DE112015000263T5

DE112015000263T5 - Flussregeneration für Auslegerzylinder beim Grabvorgang

Info

Publication number: DE112015000263T5
Application number: DE112015000263.4T
Authority: DE
Inventors: Jiao Zhang; Pengfei Ma; Vickram Murugesan; Tonglin Shang; Bryan Jacob Hillman
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-09-08
Also published as: US20150197915A1; WO2015108817A1; CN105899736A; US9261118B2

Abstract

Offenbart werden ein Hydrauliksystem und ein Verfahren zur Erhaltung von Energie in einem solchen System. Das Hydrauliksystem umfasst ein Hydraulikstellglied mit einem Kopfende, einem Stangenende und einem dazwischen angeordneten Kolben. Das System umfasst auch eine Pumpe, die Fluid an das Stellglied pumpt, ein erstes Ventil, das stromabwärts des Stangenendes angeordnet ist, und ein zweites Ventil, das zwischen der Pumpe und dem Kopfende des Stellglieds angeordnet ist. Ist das System in einem Freilauflastzustand, ist das zweite Ventil zum Teil geschlossen, um den Fluss von einem kombinierten Fluid zu begrenzen. Das kombinierte Fluid umfasst Fluid, das von der Pumpe empfangen wird, und Fluid, das von dem Stangenende des Stellglieds empfangen wird. Ist das System in dem Leichtwiderstandslastzustand, ist das zweite Ventil offen, um das kombinierte Fluid durch das zweite Ventil fließen zu lassen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Energieerhaltung, und insbesondere ein System und Verfahren zur Erhaltung von Energie in einem hydraulisch betriebenen Anlenkungssystem.
Hintergrund
In einer Maschine, wie etwa einem Bagger, einem Baggerlader oder einer hydraulischen Schaufel kann ein Hydraulikkreis eine Pumpe mit variabler Verdrängung in Fluidverbindung mit einem oder mehreren Hydraulikstellgliedern zur Manipulation einer variablen Last umfassen. Die Pumpe liefert unter Druck stehendes Hydraulikfluid an jedes der Stellglieder, wie etwa einen Hydraulikzylinder oder einen Hydraulikmotor, um Last zu bewegen. Die Stellglieder können mit Arbeitsmitteln verbunden sein, etwa einem Ausleger, Vorderausleger, einer Schaufel und/oder einem Schwenkgetriebe.
Ein typischer Grabvorgang für einen Bagger oder eine andere Maschine mit einem Arbeitsaufsatz kann eine Vielzahl von Phasen aufweisen. Solche Phasen können, ohne darauf begrenzt zu sein, eine Anfangsphase, eine Grabephase, eine Grabe-Ausleger-hoch-Freilauflastphase, eine Grabe-Ausleger-hoch-Widerstandslastphase und eine Auslegeranhebephase umfassen. In der Anfangsphase liegt keine Grablast vor, und der Ausleger, der Vorderausleger und die Schaufel werden in Stellung gebracht, um den Grabvorgang zu beginnen. In der Grabephase wird der Ausleger allgemein in Stellung gehalten, während ein Arbeitsaufsatz, zum Beispiel ein Vorderausleger und eine Schaufel, die an dem Ausleger angebracht sind, graben. In der Grabe-Ausleger-hoch-Freilauflastphase wird der Ausleger nach oben bewegt, während der Arbeitsaufsatz gräbt. In dieser Phase ist die Reaktionsgrabkraft, die auf den Auslegerzylinder durch den Arbeitsaufsatz wirkt, größer als die Widerstandskraft der Schwerkraft. In der Grabe-Ausleger-hoch-Widerstandslastphase wird der Ausleger nach oben bewegt, während der Arbeitsaufsatz gräbt, aber die Reaktionsgrabkraft ist geringer als die Widerstandskraft der Schwerkraft. In der Auslegeranhebephase gräbt der Arbeitsaufsatz nicht mehr, und der Ausleger wird zusammen mit der in dem Arbeitsaufsatz enthaltenen Last nach oben bewegt.
Wenn der Hydraulikkreis von der Grabephase auf die Grabe-Ausleger-hoch-Freilauflastphase übergeht, geht der Auslegerabschnitt des Hydraulikkreises allgemein von einem Haltebetrieb in einen Hebebetrieb über, die Schaufel- und Vorderauslegerkreise tragen eine hohe Grabelast, und die Pumpe muss Fluid unter Hochdruck zuführen, um die Grabefunktion zu unterstützen. Als Ergebnis kann sich der Auslegerzylinder für eine kurze Zeitperiode, zum Beispiel, etwa 0,5 bis etwa 2 Sekunden, in einem Freilauflastzustand befinden. Wird der Ausleger in einem Freilauflastzustand angehoben, erhält das Kopfende des Stellglieds für den Ausleger eine Pumpenströmung mit einem größeren Druck als notwendig, was in der Folge eine Druckmodulation durch ein Ausgleichsventil verursachen kann, das stromabwärts der Pumpe und stromaufwärts des Kopfendes des Stellglieds angeordnet ist. Eine relativ große Menge an Leistung kann auf Grund des Fluiddruckabfalls über das Ausgleichsventil verlorengehen. Ein ähnlicher Leistungsverlust kann auftreten, wenn der Hydraulikkreis in die Grabe-Ausleger-hoch-Widerstandslastphase übergeht. Dieser Leistungsverlust könnte verringert werden.
Die JP 2012-172491 offenbart ein Hydrauliksystem, das ein Strömungsbegrenzungsmittel umfasst, das das Strömungsvolumen begrenzt, das von einer Hydraulikpumpe an die Kopfseite eines Auslegerhydraulikzylinders geliefert wird. Eine solche Begrenzung erfolgt nur zum Zeitpunkt eines Auslegeranhebevorgangs, bei dem die stangenseitige Druckkraft des Auslegerhydraulikzylinders höher ist als die kopfseitige Druckkraft. Ein besseres System zur Erhaltung von Energie in einem Hydrauliksystem ist erwünscht.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Erhaltung von Energie in einem Hydrauliksystem offenbart. Das Hydrauliksystem kann eine Pumpe, ein Hydraulikstellglied, ein erstes Ventil und ein zweites Ventil umfassen. Das Hydraulikstellglied kann ein Kopfende, ein Stangenende und einen Kolben umfassen, der im Inneren des Stellglieds zwischen dem Kopfende und dem Stangenende angeordnet ist. Das erste Ventil kann zwischen dem Stangenende und einem Fluidbehälter angeordnet sein, und kann zwischen dem Stangenende und dem zweiten Ventil angeordnet sein. Das zweite Ventil kann zwischen der Pumpe und dem Kopfende angeordnet sein. Das Verfahren kann umfassen: Bestimmen, ob das Hydrauliksystem in einem Freilauflastzustand, einem Leichtwiderstandslastzustand oder einem Schwerwiderstandslastzustand ist, sowie, wenn das Hydrauliksystem in den Freilauflastzustand eintritt, Empfangen von regeneriertem Fluid an dem Kopfende.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren des Weiteren umfassen: wenn das Hydrauliksystem in den Freilauflastzustand eintritt, das Schließen des ersten Ventils und das Kombinieren von Fluid, das von dem Stangenende fließt, mit Fluid, das von der Pumpe fließt, und Empfangen einer Fluidströmung von einem Nachfüllkreis am Kopfende. In einer Weiterbildung kann das Verfahren des Weiteren das Begrenzen des Flusses von kombiniertem Fluid zu dem Kopfende durch teilweises Schließen des zweiten Ventils umfassen. In einer weiteren Weiterbildung kann das Verfahren des Weiteren umfassen: wenn das Hydrauliksystem von dem Freilauflastzustand in den Leichtwiderstandslastzustand eintritt: Verringern der Begrenzung des kombinierten Fluids durch das zweite Ventil, Erhöhen der Fluidströmung von der Pumpe zu dem Kopfende des Stellglieds, und Reduzieren der Fluidströmung von dem Nachfüllkreis zu dem Kopfende auf ungefähr Null.