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Verwandte Anmeldung
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Die vorliegende Anmeldung ist eine teilweise Weiterführung der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. US 2014/ 0 174 063 A1 mit dem Titel ”Hydrauliksystem zur Steuerung eines Arbeitsgerätes” und beansprucht deren Priorität. Diese Anmeldung ist außerdem durch Verweis hierin aufgenommen.
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft hydraulische Arbeitsgeräte, und insbesondere die Verbesserung der Leistung und Kraftstoffökonomie in Maschinen mit Ausleger-, Vorderausleger- und Schaufelgelenken, was Bagger und Baggerlader einschließt.
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Hintergrund
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Beim Betrieb von hydraulischen Ausrüstungsteilen können Bedingungen auftreten, wo eine plötzliche Änderung in der Konfiguration eine Entleerung der hydraulischen Auslegerzylinder verursacht. Wenn zum Beispiel eine Grabeschaufel am Beginn eines Grabvorgangs mit dem Boden in Kontakt gelangt, kann eine Reaktionskraft gegen die Schaufel, die die Unterstützung des Gewichts des Arbeitsgeräts einschließt, durch den Vorderausleger übertragen werden und den Ausleger veranlassen, schneller nach oben gedrückt zu werden, als der Auslegerzylinder reagieren kann. Diese aufwärts gerichtete Kraft kann die Stange und den Kolben aus dem Auslegerzylinder ziehen und eine Unterdrucksituation an dem Kopfende des Auslegerzylinders verursachen.
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Die
EP1416096A1 offenbart ein System, das eine Reihe von Bedingungen überwacht, einschließlich den Unterdruck am Kopfende des Auslegerzylinders, um Öl aus der Rücklaufleitung zu dem Kopfende des Auslegerzylinders zu saugen. Das ‘096-Verweisdokument offenbart jedoch keinen Hydraulikkreis, keine Komponenten, und kein Steuersystem, die auf der Grundlage eines definierten Punkts in dem Grabvorgang Fluid an das Kopfende eines Auslegerzylinders dosieren würden, um ein Entleeren des Auslegerzylinders zu verringern oder zu beseitigen.
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Zusammenfassung
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Nach einem Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Lieferung von Fluid an einen Zylinder in einem Arbeitsgerät, wenn der Zylinder einen Unterdruck erfährt, das Zuführen von Fluid an ein Kopfende des Zylinders von einer ersten Fluidquelle und einer zweiten Fluidquelle, wobei die erste Fluidquelle Fluid mit einem ersten Druck bereitstellt, der höher ist als der zweite Druck von der zweiten Fluidquelle. Das Verfahren kann auch das Identifizieren einer Bedingung umfassen, die auftritt, während Fluid an das Kopfende des Zylinders von der ersten und zweiten Fluidquelle geliefert wird, und in Ansprechen auf die Bedingung das Senden eines Signals an ein Ventil, das veranlasst, dass die zweite Fluidquelle von dem Kopfende des Zylinders getrennt wird.
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Nach einem weiteren Aspekt der Offenbarung kann ein Verfahren zur Verringerung der Entleerung in einem Kopfende eines Zylinders eines Auslegers eines Baggers Folgendes umfassen: Verbinden des Kopfendes des Zylinders mit einer ersten Fluidquelle mit einem ersten Druck, um eine Übertragung von Fluid von der ersten Fluidquelle an das Kopfende des Zylinders auszulösen, Bestimmen, dass ein Grabvorgang am Laufen ist, und in Ansprechen auf das Bestimmen, dass ein Grabvorgang am Laufen ist, Verbinden des Kopfendes des Zylinders mit einer zweiten Fluidquelle mit einem zweiten Druck, um die Übertragung von Fluid von der zweiten Fluidquelle an das Kopfende des Zylinders auszulösen. Der zweite Druck ist niedriger als der erste Druck. Nach dem Verbinden des Kopfendes des Zylinders mit der zweiten Fluidquelle kann das Identifizieren einer Bedingung und das Trennen der zweiten Fluidquelle von dem Kopfende des Zylinders in Ansprechen auf das Identifizieren der Bedingung erfolgen.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der Offenbarung kann eine Vorrichtung zur Lieferung von Fluid an einen Zylinder in einem Arbeitsgerät eine erste Fluidquelle umfassen, die Fluid mit einem hohen Druck bereitstellt, wobei der Zylinder ein Kopfende aufweist, wobei das Kopfende über ein Schieberventil, einen Drucksensor am Kopfende und einen Steuerknüppel-Stellungssensor steuerbar mit der ersten Fluidquelle gekoppelt ist. Die zweite Fluidquelle weist einen niedrigeren Druck auf als die erste Fluidquelle. Die Vorrichtung kann auch ein Steuerventil umfassen, das in Ansprechen auf ein elektrisches Signal wirkt, um selektiv die zweite Fluidquelle mit dem Kopfende zu verbinden, sowie ein Steuergerät, das mit dem Drucksensor am Kopfende, dem Steuerknüppel-Stellungssensor und dem Steuerventil gekoppelt ist, wobei das Steuergerät das elektrische Signal erzeugt, um in Ansprechen auf die Identifizierung einer Bedingung das Steuerventil zu schließen und die zweite Fluidquelle zu trennen.
