FI104580B - Menetelmä ja laite syöttöpaineen säätämiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä ia laite syöttöpaineen säätämiseksi 104580

Nyt esillä oleva keksintö kohdistuu menetelmään syöttöpaineen säätämiseksi hydrauliikkajärjestelmässä, joka käsittää syöttöpumpun syöttö-5 paineen aikaansaamiseksi, ainakin kaksi hydraulista toimilaitetta, mit-tauselimet toimilaitteiden painetasojen mittaamiseksi ja paineväliaineen virtauskanaviston. Keksintö kohdistuu lisäksi menetelmän mukaiseen hydrauliikkajärjestelmään.

10 Erityisesti metsätyökoneisiin on kehitetty järjestelmiä, joissa metsätyö-koneen etenemisliike on toteutettu pyörien sijasta mekaanisilla jaloilla. Tällainen metsätyökone vahingoittaa vähemmän metsän aluskasvillisuutta. Lisäksi vaikeassa maastossa on helpompi liikkua jalkojen avulla kuin pyörillä varustetulla metsätyökoneella.

15

Riittävän luotettavuuden ja liikkumiskyvyn takaamiseksi tarvitaan nykyisin tunnetulla tekniikalla toteutetussa kävelevässä koneessa kuusi jalkaa ja jokaisessa jalassa kolme vapausastetta. Tällöin koneessa on yhteensä siis 18 ns. servoakselia. Jotta näitä kaikkia servoakseleita 20 voitaisiin käyttää optimaalisella hyötysuhteella, tarvittaisiin jokaiselle servoakselille oma servopumppunsa, siis yhteensä 18 servopumppua. Käytännön toteutuksissa mm. hinta, tilavaatimukset, luotettavuus ja huollettavuus asettavat rajoituksen käytettävien pumppujen lukumäärälle ja käytettävälle ohjaustavalle. Käytännössä pumppujen määrä ra-25 joittuu yhteen tai kahteen ja toimilaitteiden ohjaustapana käytetään venttiiliohjausta.

Hyötysuhteen kannalta on tärkeää säätää hydrauliikan syöttöpainetta siten, että syöttöpaine vastaa korkeinta toimilaitteilla näkyvää kuorman 30 painetta. Tämä menetelmä on sinänsä tunnettu ns. kuorman tuntevana (LS) hydraulijärjestelmänä. Tyypillinen kuorman tunteva hydraulijärjes-telmä on esitetty mm. saksalaisessa patenttijulkaisussa DE-35 46 336. Käytännössä kuorman tuntevat hydraulijärjestelmät on toteutettu me-kaanishydraulisesti tätä tarkoitusta varten valmistettuja ns. kuorman 35 tuntevia venttiileitä hyödyntäen. Näissä venttiileissä avautuu toimilaitetta liikutettaessa erityinen kuormantuntokanava erityiseen venttiilis-töön integroituun vaihtovastaventtiiliketjuun. Tätä ketjua hyödyntäen pumpun säätimelle saadaan korkein toimilaitteiden liikuttamiseen tarvit- 104580 2 tava kuormanpame pLmax. Pumpun säädin säätää pumpun syöttöpai-neen ps etukäteen asetetun paine-eron Δρ verran saatua suurinta kuor-manpainetta pLmax vastaavan tason yläpuolelle varmistaen sen, että kaikki liikkeet voidaan toteuttaa.

5

Eurooppalaisessa patenttihakemuksessa EP-104 613 on esitetty sähköhydraulinen järjestelmä erityisesti työkoneita varten, joissa on useampia työsylintereitä. Eräs tällainen esimerkki on kauhakuormaaja, jossa on kauhan kääntämistä varten ja nostamista varten omat työsylin-10 terit ja hydraulimoottori kauhakuormaajan liikuttamiseksi. Julkaisussa esitetty järjestelmä pyrkii aikaansaamaan kulloiseenkin kuormitustilanteeseen optimaalisen tilavuusvirran. Järjestelmässä käytetään kahta pumppua, joiden maksimilähtövirtaukset ovat erisuuret. Tällöin voidaan jompaa kumpaa pumppua käyttää yksinään tai suurimmilla kuormituksil-15 la käytetään molempia pumppuja yhtä aikaa. Järjestelmää ohjataan sy- lintereihin liitettyjen antureiden (nopeus/asento) muodostamien signaalien sekä koneen käyttäjän antamien ohjauskomentojen perusteella siten, että pumppujen muodostamat tilavuusvirtaukset vastaavat kulloistakin käyttö- ja kuormitustilannetta. Tässä julkaisussa ei kuitenkaan ole 20 tuotu esiin sitä otsikkohakemuksen erityispiirrettä, että painetarpeen määrittämisessä käytetään ainoastaan niiden toimilaitteiden paineta-soa, jotka tekevät positiivista työtä.

Saksalaisessa patenttihakemuksessa DE-35 35 771 on esitetty eräs 25 hydraulijärjestelmä, jossa on hydraulipumppu paineen muodostamiseksi hydrauliikkajärjestelmään, venttiileitä toimilaitteiden ohjaamiseksi, pai- : neentasausventtiili sekä paineentunnistuslinja. Järjestelmässä mitataan ·1·.. painetta paineen syöttöpiirissä. Paineenrajoitusventtiili on kytketty tä- » hän syöttöpainelinjaan sekä paineenmittauslinjaan. Painetasojen pysy- !**.1. 30 essä näissä linjoissa oleellisesti samansuuruisena, paineentasaus- • » · venttiili on kiinni riippumatta absoluuttisesta painetasosta. Tilanteessa, jossa jonkin toimilaitteen ohjausventtiilin asentoa muutetaan, muuttuu syöttöpainelinjan paine ja paineenmittauslinjan paine alenee hetkelli-: sesti. Tällöin siis paine-ero kasvaa ja takaisinkytkentäventtiili avautuu, : 35 jolloin syöttöpaineen painetta rajoitetaan johtamalla hydraulinesteen virtausta paluukanavaa pitkin hydrauliikkanestesäiliöön. Järjestelmä on konventionaalisesti toteutettu kuormantunteva järjestelmä, jossa oh-jausventtiileissä on paineentunnistuslinjat. Säätö tehdään hydraulisesti 3 104580 ja järjestelmässä ei myöskään ole käytetty antureita toimilaitteiden liikesuuntien selvittämiseksi.