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren des Weiteren das Bestimmen umfassen, wann das Hydrauliksystem von dem Leichtwiderstandslastzustand auf den Schwerwiderstandslastzustand übergeht, und als Ergebnis der Bestimmung des Übergangs von Leichtwiderstandslastzustand auf den Schwerwiderstandslastzustand, Öffnen des ersten Ventils, um Fluid von dem Stangenende zu dem Reservoir fließen zu lassen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren des Weiteren umfassen: Erhalten einer ersten Fluiddruckmessung von Fluid in einer Fluidleitung, die mit dem Stellglied-Kopfende verbunden ist, und einer zweiten Fluiddruckmessung von Fluid in einer stangenseitigen Leitung, die mit dem Stellglied-Stangenende verbunden ist, und Abschätzen des Lastzustandes zumindest zum Teil auf Grundlage eines Vergleichs einer kopfseitigen Stellgliedkraft mit einer stangenseitigen Stellgliedkraft. Die kopfseitige Stellgliedkraft wird bestimmt durch die erste Fluiddruckmessung mal einen vorderen Oberflächenbereich einer Vorderfläche des Kolbens. Die stangenseitige Stellgliedkraft wird bestimmt durch die zweite Fluiddruckmessung mal einem hinteren Oberflächenbereich einer Rückfläche des Kolbens. Die Vorderfläche des Kolbens ist proximal zu dem Kopfende, und die Rückseite des Kolbens proximal zu dem Stangenende. In einer Weiterbildung kann ein Übergang auf die Schwerwiderstandslast erfasst werden, wenn (a) die kopfseitige Stellgliedkraft größer als die stangenseitige Stellgliedkraft ist, und (b) die erste Fluiddruckmessung in einem Bereich von etwa einem Anfangsdruck des von der Pumpe ausgegebenen Fluids bis etwa neunzig Prozent des Anfangsdrucks des von der Pumpe ausgegebenen Fluids liegt. Gemäß einer weiteren Verbesserung kann ein Übergang auf die Leichtwiderstandslast erfasst werden, wenn die kopfseitige Stellgliedkraft größer ist als die stangenseitige Stellgliedkraft.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Hydrauliksystem des Weiteren ein drittes Ventil zwischen dem Stangenende des Stellglieds und dem Ausgleichsventil umfassen, und das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Öffnen des dritten Ventils, wenn das erste Ventil im Wesentlichen geschlossen ist, und Empfangen von Fluid von dem Stangenende durch das dritte Ventil, wenn das erste Ventil im Wesentlichen geschlossen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hydrauliksystem offenbart. Das Hydrauliksystem kann ein Hydraulikstellglied, eine Pumpe, ein erstes Ventil und ein zweites Ventil umfassen. Das Hydraulikstellglied kann ein Kopfende, ein Stangenende und einen dazwischen angeordneten Kolben umfassen. Die Pumpe kann eine Pumpe sein, die Fluid zu dem Kopfende des Stellglieds pumpt. Das erste Ventil kann fluidmäßig zwischen dem Stangenende des Stellglieds und der Pumpe gekoppelt sein. Das zweite Ventil kann fluidmäßig zwischen der Pumpe und dem Kopfende des Stellglieds gekoppelt sein. Ist das System in einer ersten Konfiguration, kann das zweite Ventil stromabwärts des ersten Ventils sein und kann in einer zum Teil offenen Stellung sein, die den Fluss von kombiniertem Fluid begrenzt, wobei das kombinierte Fluid Fluid umfasst, das von der Pumpe erhalten wird, sowie Fluid, das von dem Stangenende des Stellglieds durch das erste Ventil erhalten wird. Während das System in der ersten Konfiguration ist, kann das Kopfende kombiniertes Fluid erhalten.
In einer Ausführungsform kann das System des Weiteren einen Nachfüllkreis umfassen, der fluidmäßig mit dem Kopfende des Stellglieds gekoppelt ist. Während das System in der ersten Konfiguration ist, kann das Kopfende Fluid von dem Nachfüllkreis erhalten.
In einer weiteren Ausführungsform kann das System eine zweite Konfiguration aufweisen, in der das zweite Ventil stromabwärts des ersten Ventils sein kann und in einer offenen Stellung sein kann, die dem kombinierten Fluid erlaubt, durch das zweite Ventil zu fließen. In einer Weiterbildung kann, während das System in der zweiten Konfiguration ist, das Kopfende im Wesentlichen kein Fluid von dem Nachfüllkreis erhalten. Gemäß einer weiteren Verbesserung kann das System des Weiteren ein Steuergerät, einen ersten Drucksensor, der zwischen dem Stangenende des Stellglieds und dem ersten Ventil angeordnet ist, und einen zweiten Drucksensor umfassen, der zwischen dem zweiten Ventil und dem Kopfende des Stellglieds angeordnet ist. Der erste und der zweite Drucksensor können mit dem Steuergerät wirkverbunden sein, um Signale an das Steuergerät senden, die den gemessenen Fluiddruck für das Stellglied angeben. Das Steuergerät kann einen Speicher mit einem darin gespeicherten Programm aufweisen, das erfasst, ob das Hydrauliksystem in einem Freilauflastzustand, einem Leichtwiderstandslastzustand oder einem Schwerwiderstandslastzustand ist, und zwar zumindest zum Teil auf Grundlage von Signalen, die durch das Steuergerät von den ersten und zweiten Drucksensoren erhalten werden.
In einer Ausführungsform kann das Hydrauliksystem einen Ausleger betätigen, der mit einem Arbeitswerkzeug gekoppelt ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Erhaltung von Energie in einem Hydrauliksystem offenbart. Das Hydrauliksystem kann eine Pumpe, ein Hydraulikstellglied, einen Fluidbehälter, ein erstes Ventil, ein zweites Ventil und ein drittes Ventil umfassen. Das Hydraulikstellglied kann ein Kopfende, ein Stangenende und einen Kolben umfassen, der im Inneren des Stellglieds zwischen dem Kopfende und dem Stangenende angeordnet ist. Der Kolben kann eine Vorderfläche proximal zu dem Kopfende, und eine Rückseite proximal zu dem Stangenende umfassen. Die Vorderfläche kann einen vorderen Oberflächenbereich aufweisen, und die Rückseite kann einen hinteren Oberflächenbereich aufweisen. Das erste Ventil kann zwischen dem Stangenende und dem Fluidbehälter angeordnet sein, und kann zwischen dem Stangenende und einem zweiten Ventil angeordnet sein. Das zweite Ventil kann zwischen der Pumpe und dem Kopfende angeordnet sein. Das dritte Ventil kann zwischen dem Stangenende des Stellglieds und dem Ausgleichsventil angeordnet sein. Das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Erhalten einer ersten Fluiddruckmessung von Fluid in einer Fluidleitung, die mit dem Stellglied-Kopfende verbunden ist, und einer zweiten Fluiddruckmessung von Fluid in einer stangenseitigen Leitung, die mit dem Stellglied-Stangenende verbunden ist; Erhalten von Auslegerhebel- und Schaufelsteuerbefehlen; wenn (a) der Auslegerhebelbefehl besagt, den Ausleger nach oben zu bewegen, (b) der Schaufelsteuerungsbefehl Graben lautet, und (c) eine kopfseitige Stellgliedkraft geringer ist als eine stangenseitige Stellgliedkraft, im Wesentlichen Schließen des ersten Ventils, Kombinieren von Fluid von dem Stangenende mit Fluid von der Pumpe, um eine kombinierte Fluidströmung zu dem Kopfende bereitzustellen, und teilweises Öffnen des zweiten Ventils, um den Fluss von dem kombinierten Fluid zu dem Kopfende des Stellglieds zu begrenzen, und Verringern der Fluidströmung von der Pumpe zu dem Kopfende, Kombinieren von Fluid, das von dem Stangenende strömt, mit Fluid, das von der Pumpe strömt, Begrenzen des Flusses von kombiniertem Fluid zu dem Kopfende, und Verwenden von Fluidströmung von einem Nachfüllkreis zu dem Kopfende.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren des Weiteren das Verringern der Fluidströmung von der Pumpe zu dem Kopfende umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform, kann das Verfahren des Weiteren umfassen, wenn (a) der Auslegerhebelbefehl besagt, den Ausleger nach oben zu bewegen, (b) der Schaufelsteuerungsbefehl Graben lautet, und (c) die kopfseitige Stellgliedkraft größer ist als die stangenseitige Stellgliedkraft, im Wesentlichen Schließen des ersten Ventils, Kombinieren von Fluid von dem Stangenende mit Fluid von der Pumpe, und Öffnen des zweiten Ventils, um kombiniertes Fluid durch dasselbe zu dem Kopfende fließen zu lassen. In einer Weiterbildung kann das Verfahren des Weiteren das Öffnen des dritten Ventils umfassen, um Fluid von dem Stangenende durch dasselbe hindurch fließen zu lassen.
