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CN1265101C - 带有压力补偿流量控制的液压控制阀系统 - Google Patents

带有压力补偿流量控制的液压控制阀系统 Download PDF

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CN1265101C CNB01816997XA CN01816997A CN1265101C CN 1265101 C CN1265101 C CN 1265101C CN B01816997X A CNB01816997X A CN B01816997XA CN 01816997 A CN01816997 A CN 01816997A CN 1265101 C CN1265101 C CN 1265101C
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Abstract

一种阀组件(42)可控制从变量泵(18)流到若干液压致动器(20、21、22)的液压流体，其中变量泵产生的输出压力等于控制输入压力加上预定的容许极限压力。控制输入压力是液压致动器(20、21、22)处的最大负载压力的一个函数。每个阀(42)具有一个相连的压力补偿阀(48)，该压力补偿阀(48)可将越过每个阀的测流孔的压差调节至一预定大小，通常为泵的容许极限压力。一流量调节器(70)与阀(42)中的至少一个相连，并且它可减小泵(18)的输出压力，从而产生一个控制相连压力补偿阀(48)的较小压力。流量调节器(70)的操作使越过相连阀(42)的测流孔的压差小于泵的容许极限压力，由此来调节流体流量。

Description

带有压力补偿流量控制的液压控制阀系统
技术领域
本发明涉及控制液压动力机械的阀组件，尤其涉及其中可保持一固定差压来实现均匀的流量速率的压力补偿阀。
技术背景
在多种机械中，工作构件是由液压缸驱动的，而这些液压缸是由往复的阀柱控制阀控制的。这些液压系统被用于控制多种功能，如使构件上升及下降，使构件倾斜或围绕一轴线旋转，以及使构件纵向滑动。
液压驱动的工作构件的速度取决于液压系统中的主要的窄小的孔的横截面积以及越过这些孔的压降。为了便于控制，已设计出了压力补偿液压控制系统来设定和保持压降。这些现有的控制系统包括若干负载感测(LS)管线，这些管线将阀工作口处的压力传送到系统中供给增压液压流体的变量泵的控制口。在多阀系统中，这些阀中最大的工作口压力被用于控制泵。此类泵的输出压力是控制口处的压力加上一恒定压力(又被称为“容许极限(margin)”)。由此，泵的位移响应工作构件上的负载所导致的工作口压力的改变而变化。
每个阀部具有一个压力补偿器，该压力补偿器可响应泵输出压力以及控制口压力，以确保即使当泵的输出压力随着负载变化而变化时越过阀的测流孔出现容许极限压力。由此，越过测流孔可提供基本恒定的压降，其中测流孔的横截面积是由机器的操作人员控制的。这将便于控制，其原因在于，随着压降保持恒定，工作构件的移动速度仅由孔的横截面积确定。题为《带有裂缝压力补偿器的液压控制阀系统》(“Hydraulic Control Valve System with Split PressureCompensator”)的美国专利No.5,791,142中揭示了这类系统，该专利援引在此以作参考。
尽管上述压力补偿器通常能确保泵的容许极限压力越过每个阀出现，但是，在某些液压系统中，可能具有越过选定阀的一较低的压力，以减小流量。例如，当控制液压马达时，操作者可能希望将相应的阀部设置在完全打开、制动的位置中，以提供连续的流量。然而，也可能希望将该连续流量限制为比完全打开位置所提供的小的速率。因此，需要在一些液压系统中提供一种比泵的容许极限压力小的越过选定阀中的一测流孔的补偿压差。
由于，压力补偿器提供了如由测流面积确定的恒定流量，限制流速的通常的方法是与测量阀柱相连的一附加孔。该附加孔可以是固定的，以确定最大流量，或者它也可以是可调节的，这样，操作者可以选定所需的流量。带有弹簧操作的压力补偿器的其它技术是机械地调节弹簧负载，同时使测流面积恒定。这两种传统方法均需要相当的机械装置，并且对于它们在阀组件中的位置有严格的限制。它们还需要尺寸相当大的弹簧来处于作用在其上的相对较大的负载。在上述引用的专利中涉及的那类补偿器不是从弹簧获得其控制的，而是从液压信号获得的，由此限制了控制的选择性。
发明内容
本发明提供了一种流量补偿器，该流量补偿器可减少越过多级阀组件的一特定阀中的一测流孔的压差。