Saksalaisessa patenttihakemuksessa DE-43 07 827 on myös esitetty 5 sähköhydrauliikkajärjestelmä. Järjestelmässä toimilaitteelle annetaan asetusarvot sähköisesti, esimerkiksi potentiometreillä tai vastaavilla, jolloin kontrolleri määrittää kunkin toimilaitteen asetusarvon perusteella sen, kuinka suuri syöttöpaine tarvitaan. Tämä määritetään lähinnä kunkin toimilaitteen tarvitseman tilavuusvirran summana. Tämän jäl-10 keen kontrolleri säätää pumppua halutun tilavuusvirran saavuttamiseksi. Säädössä käytetään konventionaalisia, hydraulisia kuorman tuntevia venttiileitä. Lisäksi järjestelmässä on yhdistetty näiden venttiileiden kuormantuntolinjat vaihtovastavirtaventtiilien avulla yhteen paineenmit-tauslinjaan, jolloin voidaan mitata toimilaitteiden painetasoista suurin. 15 Paineenmittauslinjassa on paineanturi paineen mittaamiseksi sähköisesti. Myös tässä saksalaisessa julkaisussa esitetyssä järjestelmässä tarvitaan kuormantunteva ohjausventtiili, mikä mm. monimutkaistaa hydrauliikkajärjestelmän rakennetta ja huoltotarvetta sekä säädettävyyt-tä.

20

Saksalainen patenttihakemus DE-35 32 816 esittää ohjausjärjestelmän hydrauliikkajärjestelmää varten. Hydrauliikkajärjestelmä käsittää kaksi tai useampia toimilaitteita ja ainakin yhden pumpun. Perusajatuksena tässä julkaisussa on se, että tilanteessa, jossa pumpun aikaansaama 25 syöttöpaine ei riitä, vähennetään kunkin toimilaitteen syöttöpainetta ; oleellisesti samassa suhteessa. Tämän tarkoituksena on varmistaa se, että kaikki ohjausventtiilit olisivat säädettävissä, ja ettei tilavuusvirtaus M» · pääse karkaamaan millekään ohjausventtiilille. Tälle apupumpulle saa-’ daan ohjaus siltä toimilaitteelta, jonka tarvitsema painetaso on suurin.

30 Kyseessä on konventionaalinen paineentunteva hydrauliikkajärjestel- * · · mä, jossa ei ole käytetty sähköisiä mittaus- ja ohjausvälineitä.

• · ·

Saksalainen patenttihakemus DE-33 47 000 käsittelee sähköhydraulis-: ta ohjausjärjestelmää. Julkaisussa esitetty sähköhydraulinen järjestelmä : 35 ohjaa kaksisuuntaista sylinteriä/hydraulimoottoria, joka käsittää kaksi ....: toimilaitelinjaa ja näissä olevat venttiilit. Nämä kahden eri suunnan oh- jausjärjestelmät ovat toisistaan riippumattomia lukuunottamatta kontrol- * · leria. Ohjausjärjestelmä koostuu kahdesta venttiilistä: kolmitieventtiilistä 1 • · · 4 104580 ja 4/4-proportionaaliventtiilistä. Ohjausjärjestelmä on muodostettu ns. fail-safe-tyyppiseksi, jolloin esimerkiksi kontrollerin vioittuessa hydrau-limoottorille ei välitetä ohjauspainetta. Järjestelmässä on myös hydrau-limoottorin muodostaman voiman mittaus, jolloin voidaan rajoittaa hyd-5 raulimoottorin aikaansaamaa työntövoimaa. Lisäksi mitataan hydrauli-moottorin syöttöpaineiden painetasoa männän molemmilla puolilla ja näiden perusteella voidaan säätää ohjausventtiileitä. Järjestelmässä ei pyritä säätämään pumpun syöttöpainetta, vaan toimilaitelinjojen paineita. Hydraulimoottoria voidaan ohjata differentiaalisesti asettamalla hyd-10 raulimoottorin sylinteriin männän yhdelle puolelle vakio-ohjaus ja toiselle puolelle kulloistakin säätötarvetta vastaava ohjaussignaali, jolla painetta ja tilavuusvirtausta säädetään. Julkaisussa esitetyssä järjestelmässä ei käytetä säätöpumppua, vaan tilavuusvirtaus aikaansaadaan vakiotilavuuspumpulla. Esitetty järjestelmä on suhteellisen kallis erityi-15 sesti venttiilien osalta.

Työkoneen kävely edellyttää tarkkaa jalkojen liikkeiden hallintaa. Tämä merkitsee sitä, että normaalien liikkuviin koneisiin tarkoitettujen kuorman tuntevien venttiilien käyttö ei näiden robustisuuden takia ole mah-20 dollista. Korkein kuormanpaine voidaan edelleenkin tunnistaa hydraulisesti erillistä vastaventtiiliketjua hyödyntämällä. Tällöin kuitenkin muodostuu hyötysuhteen kannalta ongelma, joka johtuu ns. negatiivisesta eli karkaavasta kuormasta. Hydraulinen järjestelmä ei kykene erottamaan sitä, aiheutuuko kuormanpaine kuorman siirtämisestä 25 (positiivinen työ) vai kuorman jarruttamisesta (negatiivinen työ). Tällöin joissakin toimilaitteissa kuorman jarruttaminen saattaa saada aikaan • suuremman kuormanpaineen kuin muissa toimilaitteissa kuorman siir-··» · täminen. Tällöin järjestelmä saa väärän käsityksen tarvittavasta paine-’ tasosta, jolloin hydraulijärjestelmään muodostetaan tarpeettoman suuri 30 syöttöpaine, mikä huonontaa järjestelmän hyötysuhdetta.