In einer weiteren Ausführungsform, kann das Verfahren des Weiteren umfassen, wenn (a) der Auslegerhebelbefehl lautet, den Ausleger nach oben zu bewegen, und (b) keine aktiven Schaufelsteuerungsbefehle zum Graben vorliegen, Öffnen des ersten Ventils, um Fluid von dem Stangenende zu dem Reservoir fließen zu lassen.
Obwohl verschiedene Merkmale in Bezug auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen offenbart werden, ist klar, dass die verschiedenen Merkmale miteinander kombiniert oder allein mit jeder der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen verwendet werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Diese und weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische und diagrammatische Darstellung einer Hydrauliksystemkonfiguration;
2 ist eine schematische und diagrammatische Darstellung der Hydrauliksystemkonfiguration in dem Freilauflastzustand (Grabe-Ausleger-hoch-Freilauflastphase);
3 ist eine schematische und diagrammatische Darstellung der Hydrauliksystemkonfiguration in dem Leichtwiderstandslastzustand (Grabe-Ausleger-hoch-Leichtwiderstandslastphase);
4 ist ein Flussdiagramm und veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zur Erhaltung von Energie in dem Hydrauliksystem;
5 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines beispielhaften Fahrzeugs, in dem ein Hydrauliksystem in Übereinstimmung mit den Lehren dieser Offenbarung verwendet werden kann; und
6 ist ein Flussdiagramm und veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zur Erhaltung von Energie in dem Hydrauliksystem.
Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf 1 wird dort ein Hydrauliksystem 10 gezeigt, das Teil eines Baggers, eines Baggerladers oder einer anderen Gerätschaft sein kann, die ein Hydrauliksystem einsetzt. 5 veranschaulicht ein Beispiel für ein Fahrzeug oder eine Maschine 100, das/die die Funktionen der vorliegenden Offenbarung einbezieht. Das beispielhafte Fahrzeug 100 in 5 ist ein Bagger. Der Bagger 100 umfasst ein Untergestell 102 und einen oberen Aufbau 104. Das Untergestell 102 umfasst einen allgemein H-förmigen Rahmen 106, der zwei Raupenketten 108 entlang seiner Ränder trägt, sowie einen Zapfen (nicht dargestellt), der ein Hohlrad (nicht dargestellt) nahe an seinem Mittelpunkt trägt. Die Raupenketten 108 werden durch Kettenräder bewegt, die durch hydraulische Antriebsmotoren (nicht dargestellt) oder elektrische Antriebsmotoren gedreht werden, die mit dem Rahmen 106 verbunden sind. Das Hohlrad umfasst eine Vielzahl von Zähnen, die entlang seines inneren Umfangs angeordnet sind und mit einem Antriebszahnrad verzahnt sind, das durch einen Schwenkmotor (nicht dargestellt) angetrieben wird. Der Schwenkmotor kann mit dem oberen Aufbau 104 derart verbunden sein, dass die Drehung des Antriebszahnrads die relative Drehung des oberen Aufbaus 104 relativ zu dem Untergestell 102 veranlasst. Der obere Aufbau 104 umfasst einen Ausleger 50, der schwenkbar mit einem Rahmen 121 des oberen Aufbaus verbunden ist und unter Verwendung der beiden Auslegerstellglieder 20 geschwenkt wird. Ein Arm, der hierin als ein Vorderausleger 55 bezeichnet wird, ist schwenkbar mit einem Ende des Auslegers 50 verbunden und wird durch ein Armstellglied 126 geschwenkt. Eine Schaufel 52 ist mit dem Ende des Arms 55 verbunden und wird durch ein Schaufelstellglied 130 geschwenkt. Die Auslegerstellglieder 20, das Armstellglied 126 und das Schaufelstellglied 130 sind in den Veranschaulichungen als lineare Hydraulikzylinder verkörpert, die dazu ausgebildet sind, durch selektive Zumessung von unter Druck stehendem Fluid an eine Seite eines Hydraulikkolbens ausgefahren und eingezogen zu werden. Die verschiedenen Funktionen der Maschine 100 können zum Teil durch geeignete Manipulation verschiedener Steuerungseinrichtungen durch einen Bediener, der eine Kabine 132 besetzt, gesteuert werden. Der Schwenkmotor kann durch hydraulische oder elektrische Leistung angetrieben werden.
Zurück zu 1 umfasst das System 10 eine Pumpe 11, die typischerweise durch eine Leistungsquelle (nicht dargestellt), wie etwa einen Verbrennungsmotor, über einen Getriebezug oder eine Welle (ebenfalls nicht dargestellt) angetrieben wird. In der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, kann die Pumpe 11 eine unidirektionale Pumpe mit variabler Verdrängung sein. Die Pumpe 11 kann in Kommunikation mit einem Fluidbehälter 12 stehen, der auch als ein Ablauf dient, wie in 1 dargestellt. Die Pumpe 11 kann eine drehbare Zylindertrommel mit mehreren Kolbenbohrungen (nicht dargestellt), eine kippbare Schrägscheibe (nicht dargestellt), Kolben (nicht dargestellt), die gegen die kippbare Schrägscheibe gehalten werden, sowie einen Auslassanschluss 13 und einen Einlassanschluss 14 umfassen. Ein Gegendruck-Rückschlagventil 18 kann in der Pumpenauslassleitung 16 angeordnet sein. Ein Pumpendrucksensor 17 kann verwendet werden, um den Druck an dem Auslass 13 der Pumpe 11 zu messen.
Das System 10 kann auch ein Stellglied 20 umfassen, das ein Kopfende 24 aufweist, das in Fluidverbindung mit der Pumpe 11 über die Fluidleitung 15 steht. Die Fluidleitung 15 kann sich von der Pumpe 11 zu dem Kopfende 24 erstrecken. Die Fluidleitung 15 kann eine Pumpenauslassleitung 16, eine Zwischenleitung 22 und eine Stellglied-Kopfendleitung 28 umfassen. Die Pumpenauslassleitung 16 kann sich von der Pumpe 11 zu einem Ausgleichsventil 40 erstrecken. Die Zwischenleitung 22 kann sich von dem Ausgleichsventil 40 zu einem Nachfüllkreis 42 erstrecken. Der Nachfüllkreis 42 kann ein Nachfüllventil 43 umfassen und kann Rücklauffluid von anderen Systemen in der Maschine an das Reservoir 12 erhalten, und unter bestimmten Umständen derartiges Fluid zu dem Kopfende 24 des Stellglieds 20 über die Stellglied-Kopfendleitung 28 liefern. Die Stellglied-Kopfendleitung 28 kann sich von dem Nachfüllkreis 42 zu dem Kopfende 24 des Stellglieds 20 erstrecken. Eine Stellglied-Stangenendleitung 30 kann sich von dem Stangenende 26 des Stellglieds 20 zu der Zwischenleitung 22 erstrecken. Eine Reservoirleitung 32 kann sich von dem Ventil 46 zu dem Fluidbehälter 12 erstrecken. Drucksensoren 27, 29 können verwendet werden, um jeweils die Drücke in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 und in der Stellglied-Stangenendleitung 30 zu messen.
