Патент на изобретение №2293224

(54) КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД

(57) Реферат:

Устройство предназначено для управления гидроприводом с раздельным управлением подачей к гидроприводу и отводом от гидропривода. В устройстве насосная труба соединена с первым регулирующим клапаном, первый регулирующий клапан соединен через трубу с первым рабочим соединением и вторым рабочим соединением гидропривода, и первое рабочее соединение соединено со вторым регулирующим клапаном, и второе рабочее соединение соединено с третьим регулирующим клапаном, причем второй регулирующий клапан и третий регулирующий клапан соединены с резервуаром. Технический результат – раздельное управление скоростью и гидравлическим давлением гидропривода. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к клапанному устройству для управления гидравлическим приводом (гидроприводом) с раздельным управлением подачей к гидроприводу и отводом от гидропривода. Дополнительно, изобретение относится к гидроприводу, управляемому с помощью клапанного устройства.

Из уровня техники известны клапанные устройства для управления гидроприводом, в которых регулирующие проходы для управления подачей к гидроприводу и отводом от гидропривода соединены друг с другом механически или гидравлически. Часто желательно иметь возможность управления гидроприводом с определенной скоростью для всех ситуаций при работе с нагрузкой. С помощью клапанных устройств, где регулирующие проходы для управления подачей к гидроприводу и отводом от гидропривода соединены друг с другом, где скорость гидропривода и нагрузка, действующая на гидропривод, имеют одинаковое направление, и где подачу регулируют, скорость гидропривода обеспечивают посредством ограничения выпуска. Однако это негативно влияет на энергетический к.п.д. Другие клапанные устройства с соединенными регулирующими проходами для управления подачей к гидроприводу и отводом от гидропривода выполнены с такими размерами, что и подачу к гидроприводу и отвод от гидропривода можно регулировать независимо от нагрузки. Эти клапанные устройства имеют заданное соотношение между параметрами подачи и выпуска, что также дает в результате низкое значение к.п.д. В зависимости от направления воздействия нагрузки гидропривода для предотвращения кавитации в таком клапанном устройстве требуется наличие нескольких клапанов, что в результате делает его сложным и дорогим. Для решения этих проблем в документах ЕР 0809737 В1, US 5,138,838, US 5,568,759 и US 5,960,695 предложены клапанные устройства с возможностью раздельного регулирования подачи к гидроприводу и отвода от гидропривода. Однако эти решения не вызвали большого интереса, что связано с минимальным значением допустимых утечек в рабочих соединениях, когда клапаны являются неактивными. В рабочих режимах, когда скорость и нагрузка, воздействующая на гидропривод, имеют одинаковое направление, скорость регулируют с помощью подающей трубы, по которой поступает давление от насоса, что также дает в результате низкий к.п.д. В US 4,840,111 и US 6,467,264 предпринята попытка избежать высокого значения давления в магистрали от насоса, однако в этих решениях в режиме снижения нагрузки для предупреждения появления кавитации требуется слишком высокое давление в трубе, идущей от резервуара. Вследствие потерь на дросселирование высокое давление в трубе резервуара также приводит к низкому значению к.п.д.

Задачей изобретения является предложение усовершенствованного клапанного устройства, раскрытого во введении, в котором скорость и гидравлическое давление гидропривода можно регулировать независимо друг от друга.

С помощью вышеупомянутого клапанного устройства задача изобретения решена посредством того, что насосная труба соединена с первым регулирующим клапаном, первый регулирующий клапан соединен через трубу с первым рабочим соединением, и вторым рабочим соединением гидропривода, и первое рабочее соединение соединено со вторым регулирующим клапаном, а второе рабочее соединение соединено с третьим регулирующим клапаном, причем второй регулирующий клапан и третий регулирующий клапан соединены с резервуаром.