• · · ·*· • t«

« · I

Edellä mainittuja positiivista työtä ja negatiivista työtä on havainnollistettu kuvissa 1a ja 1b, joissa on kuvattu kävelevän koneen 2 yhtä jalkaa : 1. Jalka 1 käsittää koneen runkoon 2a lonkkanivelellä L nivelöidyn ylä- • ·« v : 35 varren 3, ylävarren 3 vastakkaiseen päähän polvinivelellä P nivelöidyn alavarren 4 sekä alavarren vastakkaiseen päähän nivelöidyn astuin-osan 5. Oletetaan, että konetta liikutetaan nuolen S osoittamaan suuntaan siten, että runko-osan 2a korkeus maahan nähden pysyy vakiona.

• · « « 5 104580 Jäljempänä olevassa esityksessä sovitaan seuraavat nivelten liikkeitä niiden liikealueilla kuvaavat määritelmät. Kuvassa nivelen P kulma ΘΡ kasvaa, kun alavartta 4 kierretään kuvatasossa vastapäivään (merkitty katkoviivalla), ja nivelen L kulma 0L kasvaa, kun ylävartta 3 kierretään 5 kuvatasossa vastapäivään (merkitty katkoviivalla), eli nostetaan ylöspäin. Kun konetta liikutetaan nuolen S suuntaan, alavarren 4 toimilaitteet (ei esitetty) kääntävät alavartta 4 siten, että alavarsi 4 kiertyy myötäpäivään, eli kulma ΘΡ pienenee. Tällöin polvinivel P nousee ylemmäksi maan pinnasta. Polvinivelen P liikettä esittää katkoviiva SP ku-10 vassa 1a. Koneen rungon 2a pitämiseksi vakiokorkeudella, on ylävartta 3 kierrettävä vastapäivään, jolloin 0L kasvaa. Tässä liikevaiheessa ala-varteen 4 kohdistuva ulkoinen, lähinnä painovoimasta aiheutuva nivel-momentti pyrkii painamaan polviniveltä alaspäin, eli kiertämään ala-vartta 4 vastapäivään. Alavartta 4 liikuttavat toimilaitteet kääntävät ala-15 vartta 4 myötäpäivään, joka on todellinen liikesuunta tässä tilanteessa, siis ulkoisen vääntömomentin suunta on vastakkainen alavarren 4 liikesuuntaan nähden. Tällöin alavartta 4 liikuttavat toimilaitteet tekevät positiivista työtä. Sen sijaan ylävarteen 3 kohdistuva ulkoinen, lähinnä painovoimasta aiheutuva nivelmomentti pyrkii painamaan lonkkaniveltä 20 alaspäin polviniveleen nähden, eli kiertämään ylävartta 3 vastapäivään (0L kasvaa). Tässä tilanteessa myös ylävartta 3 liikuttavat toimilaitteet kiertävät ylävartta 3 vastapäivään, joka on todellinen liikesuunta tässä tilanteessa. Koska ulkoinen nivelmomentti on saman suuntainen kuin ylävarren 3 liikesuunta, tekevät toimilaitteet negatiivista työtä.

25

Tilanne muuttuu päinvastaiseksi siinä vaiheessa, kun alavarsi on siirty- : nyt oleellisesti katkoviivalla kuvatun pystyasennon toiselle puolelle.

"... Tämä tilanne on esitetty kuvassa 1b. Tässä vaiheessa rungon paino • pyrkii kääntämään alavartta 4 kohti maanpintaa (kulma 0P pienenee 30 edelleen) Myös alavartta 4 siirtävät toimilaitteet kääntävät alavartta sa- • · · il! maan suuntaan. Tässä tilanteessa siis ulkoinen nivelmomentti on sa- « · # v ’ mansuuntainen kuin alavarren 4 liikesuunta, eli toimilaitteet tekevät ne gatiivista työtä. Vastaavasti ylävartta 3 siirtävät toimilaitteet tekevät : positiivista työtä, koska ylävarren 3 liikesuunta on vastakkainen ulkoi- v : 35 sen nivelmomentin suuntaan nähden.

Kuvissa 1c ja 1d on vielä esitetty pelkistetty positiivisen ja negatiivisen työn ero kaksitoimisessa hydraulisylinterissä. Hydraulisylinterin mäntä • « · • » 6 104580 on liitetty vipuvarteen V, jonka toisessa päässä on kappale m. Kuvan 1c esittämässä negatiivisen työn tilanteessa kappaletta m siirretään alaspäin johtamalla paineväliaine kaksitoimisen sylinterin ensimmäiseen lohkoon A vääntömomentin M1 muodostamiseksi vipuvarteen V. Kaksi-5 toimisen sylinterin toisessa lohkossa B on paine p2, joka jarruttaa kappaleen m liikettä alaspäin. Jarruttava paine p2 voi olla suurempi kuin työntövoiman aikaansaava paine p, sylinterin ensimmäisen lohkon A puolella kappaleeseen m kohdistuvan maan vetovoiman g ansiosta.

Voima g muodostaa vipuvarteen V vääntömomentin M2, jonka suunta 10 on sama kuin sylinterin männän liikesuunta. Tässä tilanteessa todellisen työn vaatima paine on ρυ

Vastaavasti kuvassa 1d on esitetty edellisen kaltainen tilanne, jossa kappaletta m nostetaan ylöspäin. Nostovoiman, eli vääntömomentin M1 15 aikaansaamiseksi kaksitoimisen sylinterin toiseen lohkoon B johdetaan paineväliaine paineen p2 muodostamiseksi. Voima g muodostaa vipu-varteen V vääntömomentin M2, jonka suunta on vastakkainen sylinterin männän liikesuuntaan nähden. Positiivisen työn, eli kappaleen m nostamisen, vaatima paine on tällöin p2 ja on suurempi kuin kaksitoimisen 20 sylinterin ensimmäisessä lohkossa A oleva paine Ρτ.