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Diese und weitere Vorteile werden aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen deutlich werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Ansicht eines Arbeitsgerätes an einer Arbeitsstelle;
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2 ist ein Blockdiagramm eines elektrohydraulischen Kreises zur Verwendung in dem Bagger von 1;
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3 ist ein Blockdiagramm eines weiteren elektrohydraulischen Kreises zur Verwendung in dem Arbeitsgerät von 1;
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4 ist ein Blockdiagramm eines Hydraulikkreises zur Verwendung in dem Arbeitsgerät von 1;
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5 ist ein Blockdiagramm eines Steuergeräts, das zur Verwendung mit den elektrohydraulischen Kreisen von 2 und 3 geeignet ist;
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6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Verringerung der Grabkraft in einem hydraulischen Arbeitsgerät;
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7 ist ein Flussdiagramm, das das in 6 veranschaulichte Verfahren erweitert; und
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8 ist ein Graph der Schieberventilverdrängung gegen die Schieberventilöffnung für Standard- und modifizierte Ventile.
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Beschreibung
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1 veranschaulicht einen beispielhaften Bagger 102 an einer Arbeitsstelle 100. Während hier ein Bagger erläutert und beschrieben wird, sind die Techniken und die Vorrichtungen, die im Folgenden offenbart werden, auf jegliche Anwendung und Konfiguration, die einen Ausleger, einen Vorderausleger und einen Arbeitsgerät einsetzt, und/oder auf eine beliebige Reihe anderer Maschinen mit Ausleger/Vorderausleger/Schaufel, was Schaufeln und Tieflöffel einschließt, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, anwendbar und können mit diesen implementiert werden; dies kann Maschinen einschließen, die einen oder mehrere Zylinder zur Betätigung des Auslegers einsetzen. Der Bagger 102 ist dargestellt, während seine Schaufel in Kontakt mit einer Arbeitsoberfläche 104 steht. Der Bagger 102 ist in dieser vereinfachten Zeichnung mit einem Arbeitsgerät 120 mit einem Ausleger 106 und einem Auslegerzylinder 108 dargestellt, der den Ausleger 106 anhebt und absenkt. Das Arbeitsgerät 120 weist auch einen Vorderausleger 110 und dessen entsprechenden Vorderauslegerzylinder 112, ein Arbeitsgerät, das hier zum Zweck der Veranschaulichung als Schaufel 114 dargestellt und bezeichnet wird, sowie einen Schaufelzylinder 116 auf.
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Die verschiedenen Pfeile veranschaulichen die Schwerkraft, die Zylinderkräfte und die Reaktionskräfte, die während des Grabbetriebs des Arbeitsgerätes 120 herrschen können. Das Gewicht des Arbeitsgerätes 120, das den Ausleger 106, den Vorderausleger 110 und die Schaufel 114 (und deren zugehörige Zylinder, Hydraulikleitungen, Schwenkzapfen etc.) umfasst, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein, kann an einem Ausleger-Schwenkzapfen 118, durch den Auslegerzylinder 108 und die Arbeitsoberfläche 104 an dem Kontaktpunkt mit der Schaufel getragen werden. Idealerweise kann zumindest zu Beginn des Grabvorgangs der Großteil des Gewichts des Werkzeugs 120 durch den Auslegerzylinder 108 getragen werden, so dass die Bodeneingriffselemente (nicht abgebildet) der Schaufel 114 mit minimaler Reibungskraft sauber in die Arbeitsoberfläche 104 eindringen können.
