КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО
VALVE UNIT

Изобретение относится к клапанному устройству, а именно к клапанному устройству для использования в гидравлической системе.
Гидравлические системы используются на подвижных установках различных типов для управления работой инструментов и функций подвижных установок. В принципе, существует два различных типа клапанов для гидравлического управления такими инструментами или функциями: распределители с открытым центром и клапаны измерения нагрузки, которые обычно обозначаются LS-клапаны.
Распределители с открытым центром главным образом используются в системах, включающих в себя насос с постоянной производительностью. Насос создает постоянный поток и часто приводится в действие дизельным двигателем с заданной постоянной скоростью вращения. Когда распределитель, который управляет инструментом, расположен в среднем положении, гидравлическая текучая среда проходит при низком давлении через "открытый центр" распределителя обратно в резервуар. Если распределитель отрегулирован так, чтобы доставлять поток к функции, это повлечет одновременное уменьшение потока через открытый центр до соответствующего уровня. Давление насоса, используемое в распределителях с открытым центром, зависит от нагрузки, которую необходимо преодолеть, для того чтобы выполнить требуемое действие.
С другой стороны, LS-клапаны главным образом используются в системах с насосами с переменной производительностью. Производительность насоса непрерывно управляется клапанной системой, так что потоки требуемой величины достигают различных функций. В качестве альтернативны, насос с переменной производительностью может быть заменен насосом с постоянной производительностью и так называемым перепускным клапаном измерения нагрузки. Такая система требует меньше первоначальных капиталовложений, но более высоких эксплуатационных расходов вследствие бόльших потерь энергии. Изобретение главным образом предназначено для использования в LS-системах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
OC
L
На Фиг.1 показан традиционный LS-клапан, который снабжен регулятором R давления. Регулятор давления обычно используется в гидравлических системах, к которым насос P доставляет поток, для достижения лучшего управления всеми функциями. Первое давление P действует через первый управляющий канал на первую сторону регулятора R давления. Второе давление P действует с другой стороны регулятора R давления и соответствует давлению в отверстии мотора рабочего инструмента, к которому присоединен насос P. Пружина S выполнена с возможностью воздействия на ту же сторону регулятора давления (нижняя сторона на фиг.1), в которой усилие пружины может считаться соответствующим давлению ΔР. Следовательно, падение давления на распределителе или клапане F регулирования потока будет постоянно равно ΔР.
Такое функционирование означает, что для определенного положения рычажного управления поток через распределитель будет так же значителен, независимо от нагрузки. Традиционный клапан измерения нагрузки доставляет поток потребителю, который в каждый момент времени пропорционален размеру отверстия клапана F регулирования потока. Этот поток доставляется, даже если потребитель не может принять поток, что имеет место, когда нагрузка имеет высокую инерцию. В этом случае изменение скорости нагрузки занимает сравнительно длительное время. Если клапан доставляет поток, превышающий поток, который отверстие нагрузки способно принять, давление повысится, и, в идеальном случае, давление повысится одномоментно, то есть очень быстро. На практике, давление повышается до тех пор, пока клапан сброса давления (не показан) не откроется и не ограничит давление до заданного наибольшего значения. Быстро повышающееся давление максимально ускоряет нагрузку, так что скорость нагрузки увеличивается. Идеальная система измерения нагрузки не подходит для нагрузок с высокой инерцией или для функций, в которых предпочтительно контролировать давление, а не поток. Регулирование инерционных нагрузок посредством клапана измерения нагрузки означает, что регулирование становится скачкообразным, поскольку ускорение либо отсутствует, либо максимально.
В US 4 981 159 описан LS-клапан с компенсатором давления, в котором регулятор давления использован для непрерывного регулирования разности давлений другим способом.
Разность давлений является разностью между двумя давлениями, которые действуют на противоположные области, в которой одна из областей подвержена воздействию дополнительного усилия, создаваемого пружиной S. Следовательно, в принципе, разность давлений соответствует усилию пружины, преобразованному в давление, то есть ΔР. То, что регулятор R давления отрегулирован таким образом, что по существу возникает постоянная разность давлений независимо от потока через клапан, затем может быть использовано различными способами, например, для того чтобы обеспечить регулирование потока.
