DE102018205194A1

DE102018205194A1 - Hydraulisches System zur Aufrechterhaltung des minimalen Niederdruckes des Hydrauliksystems im geschlossenen Kreislauf

Info

Publication number: DE102018205194A1
Application number: DE102018205194.1A
Authority: DE
Inventors: Christian S. Daley; Nicholas Creager; Matt Dorenkamp; Eric R. Jacobson
Original assignee: Danfoss Power Solutions Inc
Current assignee: Danfoss Power Solutions Inc
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2038-04-07
Also published as: US10550933B2; DE102018205194B4; US20180291797A1; CN108691828A; CN108691828B

Abstract

Hydrauliksystem, das eine Hydraulikpumpe aufweist, die mit einem Hydraulikmotor, zumindest einem Hydraulikzylinder oder mit beiden über eine erste und eine zweite Leitung (d.h. eine Hochdruck- und eine Niedrigdruckseite) verbunden ist und mit diesen in Verbindung steht. Das Hydrauliksystem verfügt über ein Bypassventil, das mit der ersten und der zweiten Leitung verbunden ist und mit dieser in Verbindung steht. Das Bypassventil weist einen Vorgabe-Druck, der über einem minimalen Druck der Niederdruckseite liegt, auf. Wenn eine Stoßbelastung im Hydrauliksystem auftritt und ein damit verbundener Druckabfall auf der Niederdruckseite auftritt, öffnet das Bypassventil, wenn der Vorgabe-Druck unterschritten wird, wodurch ein Absinken des Drucks auf den minimalen Niederdruck verhindert wird. Das Hydrauliksystem vermeidet so ein Low-Loop-Ereignis, das zu Schäden am Hydrauliksystem führen könnte ohne Vorsehen von größeren Speisepumpen oder Speichern.