Nykyisin tunnetun tekniikan mukaisissa hydrauliikkajärjestelmissä kuvan 1c tilanteessa hydrauliikkajärjestelmä kehittäisi syöttöpaineen kaksitoimisen sylinterin toisessa lohkossa B olevan jarruttavan paineen 25 p2 perusteella, vaikka todellisuudessa riittäisi pienempi paine p^ • I f • « · i : Nyt esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa edellämainitut ”... epäkohdat mitä suurimmassa määrin ja aikaansaada menetelmä ja laite syöttöpaineen säätämiseksi hydrauliikkajärjestelmässä siten, että saa- "*.·. 30 vutetaan paras mahdollinen hyötysuhde. Keksinnön mukaiselle mene- • · « ;*.! telmälle on tunnusomaista se, että menetelmä käsittää ainakin seuraa- • · · v ’ vat vaiheet: »Il : - tutkitaan sähköisesti toimilaitteen liikesuunta ja toimilaittee- * < « 3 v : 35 seen kohdistuvan ulkoisen momentin vaikutussuunta sen selvittämiseksi, suoritetaanko toimilaitteessa positiivista, kuormaa siirtävää työtä, • « » · · • · 7 104580 valitaan kuormaa siirtävää työtä tekevien toimilaitteiden pai-netasoistä suurin, ja säädetään syöttöpaine valitun painetason perusteella.

5 Keksinnön mukaiselle hydrauliikkajärjestelmälle on tunnusomaista se, että hydrauliikkajärjestelmä käsittää lisäksi: välineet positiivista kuormaa siirtävää työtä tekevien toimilaitteiden selvittämiseksi sähköisesti toimilaitteen liikesuun-10 nan ja toimilaitteeseen kohdistuvan ulkoisen momentin vai- kutussuunnan perusteella, välineet suurimman painetason valitsemiseksi niiden toimilaitteiden painetasoista, jotka siirtävät kuormaa, ja välineet syöttöpaineen säätämiseksi valitun painetason pe-15 rusteella.

Keksintö perustuu siis siihen ajatukseen, että erotellaan toimilaitteet kulloinkin kuormaa siirtäviin toimilaitteisiin (positiivinen työ) ja kuormaa jarruttaviin toimilaitteisiin (negatiivinen työ). Tämän jälkeen tutkitaan 20 kuormaa siirtävien toimilaitteiden painetaso, joista valitaan suurin. Syöttöpaineen säätö suoritetaan valitun painetason perusteella.

Keksinnöllä saavutetaan merkittäviä etuja nykyisin tunnetulla tekniikalla toteutettuihin ratkaisuihin verrattuna. Säätämällä hydrauliikkajärjestel- 25 män syöttöpaine keksinnön mukaisella menetelmällä, voidaan parantaa : hydrauliikkajärjestelmän kokonaishyötysuhdetta, koska syöttöpaine on i aina optimaalinen. Tämä vähentää hydrauliikkajärjestelmän energian- • · · · kulutusta. Lisäksi hydrauliikkajärjestelmän luotettavuus paranee ja ’ huoltovälejä voidaan pidentää, koska hydrauliikkajärjestelmän keski- 30 määräinen kuormitus pienenee. Parempi hyötysuhde myös lisää hyd-rauliikkajärjestelmän käyttöikää mm. hitaamman kulumisen seurauksena.

• · · : Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten samalla oheisiin v 35 piirustuksiin, joissa

I

....: kuvat 1 a—1 d esittävät positiivisen ja negatiivisen työn periaatetta, 8 104580 kuva 2 esittää pelkistettynä hydrauliikkakaaviona keksinnön mukaista hydrauliikkajärjestelmän syöttöpaineen säätöä, 5 kuva 3 esittää mekaanisen jalan toimintaa pelkistetysti, kuva 4 esittää erästä painesäädön sovellusta pelkistettynä hydrauliikkakaaviona, ja 10 kuva 5 esittää erästä konetta, jossa keksintöä voidaan edulli sesti soveltaa.

Kävelevässä koneessa 2 tarvitaan sopivimmin kuusi mekaanista jalkaa 1, joissa on edullisesti kolme vapausastetta. Kukin jalka 1 käsittää sopi-15 vimmin koneen runkoon 2a nivelöidyn ylävarren 3, ylävarren 3 vastakkaiseen päähän nivelöidyn alavarren 4 sekä alavarren vastakkaiseen päähän kiinnitetyn astuinosan 5. Mekaanisen jalan 1 kolme vapausastetta on toteutettu edullisesti siten, että runkoon 2a nivelöity ylävarsi 3 on liikuteltavissa kahteen suuntaan kahden toisistaan riippumattoman 20 kääntöakselin ympäri sen ansiosta, että rungon pituussuuntaisen kääntöakselin ympäri on kiinnitetty kääntyväksi välikappale, johon puolestaan ylävarsi on kiinnitetty kääntyväksi em. akselia vastaan kohtisuoran akselin ympäri. Kolmas vapausaste saadaan ylävarren 3 ja alavarren 4 välisellä nivelöinnillä, jolloin alavarsi 4 on käännettävissä 25 pystytasossa. Astuinosa 5 voi olla joko kiinteästi kiinnitettynä alavarren ; 4 toiseen päähän tai kiinnitys voi olla joustava, jolloin astuinosa 5 i myötäilee maaston epätasaisuuksia jonkin verran.

