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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Hydrauliksystem
und insbesondere auf ein Hydrauliksystem mit einer variablen Rückdrucksteuerung.
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Hintergrund
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Arbeitsmaschinen,
wie beispielsweise Bagger, Lader, Dozer und andere Arten von schweren Maschinen
verwenden viele hydraulische Betätigungsvorrichtungen
in Verbindung mit einem Gelenkssystem, um eine Vielzahl von Aufgaben
auszuführen.
Die Hydraulikbetätigungsvorrichtungen
können
ein Rohr mit einer Kopfenden-Druckkammer und einer Stangenenden-Druckkammer aufweisen,
die durch eine Kolbenanordnung getrennt werden. Das Rohr kann mit
einem Teil der Verbindungsanordnung verbunden sein, während die
Kolbenanordnung mit einem anderen Teil verbunden sein kann. Die
Kopfenden- und Stangenenden-Druckkammern können selektiv mit unter Druck
gesetztem Strömungsmittel gefüllt werden
oder abgelassen werden, um die Kolbenanordnung relativ zum Rohr
zu bewegen, was die Bewegung des Verbindungssystems beeinflusst. Während der
Bewegung des Verbindungssystems ist es möglich, dass die Schwerkraft
auf das Verbindungssystem wirkt, um zu bewirken, dass die Kolbenanordnung
das Auslassen von Strömungsmittel aus
der Kopfenden-Kammer oder der Stangenenden-Kammer schneller erzwingt, als das Strömungsmittel
die andere Kammer, das heißt
die Kopfenden-Kammer oder die Stangenenden-Kammer füllen kann.
In dieser Situation kann ein Freiraum oder ein Vakuum durch die
Expansion der sich füllenden
Kammer erzeugt werden (Leerraumbildung). Eine Leerraumbildung bzw.
Kavitation kann eine unerwünschte und/oder
unvorhersagbare Bewegung der Arbeitsmaschine zur Folge haben und
könnte
die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen
beschädigen.
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Ein
Verfahren zur Minimierung einer Leerraumbildung bzw. Kavitation
in einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung
wird beschrieben im US-Patent 5 868 059 (das '059-Patent) das an Smith am 9. Februar
1999 ausgegeben wurde. Das '059-Patent beschreibt
eine elektrohydraulische Ventilanordnung in Kombination mit einer
Werkzeugpumpe, einem Tank und einem Hydraulikzylinder mit einer
Stangenenden-Kammer und einer Kopfenden-Kammer. Die Ventilanordnung
weist eine Vielzahl von elektrohydraulischen unabhängigen Verschiebungssteuerungszumessventilmodulen
und ein Rückschlagventil
auf, welches in einem Auslass zwischen der Ventilanordnung und dem
Tank angeordnet ist, um einen Rückdruck
für die
Ventilanordnung zu erzeugen. Dieser erzeugte Rückdruck kann die Rate begrenzen,
mit der das Strömungsmittel
aus der Kopfenden-Kammer oder der Stangenenden-Kammer abläuft. Wenn
die Ablaufrate bzw. Ablaufgeschwindigkeit auf die gleiche Größe oder
eine geringere Größe als die
Füllrate der
anderen Kammer, das heißt
der Kopfenden-Kammer oder der Stangenenden-Kammer eingeschränkt ist,
kann eine Leerraumbildung bzw. Kavitation minimiert werden. Das
Niveau des Rückdruckes
wird durch eine Feder eingestellt.
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Obwohl
die elektrohydraulische Ventilanordnung des '059-Patentes eine Leerraumbildung minimieren
kann, kann sie dies in nicht effizienter Weise tun. Insbesondere,
weil die Rückdruckbeschränkung immer
aktiv ist, und zwar ungeachtet der Wahrscheinlichkeit einer Leerraumbildung,
muss die Pumpe, die das unter Druck gesetzte Strömungsmittel zu der elektrohydraulischen
Ventilanordnung lieferte, kontinuierlich mit einem hohen Leistungsverbrauchsniveau
betrieben werden, um die kontinuierliche Rückdruckbeschränkung zu überwinden.
Weil die Rückdruckbeschränkung konstant
ist, kann zusätzlich
die Geschwindigkeitssteuerung der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen
begrenzt sein. Es kann Situationen geben, wo es wünschenswert
ist, die Rückdruckbeschränkung zu
reduzieren oder zu vergrößern, um
eine vergrößerte oder
verringerte Geschwindigkeit des assoziierten Verbindungssystems
zu gestatten.
