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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Hydrauliksysteme zum Steuern einer
Fluidströmung
zu einem Hydraulikstellorgan, das einen mechanischen Bestandteil
einer Maschine bewegt, und insbesondere betrifft sie die Rückgewinnung
von Energie von einem Hydraulikstellorgan und daraufhin die Nutzung der
rückgewonnenen
Energie zur Kraftzufuhr zu dem Hydraulikstellorgan.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Bau-
und landwirtschaftliche Anlagen verwenden Hydrauliksysteme zum Betätigen verschiedener
mechanischer Elemente. Beispielsweise bildet ein Aushubbagger eine übliche Baumaschine,
die einen mit an einem Ende mit einem Traktor schwenkbar verbundenen
Ausleger und am anderen Ende einen Eimer aufweist, um Schmutz oder
anderes Material zu schöpfen.
Ein Zylinderaufbau wird dazu verwendet, den Ausleger anzuheben und
abzusenken, und er umfasst einen Zylinder, in dem ein Kolben angeordnet
ist, der zwei Kammern in dem Zylinder festlegt. Eine mit dem Kolben
verbundene Stange ist typischerweise an dem Ausleger angebracht
und der Zylinder ist am Körper
des Aushubbaggers angebracht. Der Ausleger wird durch Ausfahren
und Einziehen der Stange aus dem Zylinder heraus und in diesen hinein
angehoben und abgesenkt.
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Andere
Maschinen nutzen unterschiedliche Arten von Hydraulikstellorganen
zum Erzeugen einer Bewegung eines mechanischen Elements. Der Begriff "Hydraulikstellorgan" bezieht sich vorliegend
auf ein beliebiges Gerät,
wie beispielsweise etwa eine Zylinder-Kolbenanordnung oder einen
Drehmotor, der eine Hydraulikfluidströmung in eine mechanische Bewegung
umsetzt.
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Während kraftbetätigtem Ausfahren
und Einfahren des Zylinderaufbaus wird unter Druck stehendes Fluid
von einer Pumpe üblicherweise
durch einen Ventilaufbau an eine Zylinderkammer angelegt, und das
gesamte Fluid, das aus der anderen Zylinderkammer austritt, strömt durch
den Ventilaufbau in eine Rücklaufleitung,
die zum Systemtank führt.
Unter bestimmten Bedingungen ermöglicht
eine externe Last oder eine Kraft, die auf die Maschine einwirkt, ein
Ausfahren oder Einziehen des Zylinderaufbaus ohne signifikanten
Fluiddruck von der Pumpe. Dies wird häufig als Übersteuerungslast bzw. eine
eine Grenze überschreitende
Last bezeichnet. Wenn beispielsweise in einem Aushubbagger der Eimer
mit schwerem Material gefüllt
ist, kann der Ausleger ausschließlich durch Schwerkraft absinken.
Diese externe Kraft treibt Fluid aus einer Kammer des Auslegerhydraulikzylinders
durch den Ventilaufbau und in den Tank hinein. Gleichzeitig wird
eine Fluidmenge von der Pumpe durch den Ventilaufbau in die Zylinderkammer
gesaugt, die expandiert. Da jedoch das zuströmende Fluid den Kolben nicht
antreibt, muss es, damit diese Auslegerbewegung stattfindet, nicht
mit signifikantem Druck aufrecht erhalten werden. In dieser Situation
wird das Fluid aus dem Zylinder unter relativ hohem Druck ausgetragen,
wodurch Energie verloren geht bzw. Energie dort enthalten ist, die
normalerweise verloren geht, wenn der Druck durch den Ventilaufbau
dosiert wird.
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Um
den Wirkungsgrad und den wirtschaftlichen Betrieb der Maschine zu
optimieren, ist es erwünscht,
die Energie dieses austretenden Fluids rückzugewinnen, anstatt diese
Energie im Ventilaufbau zu verlieren. Einige Hydrauliksysteme gemäß dem Stand
der Technik senden das austretende Fluid zu einem Sammelbehälter, in
dem es unter Druck für eine
spätere
Nutzung beim Kraftantrieb der Maschine bevorratet wird. Eine Herausforderung
für eine
effiziente Energierückgewinnung
und Wiederverwendung besteht jedoch darin, dass das bevorratete
Hydraulikfluid den geeigneten Druck und das geeignete Volumen aufweist,
um ein Stellorgan mit Kraft zu versorgen. Die Beziehung zwischen
dem Druck und dem Volumen des auftretenden Fluids und diesen Parametern
des Sammelbehälters
variiert schnell und bestimmt, ob das Fluid bevorratet werden kann. Wenn
die auf den Zylinderaufbau einwirkende externe Kraft beispielsweise
nicht hinreicht, das austretende Fluid über den Druckpegel im Sammelbehälter unter
Druck zu setzen, kann das Fluid nicht bevorratet werden.
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Wenn
zu einem anderen Zeitpunkt die Verwendung des Fluids in dem Sammelbehälter erwünscht ist,
bestimmt die schnelle bzw. kurzfristige Beziehung zwischen Druck
und Volumen des Sammelbehälters
und denjenigen, die erforderlich sind für das Fluid, um das Hydraulikstellorgan
mit Kraft zu versorgen, ob das Sammelbehälterfluid genutzt werden kann.
Wenn beispielsweise die Last des Hydraulikstellorgans einen größeren Druck
als den Sammelbehälterdruck
erfordert, kann das rückgewonnene Fluid
nicht verwendet werden. Auch dann, wenn sich das Hydraulikstellorgan
so weit bewegen muss, dass ein größeres Fluidvolumen erforderlich
ist, als dieses im Sammelbehälter
gespeichert ist, kann ein effektiver Betrieb schwierig erzielbar
sein. Ein weiterer begrenzender Faktor besteht darin, dass, weil
das Hydraulikstellorgan Fluid aus dem Sammelbehäl ter verbraucht, der Sammelbehälterdruck
abnimmt, wodurch die Fähigkeit
des verbleibenden Fluids reduziert wird, das Stellorgan mit Kraft
zu versorgen.
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Es
besteht deshalb ein Bedarf an effektiven Techniken zum Rückgewinnen
und Wiederverwenden von Energie in einem Hydrauliksystem.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßes Hydrauliksystem weist
erste und zweite Hydraulikzylinder auf, die mechanisch parallel
geschaltet sind, um einen Bestandteil einer Maschine zu betätigen, und
jeder Zylinder besitzt erste und zweite Kammern. Ein Steuerventilaufbau,
wie etwa eine Wheatstone-Brückenanordnung
aus vier elektrohydraulischen Proportionalventilen beispielsweise,
weist einen ersten Arbeitsanschluss und einen zweiten Arbeitsanschluss
auf. Der erste Arbeitanschluss ist mit der ersten Kammer des ersten
Zylinders verbunden und von der ersten Kammer des zweiten Zylinders
isoliert. Der zweite Arbeitsanschluss ist mit den zweiten Kammern
von sowohl dem ersten wie dem zweiten Hydraulikzylinder verbunden.
Der Steuerventilaufbau wird betätigt,
um jeden der ersten und zweiten Arbeitsanschlüsse selektiv mit der Versorgungsleitung
und der Rückführleitung
zu verbinden.
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Eine
Energierückgewinnungsvorrichtung
des Hydrauliksystems umfasst ein Zylindertrennsteuerventil, das
die Fluidströmung
zwischen der ersten Kammer des ersten Zylinders und der ersten Kammer
des zweiten Zylinders steuert. Ein Sammelbehälter ist mit einem Rückgewinnungssteuerventil
verbunden, das Fluidströmung
zu und von der ersten Kammer des zweiten Zylinders steuert. Dies
ermöglicht
es, dass Fluid aus der ersten Kammer durch eine externe Kraft zwangsweise
ausgetragen wird, um in den Sammelbehälter geleitet zu werden, in dem
es unter Druck gespeichert wird. Daraufhin wird das gespeicherte
Fluid genutzt, um einen oder beide der Hydraulikzylinder mit Kraft
zu versorgen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine erste Pumpe
bereit, die mit der Versorgungsleitung verbunden ist. Ein Versorgungsventil
steuert Fluidströmung
von einer zweiten Pumpe zu der ersten Kammer des zweiten Zylinders. Durch
Schließen
des Versorgungsventils und Öffnen des
Zylindertrennsteuerventils werden sowohl der erste wie der zweite
Hydraulikzylinder im Gleichklang mit dem Steuerventilaufbau gesteuert.
Alternativ wird beim Schließen
des Zylindertrennsteuerventils der erste Hydraulikzylinder durch
den Steuerventilaufbau gesteuert, während der zweite Hydraulikzylinder durch Öffnen des
Versorgungsventils gesteuert wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Hydrauliksystems ist ein Arbeitsanschlussnebenschlusssteuerventil
mit den ersten und zweiten Arbeitsanschlüssen verbunden, damit Fluid
direkt dazwischen hindurchströmen
kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Energierückgewinnungsvorrichtung vorgesehen,
die einen Hydraulikzylinder zum Betätigen eines Bestandteils einer
Maschine enthält.