Das System 10 kann auch weitere Funktionen umfassen, etwa einen Schaufelkreis 51, einen Vorderauslegerkreis 62 und einen weiteren Kreis 56, etwa einen Schwenkkreis. Der Schaufelkreis 51 kann ein Schaufelstellglied 130 umfassen und kann fluidmäßig mit der Schaufel 52 gekoppelt sein. Der Vorderauslegerkreis 62 kann ein Vorderauslegerstellglied 126 umfassen und kann fluidmäßig mit dem Vorderausleger 55 gekoppelt sein. Zu diesem Zweck kann das System 10 eine oder mehrere Pumpen 11 umfassen, die kombiniertes, unter Druck stehendes Fluid zu einem oder mehreren der Kreise leiten. In einem Beispiel kann die Pumpe 11 primär dem Ausleger 50 und dem Schaufelkreis 51 zugeordnet sein, und sekundär dem Vorderauslegerkreis 62 und dem weiteren Kreis 56.
Das Stellglied 20 kann auch in Kommunikation mit dem Reservoir 12 stehen. Insbesondere kann das Kopfende 24 des Stellglieds 20 in Kommunikation mit dem Reservoir 12 über die Fluidleitung 15 stehen, und die Leitung 48 von dem Reservoir zu der Pumpe, wie in 1 dargestellt. Das Stangenende 26 des Stellglieds 20 kann über die Fluidleitung 30 und die Reservoirleitung 32 in Kommunikation mit dem Reservoir 12 stehen, wie in 1 dargestellt.
Das Stellglied 20 kann einen allgemein zylindrischen Körper 33 umfassen, der einen Kolben 34 unterbringt, der das Kopfende 24 von dem Stangenende 26 des Stellglieds 20 trennt. Der Kolben 34 kann auch mit der Stange 35 verbunden sein, die ihrerseits mit einem Ausrüstungsteil, das bewegt werden soll, verbunden sein kann, das zum Beispiel der Ausleger 50 der Maschine sein kann, die einen Grabevorgang durchführen kann, etwa ein Bagger, Baggerlader, etc. Der Kolben 34 kann zwischen einer ausgefahrenen Stellung und einer zurückgezogenen Stellung beweglich sein, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Das Stellglied 20 umfasst eine innere kopfseitige Kammer 64 und eine innere stangenseitige Kammer 68. Die kopfseitige Kammer 64 wird durch die kopfseitige Wand 66 und die Vorderfläche 65 des Kolbens 34 begrenzt. Die stangenseitige Kammer 68 wird durch die Rückseite des 67 des Kolbens 34 und die stangenseitige Wand 69 begrenzt. Die Rückseite 67 wird allgemein so betrachtet, dass sie in Umfangsrichtung die Stange 35 umgibt. Der Oberflächenbereich A_H der Vorderfläche 65 ist typischerweise größer als der Oberflächenbereich A_R der Rückseite 67, und zwar auf Grund der Fläche, die durch die Verbindung der Stange 35 mit der Rückseite 67 bedeckt wird.
Wie oben angemerkt kann der Ausleger 50 mit einem Arbeitswerkzeug 52, etwa einer Schaufel 52, gekoppelt sein. 1 veranschaulicht des Weiteren die Kommunikation zwischen der Pumpe 11 und dem Vorderauslegerkreis 62 und dem weiteren Kreis 56 über die Leitung 57, sowie die Kommunikation zwischen der Pumpe 11 und dem Schaufelkreis 51 über die Schaufelleitung 58. Des Weiteren veranschaulicht 1 auch die Kommunikation zwischen den Drucksensoren 17, 27, 29, den Ventilen 36, 38, 44, 46 und der Pumpe 11 mit einem Steuergerät 53.
1 veranschaulicht eine Reihe von Ventilen. Herkömmlicherweise kann während des ”Grabens,” typischerweise wenn der Ausleger angehoben wird, die Pumpe Fluid von dem Reservoir 12 zu dem Kopfende 24 des Stellglieds 20 "pumpen", um den Kolben 34 innerhalb des Körpers 33 zu bewegen und die Stange 35 außerhalb des Körpers 33 des Stellglieds 20. Wenn sie Fluid von dem Reservoir 12 zu dem Kopfende 24 des Stellglieds 20 pumpt, pumpt die Pumpe 11 unter Druck stehendes Fluid an dem Rückschlagventil 18 in der Pumpenauslassleitung 16 vorbei, durch das Ausgleichsventil 40, und durch das Ventil 36, das hierin im Folgenden als Pumpen-Zylinder-Kopfseiten- oder PCHE-Ventil 36 bezeichnet wird. Üblicherweise ist beim Pumpen von Fluid in das Kopfende 24 des Stellglieds 20 das PCHE-Ventil 36 offen, und das Ventil 38, das als Zylinder-Tank-Kopfseitenventil oder CTHE-Ventil 38 bezeichnet werden wird, ist geschlossen. Bei geschlossenem CTHE-Ventil 38 kann Fluid durch das PCHE-Ventil 36, durch die Zwischenleitung 22, an der Verbindung 37 vorbei, und durch die Kopfeingangsleitung 28 in das Kopfende 24 des Stellglieds 20 fließen. Unter Druck stehendes Fluid kann das Stangenende 26 des Stellglieds 20 über die Stellglied-Stangenendleitung 30 verlassen. Das Ventil 44, das als das Pumpen-Zylinder-Stangenseiten- oder PCRE-Ventil 44 bezeichnet wird, ist geschlossen, und das Ventil 46, das als das Zylinder-Tank-Stangenseiten- oder CTRE-Ventil 46 bezeichnet wird, ist offen. Das unter Druck stehende Fluid strömt von dem Stangenende 26 des Stellglieds 20 durch die Stellglied-Stangenendleitung 30, durch das CTRE-Ventil 46, und durch die Reservoirleitung 32 zu dem Reservoir 12.
Allgemein wird während der Grabephase der Ausleger 50 typischerweise in Stellung gehalten, und die Anforderung an die Pumpe 11 wird durch den Arbeitsaufsatz 52 gesteuert, usw. Während der Grabephase ist der Druck in dem Stangenende 26 des Stellglieds 20 im Wesentlichen höher als in dem Kopfende 24. Fluid von der Pumpe 11 (im Wesentlichen unter Hochdruck) wird an den Schaufelkreis 51 geliefert, um den Grabebetrieb zu unterstützen. Fehlt die Bewegung des Auslegers 50, ist das unter Druck stehende Fluid, das an das Stellglied 20 geliefert wird, etwa Null.
An einem Punkt kann die Maschine in die Grabe-Ausleger-hoch-Freilauflastphase übergehen. Während dieser Phase gräbt der Arbeitsaufsatz 52 aktiv, doch der Ausleger 50 wird um einen relativ geringen Abstand von einer tieferen Stellung in eine höhere Stellung angehoben. Typischerweise kann diese kleine Aufwärtsbewegung eingesetzt werden, um den Grabelastzustand zu verbessern. In dieser Situation ist die Reaktionskraft F_D auf den Ausleger 50 (induziert durch die Schaufel 52 durch den Vorderausleger 55) von dem Grabekontakt mit dem Boden größer als die Widerstandskraft der Schwerkraft F_G, die der geringen Aufwärtsbewegung des Auslegers 50 entgegenwirkt, was in einer Nettokraft F_N in der allgemeinen Richtung der Reaktionskraft F_D resultiert. Bei diesem Szenario ist die Kraft auf das Stellglied 20 an dem Stangenende 26 (die ”stangenseitige Stellgliedkraft”) größer als die Kraft auf das Stellglied 20 an dem Kopfende 24 (die ”kopfseitige Stellgliedkraft”). Die kopfseitige Stellgliedkraft kann definiert sein als gleich dem Oberflächenbereich der Vorderfläche des Kolbens A_H mal den Druck des Fluids an dem Kopfende 24. Die stangenseitige Stellgliedkraft kann definiert sein als gleich dem Oberflächenbereich der Rückseite des Kolbens A_H mal den Druck des Fluids an dem Stangenende 26. Unter der Maßgabe, dass der Oberflächenbereich der Vorderfläche A_H größer ist als jener der Rückseite A_R, folgt, dass in diesem Szenario der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 geringer ist als der Fluiddruck in der Stellglied-Stangenendleitung 30 proximal zu dem Stangenende 26. (Obwohl ein relativ hoher Fluiddruck an dem Stangenende 26 des Stellglieds 20 vorliegen kann, kann oft beinahe Null Fluiddruck an dem Kopfende 24 vorliegen.) Die Nettokraft F_N bewegt den Ausleger 50 nach oben in der allgemeinen Richtung der Reaktionskraft F_D (induziert durch die Interaktion der Schaufel 52 mit dem Boden). Die oben angeführten Faktoren führen zu einem Lastzustand, der als ein Freilauflastzustand angesehen wird. Während dieses Zustands liefert die Pumpe 11 weiter einen Fluss von unter hohem Druck stehendem Fluid an die Schaufel 52, um das Graben fortzusetzen, und muss auch einen Fluss von unter hohem Druck stehendem Fluid an das Kopfende 24 liefern, das unter einem wesentlich niedrigeren Druck steht, um das Entleeren des Stellglieds zu vermeiden.
