导向控制电磁阀及使用该阀的液压控制系统 本发明涉及导向操作的液压阀，特别涉及包含有这种阀及安全阀的液压控制系统。
建筑机械具有许多由一液压缸和活塞装置操作的移动件。活塞将缸分为两个内部腔，通过将带压的液压流体有选择地施加到其中一个内腔中以使该活塞沿一相应的方向移动。
将液压流体施加到缸中通常是由一手动阀控制的，如在美国专利5,579,642中描述的那种阀。在这种阀中，有一手动操作杆机械连接于该阀中的一阀柱。该阀柱相对于该阀体中的诸空腔移动到各个位置，使带压的液压流体从一泵流到其中一个缸腔中而又从另一缸腔排走通过改变阀柱的移动程度，能改变流入相关腔中地流体的流速，从而使活塞成比例地以不同的速度移动。
关于建筑设备方面当前有一种趋势是，从手动操作的液压阀改为电控装置并使用电磁阀。这种控制形式由于不必非将控制阀安装在操作室内不可而简化了液压管路。这种技术上的变化也有利于进行对各种机械功能的计算机控制。
众所周知，电磁阀很适用于控制液压流体的流动，并使用一电磁线圈以使一衔铁沿一方向移动而打开一阀。该衔铁或一阀件是被弹性加载的，使当电流从该电磁线圈去除时将该阀关闭。其结果是，习惯上电磁线圈未被用于操作一标准的阀柱，该阀芯要求沿两个方向成比例地移动，以便以受控制的速度举起和下降一液压缸。
因此，就产生了如在美国专利4,276,781中揭示的那种的系统，这种系统为每个缸腔使用了一对由电力驱动的电磁阀。对于某一缸腔，一个电磁阀控制从一泵流出的带压的流体以使活塞沿一方向移动，而另一电磁阀被交替地打开以将流体从该腔排到一油箱中以沿相反方向移动该活塞。如此，如一个油缸的两个缸腔要被电力驱动时，需要四个这样的电磁阀、两个供给阀和两个排放阀。
在这样一个控制系统里还要设置另外的止回阀和减压安全阀，使确保活塞的过负荷或在该设备中产生的压力不会有害地影响操作性能或引起安全问题。因此，一传统的系统将包含一带有许多单独的电磁阀和安全阀的安装块，从而使实际结构显得较大。
本发明的一目的在于，提供一导向操作的电磁阀以相应控制液压流体的流量。
另一目的是，提供一用于该控制阀的压力平衡机构。
本发明的又一目的是，将诸止回阀结合在这样一个电磁阀的结构内，从而避免再用单独的止回阀，并减小液体控制系统的大小。
还有一目的在于，提供这样一个导向操作的电磁阀，该阀带有诸整体的补偿止回阀和一负荷检测传感器。
有一种设备能满足这些和其他的目的，该设备包括一导向操作的控制阀(pilot operated control valve)，该阀有一限定一入口通道和一出口通道的阀体。该控制阀还有一主阀芯和一控制腔，该阀芯用于可选择地接合于一在壳体中的阀座以控制在入口通道与出口通道之间的流体流动，该控制腔在主阀芯的、远离阀座的那一侧。
该导向操作的控制阀的改进在于，提供一在主阀芯内的孔，其中，该孔敞开于该控制腔并有一与入口通道流体连通的内部端。一导向通道形成在主阀芯上并分为一延伸在入口通道与控制腔之间的入口段和一延伸在该孔与控制腔之间的出口段。一导向阀芯(pilot poppet)有一可选择地封住控制腔与该孔之间的连通的阀芯体，和一连接于该阀芯体的、延伸到该孔中的压力平衡杆。该压力平衡杆有一在出口段中的压力进行作用的凹部和一在入口段中的压力进行作用的端部。将一致动器可操作地连接上以将导向阀芯相对于主阀芯移动。
该控制阀的一实施例还有一在阀体内的负荷检测入口和一位于阀体内的压力补偿器，以响应负荷检测入口内的压力超越来自入口通道的压力而关闭入口通道与出口通道间的流体连通。还设置了一阀机构以当工作口压力大于负荷检测入口的压力时将该工作口压力连通于负荷检测入口。这一实施例还设置一连接于阀体的止回阀以当出口通道的压力较大时限制液压流体从出口通道流向入口通道。
另一实施例还设置有一连接于阀体的止回阀以当出口通道的压力超过入口通道的压力时限制液压流体从出口通道流向入口通道。
还描述了一液压控制阀组件，它包含了几个这样的导向操作的控制阀以操作一液压致动器。
图1是一按照本发明的螺线管操作的导向供给阀；
图2是一按照本发明的螺线管操作的排放阀；
图3是通过一包含有两个供给阀和两个排放阀的阀组件的剖面图；以及