В традиционном LS-клапане, который показан на фиг.1, эта особенность регулятора R давления использована, чтобы обеспечить постоянное падение давления на впускном ограничителе клапана регулирования потока. Вместо этого в решении по патенту US 4 981 159, которое схематично представлено на фиг.2, эта особенность использована для обеспечения постоянного потока через ограничитель 38. Ограничитель 38 обычно очень мал по сравнению с ограничителем клапана F регулирования потока, на величину порядка нескольких процентов. Следовательно, регулируемый поток на фиг.2 существенно меньше наибольшего регулируемого потока на фиг.1.
Регулируемый поток на фиг.1 использован для обеспечения точного управления скоростью нагрузки, присоединенной к клапану. Вместо этого существенно меньший поток на фиг.2 использован для управления давлением регулятора давления путем управления размером ограничителя 44 посредством рычажного управления оператором.
S
S
Когда орган рычажного управления клапана расположен в среднем положении, ограничитель 44 максимально открыт. Постоянный поток через ограничитель 38 затем может пройти через переменный ограничитель 44 при малом падении давления. Следовательно, сигнал давления на регуляторе R давления соответствует низкому давлению. Следовательно, регулятор R давления должен отрегулировать свое выходное давление до давления, которое соответствует давлению усилия пружины. Это давление обычно лежит в диапазоне от 5 до 10 бар. Когда оператор манипулирует клапаном, переменный ограничитель 44 будет непрерывно закрываться в зависимости от положения рычага. Следовательно, постоянный поток через ограничитель 38 будет встречать большее сопротивление, по мере того как он проходит через ограничитель 44 к резервуару T, и, следовательно, давление P в сигнальном канале будет повышаться. Соответственно, будет повышаться регулируемое давление регулятора давления. Регулируемое давление станет равным P плюс давление ΔР, которое соответствует усилию пружины. Следовательно, в принципе, регулируемое давление будет полностью независимо от потока, который проходит через впускной ограничитель к нагрузке.
Сравнительно незначительное изменение фигуры 2 относительно фигуры 1 означает, что клапан регулирования потока получил абсолютно противоположные свойства. Вместо контролирования потока к нагрузке регулирование изменилось диаметрально противоположно, так что взамен контролируется давление ближе по ходу впускного ограничителя.
Оба различных клапанных устройства предпочтительны в определенных, но различных условиях и по существу менее предпочтительны в других условиях. Следовательно, представляет интерес объединить эти свойства в зависимости от реальных условий.
US 7 353 749 описывает систему, в которой в принципе возможно переключение между двумя системами в зависимости от действительных условий. Однако система относительно сложна и не обеспечивает полностью удовлетворительное решение.
Следовательно, существует потребность в клапанном устройстве, имеющем относительно простую конструкцию и обеспечивающем гибкое управление гидравлической системой в зависимости от действительных условий.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание клапанного устройства с относительно малым количеством компонентов, входящим в его состав, обеспечивающим гибкое управление потоком в гидравлической системе. Эта задача решается посредством клапанного устройства по пункту 1.
Изобретение относится к гидравлическому клапанному устройству, включающему в себя соединение высокого давления и соединение низкого давления; по меньшей мере одно соединение отверстия мотора, которое выполнено с возможностью соединения с отверстием мотора на гидромоторе, предпочтительно гидроцилиндре; клапан регулирования потока, который расположен между соединением высокого давления и соединением отверстия мотора и который включает в себя отверстие для потока, которое выполнено с возможностью регулирования между полностью закрытым положением и полностью открытым положением; и регулятор давления, который расположен между соединением высокого давления и клапаном регулирования потока, в котором давление регулятора, действующее в первой точке соединения между регулятором давления и клапаном регулирования потока, через первый управляющий канал действует на регулятор давления, для того чтобы закрыть его. Второй управляющий канал, включающий в себя первый ограничитель, выполнен с возможностью переноса давления нагрузки, которое действует в соединении отверстия мотора, из второй точки соединения, расположенной между клапаном регулирования потока и соединением отверстия мотора, через первый ограничитель в третью точку соединения, в которой действует первое управляющее давление, причем третья точка соединения соединена с регулятором давления, для того чтобы действовать на него в направлении открытия посредством упомянутого первого управляющего давления, в котором третья точка соединения соединена с соединением низкого давления через регулируемый второй ограничитель.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения описаны в подробном описании и в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает традиционный LS-клапан согласно вышеприведенному описанию.
