用于采矿机的计量液压控制系统的制作方法

一种用于提供对机械构件的致动的液压系统，并且特别是但不排它地是，涉及一种具有致动器的液压系统，所述致动器具有独立的计量控制。

背景技术：

独立计量阀(imv)组件已经用于对重型机械的作用于挖掘铲斗、装载机前端等的致动器的液压控制。通常，imv组件从泵接收加压液压流体，并且与液压负载致动器(例如液压缸)流体连通地联接，该液压负载致动器机械地连接到机械致动器，即装载机铲斗、机械臂等。传统上，imv组件包括四个可独立控制的阀，其中第一对阀与缸的第一腔室(头端)联接，第二对阀与第二腔室(杆端)联接，使得在各对阀之间的选择性液压流体流动提供了缸杆的伸展或回缩。通常，imv组件的阀是被独立电控制的，并且被配置用以从设置在液压回路处的一个或多个传感器接收输入信号。

us2013/0081383公开了一种液压系统，其中可变排量泵以闭环方式连接到第一和第二线性致动器，该第一和第二线性致动器操作用以操纵挖掘机的枢转悬臂。

us2003/0106423公开了一种流体控制系统，该流体控制系统能够在独立功能模式或再生功能模式下操作。

us2002/0148223公开了一种液压系统，该液压系统具有联接到第一和第二液压负载(例如驱动风扇等的缸或流体马达)的imv组件。

然而，传统的布置提供了对通过回路的流体的流速、压力和流体流动方向的有限控制，这继而限制了液压致动器以及因此机械致动器的功能性的范围。因此，需要的是一种解决这些问题的液压系统。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种液压系统，该液压系统能够流体连接到致动器，以便响应于外部静态和/或动态负载力，而提供宽范围的动态(可调节)特性，包括特别是负载力、移动速度、精确的静态和移动位置控制。本发明的另一个具体目的是提供一种适合用于控制机械致动构件的液压系统，所述机械致动构件例如是悬臂、臂，连杆或与重型机械(例如挖掘机、采矿机或其它笨重的处理设备)相关联的其它构件。

本发明的一个具体目的是提供一种用于切割采矿机的液压系统，并且特别是一种能够控制对采矿机的安装有一个或多个切割头的一个或多个枢转支撑臂的致动的底切采矿机。

根据一个方面，提供了一种液压系统，该液压系统具有独立的计量阀(imv)组件，其中电控的计量输入阀和计量输出阀被构造用以控制机械致动器(例如切割器臂)，以当致动器未被外部加载(除了重力)时以及响应于外部静态和/或动态负载力时这两种情况下，都提供对机械致动器的精确移动和静态定位。本发明的液压系统特别适应于致动速度和提供致动所利用的力的变化。例如，并且在一种操作模式中，由本发明的液压系统控制的液压致动缸可以保持在相对“刚性”的构造中，以便能够承受显著的负载力，例如当切割臂处于切割模式时，同时保持位置或同时被致动用以提供切割器臂抵靠于岩层的枢转，例如相对于笨重的处理机的主体沿侧向向内和向外的移动。在另一种操作模式中，可以控制液压致动缸，以在未加载时提供切割器臂的快速移动，例如当切割臂处于待机(非切割)模式时。

本发明的液压系统有利于提供对可移动机械致动器的独立计量，例如使切割机器或其它采矿机和其它笨重的处理设备的支撑臂枢转。特别地是，本发明提供了根据不同操作模式(例如“切割”模式和“待机”模式)对一个或多个液压负载致动器(例如液压缸)的控制。在切割模式中，系统被配置用以通过相同的独立imv组件控制液压致动器，以在高负载力阻力的情况下实现慢速或缓慢移动(即，致动器的增强的相对“刚度”)，以及在切割模式中，在低负载力阻力的情况下实现快速或快速移动(即，致动器的减小的相对“刚度”)。因此，本发明针对最大化采矿机的效率进行优化，以便能够获得可以按比例调节的所需流体流速和压力，从而根据切割模式和待机模式来提供操作，其中至少一个机械致动器能够以宽的移动速度范围并且克服宽范围的外力(移动阻力)而移位。

