DE112006002399T5 - Robust stabiles servogesteuertes Zumesssitzventil - Google Patents

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Abstract

Ventilanordnung (21), die Folgendes aufweist:
eine Sitzventilanordnung (30), die ein Sitzventilglied (31) und einen Strömungsmitteldurchlass aufweist, der sich zwischen einem ersten Anschluss (34) und einem zweiten Anschluss (33) erstreckt, wobei der Strömungsmitteldurchlass einen Ventilsitz (32) aufweist, und wobei die Sitzventilanordnung (30) eine darin angeordnete Steuerkammer (36) hat; und
wobei das Sitzventilglied (31) eine hydraulische Steuerfläche (35) aufweist, die dem Hydraulikdruck innerhalb der Steuerkammer (36) ausgesetzt ist, und wobei das Sitzventilglied (31) zu einer Position in Kontakt mit dem Ventilsitz (32) bewegbar ist, und wobei das Sitzventilglied (31) eine Vielzahl von Positionen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten über dem Ventilsitz (32) hat; und
eine Vorsteuerventilanordnung (40), die strömungsmittelmäßig mit der Sitzventilanordnung (30) verbunden ist, und eine erste Konfiguration hat, in der der erste Anschluss (34) strömungsmittelmäßig mit der Steuerkammer (36) verbunden ist, und die eine zweite Konfiguration hat, in der der zweite Anschluss (33) strömungsmittelmäßig mit der Steuerkammer (36) verbunden...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Ventilanordnungen und insbesondere auf eine Sitzventilanordnung, die hydraulisch ein Sitzventilglied in einer von einer Vielzahl von unterschiedlichen Positionen bezüglich eines Ventilsitzes verriegeln kann.
  • Hintergrund
  • Sitzventile werden in einer Vielzahl von Hydrauliksystemen verwendet, wie beispielsweise jene, die verwendet werden, um unterschiedliche Systeme an Arbeitsmaschinen zu steuern. Ein Sitzventil besteht typischerweise aus einem Gehäuse mit mindestens einem Eingangs- und einem Ausgangshydraulikanschluss. Innerhalb des Gehäuses ist ein Sitzventilglied, das auf einem Ventilsitz sitzt, sodass, wenn das Sitzventilglied in Kontakt mit dem Ventilsitz ist, die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse nicht strömungsmittelmäßig verbunden sind. Wenn das Sitzventilglied weg von dem Ventilsitz durch eine Betätigungsvorrichtung bewegt wird, dann sind die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse strömungsmittelmäßig verbunden, und hydraulisches Strömungsmittel kann über den Ventilsitz fließen. Typischerweise enthält das Gehäuse auch eine Steuerkammer, die hydraulisch in einer Anzahl von unterschiedlichen Weisen angeschlossen ist, wie beispielsweise bei einem Positionsfolgemodell, welches im US-Patent Nr. 6 745 992 B2 beschrieben wird, bei einem Flussverstärkungsmodell, wie im US-Patent Nr. 5 819 532 beschrieben, oder bei einem Kraftrückkoppelungsmodell, wie im US-Patent Nr. 6 869 060 B2 , die alle das Sitzventilglied aufweisen, welches dem Hydraulikdruck auf mindestens einer Steuerhydraulikfläche ausgesetzt ist. Auf diese Weise kann die Bewegung des Sitzventilgliedes zumindest teilweise gesteuert werden und für Druckunterschiede zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen unempfindlich gemacht werden.
  • Ein Problem bei diesem Verfahren zur Steuerung des Sitzventilgliedes ist, dass die Pumpen- und Leistungsdruckveränderungen die Sitzelementsteuervolumendynamik beeinflussen können. Dies kann auftreten, weil das Steuervolumen immer strömungsmittelmäßig mit dem Hydrauliksystem verbunden ist. Wenn der Druck in dem System fluktuiert, kann das Sitzventilglied sich mit unterschiedlichen Raten aufgrund der hydraulischen Verbindungen der Anschlüsse mit der Steuerkammer bewegen, was eine genaue Steuerung schwierig und unvorhersagbar macht. Dieses gleiche Problem macht es schwierig, das Sitzventilglied an einer ausgewählten Stelle entfernt von seinem Sitz zu halten.
  • Eine mögliche Lösung für dieses Problem ist, eher Kolbenventile als Sitzventile in Hydrauliksystemen zu verwenden, wie im US-Patent Nr. 5 186 212 beschrieben. Kolbenventile weisen ein Kolbenventilglied auf, welches innerhalb einer Bohrung eines Gehäuses hin und her gleitet, um Strömungsmittelanschlüsse zu öffnen und zu schließen. Ein Vorteil von Kolbenventilen ist, dass sie druckausgeglichen sind und daher präzise ungeachtet von Druckdifferenzen positioniert werden können. Kolbenventile haben jedoch einen Nachteil dahingehend, dass sie notwendigerweise ein radiales Spiel zwischen dem Kolbenventilglied und dem Gehäuse haben, sodass sie inhärent lecken. Dies kann Probleme bewirken, wenn die Kolbenventile in Arbeitsmaschinenanwendungen verwendet werden, wie beispielsweise in Ladern, wie beispielsweise dort, wo es wünschenswert sein könnte, die Laderschaufel über eine verlängerte Zeitperiode in einer angehobenen Position zu halten.