Фиг.2 - традиционный LS-клапан для управления давлением согласно вышеприведенному описанию.
Фиг.3 - схему клапанного устройства согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг.4 - сечение конкретного варианта выполнения клапанного устройства согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг.5 - схему конкретного варианта выполнения, который показан на фиг.4.
Фиг.6 - схему клапанного устройства согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 - сечение конкретного варианта выполнения клапанного устройства согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фиг.8 - схему конкретного варианта выполнения, который показан на фиг.7.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.3 изображает упрощенную схему первого варианта выполнения клапанного устройства согласно изобретению. Клапанное устройство 1 включает в себя соединение P' высокого давления, которое соединено с источником давления в виде насоса P, предпочтительно насоса с переменной производительностью. Дополнительно, клапанное устройство 1 включает в себя соединение T' низкого давления, которое соединено с резервуаром T низкого давления.
На другом конце клапанного устройства 1 расположено соединение A' отверстия мотора, которое выполнено с возможностью соединения с отверстием A мотора на гидромоторе М, который в показанном варианте выполнения изображен в виде гидроцилиндра одностороннего действия (смотри фиг.4). Однако изобретение не ограничено использованием гидроцилиндров одностороннего действия, а, напротив, может быть предпочтительно использовано на гидромоторах других типов, таких как, например, гидроцилиндрах двойного действия, валоприводных моторах или т.п.
Клапан F регулирования потока расположен между соединением P' высокого давления и соединением A' отверстия мотора, для того чтобы регулировать поток к соединению A' отверстия мотора. Для этой цели клапан F регулирования потока включает в себя отверстие для потока, которое выполнено с возможностью регулирования между полностью закрытым положением и полностью открытым положением. Поток через клапан F регулирования потока пропорционален размеру отверстия для потока, но также зависит от падения давления на клапане регулирования потока, поэтому поток зависит от давления как ближе по ходу, так и дальше по ходу клапана F регулирования потока. Предпочтительно, чтобы первый перепускной клапан 2 был расположен ближе по ходу клапана F регулирования потока, для того чтобы предотвратить течение в неверном направлении, то есть в направлении, противоположном подаче насоса. Однако, альтернативно, перепускной клапан 20 может быть помещен на других участках.
R
R
Регулятор R давления расположен между соединением P' высокого давления и клапаном F регулирования потока, для того чтобы регулировать давление дальше по ходу клапана F регулирования потока, которое обозначено давлением P регулятора и действует в первой точке 3 соединения, расположенной между регулятором R давления и клапаном F регулирования потока. Первый управляющий канал 4 выполнен с возможностью переноса давления P регулятора к регулятору R давления и действия на него в направлении закрытия. Предпочтительно, также использовать пружину S, которая постоянно действует на регулятор R давления в направлении открытия.
L
C
Второй управляющий канал 5, который включает в себя первый ограничитель 6, расположен между клапаном F регулирования потока и соединением A' отверстия мотора. Второй управляющий канал 5 выполнен с возможностью переноса давления P нагрузки, которое действует в соединении A' отверстия мотора, из второй точки 7 соединения через первый ограничитель 6 к третьей точке 8 соединения, в которой действует первое управляющее давление P. Первый ограничитель 6 предпочтительно может являться постоянным и независимым от регулирования клапана F регулирования потока.
C
Третья точка 8 соединения также соединена с регулятором R давления и действует на него в направлении открытия посредством упомянутого первого управляющего давления P, и дополнительно, третья точка 8 соединения соединена с соединением T' низкого давления через второй ограничитель 9. Второй ограничитель 9 предпочтительно выполнен с возможностью регулирования, например, с возможностью регулирования в зависимости от клапана F регулирования потока, и возможно регулируемый второй ограничитель 9 может быть расположен таким образом, что поток через сечение второго ограничителя 9 уменьшается, когда поток через сечение отверстия клапана F регулирования потока к соединению A' отверстия мотора увеличивается.