根据本发明的第一方面，提供了一种用以控制至少两个液压致动器的液压系统，该系统包括：泵；第一和第二液压致动器；计量控制阀组件，该计量控制阀组件具有多个电动液压阀、被流体连接到泵的进口和被流体连接到排水贮液器的出口，该计量控制阀组件被流体连接到第一液压致动器；传动阀组件，该传动阀组件具有电子可控阀，所述电子可控阀被流体连接，以提供对第一和第二逻辑阀的先导控制，第一和第二逻辑阀被流体连接到计量控制阀组件；并且第二液压致动器通过第一和第二逻辑阀被流体连接到计量控制阀组件。

优选地是，泵是可变排量泵。可选地是，泵可以包括恒定泵或其它泵构造，正如本领域技术人员将理解的那样。

本说明书中对“液压致动器”的引用涵盖具有主体或外壳的液压部件以及能够相对于该主体或外壳移动的至少一个可移动构件。术语“液压致动器”包括液压缸，例如具有缸体的线性致动器，该缸体限定由活塞分开的内部腔室，其中活塞被联接到可伸展和可回缩的轴或臂。可选地是，液压致动器包括液压马达。

优选地是，该系统包括至少四个电动液压阀，其中所述阀中的第一对阀被流体连接到进口，而所述阀中的第二对阀被流体连接到出口。这种布置有益于提供向致动器以及来自于致动器的流体流速和压力的选择性控制，以便提供对致动器的至少部分的移动或位置的对应的控制。

优选地是，该系统包括第一和第二导管，该第一和第二导管将第一液压致动器和传动阀组件流体连接到电动液压阀；和第三和第四导管，该第三和第四导管将第二液压致动器分别流体连接到第一和第二逻辑阀。优选地是，第一液压致动器通过第一和第二导管直接联接到传动阀组件，特别是电动液压阀。可选地是，第二液压致动器通过第三和第四导管直接联接到逻辑阀。这种布置使系统内的部件数量保持到最小，以便于维护和提高效率。

优选地是，该系统包括至少一个或多个传感器，特别包括流体流动传感器，其提供对系统内的流体压力和流速(流量)的监测、输出和响应控制。可选地是，传感器可以定位在阀、导管和/或液压致动器处。

可选地是，第一液压致动器被流体连接到计量控制阀组件，而没有通过第一和第二逻辑阀的流体连接，而第二液压致动器通过第一和第二逻辑阀被流体连接到计量控制阀组件。优选地是，第一液压致动器直接联接到计量控制阀组件，并且第二液压致动器直接联接到传动阀组件。这样，流体流速和流体压力可以仅通过控制计量控制阀组件来调节，而不需要流体通过传动阀组件行进。

优选地是，该系统还包括第一浮动逻辑阀，该第一浮动逻辑阀被流体连接到第二液压致动器，以当以第一模式操作时，允许第二液压致动器的区域之间的流体传递。

优选地是，该系统还包括至少一个另外的(即，第三)液压致动器，该液压致动器通过第三和第四导管分别被流体连接到第一和第二逻辑阀。

优选地是，电子可控阀是螺线管控制阀。

优选地是，第二和/或第三液压致动器通过第一和第二逻辑阀被流体连接到计量控制阀组件。优选地是，该系统还包括第二浮动逻辑阀。浮动逻辑阀被直接联接到相应的第二和第三液压致动器，以便在以第一模式操作时使致动器的区域(即内部腔室)之间的流体流动路径长度最小化。优选地是，浮动逻辑阀通过传动阀组件，特别是电子可控阀(即螺线管控制阀)被先导控制。优选地是，浮动逻辑阀通过与传动阀组件的逻辑阀相同的先导流体控制回路连接到电子可控阀。因此，电子可控阀被配置用以提供对系统内所有的逻辑阀的控制。