С помощью этого клапанного устройства имеется возможность регулировать скорость гидропривода независимо от гидравлического давления. Клапанное устройство, выполненное согласно изобретению, имеет два основных способа управления. В первом способе управления расход выпуска и гидравлическое давление на подаче регулируют независимо друг от друга. Таким образом, включение третьего регулирующего клапана изменяет скорость гидропривода, и включение первого регулирующего клапана изменяет гидравлическое давление. Во втором способе подачу и гидравлическое давление на выходе регулируют независимо друг от друга. Таким образом, включение первого регулирующего клапана устанавливает скорость, а включение третьего регулирующего клапана устанавливает величину гидравлического давления. Изменение скорости и гидравлического давления независимо друг от друга надежно предотвращает кавитацию и повышает к.п.д., так как не требуются слишком высокие давления для регулирования скорости. Термин “насосная труба” должен пониматься функционально, то есть нет необходимости в том, чтобы насосная труба была соединена непосредственно с насосом. Возможно непрямое соединение с насосом или соединение с другим источником давления.

Целесообразно, чтобы первый регулирующий клапан, и/или второй регулирующий клапан, и/или третий регулирующий клапан были снабжены датчиком положения. Дополнительно насосная труба и/или труба резервуара могут иметь датчик давления, и первое и второе рабочие соединения также могут иметь датчик давления. С помощью этих датчиков давление можно точно замерить в трубах и рабочих соединениях. С помощью датчиков положения могут быть определены индивидуальные рабочие положения регулирующих клапанов и их соответствующие дросселирующие проходы, определяющие расход потока. Таким образом, возможно точное регулирование скорости гидравлического привода и гидравлических давлений независимо друг от друга.

В еще одном варианте исполнения изобретения имеется четвертый регулирующий клапан, расположенный между двумя рабочими соединениями. Четвертый регулирующий клапан может быть выполнен в виде дискретного клапана или в виде клапана с пропорциональным управлением. Таким образом, можно реализовать прямой поток между двумя рабочими соединениями, который может быть, в зависимости от конструкции регулирующего клапана, полностью открыт или полностью закрыт, или дросселироваться.

Предпочтительно, чтобы регулирующие клапаны были выполнены регулируемыми непосредственно и/или с помощью регулирования давления, и/или с помощью регулирования направления. Таким образом, имеются все предпосылки для программирования работы клапанного устройства в определенных режимах. Независимо от способа управления регулирующими клапанами, напрямую либо с помощью регулирования давления или направления, приводы второго регулирующего клапана и третьего регулирующего клапана могут быть выполнены в виде двух приводов однонаправленного действия либо в виде одного двунаправленного привода.

Первый регулирующий клапан может быть 3/3-ходовым клапаном, а второй, третий и четвертый клапаны могут быть 2/2-ходовыми клапанами. Такие направляющие клапаны являются стандартными компонентами, таким образом, клапанное устройство может быть выполнено простым и недорогим.

Каждым регулирующим клапаном можно управлять посредством электромагнитного привода и пружины. В случае, когда регулирующие клапаны не задействованы, предпочтительно привести их в положение покоя, в котором их можно, например, закрыть. Таким образом исключают возможность падения груза на землю при его подъеме или опускании с помощью гидропривода при внезапном сбое.

Первый превентер обратного потока может быть расположен между первым регулирующим клапаном и первым рабочим соединением, и второй превентер обратного потока может быть расположен между первым регулирующим клапаном и вторым рабочим соединением, причем указанные превентеры обратного потока могут быть выполнены в виде обратных клапанов. Задача этих превентеров обратного потока состоит в предотвращении нежелательных протечек в двух рабочих соединениях гидропривода, когда регулирующие клапаны не задействованы.

Для того, чтобы упростить общую конструкцию клапанного устройства, целесообразно произвести объединение в один или большее количество клапанных блоков. Так, например, предпочтительно объединить вместе в один блок второй регулирующий клапан и третий регулирующий клапан и взаимодействующие с ними датчики положения. Также целесообразно включить в этот же блок превентеры обратного потока. В этом случае получается компактный модуль, который может быть установлен, например, прямо на цилиндре.