• · · · • · • · • · ' Kunkin jalan 1 liikuttamiseksi tarvitaan vähintään yksi toimilaite 8 kuta- 30 kin vapausastetta kohti. Tällöin lonkkanivelen yhteydessä on ensim-mäinen toimilaite 8a ylävarren 3 ja sen mukana koko mekaanisen jalan 1 kääntämiseksi runkoon nivelöidyn kappaleen suhteen. Toinen toimilaite 8b on järjestetty kääntämään alavartta 4 samassa tasossa, missä : ylävarsi 3 kääntyy. Lisäksi kolmas toimilaite 8c kääntää välikappaletta « I « - v 35 ja koko mekaanista jalkaa 1 rungon pituussuuntaisen kääntöakselin .... ympäri, eli oleellisesti kohtisuorassa suunnassa ensimmäisen toimilaitteen 8a aikaansaamaan liikesuuntaan nähden. Toimilaitteet 8a, 8b, 8c ovat edullisesti hydraulisylintereitä tai hydraulisylinterien parien 9 104580 muodostamia vääntömoottoreita. Mekaanisen jalan liikkeiden toteuttaminen on alan asiantuntijoille sinänsä tunnettua, joten niitä ei ole tarkemmin esitetty. Muun muassa hakijan aikaisemmassa suomalaisessa patentissa 87171 ja patenttihakemuksessa FI-955297 on esitetty eräitä 5 edullisia jalkamekanismin suoritusmuotoja.

Mekaanisten jalkojen 1a—1f yhteydessä on anturit, joiden avulla pystytään kulloinkin selvittämään jokaisen jalan 1a—1 f osalta ylävarren 3 ja alavarren 4 liikesuunta ja sopivimmin myös asema. Lisäksi jalkojen 10 astuinosien 5 yhteydessä voi olla anturit sen selvittämiseksi, onko as-tuinosa 5 (ja tällöin myös vastaava jalka 1) maassa vai ilmassa. Lisäksi mekaanisia jalkoja liikuttavien toimilaitteiden 8a—8c yhteydessä on anturit 12a—12f, joiden avulla pystytään kulloinkin selvittämään jokaisen toimilaitteen 8a—8c painetaso, joko paineantureilla tai 15 laskennallisesti esimerkiksi nilkkaan vaikuttavasta voimavektorista, joka on ainakin kaksi-, sopivimmin kolmiulotteinen (xyz-suunnat). Voima-vektori voidaan mitata voima-antureilla, jolloin nivelmomentit on selvitettävissä ja painetasot laskettavissa. Tietoa painetasosta ja liikesuunnasta käytetään mm. sen selvittämisessä, missä toimilaitteissa 20 tehdään positiivista työtä ja missä toimilaitteissa tehdään negatiivista työtä.

Koneen 2 etenemisliikkeen aikaansaamiseksi tarvitaan monimutkaista ohjauslogiikkaa, joilla mekaanisten jalkojen 1a—1f toimilaitteille 8a, 8b, 25 8c välitetään ohjaukset toimilaitteiden ohjaamiseksi. Etenemisliikkeen ; aikana osa toimilaitteista 8 suorittavat kuorman siirtoa positiivisen työn • suuntaan ja osa negatiivisen työn suuntaan. Molemmat tilanteet ai- • · · · kaansaavat painetason kohoamisen toimilaitteiden paineväliainekana-vietossa, jolloin syöttöpainetta on säädettävä tarpeen mukaan. Nykyisin 30 tunnetuissa ratkaisuissa myös jarruttavan toimielimen aikaansaama • · · Y.'.' painetason muutos huomioidaan syöttöpainetta määritettäessä, jolloin syöttöpaine saattaa joissakin tilanteissa olla tarpeettoman suuri. Sen sijaan nyt esillä olevassa keksinnössä syöttöpaine säädetään vain : kuormaa siirtävien toimilaitteiden perusteella parhaan mahdollisen v ; 35 hyötysuhteen saavuttamiseksi.

• · « f I

• I

Keksinnön mukaista menetelmää selostetaan seuraavassa viitaten sa-

• I

maila kuviin 2 ja 3.

I ( I 1 f « ·

• I I

104580 10

Kuvassa 2 on esitetty yhden mekaanisen jalan 1a säätöpiiri. Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa muut säätöpiirit ovat oleellisilta osin identtiset kuvassa 2 esitetyn kytkennän kanssa, joten niitä ei ole tar-5 kemmin esitetty. Toimilaitteet 8a—8c ovat edullisesti kaksitoimisia, jolloin toimilaitteille paineväliaine voidaan johtaa joko ensimmäistä toimi-laitelinjaa 9a, 9c, 9e pitkin tai toista toimilaitelinjaa 9b, 9d, 9f pitkin halutun toimilaitteen liikesuunnan perusteella. Toimilaitelinjat 9a—9f on tässä edullisessa suoritusmuodossa liitetty kolmiasentoiseen, kaksi-10 toimiseen venttiiliin 10a—10c (4/3-suuntaventtiili). Kuvassa 2 venttiilit on esitetty keskimmäisessä asennossa, jolloin toimilaitteille 8a—8c ei johdeta paineväliainetta. Venttiilit 10 ovat sopivimmin sähköisesti ohjattavia, jolloin venttiilin 10 asentoa voidaan vaihtaa sähköisellä ohjaussignaalilla. Tämä on alan asiantuntijalle sinänsä tunnettua, joten sen esit-15 täminen tässä yhteydessä on tarpeetonta. Syöttöpaine johdetaan toimilaitteille 8a, 8b, 8c syöttöpainelinjan 11 ja venttiilien 10a—10c välityksellä. Syöttöpainelinjaan 11 paineväliaineen syöttöpaine kehitetään syöttöpumpun ja venttiiliohjauksen avulla sinänsä tunnetulla tavalla.

