用于闭合回路应用的液压阀块和液压单元的制作方法

用于闭合回路应用的液压阀块和液压单元
1.本发明涉及一种用于液压单元、尤其用于闭合回路液压应用中使用的液压单元的液压阀系统。
2.在闭合回路液压应用中，在液压单元运行时通常需要维持最小低压。当发生冲击负载从而导致闭合液压回路的高压侧处的压力急剧上升时，维持最小低压就会成问题。例如，如果操作中的静压推进单元突然被加载高水平负载，例如遇到高阻力或部分阻塞，就会发生这种冲击负载。实际的示例是当钻头卡在地下时进行液压驱动的钻孔操作。
3.当发生这种冲击负载时，静压推进单元的高压侧处的压力急剧上升，从而导致静压管线、密封件和静压系统的其他部分产生高负荷。在低压侧上，由于抵抗冲击负载所需的高液压流体流量需求，压力会下降。这些压降可能非常高，并且进给泵通常无法补偿高压侧处所需的流量，因此当发生冲击负载时，可能会对静压系统造成损坏。导致高压侧处的压力急剧上升和低压侧处的压力急剧下降的这种事件通常被称为“低环路事件”。为了防止在发生这种低环路事件时对静压单元造成损坏，希望在低压侧处维持/确保最小低压力水平。
4.公开案de 10 2018 205 194 a1(us 2018/0291797 a1)描述了一种液压回路，其中当低压侧处的低压下降低于预定最小压力(即，预定并要保持的最小压力)时，可以通过旁通阀绕过高压侧和低压侧。然而，当发生高速低压降时，系统可能反应不够快，因为旁通阀被低压保持在其闭合位置，并且仅当作用在旁通阀阀芯上的低压液压力低于作用在旁通打开方向上的弹簧力时才打开。
5.ep 2 975 34 a1描述了一种用于制动静压驱动器的方法，该静压驱动器具有由内燃机驱动的具有可调节排量的泵以及经由闭合回路中的两条管线连接到液压泵的液压马达。静压驱动器还具有用于将高压侧连接到低压侧的液压阀块，该液压阀块包括被设计为电可控比例阀的旁通阀。
6.本领域技术人员可以推断，当低压力水平略低于预定的最小压力水平时，打开旁通阀的剩余弹簧力非常小，小到可能不足以完全打开旁通阀，因为当弹簧减压时弹簧力会减小，因此在旁通阀处于其完全打开位置之前可能发生弹簧力和液压力的平衡。将旁通阀阀芯从闭合位置移动到打开位置的反应速度也很慢，因为这在要打开旁通阀以避免低环路事件的情况下取决于弹簧力与低压力之间的增量力，该低压力处于低于预定最小压力水平的水平。
7.因此，本发明的目的是提供一种液压系统，其中，在液压单元的操作期间确保并维持最小低压，其中液压系统的反应时间应较短并且液压系统的反应速度应较高，以便避免低环路事件。同时，液压系统的设计应具有成本效益且稳健。
8.该目的通过根据权利要求1的液压阀块来解决，其中，根据本发明的液压阀块的优选实施例由直接或间接从属于权利要求1的从属权利要求给出。该目的还通过根据权利要求10的液压单元或根据权利要求11的液压系统来实现，该液压单元和该液压系统两者均使用根据本发明的液压阀块。
9.根据权利要求1的液压阀块被提供用于液压单元，该液压单元可以用于闭合液压回路应用中。根据本发明的液压阀块包括高压端口、低压端口、具有先导阀阀芯的先导阀以
及具有旁通阀阀芯的旁通阀。由此，先导阀可以通过入口连接到液压阀块的高压端口并且通过排放端口连接到排放区域。先导阀的出口连接到通向旁通阀的控制管线。先导阀阀芯保持在初始位置，其中出口借助于作用在其第一正面上的先导阀弹簧而连接到排放区域。根据本发明，先导阀阀芯可以借助于液压力移动到移位位置，该液压力的相对强度取决于液压阀块的低压端口处的压力水平。在先导阀的移位位置，经由入口来自高压端口的压力可以传导到控制管线。在这里，使先导阀阀芯移位的力的相对强度取决于低压力水平，并且作用在先导阀阀芯的第二正面上，并且还抵抗先导阀弹簧的力，从而将先导阀阀芯推向初始位置。
10.根据本发明的旁通阀的旁通阀阀芯包括连接到液压阀块的高压侧的第一打开正面和与控制管线连接的闭合正面。在闭合正面上，旁通阀弹簧也作用在旁通阀阀芯的闭合方向上。根据本发明的旁通阀可以从闭合位置切换到打开位置，在该闭合位置，高压端口与低压端口之间的流体连接被禁用，在该打开位置，高压端口与低压端口之间的流体连接被启用。如果由高压施加在旁通阀阀芯的打开正面上的打开力高于闭合正面上的闭合力的总和，则旁通阀阀芯移位到打开位置。因此，闭合力的总和是控制管线中作用在闭合正面上的压力与由旁通阀弹簧施加的力的组合。因此，当液压系统(其中使用液压阀块)没有(或没有任何)压力/无压力时，旁通阀仅由旁通阀弹簧保持在闭合位置，因为在旁通阀阀芯处不存在压力。同样的情况也适用于未连接到液压单元的液压阀块。