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Wenn jedoch der Grabvorgang sich fortsetzt und die Schaufel 114 in die Arbeitsoberfläche 104 eingeführt und durch Einrollen der Schaufel 114, durch Einziehen des Vorderauslegers 110 nach innen zu dem Ausleger 106 und dem Auslegerschwenkzapfen 118, oder beides, durch diese hindurchgezogen wird, kann eine nach oben gerichtete Reaktionskraft auftreten, die die Schaufel 114 und den Vorderausleger 110 nach oben hebt, und in der in 1 gezeigten Ansicht den Ausleger 106 veranlasst, sich gegen den Uhrzeigersinn um den Auslegerschwenkzapfen 118 zu drehen.
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Dieses Drehen oder Anheben kann die Stangen der Auslegerzylinder (z. B., 160 von 2) veranlassen, erzwungenermaßen aus dem Auslegerzylinder 108 gezogen zu werden. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, kann diese Aktion der Auslegerzylinderstangen 160 eine temporäre Entleerung 166 des Fluids in dem Kopfende der Auslegerzylinder 108 verursachen. Solange dieser Zustand anhält, kann die temporäre Entleerung 166 oder das Ungleichgewicht dazu führen, dass eine unzureichende Menge an unter Druck stehendem Fluid innerhalb des Kopfendes 152 der Auslegerzylinder 108 verfügbar ist, so dass die Auslegerzylinder vorübergehend nicht länger in der Lage sind, für das Anheben und/oder Tragen des Gewichts des Werkzeugs 120 zu sorgen. Als Ergebnis kann zumindest ein Teil des nicht getragenen Gewichts des Arbeitsgerätes auf die Schnittstelle zwischen Schaufel und Arbeitsoberfläche übertragen werden und kann die Reibungs- oder Sogkraft, die gegen die Bewegung der Schaufel 114 in und durch die Arbeitsoberfläche 104 gerichtet ist, beträchtlich erhöhen. Ein Bediener erteilt im Allgemeinen während des Grabens einen Befehl 'Ausleger hoch', aber die Antwort des Systems kann nicht rasch genug sein, um die Auslegerzylinder in diesem kurzen Anfangszustand, allgemein nicht länger als 2–3 Sekunden, mit Leistung zu versorgen, was zumindest zum Teil auf den Mangel an bedarfsgerechtem unter Druck stehendem Fluid zurückzuführen ist, um die temporäre Entleerung 166 auszugleichen. Studien haben gezeigt, dass diese zusätzliche Reibungskraft während des Intervalls von 2–3 Sekunden eine beträchtliche Erhöhung im Kraftstoffverbrauch im Gesamtbetrieb des Baggers 102 verursachen kann.
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Derzeit bestehende Absperrventile für das Kopfende von Auslegerzylindern, z. B. das Rückschlagventil 168 von 2, können eingebaut werden, um ergänzendes Fluid für den Auslegerzylinder bereitzustellen; diese sind jedoch im Allgemeinen zu klein, um in zeitgerechter Weise eine sinnvolle Reaktion bereitzustellen. Da dieses Rückschlagventil 168 außerdem mit der Zylinder-Tankleitung 162 am Stangenende verbunden ist, kann der Druck der Fluidzufuhr inkonsistent oder zu gering sein, um die geringe Größe des Rückschlagventils 168 mit einem ausreichenden Fluidvolumen zu überwinden.
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Um dieser Situation entgegenzutreten, kann ein Steuergerät und/oder ein spezieller Hydraulikkreis (in 1 nicht abgebildet) in dem Bagger 102 verwendet werden, um rasch auf die Bedingungen in Verbindung mit einer Entleerung im Kopfende des Auslegerzylinders 108 zu reagieren und übermäßige Reibungskräfte am Beginn eines Grabvorgangs zu verhindern, was zu Kraftstoffeinsparungen von insgesamt 5 % oder mehr in manchen Maschinen führt.
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2 ist ein Blockdiagramm eines elektrohydraulischen Kreises 130 zur Verwendung in dem Bagger von 1. Der Kreis 130 umfasst eine oder mehrere Haupt-Hydraulikpumpen 132.
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Auf herkömmliche Weise kann die Pumpe 132 Hochdruckfluid über eine Fluidleitung 134 an ein Vorderausleger-Schieberventil 136 mit individuellen Ventilen 138 und 140 zuführen, die jeweils die Pumpe 132 mit dem Kopfende 144 des Vorderauslegerzylinders 112 und das Stangenende 146 mit der Tankleitung 148 verbinden.