In Hydrauliksystemen kann das Ausgleichsventil 40 wie im Stand der Technik bekannt eingesetzt werden, um das Druckniveau von Fluid, das zu dem Kopfende 24 fließt, gegenüber dem Druckniveau, das in dem Schaufelkreis 51 während eines Freilauflastzustandes bereitgestellt wird, zu verringern. Diese Modulation, oder Reduktion, des Drucks des Fluids, das an das Kopfende 24 geliefert wird, führt zu Energieverlusten und niedrigerer Energieeffizienz des Hydrauliksystems. Das Ausgleichsventil 40 kann ein hydromechanisch betätigtes proportionales Steuerventil sein, und kann dazu ausgebildet sein, einen Druck des Fluids zu steuern, das an die Regenerationsverbindung 60 geliefert wird. In einer Ausführungsform kann das Ausgleichsventil 40 ein Ventilelement umfassen, das durch eine Feder und hydraulisch in eine die Strömung durchlassende Stellung vorgespannt und durch Hydraulikdruck in eine die Strömung blockierende Stellung beweglich ist. Alternativ kann das Ausgleichsventil 40 ein Ventilelement umfassen, das durch eine Feder und hydraulisch in eine die Strömung blockierende Stellung vorgespannt und durch Hydraulikdruck in eine die Strömung durchlassende Stellung beweglich ist.
Nun werden die Energieerhaltungsaspekte des Systems 10 für den Fall erläutert, wenn das Stellglied 20 in einem Freilauflastzustand arbeitet. Um den Energieverlust auf Grund der Druckmodulation durch das Ausgleichsventil 40 zu minimieren, kann das Steuergerät 53 mit einem Speicher 54 ausgestattet sein, der Software umfasst, die den Freilauflastzustand erfassen kann, und für das Hydrauliksystem 10 die in 2 dargestellte Konfiguration implementieren kann.
In der Konfiguration von 2 ist das CTRE-Ventil 46 entweder vollständig geschlossen oder im Wesentlichen geschlossen, um einen Fluss von dem Stangenende 26 zu dem Reservoir 12 zu verringern, und das PCRE-Ventil 44 wird von dem Steuergerät 53 in einen offenen oder zum Teil offenen Zustand versetzt, um den Fluss von dem Stangenende 26 zu dem Kopfende 24 umzuleiten. Das PCHE-Ventil 36 wird durch das Steuergerät 53 in eine zum Teil offene Stellung (zum Teil geschlossene Stellung) versetzt, die weniger Fluss erlaubt, als von dem Kopfende 24 benötigt wird, um die von dem Bediener angeforderte Funktion durchzuführen. Das CTHE-Ventil 38 ist geschlossen.
In der Konfiguration von 2 verlässt unter Druck stehendes Fluid das Stangenende 26 des Stellglieds 20 über die Stellglied-Stangenendleitung 30. Da das CTRE-Ventil 46 entweder vollständig geschlossen oder im Wesentlichen geschlossen ist, strömt das unter Druck stehende Fluid von dem Stangenende 26 durch die Stellglied-Stangenendleitung 30 zu dem offenen PCRE-Ventil 44, passiert das PCRE-Ventil 44 und strömt zu der Fluidleitung 15 an der Regenerationsverbindung 60. Das Fluid von dem Stangenende 26, das in die Regenerationsverbindung 60 strömt, kann hierin als ”regeneriertes Fluid” bezeichnet werden. In einer Ausführungsform kann dieses regenerierte Fluid mit dem Fluid von der Pumpe 11 (das ”kombinierte Fluid”) an der Regenerationsverbindung 60 kombiniert werden. Das kombinierte Fluid kann zu dem PCHE-Ventil 36 fließen, das in eine zum Teil offene (zum Teil geschlossene) Stellung versetzt wurde, wie oben erläutert. Dieses kombinierte Fluid strömt von dem PCHE-Ventil 36, durch die Zwischenleitung 22 und durch die Stellglied-Kopfendleitung 28 zu dem Kopfende 24 des Stellglieds 20. Da die Öffnung des PCHE-Ventils 36 zum Teil verringert ist, ist auch der Fluss von kombiniertem Fluid durch das PCHE-Ventil 36 zum Teil verringert und führt zu einem verringerten Fluss von kombiniertem Fluid zu dem Kopfende 24 des Stellglieds 20. Der Nachfüllfluss von dem Nachfüllkreis 42 kann auch verwendet werden, um die kombinierte Fluidströmung zu dem Kopfende 24 zu ergänzen. In der Verwendung hierin kann das Fluid von dem Nachfüllkreis 42 als ”Nachfüllfluid” bezeichnet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann das von dem Kopfende 24 des Stellglieds erhaltene Fluid kombiniertes Fluid im Wesentlichen ohne Nachfüllfluid sein. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das von dem Kopfende 24 des Stellglieds erhaltene Fluid regeneriertes Fluid und Nachfüllfluid im Wesentlichen ohne Fluid von der Pumpe sein.
Die Konfiguration des Hydrauliksystems 10 in 2 während eines Freilauflastzustands minimiert den Energieverlust an dem Ausgleichsventil 40, da die Konfiguration von 2 erlaubt, dass ein geringeres Volumen an Fluid durch die Pumpe 11 bereitgestellt wird, als andernfalls bei Fehlen der Ergänzung der Menge des Fluids, das zu dem Kopfende 24 geliefert wird, mit regeneriertem Fluid und/oder Nachfüllfluid bereitgestellt würde. Der Leistungsverlust auf Grund der Modulation des durch die Pumpe 11 bereitgestellten Fluids durch das Ausgleichsventil 40 kann durch die folgende Gleichung berechnet werden: Leistungsverlust = Q·ΔP, wobei Q die Strömungsrate des Fluids ist, und ΔP die Druckdifferenz zwischen dem Fluid an dem Pumpenauslassanschluss 13 und dem Fluid (nach Ausgleichsventil 40) ist, das durch die Pumpe zu dem Kopfende 24 des Auslegerstellglieds 20 geliefert wird. Da der Einsatz von regeneriertem Fluid und Nachfüllfluid erlaubt, dass eine geringere Menge an Fluidströmung durch die Pumpe 11 bereitgestellt wird, kommt es zu einem geringeren Leistungsverlust, wenn das Ausgleichsventil 40 den Druck des relativ hohen Drucks des gepumpten Fluids (von der Pumpe 11) auf einen niederen Druck abfallen lässt, der für den Betrieb des Auslegers 50 geeignet ist. Die Konfiguration von 2 stellt auch eine Strategie gegen die Entleerung des Kopfendes des Stellglieds während des Freilauflastzustands dar.