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Das
offenbarte Hydrauliksystem ist darauf gerichtet, eines oder mehrere
der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Hydrauliksystem für eine Arbeitsmaschine
mit einem Verbindungs- bzw. Gelenksystem gerichtet. Das Hydrauliksystem
weist einen Tank auf, der konfiguriert ist, um eine Strömungsmittelversorgung
bzw. einen Strömungsmittelvorrat
zu enthalten, und mindestens eine hydraulische Betätigungsvorrichtung,
die mit dem Verbindungssystem assoziiert ist, um eine Bewegung des
Verbindungssystems zu beeinflussen. Die mindestens eine hydraulische Betätigungsvorrichtung
hat eine erste Druckkammer und eine zweite Druckkammer. Das Hydrauliksystem weist
auch ein unabhängiges
Zumessventil auf, welches mit der ersten Druckkammer assoziiert
ist. Das unabhängige
Zumessventil hat ein Ventilelement, welches zwischen einer ersten
Position, in der die Strömungsmittelverbindung
zwischen der ersten Druckkammer und dem Tank blockiert ist, und
einer zweiten Position bewegbar ist, in der Strömungsmittel aus der ersten
Druckkammer zum Tank ablaufen darf. Das Hydrauliksystem weist weiter
mindestens einen Sensor auf, der konfiguriert ist, um einen Parameter
abzufühlen,
der einen Druck in der zweiten Druckkammer anzeigt, und eine Steuervorrichtung
in Verbindung mit dem unabhängigen
Zumessventil und dem Sensor. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert,
um das Ventilelement des unabhängigen
Zumessventils ansprechend auf den Druck zu bewegen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren
zum Betrieb eines Hydrauliksystems gerichtet, welches mit einem Verbindungssystem
bzw. Gelenksystem assoziiert ist. Das Verfahren weist auf, ein unabhängiges Zumessventilelement
zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen,
um selektiv Strömungsmittel
von einer ersten Kammer einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung abzublocken oder
Strömungsmittel
daraus zu einem Tank abzulassen. Das Verfahren weist auch auf, einen
Parameter abzufühlen,
der einen Druck innerhalb einer zweiten Druckkammer der hydraulischen
Betätigungsvorrichtung
anzeigt. Das Verfahren weist weiter auf, das unabhängige Zumessventilelement
zwischen den ersten und zweiten Positionen ansprechend auf den Druck
zu bewegen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine diagrammartige Seitenansicht einer beispielhaften offenbarten
Arbeitsmaschine; und
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2 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften offenbarten Hydrauliksystems
für die
Arbeitsmaschine der 1.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 veranschaulicht
eine beispielhafte Arbeitsmaschine 10. Die Arbeitsmaschine 10 kann
eine feste oder eine mobile Maschine sein, die eine gewisse Art
eines Betriebs ausführt,
der mit einem Industriezweig assoziiert ist, wie beispielsweise
Bergbau, Bau, Ackerbau, Transport oder irgendein anderer in der
Industrie bekannter Industriezweig. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 10 eine
Erdbewegungsmaschine sein, wie beispielsweise ein Bagger, ein Dozer,
ein Lader, ein Baggerlader, ein Motorgrader oder irgendeine andere
Erdbewegungsmaschine. Die Arbeitsmaschine 10 kann ein Verbindungssystem
bzw. Gelenksystem 12 aufweisen, ein Arbeitswerkzeug 14,
welches an dem Verbindungssystem 12 angebracht ist, eine
oder mehrere hydraulische Betätigungsvorrichtungen 30a–c, die
das Verbindungssystem 12 verbinden, eine Bedienerschnittstelle 16,
eine Leistungsquelle 18 und mindestens eine Traktionsvorrichtung
bzw. Antriebsvorrichtung 20.
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Das
Verbindungssystem 12 kann irgend eine strukturelle Einheit
aufweisen, die die Bewegung der Arbeitsmaschine 10 und/oder
des Arbeitswerkzeuges 14 unterstützt. Das Verbindungssystem 12 kann beispielsweise
einen (nicht gezeigten) stationären Basisrahmen,
einen Ausleger 13 und einen Vorderausleger 15 aufweisen.
Der Ausleger 13 kann schwenkbar mit dem Rahmen verbunden
sein, während
der Vorderausleger 15 schwenkbar mit dem Ausleger 13 an
einem Gelenk 17 verbunden sein kann. Das Arbeitswerkzeug 14 kann
schwenkbar mit dem Vorderausleger 15 an einer Verbindung 19 verbunden
sein. Es wird in Betracht gezogen, dass das Gelenksystem bzw. Verbindungssystem 12 alternativ eine
andere Konfiguration und/oder eine andere Anzahl von Verbindungsgliedern
aufweisen kann, als jene, die in 1 abgebildet
ist.
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Zahlreiche
unterschiedliche Arbeitswerkzeuge 14 können an dem Vorderausleger 15 anzubringen
sein und können über die
Bedienerschnittstelle 16 steuerbar sein. Das Arbeitswerkzeug 14 kann
irgend eine Vorrichtung aufweisen, die verwendet wird, um eine spezielle
Aufgabe auszuführen,
wie beispielsweise eine Schaufel, eine Gabelanordnung, ein Schild,
eine Schaufel, ein Reiswerkzeug, eine Kippmulde, eine Kehrvorrichtung,
eine Schneefräse, eine
Antriebsvorrichtung, eine Schneidvorrichtung, eine Greifvorrichtung
oder irgendeine andere eine Aufgabe ausführende Vorrichtung, die in
der Technik bekannt ist. Das Arbeitswerkzeug 14 kann konfiguriert
sein, um sich relativ zur Arbeitsmaschine 10 in irgendeiner
in der Technik bekannten Art und Weise zu drehen, zu schwenken,
zu gleiten, zu schwingen, anzuheben oder zu bewegen.
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Die
Bedienerschnittstelle 16 kann konfiguriert sein, um eine
Eingabe von einem Arbeitsmaschinebediener aufzunehmen, die eine
erwünschte Arbeitswerkzeugbewegung
anzeigt. Insbesondere kann die Bedienerschnittstelle 16 eine
Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 aufweisen, wie beispielsweise
einen mehrachsigen Joystick bzw. Steuerhebel, der auf einer Seite
einer Bedienerstation gelegen ist. Die Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 kann eine
Proportional-Steuervorrichtung sein, die konfiguriert ist, um das
Arbeitswerkzeug 14 zu positionieren und/oder zu orientieren,
und ein Schnittstellenvorrichtungspositionssignal zu erzeugen, welches eine
erwünschte
Bewegung des Arbeitswerkzeuges 14 anzeigt. Es wird in Betracht
gezogen, dass zusätzliche
und/oder andere Bedienerschnittstellenvorrichtungen in der Bedienerschnittstelle 16 vorgesehen sein
können,
wie beispielsweise Räder,
Knöp fe, Druck-Zug-Vorrichtungen,
Schalter, Pedale und andere in der Technik bekannte Bedienerschnittstellenvorrichtungen.