В еще одном варианте исполнения изобретения клапанное устройство содержит, по меньшей мере, одно электронное устройство для регулирования потока. От датчиков давления, в особенности измеряющих давление в рабочих соединениях, электронное устройство для регулирования потока получает значения индивидуальных текущих давлений. Эти два значения действующих давлений сравнивают друг с другом. На основе этого сравнения определяют корректирующую величину прохода клапана, данные о которой передают на регулирующий элемент, соединенный с данным управляемым клапаном.

Задача решена с помощью гидравлического привода, раскрытого во введении, в котором имеется клапанное устройство согласно одному из пунктов 1-15 формулы изобретения, так что его скорость можно регулировать независимо от гидравлических давлений.

Предпочтительно, чтобы гидравлический двигатель был выполнен в виде роторного двигателя или двигателя поступательного типа.

Ниже раскрыт вариант исполнения изобретения, подробно описанный на основе прилагаемых чертежей, в которых:

фиг.1 – принципиальная схема клапанного устройства;

фиг.2 – схема электронного устройства для измерения и регулирования потока.

На Фиг.1 изображено клапанное устройство 100. Оно содержит насосную трубу 1, трубу 2 резервуара и гидравлический привод 3, снабженный рабочими соединениями 4 и 5. Первый регулирующий клапан 6 с возможностью дросселирования управляет потоком от насосной трубы 1 к одному из рабочих соединений 4 или 5. Второй регулирующий клапан 15 с возможностью дросселирования и третий регулирующий клапан 16 с возможностью дросселирования управляют потоком, протекающим от гидропривода 3 через рабочие соединения 4 и 5 в резервуар Т. Далее, четвертый регулирующий клапан 14 расположен между рабочими соединениями 4 и 5. Первый обратный клапан 8 и второй обратный клапан 9 расположены в двух трубах между первым регулирующим клапаном 6 и гидроприводом 3. Первый датчик 10 давления и второй датчик 11 давления измеряют гидравлическое давление у рабочих соединений 4 и 5. В зависимости от режима работы третий датчик 12 давления расположен либо в насосной трубе 1, либо в трубе 2 резервуара. Однако возможно также расположение третьего датчика 12 давления одновременно в насосной трубе 1 и в трубе 2 резервуара для обеспечения возможности работы в нескольких рабочих режимах без перенастройки. Датчики 13 положения соединены с регулирующими клапанами 6, 15 и 16.

На Фиг.2 изображено электронное устройство 200 для измерения и регулирования потока, в особенности для управления регулирующими клапанами 6 и 16 или другими. Датчики 11 и 12 давления измеряют его мгновенное текущее значение и передают на вычислительное устройство 201, сравнивающее текущее значение давления с заданным желаемым значением, определяя таким образом разность давлений. Вместе с этой разностью давлений, заданным желаемым значением Q_г для потока и константой k клапана, определяют желаемую величину прохода А_г клапана и основанное на этом желаемое рабочее положение х_г регулирующего клапана. Затем вычисленные значения передают на управляющий элемент 202, устанавливающий, в соответствии с рабочим режимом, рабочие положения регулирующих клапанов 6 или 16 или других, в соответствии с желаемыми значениями расхода потока. Во многих случаях управляющий элемент является частью микропроцессора.