20 Toimilaitelinjojen 9a, 9b painetasojen mittaamiseksi muunnetaan pai-neviesti edullisesti jännite- tai virtaviestiksi. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää tunnetun tekniikan mukaisia paine-jännitemuuntimia (p/U-muunnin) 12a—12g. Paine-jännitemuuntimet muodostavat paineeseen verrannollisen jännitteen, joka johdetaan ohjausyksikköön 13. Ohjaus-25 yksikössä 13 p/U-muuntimen muodostama analoginen jänniteviesti muunnetaan edullisesti digitaaliseksi viestiksi analogia-digitaalimuunti- mella (A/D-muunnin). Paine-jännitemuuntimen 12a—12f sijasta voidaan • · · · käyttää myös muuntimia, jotka muuntavat paineviestin suoraan digitaa-’ liseksi viestiksi. Digitaalinen viesti voi olla joko rinnakkaismuotoista, eli 30 kutakin bittiä varten on järjestetty oma linjansa, tai sarjamuotoista, jol-loin digitaalinen viesti johdetaan peräkkäisinä bitteinä samaa linjaa pit-v 1 kin. Rinnakkaismuotoista muunninta käytettäessä tarvitaan enemmän johdotuksia kuin sarjamuotoisella muuntimella: esimerkiksi 8-bittisellä v : muunnostarkkuudella tarvitaan 8 erillistä johdinta jokaista muunninta v 35 kohden.

Ohjausyksikköön 13 johdetaan tieto kunkin jalan varsien 3, 4 liikesuunnista liikeantureiltä 24a, 24b, 24c. Liikeanturit 24a—24c ovat sinänsä « ·

« I

11 104580 tunnettuja, esimerkiksi kvadratuuri-pulssiantureita tai pulssilaskureita. Kvadratuuri-pulssianturit muodostavat kaksi saman taajuista pulssimuotoista signaalia, joiden välillä on vaihe-ero, esim. +90°, jolloin sopi-vimmin signaalien vaihe-eron suunnan (+/-) perusteella voidaan päätel-5 lä liikesuunta. Pulssilaskureilla liikesuunta on pääteltävissä edullisesti pulssilaskurin lukeman muutossuunnasta: kasvaako vai väheneekö lukema. Ohjausyksikölle 13 johdettava liikesuuntatieto voi olla myös jänniteviesti, jolloin jännitteen muutossuunta (kasvava/vähenevä) ilmoittaa liikesuunnan. Jänniteviesti muunnetaan edullisesti A/D-muuntimella 10 digitaalisen muotoon. Ohjausyksikkö 13 käyttää liikeanturin 24a—24c signaalia mm. sen päättelemiseen, tehdäänkö kyseistä vartta 3, 4 ohjaavassa toimilaitteessa positiivista vai negatiivista työtä.

Ohjausyksikössä 13 digitaalisessa muodossa olevat jänniteviestit joh-15 detaan edullisesti mikroprosessorille MPU käsiteltäväksi. Ohjausyksikkö 13 käsittää lisäksi mikroprosessorin sovellusohjelmistoa varten lukumuistia ROM (Read Only Memory), joka voi olla myös sähköisesti uudelleen kirjoitettavissa olevaa, haihtumatonta lukumuistia EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). Lisäksi 20 ohjausyksikkö 13 käsittää luku/kirjoitusmuistia RAM (Random Accessable Memory) ja muuta ohjauselektroniikkaa. Ohjausyksikkö 13 voidaan muodostaa myös ns. mikro-ohjainta MCU (Micro Controller Unit) käyttäen, jolloin suurin osa ohjausyksikön 13 toiminnoista voidaan toteuttaa yhdellä mikropiirillä. Edullisesti voidaan käyttää mikro-ohjainta, 25 jossa on A/D-muuntimia, ohjelmamuistia ROM, luku/kirjoitusmuistia RAM, digitaali-analogiamuunnin (D/A-muunnin) sekä mikroprosessori : MPU. Ohjausyksikkö 13 voidaan toteuttaa myös muulla, sinänsä tunne- · · · ;·... tulla ohjauselimellä. Tämä on alan ammattimiehen tuntemaa tekniikkaa, joten ohjausyksikön 13 yksityiskohtaisempi käsittely tässä yhteydessä 30 ei ole tarpeellista.

f I » • « · • · · • · ·

Kultakin toimilaitteelta 8a, 8b, 8c saadaan siis kaksi paineeseen verrannollista jännite- tai virtaviestiä. Samalta toimilaitteelta tulevien vies-: tien erotus kertoo sen, kumpaan suuntaan toimilaite liikkuu siinä ta- • * v : 35 pauksessa, että toimilaitteella siirretään aktiivisesti kuormaa. Kuvassa 3 ; on esitetty pelkistetysti mekaanisen jalan liikesuunnat yhdessä tasossa, esimerkiksi pystytasossa. Ensimmäinen toimilaite 8a, joka siirtää pystytasossa ylävartta 3 edullisesti kiertoliikkeen aikaansaamiseksi « I I • · • · » • · < • · 12 104580 lonkkanivelen L suhteen käsittää sopivimmin kaksi hydraulisylinteriä 14a, 14b. Vastaavasti toinen toimilaite 8b, joka siirtää alavartta 4 pysty-tasossa edullisesti kiertoliikkeen aikaansaamiseksi polvinivelen P suhteen, käsittää sopivimmin kaksi hydraulisylinteriä 15a, 15b. Kuvaan 3 5 merkityt kulmat 0L ja ΘΡ vastaavat kuvien 1a ja 1b merkintöjä, joten tässä yhteydessä viitataan aikaisemmin tässä selityksessä esitettyihin kuvien 1a ja 1b selityksiin. Kuvassa 3 on lisäksi merkitty ensimmäisen toimilaitteen 8a toimilaitelinjojen 9a, 9b painetasoja seuraavasti: pa kuvaa ensimmäisen toimilaitelinjan 9a painetasoa, ja pa + 1 kuvaa toisen 10 toimilaitelinjan 9b painetasoa. Vastaavasti toisen toimilaitteen 8b toimilaitelinjojen painetasoja esitetään merkinnöillä pb ja pb + 1. Kuvasta 3 voidaan näin ollen päätellä ulkoisten nivelmomenttien vaikutus. Oletetaan, että jalka on maassa. Tällöin nostettaessa rungon muodostamaa kuormaa ylävartta 3 ohjaava ensimmäinen toimilaite 8a pyrkii kiertä-15 mään ylävartta 3 myötäpäivään (0L pienenee), ja tämän toteuttamiseksi ensimmäisen toimilaitelinjan 9a painetaso pa on suurempi kuin toisen toimilaitelinjan 9b painetaso pa + 1. Ulkoinen, kuormasta johtuva momentti pyrkii kiertämään ylävartta vastakkaiseen suuntaan (0L kasvaa). Vastaavasti laskettaessa kuormaa ensimmäinen toimilaite 8a 20 pyrkii kiertämään ylävartta 3 vastapäivään (0L kasvaa). Kuorman aiheuttaman jarrutusvoiman johdosta ensimmäisen toimilaitelinjan 9a painetaso pa on myös tällöin suurempi kuin toisen toimilaitelinjan 9b painetaso pa + 1. Voidaan todeta, että kahteen suuntaan toimivan toimilaitteen eri puolilla vallitsevien paineiden vertailu kertoo yksiselitteisesti 25 ulkoisen momentin vaikutussuunnan, mikäli pinta-alat ym. ovat ; symmetriset. Tutkittaessa myös tilannetta, jossa jalka on ilmassa ja iylävartta liikutellaan, päästään aivan samaan tulokseen. Tällöin jalan ··· · paino muodostaa kuorman, joka aiheuttaa suuntaan "0L pienenee" ’ vaikuttavan ulkoisen momentin. Taulukon 1 vasemmanpuoleiseen 30 sarakkeeseen on koottu edellä esitetyt vaihtoehdot. Keskimmäisessä • · · '.V. sarakkeessa on liikeanturin antaman tiedon mukainen ylävarren 3 liikesuunta, siis todellinen liikesuunta. Oikeanpuoleisessa sarakkeessa on em. sarakkeiden perusteella päätelty tieto ensimmäisessä v : toimilaitteessa 8a tehtävästä työstä: V kuvaa positiivista työtä ja v 35 kuvaa negatiivista työtä.