  • Die vorliegende Offenbarung ist auf ein oder mehrere der oben dargelegten Probleme gerichtet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt weist eine Ventilanordnung eine Sitzventilanordnung auf, die strömungsmittelmäßig mit einer Pilot- bzw. Vorsteuerventilanordnung verbunden ist. Die Sitzventilanordnung weist eine hydraulische Steuerkammer und einen Strömungsmitteldurchlass auf, der einen Ventilsitz aufweist, der sich zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss erstreckt. Die Sitzventilanordnung weist weiter ein Sitzventilglied mit einer hydraulischen Steuerfläche auf, die dem Hydraulikdruck innerhalb der Steuerkammer ausgesetzt ist. Das Sitzventilglied hat eine Vielzahl von Positionen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten über dem Ventilsitz und weist eine Position auf, in der es keinen Strömungsquerschnitt gibt, weil das Sitzventilglied in Kontakt mit dem Ventilsitz ist. Die Vorsteuerventilanordnung hat eine erste Konfiguration, in der die Steuerkammer strömungsmittelmäßig mit dem ersten Anschluss verbunden ist, eine zweite Konfiguration, in der die Steuerkammer strömungsmittelmäßig mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, und eine dritte Konfiguration, in der die Steuerkammer strömungsmittelmäßig von sowohl dem ersten Anschluss als auch dem zweiten Anschluss isoliert ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt weist eine Maschine ein Chassis bzw. Fahrgestell und eine Sitzventilanordnung auf, die einen Kopfanschluss, einen Stangenanschluss, einen Pumpenanschluss und einen Ablaufanschluss aufweist, welche an dem Fahrgestell angebracht ist. Die Maschine weist weiter einen Hydraulikzylinder auf, der strömungsmittelmäßig mit dem Kopfanschluss und dem Stangenanschluss verbunden ist. Die Sitzventilanordnung weist ein Sitzventilglied mit einer hydraulischen Steuerfläche auf, die dem Strömungsmitteldruck in einer Steuerkammer ausgesetzt ist und zu einer Vielzahl von Positionen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten über dem Ventilsitz bewegbar ist. Weiterhin weist die Maschine Mittel auf, wie beispielsweise eine Vorsteuerventilanordnung, um das Sitzventilglied an jeder der Vielzahl von Positionen zumindest teilweise durch strömungsmittelmäßiges Isolieren der Steuerkammer zu stoppen.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Betrieb einer Ventilanordnung einen Schritt des Bewegens eines Sitzventilgliedes bezüglich eines Ventilsitzes auf. Diese Bewegung wird zumindest teilweise ausgeführt, indem eine hydraulische Steuerfläche des Sitzventilgliedes dem Hydraulikdruck in einer Steuerkammer ausgesetzt wird. Das Sitzventilglied wird an einer Position entfernt vom Ventilsitz zumindest teilweise durch strömungsmittelmäßiges Isolieren der Steuerkammer gestoppt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Ansicht der Sitzventilanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung, die strömungsmittelmäßig mit der Vorsteuerventilanordnung in der ersten Konfiguration verbunden ist, wobei beide davon elektrisch mit der elektrischen Steuervorrichtung verbunden sind;
  • 2 ist eine schematische Ansicht der Sitzventilanordnung der 1 in der zweiten Konfiguration gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 3 ist eine schematische Ansicht der Sitzventilanordnung der 1 und 2 in der dritten Konfiguration gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 4 ist eine schematische Ansicht der Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung, die eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Sitzventilanordnung gemäß 1 aufweist, die mit einem Hydraulikzylinder gekoppelt ist,
  • 5 ist eine schematische Ansicht einer Baggerlader-Arbeitsmaschine, die eine Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist;
  • 6a ist eine Kurvendarstellung der Hydraulikzylinderposition, die als ein Prozentsatz als eine Funktion der Zeit gezeigt ist;
  • 6b ist eine Kurvendarstellung der Position eines Sitzventilgliedes in einer Ventilanordnung, die mit dem Hydraulikzylinder gekoppelt ist, als eine Funktion der Zeit;
  • 6c ist eine Kurvendarstellung der Druckdifferenz an dem Ventilsitz in dem Hydrauliksystem, das mit dem Hydraulikzylinder gekoppelt ist, als eine Funktion der Zeit; und