Description

VERWEIS AUF VERBUNDENE ANMELDUNG
Diese Anwendung beansprucht die Priorität der US-Anmeldung Nr. 62/482.887 vom 7. April 2017, die durch Verweis hierin aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist auf ein Hydrauliksystem und insbesondere auf ein geschlossenes Hydrauliksystem gerichtet, das ein Bypassventil verwendet, um einen minimalen Niederdruck aufrechtzuerhalten.
In einem geschlossenen Kreislauf wird eine Pumpe und ein Motor verwendet, um die Leistung von einer Energiequelle, die mit der Pumpenwelle verbundenen ist, auf eine Last zu übertragen, die mit der Motorwelle verbunden ist. In einem geschlossenen Kreislaufsystem fließt Hydraulikflüssigkeit von der Pumpe zum Motor und dann vom Motor direkt zurück zur Pumpe, um einen „Kreislauf“ zu bilden.
Um die Leistung von der Pumpe auf den Motor zu übertragen, muss der Druck der Hydraulikflüssigkeit auf der einen Seite der Schleife höher sein als auf der anderen. Der höhere der beiden Drücke wird als Druck der Hochdruckseite und der niedrigere der beiden Drücke als Druck der Niederdruckseite bezeichnet. Häufig wird eine Speisepumpe verwendet, um Leckagen im System auszugleichen, um den Druck auf der Niederdruckseite aufrechtzuerhalten. Manchmal wird eine Pumpe des geschlossenen Kreislaufs direkt an einen oder mehrere Hydraulikzylinder angeschlossen, wobei Hydraulikflüssigkeit direkt von den Hydraulikzylindern zurück zur Pumpe geleitet wird.
Häufig muss in einem geschlossenen Kreislaufsystem während des Betriebs ein minimaler Niederdruck aufrechterhalten werden. Die Aufrechterhaltung eines minimalen Niederdrucks wird problematisch, wenn eine Stoßbelastung auftritt, was zu einem steilen Druckanstieg führt. In diesem Fall wird die Flüssigkeit komprimiert, wodurch sich der Schlauch oder die Leitung ausdehnt und Öl in die Hochdruckseite gepumpt wird. Währenddessen wird deutlich weniger Flüssigkeit vom Motor zur Pumpe zurückgeführt, was dazu führt, dass der Druck auf der Niederdruckseite sinkt, da die Speisepumpe nicht in der Lage ist, die während der Stoßbelastung benötigte Flüssigkeit zu kompensieren. Dieses Ereignis wird allgemein als Low-Loop-Ereignis bezeichnet, welches Schäden an der Pumpe und am Motor verursachen kann.
Um Schwankungen auf der Niederdruckseite auszugleichen, wurden Akkumulatoren und große Speisepumpen eingesetzt. Akkumulatoren sind ein Druckspeicher, der nicht-komprimierte Flüssigkeit unter Druck enthält. Obwohl nützlich, sind Akkumulatoren teuer in ein System einzubauen und teuer in der Wartung, wegen dem Niveau der Fähigkeiten, die ein Servicemitarbeiter haben muss. Akkumulatoren sind aufgrund von Problemen im Zusammenhang mit dem Auslaufen von Flüssigkeit unzuverlässig, was sie uneffektiv macht
Alternativ oder zusätzlich werden größere Speisepumpen oder extragroße Speisepumpen einem System hinzugefügt. Diese Arten von Speisepumpen sind aufgrund der Wärmezufuhr zum System weniger effizient.
Daher ist es ein vorrangiges Ziel dieser Erfindung, den Stand der Technik zu verbessern.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, Low-Loop-Ereignisse während einer Stoßbelastung zu vermeiden.
Ein weiteres Ziel ist es, die Notwendigkeit von Akkumulatoren und anderen Elementen mit niedrigem Wirkungsgrad, hohen Kosten oder hohem Wartungsaufwand, die zur Vermeidung von Low-Loop-Ereignissen verwendet werden, zu eliminieren.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Ansprüchen ersichtlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Hydrauliksystem aufweisend eine Hydraulikpumpe, die mit einem Hydraulikmotor, mindestens einem Hydraulikzylinder oder mit beiden über eine erste Leitung und eine zweite Leitung (d.h. eine Hochdruck- und eine Niederdruckseite) verbunden ist und mit diesen in Verbindung steht. Das Hydrauliksystem verfügt über ein Bypassventil, das mit der ersten und der zweiten Leitung verbunden ist und mit diesen in Verbindung steht. Das Bypassventil hat einen Vorgabe-Druck, der über einem minimalen Druck der Niederdruckseite liegt. Wenn eine Stoßbelastung im Hydrauliksystem auftritt und ein damit verbundener Druckabfall auf der Niederdruckseite auftritt, öffnet das Bypassventil, wenn der Vorgabe-Druck unterschritten wird, wodurch ein Absinken des Drucks auf den minimalen Niederdruck verhindert wird. Das Hydrauliksystem hält dabei einen minimalen Druck in der Niederdruckseite des geschlossenen Hydrauliksystems aufrecht.
Das Hydrauliksystem stellt eine konstante Verbindung mit der Niederdruckseite hinter einem Spülschieber bereit und nutzt diesen niedrigen Spüldruck als Signal zum Öffnen eines Bypassventils, so dass Flüssigkeit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite strömen kann, wenn der Niederdruck unter einen Grenzwert abfällt. Einer der Vorteile des neuen Systems besteht darin, dass die Notwendigkeit für Akkumulatoren entfällt. Dadurch ist das System schon deshalb günstiger, weil Akkumulatoren teuer sind und oft einen qualifizierteren Servicemitarbeiter erfordern. Außerdem ist das System zuverlässiger und funktioniert immer, im Vergleich zu solchen mit Akkumulatoren, die auslaufen und uneffektiv werden können.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Hydrauliksystem große oder sehr große Speisepumpen überflüssig macht. Obwohl diese Speisepumpen manchmal nützlich sind, um das Problem eines Low-Loop-Ereignisses zu beheben, sind sie weniger effizient.
Figurenliste