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Die Pumpe 132 kann auch mit einem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 über einen Auslegerzylinderschieber 150 unter Verwendung des Ventils 154 und der Leitung 156 verbunden sein. Das Stangenende 158 des Auslegerzylinders 108 kann mit der Tankleitung 148 über die Leitung 162 und das Ventil 164 verbunden sein. Ein Rückschlagventil 168 kann auf herkömmliche Weise wirken, um die Fluidströmung zwischen der Tankleitung 148 und der Auslegerzylinderleitung 156 zu erlauben. Wie oben erläutert, sind diese Rückschlagventile allgemein entweder zu klein, um während der Transiente des anfänglichen Grabvorgangs effektiv zu sein, oder können, wenn sie vergrößert werden, Probleme in Bezug auf das Gefühl und das Handling verursachen.
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Wenn wie veranschaulicht während des Beginns eines Grabvorgangs die Stange 160 aus dem Auslegerzylinder 108 gezogen wird, kann die Zufuhr von Fluid in dem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 über das Ventil 154 nicht rasch genug nachgefüllt werden, und ein Entleerungsbereich 166 kann entstehen. Wie oben erläutert kann diese Entleerung 166 für mehrere Sekunden bestehen, und während dieser Zeit stellt der Auslegerzylinder 108 praktisch keinen Hub bereit, um das Arbeitsgerät 120 zu tragen.
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In der Ausführungsform von 2 kann die Entleerung 166 unter Verwendung eines sekundären Auslegerzylinderschiebers 170 beseitigt werden, um Fluid für das Kopfende 152 des Auslegerzylinders bereitzustellen. Wie gezeigt kann das Ventil 172 die Tankleitung 148 über die Leitung 174 mit der Auslegerzylinderleitung 156 verbinden. Das Ventil 176, das typischerweise die Leitung 178 und die stangenseitige Leitung 162 mit der Pumpe 132 verbindet, ist nicht angeschlossen.
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Wird ein Pilotbefehl 'Ausleger hoch' über die Leitung 182 empfangen, das heißt, ein Steuersignal, das verwendet wird, um den sekundären Auslegerzylinderschieber 170 über die Leitung 180 zu öffnen, und eine Bestimmung erfolgt sein kann, dass ein Grabvorgang am Laufen ist, erteilt das Steuergerät 190 einen Befehl an das elektrohydraulische Ventil 184 über die Steuerung 186, um die Pilotdruckquelle 188 mit der Ventilsteuerleitung 180 zu verbinden und den Pilotbefehl 'Ausleger hoch' außer Kraft zu setzen. Während dieser Außerkraftsetzungsperiode verbindet das Ventil 172 die Tankleitung 148 mit dem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 158 wie veranschaulicht. Dies stellt einen temporären hochvolumigen Strömungspfad für unter Druck stehendes Fluid vom Stangenende 158 zu dem Kopfende 152 bereit. Während der von der Tankleitung 148 gelieferte Druck unzureichend sein kann, um das Arbeitsgerät 120 tatsächlich anzuheben, wird dennoch genügend Druck bereitgestellt, um das Gewicht des Arbeitsgerätes, das eine Reibungskraft an der Schaufel 114 verursacht, beträchtlich zu verringern. Nachdem bestimmte Bedingungen erreicht wurden, kann das Steuergerät 190 das Ventil 184 abschalten und dem normalen Pilotbefehlssignal über die Leitung 182 erlauben, wieder den sekundären Auslegerzylinderschieber 170 zu steuern.
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3 ist ein Blockdiagramm eines weiteren elektrohydraulischen Kreises 200 zur Verwendung in dem Bagger von 1. 3 wiederholt einen beträchtlichen Teil der Elemente von 2 in Bezug auf den Vorderauslegerzylinder 112, das Vorderauslegerschieberventil 136, die Pumpe 132, den Auslegerzylinder 108 und das Auslegerzylinderschieberventil 150. In dieser veranschaulichten Ausführungsform kann die Entleerung 166 unter Verwendung eines Hydraulikkreises 202 mit einem elektrohydraulischen Ventil 204 unter der Steuerung des Steuergeräts 190 beseitigt werden. In dieser Ausführungsform kann das Steuergerät 190 eine Reihe von Bedingungen bewerten, um zu schließen, dass ein Grabvorgang begonnen hat, und das elektrohydraulische Ventil 204 einschalten, um eine Pilotdruckquelle 188 mit dem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 zu koppeln. Diese Bedingungen werden im Folgenden in größerem Detail erläutert.