Die Antriebsquelle 18 kann ein Motor sein, wie beispielsweise
ein Dieselmotor, ein Benzinmotor, ein durch gasförmigen Brennstoff angetriebener
Motor, wie beispielsweise ein Erdgasmotor, oder irgendein anderer
in der Technik bekannter Motor. Es wird in Betracht gezogen, dass
die Leistungsquelle 18 alternativ eine andere Leistungsquelle
verkörpern könnte, wie
beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Leistungsspeichervorrichtung,
ein Elektromotor oder Hydraulikmotor oder eine andere Leistungsquelle, die
in der Technik bekannt ist.
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Die
Traktionsvorrichtung 20 kann Raupen aufweisen, die auf
jeder Seite der Arbeitsmaschine 10 gelegen sind (wobei
nur eine Seite gezeigt ist). Alternativ kann die Traktionsvorrichtung 20 Räder, Riemen
oder andere Traktionsvorrichtungen bzw. Antriebsvorrichtungen aufweisen.
Die Traktionsvorrichtung 20 kann lenkbar sein oder nicht.
Es wird in Betracht gezogen, dass, wenn die Arbeitsmaschine 10 eine
stationäre
Maschine darstellt, die Traktionsvorrichtung 20 weggelassen
werden kann.
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Wie
in 2 veranschaulicht, kann die Arbeitsmaschine 10 ein
Hydrauliksystem 24 mit einer Vielzahl von Strömungsmittelkomponenten
aufweisen, die zusammenarbeiten, um das Arbeitswerkzeug 14 zu
bewegen. Insbesondere kann das Hydrauliksystem 24 einen
Tank 26 aufweisen, der eine Strömungsmittelversorgung enthält, und
eine Quelle 28, die konfiguriert ist, um das Strömungsmittel
unter Druck zu setzen und das unter Druck gesetzte Strömungsmittel
zu den hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c zu leiten.
Während 1 drei
Betätigungsvorrichtungen
abbildet, die als 30a, 30b und 30c bezeichnet
werden, bildet die hydraulische Schemadarstellung der 2 aus
Gründen
der Einfachheit nur eine hydraulische Betätigungsvorrichtung ab. Das
Hydrauliksystem 24 kann ein Kopfenden-Versorgungsventil 32, ein Kopfenden-Ablaufventil 34,
ein Stangenenden-Versorgungsventil 36 und ein
Stangenenden-Ablaufventil 38, einen Kopfenden-Drucksensor 40 und
einen Stangenenden-Drucksensor 42 aufweisen, die mit jeder
hydraulischen Betätigungsvorrichtung 30a–c assoziiert
sind. Das Hydrauliksystem 24 kann weiter einen Verbindungssensor
bzw. Gelenkssensor 46 und eine Steuervorrichtung 48 aufweisen,
die in Verbindung mit den Strömungsmittelkomponenten
des Hydrauliksystems 24 und der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 ist.
Es wird in Betracht gezogen, dass das Hydrauliksystem 24 zusätzliche
und/oder andere Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise Akkumulatoren,
einschränkende
Zumessöffnungen,
Rückschlagventile,
Druckentlastungsventile, Nachfüllventile,
druckausgleichende Durchlasswege, Temperatursensoren, Werkzeugerkennungsvorrichtungen und
andere in der Technik bekannte Komponenten.
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Der
Tank 26 kann ein Reservoir bilden, das konfiguriert ist,
um eine Strömungsmittelversorgung zu
enthalten. Das Strömungsmittel
kann beispielsweise ein extra dafür vorgesehenes Hydrauliköl, ein Motorschmieröl, ein Getriebeschmieröl oder irgendein
anderes Strömungsmittel
aufweisen, das in der Technik bekannt ist. Ein oder mehrere Hydrauliksysteme
in der Arbeitsmaschine 10 können Strömungsmittel vom Tank 26 abziehen
und zu diesem zurückleiten.
Es wird auch in Betracht gezogen, dass das Hydrauliksystem 24 mit
mehreren getrennten Strömungsmitteltanks
verbunden sein kann. Die Quelle 28 kann konfiguriert sein,
um einen Fluss von unter Druck gesetztem Strömungsmittel zu erzeugen, und
kann eine Pumpe aufweisen, wie beispielsweise eine Pumpe mit variabler
Verdrängung,
eine Pumpe mit fester Verdrängung
oder irgendeine andere Quelle für
unter Druck gesetztes Strömungsmittel, die
in der Technik bekannt ist. Die Quelle 28 kann treibend
mit der Leistungsquelle 18 der Arbeitsmaschine 10 verbunden
sein, beispielsweise durch eine Gegenwelle 50, einen (nicht
gezeigten) Riemen, eine (nicht gezeigte) elektrische Schaltung,
oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise. Alternativ kann die
Quelle 28 indirekt mit der Leistungsquelle 18 über einen
(nicht gezeigten) Drehmomentwandler, eine (nicht gezeigte) Getriebebox
oder in irgendeiner anderen in der Technik bekannten Art und Weise
verbunden sein. Es wird in Betracht gezogen, dass mehrere Quellen
für unter
Druck gesetztes Strömungsmittel
verbunden sein können,
um unter Druck gesetztes Strömungsmittel
zum Hydrauliksystem 24 zu liefern.
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Die
hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c können Strömungsmittelzylinder
aufweisen, die das Arbeitswerkzeug 14 und das Verbindungssystem 12 verbinden.