С помощью описанного клапанного устройства 100 и электронного устройства 200 возможна реализация нескольких сложных рабочих режимов, которые подробно описаны ниже. В первом рабочем режиме гидравлическая жидкость может протекать от Р к В и от А к Т. Для этого направления потока имеются два способа управления. В первом способе управления регулирующие клапаны 14 и 15 заблокированы. Выпуск и гидравлическое давление контролируют в точке подачи, причем скорость гидропривода 3 изменяется путем включения регулирующего клапана 16, а гидравлическое давление в гидроприводе 3 изменяется путем включения регулирующего клапана 6. Для этой цели датчик 12 давления установлен в трубе 2 резервуара и датчик 13 положения соединен с регулирующим клапаном 16. Желаемую величину проходного отверстия регулирующего клапана 16 вычисляют на основании значений гидравлического давления, измеренного в рабочем соединении 5, гидравлического давления, измеренного в трубе 2 резервуара, и желаемого значения открытия регулирующего клапана 16 или желаемого значения скорости гидропривода 3. Способ такого вычисления желаемого значения рабочего положения клапана 16 показан на Фиг.2. Когда скорость и нагрузка, воздействующая на гидропривод 3, имеют противоположные направления, рабочее положение управляющего клапана 6 регулируют в соответствии с желаемым и измеренным гидравлическим давлением в рабочем соединении 5. В альтернативном варианте рабочее положение регулирующего клапана 6 можно регулировать в соответствии с желаемым и измеренным гидравлическим давлением в рабочих соединениях 4 и 5. Когда скорость гидропривода и нагрузка, действующая на гидропривод 3, имеют одинаковое направление, рабочее положение регулирующего клапана 6 регулируют в соответствии с желаемым и измеренным гидравлическим давлением в рабочем соединении 4. В альтернативном варианте рабочее положение регулирующего клапана 6 можно регулировать в соответствии с желаемым и измеренным гидравлическим давлением в рабочих соединениях 4 и 5.

Во втором способе управления контролируют величину подачи и гидравлическое давление на выпуске, причем скорость гидропривода 3 изменяют с помощью включения первого регулирующего клапана 6, и гидравлическое давление в гидроприводе 3 изменяют посредством включения регулирующего клапана 16. Для этой цели датчик 12 давления установлен в насосной трубе 1, и датчик положения соединен с регулирующим клапаном 6. Желаемую величину открытия регулирующего клапана 6 вычисляют на основе значений гидравлического давления, измеренного в рабочем соединении 4, давления в насосной трубе 1 и желаемого значения величины потока, проходящего через регулирующий клапан 6 или на основе желаемого значения скорости гидропривода 3. Вычисления также выполняют на основании схемы, изображенной на Фиг.2. В обоих случаях, когда скорость и нагрузка имеют одинаковое направление и когда они действуют в противоположных направлениях, величину открытия регулирующего клапана 16 устанавливают на основе желаемого и измеренного гидравлического давления в рабочем соединении 4.

Когда поток течет в противоположном направлении, то есть от Р к А и от В к Т, регулировать скорость и гидравлическое давление можно таким же образом, причем для управления используют регулирующий клапан 15 вместо регулирующего клапана 16. Регулирующие клапаны 14 и 16 заблокированы для обоих направлений потока.

В дополнительном рабочем режиме для регулирования скорости при опускании груза L существует риск возникновения кавитации в первом рабочем соединении 4, так как практически при всех скоростях гидропривода 3 величина выпускного потока в рабочем соединении 5 может быть больше, чем величина подачи в рабочем соединении 4. В этом случае задействуют регулирующий клапан 14, который либо открыт, либо дросселирует. Скорость гидропривода 3 при этом регулируют с помощью величины подачи в рабочем соединении 4 или с помощью величины выхода в рабочем соединении 5, причем часть выходного потока входного потока используют повторно, вследствие наличия дифференциальной зоны в цилиндре.

Скоростью гидропривода 3 при подъеме или опускании нагрузки управляют посредством дросселирования на регулирующем клапане 14 и изменения давления в рабочем соединении 4 с помощью регулирующего клапана 6. Направление потока к резервуару Т задают с помощью одного из двух регулирующих клапанов 15 или 16, причем другой из них остается закрытым. В этом рабочем режиме требуется датчик 12 давления, расположенный в трубе 2 резервуара, и датчики 13 положения, расположенные у регулирующих клапанов 15 и 16. Регулирующий клапан 14 можно использовать всегда, независимо от открытого или закрытого положения регулирующих клапанов 15 или 16 и независимо от того, где расположены датчики 13 положения – на регулирующих клапанах 15 и 16 или на регулирующем клапане 6.

