DE4137963C2 - Ventilanordnung zur lastunabhängigen Steuerung mehrerer hydraulischer Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Bei einer solchen Ventilanordnung zur Druckmittel-Versorgung von Verbrauchern in hydraulischen Steuerungssystemen zur lastunab­ hängigen Steuerung mehrerer gleichzeitig betätigter hydraulischer Verbraucher bleibt das Verhältnis der einmal eingestellten Teilströme bei Unterversorgung des Systems mit Druckmittel gleich.

Eine derartige Ventilanordnung ist in der DE 36 34 728 A1 geoffenbart.

Bei Baumaschinen, insbesondere Baggern ist es notwendig, die einzelnen Verbraucher wie Drehwerk, Ausleger, Stiel und Löffel unabhängig voneinander und teilweise auch gleichzeitig zu betätigen. Im unabhängigen Einzelbetrieb der Verbraucher kann diesen bei Bedarf die maximal zur Verfügung stehende Druckmittelmenge zugeführt werden. Bei Parallelbetrieb, bei dem eine gleichmäßige Geschwindigkeit der Verbraucher gewünscht wird, muß die zur Verfügung stehende maximale Druckmittelmenge gleichmäßig auf die Verbraucher verteilt werden. In jeder Betriebsart sollen die Verbraucher lastunabhängig arbeiten. Beispielsweise werden bei einer Baggersteuerung im Einzelbetrieb hohe Geschwindigkeiten von der Ausrüstung wie Ausleger, und Stiel verlangt, während die Drehwerksgeschwindigkeit kleiner sein soll. Bei Parallelbetrieb wie beim Beladen sollen die Bewegungsabläufe von Ausleger, Stiel und Drehwerk mit annähernd gleichen Geschwindigkeiten erfolgen. Um die Bedienung zu erleichtern, soll dies bei der maximalen Auslenkung der Steuergeber automatisch gewährleistet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die das Verhältnis der Mengenaufteilung bei Parallelbetrieb mehrerer Verbraucher bei Unterversorgung so verändert, daß bestimmte Verbraucher bevorzugt werden. Es sollen sich beispielsweise zwei Verbraucher, die im Einzelbetrieb mit stark unterschiedlichen Mengen versorgt werden, bei Parallelbetrieb mit annähernd gleicher Geschwindigkeit lastunabhängig bewegen. Dieses Verhältnis soll bei Unterversorgung beibehalten werden.

Beispiel: Baggersteuerung Einzelbetrieb
Ausleger 400 l/min; Stiel 400 l; Drehwerk 200 l.
Es wird eine hohe Einzelgeschwindigkeit bei der Ausrüstung ge­ wünscht, während dem die Drehwerksmenge kleiner sein muß. Typische Bewegungsabläufe wie sie z. B. beim Beladen vorkommen, erfordern Parallelbetrieb von Ausleger, Drehwerk und Stiel. Dabei sollen sich die Geschwindigkeiten der drei Verbraucher nicht wesentlich unterscheiden, um die Steuerbarkeit zu verbessern.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wenn die von den Steuergebern angeforderte Druckmittelmenge größer ist als die maximale Fördermenge der Regelpumpe, erhalten nach der Erfindung die vorrangigen Verbraucher ihre angeforderte Menge bzw. Geschwindigkeit, während die nachrangigen Verbraucher maximal die Restmenge erhalten.