Es wird in Betracht gezogen, dass andere hydraulische Betätigungsvorrichtungen als
Strömungsmittelzylinder
alternativ in dem Hydrauliksystem 24 vorgesehen sein könnten, beispielsweise
Hydraulikmotoren oder irgend eine andere Art einer hydraulischen
Betätigungsvorrichtung, die
in der Technik bekannt ist. Wie in 2 veranschaulicht,
kann jede der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c ein Rohr 52 und
eine Kolbenanordnung 54 aufweisen, die in dem Rohr 52 angeordnet
ist. Das Rohr 52 oder die Kolbenanordnung 54 können schwenkbar
zwischen den Gliedern des Verbindungssystems bzw. Gelenksystems 12 und/oder dem
Arbeitswerkzeug 14 angeschlossen sein. Jede der hydraulischen
Betätigungsvorrichtungen 30a–c kann
eine erste Kammer 56 und eine zweite Kammer 58 aufweisen,
und die durch einen Kolben 60 getrennt sind. Die ersten
und zweiten Kammern 56, 58 können selektiv mit unter Druck
gesetztem Strömungsmittel
von der Quelle 28 geliefert werden und können selektiv
von Strömungsmittel
frei gemacht werden, um zu bewirken, dass die Kolbenanordnung 54 sich
in dem Rohr 52 verschiebt, wodurch die effektive Länge der
hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c verändert wird.
Das Ausfahren und das Zurückziehen
der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c kann
dahingehend wirken, dass es bei der Bewegung des Arbeitswerkzeuges 14 und
des Verbindungssystems 12 hilft.
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Die
Kolbenanordnung 54 kann einen Kolben 60 aufweisen,
der axial mit dem Rohr 52 ausgerichtet ist und darin angeordnet
ist, und eine Kolbenstange 62, die mit dem Rahmen der Arbeitsmaschine 10,
mit dem Ausleger 13, dem Vorderausleger 15 oder
dem Arbeitswerkzeug 14 zu verbinden ist, (siehe 1). Der
Kolben 60 kann eine erste hydraulische Oberfläche 64 und
eine zweite hydraulische Oberfläche 66 gegenüberliegend
zur ersten hydraulischen Oberfläche 64 aufweisen.
Eine Unausgeglichenheit der Kraft, die durch den Strömungsmitteldruck
auf den ersten und zweiten hydraulischen Oberflächen 64, 66 verursacht
wird, kann eine Bewegung der Kolbenanordnung 54 in dem
Rohr 52 zur Folge haben. Beispielsweise kann eine Kraft
auf der ersten hydraulischen Oberfläche 64, die größer als
eine Kraft auf der zweiten hydraulischen Oberfläche 66 ist, bewirken, dass
die Kolbenanordnung 54 sich verschiebt, um die effektive
Länge der
hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c zu vergrößern. Wenn
in ähnlicher Weise
eine Kraft auf der zweiten hydraulischen Oberfläche 66 größer als
eine Kraft auf der ersten hydraulischen Oberfläche 64 ist, wird die
Kolbenanordnung 54 sich in dem Rohr 52 zurückziehen,
um die effektive Länge
der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c zu verringern.
Eine Flussrate bzw. Flussgeschwindigkeit des Strömungsmittels in die ersten und
zweiten Kammern 56 und 58 hinein und aus diesen
heraus kann eine Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c bestimmen, während ein
Druck des Strömungsmittels
in Kontakt mit den ersten und zweiten hydraulischen Oberflächen 64 und 66 eine
Betätigungskraft
der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c bestimmen kann.
Ein (nicht gezeigtes) Dichtungsglied, wie beispielsweise ein O-Ring,
kann mit dem Kolben 60 verbunden sein, um einen Strömungsmittelfluss
zwischen einer Innenwand des Rohres und 52 und einer äußeren zylindrischem
Oberfläche
des Kolbens 60 einzuschränken.
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Das
Kopfenden-Versorgungsventil 32 kann zwischen der Quelle 28 und
der ersten Kammer 56 angeordnet sein und konfiguriert sein,
um einen Fluss von unter Druck gesetztem Strömungsmittel zur ersten Kammer 56 ansprechend
auf eine Soll-Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu
regeln. Insbesondere kann das Kopfenden-Versorgungsventil 32 einen
federvorgespannten Proportionalventilmechanismus aufweisen, der
Elektromagnet betätigt
ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer ersten Position,
in der Strömungsmittel
in die erste Kammer 56 fließen kann, und einer zweiten
Position zur bewegen, in der der Strömungsmittelfluss aus der ersten
Kammer 56 blockiert ist. Das Kopfenden-Versorgungsventil 32 kann
in irgendeine Position zwischen den ersten und zweiten Positionen
bewegbar sein, um die Flussrate in die erste Kammer 56 zu
variieren, wodurch die Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c beeinflusst
wird. Es wird in Betracht gezogen, dass das Kopfenden-Versorgungsventil 32 alternativ
hydraulisch betätigt,
mechanisch betätigt,
pneumatisch betätigt
oder in ir gendeiner anderen geeigneten Weise betätigt werden kann. Es wird weiter
in Betracht gezogen, dass das Kopfenden-Versorgungsventil 32 konfiguriert
sein kann, um zu gestatten, dass Strömungsmittel von der ersten
Kammer 56 durch das Kopfenden-Versorgungsventil 32 während eines
Regenerationsereignisses fließt,
wenn ein Druck in der ersten Kammer 56 einen Druck überschreitet,
der vom Kopfenden-Versorgungsventil 32 von der Quelle 28 geleitet
wird.