  • 6d ist eine Kurvendarstellung der Konfiguration einer Vorsteuerventilanordnung in der Ventilanordnung als eine Funktion der Zeit.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Mit Bezug auf 1 ist dort eine Ventilanordnung 21 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt, die elektrisch mit einer elektrischen Steuervorrichtung 13 verbunden ist. Die Ventilanordnung 21 weist eine Vorsteuerventilanordnung 40 und eine Sitzventilanordnung 30 auf. Die Sitzventilanordnung weist ein Sitzventilglied 31 mit einer hydraulischen Steuerfläche 35 auf. Das Sitzventilglied 31 ist bezügliche eines Ventilsitzes 32 bewegbar, der ein konischer Ventilsitz sein kann, der an einem Ventilkörper ausgeformt ist. Die Sitzventilanordnung 30 weist auch einen Positionssensor 60 auf, wie beispielsweise einen Linearpositionssensor bzw. LVDT-Sensor (LVDT = Linear Variable Displacement Transducer) oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, die elektrisch mit der elektrischen Steuervorrichtung 13 verbunden ist, um die Verschiebung des Sitzventilgliedes 31 bezüglich des Ventilsitzes 32 zu bestimmen. Die hydraulische Steuerfläche 35 ist dem Hydraulikdruck in einer Steuerkammer 36 innerhalb der Sitzventilanordnung 30 ausgesetzt. Die Sitzventilanordnung 30 weist weiter einen Eingangsanschluss 34 auf, der mit einer Druckquelle verbunden ist, wie beispielsweise mit einer Pumpe 25, einen Ausgangsanschluss 33 an einer gegenüberliegenden Seite des Ventilsitzes 32 und einen ersten und einen zweiten Drucksensor 61, 62, der mit der elektrischen Steuervorrichtung 13 verbunden ist, der betreibbar ist, um eine Druckdifferenz am Ventilsitz 32 zu detektieren. Die Vorsteuerventilanordnung 40 weist ein Vorsteuerventilglied 42 und eine elektrische Betätigungsvorrichtung 41 auf, die betriebsmäßig durch die elektrische Steuervorrichtung 13 gesteuert wird. Die Betätigungsvorrichtung 41 könnte irgendeine geeignete Betätigungsvorrichtung sein, die eine Piezo-Vorrichtung oder einen Elektromagneten aufweist, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Die Vorsteuerventilanordnung 40 ist in einer ersten Konfiguration 40a gezeigt, in der der Ausgangsanschluss 33 strömungsmittelmäßig von der Steuerkammer 36 isoliert ist, und in der der Eingangsanschluss 34 strömungsmittelmäßig mit der Steuerkammer 36 über das Vorsteuerventilglied 42 verbunden ist. Die Betätigungsvorrichtung 41 spannt die Vorsteuerventilanordnung 40 so vor, dass sie in der ersten Konfiguration 40a ist, wie in 1 gezeigt. 2 zeigt die Ventilanordnung 21 in einer zweiten Konfiguration 40b, und zwar elektrisch mit der elektrischen Steuervorrichtung 13 verbunden. In der zweiten Konfiguration 40b ist der Eingangsanschluss 34 strömungsmittelmäßig isoliert, jedoch ist der Ausgangsanschluss 33 strömungsmittelmäßig mit der Steuerkammer 36 über das Vorsteuerventilglied 42 verbunden. 3 zeigt eine Ventilanordnung 31 in einer dritten Konfiguration 40c, und zwar elektrisch mit der elektrischen Steuervorrichtung 13 verbunden. In der dritten Konfiguration 40c ist die Steuerkammer 36 strömungsmittelmäßig von sowohl dem Eingangsanschluss 34 als auch dem Ausgangsanschluss 33 durch das Vorsteuerventilglied 42 isoliert.
  • Es wird dem Fachmann klar sein, dass das Vorsteuerventilglied 42 nur beispielhaft als ein Drei-Wege-Ventil gezeigt ist, und dass der Kern und Umfang dieser Offenbarung irgendwelche derartigen Mittel zur Verbindung der Steuerkammer 36, des Eingangsanschlusses 34 und des Ausgangsanschlusses 33 in der ersten Konfiguration 40a, in der zweiten Konfiguration 40b und in der dritten Konfiguration 40c aufweist, wie sie oben offenbart wurden. Eine mögliche Alternative könnte eine Kombination von zwei Zwei-Wege-Ventilen sein, die betriebsmäßig mit zwei Betätigungsvorrichtungen und der Steuerkammer 36 bzw. dem Eingangsanschluss 34 bzw. dem Ausgangsanschluss 33 gekoppelt sind. Weiterhin sei bemerkt, dass die oben beschriebene Betätigungsvorrichtung 41 eine Piezo-Vorrichtung, einen Elektromagneten oder irgendwelche anderen Mittel zur Veränderung der Konfiguration des Vorsteuerventilgliedes 40 aufweisen kann. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Vorsteuerventilglied 40 ein Kolben, könnte jedoch ein geeignet vorgespanntes Sitzventilglied sein. Schließlich sei bemerkt, dass die Pumpe 25, die mit dem Eingangsanschluss 34 verbunden ist, nicht für die Ventilanordnung 21 notwendig ist, so wie sie hier offenbart ist, und nur ein Beispiel einer Strömungsmittelverbindung ohne Einschränkung des Umfangs oder des Kerns der Offenbarung zeigen soll. In ähnlicher Weise sind der Positionssensor 60, der erste Drucksensor 61 und der zweite Drucksensor 62 nicht notwendig, um einen korrekten Betrieb der Offenbarung sicherzustellen, sondern sie sind hier als ein Beispiel eines erwünschten Ausführungsbeispiels vorgesehen.
  • Mit Bezug auf 4 ist dort eine Ventilanordnung 121 gezeigt, die einen Pumpenanschluss 37 und einen Ablaufanschluss 38 enthält, wobei gleiche Elemente gleichen Bezugszeichen in den vorherigen Figuren zugeordnet sind. Die Ventilanordnung 121 ist strömungsmittelmäßig mit einem Hydraulikzylinder 12 über einen Kopfanschluss 22 und einen Stangenanschluss 23 verbunden. Die Ventilanordnung 121 weist weiter eine erste Sitzventilanordnung 51, eine zweite Sitzventilanordnung 52, eine dritte Sitzventilanordnung 53 und eine vierte Sitzventilanordnung 54 auf, jede mit einer jeweiligen ersten Vorsteuerventilanordnung 56, einer zweiten Vorsteuerventilanordnung 57, einer dritten Vorsteuerventilanordnung 58 und einer vierten Vorsteuerventilanordnung 59. Die Bewegung des Zylinders 12 wird durch Aktivieren von unterschiedlichen Paaren der Ventilanordnungen in herkömmlicher Weise erreicht.