可选地是，该系统还包括减压/泄压阀，该减压/泄压阀被流体连接到辅助逻辑阀，该减压/泄压阀被流体连接到泵，辅助逻辑阀被流体连接到至少第二液压致动器。优选地是，辅助逻辑阀通过第三导管被流体连接到第二液压致动器。优选地是，减压/泄压阀和辅助逻辑阀连接到排水或贮液器，以便提供对液压致动器处的流体压力的进一步调节，特别是避免气穴现象。

优选地是，液压致动器包括具有第一腔室和第二腔室的液压缸，每个相应的腔室均被流体连接到计量控制阀组件。在组件包括浮动逻辑阀的情况下，这些逻辑阀被联接到第一和第二腔室中的每一个腔室，使得当液压致动器由电子可控阀启动时，至少其中一些液压致动器能够以“浮动”模式操作。这种构造有利于控制系统内的“正激活的(positivelyactivated)”液压致动器的数目，其中至少一个液压致动器由计量控制阀组件正致动(positivelyactuated)，而至少其中一些液压致动器在未被供应来自计量控制阀组件的流体时是浮动的或待机的。

优选地是，电动液压阀被彼此独立地电控制。更优选地是，电子可控阀(即螺线管控制阀)被独立于电动液压阀电控制。电动液压阀和螺线管控制阀中的每一个阀可以包括合适的流体流量和速度传感器，这些传感器则与外部控制器(例如计算机、网络、远程计算机、基于处理器的设备或服务器)联接或者提供与以上外部控制器的有线或无线通信。

优选地是，该系统包括三个液压缸，每个液压缸具有第一腔室和第二腔室，其中第一缸的第一腔室和第二腔室中的每个腔室被直接流体连接到计量控制阀组件的电动液压阀，并且第二缸和第三缸的第一腔室和第二腔室中的每个腔室通过传动阀组件的逻辑阀被流体连接到计量控制阀组件的电动液压阀。这种系统特别适合于控制笨重的加工机(诸如底切采矿机)的枢转支撑臂。

可选地是，电动液压阀可以包括比例螺线管阀、方向控制阀或伺服阀中的任何一个或上述阀的组合。在本说明书内，对电动液压阀的引用涵盖以下阀类型：所述阀被构造用以通过对阀内的移动部件(即，阀芯)的电信号的控制来控制流动方向、流动体积和流体压力。这种阀可以使用ac或dc电源操作。

根据本发明的第二方面，提供了一种机械致动设备，该机械致动设备具有可移动构件，该可移动构件由如本文中所要求保护的液压系统的至少一个液压致动器控制。

优选地是，机械致动设备是底切采矿机，而可移动构件是安装有至少一个切割头的支撑臂。优选地是，液压系统被构造用以至少相对于采矿机的主体或底盘沿侧向向内和向外的方向控制臂的枢转。可选地是，并且附加地是或可替代地是，液压系统可被构造用以控制臂在竖直平面(向上和向下方向)上的枢转。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的具体实施方式，在附图中：

图1是适合用于形成隧道和地下道路的移动式底切采矿机的透视图，该采矿机具有一对前部安装的枢转切割臂，每个切割臂安装有一组辊式切割器单元，其中每个切割器臂由液压致动器控制，所述液压致动器则由根据本发明的一个方面的液压系统控制；

图2是根据本发明的一个方面的液压控制系统的示意图，该液压控制系统被实施用以控制致动器的移动，以便在第一方向上快速移动并且具有低外力阻力；

图3是根据本发明的一个方面的液压控制系统的示意图，该液压控制系统被实施用以控制致动器的移动，以便在第二方向上快速移动并且具有低外力阻力；

图4是根据本发明的一个方面的液压控制系统的示意图，该液压控制系统被实施用以控制致动器的移动，以便在第一方向上慢速移动并且具有高外力阻力；

图5是根据本发明的一个方面的液压控制系统的示意图，该液压控制系统被实施用以控制致动器的移动，以便在第二方向上慢速移动并且具有高外力阻力；

图6是根据本发明另一实施例的液压系统的示意图，该液压系统包括三个液压致动器，该三个液压致动器被实施用以控制致动器的移动，以便在第一方向上慢速移动并且具有高外力阻力。