Bei bekannten Vorrangsteuerungen nach der DE 33 21 484 A1 und DE 35 08 339 C2 wird bei Unterversorgung des hydraulischen Systems das Signal zur Zurücknahmme der Arbeitsflüssigkeit für die nachrangigen Verbraucher durch ein als proportionales Regelventil arbeitendes Drosselventil erzeugt, das in Regelrichtung des sich verkleinernden Drosselquerschnitts vom Pumpendruck und in Regelrichtung des sich vergrößernden Drosselquerschnitts vom Lastdruck des vorrangig zu bedienenden Verbrauchers und zusätzlich von der Kraft einer Regelfeder beaufschlagt wird. Eine Vergrößerung des Drosselquerschnitts des Drosselventils entspricht einer Zurücknahme des Ansteuerdrucks für die die nachrangigen Verbraucher ansteuernden Wegeventile und umgekehrt. Die Verwendung eines Regelventils zur jeweiligen Einstellung des Ansteuerdruckes für die die nachrangigen Verbraucher ansteuernden Wegeventile führt zu Schwingungen des hydraulischen Systems. Es sind deshalb zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen erforderlich, die wiederum die Ansteuerung verlangsamen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand einer Baggersteuerung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schaltplan einer Baggersteuerung und

Fig. 2 ein Diagramm mit Mengenaufteilung für den Beladevorgang des Baggers, wenn Ausleger, Drehwerk und Stiel des Baggers parallel betätigt werden. Die gestrichelten Linien ergeben sich ohne die vorrangige Ansteuerung des Drehwerks.

In Fig. 1 bezeichnet 1 den Steuerschieber für das Drehwerk, 2 und 3 die Steuerschieber für Ausleger und Stiel. Die Ansteuerung der Steuer­ schieber erfolgt über Steuergeber 4, 5 und 6, die über Steuerleitungen 7, 8, 9, 10, 11 und 12 die Steuerventile 1, 2 und 3 ansteuern.

Die Steuerleitungen 7 und 8 des Steuergebers 4 weisen Abzweigungen 7a und 8a zu einem Wechselventil 15 auf, dessen Ausgang über eine Steuerleitung 16 zu dem Steueranschluß eines als 2-Wegeventil ausgebildeten Ventils 17 führt. Die gegenüberliegende Seite des Ventils 17 wird von einer einstellbaren Druckfeder 19 belastet. Der Ausgang B des Ventils 17 führt über ein Druckbegrenzungsventil 18 zur Tankleitung 20. Der Eingang A des Ventils 17 steht über die Steuerleitung 22 mit Rückschlagventil 23 und Drossel 24 sowie der Steuerleitung 10 mit dem Steuergerät 5 in Verbindung, das über den Steuerleitungszweig 25 das Steuerventil 2 in die Schaltstellung a verschiebt, in der die Bodenseite des Auslegerzylinders beaufschlagt wird. Ferner steht der Eingang A über das Rückschlagventil 26 mit Drossel 28 und Steuerleitung 11 mit dem Ansteuergerät 6 für den Stiel in Verbindung, wobei der Steuerdruck in dieser Steuerleitung das Steuerventil 3 in die Schaltstellung a verschiebt, in der die Bodenseite des Stielzylinders beaufschlagt wird. Der Ausgang B des Ventils 17 steht mit dem Eingang des Druckbegrenzungsventils 18 in Verbindung. In der gezeigten Schaltstellung des Ventils 17 ist die Verbindung zwischen den Anschlüssen A und B gesperrt und damit auch die Verbindung zum Druckbegrenzungsventil 18 und schließlich zur Tankleitung 20. Der vom Ansteuergerät 4 für den Steuerschieber 1 des Drehwerks wirkende Steuerdruck pflanzt sich über das Wechselventil 15 auf die Ansteuerseite des Ventils 17 fort und schaltet ab einem bestimmten von der Feder 19 einzustellenden Schaltdruck das Ventil 17 aus der gezeigten Sperrstellung in die Durchgangsstellung. Damit kann sich in der Steuerleitung 25 für das Steuerventil 2 für die Bodenseite des Auslegers sowie der Steuer­ leitung 30 für das Steuerventil 3 des Stiels nur ein so großer Steuerdruck aufbauen, wie dieser durch das Druckbegrenzungsventil 18 festgelegt ist. Das Druckbegrenzungsventil 18 legt somit die maximale Durchtrittsöffnung der Steuerventile 2 und 3 für die Bodenseite von Ausleger- und Stielzylindern fest und damit deren Ausziehgeschwindigkeit. Solange das Ventil 17 in seiner gezeigten Sperrstellung ist, wird das Druckbegrenzungsventil 18 für die Steuerflüssigkeit der betreffenden Steuerschieber 2 und 3 nicht aktiv. Diese Steuerschieber können somit mittels der Ansteuergeräte 5 und 6 voll ausgelenkt werden. Die Arbeitsflüssigkeit für die Verbraucher liefert die Verstellpumpe 31. Die von der Verstellpumpe 31 gelieferte Arbeitsflüssigkeit wird über die Druckleitung 32 den einzelnen Steuerschiebern 1, 2, 3 sowie den nicht näher bezeichneten Steuerschiebern für Löffel und Fahrwerk zugeführt.