I I ·

« I

13 104580

Painetaso Ulkoinen nivel- Liikesuunta Työ _momentti_____

Pa +1 > Pa 0L pienenee 0L kasvaa +

Pa > Pa +1 öl kasvaa 0L kasvaa

Pa +1 > Pa 0L pienenee 0L pienenee pa > pa +1_0, kasvaa 0, pienenee _+_

Taulukko 1

Alavarren 4 kohdalla tilanne on analoginen edellä esitettyyn nähden, 5 sillä erotuksella, että nyt esillä olevan, keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisessa kävelevän koneen 2 mekaanisessa jalassa 1a—1f toisen toimilaitteen 8b hydraulisylinterien männät on liitetty ylävarteen 3, jolloin edellä esitettyyn ylävarren 3 toimintaan ja kuvan 3 merkintöihin viitaten saadaan taulukko 2, jossa sarakkeiden merkitys vastaa 10 taulukon 1 sarakkeita.

Painetaso Ulkoinen nivel- Liikesuunta Työ _momentti_________

Pb +1 > Pb θρ kasvaa 0P kasvaa pb > pb +1 0P pienenee 0P kasvaa +

Pb +1 > Pb 0P kasvaa ΘΡ pienenee +

Ph > Ph + i_0p pienenee 0P pienenee _:_

Taulukko 2

• I I

i.i i 15 Kuvan 3 asennossa, olettaen että jalka on maassa, ulkoinen nivelmo- • · : 1·· mentti pyrkii vaikuttamaan suuntaan "0P pienenee". Alavarren ollessa ..il1 pystyasennossa toisella puolella nivelmomentti vaikuttaa suuntaan "0P kasvaa". Tässä yhteydessä viitataan myös kuvan 1a ja 1b merkintöihin ja niiden yhteydessä suoritettuun tarkasteluun. Edellä-20 olevat taulukot 1 ja 2 voidaan yleistää myös muita jalkoja 1b—1f koske-viksi.

* · · # < <

• 4 I

Ohjausyksikön 13 sovellusohjelmistossa mitataan kunkin toimilaitelinjan painetaso ja tutkitaan toimilaitteen asento ja liikesuunta tai nivelen 25 liikesuunta omalla liikeanturilla, joka myös kertoo toimilaitteen liike- • «

• I

• I f I « ( >

< I

• t 14 104580 suunnan. Tämän jälkeen sovelletaan edellämainittuja taulukoita sen päättelemiseksi, suoritetaanko toimilaitteessa positiivista työtä vai negatiivista työtä. Negatiivista työtä suorittavien toimilaitteiden painetasot jätetään huomiotta ja valitaan positiivista työtä suorittavien toimilaittei-5 den painetasoista suurin. Edellämainitut toimenpiteet suoritetaan siis ohjausyksikössä 13 sopivimmin digitaalisina lukuina, jolloin valittu pai-netaso muunnetaan analogiseksi digitaali-analogiamuuntimessa 16. Digitaali-analogiamuuntimelta 16 saadaan analoginen, valittuun paine-tasoon verrannollinen jänniteviesti johdettavaksi ensimmäiselle sum-10 maimelle 17. Ensimmäiselle summaimelle 17 johdetaan lisäksi syöttö-painelinjan syöttöpaineeseen verrannollinen jänniteviesti, joka on muodostettu syöttöpainelinjan paine-jännitemuuntimella 12g. Tällöin ensimmäisen summaimen 17 lähdöstä saadaan valitun painetason ja syöttöpainelinjan sen hetkisen painetason erotus. Erotus johdetaan Pl-15 säätimelle 18, joka on siis integroiva säädin. Pl-säätimen 18 muodostama säätösuure johdetaan vahvistimelle 19, jossa analoginen jännite-viesti muunnetaan sopivimmin jänniteviestiin verrannolliseksi virtavies-tiksi. Virtaviestin avulla suoritetaan syöttöpaineen säätö sinänsä tunnetulla tavalla.