Третья точка 8 соединения также соединена с селективным клапаном 10, который также принимает управляющее давление из других клапанных устройств и переносит управляющее давление к насосу P. Селективный клапан 10 известным образом выполнен с возможностью переноса наибольшего из поступающих управляющих давлений к насосу P, так что устройство, которое в данный момент требует наибольшего давления, регулирует давление насоса P.
Предпочтительно, чтобы второй ограничитель 9 был расположен таким образом, что он полностью открыт, когда клапан F регулирования потока закрыт или едва открыт, в котором он закрыт для некоторого положения клапана регулирования потока, так что он образует ограничитель, который плавно уменьшается по мере того, как клапан регулирования потока плавно открывается. Такое функционирование означает, что, когда клапан F регулирования потока открыт на небольшую величину, поток дальше по ходу будет проходить через первый ограничитель 6 и второй ограничитель 9, а не к соединению A' отверстия мотора, если только давление в соединении A' отверстия мотора не очень мало.
Регулируемый второй ограничитель 9 может быть предпочтительно выполнен с возможностью электрического регулирования. Таким образом, существует возможность регулировки клапанного устройства 1 и его настроек без необходимости адаптации производства для каждого отдельного клапана. Такая возможность является следствием того, что свойства клапанного устройства в значительной степени фактически управляются характеристиками второго ограничителя 9. Различные свойства могут быть адаптированы к конкретному применению, в котором клапанное устройство 1 должно использоваться, а также к особым требованиям конкретного оператора. Дополнительно, возможно при помощи одного программного обеспечения изменить свойства уже установленного клапанного устройства. Следовательно, практичность клапанного устройства улучшается за счет того, что, например, клапанное устройство может быть использовано в нескольких различных областях, и за счет того, что оно может быть легко адаптировано к нескольким различным особым требованиям различных конкретных операторов.
L
Первый вариант выполнения клапанного устройства 1 согласно схеме на фиг.3 показан в продольном сечении на фиг.4, и на фиг.5 показана альтернативная схема для того же варианта выполнения. На фиг.4 и 5 клапан F регулирования потока составляет часть распределителя с золотником H клапана. Золотник H клапана выполнен с возможностью регулирования между тремя положениями: первым закрытым положением, которое показано на фигурах и в котором поток из соединения P' высокого давления сдерживается золотником H клапана, и двумя открытыми положениями. В первом открытом положении, в котором золотник H клапана был смещен вправо на фиг.4 и вниз на фиг.5, клапан регулирования потока будет открываться постепенно, и гидравлическая текучая среда может протекать через первое отверстие 18 для потока, которое обеспечено на золотнике H клапана и которое соединено как с выпускным отверстием регулятора R давления, так и первой точкой 3 соединения, ко второй точке 7 соединения, из которой поток может течь через перепускной клапан 2, как только давление во второй точке 7 соединения превысит давление P нагрузки, которое действует в соединении A' отверстия мотора. Первое отверстие 18 для потока главным образом соответствует клапану F регулирования потока на фиг.3.
Дополнительно, вторая точка 7 соединения соединена с третьей точкой 8 соединения через первый ограничитель 6. Регулируемый второй ограничитель 9 в варианте выполнения, показанном на фиг.4, образован вторым отверстием 19 для потока, поток через сечение которого постепенно уменьшается, по мере того как клапан F регулирования потока открывается через первое отверстие 18 для потока и по мере того как золотник H клапана смещается вправо.
C
В показанном варианте выполнения регулятор R давления имеет регулирующий золотник 11, который расположен в корпусе клапана с тремя отдельными камерами: правой камерой 12, которая посредством управляющего канала 4 находится в управляющем соединении с первой точкой 3 соединения; которая составляет центральную камеру; и левой камерой 13, в которой расположена пружина S, которая совместно с давлением P в левой камере действует на регулирующий золотник 11 в направлении открытия, то есть вправо на фиг.4.
