專利名稱：獨(dú)立計量閥控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種控制系統(tǒng)和方法，更具體地涉及一種用于控制 獨(dú)立的計量閥裝置的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
作業(yè)機(jī)械如挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)、機(jī)動平路機(jī)和其它類型的重型 機(jī)械使用多個液壓致動器來完成不同的任務(wù)。這些致動器通常是基于操作 員界面裝置的致動位置進(jìn)行速度控制的。例如，可使操作員界面裝置如操 縱桿、踏板或其它任何適宜的操作員界面裝置運(yùn)動以產(chǎn)生表示有關(guān)液壓致 動器的希望速度的信號。當(dāng)操作員移動界面裝置時，操作員希望液壓致動 器以相關(guān)的預(yù)定速度運(yùn)動。但是，該預(yù)定速度是在作業(yè)機(jī)械的制造過程中 設(shè)定的，(設(shè)定時)通常未向液壓致動器施加載荷。在作業(yè)機(jī)械的操作過 程中，當(dāng)向液壓致動器施加的載荷較小時，液壓致動器可按與操作員所希 望的速度基本上相等的速度運(yùn)動。但是，當(dāng)向液壓致動器施加的載荷較大 時，液壓致動器可能會以較慢的、未預(yù)期或不希望的速度運(yùn)動。如果不考 慮載荷情況而試圖控制液壓致動器的速度會導(dǎo)致液壓致動器劇烈地或急劇 地發(fā)生運(yùn)動。在2005年4月19日授予Pfaff等人的U.S.專利No.6，880，332 (，332專 利)中描述了一種改善液壓致動器速度的可預(yù)見性并實現(xiàn)液壓致動器的平 穩(wěn)運(yùn)行的方法。，332專利描述了一種由電液壓比例閥控制以在不同的計量 模式下運(yùn)行的液壓制動器。操縱桿位置信號轉(zhuǎn)換成液壓致動器的希望速度 信號。然后利用該希望速度信號發(fā)出各電液壓比例閥的開啟量的指令，以 用希望速度驅(qū)動液壓致動器。液壓致動器上的載荷通過測量與液壓致動器相關(guān)的壓力來確定，液壓致動器基于所確定的載荷在不同模式下運(yùn)行。使 用一種轉(zhuǎn)變策略進(jìn)行運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)變，其中，供給管線和回流管線的 壓力設(shè)定成在從舊運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變之前新運(yùn)行模式所要求的閾值壓力。盡管，332專利的液壓致動器和控制策略可通過使運(yùn)行模式以測得的載 荷狀況為基礎(chǔ)來改善流體致動器在變化載荷下的速度可預(yù)測性，但# 復(fù)雜 且仍然缺乏足夠的控制。特別地，由于要根據(jù)希望速度信號對每個電液壓 比例閥進(jìn)行控制，將使控制策略復(fù)雜且需要準(zhǔn)確的定時和校準(zhǔn)以避免不希 望的閥的相互作用。此外，由于閥的開啟量僅以希望速度為基礎(chǔ)，壓力波 動仍能嚴(yán)重地影響液壓致動器的可預(yù)測性。本發(fā)明所-&開的液壓控制系統(tǒng)意在克服上述的 一個或多個問題。發(fā)明內(nèi)容一方面，本發(fā)明涉及一種液壓控制系統(tǒng)。該液壓控制系統(tǒng)包括具有第 一室和第二室的流體致動器、第一計量閥和第二計量閥。所述第一計量閥具有 一 閥元件，該閥元件可在允許加壓流體流入第 一 室以^^于流體致動器 沿第 一方向運(yùn)動的第 一位置和阻止加壓流體流入第 一 室的第二位置之間移 動。所述第二計量閥具有一閥元件，該閥元件可在允許流體從第二室中流 出以便于流體致動器沿第一方向運(yùn)動的第一位置和阻止流體從第二室中流 出的第二位置之間移動。所述液壓控制系統(tǒng)還包括至少一個與流體致動 器相聯(lián)的流體傳感器，并構(gòu)造成產(chǎn)生表示流體致動器上的載荷的載荷信號； 以及操作員界面裝置，該操作員界面裝置能夠移動以產(chǎn)生表示操作員所希 望的流體致動器速度的希望速度信號。所述液壓控制系統(tǒng)還包括與第一和 第二計量閥、所述至少 一個流體傳感器以及操作員界面裝置相連的控制器。 該控制器構(gòu)造成根據(jù)希望速度信號使第一計量閥的閥元件移動到位于第一 和第二位置之間的位置，以及根據(jù)載荷信號和第二室中的希望壓力使第二 計量閥的閥元件移動到位于第一和第二位置之間的位置。另一方面，本發(fā)明涉及一種操作液壓控制系統(tǒng)的方法。該方法包括 計量進(jìn)入液壓致動器的第 一室中的加壓流體，以便于流體致動器沿第 一方向的運(yùn)動；以及計量來自液壓致動器的第二室的流體，以便于流體致動器 沿第一方向的運(yùn)動。該方法還包括檢測流體致動器上的載荷并產(chǎn)生表示 載荷的載荷信號。該方法還包括接收表示操作員所希望的流體致動器速 度的希望速度信號。該方法還包括根據(jù)希望速度信號計量進(jìn)入第一室的 流體，以及根據(jù)載荷信號和第二室中的希望壓力計量來自第二室的流體。