具体实施方式

根据本发明的液压系统能够为液压致动器的受控移动和静态定位提供独立的计量，所述液压致动器则联接到诸如枢转臂等的机械构件。参考采矿底切机的枢转切割臂的移动和位置控制来描述本发明的液压系统的具体实施方式。特别地是，本发明的液压系统提供在例如切割模式和待机模式之间改变切割臂移动的操作模式的构造，在切割模式中，臂被控制成以低速进行移动并具有高外部负载力阻力，在待机模式中，臂被控制成通过同一液压系统以高速进行移动并且具有低外部负载力阻力。

参考图1，切割设备10被构造用以在采矿环境内切割到岩石中，以产生巷道、地下道路等，以便形成地下采矿网络。设备10被构造用以在底切模式下操作，在该底切模式中，多个可旋转辊式切割器单元13可以被迫进入岩石中，以产生沟槽或通道，然后竖直向上枢转，以克服紧挨在该通道上方的减小的张力并破碎岩石。因此，切割设备10被优化用于使用较小的力和能量向前推进到岩石中，使用较小的力和能量向前推进到岩石中通常是利用安装在可旋转的头部处的切割钻头或截齿的传统压缩型切割器所需要。

设备10包括主框架11a(或底盘)，主框架11a安装有滑板(sled)11b，滑板11b能够沿着滑板11a的前部区域向前和向后滑动。一对支撑臂12安装在滑板11b的前部区域处，并且构造有通过大致水平的枢转轴线和大致竖直的枢转轴线独立地枢转的部件。相应的切割头15安装在每个臂12的远端处，并且通过围绕相应的水平枢转轴线和竖直枢转轴线的旋转，所述相应的切割头15能够在竖直平面(上下)中升高并且在水平平面中侧向回转(一侧到另一侧)。每个切割头15安装有多个切割器单元13，其中每个单元13以可旋转的方式安装有相应的切割器环14(也被称为辊式切割器)。可以理解的是，设备10还包括与传统底切设备相关联的附加部件，特别是包括电动机、顶升支腿，履带等。

通过选择性地致动第一对外部安装的液压缸16、17和内部安装的液压缸18，提供每个臂12的侧向回转移动，其中如将理解的那样，该三个缸中的每一个缸都被构造用以通过活塞轴的线性伸展和回缩来控制上述两个臂中的一个臂。

图2至图5图示了本发明的第一实施例，其构造用以提供对两个液压缸16、18的致动控制。图6图示了另一实施例，其被构造用于控制通过示例的方式图示的三个液压缸16、17、18，以控制图1的采矿机的每个臂12。参见图2至图5的实施例，液压系统包括可变排量泵21，可变排量泵21被流体连接到排水或贮液器20。计量控制阀组件22通过进口导管43被流体连接到泵21，计量控制阀组件22还通过出口导管44被流体连接到排水或贮液器20。阀组件22包括四个电动液压阀，该四个电动液压阀被实施为相互流体连接的比例螺线管阀29、30、31、32，进口导管43和出口导管44以及第一导管40和第二导管41从组件22延伸，以提供与液压致动器16的流体连接。如所图示的那样，致动器16包括安装有活塞35的筒形外壳，该活塞35联接到活塞杆或轴34，该活塞杆或轴34能够从缸外壳线性地伸展和回缩。第一内部腔室36a和第二内部腔室36b由活塞35分隔开来，其中每个腔室36a、36b分别联接到导管41、40，并且继而联接到计量控制阀组件22。第一导管40和第二导管41被定位成在各对阀29、32和30、31之间的位置处(流体连接)与比例螺线管阀29、30、31、32流体连接。也就是说，比例螺线管阀29至32中的每个比例螺线管阀以成回路的方式被流体连接在一起，其中第一导管40和第二导管41在该回路的相对侧上的区域处流体联接。