Die Energierückgewinnungsvorrichtung
umfasst eine erste Kammer und eine zweite Kammer. Der Steuerventilaufbau,
der einen ersten Arbeitsanschluss und einen zweiten Arbeitsanschluss
aufweist, ist mit der ersten und der zweiten Kammer derart verbunden, dass
sich der erste Arbeitsanschluss in Fluidkommunikation mit der ersten
Kammer des Hydraulikzylinders befindet, während sich der zweite Arbeitsanschluss
in Fluidkommunikation mit der zweiten Kammer des Hydraulikzylinders
befindet, sowie derart, dass eine Betätigung des Steuerventilaufbaus
jeden der ersten und zweiten Arbeitsanschlüsse selektiv mit der Versorgungsleitung
und der Rücklaufleitung verbindet.
Ein Arbeitsanschlussnebenschlusssteuerventil befindet sich in Fluidkommunikation
mit sowohl dem ersten Arbeitsanschluss wie dem zweiten Arbeitsanschluss
zur Steuerung einer Fluidströmung dazwischen.
Das System umfasst einen Sammelbehälter und ein Rückgewinnungssteuerventil,
das Fluidströmung
zu dem Sammelbehälter
ausgehend von der ersten Kammer des Zylinders steuert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine isometrische Ansicht eines Aushubbaggers, der ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem
enthält;
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm eines Teils des Hydrauliksystems zum
Betätigen
von Stellorganen, die einen Ausleger des Aushubbaggers heben und
senken;
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3 zeigt
ein schematisches Diagramm eines alternativen Teils des Hydrauliksystems
für den Ausleger;
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4 zeigt
ein schematisches Diagramm eines weiteren alternativen Teils des
Hydrauliksystems für
den Ausleger;
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5 bis 9 zeigen
vereinfachte schematische Diagramme des alternativen Teils des Hydrauliksystems
von 3 in anderen Betriebsarten zur Energierückgewinnung;
und
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10 bis 15 zeigen
vereinfachte schematische Diagramme des alternativen Teils des Hydrauliksystems
von 3 in ver schiedenen Betriebsarten zur Wiederverwendung
der rückgewonnenen Energie.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Verwendung eines
Aushubbaggers erläutert
wird, kann sie mit anderen Arten hydraulisch betätigter Einrichtungen implementiert
werden.
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Wie
zunächst
in 1 gezeigt, besteht ein Aushubbagger 10 aus
einer Kabine 11, die auf einem Kettenfahrzeug getragen
ist, und einem Auslegeraufbau 12, der an der Kabine für eine Auf-
und Abwärtsbewegung
angebracht ist. Der Auslegeraufbau 12 ist in einen Ausleger 13,
einen Arm 14 und einen Eimer 15 unterteilt, die
schwenkbar miteinander verbunden sind. Der Ausleger 13,
der mit der Kabine 11 verbunden ist, ist in der Lage, auf
und ab zu verschwenken, wenn er durch ein Paar von hydraulischen
Zylinderaufbauten 16 und 17 angetrieben wird,
die mechanisch parallel zwischen die Kabine und den Ausleger geschaltet
ist. Bei einem typischen Aushubbagger ist der Zylinder dieser Aufbauten 16 und 17 an
der Kabine 11 angebracht, während die Kolbenstange am Ausleger 13 angebracht
ist, wodurch die auf den Ausleger einwirkende Schwerkraft dazu neigt,
die Kolbenstange in den Zylinder rückzuziehen. Dessen ungeachtet
kann die Verbindung der Zylinderaufbauten auch so getroffen sein,
dass die Schwerkraft dazu neigt, die Kolbenstange aus dem Zylinder
auszufahren, und zahlreiche Energierückgewinnungstechniken, die
nachfolgend erläutert
sind, können
bei beiden dieser Konfigurationen zum Einsatz kommen. Der Arm 14,
der am entfernten Ende des Auslegers 13 getragen ist, ist
in der Lage, vorwärts
und rückwärts zu verschwenken,
und der Eimer 15 ist schwenkbar am vorderen Ende des Arms
an gelenkt. Ein weiteres Paar von Zylinderaufbauten 18 und 19 betätigt den
Arm 14 und den Eimer 15 unabhängig. Der Eimer 15 kann
durch andere Arbeitsköpfe
ersetzt sein.
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Wie
in 2 gezeigt, bilden die Zylinderaufbauten 16, 17, 18 und 19 des
Aushubbaggers 10 Teil eines ersten Hydrauliksystems 20,
das eine Quelle 21 von Hydraulikfluid aufweist, die eine
erste Pumpe 22 und einen Tank 23 umfasst. Die
erste Pumpe 22 saugt Fluid aus dem Tank 23 und
drängt
das unter Druck stehende Fluid durch ein Rückflusssperrventil und in eine
Versorgungsleitung 25, die unter Druck stehendes Fluid
zu sämtlichen
Hydraulikfunktionen des Aushubbaggers liefert. Nachdem es verwendet worden
ist, eine Hydraulikfunktion mit Kraft zu versorgen, wie etwa die
Funktion 30 zum Anheben und Absenken des Auslegers 13,
strömt
das Fluid zum Tank 23 über
eine Rücklaufleitung 26 zurück, in der
das Fluid durch ein federbelastetes Tankrückschlagventil 24 unter
Druck gesetzt wird. Obwohl das Hydrauliksystem 20 mehrere
Hydraulikfunktionen des Aushubbaggers 10 mit Kraft versorgt,
wird vorliegend auf die Auslegerfunktion 30 abgehoben,
um die Erläuterung der
erfindungsgemäßen Energierückgewinnungs- und
Energiewiederverwendungstechniken zu vereinfachen.
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Die
Auslegerfunktion 30 hebt den Ausleger 13 an und
senkt ihn ab durch Steuern der Fluidströmung zu und von den Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17,
von denen jeder einen Zylinder und einen Kolben mit einer Stange
aufweist. Der erste Auslegerzylinderaufbau 16 besitzt einen
ersten Auslegerzylinder 31 mit einem ersten Kolben 27,
der in ihm aufgenommen ist und das Zylinderinnere in eine Stangenkammer 33 und
eine Kopfkammer 34 auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens
unterteilt. Der zweite Auslegerzylinderaufbau 17 weist
einen zweiten Auslegerzylinder 32 mit einem zweiten Kolben 29 auf,
der in ihm gleitend aufgenommen ist und das Zylinderinnere in eine
weitere Stangenkammer 36 und eine Kopfkammer 38 auf
gegenüberliegenden
Seiten des Kolbens unterteilt. Die Volumina der Stangen- und Kopfkammern ändern sich,
wenn der zugeordnete Kolben in dem jeweiligen Zylinder gleitet.
In dem beispielhaften Aushubbagger 10 von 1 ist
jeder Auslegerzylinder 31 bzw. 32 an der Kabine 11 angebracht,
und jeder Kolben 27 bzw. 29 ist am Ausleger 13 durch
eine Kolbenstange 35 bzw. 37 angebracht.
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Die
Stangenkammern 33 und 36 sind miteinander hydraulisch
direkt verbunden. Ein bidirektionales EHP-Zylindertrennsteuerventil 39 verbindet
die Kopfkammern 34 und 38 direkt und ist bevorzugt
direkt mit jeder Kopfkammer verbunden. Ein Schließen des
Zylindertrennsteuerventils 39 isoliert die Kopfkammern
voneinander und ein Öffnen
des Zylindertrennsteuerventils 39 stellt einen direkten
Pfad zwischen den beiden Kopfkammern bereit. Ein "Steuerventil" ist vorliegend als
Ventil definiert, das durch eine Person manuell oder elektrisch
betätigt
wird. Der Begriff "direkt
verbunden" bedeutet
vorliegend, dass die zugeordneten Bestandteile miteinander durch eine
Leitung ohne ein intervenierendes Element, wie etwa ein Ventil,
eine Öffnung
oder eine andere Vorrichtung, verbunden sind, die die Fluidströmung jenseits
der inhärenten
Beschränkung
jeder Leitung beschränkt
oder steuert. Vorliegend bedeutet die Aussage, dass ein Hydraulikbestandteil
zwei weitere Elemente "direkt
verbindet", dass
der Hydraulikbestandteil einen Pfad bereitstellt, damit Fluid zwischen
diesen beiden weiteren Elementen strömen kann, ohne durch einen
Steuerventilaufbau oder durch Versorgungs- oder Rücklaufleitungen
zu fließen,
in denen Fluid zu und von anderen Hydraulikfunktionen strömt. Die
Aussage, dass ein Steuerventil einen "direkten Pfad" zwischen zwei Bestandteilen oder Elemen ten
des Hydrauliksystems bereitstellt, bedeutet vorliegend, dass der
Pfad kein weiteres Steuerventil enthält.