Zur lastunabhängigen Steuerung ist jedem Steuerschieber eine Druckwaage 33 mit Schaltventil 34 zugeordnet. Durch das Umschaltventil 34 werden die einzelnen Druckwaagen federseitig jeweils mit der höchsten auftretenden Last beaufschlagt und damit bei Unterversorgung der Gesamtsteuerung, wenn also mehr Arbeitsflüssigkeit durch die Stellung der Steuerschieber angefordert wird als die Pumpe liefern kann, die zur Verfügung stehende maximale Pumpen­ fördermenge zu den Verbrauchern entsprechend der jeweiligen Querschnittsöffnung der Ansteuerschieber aufgeteilt.

Die in den Steuerleitungen 10 und 11 für Ausleger und Stiel angeordneten Drosseln 24, 28 gewährleisten bei geöffnetem Druckbegrenzungsventil 18, daß sich in den Leitungsabschnitten 25 und 30 nach den Drosselstellen der begrenzte Druck, wie er am Druckbegrenzungsventil 18 eingestellt ist, einstellt. Die Wirkungsweise der Steuerung nach Fig. 1 wird mit Hilfe der Fig. 2 näher erläutert.

Das Diagramm der Fig. 2 stellt auf der mit t bezeichneten X-Achse die Ansteuerung der Verbraucher in zeitlicher Reihenfolge dar. Auf der mit Q bezeichneten Y-Achse sind die Mengen bzw. Geschwindigkeiten der einzelnen Verbraucher dargestellt.

Beim Beladevorgang betätigt der Bediener die Steuergeber zwecks einfacherer Bedienung bis zu deren Endstellung. Im Einzelbetrieb erreicht dabei jeder Verbraucher seine Maximalgeschwindigkeit, die vom Steuerventilquerschnitt bzw. von der maximalen Pumpenfördermenge vorgegeben ist. Im vorliegenden Beispiel ist angenommen, daß die Verbraucher Ausleger und Stiel im Einzel­ betrieb eine maximale Geschwindigkeit von 300 l/min erreichen können und das vorrangig zu bedienende Drehwerk eine Maximalgeschwindigkeit von 200 l/min. Die maximale Pumpenfördermenge ist mit 400 l/min angenommen, so daß bei Parallelbetrieb der Verbraucher Unterversorgung auftritt sobald deren Gesamtgeschwindigkeit 400 l/min überschreitet.

Zum Zeitpunkt A gemäß Fig. 2 wird der Steuergeber 5 für die Schaltstellung a des Steuerventils 2 für den Ausleger bis zur Endstellung betätigt. Dabei erreicht der Steuerdruck in der Steuerleitung 10, 25 den maximalen Wert von z. B. 30 bar und das Steuerventil für den Ausleger öffnet bis zur Endstellung (100%). Die Pumpe 31 schwenkt aus und der Ausleger erreicht bis zur Zeit B seine Maximalgeschwindigkeit von 300 l/min.