1 ist ein Schema eines Hydrauliksystems zur Aufrechterhaltung des minimalen Niederdruckes eines geschlossenen Hydrauliksystems;
2 ist ein Diagramm der Öffnungsfläche eines Bypassventils im Vergleich zum Niederdruck für ein Hydrauliksystem zur Aufrechterhaltung des minimalen Niederdruckes eines Hydrauliksystems mit geschlossenem Kreislauf;
3a ist ein Diagramm einer Stoßbelastung auf ein Hydrauliksystem zum Aufrechterhalten des minimalen Niederdruckes eines geschlossenen Hydraulikkreislaufsystems.
3b ist ein Diagramm einer Stoßbelastung auf ein Hydrauliksystem zum Aufrechterhalten des minimalen Niederdruckes eines geschlossenen Hydraulikkreislaufsystems.
4a ist ein Diagramm einer Stoßbelastung eines Hydrauliksystems zum Aufrechterhalten des minimalen Niederdruckes eines geschlossenen Hydraulikkreislaufsystems; und
4b ist ein Diagramm einer Stoßbelastung eines Hydrauliksystems zum Aufrechterhalten des minimalen Niederdruckes eines geschlossenen Hydraulikkreislaufsystems; und
5 zeigt den Durchfluss durch ein Bypassventil eines Hydrauliksystems zum Aufrechterhalten des minimalen Niederdruckes eines geschlossenen Hydraulikkreislaufsystems.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Abbildungen weist ein Hydrauliksystem 10 eine Hydraulikpumpe 12 auf, die von einem konventionellen Motor oder einer Antriebsmaschine angetrieben wird (nicht abgebildet). In einer Ausführungsform ist die Hydraulikpumpe 12 eine variable Verstellpumpe 12. Die Hydraulikpumpe 12 ist über eine erste Leitung 16 und eine zweite Leitung 18 mit einem Hydraulikmotor 14 verbunden und steht mit diesen in Verbindung, um einen geschlossenen Kreislauf 19 zu bilden. Obwohl beide vertauschbar sind, wird die erste Leitung 16 beispielsweise als Hochdruckseite 16a und die zweite Leitung 18 als Niederdruckseite 18a bezeichnet. Die Hydraulikpumpe 12 wird bei einigen Ausführungsformen anstelle des Hydraulikmotors 14 oder zusätzlich zum Hydraulikmotor an zumindest einen Hydraulikzylinder (nicht abgebildet) angeschlossen, um den geschlossenen Kreislauf 19 zu bilden.
Eine Konstant-Speisepumpe oder Speisepumpe 20 ist mit der Hydraulikpumpe 12 gekoppelt und gleicht Flüssigkeitsverluste aus, die im geschlossenen Kreislauf 19 während des Betriebs auftreten. Ein Speisedruckbegrenzungsventil 22 legt einen Speisedruck 23 (nicht dargestellt) fest, bei dem die Speisepumpe 20 Flüssigkeit zur Niederdruckseite 18a des geschlossenen Kreislaufs 19 fördert. Andere konventionelle Bauteile, wie Druckbegrenzungsventile, Hochdruckventile, Ventile zur Steuerung der Verdrängung von Pumpe und Motor und Filter sind im System 10 enthalten, jedoch sind diese Bauteile aus dem Stand der Technik bekannt und für die vorliegende Erfindung nicht besonders relevant.
Zwischen die Hochdruckseite 16a und die Niederdruckseite 18a ist ein Spülsystem 24 in Kommunikation mit beiden geschaltet. Das Spülsystem 24 ist von beliebiger Art und kann in die Hydraulikpumpe 12 oder den Hydraulikmotor 14 oder in ein separates Ventil zwischen der Hydraulikpumpe 12 und dem Hydraulikmotor 14 eingebaut werden. Im gezeigten Beispiel enthält das Spülsystem 24 ein Wechselventil 26 und ein Begrenzungsventil 28. Ebenfalls in Kommunikation mit der Hochseite 16a und der Niederseite 18a, parallel zum Spülsystem 24, ist das Bypassventil 30 angeschlossen. Beim Öffnen oder Verschieben leitet das Bypassventil 30 Flüssigkeit von der Hochdruckseite 16a zur Niederdruckseite 18a. Dies ist besonders effektiv, wenn sich das Bypassventil 30 direkt stromabwärts des Spülsystems 24 befindet.