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Das Steuergerät 190 oder ein Motorsteuerungsmodul (ECM), das diese Funktion verwaltet, signalisiert dem elektrohydraulischen Ventil 204, zu schließen, nachdem bestimmte andere Bedingungen identifiziert wurden; auch diese werden im Folgenden noch detaillierter erläutert. Eine Öffnung 206 begrenzt die Strömung, um sicherstellen zu helfen, dass die Pilotdruckquelle 188 nicht unter ein Arbeitsniveau verringert wird, während das Fluid in das Auslegerzylinder- Kopfende 152 eingeleitet wird. In dieser Ausführungsform stellt die Verwendung der Pilotdruckquelle 188 als Quelle für unter Druck stehendes Fluid einen gleichmäßigeren Druck im Vergleich zu der Zylinderstangenende-Tankleitung 148 bereit. Auch wird, da die Pilotdruckquelle im Allgemeinen deutlich unter jenem der Hauptpumpe 132 und auch deutlich unter dem Druck liegt, der zum physischen Anheben des Auslegers 106 erforderlich ist, das Ziel der Verringerung oder Beseitigung der Entleerung erreicht, ohne so viel Druck einzuleiten, dass der Ausleger 106 unabsichtlich bewegt werden kann. So lange der Auslegerzylinder einen Teil des Gewichts des Arbeitsgeräts tragen kann, kann eine beträchtliche Verringerung der Reibungskraft an der Schaufel verwirklicht werden.
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4 ist ein Blockdiagramm 400 eines Hydraulikkreises zur Verwendung in dem Arbeitsgerät von 1. Im Gegensatz zu den elektrohydraulischen Kreisen von 2 und 3 verwendet der Hydraulikkreis von 4 kein elektrisch gesteuertes Ventil, um Fluid während des anfänglichen Grabvorgangs an das Kopfende des Zylinders zu liefern, um die Entleerung 166 zu verhindern.
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Wie oben erläutert kann ein Bediener oder eine autonome Funktion es wünschen, Erde oder anderes Material an der Arbeitsstelle 100 mit dem abgebildeten Bagger 102 abzugraben und das Material dann in einen Schlepplaster (nicht dargestellt) oder ein anderes Aufnahmefahrzeug abzuladen. Während das Arbeitswerkzeug-Steuersystem 108 auf Grabbefehle reagiert, zum Beispiel ”Vorderausleger einfahren” und ”Schaufel schließen”, kann der Vorderauslegerzylinder 112 ausfahren, so dass der Vorderausleger 110 nach innen zu der Kabine hin verdrängt wird, und der Schaufelzylinder 116 kann ausfahren, so dass die Schaufel 114 beginnen kann, sich zu schließen, sich nach unten zu bewegen und sich nach innen zu dem Vorderausleger 110 und der Kabine hin einzurollen und das Material abzugraben und zu halten, wie dies dem gewöhnlichen Fachmann wohlbekannt ist. Während die Schaufel 114 gräbt, kann die Wechselwirkung zwischen der Schaufel 114 und dem Material 104, das die Schaufel 114 abgräbt, eine Widerstandslast auf die Schaufel 114 verursachen. Diese Widerstandskraft kann ein Moment auf das Arbeitsgerät 120 erzeugen, das ein Ausfahren des Auslegerzylinders 108 sogar dann verursacht, wenn der Bediener keinen Befehl ”Ausleger hoch” erteilt. Dieses unbeabsichtigte Ausfahren des Auslegerzylinders 108 kann zu einer Entleerung 166 in dem Auslegerzylinder 108 führen und den Druck an einem Stangenende 158 des Auslegerzylinders 108 erhöhen.