Отличие от схемы на фиг.3 состоит в том, что на фиг.4 и 5 изображено то, как камера цилиндра опорожняется через отверстие A мотора. Когда золотник клапана отрегулирован во второе открытое положение, то есть влево на фиг.4 и вверх на фиг.5, отводные углубления 14 соединяют соединение A' отверстия мотора с соединением T' низкого давления. Чем больше золотник H клапана смещен во второе открытое положение, тем больше становится отверстие для потока через отводные углубления 14.
Слева от золотника H клапана на фиг.4 расположена пружинная конструкция 15 двойного действия, которая удерживает золотник H клапана в закрытом центральном положении, показанном на фиг.4.
На фиг.6-8 альтернативное клапанное устройство согласно изобретению показано соответствующим образом, как и первое клапанное устройство было показано на фиг.3-5. Альтернативное клапанное устройство отличается от первого варианта выполнения клапанного устройства только двумя признаками, а главным образом эти признаки будут рассмотрены выше.
R
Первое отличие состоит в том, что третий управляющий канал 16, включающий в себя третий ограничитель 17, выполнен с возможностью переноса давления P регулятора, которое действует в первой точке 3 соединения между регулятором R давления и клапаном F регулирования потока, к третьей точке 8 соединения.
C
L
Второе отличие состоит в том, что второй перепускной клапан 20 расположен во втором управляющем канале 5, для того чтобы предотвратить поток из выпускного отверстия клапана F регулирования потока к третьей точке 8 соединения через вторую точку 7 соединения. Следовательно, второй перепускной клапан 20 открывается ко второй точке 7 соединения и переносит поток одновременно с клапаном F регулирования потока, когда управляющее давление P в третьей точке 8 соединения превышает давление P нагрузки во второй точке 7 соединения.
C
Это дает преимущества в системах с высокой инерцией, например, в случаях, когда необходимо переместить поворотный кронштейн или стрелу крана. Когда клапан F регулирования потока открывается, для того чтобы впустить поток, в традиционном клапанном устройстве сначала он будет требовать очень высокого давления, чтобы преодолеть инерцию стрелы крана и переместить ее. Однако по мере того, как стрела крана набирает скорость, необходимое давление будет уменьшаться. Однако управляющее давление, которое перенесено к насосу, в традиционной системе будет оставаться повышенным, вследствие того что поток, который насос доставляет, намного больше, чем камера цилиндра может принять. Следовательно, поток, соответствующий потере энергии, будет поступать в резервуар под очень высоким давлением. В изобретении согласно второму варианту выполнения поток взамен будет поступать из первой точки 3 соединения, через третью и вторую точки 8 и 7 соединения, соответственно, в соединение A' отверстия мотора, как следствие с очень малыми потерями давления. В то же время более низкое давление P будет переноситься к регулятору R давления и насосу P, которые, следовательно, могут работать при более низкой величине давления.
На фиг.7 показан альтернативный вариант выполнения клапанного устройства 1, в котором третий управляющий канал 16 состоит из сквозного отверстия, которое соединяет первую точку 3 соединения с третьей точкой 8 соединения. По центру третьего управляющего канала 16 обеспечено соединение со вторым управляющим каналом 6, которое включает в себя второй перепускной клапан 20, который открывается ко второй точке 7 соединения. Следовательно, имеется отличие от схемы на фиг.6, но в отношении строгой функциональности различие отсутствует.
Точка 8 соединения, которая изображена на фиг.6 точкой, на фиг.7 взамен может считаться образованной частью третьего управляющего канала 16, который расположен дальше по ходу третьего ограничителя 17 и соединен с первым ограничителем 6. В целом, показанные схемы являются упрощениями, которые показывают только те части, которые важны для изобретения и, главное, точки соединения являются теоретическими точками, которые на практике могут быть образованы частью канала или подобным.
На фиг.8 показана вторая схема альтернативного клапанного устройства 1. Следовательно, эта схема отличается от схемы, которая показана на фиг.5, тем же, чем отличаются фиг.7 и 4, то есть третьим управляющим каналом 16, который включает в себя третий ограничитель 17 и второй перепускной клапан 20. Третий управляющий канал 16 не показан во втором открытом положении, когда золотник клапана был смещен вверх, поскольку в этом положении он не функционирует.