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Das
Kopfenden-Ablaufventil 34 kann zwischen der ersten Kammer 56 und
dem Tank 26 angeordnet sein und konfiguriert sein, um einen
Strömungsmittelfluss
von der ersten Kammer 56 zum Tank 26 ansprechend
auf die Soll-Geschwindigkeit von
der Steuervorrichtung 48 zu regeln. Insbesondere kann das
Kopfenden-Ablaufventil 34 einen federvorgespannten Proportionalventilmechanismus
aufweisen, der elektromagnetbetätigt
ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer ersten Position,
in der Strömungsmittel
aus der ersten Kammer 56 fließen kann, und einer zweiten
Position zu bewegen, in der Strömungsmittel
dagegen abgeblockt wird, aus der ersten Kammer 56 zu fließen. Das
Kopfenden-Ablaufventil 34 kann in irgendeine Position zwischen den
ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um die Flussrate aus
der ersten Kammer 56 zu variieren, wodurch die Geschwindigkeit
der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c beeinflusst wird.
Es wird in Betracht gezogen, dass das Kopfenden-Ablaufventil 34 alternativ
hydraulisch betätigt, mechanisch
betätigt,
pneumatisch betätigt
oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt werden kann.
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Das
Stangenenden-Versorgungsventil 36 kann zwischen der Quelle 28 und
der zweiten Kammer 58 angeordnet sein und konfiguriert
sein, um einen Fluss von unter Druck gesetztem Strömungsmittel
zur zweiten Kammer 58 ansprechend auf die Soll-Geschwindigkeit
von der Steuervorrichtung 48 zu regeln. Insbesondere kann
das Stangenenden-Versorgungsventil 36 einen federvorgespannten Proportionalventilmechanismus
aufweisen, der elektromagnetbetätigt
ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer ersten Position,
in der Strömungsmittel
in die zweite Kammer 58 fließen kann, und einer zweiten
Position zu bewegen, in der Strömungsmittel
von der zweiten Kammer 58 abgeblockt wird. Das Stangenenden-Versorgungsventil 36 kann
in irgendeine Position zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar
sein, um die Flussraten in die zweite Kammer 58 zu variieren,
um dadurch die Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c zu beeinflussen.
Es wird in Betracht gezogen, dass das Stangenenden-Versorgungsventil 36 alternativ hydraulisch
betätigt,
mechanisch betätigt,
pneumatisch betätigt
oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt werden kann. Es wird weiter
in Betracht gezogen, dass das Stangenenden-Versorgungsventil 36 konfiguriert
sein kann, um zu gestatten, dass Strömungsmittel von der zweiten
Kammer 58 durch das Stangenenden-Versorgungsventil 36 während eines
Regenerationsereignisses fließt, wenn
ein Druck innerhalb der zweiten Kammer 58 einen Druck überschreitet,
der zum Stangenenden-Versorgungsventil 36 von der Quelle 28 geleitet wird.
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Das
Stangenenden-Ablaufventil 38 kann zwischen der zweiten
Kammer 58 und dem Tank 26 angeordnet sein und
konfiguriert sein, um einen Strömungsmittelfluss
von der zweiten Kammer 58 zum Tank 26 ansprechend
auf eine Soll-Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu
regeln. Insbesondere kann das Stangenenden-Ablaufventil 38 einen
federvorgespannten Proportionalventilmechanismus aufweisen, der
elektromagnetbetätigt
ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer ersten Position,
in der Strömungsmittel
aus der zweiten Kammer 58 fließen kann, und einer zweiten
Position zu bewegen, in der Strömungsmittel
dagegen abgeblockt wird, aus der zweiten Kammer 58 zu fließen. Das
Stangenenden-Ablaufventil 38 kann zu irgendeiner Position
zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um die
Flussraten aus der zweiten Kammer 58 zu variieren, wodurch
die Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c beeinflusst
wird. Es wird in Betracht gezogen, dass das Stangenenden-Ablaufventil 38 alternativ
hydraulisch betätigt,
mechanisch betätigt,
pneumatisch betätigt oder
in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt werden kann.
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Die
Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungs- und -ablaufventile 32–38 können strömungsmittelmäßig verbunden
sein. Insbesondere können die
Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungsventile 32, 36 parallel
mit einem gemeinsamen Versorgungsdurchlassweg 68 verbunden
sein, der sich von der Quelle 28 erstreckt. Die Kopfenden-
und Stangenenden-Ablaufventile 34, 38 können parallel
mit einem gemeinsamen Ablaufdurchlassweg 70 verbunden sein,
der zum Tank 26 führt.
Die Kopfenden-Versorgungs- und -ablaufventile 32, 34 können parallel mit
einem ersten Kammerdurchlassweg 72 verbunden sein, um selektiv
die erste Kammer 56 ansprechend auf die Soll-Geschwindigkeit
von der Steuervorrichtung 48 zu versorgen und ablaufen
zu lassen. Die Stangenenden-Versorgungs- und -ablaufventile 36, 38 können parallel
mit einem gemeinsamen zweiten Kammerdurchlassweg 74 verbunden
sein, um selektiv die zweite Kammer 58 ansprechend auf
die angewiesene Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu
versorgen und ablaufen zu lassen. Für die Zwecke dieser Offenbarung
wird der Druck des Strömungsmittels
in den ersten und zweiten Kammerdurchlasswegen 72 und 74 während des
Ablaufens der assoziierten ersten oder zweiten Kammer als Rückdruck
definiert, der daraus resultiert, dass der Kolben 60 Strömungsmittel
durch eine (nicht gezeigte) Zumessöffnung in dem assoziierten
Ablaufventil drückt.
Dieser Rückdruck
kann der Bewegung des Kolbens 60 entgegenwirken.