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Ein
Steuerventilaufbau 40 verbindet die Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 mit
den Versorgungs- und Rücklaufleitungen 25 und 26 und
steuert die Fluidströmung
dazwischen. Wenn der Steuerventilaufbau 40 unter Druck
stehendes Fluid den Zylinderkammern 34 und 38 in
den Auslegerzylindern 31 und 32 zuführt und
Fluid von den Stangenkammern 33 und 36 abzieht,
wird jede Kolbenstange 35 und 37 aus ihrem Zylinder
ausgefahren, wodurch der Ausleger 13 angehoben wird. In ähnlicher
Weise zieht die Zufuhr von unter Druck stehendem Hydraulikfluid
von der Zufuhrleitung bzw. Versorgungsleitung 25 zu den Stangenkammern 33 und 36 und
das Abziehen von Fluid aus den Kopfkammern 34 und 38 die
Kolbenstangen 35 und 37 in die Auslegerzylinder 31 und 32 zurück, wodurch
der Ausleger 13 abgesenkt wird. In diesen Zeiten, die üblicherweise
als kraftgesteuertes Ausfahren und Einfahren bezeichnet werden,
wird das Zylindertrennsteuerventil 39 geöffnet, um
beide Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 im Gleichklang zu
betätigen.
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Der
Steuerventilaufbau
40 umfasst vier elektrohydraulische
Proportional-(EHP)-Steuerventile
41,
42,
43 und
44,
die in Wheatstone-Brückenanschaltung
bzw. -anordnung verbunden sind. Alternativ kann ein soleniodbetätigtes Spulenventil
anstelle der vier EHP-Steuerventile
41–
44 verwendet werden. Bevorzugt
handelt es sich bei jedem EHP-Steuerventil
41–
44 um
ein vorsteuerungsbetätigtes,
bidirektionales Steuerventil, wie etwa das beispielsweise im
US-Patent Nr. 6 745 992 beschriebene
Ventil, das gegebenenfalls ein herkömmliches Antikavitationsventil enthält. Das
erste EHP-Steuerventil
41 leitet die Hydraulikfluidströmung aus
der Versorgungsleitung
25 zu einem ersten Arbeitsanschluss
46,
der durch eine erste Stellorganleitung
47 mit einem Knoten
51 zwischen
der Kopfkammer
34 des ersten Zylinders
31 und
dem Zylindertrennsteuerventil
39 in Verbindung gebracht
ist. Die Kopfkammer
38 des zweiten Auslegerzylinders
32 ist
mit der ersten Stellorganleitung
47 verbunden und damit
mit der Kopfkammer
34 des ersten Zylinders
31 durch
das Zylindertrennsteuerventil
39, das dadurch den ersten
Arbeitsanschluss
46 von der Kopfkammer
38 und
die beiden Kopfkammern voneinander isoliert. Das zweite EHP-Steuerventil
42 steuert
die Fluidströmung
zwischen dem ersten Arbeitsanschluss
46 und der Rücklaufleitung
26.
Das dritte EHP-Steuerventil
43 steuert eine Fluidpfadströmung zwischen
der Versorgungsleitung
25 und den beiden Zylinderstangenkammern
33 und
36, die
mit einem zweiten Arbeitsanschluss
48 durch eine zweite
Stellorganleitung
49 verbunden sind. Das vierte EHP-Steuerventil
44 ist
zwischen die Stangenkammern
33 und
36 und die
Rücklaufleitung
26 geschaltet.
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Die
vier EHP-Steuerventile 41–44 sowie das Zylindertrennsteuerventil 39 sind
unabhängig
solenoidbetätigt
durch elektrische Signale von einem Systemcontroller 50.
Durch Öffnen
von sowohl dem ersten wie dem vierten EPH-Steuerventil 41 und 44 zusammen
mit dem Zylindertrennsteuerventil 39 wird unter Druck stehendes
Fluid an die Kopfkammern 34 und 38 angelegt und
Fluid läuft
aus den Stangenkammern 33 und 36 ab, um die Kolbenstangen 35 und 37 auszufahren
und den Ausleger 13 anzuheben. In ähnlicher Weise sendet das Öffnen der
zweiten und dritten EHP-Steuerventile 42 und 43 sowie
des Zylindertrennsteuerventils 39 unter Druck stehendes
Fluid in die Stangenkammern 33 und 36 und leitet
Fluid aus den Kopfkammern 34 und 38 ab, um die
Kolbenstangen 35 und 37 unter Absenken des Auslegers 13 einzuziehen.
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Bei
dem Systemcontroller 50 handelt es sich um eine Mikrocomputer-basierte
Vorrichtung, die Steuersignale von mehreren Joysticks 52 empfängt, durch
den eine Bedienperson die gewünschte
Bewegung der Hydraulikstellorgane des Aushubbaggers angibt. Der
Systemcontroller 50 empfängt außerdem Signale von einem Versorgungsleitungsdrucksensor 54 und
einem Rücklaufleitungsdrucksensor 55.
Getrennte Drucksensoren 56 und 57 sind für die Zylinderkopfkammern 34 und 38 vorgesehen,
während ein
weiterer Drucksensor 58 den Druck in den Stangenkammern 33 und 36 der
Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 misst. Um
die elektrische Verdrahtung zu vereinfachen, ist der Stangenkammerdrucksensor 58 bevorzugt
in der Nähe
des zweiten Arbeitsanschlusses 48 angeordnet, wobei es
sich versteht, dass seine Druckmessung durch Druckverluste in der
zweiten Stellorganleitung 49 beeinträchtigt werden kann. Die Drucksensoren 56, 57 und 58 für die Zylinderkammern
erzeugen Signale, die die Größe der Kraft
F anzeigen, die auf den Ausleger 13 einwirkt. Der Systemcontroller 50 reagiert
auf die Druckmessungen durch Betätigen
der ersten Pumpe 22 variabler Verdrängung, um den Druck in der
Versorgungsleitung 25 zu regeln, um die Druckerfordernisse
der unterschiedlichen Hydraulikstellorgane des Aushubbaggers zu
befriedigen.
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Das
erste Hydrauliksystem 20 umfasst mehrere zusätzliche
Ventile sowie weitere Bestandteile, die eine Vorrichtung bilden,
die eine Energierückgewinnung
und Wiederverwendung für
die Auslegerfunktion 30 ermöglicht. Insbesondere ist ein
Sammelbehälter 60 zum
Bevorraten von Fluid vorgesehen, das von den Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 rückgewonnen
ist. Ein zusätzlicher
Drucksensor 59 ist am Anschluss 61 des Sammelbehälters 60 angeordnet
und erzeugt ein Signal für
den Systemcontroller 50, das den Druck in dem Sammelbehälter anzeigt.
Der Sammelbehälter 60 ist
mit der Kopfkammer 38 des zweiten Auslegerzylinderaufbaus 17 durch
ein bidirektionales EHP-Rückgewinnungssteuerventil 62 verbunden
und von der Kopfkammer 34 des ersten Auslegerzylinderaufbaus 16 isoliert.
Ein elektrohydraulisches Sammelbehälterlade- und -wiederverwendungssteuerventil 66 stellt
einen direkten Pfad zwischen der Versorgungsleitung 25 und
dem Anschluss 61 des Sammelbehälters 60 bereit. Ein elektrohydraulisches
Pumpenrückführsteuerventil 68 verbindet
den Anschluss des Sammelbehälters 60 direkt
mit dem Einlass der ersten Pumpe 22 und ein Entlastungssteuerventil 70 verbindet
einen Knoten 64 der zweiten Zylinderkopfkammer 38 direkt
mit der Tankrückführleitung 26.
Der Knoten 64 ist durch das Zylindertrennsteuerventil 39 von
der Kopfkammer 34 des ersten Zylinders 31 isoliert.
Ein EHP-Arbeitsanschlussnebenschlusssteuerventil 65 stellt
einen direkten Pfad zwischen den ersten und zweiten Arbeitsanschlüssen 46 und 48 bereit
und ist bevorzugt direkt mit jedem Arbeitsanschluss verbunden. Sämtliche
dieser zusätzlichen
Steuerventile 39, 62, 65, 66, 68 und 70 werden
durch Signale von dem Systemcontroller 50 betätigt.
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Durch
selektives Betätigen
verschiedener Kombinationen dieser Ventile wird Fluid zu den und ausgehend
von den Zylinderaufbauten 16 und 17 und der ersten
Pumpe 22, dem Tank 23 und dem Sammelbehälter 60 geleitet.
Aus den Auslegerzylinderaufbauten austretendes Fluid kann während eines schwerkraftmäßigen Absenkens
des Auslegers 13 unter Druck in dem Sammelbehälter bevorratet
werden und daraufhin anstelle von Fluid von der ersten Pumpe verwendet
werden, wodurch die Energie eingespart wird, die anderweitig erforderlich
wäre, diese Pumpe
anzutreiben. Die unterschiedlichen Betriebsarten der Energierückgewinnung
resultieren aus der Betätigung
verschiedener Kombinationen von Ventilen, wie nachfolgend näher erläutert.