Das Bypassventil 30 hat einen Vorgabedruck 32, der über einem minimalen Niederdruck 34 liegt. Der minimale Niederdruck 34 ist gleich oder knapp über einem Grenzwert für ein Low-Loop-Ereignis 36. In einer Ausführungsform öffnet das Bypassventil 30 vollständig, wenn der Flüssigkeitsdruck auf der Niederdruckseite 18a gleich oder kleiner ist als der Vorgabe-Druck 32. Diese Anordnung wird als schnelles Öffnen 38 bezeichnet.
Alternativ öffnet das Bypassventil 30 teilweise, wenn der Flüssigkeitsdruck auf der Niederdruckseite 18a gleich oder kleiner ist als der Vorgabedruck 32. Das Bypassventil 30 öffnet weiter, wenn der Druck auf der Niederdruckseite 18a sinkt, und wird sukzessive während der gesamten Druckabsenkung oder sofort nach Erreichen des minimalen Niederdruckes 34 geöffnet. Diese Ausführungen werden als langsames Öffnen 40 bezeichnet. In einer Anordnung wird das langsame Öffnen 40 durch Hinzufügen einer Federkammeröffnung 41 des Bypassventils 30 erreicht.
Obwohl sowohl das schnelle Öffnen 38 als auch das langsame Öffnen 40 das Low-Loop-Ereignis 36 verhindern, unterscheiden sich die beiden. Das schnelle Öffnen 38 führt dazu, dass mehr Flüssigkeit in die Niederdruckseite 18a gelangt, wie in zu sehen ist. Das langsame Öffnen 40 führt zu einem sanfteren Übergang im System 10, wie in dargestellt. Sowohl das schnelle Öffnen 38 als auch das langsame Öffnen 40 machen den Einbau von Akkumulatoren, großen Speisepumpen und sehr großen Speisepumpen überflüssig (nicht abgebildet).
Beispiele für das System 10 sind in den dargestellt. Das beispielhafte System 10 wurde mit Simulation der Stoßbelastung 42 von 3.000-5.000 psi/sek, mit einer Standard-Motorlast einer Trägheit von ca. 0,5-2kg m^2 getestet, wobei das Spülsystem 24 ein „open in neutral“ Typ ist. Die Drehzahl der Hydraulikpumpe 12 beträgt 1800 U/min. Der Vorgabedruck 32 des Bypassventils 30 ist 15 bar, wobei der minimale Niederdruck 34 10 bar beträgt. Die Beispiele zeigen das System 10, das mit einem schnellen Öffnen 38 und einem langsamen Öffnen 40 arbeitet, wie in gezeigt. Die zeigen auch den Betrieb des Systems 10 ohne Vorhandensein des Bypassventil 30.
Die zeigen eine Schockbelastung 42, die bei ca. 2 Sekunden auftritt. Wie in dargestellt, verzögert das Vorhandensein des Bypassventils 30 die volle Wirkung der Stoßbelastung 42, da Flüssigkeit von der Hochdruckseite 16a auf die Niederdruckseite 18a gelangt.
Gleichzeitig zeigen die und , dass das Fehlen des Bypassventils 30 zu einem starken Druckabfall auf der Niederdruckseite 18a führt, der unter dem minimalen Niederdruck 34 von 10 bar liegt, also dem Low-Loop-Ereignis 36.
Die und zeigen dagegen, dass das Low-Loop-Ereignis 36 aus der Stoßbelastung 42 nicht auftritt, wenn das Bypassventil 30 vorhanden ist. Stattdessen öffnet das Bypassventil 30, wenn der Druck auf 15 Bar oder darunter sinkt (d.h. der Vorgabedruck 32), wodurch verhindert wird, dass die Low-Loop auf 10 bar oder darunter geht (d.h. der minimale Druck 34 der Niederdruckseite).
Aus der obigen Diskussion und den dazugehörigen Figuren und Angaben wird ersichtlich, dass das Hydrauliksystem 10 viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bietet. Es wird von Fachleuten weiter geschätzt werden, dass andere vielfältige Modifikationen an der Vorrichtung vorgenommen werden können, ohne von der Idee und dem Umfang dieser Erfindung abzuweichen. Alle diese Änderungen und Ergänzungen fallen in den Umfang der Ansprüche und sollen damit abgedeckt sein. Es ist versteht sich, dass die hier beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen und dass von Fachleuten vielfältige Änderungen oder Ergänzungen vorgeschlagen werden, die unter die Idee und den Geltungsbereich dieser Anwendung fallen.
Bezugszeichenliste