一液压系统具有一个控制阀，控制阀带有一个可变化的测流孔，液压流体从泵通过该测流孔流到在一工作口处连接到控制阀上的一致动器。泵产生一个输出压力，该输出压力为比控制口处的输入压力大的一个预定量，而输入压力是响应工作口处的压力确定的。
一流量补偿器使该液压系统得到了改善，该流量补偿器包括一压力补偿阀，该压力补偿阀响应作用在压力补偿阀的相对的第一和第二侧上的压力差控制从可变的测流孔到工作口的流体的流量，其中，第一侧接收由可变的测流孔产生的压力。
一流量调节器连接到泵的输出上，并且减少泵的输出压力从而产生一个施加到压力补偿阀的第二侧上的较小的压力。由此，压力补偿阀由一个比泵的控制口处的压力小的压力控制。这使得越过控制阀的可变化的测量孔的压差等于该较小的压力。
在较佳实施例中，流量调节器是这样一个阀，它响应作用打开流量调节器的泵的输出压力、作用闭合流量调节器的压力补偿阀的第二侧上的压力以及同样作用以使流量调节阀闭合的偏压元件控制泵的输出和压办补偿阀的第二侧之间的流体流量。偏压元件较佳地是可调节的，以将越过测流孔的产生的压差设定为所需值。
从而，流量补偿器能使测流孔压差设定为比泵的容许极限压力低的压力。本发明技术可提供一种可变的压力差，以控制最大的流率。另外，与仅限制最大流量的大多数流量控制不同，测量增量可在整个测量范围上减小，
附图说明
图1为具有结合了一新颖的压力补偿流量控制的一多级阀组件的液压系统的示意图；
图2为通过该多级阀组件的截面图，其中，示意性地示出该阀组件与一泵和一油箱相连；以及
图3为通过图2中的多级阀组件的一部分的正交截面图，其中示意性地示出了与液压缸的连接。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有一多级阀组件12的一液压系统10，它控制了一机器的液压动力工作构件的所有运动，如铲土机吊杆和吊斗。阀组件12由并排连接在两端部16和17之间的若干单独的阀部13、14和15形成。一给定的阀部13、14或15控制从泵18到分别与工作构件相连的若干致动器20、21和22之一的液压流体的流量，并且控制流体返回到油箱或容器19。
致动器20和21具有油缸壳体22，该油缸壳体22包括一个活塞24，活塞24将缸体内部划分成底腔26和顶腔28。对于文中的方向性的关系和运动的参照，如顶部和底或向上或向下，是指附图中示出的定向中构件的关系和运动，这些可能不是特定应用中构件的定向。致动器22是一个传统的双向液压马达，其旋转方向由第三阀部15控制。
泵18通常位于阀组件12的远处，并且通过导管或软管30连接到通过阀组件12延伸的一供给通道31。泵的输出由一压力释放阀11保护。泵18为变量型的，其输出压力设计为排量控制输入孔32处的压力加上一恒定压力(被称之为“容许极限”)的总和。控制孔输入被连接到一延伸通过阀组件12的部分13-15的输送通道34。
一油箱通道36也延伸通过阀组件12并且连接到油箱19上。阀组件12的端部16包含用于将供给通道31连接到泵18以及将油箱通道36连接到油箱19的若干孔。该端部16还包括一压力释放阀35，该压力释放阀可将泵控制输送通道34中过剩的压力释放到油箱19。另一个端部17也具有一个孔，输送通道34通过该孔连接到泵18的控制输入孔。
为便于理解此处所要求保护的发明，此处描述关于在示出的实施例中的一个阀部14的基本的流体流动路径。组件12中的阀部13-15中的每一个的操作是类似的，并且下列描述对它们是适用的。
另外参照图2和图3，阀部14具有一本体40和一控制阀柱42，一机器操作者可通过操作一可与之相连的控制构件(未图示)使该控制阀柱在任一往复方向在本体的一孔内移动。根据控制阀柱42移动的路径，液压流体被引至油缸壳体22的底腔或顶腔26和28，并由此分别驱动活塞24上下。机器操作者移动控制阀柱42的程度决定了与活塞24相连的工作构件的速度。
为了降低活塞24，机器操作者使控制阀柱42向右移至图3中示出的位置中。这样便打开了这样一些通道，这些通道允许泵18(在以下将要描述的负载感测网络控制下)从油箱19中抽出液压流体，并且迫使这些流体通过泵输出导管30进入本体40中的一供给通道31。液压流体从供给通道31通过由一控制阀柱42的一组凹口形成的一测流口、通过进给回路通道43以及通过由压力补偿止回阀48和本体40中的开口之间的相对位置形成的一可变节流孔46(参见图2)进入桥通道50。在压力补偿止回阀48的打开状态中，液压流体运行通过一桥通道50、一控制阀柱42的通道53、而后通过工作口通道52、流出工作口54进入油缸壳体22的上部腔室28。由此，传送到活塞24顶部的压力使活塞向下移动，它将液压流体推出油缸壳体22的底腔26。这离开的液压流体流入另一个工作口56，并流过工作口通道58、经通道59流过控制阀柱42以及与流体油箱19相连的油箱通道36。