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Das
aktuelle Rückgewinnungssystem
vermag den Sammelbehälter 60 auch
direkt mit Fluid von der ersten Pumpe 22 zu versorgen,
wenn keine der Hydraulikfunktionen der Maschinen verwendet wird,
oder wenn die Hydraulikfunktionen, die betätigt sind, lediglich eine relativ
kleine Pumpenfluidmenge erfordern. Zu diesen Zeitpunkten wird das
Sammelbehälterbelade- und -wiederverwendungssteuerventil 66 geöffnet, um
die Versorgungsleitung 25 direkt mit dem Anschluss 61 des
Sammelbehälters 60 zu verbinden.
Die Drucksensoren 54 und 59 zeigen an, wenn der
Druck der Versorgungsleitung größer als der
existierende Druck in dem Sammelbehälter 60 ist, so dass
kein Laden bzw. Beladen stattfindet.
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Eine
weitere Betriebsart, die eine Wiederverwendung der gespeicherten
Energie vorsieht, sieht das Öffnen
des Pumpenrückführsteuerventils 68 vor, wodurch
bevorratetes, unter Druck stehendes Fluid von dem Sammelbehälter 60 zum
Einlass der ersten Pumpe 22 geleitet wird. Dies ist besonders
nützlich, wenn
der Einlass der Pumpe eine Hochdruckeinlasseigenschaft besitzt.
Diese Energierückgewinnung entlastet
das Drehmoment der Maschine, die die erste Pumpe 22 antreibt,
obwohl der Sammelbehälterdruck
geringer ist als der Lastdruck der Zylinderaufbauten 16 und 17,
weshalb er nicht dazu genutzt werden kann, die Zylinderaufbauten
direkt mit Kraft zu versorgen. In diesem Fall muss die erste Pumpe Drehmoment
von dem Motor nutzen, um die Druckdifferenz zwischen dem Sammelbehälter 60 und
dem Lastdruck auf die Zylinderaufbauten zu verwirklichen bzw. bereitzustellen.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst das erste Hydrauliksystem 20 außerdem eine
Schwenkfunktion 80 zum bidirektionalen Drehen der Aushubbaggerkabine 11 und
des Auslegeraufbaus 12 unter Bezug auf das Kettenlaufwerk 9.
Eine zweite Pumpe 82 variab ler Verdrängung liefert unter Druck stehendes
Fluid über
eine zweite Versorgungsleitung 83 zur Schwenkfunktion 80.
Ein Steuerventilaufbau 84 ähnlich dem Steuerventilaufbau 40 steuert
die Hydraulikfluidströmung
von der zweiten Pumpe 82 zu einem Motor 86 und
von dem Motor zu dem Tank 23. Der Motor 86 besitzt
zwei Anschlüsse
und der Ventilaufbau 84 verbindet die zweite Pumpe 82 selektiv
mit einem Anschluss und verbindet den anderen Anschluss mit dem
Tank, wodurch die Richtung, entlang welcher das Fluid durch den
Motor strömt,
und dadurch die Richtung, mit der sich die Kabine 11 um
das Kettenlaufwerk 9 dreht, festgelegt ist.
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Die
beiden Anschlüsse
des Motors 86 sind außerdem
mit den Eingängen
eines Wechselventils 88 verbunden, das einen Auslass aufweist,
der durch ein druckbetätigtes
Ventil 90 mit dem Anschluss 61 des Sammelbehälters 60 verbunden
ist. Das druckbetätigte
Ventil 90 öffnet,
wenn Druck am Auslass des Wechselventils 88 einen gegebenen
Pegel übersteigt,
der dann auftritt, wenn die Drehung der Kabine 11 ein Ende
erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird das unter Druck stehende Fluid
zu dem Sammelbehälter 60 anstatt
durch den Ventilaufbau 84 zum Tank 23 geleitet.
Die Energie des aus dem Motor 86 zu diesen Zeitpunkten
austretenden Fluids wird in dem Sammelbehälter 60 gespeichert.
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Das
bevorratete bzw. gespeicherte Fluid kann durch die Auslegerfunktion 30 genutzt
werden, wie vorstehend erläutert,
oder sie kann dazu genutzt werden, den Schwenkfunktionsmotor 86 mit
Kraft zu versorgen. Um den zuletzt genannten Betrieb zu bewirken,
wird ein bidirektionales elektrohydraulisches Versorgungssteuerventil 92 geöffnet, um
Fluid von dem Sammelbehälter 60 zum
Einlass des Ventilaufbaus 84 zu fördern. Dieses Sammelbehälterfluid
wird anstelle von oder ergänzend
zu Fluid von der zweiten Pumpe 82 genutzt.
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Durch
Miteinanderverbinden der ersten und zweiten Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 wird die
Belastung dieser Zylinder auf dem Produktionssystem vergleichmäßigt. Es
geht jedoch ein Grad an Steuerfreiheit verloren. Ein größerer Wirkungsgrad kann
erzielt werden durch Trennen der Kopfkammern 34 und 38 der
beiden Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 zum
Minimieren von Druckkompensationsverlusten im Hydrauliksystem der
Maschine.
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3 zeigt
ein alternatives zweites Hydrauliksystem 96, das diesen
größeren Freiheitsgrad
verwirklicht. Dieses zweite Hydrauliksystem 96 ist ähnlich zum
ersten Hydrauliksystem 20 in 2, und ähnliche
Bestandteile sind mit identischen Bezugsziffern bezeichnet. Der
Unterschied besteht darin, dass das Versorgungs- bzw. Zufuhrsteuerventil 92 in
dem vorstehend erläuterten
System 20 ersetzt ist durch ein bidirektionales elektrohydraulisches
Zufuhr- bzw. Versorgungssteuerventil 98, das einen direkten
Pfad zwischen der zweiten Versorgungsleitung 83 von der Pumpe 82 und
der Kopfkammer 38 des zweiten Auslegerzylinders 32 bereitstellt.
Bevorzugt ist das Versorgungssteuerventil 98 direkt zwischen
die zweite Versorgungsleitung und die Kopfkammer 38 geschaltet.
Dies versetzt den Ausleger in die Lage, unter Verwendung von Fluid
von der ersten Pumpe 22 angehoben zu werden, um den ersten
Auslegerzylinderaufbau 16 unter Steuerung des Steuerventilaufbaus 40 anzutreiben,
während
das Versorgungssteuerventil 98 das Anlegen von Fluid von
der zweiten Pumpe 82 am zweiten Auslegerzylinderaufbau 17 steuert.
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Beispiel 1
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Es
wird vorausgesetzt, dass die erste Pumpe 22 Fluid anderen
Hydraulikfunktionen der Maschine zuführt und mit 300 Bar Druck läuft, um
den strengsten Anforderungen dieser Funktionen zu entsprechen. Außerdem wird
vorausgesetzt, dass noch weitere Hydraulikfunktionen mit der zweiten
Pumpe 82 verbunden sind, die mit 200 Bar Druck läuft, um
den stärksten
Fluidbedarf zu befriedigen. Ferner wird vorausgesetzt, dass 250
Bar Druck erforderlich sind, um die Last auf dem Ausleger 13 anzuheben.
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Bei
einem herkömmlichen
System würde
die erste Pumpe 22 bei 300 Bar verbleiben und die zusätzlichen
50 Bar würden
als Druckkompensationsverluste "verbrannt" werden. Bei diesem
herkömmlichen
System würde
der Druck der zweiten Pumpe 82 auf 250 Bar ansteigen und
seine weiteren Hydraulikfunktionen würden Druckkompensationsverluste
erzeugen, weil der Druck größer als
derjenige ist, der für
diese Funktionen erforderlich ist.
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Bei
dem in 3 gezeigten System setzt die erste Pumpe 22 ihren
Betrieb bei 300 Bar fort und die zweite Pumpe 82 arbeitet
weiterhin bei 200 Bar, entsprechend einem mittleren kombinierten
Druck von 250 Bar. Jede dieser Pumpen führt Fluid den Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 zu,
und zwar die erste Pumpe über
den Steuerventilaufbau 40 und die zweite Pumpe über das
Zufuhr- bzw. Versorgungssteuerventil 98. Hierdurch bewegt
sich jeder Zylinderaufbau mit unterschiedlicher Druckhöhe und damit unterschiedlicher
Kraft. Dessen ungeachtet ist die resultierende Nettokraft auf den
Ausleger 13 dieselbe wie beim herkömmlichen System.
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Beispiel 2
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Es
wird vorausgesetzt, dass eine weitere Hydraulikfunktion vorliegt,
die mit der ersten Pumpe 22 verbunden ist, die bereits
dem gesamten Pumpenabgabedurchfluss verbraucht hat. Wenn das Anheben des
Auslegers 13 befohlen wird, vermag die zweite Pumpe 82 die
gesamte Kraft zu dem Ausleger über das
Versorgungssteuerventil 98 und den zweiten Zylinderaufbau 17 zu
liefern, während
Fluid für
die Kopfkammer 34 des ersten Zylinders 31 von
der Rücklaufleitung 26 durch
das Antikavitationsrückschlagventil in
dem zweiten EHP-Steuerventil 42 abgezogen wird.