Гидравлическое соединение между двумя рабочими соединениями 4 и 5 через открытый регулирующий клапан 14 также возможно при подъеме груза L. Здесь гидравлическую жидкость подают к самой большой камере гидропривода 3. Регулирующий клапан 6 регулирует подачу к гидроприводу 3. В этом рабочем режиме датчик 12 давления расположен в насосной трубе 1 и датчик 13 положения расположен на регулирующем клапане 6. Для очень точной регулировки скорости регулирующий клапан 14 может быть переведен в режим дросселирования. Когда груз поднимают, клапан 6 управляет или задает перемещение. Причем датчик 12 давления расположен в трубе 2 резервуара и датчики 13 положения расположены на регулирующих клапанах 15 и/или 16.

В рабочем режиме, когда движение осуществляется, например, рывками, гидравлическая жидкость течет от рабочего соединения 5 к гидроприводу 3, причем подачу регулируют с помощью регулирующего клапана 6. Такой рабочий режим возникает во время работы трактора, например при управлении балкой с навесными орудиями, то есть подъемным устройством, несущим, например, плуг. Здесь регулирующий клапан 15 служит в качестве предохранительного клапана, так что гидравлическое давление в рабочем соединении 4 падает. При падении давления в рабочем соединении ниже определенного уровня гидропривод 3 меняет направление движения на противоположное, выбирая либо рабочий режим, в котором поток течет от Р к В и от А к Т, либо рабочий режим, в котором рабочие соединения 4 и 5 гидравлически соединены друг с другом во время опускания груза.

В еще одном рабочем режиме требуется, чтобы два рабочих соединения были соединены с резервуаром 2, причем в рабочих соединениях 4 и 5 давление отсутствует. Это достигается с помощью полного открытия регулирующих клапанов 15 и 16 или регулирующих клапанов 14 и 15, или регулирующих клапанов 14 и 16. Остальные клапаны при этом должны оставаться закрытыми.

В другом рабочем режиме предотвращают нежелательные протечки у рабочих соединений 4 и 5. Такие протечки являются нежелательными, например, когда гидропривод 3 должен удерживать груз в течение какого-то времени. Это достигается с помощью превентеров 8 и 9 обратного потока и закрытых регулирующих клапанов 6, 14, 15 и 16.

В базовом рабочем режиме гидравлическая жидкость может протекать от Р к В и от А к Т. Для этого направления потока имеются два способа управления. В первом способе управления регулирующий клапан 15 заблокирован. Выпуск и гидравлическое давление контролируют в точке подачи, причем скорость гидропривода 3 изменяют путем включения регулирующего клапана 16, а гидравлическое давление в гидроприводе 3 изменяют путем включения регулирующего клапана 6. Для этой цели датчик 12 давления установлен в насосной трубе 1. Желаемую величину проходного отверстия регулирующего клапана 16 вычисляют с помощью электронного устройства 200 на основании значений гидравлического давления, измеренного в рабочем соединении 5, гидравлического давления, измеренного в насосной трубе 1, и желаемого значения открытия регулирующего клапана 16 или желаемого значения скорости гидропривода 3. Когда скорость и нагрузка, воздействующая на гидропривод 3, имеют противоположные направления, рабочее положение управляющего клапана 6 регулируют в соответствии с желаемым и измеренным гидравлическим давлением в рабочем соединении 5. В альтернативном варианте рабочее положение регулирующего клапана 6 можно регулировать в соответствии с желаемым и измеренным гидравлическим давлением в рабочих соединениях 4 и 5. Когда скорость гидропривода и нагрузка, действующая на гидропривод 3, имеют одинаковое направление, рабочее положение регулирующего клапана 6 регулируют в соответствии с желаемым и измеренным гидравлическим давлением в рабочем соединении 4. В альтернативном варианте рабочее положение регулирующего клапана 6 можно регулировать в соответствии с желаемым и измеренным гидравлическим давлением в рабочих соединениях 4 и 5.