11.在正常操作条件下，即，当低压力水平高于预定最小压力水平时，先导阀阀芯被保持在其移位位置，因为作用在其上的压力高于先导阀弹簧力。在移位位置，先导阀经由入口将压力从高压端口引导至控制管线，进而将压力引导至旁通阀阀芯的闭合表面。因此，当根据本发明的液压阀块和液压单元处于正常操作条件下时，高压被传导至旁通阀阀芯的第一打开表面以及闭合表面。然而，在该闭合表面上，旁通阀弹簧也起作用而施加额外的力，使得旁通阀被牢固地保持在闭合位置并且高压侧与低压侧之间的连接未被启用，因为没有压力差作用在旁通阀阀芯上，即使闭合侧和打开侧处的压力表面具有相等大小也是如此。
12.在液压阀块的低压侧处、低压端口处的压力下降低于最小压力水平的预定阈值的情况下，先导阀阀芯因先导阀弹簧在先导阀阀芯上施加的力高于在相反的先导阀阀芯侧上的液压力(这取决于低压力水平)而移位回到其初始位置。当低压侧处的液压压力低于最小压力水平的阈值时，先导阀弹簧力是较高的力。在这个初始位置，即，在低于允许的最小低压条件下，控制管线经由先导阀阀芯流体连接到相对压力较低的区域，例如，连接到液压单元的外壳中的储液器或者连接到罐。换言之，根据本发明，旁通阀阀芯的闭合正面处的力的总和低于由旁通阀阀芯的打开正面上的高压所产生的打开力，使得旁通阀阀芯移位到其打开位置，在该打开位置，液压阀块的高压端口与低压端口之间的旁通被启用。
13.至少相关领域的技术人员可以从上文中得出，根据本发明的旁通阀总是借助于来自高压侧的液压压力进行切换，使得在允许的最小低压力水平下的低压的小削弱被快速地检测到，并且根据本发明的液压阀块可以在施加在旁通阀阀芯上的移动力较大时快速地反应，这是由于在任何操作情况下高压产生这些切换力。
14.还可以从上文得出，将控制压力传导至旁通阀阀芯的闭合表面的控制管线可以排出至低压区域，使得对抗旁通阀打开力作用的液压反作用力可以在短时间内减小至最小值，使得在每种情况下，在旁通阀阀芯的两个正面处的打开力与闭合力之间的力差异都较
高，从而可以迅速且快速地反应来移动旁通阀阀芯。在这种情况下，并且在优选实施例中，闭合液压压力可以经由控制管线作用在其上的闭合正面大于旁通阀阀芯上的打开压力表面，以便增强作用在旁通阀阀芯上的闭合力。因此，在低压端口处的压力高于最小低压力水平的情况下，由作用在旁通阀阀芯的闭合表面上的高压供以动力的液压力在闭合压力表面(闭合正面)大于打开压力表面时甚至更高以用于打开旁通阀。
15.在根据本发明的另一个实施例中，第二打开压力表面被布置在旁通阀阀芯的打开侧处并且与低压侧流体连接。在这种情况下，旁通阀阀芯上的闭合压力正面应大于旁通阀阀芯的相反侧上的打开高压正面，以便补偿通过低压在第二打开正面上产生的附加液压力。在一个具体实施例中，如果两个打开压力正面位于旁通阀阀芯处，则这两个打开压力正面可以具有相等的大小。这种实施例适用于闭合回路应用，其中与根据本发明的液压阀块相连接的液压单元可以在马达模式下以及在泵模式下进行操作。如至少相关领域的技术人员所知，高压侧和低压侧将随着液压单元的操作模式的改变而改变，例如，从马达模式改变成泵模式。
16.如果根据本发明的液压块用于这种液压单元，则在先导阀的上游布置另一个选择性切换阀。在每种模式下，这种选择性切换阀确保高压被引导至先导阀的入口，而低压被引导至先导阀阀芯的第二正面，因此低压可以充当对抗先导阀弹簧的移位力。这种选择性切换阀可以是二位四通阀，其中这种选择性切换阀的每个正面参考一个入口。这种切换阀对于本领域技术人员来说是已知的，因此不需要进一步的解释。
17.当在根据本发明的液压阀块中使用切换阀时，液压阀块也可用于液压单元。例如，在可以在两个方向上驱动的液压推进应用中，这也需要改变压力侧。通过使用切换阀，根据本发明的液压阀块增加了多种静压应用的功能和使用范围。在两个压力水平可以同时作用于其上的旁通阀阀芯处的两个闭合正面具有相等大小的情况下，根据本发明的液压阀块的功能在所有操作条件下被启用，并且快速反应和快速致动时间可以独立于操作条件来维持。
18.尽管如上所述，先导阀阀芯的切换力优选地直接由低压施加，但至少相关领域的技术人员也可以想象，根据低压端口处存在的低压力水平以其他方式产生该力。例如，可以由螺线管使用来自布置在低压侧处的压力传感器的信号来致动先导阀阀芯。另一种可能性是一种杠杆机构或弹簧机构，其转换力与低压力水平直接相关。然而，在本发明的一个优选实施例中，作用在先导阀阀芯上的移位力是通过在先导阀阀芯的切换正面上引导低压而直接产生的。
19.在另外的实施例中，先导阀是比例阀，其定位取决于低压端口处的低压力水平并且是可移动的，使得来自高压端口的高压经由控制管线按比例方式朝向旁通阀引导。在该实施例中，维持了反应时间。然而，先导阀的切换速度略有降低，以便防止在打开旁通阀时低压侧处的压力过度，以便启用高压端口与低压端口之间的旁通。