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Die
Funktionalität
der Beispiele 1 und 2 kann durch ein drittes Hydrauliksystem 100 bereitgestellt werden,
das solenoidbetätigte
Spulenventile verwendet, wie beispielsweise in 4 gezeigt.
Das Hydrauliksystem 100 umfasst eine Auslegerfunktion 102,
in der dieselben Bestandteile wie in den vorausgehend erläuterten
Systemen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Kopfkammern 34 und 38 der
ersten und zweiten Auslegerzylinder 31 und 32 sind
hydraulisch durch ein bidirektionales, elektrohydraulisches Zylindertrennsteuerventil 39 verbunden. Ein
elektrohydraulisches Nebenschlusssteuerventil 65 ist zwischen
die Anschlüsse
für die
Stangen- und Kopfkammern des ersten Zylinders 31 geschaltet.
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Das
dritte Hydrauliksystem 100 besitzt eine Hydraulikfluidquelle 21,
die durch erste und zweite Pumpen 22 und 82 gebildet
ist, die Fluid aus einem Tank 23 abziehen, und es betreibt
die Auslegerfunktion 102, eine Schwenkfunktion 80 sowie
weitere Funktionen der Maschine, die nicht dargestellt sind. Der
Ausgang der ersten Pumpe 22 versorgt eine erste Versorgungsleitung 25,
die mit einem Einlass eines solenoidbetätigten Dreistellungs-, Vierwege-Spulenventils 104 ver bunden
ist, das einen Steuerventilaufbau der Auslegerfunktion bildet. Ein
Auslass des ersten Spulenventils 104 ist mit der Rücklaufleitung 26 verbunden,
die zum Tank 23 führt.
Das erste Spulenventil 104 besitzt zwei Arbeitsanschlüsse, von
denen ein Anschluss 48 direkt mit den Stangenkammern 33 und 36 der
zweiten Hydraulikzylinder verbunden ist, während der weitere Arbeitsanschluss 46 direkt
mit der Kopfkammer 34 des ersten Hydraulikzylinders 31 verbunden
ist. Ein erstes Entlastungsventil 106 ist zwischen den
ersten Arbeitsanschluss 46 und die Rücklaufleitung 26 geschaltet.
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Der
Auslass der zweiten Pumpe 82 versorgt eine zweite Versorgungsleitung 83,
die mit dem Einlass eines Dreistellungs-, Vierwege-solenoidbetätigten zweiten
Spulenventils 108 verbunden ist, das ein Versorgungssteuerventil
bildet. Der Auslass des zweiten Spulenventils 108 ist mit
der Rücklaufleitung 26 verbunden.
Das zweite Spulenventil 108 besitzt ein Paar von Arbeitsanschlüssen, von
denen einer direkt mit den Stangenkammern 33 und 36 der
Hydraulikzylinder verbunden ist, während der weitere Arbeitsanschluss
direkt mit der Kopfkammer 38 des zweiten Hydraulikzylinders 32 verbunden
ist. Ein zweites Entlastungsventil 110 ist zwischen die
Kopfkammer 38 und die Rücklaufleitung 26 geschaltet. Die
beiden Spulenventile 104 und 108 können unabhängig betätigt werden,
um Fluid von jeder der beiden Pumpen 22 und 82 den
zwei ersten und zweiten Zylindern 31 und 32 in
derselben Weise zuzuführen, wie
die Steuerventile 41–44 und 98,
die in dem zweiten Hydrauliksystem 96 in 3 arbeiten.
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Das
dritte Hydrauliksystem 100 besitzt ferner einen Sammelbehälter 112,
der durch ein bidirektionales Elektrohydraulikventil 114 mit
der Kopfkammer 38 des zweiten Zylinders 32 verbunden
ist. Dieser Sammelbehälter 112 vermag
Energie in Bezug auf die ersten und zweiten Hydraulikzylinder 31 und 32 zu
bevorraten und zu recyceln, und zwar im Wesentlichen in derselben
Weise, wie unter Bezug auf die Sammelbehälter in den Hydrauliksystemen
in 2 und 3 erläutert.
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Energierückgewinnung
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Die
Auslegerfunktion kann in mehreren Betriebsarten betätigt sein,
wobei bei einigen dieser Betriebsarten Energie von einer Überlast
rückgewonnen
wird. Ein Überlastzustand
tritt bei dem beispielhaften Aushubbagger 10 dann auf,
wenn die Last und das Gewicht des Auslegeraufbaus 12 eine
Kraft erfahren, die dazu neigt, die Kolbenstangen 35 und 37 in
die Auslegerzylinder 31 und 32 zurückzuziehen, wodurch
Fluid aus den Kopfkammern 34 und 38 zwangsweise
ausgeleitet wird, ohne die Stangenkammern 33 und 36 unter
Druck zu setzen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Fluid, anstatt in
den Tank 23 übertragen
zu werden, in den Sammelbehälter 60 geleitet,
in dem es unter Druck bevorratet wird. Diese Energierückgewinnungs-
und Energiewiederverwendungstechniken sehen das Betreiben des Hydraulikkreises
in mehreren unterschiedlichen Energierückgewinnungsbetriebsarten vor,
wenn der Aushubbaggerausleger 13 abgesenkt wird. Die Wahl
einer bestimmten Energierückgewinnungsbetriebsart
beruht auf den Drücken
in den Kopf- und Stangenkammern der Auslegerzylinder 31 und 32 und
dem Druck, der im Sammelbehälter 60 vorliegt.
Die Druckbeziehungen müssen
derart sein, dass das Fluid in den korrekten Richtungen strömt, wie
für jede
bestimmte Energierückgewinnungsbetriebsart
festgelegt bzw. erläutert,
wie nachfolgend beschrieben. Der Sammelbehälterdruck wird durch den Drucksensor 59 angezeigt.
Drücke
in den Kopfkammern 34 und 38 werden durch Sensoren 56 und 57 gemessen,
und der Druck in beiden Stangenkammern 33 und 36 wird
durch den Sensor 58 gemessen.
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In
den 5 bis 9 sind mehrere Energierückgewinnungsbetriebsarten
gezeigt, und bei der Darstellung handelt es sich um schematische
Diagramme des zweiten Hydrauliksystems 96 in 3. In
diesen Darstellungen sind primäre
Fluidströmungspfade
mit dicker, durchgehender Linie bezeichnet und partielle oder optionale
Strömungspfade,
die abhängig
von speziellen Betriebsbedingungen auftreten, sind mit dicken, strichlierten
Linien dargestellt. Dünne,
durchgezogene Linie bezeichnen Pfade, durch die Fluid in der bezeichneten
Betriebsart nicht strömt.
Diese Strömungsbezeichnungskonvention
wird auch verwendet für
die in 10 bis 15 gezeigten
Energiewiederverwendungsbetriebsarten, wie nachfolgend erläutert.
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Es
wird vorausgesetzt, dass eine anfängliche Stellung des Auslegeraufbaus 12 relativ
hoch liegt, wodurch eine relativ große potentielle Energie vorliegt.
Hierdurch übt
der Ausleger auf jeden Zylinderaufbau 16 und 17 eine
Kraft aus, die ausreichend Druck in ihren Kopfkammern 34 und 38 erzeugt,
um den Sammelbehälter 60 zu
beladen, wie in der Doppelzylinder-Energierückgewinnungsbetriebsart von 5 gezeigt.
Der Druck im Sammelbehälter
liegt unterhalb der Schwelle, die durch die nachfolgende Ungleichung
festgelegt ist: P59 < (P56 +
P57)/2 – P58/R
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In
dieser Ungleichung ist P59 der Druck im Sammelbehälter, gemessen
vom Sensor 59. P56 ist der Druck
in der Kopfkammer 34 des ersten Zylinderaufbaus 16,
gemessen vom Sensor 56. P57 ist
der Druck in der Kopfkammer 38 des zweiten Zylinderaufbaus 17,
gemessen vom Sensor 57, und P58 ist der
Druck in den Stangenkammern 33 und 36 der Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17,
gemessen vom Sensor 58 (siehe 3). Bei
R handelt es sich um das Verhältnis
der Querschnitte der Kopfkammern 34 und 38 und
der Stangenkammern 33 und 36. Das Zylinderverhältnis ist
durch folgende Gleichung festgelegt: R = πr2A /(πr2A – πrROD 2)
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In
dieser Gleichung ist rA der Radius der Kopfkammern 34 und 38 und
rROD ist der Radius der Kolbenstangen 35 und 37.
R ist eine Konstante für die
gewählten
Zylinderaufbauten 16 und 17, ausgewählt für den Hydraulikkreis.