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Die
Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42 können in
Strömungsmittelverbindung
mit den ersten bzw. zweiten Kammern 56 bzw. 58 sein,
und können
konfiguriert sein, um den Druck des Strömungsmittels in den ersten
und zweiten Kammern 56, 58 abzufühlen. Die
Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42 können weiter konfiguriert
sein, um ein Hydraulikbetätigungsvorrichtungslastsignal
zu erzeugen, welches die Drücke in
den ersten und zweiten Kammern 56, 58 anzeigt.
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Der
Verbindungssensor 46 kann betriebsmäßig mit dem Verbindungssystem 12 verbunden
sein und konfiguriert sein, um einen Betriebsparameter des Verbindungssystems 12 zu überwachen.
In einem Beispiel kann der Verbindungssensor 46 einen Schwerkraftpositionssensor
aufweisen, der an einer Seite des Auslegers 13 oder des
Vorderauslegers 15 angebracht ist. In diesem Beispiel kann
der Verbindungssensor 46 konfiguriert sein, um eine Position und/oder
einer Orientierung des Verbindungsgliedes zu bestimmen, an dem er
angebracht ist. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Verbindungssensor 46 alternativ
einen Winkelsensor verkörpern kann,
der an einer Schwenkverbindung der Arbeitsmaschine 10 angebracht
ist, um eine Orientierung eines Verbindungsgliedes des Verbindungssystems 12 zu
bestimmen. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Verbindungssensor 46 einen
internen oder externen Positionssensor verkörpern kann, der mit einer oder
mit mehreren der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c assoziiert
ist, um eine Ausfahrt/Einfahr-Position des jeweiligen Zylinders
zu bestimmen. Diese Informationen über das Ausfahren und das Einfahren
können
verwendet werden, um die Position und/oder die Orientierung der
assoziierten Verbindungsglieder zu berechnen. Die Positions- und Orientierungsinformationen,
die von dem Verbindungssensor 46 überwacht und/oder bestimmt
werden, können
verwendet werden, um zusätzliche
Betriebsparameter für
das Verbindungssystem 12 abzuleiten, wie beispielsweise
Geschwindigkeit, Beschleunigung, Stöße und andere in der Technik
bekannte Parameter. Es wird noch weiterhin in Betracht gezogen,
dass der Verbindungssensor 46 zusätzliche oder andere Arten von
Sensoren verkörpern kann,
wie in der Technik bekannt, die verwendet werden können, um
die Position, die Orientierung, die Geschwindigkeit und andere ähnliche
Betriebsparameter des Verbindungssystems 12 zu bestimmen.
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Die
Steuervorrichtung 48 kann einen einzigen Mikroprozessor
oder mehrere Mikroprozessoren verkörpern, die Mittel zur Steuerung
eines Betriebs des Hydrauliksystems 24 aufweisen. Zahlreiche kommerziell
erhältliche
Mikroprozessoren können konfiguriert
werden, um die Funktionen der Steuervorrichtung 48 auszuführen. Es
sei bemerkt, dass die Steuervorrichtung 48 leicht in einem
allgemeinen Arbeitsmaschinenmikroprozessor verkörpert sein könnte, der
zahlreiche Arbeitsmaschinenfunktionen steuern kann. Die Steuervorrichtung 48 kann
einen Speicher, eine sekundäre
Speichervorrichtung, einen Prozessor und irgendwelche anderen Komponenten aufweisen,
um eine Anwendung laufen zu lassen. Verschiedene andere Schaltungen
können
mit der Steuervorrichtung 48 assoziiert sein, wie beispielsweise
eine Leistungsversorgungsschaltungen, eine Signalkonditionierungsschaltung,
eine Elektromagnettreiberschaltung und andere Arten von Schaltungen.
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Ein
oder mehrere Karten bzw. Kennfelder, die Betriebsparameter des Verbindungssystems 12 mit
Druckinformationen für
die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c in Beziehung
setzen, können
im Speicher der Steuervorrichtung 48 gespeichert sein.
Jedes dieser Kennfelder kann in Form einer zweidimensionalen oder
dreidimensionalen Tabelle vorliegen. Die Steuervorrichtung 48 kann
konfiguriert sein, um diese Tabellen während der Betätigung der
Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungs- und -ablaufventile aufzurufen,
um geeignete minimale und/oder erwünschte Druckwerte für die eine
der ersten und zweiten Kammern zu bestimmen, die gegenwärtig mit
unter Druck gesetztem Strömungsmittel
gefüllt
wird. Es wird auch in Betracht gezogen, dass, anstatt die Betriebsparameter
des Verbindungssystems 12 direkt mit Druckinformationen für die Kopfenden-
und Stangenenden-Ablaufventile 34 und 38 in Beziehung
zu setzen, die Karten alternativ die Betriebsparameter mit den Ventilelementpositionen
in Beziehung setzen können,
die die minimalen oder erwünschten
Druckwerte zur Folge haben. Die Beziehung zwischen der Ventilelementposition und
den minimalen oder erwünschten
Druckwerten können
während
eines Tests der Arbeitsmaschine 10 im Labor oder am Einsatzort
bestimmt werden, und können
periodisch neue kalibriert und aktualisiert werden.
