机器的开关阀块，所述开关阀块包括多个阀块输出端，用于分别与一个或多个液压流体泵的压力输出端连接，多个阀块输出端，用于输出端加压的液压流体，以及至少一个阀门，其设置在阀块输入端与阀块输出端之间，并适于在第一阀块输入端与第一阀块输出端之间或第一阀块输入端与第二阀块输出端之间选择性地产生流体连接。本发明的特征在于，第一阀块输出端已经与第二阀块输入端具有固定的流体连接。
一个或多个液压流体泵的这些压力输出可根据要求以不同的方式提供油量，例如，根据消耗器的规格通过负载感应(LS)调节模式，或者通过更高级别的车辆控制装置的直接液体输送速率规格。选择的调节模式可以取决于要操作的机器功能(例如，工作功能->直接输送速率规格，转向功能->LS调节模式)，并且可以在持续的机器操作中改变。
根据本发明同样可设置为，至少另一个通常具有较低优先级的液压消耗器通过主要用于提升或倾斜功能的开关块输入端来提供。这样就有可能减少来自开关块的输出，而至少一个另外的液压消耗器的需求也必须在负载感应调节中加以考虑。
本开关阀块的优点在于，现在不再是只有当第一阀块输出端要供应加压流体时才需要采用阀位。最后，第一阀块输出端已经与阀块输入端固定连接，因此，引入的压力水平可以在输出端获得，而无需分流。
例如，如果现在将转向功能与阀块联系起来，则阀门不必首先在转向脉冲上切换，以便将压力施加到转向油缸上，而是已经可以利用持续施加的压力潜力进行工作。诚然，永久施加的压力不足以实现转向脉冲的全部性能，但至少足以实现一个启动脉冲，该脉冲弥合了阀门转换的时间，从而产生了非常愉快的操作感觉，工作机器的操作也得到了全面改善。同样的道理自然也适于其他未明确提到的液压消耗器(例如提升和倾斜消耗器或类似消耗器)。工作机器的良好反应是由每个液压消耗器(如转向、倾斜、提升消耗器)提供的最小流体输送速率来保证的。
因此，根据本发明，可以考虑将泵的压力输出端与工作功能或阀块输出端固定联系起来，而无需进行开关设置。在没有任何时间延迟的工作或转向功能的运动要求下，可以立即提供泵的输油速率并执行气缸运动。由于省略了之前打开泵压力输出端而获得的时间可用于切换其他阀门(如果需要更大的流体输送速率)。
因此，转换阀块中使用的阀门对切换时间的要求较低，这对阀门技术的可用性和整个系统(具有不变的高操作舒适性)有积极的影响。
根据本发明的进一步发展可设置为，该至少一个阀门是开关阀，其专门将一个阀块输入端连接至多个阀块输出端中的一个。
另一个阀块输入端(其中输入加压的流体)也相应地切换到阀块输出端，以便在那里采用对应于阀块输入端处两者之和的压力。因此，由于阀门可以在阀块输出端提供额外的压力或额外的流体量，而这正是所需要的。
根据本发明，还可以设置为，该至少一个阀门适于在切换过程中随时连接到将要切换的阀块输出端中的一个或甚至两个，以避免在切换液压流体时出现压力峰值。
因此，阀门可以有一个负的重叠，以便在改变开关位置时，也就是在改变流体开关时，不会出现阀门的输入端未连接到阀门的两个或多个输出端的情况。这将产生不必要的压力峰值，而这是要避免的。如果至少一个阀门在阀门输入端与阀门输出端之间产生流体连接，并且在阀门状态变化时没有阻断位置，这将是有利的。这样做的原因是消除了泵和更换阀块之间的系统损坏风险。
根据本发明的另一种可选修改可设置为，第二阀块输出端还已经与第三阀块输入端具有固定的流体连接。这样就可以确保与第二阀块输出端相连的液压消耗器也有一个愉快的反应行为。
还可以设置为，每个阀块输出端已经与各自的阀块输入端存在固定的，特别是专门的流体连接，而且至少有一个额外的流体连接可以通过至少一个阀门根据阀门的开关位置与阀块输入端连接。
这样就实现了阀块输出端可根据其要求和相应的阀位提供高压流体或足够高的流体量，这在只有一个阀块输入端的静态开关连接状态下是不可能的。
本发明还涉及一种液压系统，该系统具有符合上述变化之一的开关阀块，还包括多个压力源，优选是多个可单独控制的压力源，其中每个压力源均与各自的阀块输入端连接，还包括多个液压消耗器，其中每个消耗器均与各自的阀块输入端连接。
在这种情况下，一个或多个泵的单独可控压力输出端可以被视为压力源。然而，同样有可能的是，多个压力源也是由通常尺寸较小的独立泵实现的。
根据本发明还可以设置为，多个压力源是相互独立的多个液压流体泵和/或一个或多个液压流体泵的多个压力输出端，优选是多个压力源可以相互单独控制。
因此，有可能使所需的流体量或所需的流体压力与要进行的液压活动相适应。