Die Größe (P56 + P57)/2 – P58/R wird vorliegend als Doppelzylinder-Energierückgewinnungsbetriebsart-Differenzdruck
bezeichnet. Außerdem
wird bemerkt, dass die vorstehend angeführte Ungleichung modifiziert
werden kann, um Verluste auf Grund von Reibung und anderen Faktoren
zu berücksichtigen.
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In
der Doppelzylinder-Energierückgewinnungsbetriebsart 121 wird
das aus den Kopfkammern 34 und 38 austretende
Fluid durch ein offenes Zylindertrennsteuerventil 39 zusammengeführt und strömt durch
ein offenes Rückgewinnungssteuerventil 62 zur
Beladung des Sammelbehälters 60.
Das Rückgewinnungssteuerventil 62 wird
moduliert, um die Geschwindigkeit des Auslegers proportional zu steuern.
Fluid, das erforderlich ist, die expandierenden Stangenkammern 33 und 36 zu
füllen,
wenn der Ausleger absinkt, wird durch den Steuerventilaufbau 40 gezogen.
Insbesondere wird Fluid von anderen Funktionen der Maschine aus
der Rücklaufleitung 26 durch
das Antikavitationsrückschlagventil
in dem vierten EHP-Steuerventil 44 gezogen. Da die Schwerkraft
den Ausleger absenkt, muss das aus der Rücklaufleitung 26 abgezogene
Fluid nicht unter hohem Druck stehen. Wenn diese Antikavitationsströmung unzureichend
ist, kann das dritte EHP-Steuerventil 43 geöffnet werden,
um Fluid von der Pumpe 22 zu den Stangenkammern 33 und 36 zu
liefern. Das Absinken des Auslegers 13 erreicht eine Stellung,
in der die auf die beiden Zylinderaufbauten 16 und 17 ausgeübte Kraft
nicht mehr ausreichend Druck in beiden Kopfkammern erzeugt, um ein
Beladen des Sammelbehälters 60 fortzusetzen.
Wenn der Druck in dem Sammelbehälter
unter der Schwelle zu liegen kommt, die durch folgende Ungleichung
festgelegt ist: P59 < ((P56 +
P57)/2 – P58/R)·2
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Geht
die Energierückgewinnung
in eine Energierückgewinnungsbetriebsart 122 mit
aufgeteiltem Zylinder zurück,
die in 6 gezeigt ist, und den Druck in einer Kopfkammer
verstärkt,
um den Sammelbehälter
zu laden. Die rechte Seite dieser Ungleichung wird vorliegend als
aufgeteilter Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart-Differenzdruck
bezeichnet. Es wird bemerkt, dass die vorstehend angeführte Ungleichung
modifiziert werden kann, um Verluste auf Grund von Reibung und anderen
Faktoren zu berücksichtigen.
Während
das Rückgewinnungssteuerventil 62 offen
bleibt, um ein Beladen des Sammelbehälters 60 fortzusetzen,
wird das zweite EHP-Steuerventil 42 allmählich geöffnet, wenn
das Zylindertrennsteuerventil 39 geschlossen wird. Dies überträgt unter
Druck stehendes Fluid von der Kopfkammer 34 des ersten
Auslegerzylinders 31 durch das zweite EHP-Steuerventil 42 und
das Antikavitationsventil in dem vierten EHP-Steuerventil 44 zu
den Kopfkammern 33 und 36 beider Auslegerzylinder.
Ein Schließen
des Zylindertrennsteuerventils 39 isoliert die beiden Auslegerzylinder 31 und 32 voneinander
und verschiebt die beiden Kopfkammern 34 und 38 aus
einem anfänglichen
Gleichdruckzustand in Zustände,
in denen diese Kammern unterschiedliche Drücke aufweisen, wodurch unterschiedliche Kräfte ausgeübt werden.
In der aufge teilten Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart 122 wird die
Kraft von dem Ausleger ausschließlich durch den zweiten Zylinderaufbau 17 aufgenommen
bzw. getragen, und dadurch ist der Druck in der Kopfkammer 38 und
dem zweiten Zylinder 32 höher zum Beladen des Sammelbehälters als
dann, wenn die Auslegerkraft durch beide Zylinderaufbauten 16 und 17 aufgenommen
bzw. getragen wird, wie in der in 5 gezeigten
Doppelzylinder-Energierückgewinnungsbetriebsart 121.
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Die
Kopfkammer 38 des zweiten Zylinders 32 erzeugt
einen ausreichend hohen Druck, um ein Beladen des Sammelbehälters 60 fortzusetzen.
Fluid aus dieser Kopfkammer 38 wird deshalb durch das Rückgewinnungssteuerventil 62 in
den Sammelbehälter 60 geleitet.
Während
der aufgeteilten Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart 122 werden
das Rückgewinnungssteuerventil 62 und
das zweite EHP-Steuerventil 42 zum Steuern der Rate moduliert,
mit der der Ausleger 13 weiterhin abgesenkt wird.
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Wenn
in der geteilten Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart 122 die
Menge an Kopfkammerfluid nicht hinreicht, um beide Stangenkammern 33 und 36 zu
füllen,
kann das dritte EHP-Steuerventil 43 geöffnet werden,
um zusätzliches
Fluid von der ersten Pumpe 22 zu liefern. Dieses zusätzliche
Fluid muss nicht unter einem speziellen Druck stehen, weil es nicht
dazu genutzt wird, die Zylinderaufbauten 16 und 17 anzutreiben;
vielmehr wird es lediglich benötigt,
die expandierenden Stangenkammern zu befüllen. Wenn andererseits die
Kopfkammer 34 des ersten Zylinders 31 mehr Fluid
enthält,
als erforderlich ist, beide Stangenkammern 33 und 36 zu
füllen,
wie dies beispielsweise der Fall ist bei Kolbenstangen sehr großen Durchmessers,
kann das überschüssige Fluid
zu der Rücklaufleitung 26 durch
selektives Öffnen
des zweiten EHP-Steuerventils 42 gesandt werden.
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Da
die Fluidströmung
von jeder Kopfkammer 34 und 38 getrennt in der
getrennten Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart 122 gesteuert
wird, können
die Kräfte
auf jeder Seite des Auslegers 13 ungleich sein und an dem
Ausleger eine Verdrehwirkung hervorrufen. Um diesen Zustand zu vermeiden, kann
eine pseudo-geteilte Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart 123 verwendet
werden, die in 7 gezeigt ist. Diese Betriebsart
kann ausgehend von der Doppelzylinder-Energierückgewinnungsbetriebsart (5)
direkt eingeleitet werden, wenn der Druck auf den Sammelbehälter unter
die Schwelle fällt,
die durch folgende Gleichung festgelegt ist: P59 < (R/R – 1)·((P56 + P57)/2 – P58/R)
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Die
rechte Seite dieser Ungleichung wird vorliegend als pseudo-geteilter
Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart-Differenzdruck bezeichnet.
Es wird bemerkt, dass die vorstehend angeführte Ungleichung modifiziert
werden kann, um Verluste auf Grund von Leitungsverlusten, Reibung
und anderer Faktoren zu berücksichtigen.
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In
dieser Betriebsart bleibt das Zylindertrennsteuerventil 39 offen,
um Druck zwischen den beiden Kopfkammern 34 und 38 zu
kommunizieren. Das EHP-Arbeitanschlussnebenschlusssteuerventil 65 öffnet, um
unter Druck stehendes Fluid von der Kopfkammer 34 des ersten
Auslegerzylinders 31 zu beiden Stangenkammern 33 und 36 zu
liefern.
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Im
Falle eines typischen Aushubbaggers besitzen die Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 Kolbenstangen 35 und 37 großen Durchmessers,
so dass dann, wenn sich der Kolben bewegt, das Volumen jeder Stangenkammer 33 und 36 sich
um das halbe Volumen ändern
kann, mit dem sich das Volumen jeder Kopfkammer ändert. Dies bedeutet, dass in
der pseudo-geteilten Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart 123 das
die erste Zylinderkopfkammer 34 verlassende Fluid ausreicht,
beide expandierenden Stangenkammern 33 und 36 zu
füllen.
Fluid strömt
deshalb nicht durch das offene Zylindertrennsteuerventil 39.
Wenn jedoch die genannte Eins-zu-zwei-Volumenbeziehung nicht existiert,
kann zusätzliches
Fluid, das benötigt
wird, die Stangenkammern 33 und 36 zu füllen, durch
das Zylindertrennsteuerventil von der zweiten Zylinderkopfkammer 38 kommen.
Dessen ungeachtet strömt
das meiste, wenn nicht das gesamte Fluid in der Kopfkammer 38 des
zweiten Zylinders 32 in den Sammelbehälter 60.