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Die Kombination aus Leitungsentlastung mit Rückschlag oder einem neu konfigurierten Nachfüllventil 169 und, in einigen Ausführungsformen, einem zweiten Nachfüllventil 404 kann dazu ausgebildet sein, eine zusätzliche Fluidströmung zu dem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 bereitzustellen, um die Entleerung zu füllen. Somit wird der Auslegerzylinder 108 vor einem darauf folgenden Bedienerbefehl ”Ausleger hoch” mit Fluid gefüllt und der Auslegerzylinder 108 kann sich in Ansprechen auf den Befehl ”Ausleger hoch” ohne Verzögerung bewegen. Des Weiteren hat das Fluid ausreichend Druck, um das Arbeitsgerät 120 tragen zu helfen und dadurch die Reibungskraft, die an der Schnittstelle von Schaufel 114 und Arbeitsoberfläche 104 verursacht wird, durch Verringerung der Normalkraft an dem Kontaktpunkt zu verringern, obwohl das über das bzw. die Nachfüllventil(e) 169 und 404 gelieferte Fluid keinen ausreichenden Druck bereitstellt, um das Arbeitsgerät 120 tatsächlich anzuheben.
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Da ein Befehl 'Ausleger hoch' am Beginn des Grabezyklus die Hochdruckleitung 134 mit dem niedrigen Druck, möglicherweise sogar Nulldruck, des Auslegerzylinders über das Steuerventil 402 verbindet, besteht die Möglichkeit, dass der Druck in der Fluidleitung 134 ausreichend absinkt, um die Leistung in anderen Bereichen des Werkzeugs 120 oder des Baggers 102 im Allgemeinen zu beeinträchtigen. Um dem entgegenzutreten, kann das Schieberventil modifiziert werden, um die Fluidströmung über einen anfänglichen Betriebsbereich durch den Bediener zu begrenzen.
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Kurz Bezug nehmend auf 8 veranschaulicht ein Graph 420 beispielhaft die Öffnungsfläche vs. die Schieberverdrängung für die Ventilöffnung des Dosiersteuerventils 150 in einer ausgefahrenen Stangenstellung. Obwohl in 8 keine Einheiten angegeben sind, kann die x-Achse 424 des Graphen 420 die Schieberverdrängung in mm darstellen, während die y-Achse 422 des Graphen 420 die Ventilöffnungsfläche in mm2 darstellen kann. Der Graph 420 umfasst eine erste Kurve 426, die eine herkömmliche Öffnung vs. Verdrängung für ein Dosiersteuerventil darstellt, und eine zweite Kurve 428, die eine beispielhafte Öffnung vs. Verdrängung für das Dosiersteuerventil 402 in Übereinstimmung mit der Offenbarung darstellt.
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Die Fläche der Ventilöffnung variiert, wenn das Schieberventil 402 in dem Dosierungs-Steuerventil 150 verschoben wird. In einer Ausführungsform des veranschaulichten beispielhaften Graphen 420 kann die Fläche der Ventilöffnung von 0 mm2 bei 0 mm Schieberverdrängung (d. h. geschlossen) bis zu einer maximalen Ventilöffnungsfläche von etwa 185 mm2 bei 11 mm Schieberverdrängung (d. h., maximaler Schieberverdrängung) variieren. Eine Ausführungsform der zweiten Kurve 428 kann eine verringerte anfängliche Öffnungsfläche bis zu 10 mm Schieberverdrängung darstellen. Zum Beispiel kann über etwa die ersten 5,5 mm Schieberverdrängung (oder etwa 50 % der gesamten Schieberverdrängung) die Ventilöffnungsfläche geringer als 5 mm2 oder geringer als 3 % der maximalen Ventilöffnungsfläche) sein. Über etwa die ersten 6,5 mm der Schieberverdrängung kann die Ventilöffnungsfläche geringer als etwa 10 mm2 (oder weniger als 5,5 % der maximalen Ventilöffnungsfläche) sein, was etwa die Hälfte der Fläche der Ventilöffnung des herkömmlichen Ventils bei 6,5 mm Verdrängung ist, wie durch die Kurve 426 dargestellt.
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5 ist ein Blockdiagramm eines Steuergeräts 190, das zur Verwendung mit den elektrohydraulischen Kreisen von 2 und 3 geeignet ist. Das Steuergerät 190 kann eine eigenständige Einheit sein oder kann Teil eines anderen elektronischen Steuermoduls des Baggers 102 sein. Das Steuergerät 190 kann einen Prozessor 262 umfassen, der mit einem Speicher 264 über einen Datenbus 266 gekoppelt ist. Der Datenbus 266 kann auch die Konnektivität mit Eingangssteuerungen 268, einem Kommunikationsanschluss 270, der die Kommunikation mit einem externen Bus 272 unterstützt, und Sensoreingängen 274 bereitstellen. Die Sensoreingänge 274 können Daten von einer Vielzahl von Sensoren sammeln, etwa Drucksensoren an der Pumpe 132, dem Kopfende 152 und dem Stangenende 158 des Auslegerzylinders 108, der Tankleitung 148 und der Pilotdruckquelle 188. Die Eingangssteuerungen können auch die Steuerknüppelstellungen oder die Steuerdruckwerte umfassen, so dass das Steuergerät 190 die Bedieneraktionen in Bezug auf das Arbeitsgerät 120 bestimmen kann.