Zum Zeitpunkt C wird der Steuergeber 4 für das Steuerventil 1 des Drehwerkes bis zur End­ stellung betätigt. Der Steuerdruck in der Steuerleitung 7 bzw. 8 erreicht dabei ebenfalls einen Wert von 30 bar, so daß das Steuerventil 1 für das Drehwerk bis zur Endstellung öffnet.

Zum Zeitpunkt D liefert die Pumpe 31 ihre maximale Fördermenge von 400 l/min, wobei der Ausleger nach wie vor seine 300 l/min erhält und das Drehwerk 100 l/min.

Nach den bekannten Steuersystemen ohne Vorrangsteuerung würde zu diesem Zeitpunkt D die Unterversorgungsregelung in Kraft treten und die maximale Pumpenfördermenge auf das Drehwerk und den Ausleger verhältnisgleich entsprechend ihrer Nenngrößen aufteilen. Die gestrichelten Linien zeigen diese Mengenaufteilung.

Nach der Erfindung wird jedoch zum Zeitpunkt D die Vorrangsteuerung wirksam, indem der Steuerdruck für das vorrangig zu bedienende Drehwerk gleichzeitig über das Wechselventil 15 zum Wegeventil 17 geleitet wird und dieses bei Überschreitung der eingestellten Druckfederkraft von z. B. 19 bar in Offen­ stellung schaltet. Dadurch wird der Steuerdruck für den Ausleger von 30 bar auf den am stromab des Ventils 17 angeordneten Druckbegrenzungs­ ventil 5 eingestellten niedrigeren maximalen Steuerdruck von ca. 20 bar zurückgeführt und folglich das Steuerventil 2 für den Ausleger auf ca. 66% seines Nennquerschnittes zurückgenommen. Die Geschwindigkeit des Auslegers wird damit von 300 l/min auf ca. 200 l/min reduziert. Da die maximale Fördermenge der Regelpumpe 400 l/min beträgt, stehen nunmehr für das Drehwerk die für dessen maximalen Geschwindigkeit erforderlichen 200 l/min zur Verfügung. Die Geschwindigkeit des Drehwerks steigt somit im gleichen Maße von 100 l/min auf seine maximale Geschwindigkeit von 200 l/min an, wie die Geschwindigkeit des Auslegers von 300 l/min auf 200 l/min zurückgenommen wird. Durch die Begrenzung des Steuerdruckes beim Ausleger auf 20 bar tritt noch keine Unterversorgung der Verbraucher ein. Erst wenn zusätzlich der Stiel zum Zeitpunkt E in seine Endstellung betätigt ist und somit sein Steuerventil vom maximalen Steuerdruck von 20 bar entsprechend der Einstellung am Druckbegrenzungsventil 18 beaufschlagt ist, reicht die maximale Pumpenfördermenge von 400 l/min nicht mehr aus, auch noch diesen Verbraucher die angeforderte Arbeits­ flüssigkeitsmenge zuzuführen. Zu diesem Zeitpunkt wird deshalb die Unter­ versorgungsregelung aktiv, indem die den Meßblenden der Steuerventile 1, 2, 3 zugeordneten vom höchsten Lastdruck in Schließrichtung angesteuerten Druck­ waagen 33 entsprechend den Steuerventilöffnungen ihre Verteilerfunktion übernehmen. Die maximale Pumpenfördermenge wird somit von den Druckwaagen auf alle drei Verbraucher, nämlich das Drehwerk, den Ausleger und den Stiel verhältnisgleich entsprechend dem Öffnungsquerschnitt deren Steuerventile aufgeteilt.

Die Geschwindigkeiten von Ausleger und Drehwerk werden bis zum Zeitpunkt F von je 200 l/min auf ca. 133 l/min reduziert, während der zugeschaltete Stiel seine Geschwindigkeit im gleichen Maße bis auf ca. 133 l/min erhöht, so daß sich Ausleger, Drehwerk und Stiel ab dem Zeitpunkt F mit annähernd gleicher Geschwindigkeit bewegen. Durch die Druckeinstellung am Druck­ begrenzungsventil 18 können die Geschwindigkeiten der vorrangigen zu den nachrangigen Verbrauchern für den Parallelbetrieb auch in einem anderen bestimmten Verhältnis zueinander eingestellt werden.