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Wenn
der Betrieb in einer geteilten Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart 122 oder 123 einen
Punkt erreicht, an dem nicht länger
mehr ausreichend Druck von der Kopfkammer 38 des zweiten
Zylinders 32 zur Verfügung
steht, um den Sammelbehälter
zu befüllen,
dieser Druck jedoch größer als
null ist, wie durch die nachfolgende Gleichung festgelegt: (P56 + P57)/2 – P58/R > 0,geht
der Zylinderbetrieb in eine Querkammerenergierückgewinnungsbetriebsart 124 über, wie
in 8 gezeigt. Die linke Seite dieser Ungleichung
wird vorliegend als Cross- bzw. Querkammerenergierückgewinnungsbetriebsart-Differenzdruck
bezeichnet. Es wird bemerkt, dass die vorstehend genannte Ungleichung
dahingehend modifiziert werden kann, Verluste auf Grund von Reibung
und anderen Faktoren zu berücksichtigen.
In der Querkammerenergierückgewinnungsbetriebsart 124 schließt das Rückgewinnungssteuerventil 62 typischerweise,
um eine re lativ hohe Druckbelastung in dem Sammelbehälter 60 beizubehalten.
Dessen ungeachtet kann in der Kopfkammer 38 des zweiten
Auslegerzylinders 32 ein ausreichend hoher Druck herrschen,
um das Beladen des Sammelbehälters
fortzusetzen, welcher Vorgang durch die Drucksensoren 57 und 59 (3)
angezeigt wird, und das Rückgewinnungssteuerventil 62 kann
hierdurch in dieser Betriebsart partiell geöffnet sein. In jedem Fall öffnet das
Zylindertrennsteuerventil 39 zusammen mit dem Arbeitsanschlussnebenschlusssteuerventil 65,
so dass Fluid aus beiden Kopfkammern 34 und 38 zugeführt wird,
um die expandierenden Stangenkammern 33 und 36 zu
füllen. Da
die Fluidaggregatmenge, die aus den beiden Kopfkammern austritt,
größer ist
als es erforderlich wäre,
die Stangenkammern zu füllen, öffnet das zweite
EHP-Steuerventil 42, um überschüssiges Fluid in die Rücklaufleitung 26 und
hin bis zum Tank 23 zu fördern.
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Es
wird bemerkt, dass die Energierückgewinnungsbetriebsarten 121, 122, 123 und 124 nicht die
vorstehend erläuterte
Sequenz durchlaufen müssen.
Die Wahl von einer der Energierückgewinnungsbetriebsarten 121, 122, 123 und 124 sollte
auf den Rückgewinnungswirkungsgradvorteilen
beruhen, die jede Betriebsart zu einem gegebenen Zeitpunkt bereitstellt.
Jegliche Energierückgewinnungsbetriebsart kann
demnach in eine beliebige der anderen Energierückgewinnungsbetriebsarten übergehen,
und eine geeignete Wahl kann durch den Systemcontroller 50 auf
Grundlage der vorliegend bereitgestellten Gleichungen getroffen
werden.
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In
der Querkammerenergierückgewinnungsbetriebsart 124 erreicht
der Sammelbehälter
maximale Bevorratungsfähigkeit.
Außerdem
beginnt dann, wenn das Zylindertrennsteuerventil 39 öffnet, der
Druck in den beiden Zylinderkopfkammern 34 und 38 sich
erneut zu vergleichmäßigen. Obwohl
die bevorzugte Ausführungsform
das Arbeitsanschlussnebenschlusssteuerventil 65 enthält, kann
dieses Ventil aus Kosteneinsparungsgründen entfallen, wenn die geteilte
Zylinderenergierückgewinnungsbetriebsart 123 nicht
genutzt wird. Wenn zu diesen Zeitpunkten das Arbeitsanschlussnebenschlusssteuerventil 65 in
diesem Fall geöffnet
werden würde,
würde der
Steuerventilaufbau 40 durch Öffnen der zweiten und vierten
EHP-Steuerventile 42 und 44 betätigt werden,
um Fluid durch eines dieser Paare zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen 46 und 48 zusammen
mit dem Öffnen
des Trennsteuerventils 39 zu fördern.
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Gegebenenfalls
erreicht der Ausleger 13 eine derartige niedrige Stellung,
dass die Kräfte
auf Grund der Schwerkraft alleine nicht hinreichen, ein weiteres
Absenken des Auslegers schnell genug zu Gunsten eines effizienten
Betriebs des Aushubbaggers zu bewirken. Druck von einer Pumpe ist
nunmehr erforderlich, um den Ausleger weiter abzusenken. In diesem
Zusammenhang geht der Betrieb über in
eine kraftgesteuerte Energiebetriebsart 125, wie in 9 gezeigt.
Das dritte EHP-Steuerventil 43 öffnet dabei
zum Anlegen von unter Druck stehendem Fluid aus der ersten Pumpe 22 an
die Stangenkammern 33 und 36 beider Auslegerzylinder 31 und 32.
Dieses unter Druck stehende Fluid treibt die Kolben weiter vor,
um die Kolbenstangen zusätzlich
einzuziehen, um dadurch den Ausleger 13 in Abwärtsrichtung
anzutreiben. Das aus den Kopfkammern 34 und 38 zu diesem
Zeitpunkt austretende Fluid wird durch das geöffnete Zylindertrennsteuerventil 39 und
das zweite EHP-Steuerventil 42 in
die Rücklaufleitung 26 gefördert. Die
zweiten und dritten EHP-Steuerventile 42 und 43 werden
zum Steuern der Geschwindigkeit des Auslegers moduliert.
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Die
Stellungen des Auslegers 13 und des Arms 14 des
Aushubbaggers 10 beeinträchtigen die Krafthöhe, die
der Ausleger auf die Zylinderaufbauten 16 und 17 ausübt, und
damit die Energiehöhe,
die rückgewonnen
werden kann. Die Krafthöhe
entspricht dem Zylinderkammerdruck, der durch die Sensoren 56, 57 und 58 gemessen
wird. Die Signale von diesen Sensoren sowie vom Sammelbehälterdrucksensor 59 versetzen
den Systemcontroller 50 deshalb in die Lage, zu ermitteln,
welche der Energierückgewinnungsbetriebsarten
praktikabel sind, und welche die meiste Energie rückgewinnen.
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Energiewiederverwendung
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Wenn
der Zeitpunkt kommt, die Kolbenstangen aus den Auslegerzylindern 31 und 32 auszufahren
und den Ausleger 13 entgegen der Belastungskraft F anzuheben,
die nach unten wirkt, kann Fluid aus dem Sammelbehälter 60 anstelle
von unter Druck stehendem Fluid von der ersten Pumpe 22 oder
zusätzlich
zu diesem recycelt werden. In einer in 10 gezeigten
ersten Energiewiederverwendungsbetriebsart 131 wird in
dem Sammelbehälter 60 bevorratetes
Fluid über
das offene Rückgewinnungssteuerventil 62 und
das Zylindertrennsteuerventil 39 zu beiden Zylinderkopfkammern 34 und 38 zugeführt. Fluid,
das aus den Stangenkammern 33 und 36 ausgetragen
wird, strömt über ein
geöffnetes viertes
EHP-Steuerventil 44 in die Rücklaufleitung 26.
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Es
wird bemerkt, dass der Sammelbehälter 60 häufig nicht
auf einen Druckpegel belastet bzw. geladen wird, der hinreicht,
beide Zylinderaufbauten 16 und 17 anzutreiben.
Außerdem
kann die Fluidmenge, die im Sammelbehälter gespeichert ist, nicht hinreichen,
beide Kopfkammern 34 und 38 zu befüllen. In
diesen Fällen
wird eine zweite Energiewiederverwendungsbetriebs art 132,
die in 11 gezeigt ist, implementiert,
demnach das Rückgewinnungssteuerventil 62 geöffnet wird,
während
das Zylindertrennsteuerventil 39 geschlossen ist. Dies
leitet Fluid aus dem Sammelbehälter 60 in
ausschließlich
die Kopfkammer 38 des zweiten Zylinders 32. Das
Rückgewinnungssteuerventil 62 ist
typischerweise vollständig
geöffnet,
um Dosierverluste der Strömung aus
dem Sammelbehälter
zu beseitigen. Die Kopfkammer 34 des ersten Zylinders 31 empfängt unter Druck
stehendes Fluid von der ersten Pumpe 22 über das
erste EHP-Steuerventil 41. Der erste Zylinder 31 wird
demnach durch Pumpenfluid angetrieben und der zweite Zylinder 32 durch
Fluid aus dem Sammelbehälter.
Das erste EHP-Steuerventil 41 und das Rückgewinnungssteuerventil 62 werden
zum Steuern der Rate bzw. Geschwindigkeit moduliert, mit der der
Ausleger in die Höhe
steigt. Während
dies der Fall ist, strömt
die beiden Stangenkammern 33 und 36 verlassendes
Fluid durch ein geöffnetes
viertes EHP-Steuerventil 44 in die Rücklaufleitung 26.
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Die
zweite Pumpe 82 kann durch ein zweites Versorgungsventil 99 mit
dem Anschluss der Kopfkammer 34 für den ersten Auslegerzylinder 31 verbunden
werden, in dem Fall unter Druck stehendes Fluid von der zweiten
Pumpe dieser Kopfkammer zugeführt
werden kann, um Fluid von der ersten Pumpe 22 zu ergänzen. Um
dies zu bewirken, misst das zweite Versorgungsventil 99 Fluid
der Kopfkammer 34 für
den ersten Auslegerzylinder 31 zu, während das erste EHP-Steuerventil 41 verwendet
wird, um Fluidströmung
zu dosieren.