10: Hydraulisches System
12: Hydraulikpumpe
14: Hydraulikmotor
16: erste Leitung
16a: Hochdruckseite
18: zweite Leitung
18a: Niederdruckseite
19: geschlossener Kreislauf
20: Speisepumpe
22: Speisedruckbegrenzungsventil
23: Speisedruck
24: Spülsystem
26: Wechselventil
28: Begrenzungsventil
30: Bypassventil
32: Vorgabedruck
34: minimaler Druck Niederdruckseite
36: Low-Loop-Ereignis
38: schnelles Öffnen
40: langsames Öffnen
41: Federkammer Öffnung
42: Stoßbelastung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62482887 [0001]

Claims

Hydrauliksystem (10), aufweisend: - eine Hydraulikpumpe (12), die über eine erste Leitung (16) und eine zweite Leitung (18) mit einem Hydraulikmotor (14) in Verbindung steht; - ein Bypassventil (30), das zwischen die erste Leitung (16) und die zweite Leitung (18) geschaltet ist und mit diesen in Verbindung steht; - wobei das Bypassventil (30) einen Vorgabe-Druck (32) aufweist, der über einem minimalen Druck der Niederdruckseite (34) liegt, wobei das Bypassventil (30) so konfiguriert ist, dass es bei einem Druck in der zweiten Leitung (18) öffnet, wenn dieser unter den voreingestellten Druck (32) fällt.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, wobei der minimale Druck der Niederdruckseite (34) in etwa einem Low-Loop-Ereignis (36) entspricht.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Bypassventil (30) so ausgestaltet ist, dass es ein schnelles Öffnen (38) zeigt.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Bypassventil (30) so ausgestaltet ist, dass es ein langsames Öffnen (40) zeigt.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, weiter aufweisend ein Spülsystem (24), das zwischen die erste Leitung (16) und die zweite Leitung (18) geschaltet ist und mit diesen in Verbindung steht.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 5, wobei das Bypassventil (30) direkt stromabwärts hinter und parallel zum Spülsystem (24) angeordnet ist.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, wobei beim Öffnen des Bypassventils (30) Hochdruckfluid von der ersten Leitung (16) zur zweiten Leitung (18) geleitet wird.
Das Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, weiter aufweisend die Hydraulikpumpe (12), die mit zumindest einem Hydraulikzylinder verbunden ist und mit diesem in Verbindung steht.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, wobei kein Speicher mit der ersten Leitung (16) oder der zweiten Leitung (18) in Verbindung steht.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Bypassventil (30) so ausgestaltet ist, dass es die Wirkung einer Stoßbelastung (42) verzögert.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, wobei beim Öffnen des Bypassventils (30) verhindert wird, dass der Druck der zweiten Leitung (18) unter den minimalen Druck der Niederdruckseite (34) fällt.
Hydrauliksystem (10) nach Anspruch 1, wobei ein Low-Loop-Ereignis (36) etwa bei dem minimalen Druck der Niederdruckseite (34) auftritt.