An einem Punkt in dem Grabezyklus kann die Maschine in die Grabe-Ausleger-hoch-Leichtlastwiderstandsphase übergehen. Während dieser Phase gräbt der Arbeitsaufsatz 52 und der Ausleger 50 wird von einer tieferen Stellung in eine höhere Stellung angehoben. Was dies von der Grabe-Ausleger-hoch-Freilauflastphase unterscheidet, ist, dass in der Grabe-Ausleger-hoch-Leichtwiderstandslastphase die Reaktionskraft F_D auf den Ausleger 50 (induziert durch die Schaufel 52 und den Vorderausleger 55) vom Graben geringer ist als die Widerstandskraft der Schwerkraft F_G, die der Aufwärtsbewegung des Auslegers 50 entgegenwirkt. Die kopfseitige Stellgliedkraft ist etwas größer als die stangenseitige Stellgliedkraft. Der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 ist allgemein kleiner als der Fluiddruck in der Stellglied-Stangenendleitung 30 proximal zu dem Stangenende 26. Der obige Zustand ist als ein Leichtwiderstandslastzustand bekannt. Die Pumpe 11 liefert einen Fluss von unter hohem Druck stehendem Fluid an die Schaufel 52, um das Graben fortzusetzen, und liefert auch einen Fluss von unter hohem Druck stehendem Fluid an das Kopfende 24 des Stellglieds.
Nun werden die Energieerhaltungsaspekte des Systems 10 für den Fall erläutert, wenn das Stellglied 20 in einem Leichtwiderstandslastzustand arbeitet. Um den Energieverlust auf Grund der Druckmodulation durch das Ausgleichsventil 40 zu minimieren, kann das Steuergerät 53 mit einem Speicher 54 ausgestattet sein, der Software umfasst, die den Leichtwiderstandslastzustand erfassen kann, und für das Hydrauliksystem 10 die in 3 dargestellte Konfiguration implementieren kann.
In der Konfiguration von 3 ist das CTRE-Ventil 46 entweder vollständig geschlossen oder im Wesentlichen geschlossen, um einen Fluss von dem Stangenende 26 zu dem Reservoir 12 zu verringern, und das PCRE-Ventil 44 offen, oder zum Teil offen, um den Fluss von dem Stangenende 26 zu dem Kopfende 24 umzuleiten. Das PCHE-Ventil 36 ist offen, oder zum Teil offen, um den durch den Auslegerbetrieb geforderten notwendigen Fluss bereitzustellen.
In der Konfiguration von 3 verlässt unter Druck stehendes Fluid das Stangenende 26 des Stellglieds 20 über die Stellglied-Stangenendleitung 30. Da das CTRE-Ventil 46 entweder vollständig geschlossen oder im Wesentlichen geschlossen ist, strömt das unter Druck stehende Fluid von dem Stangenende 26 durch die Stellglied-Stangenendleitung 30 zu dem PCRE-Ventil 44, passiert das offene PCRE-Ventil 44 und strömt zu der Fluidleitung 15 an der Regenerationsverbindung 60. Solches unter Druck stehendes regeneriertes Fluid wird mit dem unter Druck stehenden Fluid von der Pumpe 11 (kombiniertes Fluid) an der Regenerationsverbindung 60 kombiniert. Das kombinierte Fluid strömt durch das offene PCHE-Ventil 36. Das kombinierte Fluid strömt von dem PCHE-Ventil 36, durch die Zwischenleitung 22 und durch die Kopfeingangsleitung 28 zu dem Kopfende 24 des Stellglieds 20. Nachfüllfluid tritt nicht in das Kopfende 24 des Stellglieds 20 ein, da der Druck an dem Kopfende 24 höher ist als der Druck des Nachfüllfluids. Da das kombinierte Fluid durch das PCHE-Ventil 36 nicht durch das Nachfüllfluid ergänzt wird, muss die Pumpe 11 eine höhere Strömungsrate bereitstellen, als wenn im Vergleich dazu (die Strömungsrate, die durch die Pumpe 11 bereitgestellt wird) der Lastzustand ein Freilauflastzustand wäre.
Die Konfiguration des Hydrauliksystems 10 in 3, während einer Grabe-Ausleger-hoch-Leichtwiderstandslastphase (Leichtwiderstandslastzustand), minimiert den Energieverlust an dem Ausgleichsventil 40, da die Konfiguration von 3 erlaubt, dass ein geringeres Volumen an Fluid durch die Pumpe 11 bereitgestellt wird, als andernfalls bei Fehlen der Ergänzung der Menge des Fluids, das zu dem Kopfende 24 geliefert wird, bereitgestellt werden würde. Da der Einsatz von unter Druck stehendem Fluid erlaubt, dass eine geringere Menge an Fluidströmung durch die Pumpe 11 bereitgestellt wird, kommt es zu einem geringeren Leistungsverlust, wenn das Ausgleichsventil 40 den relativ hohen Druck des gepumpten Fluids auf einen niedrigeren Druck abfallen lässt, der für den Betrieb des Auslegers 50 geeignet ist.
An einem Punkt in dem Grabezyklus kann die Maschine in die Auslegeranhebephase übergehen (Schwerwiderstandslastphase). Während dieser Phase gräbt der Arbeitsaufsatz 52 nicht, und der Ausleger 50 wird bewegt. In dieser Auslegeranhebephase liefert die Pumpe 11 einen Fluss von unter Druck stehendem Fluid zu dem Kopfende 24 des Stellglieds. Da in der beispielhaften Ausführungsform kein Grabevorgang auftritt, kann der Druck des von der Pumpe 11 bereitgestellten Fluids im Wesentlichen durch die Anforderungen des Stellglieds 20 für den Ausleger 50 gesteuert werden, und somit kann typischerweise kein wesentlicher Leistungsverlust durch Verwendung des Ausgleichsventils 40 entstehen. Die kopfseitige Stellgliedkraft ist, wenn eine Schwerlast vorhanden ist, um zumindest einen vorbestimmten Wert größer als die stangenseitige Stellgliedkraft. Der Druck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 des Stellglieds 20 ist größer als der Fluiddruck in der Stangenendleitung 30 proximal zu dem Stangenende 26. Der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 kann in etwa gleich dem Fluiddruck in der Pumpenauslassleitung 16 sein. Zum Beispiel kann der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 in einem Bereich von etwa gleich dem Fluiddruck in der Pumpenauslassleitung 16 bis etwa neunzig (90) Prozent des Fluiddrucks in der Pumpenauslassleitung 16 liegen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 in einem Bereich von etwa gleich dem Fluiddruck in der Pumpenauslassleitung 16 bis etwa fünfundneunzig (95) Prozent des Fluiddrucks in der Pumpenauslassleitung 16 liegen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 in einem Bereich von etwa gleich dem Fluiddruck in der Pumpenauslassleitung 16 bis etwa achtundneunzig (98) Prozent des Fluiddrucks in der Pumpenauslassleitung 16 liegen. Der obige Zustand ist als ein Schwerwiderstandslastzustand bekannt. Das Steuergerät 53 kann mit einem Speicher 54 ausgestattet sein, der Software umfasst, die den Übergang in den Schwerwiderstandslastzustand erfassen kann und für das Hydrauliksystem 10 die Konfiguration von 1 implementieren kann.
Die hierin offenbarten Ventile können hydraulisch mit Hydraulikstellgliedern und Rückholfedern gesteuert werden, die die Ventile in einer normalerweise geschlossenen Position halten, oder können elektrisch durch Elektromagnete gesteuert werden, wie dies dem Fachmann klar sein wird.
Ebenfalls offenbart wird ein Verfahren 400 zur Erhaltung von Energie in dem Hydrauliksystem 10. Das Flussdiagramm in 4 veranschaulicht dieses Verfahren 400. In Block 410 kann das Steuergerät 53 den Lastzustand bestimmen. Das Steuergerät 53 kann einen Auslegerhebelbefehl empfangen, der an dem Joystick oder Auslegerhebel 70 (Hebel, Schalter, Knopf und dergleichen) durch den Bediener der Maschine ausgelöst werden kann. Das Steuergerät 53 kann auch einen Schaufelsteuerungsbefehl von einem Schaufelsteuerungsstellglied 71 (zum Beispiel, einem Hebel, Joystick, Schalter, Knopf und dergleichen) sowie einen Vorderauslegersteuerungsbefehl von einem Vorderauslegersteuerungsstellglied 72 erhalten. Solche Befehle können dazu führen oder verursachen, dass die Schaufel 52 gräbt, oder dass sich der Ausleger in eine Aufwärtsrichtung bewegt. Darüber hinaus erhält das Steuergerät 53: von dem Pumpendrucksensor 17, der an der Pumpenauslassleitung 16 angeordnet ist, eine Messung des Fluiddrucks des Fluids in der Pumpenauslassleitung 16; von dem Drucksensor 27, der an der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 angeordnet ist, die Messung des Fluiddrucks an dem Kopfende 24 des Auslegerstellglieds 20; von dem Drucksensor 29, der an der stangenseitigen Leitung 30 angeordnet ist, die Messung des Fluiddrucks an dem Stangenende 20 des Auslegerstellglieds 20.