液压系统还包括传动阀组件23，该传动阀组件23包括一对逻辑阀26、27、螺线管控制阀24、减压/泄压阀28和辅助逻辑阀25。螺线管控制阀24通过先导导管46被流体连接到逻辑阀26、27，并且还通过供应导管45被流体连接到泵21。逻辑阀26通过第一导管40被流体连接到计量控制阀组件22，并且第二逻辑阀27通过第二导管41被流体连接到计量控制阀组件22。减压/泄压阀28通过减压/泄压导管38被流体连接到第一逻辑阀26、第二逻辑阀27和辅助逻辑阀25，其中阀28还通过供应导管45被流体连接到泵21。

第二液压致动器18包括与第一致动器16相同的构造，并且通过第三导管42和第四导管48以流体连接的方式联接到传动阀组件23。第三导管42提供第二致动器的第一腔室36a和第一逻辑阀26之间的流体连接，而第四导管48提供第二致动器的第二腔室36b和第二逻辑阀27之间的流体连接。第一浮动逻辑阀33设置在第二致动器18处并且被联接，以提供第一腔室36a和第二腔室36b之间的流体流动回路。浮动逻辑阀33联接到先导导管46，以便由螺线管控制阀24先导控制。浮动逻辑阀33还联接到第三导管42和第四导管48。阀24、25、26、27、28和33中的每个阀全都被流体联接到另一个减压/泄压导管47，该导管47则被流体连接到排水或贮液器20。另外，辅助逻辑阀25还被流体连接到第三导管42，以便在流体流动方向上被定位在减压/泄压阀28和第二致动器18之间。

因此，第一致动器16通过第一导管40和第二导管41被直接流体连接到计量控制阀组件22。第二致动器18通过传动阀组件23被间接地联接到计量控制阀组件22，特别是通过第三导管42和第四导管48以及相应的第一逻辑阀26和第二逻辑阀27(它们则联接到第一导管40和第二导管41)的流体连接而间接地联接到计量控制阀组件22。

根据具体实施方式，第一逻辑阀26和第二逻辑阀27“常开”；辅助逻辑阀25“常闭”，使得当致动螺线管控制阀24时，逻辑阀26、27关闭，而辅助逻辑阀25打开。因此，当停用螺线管控制阀24时，阀26、27打开，而阀25关闭。另外，浮动逻辑阀33“常闭”，并且类似于辅助逻辑阀25，浮动逻辑阀33被构造为通过致动螺线管控制阀24而打开。

图2图示了当设备10(采矿机)并且特别是臂12处于“待机”模式时对缸16和18的控制，以便在第一移动方向上在低外部负载力的作用下提供臂12的快速移动；图3图示了液压系统的操作，其中缸16和17在相同的待机模式下但在相反的方向上操作；图4图示了对处于“切割”模式中的缸16和18的控制，其中臂12缓慢移动并且保持处在更“刚性”的构造，以便承受在第一方向上移动的高外部负载力；以及图5图示了对处于图4相同的“切割”模式下的缸16和18的控制，其中臂12在相反方向上移动，具有大致相同的慢速和类似的高负载平衡。图6图示了本系统的实施例，其控制三个线性液压致动器16、17和18，正如下面将进一步详细描述的那样。

如将理解的那样，比例螺线管阀29至32被配置用以通过独立的电子控制装置选择性地调节流体流速和压力。参考图2描述流体流和阀控制的构造，并且应当理解的是，根据图3至图5的轴34的期望的移动方向，对应的流体流动方向和阀控制构造同样适用于线性致动器16、18的不同模式和操作。如图2中所图示的那样，流体通过泵21和进口导管43被供应到计量控制阀组件22。然后，通过第一导管40将流体以所需的流量和压力供应到缸的第二腔室36b。来自缸的第一腔室36a的流体通过第二导管41、计量控制阀组件22和出口导管44被导引到排水或贮液器20。在这种构造中，缸16是“活动的”，而缸18保持在“浮动”模式中，而没有来自计量控制阀组件22的流体供应。在这种操作模式中，流体从第二缸18的第一腔室36a通过浮动逻辑阀33流动到第二腔室36b。来自第一腔室36a的多余流体(由于腔室尺寸的差异)通过第三导管42、辅助逻辑阀25和减压/泄压阀28传递到减压/泄压导管47。根据图2的这种操作模式是通过启动螺线管24以关闭阀26、27并且打开阀25来提供的。在图3中所图示的反向流动方向上，减压/泄压阀28被控制用以通过辅助逻辑阀25提供反向流体流动方向，以便在第二缸18的第一腔室36a和第二腔室36b之间提供相反的流体流动方向。当然，通过第一导管40和第二导管41的反向流体流动方向通过四个比例螺线管阀29至32的选择性电子控制来提供。