根据本发明还可以设置为，液压消耗器包括用于控制工作机器的转向油缸、用于使工作机器部件倾斜的倾斜油缸和/或用于提升工作机器部件的提升油缸。
此外，还可以设置为，每个或至少多个液压消耗器与它们各自的阀块输出端连接，所述阀块只分配给这一个液压消耗器。
根据本发明的另一种可选发展可设置为，提供了控制单元，用于切换至少一个阀门和/或多个压力输出端的液压流体输送速率。
本文中可设置为，控制单元适于根据操作人员的输入来设置至少一个阀门的开关位置和/或多个压力输出端的液压流体输送速率，以驱动一个或多个液压消耗器。
本发明还涉及一种工作机器，特别是轮式装载机，其具有开关阀块或根据上述变体之一的液压系统。
本文中可设置为，工作机器适于驱动至少两个液压消耗器中的每一个，特别是倾斜和提升，以及通过流经与液压消耗器相关的各自的阀块输出端的液压流体来驱动转向。
根据另一种可选修改可设置为，在阀块输出端存在的压力与多个阀块输入端的最高流体压力以及与阀块输出端流体连接的阀块输入端的流体量之和相对应。
根据本发明的工作机器在本文种还可包括用于驱动一个或多个液压流体泵的发动机，优选在发动机和一个或多个液压流体泵之间设置分动箱。
根据本发明的一个有利实施例可设置为，提供两个串联设置的泵，每个泵均具备四个压力输出端，优选是四个可相互独立控制的压力输出端。
在本发明的概念中，两个泵可以相应地通过发动机(如柴油机)的齿轮级串联运行，并有多个压力输出端(每个泵最多4个)，每个压力输出端均是单独控制/指挥的(每个泵有一个相应的控制装置)。一般来说，多个小型泵可代替这种专用泵来满足相同的功能。
另外还可以设置为，泵在每个压力油输出端中均会感应到压力感应传感器，以避免/减少不允许的高压增加。
还可以设置为，工作机器具备控制阀块，其具有多个压力输入端和多个压力输出端，用于控制液压消耗器的工作功能。该控制阀块优选是由电动液压控制，通常是由车辆控制装置或根据驾驶员规范来控制的。
除了两个独立的压力输入端和(可能的)阀门设计的简化之外，控制阀块与轮式装载机中使用的传统阀块是相似的。
因此可设置为，切换阀块只有有限数量的阀块输出端，这些输出端可以通过连接到阀块输出端下游的控制阀块连接到多个液压消耗器，例如三个或更多个液压消耗器。在这方面，很明显，在某些情况下不可能同时移动所有的液压消耗器，因为只有连接到阀块输出端的那个数量的液压消耗器才可以移动。
本文中可设置为，转向功能永久地连接到阀块输出端，不能通过控制阀块连接或断开。
另外出于成本的考虑，还可以设置为，较少的优先级液压消耗器被倾斜或提升油缸的供应输出线并联占用，这样所有的液压消耗器均不接收自己的供应线。
附图简单说明
本发明的其他特征、细节和优势将在参考下面附图的描述后变得清晰。在附图中：
图1是根据现有技术的液压系统的示意图；
图2是根据本发明的液压系统的示意图；
图3是根据本发明的液压系统的另一个实施例的示意图；
图4是根据本发明的液压系统的另一个实施例的示意图；
图5是根据本发明的液压系统的另一个实施例的示意图；
图6是根据本发明的液压系统的另一个实施例的示意图；以及
图7是开关阀块的一个阀门的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的液压系统的示意图。可以认识到，发动机1通过分动箱2驱动两个泵3。两个泵3中的一个在此处与转向控制装置4连接，所述转向控制装置分配由泵3提供的流体压力和提供的流体量以驱动转向油缸6。
两台泵3中的另一台与倾斜和提升控制装置5相接触，所述控制装置5控制倾斜油缸7和两个提升油缸8的驱动。最初已经提到，如果一个泵(图1中两个泵3中较低的那个)必须为多个消耗器提供流体容量，这里指倾斜和提升，这是很不利的，因为这是一个低效的操作。
尽管在权利要求中一直提到了阀块输入端和阀块输出端，但对于技术人员来说，很明显，例如从压力源P1直接连接到液压消耗器，同时绕过物理形成的开关阀块，也同样是在本发明的保护范围内。开关阀块以及阀块的输入端和输出端都是将在摘要中定义的结构，因此，压力源与液压消耗器，特别是与转向控制装置的直接连接也属于本申请的保护范围。不一定要通过(物理)开关阀块进行直接切换。对本发明来说，重要的是液压消耗器直接与压力源连接，从而使流出来的流体可以直接使用。