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Die
Steuervorrichtung 48 kann konfiguriert werden, um eine
Eingabe von der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22, von
denen Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42 und
vom Verbindungssensor 46 aufzunehmen, um die hydraulischen
Betätigungsvorrichtungen 30a–c ansprechend auf
die Eingangsgröße und die
Beziehungskarte (Kennfeld) zu betätigen. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 48 in
Verbindung mit den Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungs- und
Ablaufventilen 32–38 der
hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a–c über jeweilige
Verbindungsleitungen 80–86 sein, in Verbindung
mit der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 über eine
Verbindungsleitung 88, in Verbindung mit den Kopfenden-
und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42 über Verbindungsleitungen 90 und 92 und
in Verbindung mit dem Verbindungssensor bzw. Gelenkssensor 46 über eine
entsprechende Verbindungsleitung 93. Die Steuervorrichtung 48 kann
das Schnittstellenvorrichtungspositionssignal von der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 aufnehmen,
das Verbindungsparametersignal vom Verbindungssensor 46,
die Drucksignale von den Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42,
und kann auf die Beziehungskarte bzw. das Kennfeld zugreifen, das
in dem Speicher der Steuervorrichtung 48 gespeichert ist,
um entsprechende Druckwerte oder Ventilelementeinstellungen für die eine
der ersten und zweiten Kammern zu bestimmen, die die Steuervorrichtung 48 gegenwärtig füllen. Die Steuervorrichtung 48 kann
dann eine Bewegung der Ventilelemente anweisen, die die minimalen
oder erwünschten
Druckwerte zur Folge hat.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Das
offenbarte Hydrauliksystem kann auf irgendeine Arbeitsmaschine anwendbar
sein, die eine hydraulische Betätigungsvorrichtung
aufweist, wo es wünschenswert
ist, eine Leerraumbildung bzw. Kavitation in der hydraulischen Betätigungsvorrichtung
zu minimieren, während
man den Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine verbessert. Das offenbarte
Hydrauliksystem kann die Kavitation minimieren, indem es einen Rückdruck
in der hydraulischen Betätigungsvorrichtung
auf einem Niveau und zu Zeitpunkten vorsieht, die für die gegenwärtigen Betriebsbedingungen
der Arbeitsmaschine geeignet sind. Der Betrieb des Hydrauliksystems 24 wird
nun erklärt.
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Wie
in 2 veranschaulicht, können die Hydraulikzylinder 30a–c durch
den Strömungsmitteldruck
ansprechend auf eine Bedienereingabe bewegbar sein. Strömungsmittel
kann durch die Quelle 28 unter Druck gesetzt werden und
selektiv zu den Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungsventil 32 und 36 geleitet
werden. Ansprechend auf eine Bedienereingabe, um die Kol benanordnung 54 relativ zum
Rohr 52 entweder auszufahren oder zurückzuziehen, kann die Steuervorrichtung 48 das
unter Druck gesetzte Strömungsmittel
zu der geeigneten, der ersten und zweiten Kammern 56, 58 leiten,
in denen sie bewirkt, dass eines von der Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungsventilen 32 und 36 sich zu
der Flussdurchlassposition bewegt. Im wesentlichen gleichzeitig
kann die Steuervorrichtung 48 das geeignete Ventil der
Kopfenden- und Stangenenden-Ablaufventile 34, 38 betätigen, um
das Strömungsmittel
aus der geeigneten Kammer der ersten und zweiten Kammern 56, 58 zum
Tank 26 ablaufen zu lassen, wodurch eine Unausgeglichenheit
der Kraft auf dem Kolben 60 erzeugt wird, die bewirkt, dass
die Kolbenanordnung 54 sich bewegt. Wenn beispielsweise
eine Ausfahrbewegung der Hydraulikzylinder 30a–c angefordert
wird, kann das Kopfenden-Versorgungsventil 32 zu
der offenen Position bewegt werden, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel
aus der Quelle 28 zur ersten Kammer 56 zu leiten.
Im wesentlichen gleichzeitig mit dem Leiten des unter Druck gesetzten
Strömungsmittels
zur ersten Kammer 56 kann das Stangenenden-Ablaufventil 38 zu
der offenen Position bewegt werden, um zu gestatten, dass ein Strömungsmittel
von der zweiten Kammer 58 zum Tank 26 abläuft. Wenn
eine Rückzugsbewegung
der Hydraulikzylinder 30a–c angefordert wird, kann das
Stangenenden-Versorgungsventil 36 in die offene Position
bewegt werden, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Quelle 28 zur
zweiten Kammer 58 zu leiten. Im wesentlichen gleichzeitig
mit dem Leiten des unter Druck gesetzten Strömungsmittels zu der zweiten
Kammer 58, kann das Kopfenden-Ablaufventil 34 zu
der offenen Position bewegt werden, um zu gestatten, dass Strömungsmittel
von der ersten Kammer 56 zum Tank 26 abläuft.
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Während der
Bewegung des Verbindungssystems 12 ist es möglich, dass
die Schwerkraft auf ein oder mehrere Glieder des Verbindungssystems 12 wirkt,
um den Kolben 60 in einer Richtung zu bewegen, die eine
Ausfahrbewegung in einer der ersten und zweiten Kammern 56, 58 verursacht,
die schneller ist, als das unter Druck gesetzte Strömungsmittel in
die Kammer eingeleitet werden kann. Beispielsweise kann während einer
abwärts
gerichteten und/oder einwärts
gerichteten Bewegung des Vorderauslegers 15 eine schwere
Last in dem Arbeitswerkzeug 14 den Vorderausleger 15 so
antreiben, dass Strömungsmittel
von der zweiten Kammer 58 der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 30b schneller
heraus gedrückt
wird, als das Strömungsmittel
die erste Kammer 56 füllen
kann. Ohne eine Einwirkung kann der Druck innerhalb der ersten Kammer 56 auf
einen Punkt abfallen, wo die Bewegung des Verbindungssystems unvorhersagbar
oder nicht wünschenswert
sein kann (Kavitation). Um diese Situation mit Kavitation bzw. Leerraumbildung
zu verhindern, kann es nötig
sein, den Rückdruck
in dem zweiten Kammerdurchlassweg 74 zu steigern, um der
Bewegung der Kolbenanordnung 54 entgegenzuwirken.