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Der Speicher 264 kann Module wie etwa ein Betriebssystem 276, Dienstprogramme 278 zur Durchführung verschiedener Funktionen wie etwa Diagnose und Kommunikation, Strategiecode 284, der die Ausführung des offenbarten Systems und Verfahrens unterstützt, sowie verschiedene Module 282, 284 umfassen, die unter anderem Zeitgeber, Vergleichsfunktionen, Nachschautabellen etc. bereitstellen können.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur Verringerung der Grabkraft in einem hydraulischen Arbeitsgerät 120. Bei einem Block 302 kann ein Kopfende 152 eines Auslegerzylinders 108 mit einer ersten Fluidquelle, etwa einer Pumpe 132, über ein Ventil 154 verbunden werden. Bei Block 304 kann eine Überprüfung durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob/wann der das hydraulische Arbeitsgerät 120 einen Grabvorgang beginnt. Weitere Details der Bestimmung, ob/wann ein Grabvorgang beginnt, werden später unter Bezugnahme auf 7 erläutert. Wenn ein Grabvorgang beginnt, kann der "Ja"-Pfad zu Block 306 weitergeführt werden, wo das Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 mit einer zweiten Fluidquelle verbunden werden kann, so dass Fluid von der zweiten Fluidquelle an das Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 übertragen wird. In einer Ausführungsform kann die zweite Fluidquelle eine Tankleitung 148 sein, die durch ein Stangenende 158 des Auslegerzylinders 108 unter Druck gesetzt ist. In einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Fluidquelle eine Pilotdruckquelle 188 sein. In beiden Fällen wird ein Druck der zweiten Fluidquelle geringer sein als der Druck an der Hauptpumpe, da die Hauptpumpe per definitionem beim Grabvorgang aktiv ist.
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Nachdem die zweite Fluidquelle mit dem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 verbunden wurde, kann bei Block 308 ein Steuergerät 190 die Überwachung bezüglich einer oder mehrerer Bedingungen durchführen. Zum Beispiel kann nach dem Verbinden der zweiten Fluidquelle ein Zeitgeber gestartet werden, der in einer Ausführungsform innerhalb eines Bereichs von 2 bis 3 Sekunden ausläuft. In einem weiteren Beispiel kann der Druck an dem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 überwacht werden und die Bedingung gesetzt werden, wenn der Druck am Kopfende einen Schwellenwert, wie etwa einen Druck der Pilotdruckquelle 188, übersteigt. In weiteren Ausführungsformen kann ein anderer ausgewählter Druck unterhalb jenes der Hauptpumpe 132 festgelegt werden. Wird die Bedingung bei Block 308 erfüllt, kann der "Ja"-Pfad von Block 308 an Block 310 übergehen, wo die zweite Fluidquelle von dem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 getrennt wird.
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Zurück bei Block 304 kann die Ausführung, wenn kein Grabvorgang erfasst wird, zu Block 302 zurückkehren, und das Verfahren sich wiederholen. In einer Ausführungsform wiederholt sich die Schleife innerhalb eines Bereichs von etwa jeweils 8–12 ms. Auch andere Schleifenzeiten können auf Grundlage einer Reihe von Faktoren unterstützt werden, etwa auf Grundlage der verfügbaren Verarbeitungskapazität in dem Steuergerät 190.
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Zurück bei Block 308 kann, wenn keine der Bedingungen identifiziert wird, die Ausführung zu Block 308 zurückgehen, bis zumindest der Zeitgeber abgelaufen ist.
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In den beispielhaften Ausführungsformen kann die Bedingung, die die sekundäre Fluidströmung an das Kopfende 158 des Zylinders beendet, entweder mit dem Ablaufen einer Zeitperiode, wie etwa zwei Sekunden, auftreten, oder wenn der Druck an dem Kopfende 152 des Zylinders 108 ein Niveau erreicht, das angibt, dass Fluid von der Hauptpumpe 132 mit einem ausreichenden Volumen ankommt, um jegliche Entleerung zu überwinden.