В другом режиме, при протекании гидравлической жидкости от Р к А и от В к Т, регулирующий клапан 16 заблокирован. Выпуск и гидравлическое давление контролируют в точке подачи, причем скорость гидропривода 3 изменяют путем включения регулирующего клапана 15, а гидравлическое давление в гидроприводе 3 изменяют путем включения регулирующего клапана 6.

При сравнении большого количества возможностей применения этого относительно простого клапанного устройства с известными клапанными устройствами видно, что, в зависимости от выбранного рабочего режима, в клапанном устройстве требуются максимум один или два датчика положения и максимум три датчика давления.

Формула изобретения

1. Клапанное устройство для управления гидроприводом с раздельным управлением подачей к гидроприводу и отводом от гидропривода, характеризующееся тем, что насосная труба (1) соединена с первым регулирующим клапаном (6), первый регулирующий клапан (6) соединен через трубу с первым рабочим соединением (4) и вторым рабочим соединением (5) гидропривода (3), первое рабочее соединение (4) соединено со вторым регулирующим клапаном (15), второе рабочее соединение (5) соединено с третьим регулирующим клапаном (16), причем второй регулирующий клапан (15) и третий регулирующий клапан (16) соединены с резервуаром (Т), первое рабочее соединение (4) содержит датчик (10) давления, второе рабочее соединение (5) содержит датчик (11) давления, насосная труба (1) содержит датчик (12) давления, имеется электронное устройство (200) для управления регулирующими клапанами (6, 15, 16).

2. Клапанное устройство (100) по п.1, характеризующееся тем, что первый регулирующий клапан (6), и/или второй регулирующий клапан (15), и/или третий регулирующий клапан (16) снабжены датчиком (13) положения.

3. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что труба (2) резервуара содержит датчик (12) давления.

4. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что между двумя рабочими соединениями (4, 5) расположен четвертый регулирующий клапан (14).

5. Клапанное устройство (100) по п.4, характеризующееся тем, что четвертый регулирующий клапан (14) выполнен в виде дискретного регулирующего клапана или в виде клапана с пропорциональным управлением.

6. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что регулирующие клапаны (6, 14, 15, 16) выполнены регулируемыми непосредственно, и/или с помощью регулирования давления, и/или с помощью регулирования направления.

7. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что регулирующий клапан (6) выполнен в виде 3/3-ходового клапана.

8. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что регулирующие клапаны (14, 15, 16) выполнены в виде 2/2-ходовых клапанов.

9. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что каждый регулирующий клапан выполнен с возможностью управления им посредством электромагнитного привода и пружины.

10. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что первый превентер (8) обратного потока расположен между первым регулирующим клапаном (6) и первым рабочим соединением (4) и второй превентер (9) обратного потока расположен между первым регулирующим клапаном (6) и вторым рабочим соединением (5).

11. Клапанное устройство (100) по п.10, характеризующееся тем, что превентеры (8, 9) обратного потока выполнены в виде обратных клапанов.

12. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что выполнено в виде одного или большего количества клапанных блоков.

13. Клапанное устройство (100) по п.12, характеризующееся тем, что второй регулирующий клапан (15), третий регулирующий клапан (16) и датчики (13) положения объединены вместе в одном блоке (7).

14. Клапанное устройство (100) по п.1 или 2, характеризующееся тем, что электронное устройство (200) также управляет регулирующим клапаном (14).

15. Гидропривод (3), характеризующийся тем, что содержит клапанное устройство 100, выполненное по любому из пп.1-14.

16. Гидропривод (3) по п.15, характеризующийся тем, что выполнен в виде роторного двигателя или двигателя поступательного типа.

РИСУНКИ