Wenn der Auslegerhebelbefehl lautet, den Ausleger anzuheben, und die Schaufel- und/oder Vorderauslegersteuerungsbefehle lauten, zu graben, und die kopfseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids (in der Fluidleitung 15 oder der kopfseitigen Leitung 28) proximal zu dem Stellglied-Kopfende 24 mal den Oberflächenbereich A_H der Vorderfläche 65 des Kolbens 34) geringer ist als die stangenseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids (in der Stellglied-Stangenendleitung 30) proximal zu dem Stellglied-Stangenende 26 mal den Oberflächenbereich A_R der Rückseite 67 des Kolbens 34), bestimmt das Steuergerät 53, dass der Lastzustand ein Freilauflastzustand ist. Das Steuergerät kann in einigen Ausführungsformen auch bestimmen, ob der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Kopfende 24 geringer ist als der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Stangenende 26, bevor es bestimmt, dass der Lastzustand ein Freilauflastzustand ist.
Wenn der Auslegerhebelbefehl lautet, den Ausleger anzuheben, und die Schaufel- und/oder Vorderauslegersteuerungsbefehle lauten, zu graben, und die kopfseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Kopfende 24 mal den Oberflächenbereich A_H der Vorderfläche 65 des Kolbens 34) größer ist als die stangenseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Stangenende 26 mal den Oberflächenbereich A_R der Rückseite 67 des Kolbens 34), bestimmt das Steuergerät 53, dass der Lastzustand ein Leichtwiderstandslastzustand ist. Das Steuergerät kann in einigen Ausführungsformen auch bestimmen, ob der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Kopfende 24 geringer ist als der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Stangenende 26, bevor es bestimmt, dass der Lastzustand ein Leichtwiderstandslastzustand ist.
Wenn der Auslegerhebelbefehl lautet, den Ausleger anzuheben, keine Schaufel- und/oder Vorderauslegersteuerungsbefehle vorhanden sind, und die kopfseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Kopfende 34 mal den Oberflächenbereich A_H der Vorderfläche 65 des Kolbens 34) um zumindest einen vorbestimmten Wert größer ist als die stangenseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Stangenende 26 mal den Oberflächenbereich A_R der Rückseite 67 des Kolbens 34), und der Druck des Fluids in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende (oder der Stellglied-Kopfendleitung 28) innerhalb eines Bereichs des Drucks des Fluids in der Pumpenausgangsleitung 16 (einem Anfangsdruck des Fluids, das von der Pumpe 11 ausgegeben wird) liegt, bestimmt das Steuergerät 53, dass der Lastzustand ein Schwerwiderstandslastzustand ist. Das Steuergerät kann in einigen Ausführungsformen bei seiner Bestimmung des Schwerwiderstandslastzustands alternativ oder zusätzlich auch berücksichtigen, ob der Druck des Fluids in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende (oder der Stellglied-Kopfendleitung 28) größer ist als der Druck des Fluids in der stangenseitigen Leitung 30. Im Hinblick auf den oben genannten Bereich kann der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 in einer Ausführungsform in einem Bereich von etwa gleich dem Fluiddruck in der Pumpenauslassleitung 16 bis etwa neunzig (90) Prozent des Fluiddrucks in der Pumpenauslassleitung 16 liegen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 in einem Bereich von etwa gleich dem Fluiddruck in der Pumpenauslassleitung 16 bis etwa fünfundneunzig (95) Prozent des Fluiddrucks in der Pumpenauslassleitung 16 liegen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Fluiddruck in der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 in einem Bereich von etwa gleich dem Fluiddruck in der Pumpenauslassleitung 16 bis etwa achtundneunzig (98) Prozent des Fluiddrucks in der Pumpenauslassleitung 16 liegen.
Wird in den Blöcken 410–420 bestimmt, dass der Lastzustand ein Freilauflastzustand ist, implementiert das Steuergerät in Block 425 die Konfiguration von 2. Wird in den Blöcken 410 und 430 bestimmt, dass der Lastzustand ein Leichtwiderstandslastzustand ist, implementiert das Steuergerät in Block 435 die Konfiguration von 3. Wird in den Blöcken 410 und 440 bestimmt, dass der Lastzustand ein Schwerwiderstandslastzustand ist, implementiert das Steuergerät in Block 445 die Konfiguration von 1.
Ebenfalls offenbart wird ein weiteres Verfahren 600 zur Erhaltung von Energie in dem Hydrauliksystem 10. Das Flussdiagramm in 6 veranschaulicht dieses Verfahren 600. In Block 610 kann das Steuergerät 53 betriebliche Befehle in Bezug auf die Betätigung und/oder Stellung des Auslegers 50, der Schaufel 52 oder des Vorderauslegers 55 erhalten. Zum Beispiel kann das Steuergerät 53 einen Auslegerhebelbefehl empfangen, der an dem Joystick oder Auslegerhebel 70 (Hebel, Schalter, Knopf und dergleichen) durch den Bediener der Maschine ausgelöst werden kann, um den Ausleger 50 zu steuern. Das Steuergerät 53 kann auch einen Schaufelsteuerungsbefehl von einem Schaufelsteuerungsstellglied 71 (zum Beispiel, einem Hebel, Joystick, Schalter, Knopf und dergleichen) zur Steuerung der Schaufel 52, sowie einen Vorderauslegersteuerungsbefehl von einem Vorderauslegersteuerungsstellglied 52 zur Steuerung des Vorderauslegers 55 erhalten. Solche Befehle können dazu führen oder veranlassen, dass die Schaufel 52 einen Grabvorgang ausführt. Darüber hinaus kann in Block 620 das Steuergerät folgende Druckmessungen erhalten: von dem Pumpendrucksensor 17, der an der Pumpenauslassleitung 16 angeordnet ist, eine Messung des Fluiddrucks des Fluids in der Pumpenauslassleitung 16; von dem Drucksensor 27, der an der Fluidleitung 15 proximal zu dem Kopfende 24 angeordnet ist, die Messung des Fluiddrucks an dem Kopfende 24 des Auslegerstellglieds 20; von dem Drucksensor 29, der an der stangenseitigen Leitung 30 angeordnet ist, die Messung des Fluiddrucks an dem Stangenende 20 des Auslegerstellglieds 20.
Wenn der Auslegerhebelbefehl in Block 630 lautet, den Ausleger 50 anzuheben, und der Schaufelsteuerungsbefehl in Block 640 lautet, zu graben, und in Block 650 die kopfseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids (in der Fluidleitung 15 oder der kopfseitigen Leitung 28) proximal zu dem Stellglied-Kopfende 24 mal den Oberflächenbereich A_H der Vorderfläche 65 des Kolbens 34) geringer ist als die stangenseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids (in der Stellglied-Stangenendleitung 30) proximal zu dem Stellglied-Stangenende 26 mal den Oberflächenbereich A_R der Rückseite 67 des Kolbens 34), implementiert das Steuergerät 53 in Block 660 die Konfiguration von 2.
Wenn der Auslegerhebelbefehl in Block 630 lautet, den Ausleger 50 anzuheben, und der Schaufelsteuerungsbefehl in Block 640 lautet, zu graben, und die kopfseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Kopfende 24 mal den Oberflächenbereich A_H der Vorderfläche 65 des Kolbens 34) größer ist als die stangenseitige Stellgliedkraft (der Druck des Fluids proximal zu dem Stellglied-Stangenende 26 mal den Oberflächenbereich A_R der Rückseite 67 des Kolbens 34) (siehe Blöcke 650–670), implementiert das Steuergerät in Block 680 die Konfiguration von 3.