图2示出了本发明的一个实施例。同样提供了发动机2，其具有相应的分动箱2以及从其突出的轴，多个压力源31-38设置在所述轴上，这些压力源31-38可相互独立地控制。在本案中，这八个可相互独立操作的压力源31-38是由两个串联运行的泵3、3来实现的，其中每个泵均有多个(在本案中是四个)可单独控制的压力流体输出端。在此处，总共八个压力流体输出端中的每一个都与它自己的相关阀块输入端11相连，所述阀块输入端11要么直接与阀块输出端12相连，要么被引导到阀门(＝也是开关阀)。
在本图2中，泵3、3的所有压力流体输出端32-38除了一个之外均连接到切换阀10。只有压力流体输出端31在没有开关的情况下直接连接到阀块输出端12，所述阀块输出端被引导到转向控制装置4。换言之，这样可以确保转向控制装置4永久地拥有压力源31的泵容量，并且与开关阀块9中的开关阀10的开关位置无关。如果转向控制装置要求泵容量超过此值，则可以切换开关阀V1和V2，以使其相关压力源32、33同样向转向控制装置提供动力。因此，三个泵源31、32、33在执行转向控制装置4的过程中是可用的。
控制阀块5位于图2右侧的开关阀块9旁边，其中设置了倾斜51和提升52液压消耗器，以及未提及名称的其他消耗器53、54。通过开关阀块9中的开关阀V1至V7的相应阀门设置，倾斜控制装置51可以与所有压力源31至38相连接，从而使倾斜功能有足够的动力来驱动倾斜油缸7。
这种情况与提升控制装置52类似，所述装置同样可以与相关压力源33至38相连接，并与阀门V2至V7的位置相对应。提升控制装置52在此处也可以将泵的容量转给更多消耗器53、54，由于简化说明的原因，未详细示出。
因此，多个压力源的泵的容量也可以通过本发明根据当前的需求引导到各自的消耗器6、7、8，而通常伴随的不良反应行为的缺点也得到了缓解，因为特别敏感的消耗器，例如转向器，被永久地、专门地连接到一个压力源(此处的压力源31)。
图3示出了本发明的另一个实施例，其中不仅转向控制装置4具备专门的泵能力，提升控制装置52也具备专门的泵能力。在这方面，泵P7和P8专门和不可改变地与液压消耗器“提升”相关联，以驱动提升油缸8。以类似于图2的方式，是否也可以通过阀门V3至V5的相应切换，增加另外四个压力源P3至P6，以便也可以完成挑战性的提升工作。
倾斜控制装置51可以连接到共计四个压力源P2至P4和P6，并有相应的阀门V1-V3和V5的阀位。同样，也可以通过倾斜控制装置51(而不是如图2所示，通过提升控制装置52)提供更多的消耗器53和54。
图4示出了对图3的修改，其中压力源P7不再与提升控制装置固定连接，而是根据阀门V6的位置，将压力源P7的压力功率供应给提升控制装置52或倾斜控制装置52。
图5示出了本发明的进一步修改，现在转向控制、倾斜和提升的三个液压消耗器中的每一个均固定连接到它们自己的压力源。因此，转向控制装置与压力源P1相连，倾斜控制装置与压力源P2相连，而提升控制装置则与压力源P7和P8相连。因此，多个阀块输出端中的三个现在直接与阀块输入端固定连接，因此在阀块输入端与阀块输出端之间的流体连接中未设开关或类似装置。
图6示出了本发明的另一个实施例，其中压力源P1与转向控制装置4相关联，压力源P2与倾斜控制装置相关联，压力源P8与提升控制装置相关联，其他仍然剩余的压力源P3至P7在此处可以借助于切换阀V2至V6分别分配给两个液压消耗器中的一个。在本案中，阀门V2、V3、V5和V6的连接方式使得相关的压力源P3、P4、P6和P7可以有选择地支持倾斜功能或提升功能。压力源P5可以有选择地允许通过阀门V4将动力分配给提升功能或转向功能。
图7示出了开关阀块的阀门10的示意图。
与阀块输入端11或压力源相连的输入端101与输出端102或103流体连接。在与两个输出端102和103中的一个连接处的周围提供了可移动的阀件，所述阀件具有两个活塞元件，它们彼此间隔开来，并通过杆彼此连接。这些活塞元件被密封设置在壳体内，并且彼此之间间隔一定的距离，使得设置在两个输出端102与103之间的输入端101在阀元件的相应位置上只与两个输出端102或103中的一个流体连接。为了移动阀件，可以从上面或下面将控制压力引入壳体，使阀件在所需的方向运动。此处可以设置弹簧104作为预紧力。通过控制阀的切换，可以提供阀件的相反运动，所述控制阀有选择地将控制线105、106连接到高压或低压侧。
在从两个输出端102、103中的一个切换到另一个输出端时，如果阀门10不具有输入端101未连接到输出端102、103的位置，则具有特别的优势。这样就可以防止在输入端101短暂关闭时可能出现的压力峰值。在出现负重叠的当前情况下，可以对阀门10的开关位置进行更改，即输入端101连接到两个输出端102、103以进行短暂运动，并将加压流体输送到两个输出端102、103。这种临时状态可确保阀门不会因阀位变化而堵塞。