参考图4和图5，其中需要根据“切割”模式(即，具有低速和高刚度/高外部负载力阻力)致动缸16和18，螺线管控制阀24被停用，以便允许流体从计量控制阀组件22通过逻辑阀26流动到第二缸18。在这种构造中，计量控制阀组件22设置成与缸16、18两者都流体连接，并且因此流体流速和压力大致被相等地分开，以实现相对于图2和图3的“快速”操作模式来说更高的力阻力和按比例更低的致动速度。在这种构造中，减压/泄压阀28和辅助逻辑阀25与第一导管40、第二导管41、第三导管42和第四导管48处的流体流隔离开来。

除了附加的致动器17和对应的附加的浮动逻辑阀37(与致动器17相关联)之外，图6的实施例的部件、结构和功能性与图2至图5的实施例相同。如所图示的那样，第二致动器18和第三致动器17通过第三导管42和第四导管48流体连接，并且特别地是，第二致动器18的第一腔室36a通过第三导管42联接到第三致动器17的第二腔室36b，并且第二致动器18的第二腔室36b通过第四导管48联接到第三致动器的第一腔室36a。因此，当第二致动器18和第三致动器17以“浮动”或“待机”模式操作，而不是由计量控制阀组件22直接驱动时，来自交替的致动器18、17的第一相应腔室36a的过量流体可以被传递到相应的第二腔室36b。如图2至图5的实施例那样。当螺线管控制阀24停用并且逻辑阀26和27如默认的那样打开时，通过计量控制阀组件22控制对到第二和第三致动器18、17的流体供应压力和流量的调节。如将理解的那样，第三致动器17被构造用于第一致动器16的相同的对应的定向移动，使得第一致动器16和第三致动器17是成对移动的，而第二致动器18能够在对应的反向行程方向上操作。与图2至图5的实施例一样，第二致动器18和第三致动器17两者，并且特别是相应的第一腔室36a和第二腔室36b都通过减压/泄压导管47、第三导管42、辅助逻辑阀25和减压/泄压阀28被流体联接到排水或贮液器20，以便在给定第一腔室36a和第二腔室36b的相应的容积差异的情况下提供对流体流的调节。另外，并且与图2至图5的实施例一样，辅助逻辑阀25和相关联的减压/泄压阀28能够向第二致动器18和第三致动器17提供恒定压力，并且能够通过经由减压/泄压导管47流体连接到排水或贮液器20而避免气穴现象。

本发明的液压系统提供了一种机构和方法，其在处于切割模式下时除了提供对主要因与岩层接触而引起的施加到臂上的外部负载的移动“刚度”且因此相对阻力的控制之外，还控制臂12沿侧向向内和向外的方向的枢转移动的速度。例如，并且在快速操作模式中，只有第一致动器16由计量控制阀组件22被正向移位，从而对应于当臂12返回到机内位置(in-boardposition)时的非切割操作。在切割模式中，所有三个致动器16、17、18都正向移位，以便从计量控制阀组件22分配所施加的流体压力，并且当切割单元13在切割期间被迫抵靠于岩层时提供对外部负载的更大阻力。例如，当通过臂12围绕大致水平的轴线枢转而使臂12完全伸展(臂12被定向为与图1的定向成约90°)时，将遇到最大负载。在这样的位置中，比例螺线管阀29至32将被控制，以便以低流体流速向致动器16、17、18输送最大压力。

通过利用比例螺线管阀、至少一个螺线管控制阀和逻辑阀，本发明的液压系统提供了一种用于根据预定的操作条件对致动器16、17、18的移动速度和移位力进行定量调节的通用机构和方法。