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Der
Rückdruck
kann durch eine Bewegung des Ventilelementes des Ablaufventils zu
der geschlossenen Position hin vergrößert werden. In dem oben beschriebenen
Beispiel kann der Rückdruck
in dem zweiten Kammerdurchlassweg 74 gesteigert werden
durch Bewegung des Ventilelements des Stangenenden-Ablaufventils 38,
um eine Flusseinschränkung
von der zweiten Kammer 58 zu vergrößern. Die zunehmende Einschränkung hat
einen gesteigerten Rückdruck
zur Folge.
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Die
Steuervorrichtung 48 kann konfiguriert sein, um den Rückdruck
des Ablaufventils ansprechend auf verschiedene Eingaben zu steigern.
In dem obigen Beispiel kann die Steuervorrichtung 48 ein
Signal von dem Kopfenden-Drucksensor 50 aufnehmen,
welches ein niedriges Druckniveau innerhalb der ersten Kammer 56 anzeigt,
die sich füllt,
was anzeigt, dass eine Kavitation schon auftritt, oder dass diese
gerade kurz davor ist, aufzutreten. Die Steuervorrichtung 48 kann
dann einen Betriebszustand (Position, Orientierung, Geschwindigkeit,
Belastung und so weiter) des Verbindungssystems 12 über den
Verbindungssensor 46 bestimmen und entweder einen Soll-Druckwert oder einen
minimalen Druckwert aus der Beziehungskarte (Kennfeld) bestimmen,
welche in dem Speicher der Steuervorrichtung gespeichert ist, der
diesem Betriebszustand entspricht. Die Steuervorrichtung 48 kann
dann das Drucksignal von dem Kopfenden-Drucksensor 40 mit
dem Soll- Druckwert oder
minimalen Druckwert vergleichen und das Ventilelement des Stangenenden-Ablaufventils 38 bewegen,
um einerseits die Flusseinschränkung
durch dieses Ventil zu vergrößern. Alternativ
kann die Steuervorrichtung 48 nur auf den Betriebszustand
des Verbindungssystems 12 mit der Karte zugreifen, die im
Speicher der Steuervorrichtung gespeichert ist, um eine geeignete
Position des Ventilelements des Ablaufventils zu bestimmen, die
den erwünschten oder
minimalen Rückdruckwert
zur Folge hat.
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Obwohl
das oben beschriebene Beispiel auf eine Situation mit niedrigem
Druck in der ersten Druckkammer 56 Bezug nimmt, würde die
Steuervorrichtung 48 in ähnlicher Weise auf eine Situation
mit niedrigem Druck in der zweiten Kammer 58 ansprechen.
Genauso kann die Steuervorrichtung 48 auf eine Hochdruck-Situation
entweder in der ersten oder in der zweiten Kammer 56 oder 58 reagieren, und
zwar durch Bewegung der geeigneten Ventilelemente, um die Flusseinschränkung zu
verringern, wodurch der Druck in der assoziierten, verringert wird.
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Weil
die Steuervorrichtung 48 selektiv den Rückdruck steigert, um einer
Kolbenbewegung entgegenzuwirken, ist das Hydrauliksystem 24 effizient. Insbesondere
weil die Steuervorrichtung 48 nur die Flusseinschränkung steigert,
wenn die Möglichkeit einer
Kavitation besteht, wird die Ausgabe der Quelle 28 nur
während
diesen Situationen gesteigert, anstatt konstant mit einer höheren Energieverbrauchsrate
zu arbeiten. Weil weiterhin das Ausmaß der Einschränkung proportional
zur Möglichkeit
der Kavitation ist, kann die Quelle 28 mit einer niedrigeren
durchschnittlichen Energieverbrauchsrate als im Vergleich zu einem
konstanten Betrieb bei der maximalen Einschränkung betrieben werden.
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Weil
die Steuervorrichtung 48 den Rückdruck ansprechend auf einen
Betriebszustand des Verbindungssystems 12 steuern kann,
kann zusätzlich
die Geschwindigkeitssteuerung des Verbindungssystems 12 verbessert
werden. Insbesondere wenn die Möglichkeit
einer Kavitation minimale ist, kann die Flusseinschränkung entweder
von der ersten oder von der zweiten Kammer 56, 58 verringert werden,
um die Geschwindigkeit der assoziierten Verbindungsglieder zu steigern.
Wenn im Gegensatz dazu eine präzisere
Steuerung der Positionierung des Verbindungsgliedes des Verbindungssystems 12 erwünscht ist,
kann die Steuervorrichtung 48 die Flusseinschränkungen
steigern. Diese vergrößerten oder
verringerten Flusseinschränkungen
können
in Beziehung zu Winkelorientierungen und/oder Positionen der Verbindungsglieder
des Verbindungssystems 12 stehen. Wenn beispielsweise das
Arbeitswerkzeug 14 auf einen oberen Winkel oder eine obere
Position ausgefahren ist, wo ein ausreichendes Spiel zum Boden verfügbar ist,
kann eine gesteigerte Geschwindigkeit erwünscht sein, um die Zykluszeit zu
verbessern. Wenn das Arbeitswerkzeug 14 auf einem niedrigeren
Winkel oder einer niedrigeren Position zur Beladung oder zum Entladen
ist, können
kleinere Geschwindigkeiten für
eine verbesserte Genauigkeit der bei der Anordnung des Arbeitswerkzeuges 14 erwünscht sein.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten Hydrauliksystem vorgenommen werden
können.
Andere Ausführungsbeispiele
werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus
einer praktischen Ausführung des
offenbarten Hydrauliksystems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt,
dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen
werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und
ihre äquivalenten
Ausführungen
gezeigt wird.