20.在另一个优选实施例中，先导阀弹簧的力是可调节的。通过这样做，可以调节液压单元和/或液压系统应当操作的最小低压力水平。通过调节弹簧力，可以设置使先导阀阀芯移位所需的低压以及低压力水平的最小阈值。通常，在液压系统投入使用时完成这种调整。然而，也可想象在以后的时间点进行重新调节。
21.此外，旁通阀的弹簧可以被配置成使得其力也是可调节的，以便在低压高于最小
可允许压力水平时确保旁通阀阀芯的位置处于其闭合位置。然而，旁通阀弹簧力不应过高，以免减慢旁通阀的打开速度。
22.在优选实施例中，旁通阀阀芯的闭合侧上的压力表面大于旁通阀阀芯的另一侧上的(两个)打开表面，以便确保旁通的快速闭合，并且确保旁通阀的闭合位置。然而，根据系统参数，可以在其中放置用于抑制通过控制管线的流体流量的孔口，这导致在遇到低环路事件时打开和闭合回路的频率较低并且也导致快速恢复到稳定的操作条件。因此，控制管线中的这种孔口将对旁通阀的切换产生阻尼效果，特别是当旁通阀阀芯的一个正面处的闭合压力表面被配置成与位于旁通阀阀芯的相反侧处的(两个)打开正面相比更大时。根据本发明，该条件特别适用于在液压阀块中使用切换阀的实施例。
23.如上所披露，根据本发明的液压阀块特别适用于为闭合回路应用提供的液压单元，其中根据本发明的液压阀块可以用于液压泵或液压马达。同样，这种泵和马达具有轴向或径向类型的结构，并且可以配备有改变排量体积的装置。在这里，至少本领域技术人员会将这与旋转斜盘的轴向液压活塞单元或弯曲轴类型的结构相关联。然而，本发明也涵盖具有或不具有可变排量体积控制的径向活塞泵。此外，即使前面仅提及旋转液压装置，根据本发明的液压阀块也适用于液压线性驱动器，例如双向液压缸。
24.附图中所示的优选实施例仅用于解释目的，并且不应限制本发明思想的范围或保护范围。在以下附图中，示出：
25.图1：处于非加压状态的根据本发明的液压阀块的示意图。
26.图2：处于液压单元的正常操作状态的图1的根据本发明的液压阀块的实施例。
27.图3：在发生低环路事件时处于操作状态的根据图1的液压阀块的实施例的示意图。
28.在附图中，相同的部分由相同的附图标记表示以获得更简单的易读性。
29.例如，图1示出了根据本发明的处于未加压状态的液压阀块100，该液压阀块具有未连接的压力端口。仅示例性地，图1中左侧的液压端口被指示为高压端口2，并且图1中右侧的压力端口被选择为低压端口3。两个高压端口2由高压管线4连接，并且两个低压端口3由低压管线6连接。在两个压力管线4和6之间布置三个阀，其中上面一个阀是具有高压入口51和低压入口52的切换阀50。当高压端口2与低压端口3互换时，选择性阀阀芯54的每个正面都参考入口51或入口52处的压力水平中的一者，以便移动切换阀阀芯54。至少相关领域的技术人员从切换阀50得出，当压力端口改变压力水平时，切换阀50被切换到其第二位置(未示出)，使得始终确保来自高压端口2的压力被引导到高压出口56，并且低压被从入口端口2引导到低压出口端口57。
30.切换阀50的两个出口端口56和57连接到先导阀10，其中切换阀50的高压出口56连接到先导阀入口11，并且切换阀50的出口端口57与先导阀10的先导阀阀芯14的第二正面17连接。先导阀弹簧15位于先导阀10的第一正面16上。如图1所示，先导阀弹簧15将先导阀10保持在其初始位置。先导阀10还具有排放端口12，该排放端口连接到低压区域，在这种情况下连接到罐60或排放区域。先导阀10还包括出口13，该出口连接到通向旁通阀30的控制管线25。
31.该控制管线25连接到在旁通阀30的旁通阀阀芯34的一个前侧上的闭合表面38，旁通阀弹簧35也布置在该闭合表面上。在旁通阀阀芯34的相反侧上设置两个打开正面36和
37，其中第一打开正面36连接到高压管线4，并且第二打开正面37连接到低压管线6。由于图1中所示的液压阀块100被描绘为处于非加压状态，旁通阀弹簧35将旁通阀30推入闭合位置，因此高压管线4与低压管线6之间的旁通被禁用。同时，由于在低压管线6和高压管线4中均不存在压力，因此先导阀弹簧15将先导阀10保持在其初始位置，即，先导阀阀芯14将控制压力管线25与排放区域60连接的位置，使得没有压力可以作用在旁通阀阀芯34的闭合正面38上。
32.在图2中，根据本发明的液压阀块100被描绘为处于操作状态，其中低压力水平高于最小值，并且低于该最小值，任何低压力补偿都应开始。这意味着经由先导阀10的第二正面上的切换阀50引导的低压力产生比施加在相反的第一正面16上的弹簧力更高的液压力。因此，先导阀阀芯14移置到其移位位置，并且先导阀将来自高压侧(即，高压端口2)的液压压力引导到控制管线25中。控制管线25中的压力随后作用在旁通阀阀芯34的闭合正面38上。在同一闭合表面38上，旁通阀弹簧35也对旁通阀阀芯34施加闭合力。在相反侧上，来自高压管线4的高压作用在小于闭合正面38的第一打开正面36上，因此旁通阀阀芯34被保持在其闭合位置并且旁通阀30闭合，即，高压管线4与低压管线6之间的旁通被禁用。