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Gegebenenfalls
wird Fluid aus dem Sammelbehälter 60 vermindert
bzw. dezimiert und kann nicht länger
verwendet werden, um den zweiten Zylinder 32 anzutreiben.
Zu diesem Zeitpunkt kann der Hydrauliksystembetrieb in eine dritte
Energiewiederverwendungsbetriebsart 133 eintreten, die
in 12 gezeigt ist, demnach Fluid von der zweiten
Pumpe 82 anstelle oder ergänzend zu Fluid aus dem Sammelbehälter 60 genutzt
wird. Bewirkt wird dies durch Öffnen
des Versorgungssteuerventils 98, um Fluid von der zweiten
Pumpe 82 zur Kopfkammer 38 des zweiten Zylinders 32 zu
leiten. Die Kopfkammer 34 des ersten Zylinders 31 empfängt weiterhin
Fluid von der ersten Pumpe 22 über den Steuerventilaufbau 40 und
Fluid, das aus den Stangenkammern 33 und 36 austritt,
wird ebenfalls über
den Steuerventilaufbau der Rücklaufleitung 26 zugeführt. In
dieser dritten Energiewiederverwendungsbetriebsart 133 werden das
erste EHP-Steuerventil 41 und das Versorgungssteuerventil 98 zur
Steuerung der Rate bzw. Geschwindigkeit moduliert, mit der der Ausleger 13 steigt
bzw. angehoben wird.
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13 zeigt
eine vierte Energiewiederverwendungsbetriebsart 134, in
der die Ausgaben der ersten und zweiten Pumpen 22 und 82 durch
das Zylindertrennsteuerventil 39 kombiniert und an beide Kopfkammern 34 und 38 angelegt
werden. In der vierten Energiewiederverwendungsbetriebsart 134 wird
Fluid von der ersten Pumpe 22 durch das erste EHP-Steuerventil 41 zu
den Kopfkammern 34 und 38 gefördert, während das Versorgungssteuerventil 98 Fluid
von der zweiten Pumpe 82 zu ebendiesen Kammern fördert. Ein
Teil des Fluids kann aus dem Sammelbehälter 60 abhängig von
dem dort vorherrschenden Druckpegel strömen. Fluid, das die Stangenkammern 33 und 36 verlässt, strömt über ein
geöffnetes vierte
EHP-Steuerventil 44 in die Rücklaufleitung 26.
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14 zeigt
eine fünfte
Energiewiederverwendungsbetriebsart 135, demnach Fluid
von ausschließlich
der ersten Pumpe 22 die Kopfkammern 34 und 38 der
beiden Hydraulikzylinderaufbauten 16 und 17 mit
Kraft versorgt. Die zweite Pumpe 82 versorgt die Auslegerfunktion 30 in
dieser Betriebsart nicht. Das ers te EHP-Steuerventil 41 steuert
die Fluidströmung
von der ersten Pumpe 22 zu den Kopfkammern 34 und 38 sowie
die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der der Ausleger angehoben wird.
Das vierte EHP-Steuerventil 44 steuert die Fluidströmung aus
den Stangenkammern 33 und 36 zu der Rückführleitung 26.
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In
den ersten bis fünften
Energiewiederverwendungsbetriebsarten 131–135 neigt
die auf den Ausleger 13 einwirkende Kraft dazu, den Ausleger abzusenken.
In weiteren Betriebszuständen
des Aushubbaggers 10 neigt eine externe Kraft dazu, den Ausleger 13 anzulegen.
Beispielsweise unter Bezug auf 1 wird vorausgesetzt,
dass der Auslegeraufbau 12 vollständig in seine größte Reichweite
ausgehend von der Aushubbaggerkabine 11 ausgefahren ist
und dass daraufhin der Zylinderaufbau 18 mit Kraft versorgt
wird, um den Eimer in Richtung auf die Kabine zu ziehen, um in den
Untergrund zu graben. Widerstand gegenüber diesem Grabvorgang übt eine nach
oben gerichtete Kraft aus, die dazu neigt, den Ausleger anzuheben,
ohne unter Druck stehendes Fluid von entweder der Pumpe 22 oder
der Pumpe 82 an die Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 anzulegen.
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Während diese,
nach oben gerichtete Kraft auf den Ausleger 13 ausgeübt wird,
kann der Teil des Hydrauliksystems für die Auslegerzylinderaufbauten 16 und 17 so
konfiguriert sein, wie in 15 gezeigt. In
dieser sechsten Wiederverwendungsbetriebsart 136 fahren
die auf den Ausleger 13 einwirkenden Kräfte die Kolbenstangen aus den
Zylindern 31 und 32 weiter aus, wodurch Fluid
aus den Stangenkammern 33 und 36 zum zweiten Arbeitsanschluss 48 des
Steuerventilaufbaus 40 gedrängt wird. Das vierte EHP-Steuerventil 44 wird
nunmehr um einen Grad geöffnet,
der den Ausleger für
eine bestimmte Geschwindigkeit steuert, und fördert das austretende Fluid
in die Rücklaufleitung 26.
Die expandierenden Kopfkammern 34 und 38 erzeugen
jedoch am ersten Arbeitsanschluss 46 einen niedrigen Druck,
der das Antikavitationsventil innerhalb des zweiten EHP-Steuerventils 42 veranlasst,
zu öffnen,
um das unter Druck stehende Fluid von dem Rücklaufknoten zu dem ersten
Arbeitsanschluss 46 zu fördern. Dieses Fluid strömt weiterhin
von dem ersten Arbeitsanschluss 46 zu beiden Kopfkammern 34 und 38 über ein
nunmehr geöffnetes
Zylindertrennsteuerventil 39. Da das kombinierte Volumen
der Kopfkammern 34 und 38 größer ist als das kombinierte
Volumen aus den beiden Stangenkammern 33 und 36,
ist zusätzliches
Fluid erforderlich, um die Kopfkammern zu füllen. Dieses zusätzliche
Fluid wird in den Steuerventilaufbau 40 entweder aus der
Rücklaufleitung 26 angesaugt,
oder dann, wenn in dieser Leitung kein ausreichender Druck vorliegt,
was durch den Drucksensor 55 angezeigt wird, wird das erste
EHP-Steuerventil 41 geöffnet,
um Fluid ausgehend von der ersten Pumpe 22 zu liefern.
Das Fluid von der ersten Pumpe muss nicht mit einem bestimmten Druck
zugeführt
werden, weil es nicht die Zylinder antreibt, sondern lediglich die
expandierenden Kammern füllt.
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Obwohl
das Hydrauliksystem vorstehend als ein Zylindertrennsteuerventil 39 enthaltend
erläutert ist,
können
die erfindungsgemäßen Vorteile
in Bezug auf die Rückgewinnung
und Wiederverwendung von Energie in dem Sammelbehälter, die
vorstehend diskutiert sind, auch ohne dieses Ventil erreicht werden. Die
Kopfkammer 34 des ersten Zylinderaufbaus 16 und
die Kopfkammer 38 des zweiten Zylinderaufbaus 17 sind
bezüglich
Fluidkommunikation miteinander verbunden, anstatt mit dem Zylindertrennsteuerventil 39 verbunden
zu sein. Während
des Rückgewinnungsvorgangs,
in dem überschüssiger Druck
dem Sammelbehälter
bereitgestellt wird, arbeitet ein in dieser Weise erstellter Kreis
so, wie unter Bezug auf 5, 7, 8 und 9 erläutert, und
bewegt sich durch die Betriebsarten der 5, 7, 8 und 9,
wie vorstehend erläutert.
Während
der Wiederverwendung unter Bezug auf 2 und 3 strömt Fluid
aus dem Sammelbehälter 60 durch
den Anschluss 61 zum Beladen und Wiederverwenden des Steuerventils 66,
das zu der Versorgungsleitung 25 offen steht. Die erste
Pumpe 22 kann außerdem
zusätzliches
Fluid für
die Versorgungsleitung 25 in dieser Wiederverwendungsbetriebsart
bereitstellen. Obwohl zwei Zylinder 16 und 17 gezeigt
sind, kann ein einziger Zylinder zum Einsatz kommen, wenn das Zylindertrennsteuerventil 39 entfällt. Ungeachtet
dessen, ob ein Zylinder oder zwei Zylinder verwendet werden, kann
ein einziger Drucksensor 56 bzw. 57 zum Einsatz
kommen.
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Die
vorstehend angeführte
Beschreibung ist primär
auf bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gerichtet. Obwohl verschiedene Alternativen
im Umfang der Erfindung in Betracht gezogen wurden, erschließen sich
einem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik weitere Alternativen, die
sich aus der Offenbarung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen ergeben.