  • Mit Bezug auf 5 ist eine Arbeitsmaschine der Baggerlader-Bauart vorgesehen, die die hier offenbarte Ventilanordnung 121 verwendet. Es sei bemerkt, dass ähnliche Elemente durch ähnliche Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren bezeichnet sind. Die Baggerlader-Arbeitsmaschine 10 weist ein Chassis bzw. Fahrgestell 11, ein Werkzeug 14, dessen Bewegung durch einen Hydraulikzylinder 12 gesteuert wird, und eine elektronische Steuervorrichtung 13 auf. Die Ventilanordnung 121 ist auch an dem Fahrgestell 11 angebracht. Wie gezeigt, ist die Ventilanordnung 121 an einem Kopfanschluss 22 und einem Stangenanschluss 23 des Hydraulikzylinders 12 angebracht. Eine elektrische Verbindung 24 verbindet die elektronische Steuervorrichtung 13 mit dem Positionssensor 60, dem ersten Drucksensor 61 und dem zweiten Drucksensor 62, die innerhalb jeder Ventilanordnung 30 positioniert sind. Die elektrische Verbindung 24 verbindet auch betriebsmäßig die elektronische Steuervorrichtung 13 mit jeder Vorsteuerventilanordnung 40 der Ventilanordnung 121.
  • Es wird dem Fachmann klar sein, dass die Beschreibung der Baggerlader-Arbeitsmaschine 10 nicht vorgesehen ist, um den Kern oder Umfang dieser Offenbarung einzuschränken, und dass in Betracht gezogen wird, dass die Arbeitsmaschine 10 irgendeine geeignete Arbeitsmaschine mit einem Fahrgestell 11, einer elektronischen Steuervorrichtung 13, einem Werkzeug 14 und einem Hydraulikzylinder 12 sein könnte, wie beispielsweise ein Bulldozer, ein Verdichter bzw. eine Walze oder irgendeine andere dem Fachmann bekannte Arbeitsmaschine. Weiterhin sei bemerkt, dass, obwohl nur eine Ventilanordnung 121 und ein Hydraulikzylinder 12 in dieser Offenbarung besprochen werden, es in Betracht gezogen wird, dass es mehr als eine Ventilanordnung 121 geben könnte, die an dem Fahrgestell 11 angebracht ist, die jeweils einen anderen Hydraulikzylinder 12 steuern könnte, der mit dem gleichen oder einem anderen Werkzeug assoziiert ist.
  • Mit Bezug auf die 6a6d ist dort ein Beispiel der gegenseitigen Beziehung für die Verbindung zwischen dem Hydraulikzylinder 12, der Position des Sitzventilgliedes 31 relativ zum Ventilsitz 32, dem Hydraulikdruck des Pumpenanschlusses 37 und der Konfiguration der Vorsteuerventilanordnung 40 vorgesehen. Die Kurvendarstellungen zeigen ein beispielhaftes Verfahren beim Öffnen des Hydraulikzylinders 12 in zwei Stufen von 0%, wo der Zylinder 12 vollständig geschlossen ist, auf 100%, wo der Zylinder 12 vollständig offen ist. In diesem Beispiel werden nur die erste Sitzventilanordnung 51 und die dritte Sitzventilanordnung 53 verwendet, wie in 4 gezeigt, und zwar zusammen mit ihren jeweiligen Vorsteuerventilanordnungen 55, 57, weil der Zylinder 12 ausgefahren ist. Die erste Vorsteuerventilanordnung 55 wird das Sitzventilglied 31 weg vom Ventilsitz 32 der ersten Sitzventilanordnung 51 bewegen, um strömungsmittelmäßig den Pumpenanschluss 37 mit dem Kopfanschluss 22 des Hydraulikzylinders 12 zu verbinden, um hydraulisch strömungsmittelmäßig den Hydraulikzylinder zu öffnen. Gleichzeitig wird die dritte Vorsteuerventilanordnung 57 hydraulisches Strömungsmittel in die Steuerkammer 36 der dritten Sitzventilanordnung 53 einleiten und das Sitzventilglied 31 weg vom Ventilsitz 32 der dritten Sitzventilanordnung 53 bewegen, was strömungsmittelmäßig den Stangenanschluss 23 des Hydraulikzylinders 12 mit dem Ablaufanschluss 38 der Ventilanordnung 21 verbindet. Auf diese Weise wird das hydraulische Strömungsmittel aus dem Stangenanschluss 23 des Hydraulikzylinders 12 ablaufen, was gestattet, dass der Hydraulikzylinder 12 sich öffnet, wie in 6a beschrieben. Es wird klar sein, dass, wenn der Hydraulikzylinder 12 sich in der Richtung entgegengesetzt zu der oben beschriebenen Richtung bewegen würde, dann die zweiten und vierten Sitzventilanordnungen 52, 54 zusammen mit ihren jeweiligen Vorsteuerventilanordnungen 56, 58 in einer ähnlichen Weise verwendet werden würden, wie für den Fachmann zu erkennen wäre.
