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Technisches Gebiet
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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.
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Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf ein oder mehrere der oben dargelegten
Probleme gerichtet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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;
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2 ist
eine schematische Ansicht der Sitzventilanordnung der 1 in
der zweiten Konfiguration gemäß der vorliegenden
Offenbarung;
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3 ist
eine schematische Ansicht der Sitzventilanordnung der 1 und 2 in
der dritten Konfiguration gemäß der vorliegenden
Offenbarung;
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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,
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5 ist
eine schematische Ansicht einer Baggerlader-Arbeitsmaschine, die
eine Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung
aufweist;
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6a ist
eine Kurvendarstellung der Hydraulikzylinderposition, die als ein
Prozentsatz als eine Funktion der Zeit gezeigt ist;
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6b ist
eine Kurvendarstellung der Position eines Sitzventilgliedes in einer
Ventilanordnung, die mit dem Hydraulikzylinder gekoppelt ist, als
eine Funktion der Zeit;
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6c ist
eine Kurvendarstellung der Druckdifferenz an dem Ventilsitz in dem
Hydrauliksystem, das mit dem Hydraulikzylinder gekoppelt ist, als
eine Funktion der Zeit; und
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6d ist
eine Kurvendarstellung der Konfiguration einer Vorsteuerventilanordnung
in der Ventilanordnung als eine Funktion der Zeit.
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Detaillierte Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mit
Bezug auf die 6a–6d 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass die 6a–6d 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.
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Industrielle Anwendbarkeit
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung Robust stabiles
servogesteuertes Zumesssitzventil
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 674599262
B2 [0002]
- - US 5819532 [0002]
- - US 6869060 B2 [0002]
- - US 5186212 [0004]