Wenn der Auslegerhebelbefehl in Block 630 lautet, den Ausleger 50 anzuheben, und in Block 640 keine aktiven Schaufelsteuerungsbefehle zum Graben vorliegen, implementiert das Steuergerät 53 in Block 698 die Konfiguration von 1.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Offenbart werden dementsprechend Hydrauliksysteme und -verfahren zur Erhaltung von Energie durch die Regeneration von Stangenende zu Kopfende, wenn ein Stellglied, etwa ein Auslegerstellglied, in einem Freilauflastzustand oder einem Leichtwiderstandslastzustand ist. Solche Hydrauliksysteme können in Maschinen eingesetzt werden, z. B. etwa einem Bagger, einem Baggerlader, einer hydraulischen Schaufel oder anderen im Stand der Technik bekannten Typen von Maschinen.
Regeneriertes Fluid und Nachfüllfluid können in dem Freilauflastzustand verwendet werden, um unter Druck stehendes Fluid, das von der Pumpe bereitgestellt wird, zu ergänzen. Regeneriertes Fluid kann in dem Leichtwiderstandslastzustand verwendet werden, um unter Druck stehendes Fluid, das von der Pumpe bereitgestellt wird, zu ergänzen. In beiden Szenarien verringert die Verwendung von solchem/solchen unter Druck stehenden Fluid(en) die Strömungsrate von Fluid, das durch die Pumpe bereitgestellt wird, und erhöht die Effizienz des Systems durch Verringern der Energieverluste auf Grund der Druckmodulation durch das Ausgleichsventil.

Claims

Verfahren zur Erhaltung von Energie in einem Hydrauliksystem (10), wobei das System umfasst: eine Pumpe (11), ein Hydraulikstellglied (20) mit einem Kopfende (24), einem Stangenende (26) und einem Kolben (34), der im Inneren des Stellglieds (20) zwischen dem Kopfende (24) und dem Stangenende (26) angeordnet ist, ein erstes Ventil (46), das zwischen dem Stangenende (26) und einem Fluidbehälter (12) angeordnet ist, und zwischen dem Stangenende (26) und einem zweiten Ventil (36) angeordnet ist, und wobei das zweite Ventil (36) zwischen der Pumpe (11) und dem Kopfende (24) angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen, ob das Hydrauliksystem (10) in einem Freilauflastzustand, einem Leichtwiderstandslastlastzustand oder einem Schwerwiderstandslastzustand ist; und wenn das Hydrauliksystem (10) in den Freilauflastzustand eintritt, Empfangen von regeneriertem Fluid durch das Kopfende (24).
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend, wenn das Hydrauliksystem (10) in den Freilauflastzustand eintritt, das Schließen des ersten Ventils (46) und das Kombinieren von Fluid, das von dem Stangenende (26) fließt, mit Fluid, das von der Pumpe (11) fließt, und Empfangen durch das Kopfende (24) einer Fluidströmung von einem Nachfüllkreis (42).
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend das Begrenzen des Flusses von kombiniertem Fluid zu dem Kopfende (24) durch teilweises Schließen des zweiten Ventils (36).
Verfahren nach Anspruch 3, das des Weiteren die folgenden Schritte umfasst: wenn das Hydrauliksystem (10) von dem Freilauflastzustand in den Leichtwiderstandslastzustand eintritt, Verringern der Begrenzung des kombinierten Fluids durch das zweite Ventil (36), Erhöhen der Fluidströmung von der Pumpe (11) zu dem Kopfende (24) des Stellglieds (20), und Reduzieren der Fluidströmung von dem Nachfüllkreis (42) zu dem Kopfende (24) auf ungefähr Null.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: Bestimmen, wann das Hydrauliksystem (10) von einem Leichtwiderstandslastlastzustand in den Schwerwiderstandslastzustand übergeht; und als Ergebnis der Bestimmung des Übergangs aus dem Leichtwiderstandslastzustand in den Schwerwiderstandslastzustand, Öffnen des ersten Ventils (46), um Fluid von dem Stangenende (26) zu dem Reservoir (12) fließen zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Erhalten einer ersten Fluiddruckmessung von Fluid in einer Fluidleitung (15), die mit dem Kopfende (24) des Stellglieds (20) verbunden ist, und einer zweiten Fluiddruckmessung von Fluid in einer stangenseitigen Leitung (30), die mit dem Stangenende (26) des Stellglieds (20) verbunden; und Abschätzen des Lastzustandes zumindest zum Teil auf Grundlage eines Vergleichs einer Kraft auf das Kopfende (24) des Stellglieds (20) mit einer Kraft auf das Stangenende (26) des Stellglieds (20), wobei die Kraft auf das Kopfende (24) des Stellglieds (20) bestimmt wird durch die erste Fluiddruckmessung mal einen vorderen Oberflächenbereich (A_H) einer Vorderfläche (65) des Kolbens (34), wobei die Kraft auf das Stangenende (26) des Stellglieds (20) bestimmt wird durch die zweite Fluiddruckmessung mal einen hinteren Oberflächenbereich (A_R) einer Rückseite (67) des Kolbens (34), wobei die Vorderfläche des Kolbens (34) proximal zu dem Kopfende (24) liegt, und die Rückseite des Kolbens (34) proximal zu dem Stangenende (26) liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Übergang auf den Leichtlastwiderstand erfasst wird, wenn die Kraft auf das Kopfende (24) des Stellglieds (20) größer ist als die Kraft auf das Stangenende (26) des Stellglieds (20).
Hydrauliksystem (10), das Folgendes umfasst: ein Hydraulikstellglied (20) mit einem Kopfende (24), einem Stangenende (26) und einem dazwischen angeordneten Kolben (34); eine Pumpe (11), die Fluid zu dem Kopfende (24) des Stellglieds (20) pumpt; ein erstes Ventil (44), das fluidmäßig zwischen dem Stangenende (26) des Stellglieds (20) und der Pumpe (11) gekoppelt ist; und ein zweites Ventil (36), das fluidmäßig zwischen der Pumpe (11) und dem Kopfende (24) des Stellglieds (20) gekoppelt ist; wobei, wenn das System (10) in einer ersten Konfiguration ist, das zweite Ventil (36) stromabwärts des ersten Ventils (44) ist, und in einer zum Teil offenen Stellung ist, die den Fluss von kombiniertem Fluid begrenzt, wobei das kombinierte Fluid Fluid umfasst, das von der Pumpe (11) erhalten wird, sowie Fluid, das von dem Stangenende (26) des Stellglieds (20) durch das erste Ventil (44) erhalten wird, wobei des Weiteren, während das System (10) in der ersten Konfiguration ist, das Kopfende (24) kombiniertes Fluid erhält.
System (10) nach Anspruch 8, wobei das System (10) eine zweite Konfiguration aufweist, in der das zweite Ventil (36) stromabwärts des ersten Ventils (44) liegt und in einer offenen Stellung ist, die dem kombinierten Fluid erlaubt, durch das zweite Ventil (36) zu strömen.
System (10) nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend: ein Steuergerät (53); einen ersten Drucksensor (29), der zwischen dem Stangenende (26) des Stellglieds (20) und dem ersten Ventil (44) angeordnet ist; und einen zweiten Drucksensor (27), der zwischen dem zweiten Ventil (36) und dem Kopfende (24) des Stellglieds (20) angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten Drucksensoren (29, 27) mit dem Steuergerät (53) wirkverbunden sind, um Signale an das Steuergerät (53) zu senden, die einen gemessenen Fluiddruck für das Stellglied (20) angeben, wobei das Steuergerät (53) einen Speicher (54) mit einem darin gespeicherten Programm aufweist, das zumindest zum Teil auf der Grundlage von Signalen, die durch das Steuergerät (53) von den ersten und zweiten Drucksensoren (29, 27) empfangen werden, erfasst, ob das Hydrauliksystem (10) in einem Freilauflastzustand, Leichtwiderstandslastzustand oder Schwerwiderstandslastzustand ist.