这里不一定是向两个输出端102、103输送加压流体；在切换过程中，输送量也可以减少/停止，从而不输送流体。

Claims (15)

1.一种用于液压驱动工作机器的开关阀块，包括：
多个阀块输入端，所述多个阀块输入端分别与一个或多个液压流体泵的压力输出端连接；
多个阀块输出端，所述多个阀块输出端用于输出加压的液压流体液压流体；以及
至少一个阀门，所述阀门设置在阀块输入端与阀块输出端之间，并适于在第一阀块输入端与第一阀块输出端之间或在第一阀块输入端与第二阀块输出端之间选择性地产生流体连接；
其特征在于
所述第一阀块输出端还与第二阀块输入端已具有固定的流体连接，优选为固定的专门流体连接。
2.根据权利要求1所述的开关阀块，其中所述至少一个阀门是开关阀，所述开关阀专门将一个阀块输入端连接至所述多个阀块输出端中的一个。
3.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀块，其特征在于，所述至少一个阀门适于在切换过程中随时连接到将要切换的所述阀块输出端中的一个或甚至两个，以避免在切换液压流体时出现压力峰值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀块，其中，所述第二阀块输入端还与第三阀块输入端已具有固定的流体连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀块，其中每个阀块输出端已与各自的阀块输入端具有固定的流体连接，特别是专门的流体连接，此外，至少一个额外的流体连接装置可通过所述至少一个阀门根据所述阀门的开关位置与阀块输入端连接。
6.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的开关阀块的液压系统，还包括：
多个压力源，优选为多个可单独控制的压力源，每个所述压力源均与各自的阀块输入端连接；以及
多个液压消耗器，其中每个所述液压消耗器均与各自的阀块输出端连接。
7.根据权利要求6所述的液压系统，其中所述多个压力源是相互独立的多个液压流体泵和/或一个或多个液压流体泵的多个压力输出端，优选的是所述多个压力源可以相互独立控制。
8.根据前述权利要求6或7中任一项所述的液压系统，其中所述液压消耗器包括用于使工作机器转向的转向油缸，用于使工作机器部件倾斜的倾斜油缸，和/或用于提升工作机器部件的提升油缸，其中优选地设置为，至少还有一个用于液压消耗器的控制回路，所述液压消耗器在用于所述转向油缸或倾斜油缸的控制回路中流体启动。
9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的液压系统，还包括控制单元，所述控制单元用于切换所述至少一个阀门和/或所述多个压力输出端的液压流体输送速率。
10.根据权利要求9所述的液压系统，其中所述控制单元适于根据操作人员的输入来设置所述至少一个阀门的开关位置和/或所述多个压力输出端的液压流体输送速率，以驱动所述多个液压消耗器中的一个。
11.一种工作机器，特别是轮式装载机，所述工作机器具有根据前述权利要求1至5中任一项所述的开关阀块或具有根据前述权利要求6至10中任一项所述的液压系统。
12.根据权利要求11所述的工作机器，所述工作机器适于通过流经各自阀块输出端的液压流体来驱动所述至少两个液压消耗器中的每一个，特别是倾斜和提升以及转向。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的工作机器，其中存在于所述阀块输出端的流体流对应于与所述阀块输出端流体连接的多个阀块输入端的单个体积流量之和，其中施加于所述多个阀块输出端的高压优选在所述阀块输出端处对应。
14.根据前述权利要求11至13中任一项所述的工作机器，还包括用于驱动所述一个或多个液压流体泵的发动机，优选在所述发动机与所述一个或多个液压流体泵之间设置分动箱。
15.根据前述权利要求11至14中任一项所述的工作机器，还包括两个串联设置的泵，所述两个串联设置的泵分别具有四个压力输出端，优选为四个可相互独立控制的压力输出端。
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