为了使活塞24向上移动，机器操作者将控制阀柱42移至图2中的左侧，这使得相应的一组通道打开，这样，泵18迫使液压流体进入油缸壳体22的底部腔室26，以使活塞24向上移动。活塞的移动还将流体推出顶部缸体腔室28，并通过阀组件14到达油箱19。
当缺少压力补偿机构时，机器操作者很难控制活塞24的速度。这种困难是由活塞移动的速度直接与液压流体的流率相关，该液压流体流动速率主要由两个变量决定：流动路径中的最节流的那些孔的横截面积以及通过那些孔的压降。最节流的孔之一是控制阀柱42的测量凹口44，机器操作者可以通过移动控制阀柱来控制该孔的横截面积。尽管这样控制有助于确定流率的一个变量，但它不能提供最优的控制，其原因在于，流率还直接与系统中主要由越过控制阀柱42的测量凹口44而引起的总压降的平方根成正比。例如，在铲土机的吊斗中加入材料会增加底部缸体腔室26中的压力，这会减小负载压力和泵18提供的压力之间的差。没有压力补偿，即使机器操作者将测量凹口44保持为恒定的横截面积，这样的总压降的减少也会使流体的流动速率减少，由此减小活塞24的速度。
为了克服该问题，阀组件10结合了一个压力补偿机构，该压力补偿机构可感测各个阀部13-15的动力工作口处的压力，并且选择这些工作口压力中最大的一个施加到液压泵18的排量控制输入孔32上。最大的工作口压力还被施加到各个阀部13-15中的压力补偿止回阀48。美国专利No.5,791,142中描述了这类的压力补偿机构，此处援引该专利的说明以作参考。
工作口压力选择由一负载感测回路80执行，而该负载感测回路由阀部13和14中的一系列滑阀(shuttle valve)84形成的。同样参照图1和2中示出的示范性的阀部14，它的滑阀84具有两个输入量：(a)来自于桥接通道50(通过往复通道(shuttle passage)86)的；以及(b)连接到从上游阀部15引出的通过通道88的。该通过通道承载着来自阀部14的上游的阀部中的最大的动力工作口压力。桥接通道50的压力为阀部14中给予任何一个工作口54或56动力的压力，或者当控制阀柱42空档时处于中间时为油箱通道36中的压力。滑阀84操作使输入量(a)和(b)的较大的压力通过其部的通过通道88到达相邻的下游阀部13的滑阀。需指出的是，当它的负载压力将仅通过通道88送到下一个阀部14时，该系列中最上游的阀部15不必具有一滑阀84。然而，考虑到生产的成本，所有阀部13-15都是相同的。
滑阀84的系列中最下游的阀部13的通过通道88通过端部16中的通道90与泵18的控制输入孔32连通。因此，阀组件12中所有动力工作口压力中最大压力的传送以控制泵的排量并由此调节泵的输出压力。
输送通道34还将隔离回路输出压力传送到各个压力补偿止回阀48的一侧。为了使液压流体从泵18流到动力工作口54或56，通过相关的压力补偿止回阀48的可变节流孔48必须至少是局部敞开的。这将在供给通道31中的泵输出压力大于给定阀部14中的工作口压力以及大于输送通道34中的压力时发生。作用在压力补偿止回阀48上的这些压力间的压差被施加越过测流孔，并且决定了通过阀部13和14的流体的流率。
第三阀部15是不同的，它包括一个流量调节阀70。如图所示，阀流调节阀70是一个释放阀，它在两侧上具有基本相同的表面积，这样，施加到那些侧面上的压力将同等地影响阀元件的移动。在本发明的实际应用中，一顺序型阀是通过将弹簧腔室连接到下游压力上而使用的。控制泵16的输送通道34中的压力被施加到流量调节阀70的入口并且施加到压力将阀柱推向打开位置的流量调节阀的第一侧。
流量调节阀70的出口连接到压力补偿止回阀48的一侧上，从而将阀48推至一闭合位置。一孔76使流量调节阀的出口与输送通道34相连，该输送通道将压力作为通道中产生的最大工作口压力。由于在输送通道34中的压力和泵输出压力之间总是存在一个恒定的压差，这种连接确保了越过阀柱42的测量孔的压差将为恒定。流量调节阀70的出口还连接到与第一侧相反的阀第二侧上。第二侧也是通过一可调节的弹簧72来偏压的。弹簧的调节确定了流量调节阀70打开的压力下限以及施加到压力补偿止回阀48的压力，这些将在下文中进行描述。
流量调节阀70将供给通道31中的泵压减少到通过设定可调节弹簧72预定的一个大小。所产生的压力控制压力补偿止回阀48的操作，这样，越过阀部的测量孔的压降与由流量调节阀70设定的压力大小相等。因此，压降小于越过其它阀部13和14的测量孔出现的泵的容许极限压力。当泵的容许极限由于一些原因减小时，例如由于流体的粘性或温度变化，由流量调节阀70确定的压力将连续地供给到压力补偿止回阀48，除非容许极限压力下降到流量调节阀70的设定压力之下。正常的流体流量的整个范围在第三阀部15处将是可以利用的，直到那种情况发生为止。