圖l是示例示出的作業(yè)機(jī)械的側(cè)視示意圖； 圖2是示例示出的用于圖1的作業(yè)機(jī)械的液壓控制系統(tǒng)的示意圖； 圖3是對圖2的控制系統(tǒng)的示例性操作方法進(jìn)行說明的流程圖；以及 圖4是對圖2的控制系統(tǒng)的另一示例性操作方法進(jìn)行說明的流程圖。
具體實施方式
圖1示出一示例性的作業(yè)機(jī)械10，該作業(yè)機(jī)械10具有多個部件。作 業(yè)機(jī)械10可以是執(zhí)行與采礦業(yè)、建筑業(yè)、耕作、運(yùn)輸業(yè)或現(xiàn)有技術(shù)所知的 任何其它行業(yè)有關(guān)的某些類型的操作的固定式的或可移動式的機(jī)械。例如， 作業(yè)機(jī)械10可以是運(yùn)土機(jī)械，如挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)、鋤耕機(jī)、機(jī)動 平路機(jī)、自動傾卸卡車或任何其它運(yùn)土機(jī)械。作業(yè)機(jī)械10可包括機(jī)架12、 作業(yè)機(jī)具14、將作業(yè)執(zhí)行裝置14連接到機(jī)架12的一個或多個液壓致動器 30a-c、操作員工作站16、動力源18和至少一個牽引裝置20。機(jī)架12可包括任何支承作業(yè)機(jī)械10的運(yùn)動的結(jié)構(gòu)單元。機(jī)架12可例 如體現(xiàn)為連接動力源18與牽引裝置20的靜止的底架、聯(lián)接系統(tǒng)的可動的 機(jī)架構(gòu)件、或現(xiàn)有技術(shù)所知的任何其它的機(jī)架。單個作業(yè)機(jī)械10上可安裝多個不同的作業(yè)才幾具14，這些作業(yè)機(jī)具可 通過操作員工作站16進(jìn)行控制。作業(yè)機(jī)具14可包括用于執(zhí)行特定任務(wù)的 任何裝置，如妒斗、叉狀裝置、切割裝置、抓緊裝置或現(xiàn)有技術(shù)所知的任 何其它的執(zhí)行任務(wù)用裝置。作業(yè)機(jī)具14可經(jīng)由導(dǎo)向樞軸、經(jīng)由聯(lián)接系統(tǒng)、 經(jīng)由一個或多個液壓缸、經(jīng)由電機(jī)或通過任何其它適宜的方式與作業(yè)機(jī)械10相連。作業(yè)機(jī)械14可構(gòu)造成以現(xiàn)有技術(shù)所知的任何方式相對于作業(yè)機(jī) 械10樞轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動、滑動、擺動、抬升或移動。操作員工作站16可構(gòu)造成接收來自作業(yè)機(jī)械操作員的、表示所希望的 作業(yè)機(jī)具運(yùn)動的輸入。具體地，操作員工作站16可包括操作員界面裝置 22，其實現(xiàn)為位于座椅一側(cè)的、單軸線或多軸線的操縱桿。操作員界面裝 置22可以是比例型的控制器，它構(gòu)造成用于定位和/或定向作業(yè)機(jī)具14和 產(chǎn)生表示作業(yè)機(jī)具14的所希望的速度的界面裝置位置信號。可以設(shè)想在操 作員工作站16中包括其它和/或不同的操作員界面裝置，例如操作盤、旋 鈕、推拉裝置、開關(guān)、踏板及現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它操作員界面裝置。動力源18可實現(xiàn)為發(fā)動機(jī)，例如柴油機(jī)、汽油機(jī)、由氣體燃料驅(qū)動的 發(fā)動機(jī)或現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何其它類型的發(fā)動機(jī)?？梢栽O(shè)想動力源18 可選擇地實現(xiàn)為其它動力源，如燃料電池、能量存貯裝置、電動機(jī)或液力 馬達(dá)或現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它動力源。牽引裝置20可包括位于作業(yè)機(jī)械10各側(cè)(僅示出一側(cè))的履帶?？?選捧地，牽引裝置20可包括車輪、帶或其它牽引裝置。牽引裝置20可以 能轉(zhuǎn)向或不能轉(zhuǎn)向?？梢栽O(shè)想牽引裝置20是液壓控制的、機(jī)械控制的、電 力控制的或通過任何其它適宜的方式進(jìn)行控制。如圖2所示，作業(yè)機(jī)械10可包括液壓控制系統(tǒng)24，該液壓控制系統(tǒng) 24具有多個共同配合以使作業(yè)機(jī)具14運(yùn)動的流體部件。具體地，液壓控 制系統(tǒng)24可包括保持流體供給的容器26以及構(gòu)造成用于對流體加壓和將 加壓的流體引導(dǎo)至液壓致動器30a-c的源28。液壓控制系統(tǒng)24還可包括頭 端供給閥32、頭端排放閥34、桿端供給閥36、桿端排;^文閥38、頭端壓力 傳感器40、桿端壓力傳感器42和加速傳感器44。液壓控制系統(tǒng)24還可包 括與液壓控制系統(tǒng)24的流體部件相連的控制器48?？