33.图3描绘了根据本发明的液压阀块100的另一操作状态。低压管线6中的压力低于预定阈值，即，在发生低环路事件时。切换阀50保持在与图1和图2所描绘的相同位置，然而，先导阀10再次处于初始位置，因为被引导到先导阀阀芯14的第二正面17上的低压没有产生足够高的液压力来克服先导阀弹簧15的弹簧力。因此，控制管线25被排放到排放区域60，使得旁通阀阀芯34的闭合表面38上的液压力被减小到最小值，并且只有旁通阀弹簧35对旁通阀阀芯34施加闭合力。由于同时旁通阀阀芯34的第一打开正面36仍连接到高压管线4，因此在旁通阀阀芯34上产生更高的打开力，从而将旁通阀阀芯34推入其打开位置，其中从高压管线4到低压管线6的液压旁通被启用。
34.只要先导阀阀芯14的第二正面17上的液压力不能够克服先导阀弹簧15的弹簧力来将先导阀阀芯13分别移动到移位或切换位置，旁通阀阀芯34就保持在该打开位置。当先导阀阀芯14的第二正面17上的液压力足够高以克服先导阀弹簧15的力时，先导阀阀芯14被带到切换位置，并且来自高压端口2的液压压力经由先导阀10和控制管线25引导到旁通阀阀芯34的闭合正面38(这是较大的压力面)上，并且因此旁通阀30在低压管线6中的低压力水平高于预定/预先调节的最小低压力的阈值之后立即闭合。
35.因此，从图中可以看出，通过调节先导阀弹簧15的弹簧力，可以将最小压力水平的阈值保持在低压管线6的压力水平。根据本发明，该压力水平可以在任何时间设置，特别是在液压系统与液压阀块联接时设置。
36.此外，根据本发明，本领域技术人员可以得出，可能是有益的是配置和调节旁通阀弹簧35以便使旁通阀切换适应配备有液压阀块100的任何液压系统的其他系统参数。
37.此外，相关领域的技术人员将得出，如果液压阀块100和系统仅在一个方向上操作并且不改变操作模式，换句话说，高压管线4从不与低压管线6互换，则可以省略切换阀50。技术人员容易看出，当液压系统的操作模式改变时，例如从马达模式改变到泵送模式(当高压管线4与低压管线6互换时)，通过先导阀10和旁通阀30实现如上所述的相同的工作原理。在这种情况下，切换阀50被切换，使得来自高压端口2的压力被引导到入口11，并且来自低压端口3的液压被引导到先导阀阀芯14的第二正面17上。
38.总之，配备有本发明的液压阀块的液压系统为用户提供了可靠、稳健且具有成本效益的系统，该系统确保当液压系统中的最小低压力水平被削弱时，以最佳方式打开旁通，使得启用低压力补偿以便避免损坏液压系统。实际上，这种自动调节/控制是连续进行的，因为液压系统经常发生冲击负载。为了在发生冲击负载时避免液压系统内的频率/压力振荡，可以实施孔口27来控制管线25以便抑制这些压力振荡。
39.根据上文的讨论以及附图和权利要求，将显而易见的是，根据本发明的液压阀块100提供了优于现有技术的许多优点。本领域的技术人员将进一步理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对装置进行其他各种修改。所有这些修改和变化都落在权利要求的范围内并且旨在被其涵盖。还应当理解，本文所描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且本领域技术人员将建议的据此进行的各种修改或变化均包含在本技术的精神和范围内。
40.附图标记列表
[0041]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高压端口
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60
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排放区域/罐
[0042]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低压端口
[0043]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高压管线
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100
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液压阀块
[0044]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低压管线
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
200
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
液压单元
[0045]
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210
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
液压马达
[0046]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
先导阀
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
220
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
液压泵
[0047]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
先导阀入口
[0048]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
先导阀排放端口
[0049]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
先导阀出口
[0050]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
先导阀阀芯
[0051]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
先导阀弹簧
[0052]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一正面
[0053]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二正面
[0054]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
螺线管
[0055]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制管线
[0056]
27
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
孔口
[0057]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旁通阀
[0058]
34
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旁通阀阀芯
[0059]
35
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旁通阀弹簧
[0060]
36
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一打开正面
[0061]
37
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二打开正面
[0062]
38
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
闭合正面
[0063]
50
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切换阀
[0064]
51
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高压入口
[0065]
52
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低压入口
[0066]
54
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
选择性阀阀芯
[0067]
56
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高压出口
[0068]
57
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低压出口