20

Kuvassa 4 on esitetty eräs ratkaisu hydrauliikkajärjestelmän syöttöpaineen säätämiseksi. Tässä suoritusmuodossa digitaalisen säätäjän tulopuolelle johdetaan varmuuskerroin Δρ digitaalilukuna. Ensimmäisessä summaimessa 17 varmuuskertoimeen Δρ summataan ohjausyksikön 25 muodostama digitaalinen, valittuun painetasoon verrannollinen jännite-: viesti. Summasta vähennetään syöttöpainelinjan syöttöpaineeseen ps • verrannollinen jänniteviesti. Erojännite johdetaan digitaaliselle säätäjälle ··· · 20, joka käsittää edullisesti digitaalisen Pl-säätimen 18, vahvistimen 19 *ja digitaali-analogiamuuntimen. Digitaaliselta säätäjältä 20 analoginen 30 säätösignaali johdetaan syöttöpumpun säätäjälle 21. Syöttöpumpun säätäjälle 21 muodostetaan takaisinkytkentä syöttöpumpun 23 kulman perusteella, mikä vastaa syöttöpumpun kierrostilavuutta. Tällöin syöttöpumpun säätäjä 21 muodostaa syöttöpumpun toimilaitteelle 22 : ohjaussignaalin syöttöpumpun kulman säätämiseksi vastaamaan valit- v 35 tua painetasoa.

I r .

15 104580

Keksintöä ei ole rajoitettu ainoastaan edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

I I

• · I

i r i i • * « • · · PPP · • p • * • ··

P

• « P • «!)· • P · • · · • P *

• PP

P · f

• P P P

···

PPP

• · P

•

I I I « « I

f I « • f

I

•

« I

• I I

• I I 1 « I I t f ·

Claims (9)

104580

1. Menetelmä syöttöpaineen (ps) säätämiseksi hydrauliikkajärjestel-mässä, joka käsittää syöttöpumpun (23) syöttöpaineen (ps) aikaan- 5 saamiseksi, ainakin kaksi hydraulista toimilaitetta (8a, 8b, 8c), mittaus-elimet toimilaitteiden (8a, 8b, 8c) painetasojen mittaamiseksi ja paine-väliaineen virtauskanaviston, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää ainakin seuraavat vaiheet: 10. tutkitaan sähköisesti toimilaitteen (8a, 8b, 8c) liikesuunta ja toimilaitteeseen (8a, 8b, 8c) kohdistuvan ulkoisen momentin vaikutussuunta sen selvittämiseksi, suoritetaanko toimilaitteessa (8a, 8b, 8c) positiivista, kuormaa siirtävää työtä, valitaan kuormaa siirtävää työtä tekevien toimilaitteiden 15 (8a, 8b, 8c) painetasoista suurin, ja säädetään syöttöpaine (ps) valitun painetason perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että työn laji tutkitaan mittaamalla toimilaitteissa (8a, 8b, 8c) vastakkaisia lii- 20 kesuuntia vastaavien työtilojen painetasot ja toimilaitteilla aikaansaadut liikesuunnat, jolloin kunkin toimilaitteen (8a, 8b, 8c) painetasojen ja lii-. kesuunnan perusteella päätellään se, tehdäänkö joissakin toimilaitteis- '. V sa positiivista työtä. ·' ' 25

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ··:’ että hydrauliikkajärjestelmä on kuormaa kannattavan jalkarakenteen yhteydessä. »·1 • · · • · · m

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että :Y: 30 hydrauliikkajärjestelmä on kävelevän koneen (2), kuten metsätyöko-neen hydrauliikkajärjestelmä. * « · • · · • · · • · • · · • · • · • · V f · 1 • · · · 104580

5. Hydrauliikkajärjestelmä, joka käsittää syöttöpumpun (23) syöttöpai-neen (ps) aikaansaamiseksi, ainakin kaksi hydraulista toimilaitetta (8a, 8b, 8c), mittauselimet toimilaitteiden (8a, 8b, 8c) painetasojen mittaamiseksi ja paineväliaineen virtauskanaviston, tunnettu siitä, että 5 hydrauliikkajärjestelmä käsittää lisäksi: välineet positiivista kuormaa siirtävää työtä tekevien toimilaitteiden (8a, 8b, 8c) selvittämiseksi sähköisesti toimilaitteen (8a, 8b, 8c) liikesuunnan ja toimilaitteeseen (8a, 8b, 8c) kohdistuvan ulkoisen momentin vaikutussuunnan perusteel-10 la, välineet suurimman painetason valitsemiseksi niiden toimilaitteiden (8a, 8b, 8c) painetasoista, jotka siirtävät kuormaa, ja välineet syöttöpaineen (ps) säätämiseksi valitun painetason 15 perusteella.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen hydrauliikkajärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää toimilaitteiden vastakkaisia liikesuuntia vastaavien työtilojen paineita mittaavat anturit (12a, 12b; 12c, 12d; 12e, 12f) sekä 20 toimilaitteilla aikaansaatua liikesuuntaa mittaavat anturit (24a, 24b, 24c) sekä laskennalliset elimet kuormaa siirtävien toimilaitteiden ja kuormaa . ... jarruttavien toimilaitteiden erottelemiseksi. f I « I

• · « : 7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen hydrauliikkajärjestelmä, tun- : ” 25 nettu siitä, että välineet kuormaa siirtävien toimilaitteiden ja kuormaa i: jarruttavien toimilaitteiden erottelemiseksi ja välineet suurimman paine li.1 tason valitsemiseksi niiden toimilaitteiden painetasoista, jotka siirtävät kuormaa, käsittävät ohjausyksikön (13), ja että välineet syöttöpaineen säätämiseksi valitun painetason perusteella käsittävät Pl-säätimen (18). ·*··· 30 • · · 9 9

8. Patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen hydrauliikkajärjestelmä, / . tunnettu siitä, että se on kävelevän koneen (2), kuten metsätyökoneen :·')· hydrauliikkajärjestelmä. • * m 9 • · i 104580