梢栽O(shè)想液壓控制系 統(tǒng)24包括其它和/或不同的部件，如蓄能器、節(jié)流孔、節(jié)流閥、卸壓閥、 混合閥、壓力平衡通道、溫度傳感器、位置傳感器和現(xiàn)有技術(shù)中已知的其 它此類部件。容器26可由構(gòu)造成用于保持流體供給的存貯器組成。所述流體可包括例如專用液壓油、發(fā)動機(jī)潤滑油、傳動潤滑油或現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何其它流體。作業(yè)機(jī)械10中的一個或多個液壓系統(tǒng)可從容器26中抽取流體和 使流體返回到容器26中。還可以設(shè)想液壓控制系統(tǒng)24與多個獨(dú)立的流體 容器相連。源28可構(gòu)造成用于產(chǎn)生加壓流體流，并可包括泵，如可變排量泵、固 定排量泵或現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何其它加壓流體源。源28可例如通過副軸 (countershaft) 50、傳動帶(未示出)、電路(未示出)或通過其它任何 適宜的方式可驅(qū)動地與作業(yè)機(jī)械10的動力源18相連?？蛇x擇地，源28 可經(jīng)由轉(zhuǎn)矩變換器、傳動箱或以現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何其它方式間接地與 動力源18相連?？梢栽O(shè)想多個加壓流體的源(部件)彼此相連以向液壓控 制系統(tǒng)24提供加壓流體。應(yīng)注意到，盡管圖1示出了用30a、 30b、 30c標(biāo)記的三個液壓致動器， 為簡單起見，圖2的液壓系統(tǒng)示意圖僅示出了液壓致動器30c。因此，盡 管對液壓控制系統(tǒng)24的全部說明都將只參照液壓致動器30c進(jìn)行，但是， 這些說明同樣適用于液壓致動器30a和30b。液壓致動器30c可包括一流體缸，該流體缸經(jīng)由直接樞軸(direct pivot)、經(jīng)由液壓致動器30c在其中形成一構(gòu)件的聯(lián)接系統(tǒng)或通過任何其 它適宜的方式將作業(yè)機(jī)具14連接到機(jī)架12 (參考圖1)?？梢栽O(shè)想，可選 地將流體缸以外的液壓致動器設(shè)置在液壓控制系統(tǒng)24內(nèi)，如液壓馬達(dá)或現(xiàn) 有技術(shù)中已知的任何其它類型的致動器。如圖2所示，液壓致動器30c可 包括管52和設(shè)置在管52中的活塞組件54。管52和活塞組件54之一可與 機(jī)架12可樞轉(zhuǎn)地相連接，而管52和活塞組件54中的另一個可與作業(yè)機(jī)具 14可樞轉(zhuǎn)地相連接。除此以外，可以設(shè)想，管52和/或活塞組件54固定連 接在機(jī)架12或作業(yè)機(jī)具14上。液壓致動器30c可包括通過活塞60分隔的 第一室56和第二室58。第一和第二室56和58可選擇性地被供以來自源 28的加壓流體，并選擇性地與容器26相連，以使活塞組件54在管52中 移位，從而改變液壓致動器30c的有效長度。液壓致動器30c的膨脹和收 縮可起到輔助作業(yè)機(jī)具14的運(yùn)動的作用?；钊M件54可包括軸向與管52對齊且設(shè)置在管52中的活塞60、以 及可與機(jī)架12和作業(yè)機(jī)具14 (參考圖1)之一相連的活塞桿62。活塞60 可包括第一液壓表面64和與第一液壓表面64相對的第二液壓表面66。由 作用在第一和第二液壓表面64和66上的流體壓力造成的力的不平衡可導(dǎo) 致活塞組件54在管52中運(yùn)動。例如，作用在第一液壓表面64上的力大于 作用在第二液壓表面66上的力，可導(dǎo)致活塞組件54向使液壓致動器30c 的有效長度增加的方向移置。類似地，當(dāng)作用在第二液壓表面66上的作用 力大于作用在第一液壓表面64上的作用力時，活塞組件54可在管52中回 縮以減小液壓致動器30c的有效長度。進(jìn)入和流出第一和第二室56和58 的流體的流量可決定液壓致動器30c的速度，而與第一和第二液壓表面64 和66接觸的流體的壓力可決定液壓致動器30c的致動力?；钊?0上可連 接有密封元件(未示出)如O形環(huán)，以限制流體在管52的內(nèi)壁和活塞60 的外側(cè)圓柱表面之間的流動。頭端供給閥32可設(shè)置在源28和第一室56之間，并構(gòu)造成用于響應(yīng)于 來自控制器48的指令速度而調(diào)節(jié)加壓流體向第一室56的流動。具體地， 頭端供給閥32可包括螺線管致動的比例彈簧偏壓閥機(jī)構(gòu)，且構(gòu)造成在允許 流體流入第一室56的第一位置和阻止流體流出第一室56的第二位置之間 移動。頭端供給閥32可移動到第一和第二位置之間的任何位置，以改變進(jìn) 入第一室56的流量，從而影響液壓致動器30c的速度?？梢栽O(shè)想，頭端供 給閥32可選地是液壓致動的、機(jī)械致動的、氣動致動的或以任何其它適宜 的方式進(jìn)行致動。