  • 6c zeigt den Hydraulikdruck des Pumpenanschlusses 37 auf einem gewissen Niveau von der Zeit t = 0 bis zur Zeit t = 3, dann nimmt der Hydraulikdruck temporär bei t = 4 ab und kommt bei t = 5 wieder hoch bis zu t = 10. Der Hydraulikdruck steigt dann auf einen gewissen höheren Druck von t = 10 auf t = 11, wobei er an diesem Punkt temporär wieder bei t = 16 abnimmt, jedoch anderenfalls von t = 11 bis t = 20 konstant bleibt.
  • Es wird weiter offensichtlich sein, dass 6b die Verschiebung des Sitzventilgliedes 31 vom Ventilsitz 32 von der Zeit t = 0 bis t = 20 beschreibt, während 6d die Konfiguration der Vorsteuerventilanordnung 40 beschreibt. Von der Zeit t = 0 bis t = 1 zeigt 6b, dass das Sitzventilglied 31 sich weg vom Ventilsitz 32 bewegt. Während dieser Zeit zeigt 6d, dass die Vorsteuerventilanordnung 40 in der zweiten Konfiguration 40b ist und 6a zeigt, dass der Hydraulikzylinder 12 beschleunigt.
  • Von der Zeit t = 1 bis zur Zeit t = 3 zeigt 6a, dass die Bewegung des Hydraulikzylinders 12 relativ linear ist. Während dieser Zeit ist das Sitzventilglied 31 hydraulisch an der Position durch die Vorsteuerventilanordnung 40 in der dritten Konfiguration 40c verriegelt, wie in 6d gezeigt. Eine ähnliche Bewegung wird beim Hydraulikzylinder 12 von der Zeit t = 5 bis t = 7 beobachtet.
  • 6c zeigt, dass der Hydraulikdruck von t = 3 zu t = 4 abfällt und dann auf sein früheres Niveau von t = 4 bis t = 5 zurückkehrt. Während dieser Zeit zeigt 6a, dass die Bewegung des Hydraulikzylinders 12 linear bleibt. 6d und 6b veranschaulichen, dass dies zumindest teilweise dadurch erreicht wird, dass die Vorsteuerventilanordnung 40 das Sitzventilglied 31 weiter weg vom Ventilsitz 32 von t = 3 bis t = 4 bewegt und dann das Sitzventilglied 31 zu seiner vorherigen Position von t = 4 bis t = 5 zurückbringt. Durch Bewegen des Sitzventilgliedes 31 weg vom Ventilsitz 32 wird der Strömungsquerschnitt über dem Ventilsitz 32 vergrößert, was den temporär abgesenkten Hydraulikdruck kompensiert. Wenn 6c zeigt, dass das Hydraulikdruckniveau auf normal zurückkehrt, zeigt 6d, dass die Vorsteuerventilanordnung 40 das Sitzventilglied 31 zurück zu seiner vorherigen Position in 6b bewegt.
  • Von der Zeit t = 7 bis t = 8 zeigt 6a, dass die Bewegung des Hydraulikzylinders 12 abnimmt. Während dieser Zeit zeigt 6d, dass die Vorsteuerventilanordnung 40 in der ersten Konfiguration 40a ist, was bewirkt, dass das Sitzventil glied 31 sich in Kontakt mit dem Ventilsitz 32 bewegt, wie in 6b gezeigt. Sobald es zur Zeit t = 8 in Kontakt mit dem Ventilsitz 32 ist, zeigt 6d, dass die Vorsteuerventilanordnung 40 in der dritten Konfiguration 40c ist, wobei hydraulisch das Sitzventilglied 31 an der Position verriegelt ist. Wie in 6a zu sehen, bleibt der Hydraulikzylinder 12 während dieser Zeit bewegungslos, da es keinen Strömungsquerschnitt über dem Ventilsitz 32 der Ventilanordnung 21 gibt, auch wenn 6c zeigt, dass der Hydraulikdruck von der Zeit t = 10 bis t = 11 zunimmt.
  • Die Kurvendarstellungen 6a–d zeigen ein ähnliches Verhalten des Hydraulikzylinders 12 von der Zeit t = 12 bis zur Zeit t = 20, und zwar bezüglich des Verhaltens, welches in der Zeit t = 0 bis t = 8 beobachtet wurde, auch wenn 6c eine Zunahme des Hydraulikdruckes zeigt. Trotz dieser Zunahme zeigt 6a, dass sich der Hydraulikzylinder 12 mit der gleichen Rate bzw. Geschwindigkeit bewegt, wie er es zuvor tat. Es wird durch eine Betrachtung der 6b zu sehen sein, dass dies aufgrund dessen kommt, dass das Sitzventilglied 31 zu einer Entfernung näher an dem Ventilsitz 32 verschoben wird. Durch Verringerung der Verschiebung des Sitzventilgliedes 31 wird der gesteigerte Hydraulikdruck zumindest teilweise kompensiert. Es wird weiter beobachtet werden, dass, weil der Hydraulikdruck von der Zeit t = 12 bis t = 12,5 höher ist, die Vorsteuerventilanordnung 40 in der zweiten Konfiguration 40b für eine geringere Zeitdauer sein muss, um das Sitzventilglied 31 zu bewegen, wie in den 6b und 6d zu sehen. Es sei bemerkt, dass die Zeit zur Bewegung des Sitzventilgliedes 31 zurück in die Position in ähnlicher Weise verringert wird, wie in den 6b und 6d gezeigt. Es sei auch bemerkt, dass, wenn 6c eine temporäre Fluktuation des Hydraulikdruckes von der Zeit t = 15 bis t = 17 zeigt, die 6b und 6d zeigen, dass die Vorsteuerventilanordnung 40 und das Sitzventilglied 31 bewegt werden, um zu kompensieren, und zwar in ähnlicher Weise wie in der Zeit t = 3 bis t = 5. Auf diese Weise wird die Hydraulikdruckveränderung zumindest teilweise kompensiert und die Bewegung des Hydraulikzylinders 12 bleibt relativ linear, wie in 6a zu sehen.
  • Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass die 6a6d nur veranschaulichend sind, und dass sie nicht den Kern oder Umfang dieser Offenbarung in irgendeiner Weise bezüglich der Zeit oder des Ausmaßes der Bewegung irgendei nes Elementes der Ventilanordnung 121 einschränken sollen. Es wird in Betracht gezogen, dass die Vorsteuerventilanordnung 40 andere Strömungsquerschnitte durch die erste Konfiguration 40a und die zweite Konfiguration 40b haben könnte, sodass die Bewegung des Sitzventilgliedes 31 mit höherer Präzision gesteuert werden könnte, was eine größere Gleichförmigkeit bei der beobachteten Bewegung des Hydraulikzylinders 12 gestattet.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Diese Offenbarung zieht in Betracht, dass die hier offenbarte Ventilanordnung 121 insbesondere einen Hydraulikzylinder 12 betätigt, der an einem Arbeitsmaschinenwerkzeug 14 angebracht ist, das mit dem Fahrgestell 11 einer Baggerlader-Arbeitsmaschine 10 verbunden ist, wie in 5 vorgesehen. In einem hier offenbarten Ausführungsbeispiel würde die Ventilanordnung 121 einen Pumpenanschluss 37 und einen Ablaufanschluss 38 aufweisen, die strömungsmittelmäßig über eine Vielzahl von Sitzventilanordnungen 51, 52, 53, 54 mit dem Kopfanschluss 22 und dem Stangenanschluss 23 des Hydraulikzylinders 12 verbunden sind.
  • Die Betätigungsvorrichtung 41 einer Pilot- bzw. Vorsteuerventilanordnung 40 ist betreibbar, um das Vorsteuerventilglied 42 zu bewegen, um entweder eine Strömungsmittelverbindung oder eine Abtrennung des Strömungsmittels von der Steuerkammer 36 der Sitzventilanordnung 30 zu bewirken. 1 zeigt, dass, wenn die Vorsteuerventilanordnung 40 in die erste Konfiguration 40a bewegt wird, die Steuerkammer 36 strömungsmittelmäßig mit dem Einlassanschluss 34 der Sitzventilanordnung 30 verbunden ist. Dies wird gestatten, dass unter Druck gesetztes Hydraulikströmungsmittel die Steuerkammer 36 füllt, was einen Hydraulikdruck auf dem Sitzventilglied 31 über die hydraulische Steuerfläche 35 bewirken wird. Dies wird zur Folge haben, dass das Sitzventilglied 31 sich in Kontakt mit dem Ventilsitz 32 bewegt, was einen Strömungsquerschnitt über dem Ventilsitz 32 verringert und schließlich verschwinden lässt. Es sei bemerkt, dass die Betätigungsvorrichtung 41a so vorgespannt ist, dass der natürliche Zustand der Vorsteuerventilanordnung 40 in dieser ersten Konfiguration 40a ist, um eine unbeab sichtigte Bewegung des assoziierten Hydraulikzylinders 12 und des Arbeitsmaschinenwerkzeuges 14 zu verhindern.
  • Wenn die Vorsteuerventilanordnung 40 in der zweiten Konfiguration 40b ist, ist in ähnlicher Weise die Steuerkammer 36 mit dem Ausgangsanschluss 33 der Sitzventilanordnung 30 strömungsmittelmäßig verbunden, wie von 2 gezeigt. Weil der Ausgangsanschluss 33 auf einem niedrigeren Druck sein wird als die Steuerkammer 36, wird das hydraulische Strömungsmittel aus der Steuerkammer 36 herausfließen, was einen negativen Druck an der hydraulischen Steuerfläche 35 des Sitzventilgliedes 31 zur Folge hat. Dies wird bewirken, dass das Sitzventilglied 31 sich weg vom Ventilsitz 32 bewegt, was einen Flussquerschnitt über dem Ventilsitz 32 zwischen dem Eingangsanschluss 34 und dem Ausgangsanschluss 33 der Sitzventilanordnung erzeugt.
  • In der dritten Konfiguration 40c ist die Steuerkammer 36 strömungsmittelmäßig entweder vom Eingangsanschluss 34 oder vom Ausgangsanschluss 33 durch die Vorsteuerventilanordnung 40 isoliert, wie in 3 gezeigt. Es wird erkenntlich sein, dass, weil die Steuerkammer 36 strömungsmittelmäßig isoliert ist, das Sitzventilglied 31 hydraulisch in der Position verriegelt ist, weil die Hydraulikkammer 36 eine gewisse Menge an hydraulischem Strömungsmittel enthält, die weder zu komprimieren ist noch sich ausdehnen wird. Dies wird zur Folge haben, dass das Sitzventilglied 31 nahezu vollständig unbeweglich ist, und zwar ungeachtet von Veränderungen der Druckdifferenz zwischen dem Pumpenanschluss 37 und dem Ablaufanschluss 38 der Ventilanordnung 21, wie in 6b und 6d gezeigt.