Durch die Vorrangsteuerung kann die Maximalgeschwindigkeit von Ausleger bzw. Stiel im Einzelbetrieb selbstverständlich auch höher gewählt werden (bis zur maximalen Pumpenfördermenge von 400 l/min), ohne daß bei Parallelbetrieb die gleiche Geschwindigkeit für alle Verbraucher verlorengeht.

Die Beschreibung der Fig. 1 wurde auf die für das Verständnis der Erfindung wichtigen Elemente beschränkt. Die weiteren Verbraucher, wie Fahrwerk und Löffel sind für das Verständnis der Erfindung ohne Bedeutung.

Anstelle eines den Steuerdruck beeinflussenden Ventils 17 kann entsprechend den Merkmalen des Anspruches 7 ein 3-Wegeventil mit einem Eingang für die Pumpenleitung 32 und zwei Ausgängen für die vor- und nachrangigen Verbraucher vorgesehen werden, wobei die Größe der Teilströme vom Steuerdruck für die vorrangig zu bedienenden Verbraucher festgelegt wird.

Anstelle eines 3-Wegeventils in der Pumpenleitung 32 kann auch ein 2-Wegeventil für die nachrangigen Verbraucher eingebaut und damit lediglich die Größe des Teilstromes für die nachrangigen Verbraucher festgelegt werden. Schließlich kann entsprechend den Merkmalen des Anspruches 5 das Ventil 17 und Druckbegrenzungsventil 18 als beide Funktionen einschließendes Druck-Proportionalventil ausgebildet werden.

Claims (8)

1. Ventilanordnung zur lastunabhängigen Steuerung mehrerer hydraulischer Verbraucher wie Drehwerk, Ausleger, Stiel und Löffel von Baggern, wobei die Fördermenge einer als Regelpumpe (31) ausgebildeten Druckmittelquelle unabhängig vom Lastdruck (LS) der Verbraucher einstellbar ist und wobei den Verbrauchern zugeordnete hydraulisch ansteuerbare Steuerventile (1, 2, 3) vom jeweiligen Steuerdruck von als Druckregelventile ausgebildeten Steuergebern (4, 5, 6) ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß vom Steuerdruck zur Betätigung eines oder mehrerer Steuerventile für vorrangig zu bedienende Verbraucher ein weiteres Ventil (17) ansteuerbar ist, durch das bei Betätigung die maximal erreichbaren Steuerdrucke für die Betätigung der Steuerventile der nachrangigen Verbraucher auf einen niedrigeren Wert als vorher festlegbar sind.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Ventil (17) vom Steuerdruck aus der Schließstellung in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird und als Wegeventil zur Abführung von Steuerflüssigkeit ausgebildet ist.

3. Ventilanordung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des weiteren Ventils (17) ein Druckbegrenzungsventil (18) angeordnet ist.

4. Ventilanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Ventil (17) in Schließrichtung von einer einstellbaren Druckfeder (19) beaufschlagt ist.

5. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Ventil (17) als Druck-Proportionalventil ausgebildet ist.

6. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das niedrigere Steuerdruckniveau für den oder die nachrangig zu betreibenden Verbraucher so eingestellt ist, daß deren Geschwindigkeit in etwa der Geschwindigkeit der vorrangigen Verbraucher entspricht.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (17) als kontinuierlich verstellbares 3- Wegeventil ausgebildet ist, das den Druckmittelstrom in einen vorrangigen und nachrangigen Strom aufteilt.

8. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Ventil (17) als 2-Wege-Dosierventil für die Zuführung des Teilstromes für die nachrangigen Verbraucher arbeitet.