還可以設(shè)想，頭端供給閥32構(gòu)造成，在當(dāng)?shù)谝皇?6內(nèi) 的壓力超出從源28指向頭端供給閥32的壓力時的再生過程中，允許來自 第一室56的流體流動通過頭端供給閥32。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述 再生可包括作為進(jìn)入充注的室的總流量的一部分，將加壓流體從第一和 第二室56和58中排放的室中引導(dǎo)至第一和第二室中充注的室中。頭端排放閥34可設(shè)置在第一室56和容器26之間，并構(gòu)造成用于響應(yīng) 于來自控制器48的指令壓力而調(diào)節(jié)從第一室56到容器26的流體流。具體 地，頭端排放閥34可包括螺線管致動的比例彈簧偏壓閥機(jī)構(gòu)，且構(gòu)造成在允許流體從第一室56流出的第一位置和阻止流體從第一室56流出的第二 位置之間移動。頭端排放閥34可移動到第一和第二位置之間的任何位置， 以改變在第一室56內(nèi)的流體的壓力?？梢栽O(shè)想，頭端排放閥34可選地是 液壓致動的、機(jī)械致動的、氣動致動的或以任何其它適宜的方式進(jìn)^f亍致動。桿端供給閥36可設(shè)置在源28和第二室58之間，且構(gòu)造成用于響應(yīng)于 來自控制器48的指令速度而調(diào)節(jié)加壓流體向第二室58的流動。具體地， 桿端供給閥36可包括螺線管致動的比例彈簧偏壓閥機(jī)構(gòu)，且構(gòu)造成在允許 流體流入第二室58的第一位置和阻止流體流出第二室58的第二位置之間 移動。桿端供給閥36可移動到第一和第二位置之間的任何位置，以改變進(jìn) 入第二室58的流量，從而影響液壓致動器30c的速度。可以設(shè)想桿端供給 閥36可選地是液壓致動的、機(jī)械致動的、氣動致動的或以任何其它適宜的 方式進(jìn)行致動。還可設(shè)想桿端供給閥36構(gòu)造成在當(dāng)?shù)诙?8內(nèi)的壓力超 出從源28指向桿端供給閥36的壓力時的再生過程中允許來自第二室58 的流體流動通過桿端供給閥36。桿端排放閥38可設(shè)置在第二室58和容器26之間，并構(gòu)造成用于響應(yīng) 于來自控制器48的指令壓力而調(diào)節(jié)從第二室58到容器26的流體流動。具 體地，桿端排放閥38可包括螺線管致動的比例彈簧偏壓閥機(jī)構(gòu)，且構(gòu)造成 在允許流體從第二室58流出的第一位置和阻止流體從第二室58流出的第 二位置之間移動。桿端排放閥38可移動到第一和第二位置之間的任何位 置，以改變在第二室58內(nèi)的流體的壓力?？梢栽O(shè)想，桿端排放閥38可選 地是液壓致動的、機(jī)械致動的、氣動致動的或以任何其它適宜的方式進(jìn)行 致動。頭端和桿端供給閥和排放閥32-38可在流體上互相連通。特別地，頭 端和桿端供給閥32、 36可并聯(lián)地連接到從源28延伸出來的共用供給通路 68。頭端和桿端排放閥34、 38可并聯(lián)地連接到引導(dǎo)至容器26的共用排放 通路70。頭端供給和排放閥32、 34可并聯(lián)連接到第一室通路72上，以響 應(yīng)于來自控制器48的指令速度和壓力選擇性地向第一室56供給和從第一 室56排放。桿端供給和排放閥36、 38可并聯(lián)地連接到共用的笫二室通路74上，以響應(yīng)于來自控制器48的指令速度和壓力選擇性地向第二室58供 給和從第二室58排放。頭端和桿端壓力傳感器40、 42可分別與第一和第二室56、 58流體相 通，并構(gòu)造成用于檢測在第一和第二室56、 58中的流體的壓力。頭端和桿 端壓力傳感器40、 42還可構(gòu)造成用于產(chǎn)生表示在第一和第二室56、 58中 的壓力的載荷信號。由頭端和桿端壓力傳感器40、 42產(chǎn)生的壓力測量結(jié)果 可與時間測量結(jié)果相對比，以產(chǎn)生表示液壓缸30c加速的動態(tài)壓力測量結(jié) 果。加速傳感器44可與液壓缸30c相聯(lián)，并構(gòu)造成用于檢測缸運(yùn)動的加速 和產(chǎn)生相應(yīng)的加速信號?？梢栽O(shè)想，在需要時省去加速傳感器44,從上述 動態(tài)壓力測量結(jié)果來確定液壓缸30c的加速。還可以設(shè)想，在實現(xiàn)加速傳 感器44時，可利用所述動態(tài)壓力測量結(jié)果來校準(zhǔn)加速傳感器44?？刂破?8可實現(xiàn)為包括用于控制液壓控制系統(tǒng)24的運(yùn)行的器件的單個孩i處理器或多個微處理器。多種市售微處理器可構(gòu)造成執(zhí)行控制器48的功能。應(yīng)該理解，控制器48可容易地在通用作業(yè)機(jī)械中實現(xiàn)為能夠控制多種作業(yè)機(jī)械功能的微處理器?？刂破?8可包括記憶存儲器/內(nèi)存、輔助存儲裝置、處理器和用于運(yùn)行應(yīng)用程序的任何其它部件。控制器48可與各種其它電路/回路相聯(lián)，如動力供應(yīng)電路、信號調(diào)整電路、螺線管驅(qū)動器電 路和其它類型的電路?？稍诳刂破?8的記憶存儲器中存儲一個或多個與液壓致動器30c的界 面裝置位置、流體致動器載荷、指令速度和指令壓力有關(guān)的映射(圖)。 