  • Der Fachmann wird erkenne, dass in 4 der Eingangsanschluss 34 der ersten und vierten Sitzventilanordnungen 51, 54 mit dem Pumpenanschluss 37 verbunden wäre, während ihre Ausgangsanschlüsse 33 mit dem Kopfanschluss 22 bzw. dem Stangenanschluss 23 des Hydraulikzylinders 12 verbunden wären. Genauso wird der Ausgangsanschluss 33 der zweiten und dritten Sitzventilanordnungen 52, 53, mit dem Ablaufanschluss 38 verbunden sein, während ihre Eingangsanschlüsse mit dem Kopfanschluss 22 bzw. dem Stangenanschluss 23 des Hydraulikzylinders 12 verbunden sind.
  • Die Vorteile bei der Steuerung von dieser Ventilanordnung 121 werden dem Fachmann offensichtlich sein. Es wird in Betracht gezogen, dass der Arbeitsmaschinenbediener eine Steuerungsveränderung vornehmen wird, die von der elektronischen Steuervorrichtung 13 interpretiert wird. Die elektronische Steuervorrichtung 13 wird dann Daten sammeln, wie beispielsweise die Druckdifferenz zwischen dem ersten Drucksensor 61 und dem zweiten Drucksensor 62 und die Position des Sitzventilgliedes 31 bezüglich des Ventilsitzes 32 über den Positionssensor 60. Die elektronische Steuervorrichtung 13 weist dann die Betätigungsvorrichtung 41 der Vorsteuerventilanordnung 40 an, das Vorsteuerventilglied 42 in einer Weise zu bewegen, wie in den 6b–d gezeigt. Wenn die Druckdifferenz hoch ist, dann wird das Sitzventilglied 31 weniger vom Ventilsitz 32 verschoben werden als wenn die Druckdifferenz niedrig wäre, wie in den 6b und 6c gezeigt. In dieser Weise wird der Strömungsmitteldruck auf dem Hydraulikzylinder 12 gesteuert und die Bewegung des Hydraulikzylinders 12 wird effektiv die Gleiche sein, egal ob die Druckdifferenz hoch oder niedrig ist, wie in 6a gezeigt. Somit werden die Ergebnisse, die der Arbeitsmaschinenbediener beobachtet, nahezu gleichförmig sein, jedoch kann die innere Positionierung der Ventilanordnung 121 abweichen. In dieser Weise können die Probleme von schwierigen und unvorhersagbaren Steuerungen beträchtlich verringert werden. Eine zusätzliche Verbesserung bei der gegenwärtigen Ventilanordnung 121, wie offenbart, ist, dass ein Sitzventilglied 31 zu einer Stelle weg vom Ventilsitz 32 bewegt werden kann und hydraulisch am Platz über eine Strömungsmittelisolierung bzw. Strömungsmittelblockage der Steuerkammer 36 für eine verlängerte Zeitperiode verriegelt werden kann. Das Ventil wird nicht inhärent lecken, weil es kein Kolbenventil ist und weil es strömungsmittelmäßig isoliert bzw. blockiert ist, wird es unempfindlich für Druckveränderungen, die Schwierigkeiten bei vorherigen Sitzventilkonstruktionen charakterisiert haben. Es sei bemerkt, dass das oben beschriebene Ausführungsbeispiel nur beispielhaft ist, und dass mehrere andere Konfigurationen, die mindestens eine Sitzventilanordnung 30 und mindestens eine Vorsteuerventilanordnung 40 umfassen, wie hier offenbart, in Betracht gezogen werden. Der Fachmann wird erkennen, dass aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung erreicht werden können.
  • Zusammenfassung Robust stabiles servogesteuertes Zumesssitzventil
  • Eine Sitzventilanordnung mit einer Steuerkammer wird offenbart, die strömungsmittelmäßig mit einer Anzahl von unterschiedlichen Hydraulikanschlüssen über eine Vorsteuerventilanordnung verbunden ist. Die Sitzventilanordnung weist ein Sitzventilglied auf, dessen Bewegung durch Füllen oder Leeren der Steuerkammer gesteuert wird, und welches hydraulisch an einer gegebenen Position durch strömungsmittelmäßiges Isolieren der Steuerkammer von irgendeiner anderen hydraulischen Verbindung verriegelt werden kann. Das Sitzventilglied weist eine hydraulische Steuerfläche auf, die dem Strömungsmitteldruck in der Steuerkammer ausgesetzt ist. Die Sitzventilanordnung kann Teil einer Ventilanordnung sein, die eine Vielzahl von Sitzventilanordnungen aufweist, die betriebsmäßig einen Hydraulikzylinder steuern, der mit einem Werkzeug einer Arbeitsmaschine verbunden ist.
  • 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.