Claims (8)

1.一种液压系统(10)具有带有一第一可变化的测流孔的第一控制阀柱，液压流体从一泵(18)通过该测流孔流至在第一工作口处与第一控制阀柱相连的一第一致动器(22)，在该液压系统(10)中，泵(18)为这样一类泵，其在出口处产生的输出压力为比控制输入孔(32)处的输入压力大的一预定量，而输入压力是响应第一工作口处的压力确定的，该液压系统(10)还包括一流量补偿器，该流量补偿器包括：
一第一压力补偿止回阀，该补偿止回阀响应作用在第一压力补偿止回阀的相对的第一和第二侧上的压力控制第一可变的测流孔和第一工作口之间的流体流量，其中，第一侧暴露在由第一可变的测流孔产生的压力中；以及
一流量调节阀(70)，其特征在于，该流量调节阀(70)具有一个连接到第一压力补偿止回阀的第二侧上的一孔口，并且它具有泵(18)输出的流体被施加到该孔口的一个敞开状态以及一个闭合状态，其中泵(18)输出的压力作用以使流量调节阀(70)打开，而第一压力补偿止回阀的第二侧处的压力作用以使流量调节阀(70)闭合，并且该流量调节阀(70)还具有一偏压元件(72)，该偏压元件(72)也可作用使流量调节阀(70)闭合。
2.如权利要求1所述的流量补偿器，其特征在于，偏压元件(72)可调节以使施加到流量调节阀(70)上的力变化。
3.如权利要求1所述的流量补偿器，其特征在于，偏压元件(72)是一个可调节的弹簧，它使得施加到流量调节阀(70)上的力变化。
4.如权利要求1所述的流量补偿器，其特征在于，所述流量补偿器还包括一个将第一压力补偿止回阀的第二侧连接到泵(18)的控制输入孔(32)上的孔(74)。
5.如权利要求1所述的流量补偿器，其特征在于，液压系统(10)还包括一第二控制阀柱，该控制阀柱带有一个第二可变测流孔，液压流体从泵(18)通过该测流孔流到在一第二工作口处与第二控制阀柱相连的一第二致动器(21)，并且流量补偿器还包括：
一第二压力补偿止回阀，该补偿止回阀响应作用在第二压力补偿止回阀的相对的第一和第二侧上的压力控制第二可变的测流孔和第二工作口之间的流体流量，其中，第一侧暴露在第二可变的流量孔产生的压力中，而第二侧连接到流量调节阀(70)的孔口。
6.如权利要求5所述的流量补偿器，其特征在于，所述流量补偿器还包括一用于感测第一和第二工作口处的最大压力的装置(84、88、90)，从而产生一个施加到泵(18)的控制输入孔(32)的负载感测压力。
7.如权利要求6所述的流量补偿器，其特征在于，所述流量补偿器还包括一个将第二压力补偿止回阀的第二侧连接到负载感测压力的孔(74)。
8.如权利要求5所述的流量补偿器，其特征在于，所述流量补偿器还包括一个将第二压力补偿止回阀的第二侧连接到流量调节器阀(70)的孔口的孔(76)。
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