這些映射中的每一個都可以是表、圖形和/或公式的形式。在一個示例中， 界面裝置位置和指令速度可形成用于控制頭端和桿端供給閥32、36的二維 表的坐標(biāo)軸。可使有關(guān)供給閥的指令速度和閥元件位置關(guān)聯(lián)到另 一單獨(dú)的 二維映射中，或者與界面裝置位置一起關(guān)聯(lián)到一三維映射中。還可以設(shè)想， 將界面裝置位置信號在單一的二維映射中直接與閥元件位置相關(guān)。在相同 的示例中，控制器48的記憶存儲器內(nèi)的另一二維圖鐠的兩個軸線可使載荷 信息與用于控制頭端和桿端排放閥34、 38的指令壓力相關(guān)聯(lián)?？刂破?8可構(gòu)造成允許操作員直接修改所述映射以^/或者從存儲在控制器48的記 憶存儲器中的可用關(guān)系映射中選擇特定的映射，以影響液壓致動器30c的 致動?？梢栽O(shè)想，根據(jù)作業(yè)機(jī)械運(yùn)行模式如阻力(resistive)、超越 (overrunning)、過渡和其它機(jī)械運(yùn)行才莫式來選擇映射。阻力運(yùn)行模式可包括液壓致動器30c反抗外力的操作。超越運(yùn)行模式 可包括作業(yè)機(jī)械10上的載荷自然導(dǎo)致液壓致動器30c沿希望的方向運(yùn)動的 操作。過渡模式可包括液壓致動器30c在阻力才莫式和超越才莫式之間轉(zhuǎn)變的 操作。在任一運(yùn)行模式中，頭端和桿端供給和排放閥32-38中只有兩個工 作，而其余兩個處于流動阻止位置。例如，當(dāng)液壓致動器30c伸出以使才;u 架12的臂部(參考圖1)克服重力牽引而向上移動時(阻力模式)，頭端 供給閥32 (參考圖2)可朝向第一或流動通過位置移動，以用加壓流體充 注第一室56。同時，桿端排放閥38可朝向流動通過位置移動，以允許流 體從第二室58排放到容器26中。在該情況下，頭端排放閥34和桿端供給 閥36均可處于第二或流動阻止位置，以防止液壓致動器30c不希望地運(yùn) 動。類似地，當(dāng)液壓致動器30c縮回以4吏機(jī)架12的臂部(參考圖1)利用 重力牽引向下移動時(超越模式)，頭端排放閥34 (參考圖2)可移動到 第一或流動通過位置，以使加壓流體從第一室56中排出。同時，桿端供給 閥36可朝向流動通過位置移動，以用加壓流體充注第二室58。在該情況 下，頭端供給閥32和桿端排放閥38均可處于第二或流動阻止位置，以防 止液壓致動器30c不希望地運(yùn)動?？刂破?8可構(gòu)造成接收來自操作員界面裝置22和頭端、桿端壓力傳 感器40、 42的輸入，并響應(yīng)于該輸入和上述關(guān)系映射指令頭端和桿端供給 和排放閥32-38的運(yùn)行。具體地，控制器48可分別經(jīng)由通信線路80、 82、 84和86與液壓致動器30c的頭端和桿端供給閥和排放閥32-38相連；經(jīng)由 通信線路88與操作員界面裝置22相連；以及分別經(jīng)由通信線路90和92 與頭端和桿端壓力傳感器40、 42相連。控制器48可接收來自操作員界面 裝置22的界面裝置位置信號以及來自頭端和桿端壓力傳感器40、 42的液 壓致動器載荷信號，并參考儲存在控制器48的存儲器中的經(jīng)選定和/或經(jīng)修改的關(guān)系映射來確定指令速度和壓力值。指令速度可使頭端和桿端供給閥32和36按照能產(chǎn)生作業(yè)機(jī)具的希望速度的流量選擇性地充注適當(dāng)?shù)氖摇?指令壓力可使頭端和桿端排放閥34和38按照能在相應(yīng)的排放室內(nèi)產(chǎn)生希 望壓力的流量選擇性地使第一和第二室56、 58排放。控制器48可構(gòu)造成響應(yīng)于液壓致動器30c的加速而影響頭端和桿端供 給閥和排放閥32-38的閥元件的運(yùn)動。特別地，控制器48可經(jīng)由通信線路 94與加速傳感器44相連，并構(gòu)造成接收來自加速傳感器44的加速信號。 控制器48可構(gòu)造成響應(yīng)于加速信號修改指令速度和/或壓力。可在控制器 48的記憶存儲器中的一個或多個表、圖形或公式中包含指令速度和/或壓力 與加速信號之間的關(guān)系?？刂破?8還可構(gòu)造成選擇性地實施再生。具體地，控制器48可接收 來自壓力傳感器40和42的載荷信號，并判定是否可能再生。例如，當(dāng)液 壓致動器30c縮回，流出第二室58的流體的壓力超出來自源28的流體的 壓力時，則控制器48可判定來自第二室58的流體的至少一部分可,皮再引 導(dǎo)至第一室56。在這種情況下，所需的源28的輸出可能低于不能回收的 情況，這樣，可以減少的動力消耗水平操作源28。控制器48可根據(jù)操作員的輸入調(diào)節(jié)再生的量和源28的輸出。特別地， 再生流體與來自源28的流入充注室的流體的比率可基于操作員輸入裝置 22的致動位置。可在控制器48的記憶存儲器中的表、圖形或公式中可包含操作員界面裝置位置與允許的再生流百分比之間的關(guān)系。這樣，可操作 源28以產(chǎn)生使液壓致動器30c以希望的速度運(yùn)動所需的加壓流體的流量減 去從第二室58再生的流體的量。如果不能夠再生，則可操作源28以產(chǎn)生 使液壓致動器30c以希望的速度運(yùn)動所需的加壓流體的全部流量。圖3和4表示操作液壓控制系統(tǒng)24的示例方法。將在下文中說明圖3 和4,以進(jìn)一步闡明本發(fā)明的系統(tǒng)及其運(yùn)行。工業(yè)適用性本發(fā)明的液壓控制系統(tǒng)可應(yīng)用于在變化的載荷和運(yùn)行才莫式下希望具有速度的可預(yù)測性的、包括液壓致動器的任何作業(yè)機(jī)械。本發(fā)明的液壓控制 系統(tǒng)可通過使液壓致動器載荷和加速與液壓致動器聯(lián)接的閥指令的速度和