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Claims (10)

  1. Ventilanordnung (21), die Folgendes aufweist: eine Sitzventilanordnung (30), die ein Sitzventilglied (31) und einen Strömungsmitteldurchlass aufweist, der sich zwischen einem ersten Anschluss (34) und einem zweiten Anschluss (33) erstreckt, wobei der Strömungsmitteldurchlass einen Ventilsitz (32) aufweist, und wobei die Sitzventilanordnung (30) eine darin angeordnete Steuerkammer (36) hat; und wobei das Sitzventilglied (31) eine hydraulische Steuerfläche (35) aufweist, die dem Hydraulikdruck innerhalb der Steuerkammer (36) ausgesetzt ist, und wobei das Sitzventilglied (31) zu einer Position in Kontakt mit dem Ventilsitz (32) bewegbar ist, und wobei das Sitzventilglied (31) eine Vielzahl von Positionen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten über dem Ventilsitz (32) hat; und eine Vorsteuerventilanordnung (40), die strömungsmittelmäßig mit der Sitzventilanordnung (30) verbunden ist, und eine erste Konfiguration hat, in der der erste Anschluss (34) strömungsmittelmäßig mit der Steuerkammer (36) verbunden ist, und die eine zweite Konfiguration hat, in der der zweite Anschluss (33) strömungsmittelmäßig mit der Steuerkammer (36) verbunden ist, und die eine dritte Konfiguration hat, in der die Steuerkammer (36) strömungsmittelmäßig vom ersten Anschluss (34) und vom zweiten Anschluss (33) isoliert ist.
  2. Ventilanordnung (21) nach Anspruch 1, wobei der zweite Anschluss (33) strömungsmittelmäßig isoliert ist, wenn die Vorsteuerventilanordnung (40) in der erste Konfiguration ist, und wobei der erste Anschluss (34) strömungsmittelmäßig isoliert ist, wenn die Vorsteuerventilanordnung (40) in der zweiten Konfiguration ist.
  3. Ventilanordnung (21) nach Anspruch 1, die Mittel zum Detektieren einer Druckdifferenz zwischen dem ersten Anschluss (34) und dem zweiten Anschluss (33) aufweist.
  4. Ventilanordnung (21) nach Anspruch 1, wobei die Vorsteuerventilanordnung (40) ein Vorsteuerventilglied (42) aufweist, welches betriebsmäßig mit einer Betätigungsvorrichtung (41) gekoppelt ist, und wobei die Vorsteuerventilanordnung (40) vorgespannt ist, sodass sie in der ersten Konfiguration ist.
  5. Ventilanordnung (21) nach Anspruch 1, die einen Positionssensor (60) aufweist, der an der Sitzventilanordnung (30) angebracht ist, und wobei der Positionssensor (60) betriebsmäßig angeschlossen ist, um eine Verschiebung des Sitzventilgliedes (31) relativ zum Ventilsitz (32) abzufühlen.
  6. Ventilanordnung (21) nach Anspruch 1, wobei die Sitzventilanordnung (30) eine erste Sitzventilanordnung (30) ist, und wobei die Vorsteuerventilanordnung (40) eine erste Vorsteuerventilanordnung (40a) ist; und wobei die Ventilanordnung (21) eine zweite, eine dritte und eine vierte Sitzventilanordnung (52, 53, 54) aufweist, die mit einer jeweiligen zweiten, dritten und vierten Vorsteuerventilanordnung (56, 57, 58) gekoppelt sind
  7. Ventilanordnung (21) nach Anspruch 6, wobei der erste Anschluss (34) ein Pumpenanschluss (37) ist, wobei der zweite Anschluss (33) ein Ablaufanschluss (38) ist, und wobei die Ventilanordnung (21) einen Stangenanschluss (23) und einen Kopfanschluss (22) aufweist.
  8. Maschine, die Folgendes aufweist: ein Fahrgestell (11); und eine Ventilanordnung (21), die eine Sitzventilanordnung (30), einen Kopfanschluss (22), einen Stangenanschluss (23), einen Pumpenanschluss (37) und einen Ablaufanschluss (38) aufweist, die am Fahrgestell (11) angebracht ist; und einen Hydraulikzylinder (12), der strömungsmittelmäßig mit dem Kopfanschluss (22) und dem Stangenanschluss (23) verbunden ist; und wobei die Sitzventilanordnung (30) ein Sitzventilglied (31) mit einer hydraulischen Steuerfläche (35) aufweist, die dem Strömungsmitteldruck in einer Steuerkammer (36) ausgesetzt ist und in eine Vielzahl von Positionen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten über dem Ventilsitz (32) bewegbar ist.; und Mittel, die eine Vorsteuerventilanordnung (40) aufweisen, zum Stoppen des Sitzventilgliedes (31) an jeder der Vielzahl von Positionen zumindest teilweise durch strömungsmittelmäßiges Isolieren der Steuerkammer (36).
  9. Maschine nach Anspruch 8, wobei die Maschine eine Arbeitsmaschine (14) ist, und wobei der Hydraulikzylinder (12) betriebsmäßig mit einem Werkzeug der Arbeitsmaschine (14) gekoppelt ist.
  10. Verfahren zum Betrieb einer Ventilanordnung (21), welches folgende Schritte aufweist: Bewegen eines Sitzventilgliedes (31) bezüglich eines Ventilsitzes (32) zumindest teilweise durch Aussetzen einer hydraulischen Steuerfläche (35) des Sitzventilgliedes (31) gegenüber einem Hydraulikdruck in einer Steuerkammer (36); und Stoppen des Sitzventilgliedes (31) an einer Position entfernt vom Ventilsitz (32) zumindest teilweise durch strömungsmittelmäßiges Isolieren der Steuerkammer (36).
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