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7 ist ein Flussdiagramm, das das in 6 veranschaulichte Verfahren 300 erweitert. Ein Verfahren 320 kann verwendet werden, um zu bestimmen, wann ein Grabvorgang beginnt. Bei Block 322 kann die Ausführung von Block 302 von 6 aus beginnen. Bei Block 324 und 326 kann eine Bewertung erfolgen, um zu bestimmen, ob entweder der Vorderausleger 110 oder die Schaufel 114 eingezogen, das heißt zum Bagger 102 hin gezogen wird, was auf einen Grabvorgang hindeutet.
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Sind eine oder beide dieser Bedingungen erfüllt, kann die Ausführung bei Block 328 weitergehen und eine Bestimmung durchgeführt werden, ob der Druck an der Hauptpumpe 132, d. h. einer ersten Fluidquelle, über einem ersten Schwellendruck liegt. Dies deutet an, dass ein Vorgang am Laufen ist und die Hauptpumpe 132 aktiv ist. In einer Ausführungsform kann der erste Schwellendruck in einem Bereich von 8000–12.000 Kpa liegen, und typischerweise in einem Bereich von 9000–11.000 Kpa.
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Ist dies der Fall, so kann die Ausführung bei Block 330 weitergehen, und eine Bestimmung kann erfolgen, ob der Druck an dem Kopfende 152 des Auslegerzylinders 108 unterhalb einer zweiten Schwelle liegt, was darauf hindeutet, dass die Stange 160 des Auslegerzylinders herausgezogen wird, was einen Unterdruck an dem Kopfende 152 verursacht. In einer Ausführungsform kann die zweite Schwelle in einem Bereich von 800–1200 Kpa liegen, und jeglicher Druck unterhalb der zweiten Schwelle kann die Kriterien erfüllen. In einer Ausführungsform kann der Druck gleich null sein.
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Ist die Bedingung bei Block 330 erfüllt, kann der "Ja"-Pfad zu Block 332 weitergeführt werden, wo zum Beispiel ein Flag gesetzt werden kann, der darauf hinweist, dass ein Grabvorgang beginnt, und die Ausführung kann an Block 304 von 6 zurückgegeben werden. Wenn bei Block 326, 328 oder 330 die Bedingung, auf die getestet wird, nicht vorherrscht, kann die Ausführung sofort auf Block 334 übergehen, der Flag, der den Grabvorgang anzeigt, kann falls erforderlich gelöscht werden und der Betrieb kann an Block 304 von 6 zurückgegeben werden. Das in 6 und 7 offenbarte Verfahren 300 ist nur ein Beispiel dafür, wie eine solche Routine implementiert werden kann; es sind jedoch mit dieser Offenbarung auch andere Ausführungsformen möglich, je nach dem, welche Bedingungen für den Betrieb relevant sind.
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Das oben offenbarte System und Verfahren ist in seinen verschiedenen Ausführungsformen insbesondere auf Bagger, wie etwa den Bagger 102 anwendbar, kann aber auch in anderen Anwendungen verwendet werden, wo das Entleeren von Hydraulikfluid auf Grund von Belastungen an einem Hydraulikzylinder auftritt. Die oben erläuterten Ausführungsformen nützen auch den Betreibern von schwerem Hydraulikgerät, etwa Baggern, indem sie durch die Verringerung von Reibung während der kritischen anfänglichen Momente eines Grabvorgangs beträchtliche und messbare Kraftstoffeinsparungen im Vergleich zu Systemen nach dem Stand der Technik bieten. Da an den ursprünglichen Auslegerzylinderschieberventilen 150 keine Änderungen erforderlich sind, können diese Einsparungen in bestehendem Gerät mit nur minimalen neuen Ausrüstungsteilen und/oder Modifikationen an Hydraulikleitungen und den bestehenden Steuerungsstrategien verwirklicht werden.
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In Übereinstimmung mit den Bestimmungen der relevanten Patentgesetzgebung sollen die beispielhaften oben beschriebenen Konfigurationen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen. Es ist jedoch anzumerken, dass die Erfindung auch anders als hier besonders illustriert und beschrieben praktisch umgesetzt werden kann, ohne von ihrem Geist oder Umfang abzuweichen.