/或壓力相關(guān)聯(lián)來改善操作員控制。下面說明所述液壓控制系統(tǒng)24的操作。 在作業(yè)機(jī)械10的操作過程中，作業(yè)機(jī)械操作員可操縱操作員界面裝置 22以產(chǎn)生作業(yè)機(jī)具14的運(yùn)動?？墒共僮鲉T界面裝置22的致動位置與操作 員所預(yù)期或希望的作業(yè)機(jī)具14的速度相關(guān)聯(lián)。操作員界面裝置22可在操 作員操縱過程中生成表示操作員的預(yù)期或希望速度的位置信號，并將該位 置信號發(fā)送給控制器48。
在液壓缸30c的運(yùn)行過程中，控制器48可接收多種輸入。如圖3的流 程圖所示，控制器48可接收操作員界面裝置位置信號(步驟100)、接收 來自頭端和桿端壓力傳感器40、 42的載荷信號(步驟110)、以及接收表 示測定和/或確定的液壓缸30c的加速的信號(步驟120 )?？刂破?8可由 載荷信號確定在液壓缸30c上的載荷的大小。載荷的大小可從使所測壓力 與第 一和第二液壓表面64和66的受力面積相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)公式中計算出。 另外，可通過使所測壓力與一組預(yù)定的壓力閾值相比來確定運(yùn)行^=莫式(即 阻力、超越和過渡)。例如，如果在液壓缸30c的第一室56中的壓力高于 一預(yù)定值，而在第二室58中的壓力低于一預(yù)定值，則控制器48可確定液 壓缸30c在阻力模式下運(yùn)行。類似地，如果在液壓缸30c的第一室56中的 壓力低于一預(yù)定值，而在第二室58中的壓力高于一預(yù)定值，則控制器48 可確定液壓缸30c在超越模式下運(yùn)行。若在液壓缸30c的第一室56中的壓 力低于一預(yù)定值并開始減小，則控制器48可確定液壓缸30c正在進(jìn)入阻力 模式和超越模式之間的過渡模式。同樣，如果在液壓缸30c的第一室56中 的壓力低于預(yù)定值并開始增大，則控制器48可確定液壓缸30c正在進(jìn)入介 于超越模式和阻力模式之間的過渡模式。
當(dāng)在阻力模式或超越模式下運(yùn)行時，控制器48可設(shè)定排放閥的閥元件 位置，以在第一和第二室56、 58中排放的室內(nèi)提供希望的壓力。希望的壓 力和相關(guān)聯(lián)的閥機(jī)構(gòu)位置可基于測得的液壓缸30c的負(fù)載狀況，并通過查 詢存儲在控制器48的記憶存儲器內(nèi)的表、圖形和/或z^式來確定(步驟130)?？筛鶕?jù)從頭端和桿端壓力傳感器40、 42中適當(dāng)?shù)囊粋€傳感器接收 到的載荷信號連續(xù)地控制位于流動通過位置和流動阻止位置之間的閥元件 位置，以在排放室內(nèi)產(chǎn)生希望壓力。
此外，在液壓缸30c按阻力模式或超越模式運(yùn)行的過程中，控制器48 可使來自操作員界面裝置22的希望速度信號與存儲在控制器48的記憶存 儲器中的關(guān)系映射進(jìn)行對比，以為頭端和桿端供給閥32、 36中工作的閥確 定合適的速度指令。這樣，控制器48可指令頭端和桿端供給閥32和36 中適當(dāng)?shù)囊粋€閥的閥元件進(jìn)行運(yùn)動，以調(diào)節(jié)iiA第一和第二室56、 58中適 當(dāng)?shù)囊粋€室的加壓流體的流量，從而使液壓致動器30c的運(yùn)動基本上符合 操作員所預(yù)期和希望的速度(步驟140)。
控制器48可導(dǎo)致液壓致動器30c加速。具體地，控制器48可4艮據(jù)由 加速傳感器44的檢測到的加速信息或根據(jù)由動態(tài)壓力測量確定的加速信 息來修改相關(guān)充注和排放閥的所指令的閥元件位置(步驟150)。如上所 述，可通過參考查閱表或圖形，或通過利用一個或多個公式計算來確定改 變的量，從而，例如當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，液壓致動器30c的速度將基本上 等于希望的速度，而將排放室內(nèi)的壓力設(shè)定成希望的值。
控制器48可在按超越模式的操作過程中根據(jù)操作員的輸入對再生進(jìn) 行調(diào)節(jié)。特別地，控制器48可首先通過推斷液壓致動器30c當(dāng)前按皿模 式運(yùn)行以及在第一和第二室56、 58中的排放的室中的壓力超出預(yù)定值來確 定是否可能再生(步驟160)。如果可能再生，則控制器48可確定進(jìn)入充 注室中的總流中可從排放室再生的百分比(步驟170)?？苫诓僮鲉T界 面裝置22的位置和存儲在控制器48的記憶存儲器中的關(guān)系來進(jìn)行確定。
可才艮據(jù)允許的再生流的百分比不同地控制源28的輸出流。具體地，如 果可能再生，則可指令源28以這樣的流量輸出加壓流體的流，該流量基本 上等于進(jìn)入充注室的希望的流體流量減去允許的再生流的百分比(180)。 例如，如果為了使液壓致動器30c以希望的速度伸出需要進(jìn)入第一室56的 流量為30單位/分鐘，而允許的再生流百分比為10%,則必須操作源28 以產(chǎn)生27單位/分鐘的流量。但是，如果不能再生(例如，如果液壓致動器30c按阻力模式運(yùn)行)，則必須操作源28以產(chǎn)生對應(yīng)于所希望的速度的 全部30單元/分鐘。
在阻力模式與超越模式之間的過渡過程中，控制器48可精密地調(diào)節(jié)第 一和第二室56和58內(nèi)的壓力以使發(fā)生氣蝕的可能性最小。具體地，控制 器48可首先確定液壓致動器30c是否已進(jìn)入過渡模式。當(dāng)?shù)谝缓偷诙?56、 58中被充注的室(在圖4的流程圖中標(biāo)記為室A)內(nèi)的壓力減小時， 控制器48可確定已進(jìn)入過渡模式(步驟200 )。如果控制器48確定室A 中的流體的壓力已減小到預(yù)定閾值(步驟210 ),則控制器48可將室A中 的壓力保持為所述閾值，并允許先前排放的室(在圖4的流程圖中標(biāo)記為 室B)內(nèi)的壓力增加(步驟220)。
控制器48可確定室B內(nèi)的壓力是否已增加到第二預(yù)定閾值(步驟 230),并相應(yīng)地影響室A中流體的壓力。具體地，如果室B內(nèi)的壓力已 增加到第二預(yù)定閾值，則控制器48可保持室B中的壓力，并允許室A中 的壓力進(jìn)一步減小(步驟240)。此時，控制器48可監(jiān)測室A中的壓力并 確定該壓力是否已達(dá)到最小闊值(步驟250)。如果室A中的壓力已達(dá)到 最小閾值，則控制器48可將室A中的壓力保持為最小閾值，并允許室B 中的壓力基于來自操作員界面裝置22的希望的速度信號增加至超出第二 閾值(步驟260 )。
由于基于希望速度對頭端和桿端供給閥32和36進(jìn)行控制，頭端和桿 端排放閥34和38基于第一和第二室56、 58中排放的室中的希望壓力進(jìn)行 控制，從而可以簡化對液壓致動器30a-c的控制。另外，由于頭端和桿端 排放閥34和38基于希望壓力和所測載荷進(jìn)行控制，液壓致動器30a-c可 在變化的載荷下可預(yù)測地運(yùn)行，并實現(xiàn)在阻力模式和超越^=莫式之間完全連 續(xù)地過渡。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可對本發(fā)明的液壓控制系統(tǒng)做出 多種變型和改變。通過研究對本發(fā)明的液壓控制系統(tǒng)的說明和實施，其它 實施方式對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。所述說明內(nèi)容和示例應(yīng)被 看成只是示例性的，其真實范圍通過所附權(quán)利要求及其等效方案進(jìn)行說明。
權(quán)利要求
1.一種液壓控制系統(tǒng)(24)，包括流體致動器(30c)，該流體致動器具有第一室(56)和第二室(58)；第一計量閥(32)，該第一計量閥具有能夠在允許加壓流體流入第一室以便于流體致動器沿第一方向運(yùn)動的第一位置和阻止加壓流體流入第一室的第二位置之間移動的閥元件；第二計量閥(38)，該第二計量閥具有可在允許流體從第二室中流出以便于流體致動器沿第一方向運(yùn)動的第一位置和阻止流體從第二室中流出的第二位置之間移動的閥元件；至少一個流體傳感器(40，42)，所述流體傳感器與流體致動器相聯(lián)，并構(gòu)造成用于產(chǎn)生表示流體致動器上的載荷的載荷信號；操作員界面裝置(22)，該操作員界面裝置能夠移動以產(chǎn)生表示操作員所希望的流體致動器速度的希望速度信號；以及與第一和第二計量閥、所述至少一個流體傳感器以及操作員界面裝置相聯(lián)的控制器(48)，該控制器構(gòu)造成用于根據(jù)希望速度信號將第一計量閥的閥元件移動到位于第一和第二位置之間的位置，以及用于根據(jù)載荷信號和第二室中的希望壓力將第二計量閥的閥元件移動到位于第一和第二位置之間的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的液壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器 還構(gòu)造成用于根據(jù)液壓致動器的加速來修改第一和第二計量閥的閥元件位 置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的液壓控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括加壓 流體的源(28 )，其中所述控制器還構(gòu)造成用于根據(jù)載荷信號判定是否可能再生液壓能； 根據(jù)操作員界面裝置的位置實現(xiàn)一定量的再生；以及 根據(jù)再生的量和希望速度信號調(diào)節(jié)源的輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的液壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個流體傳感器是與第一室相聯(lián)的第一壓力傳感器(40); 所述液壓控制系統(tǒng)還包括與第二室相聯(lián)的第二壓力傳感器(42);以及所述控制器還構(gòu)造成在第一室中的壓力減小到低于預(yù)定值時執(zhí)行一轉(zhuǎn) 變策略。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的液壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)變策 略包括在第一室中的壓力已達(dá)到第二預(yù)定值后，允許第二室中的壓力根據(jù)載 荷信號增加；將第一室中的壓力保持在預(yù)定值，直到第二室中的壓力達(dá)到第二預(yù)定值；在第二室中的壓力已達(dá)到第二預(yù)定值后，允許第一室中的壓力減小到 低于預(yù)定值；將第二室中的壓力保持在第二預(yù)定值，直到第一室中的壓力達(dá)到最小 預(yù)定值；以及在第一室中的壓力已達(dá)到最小預(yù)定值后，允許第二室中的壓力根據(jù)載 荷信號超過第二預(yù)定值。
6. —種操作液壓控制系統(tǒng)(24)的方法，包括 計量進(jìn)入液壓致動器(30c)的第一室(56)中的加壓流體，以便于流體致動器沿第一方向的運(yùn)動；計量來自液壓致動器的第二室(58)的流體，以便于流體致動器沿第一方向的運(yùn)動；檢測流體致動器上的載荷并產(chǎn)生表示載荷的載荷信號； 接收表示操作員所希望的流體致動器速度的希望速度信號； 根據(jù)希望速度信號計量進(jìn)入第一室的流體；以及 根據(jù)載荷信號和第二室中的希望壓力計量來自第二室的流體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括 根據(jù)載荷信號確定是否可能再生液壓能；根據(jù)希望的速度信號實現(xiàn)一定量的再生；以及 根據(jù)再生的量和希望速度信號調(diào)節(jié)加壓流體的源(28)的輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，對載荷檢測包括檢測 第一室中的壓力和第二室中的壓力；所述方法還包括當(dāng)?shù)谝皇抑械膲毫?減小到低于預(yù)定值時執(zhí)行一轉(zhuǎn)變策略。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)變策略包括 在第一室中的壓力已達(dá)到第二預(yù)定值后，允許第二室中的壓力根據(jù)載荷信號增加；將第一室中的壓力保持在預(yù)定值，直到第二室中的壓力達(dá)到第二預(yù)定值；在第二室中的壓力已達(dá)到第二預(yù)定值后，允許第一室中的壓力減小到 低于預(yù)定值；將第二室中的壓力保持在第二預(yù)定值，直到第一室中的壓力達(dá)到最小 預(yù)定值；以及在第一室中的壓力已達(dá)到最小預(yù)定值后，允許第二室中的壓力根據(jù)載 荷信號超過第二預(yù)定值。
10. —種作業(yè)機(jī)械(IO),包括 動力源(18);作業(yè)機(jī)具(14);以及根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的液壓控制系統(tǒng)(24),該液壓控制 系統(tǒng)可操作地與所述動力源相連，并構(gòu)造成用于影響作業(yè)機(jī)具的運(yùn)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于作業(yè)機(jī)械(10)的液壓控制系統(tǒng)(24)。該液壓控制系統(tǒng)包括流體致動器(30c)，其具有第一室(56)和第二室(58)；第一和第二計量閥(32，28)，其具有可移動以分別使第一和第二室充注和排放的閥元件；以及至少一個流體傳感器(40)，其構(gòu)造成用于產(chǎn)生表示流體致動器上的載荷的載荷信號。所述液壓控制系統(tǒng)還包括操作員界面裝置(22)，其可移動以產(chǎn)生流體致動器的希望速度信號。該液壓控制系統(tǒng)還包括與第一和第二計量閥、所述至少一個流體傳感器以及操作員界面裝置相聯(lián)的控制器(48)。該控制器構(gòu)造成用于根據(jù)希望速度信號使第一計量閥的閥元件移動到一位置，以及根據(jù)載荷信號和第二室中的希望壓力使第二計量閥的閥元件移動到一位置。
文檔編號F15B11/042GK101253334SQ200680031947
公開日2008年8月27日 申請日期2006年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者A·埃蓋利亞, M·T·韋爾奎倫, 佼 章, 馬鵬飛 申請人:卡特彼勒公司;新卡特彼勒三菱株式會社