图4是一包含有一图3所示的阀组件的液压控制系统的原理图。
先看图1，有一供给阀10安装在一液压流体分配块12中，它包括一带有一从中贯通的纵向孔16的圆筒形阀体14。该阀体14有一与该纵向孔16连通的横向入口通道18。还有一横向出口通道20延伸经过该阀体14，并连通于纵向孔16以在入口通道18与出口通道20之间建立一中间腔21。在入口通道18通入中间腔21的地方形成一阀座22。
一主阀芯24可移动地位于纵向孔16内，并接合于阀座22以可选择地控制入口通道18与中间腔21之间的液压流体的流量。该主阀芯24有一位于入口通道18与出口通道20之间的导向通道30，该导向通道30在其内分为一入口段26、出口段32和一纵向孔16的控制腔28。入口段26从入口通道18延伸至主阀芯24的远离中间腔21的那一侧的控制腔28，出口段32从控制腔28延伸至中间腔21。确切说，出口通道通过一居中心地位于主阀芯24中的压力均衡孔34敞通于控制腔28。
主阀芯24的移动是由一包括一电磁线圈38、衔铁42和一导向阀芯44的电磁阀36控制的。电磁线圈38收置于纵向孔16的一端，并被一固定于阀体14的端板40固定在位。在该电磁线圈38内收置有一非磁性材料的管子41，而在该管子41内设置有一管状衔铁42并使之朝着主阀芯24而突出。衔铁42能响应由激励的电磁线圈38形成的电磁场而在管子41内滑动。
导向阀芯44位于管状衔铁42的孔中，并被一初级弹簧46朝着衔铁的一端偏置，其中弹簧46接合于一拧入于端板40的一孔中的调节活塞48。在电磁线圈38的断电状态时，初级弹簧46将导向阀芯44推靠于衔铁42的孔中的一凸肩50上，以将衔铁和导向阀芯推向主阀芯24。在此状态，导向阀芯44的一截头圆锥体状部分45抵紧于出口通道32的、进入控制腔28的开口上，从而关闭了导向通道30的入口段26与出口段32之间的连通。一第二级弹簧52将主阀芯2偏置而离开衔铁42。导向阀芯44有一在控制腔28与一空腔之间延伸的通道54，初级弹簧46在该空腔内，流体可在控制腔与该空腔之间通过该通道流动。
一压力平衡杆56从导向阀芯44伸入主阀芯24的压力均衡孔34中。这根杆56在它与封住导向通道30的导向阀芯44的一截头圆锥体部分45之间的界面处有一环形凹部58。压力平衡孔34的、超过阀杆56之端部的部分有一经过控制通道入口段26与入口通道18连通的十字孔。所以，输入压力施加于压力平衡杆56的那一端，而在中间腔21中的压力在压力平衡杆的另一端则施加于环形凹部58。
至此，所描述的供给阀10的该部分是用作一种响应施加于电磁线圈38上的电流的比例阀。流经供给阀10的液压流体的流速正比于流过电磁线圈38的电流的大小。该电流产生一电磁场以将衔铁42拉入电磁线圈38内并离开主阀芯24。因为衔铁的凸肩50接合于导向阀芯44上的一配合表面，控制阀芯44也移离主阀芯24，从而使液压流体从入口通道18经过导向通道入口段26、控制腔28和出口段32流至中间腔21。
假设在中间腔21与出口通道20连通之时(即止回阀60和75均打开)，经过导向通道30的液压流体在中间腔21与处于较低压力的控制腔28之间建立一压力不平衡。由于这个压力差的缘故，主阀芯24移离主阀座22，在入口通道18与出口通道20之间打开一直接的通道。主阀芯24继续移动，直至它接触于导向阀芯44的截头圆锥体部分45为止。如此，主阀芯移离阀座22的移动距离、在阀入口与出口之间形成的一开口的大小和液压流体的流速，均由衔铁42和导向阀芯44的位置所确定。而这些参数又受控制于流经电磁线圈38的电流的大小。
导向阀芯44的压力平衡杆56位于导向通道出口段32内，杆四周的环形凹部58与该出口段连通。如此，在普通的情况下，该凹部58暴露于出口压力，压力平衡杆56的远端暴露于入口通道的压力。最好是，杆凹部58的和暴露于控制压力的杆端表面35的有效的压力响应区，与导向阀芯44的、在其上作用有控制压力以将导向阀芯推向主阀芯24的有效区域基本上相等。照此，导向阀芯44将流体动力平衡，使施加于它上面的作用力仅仅是由于初级弹簧46和电磁线圈38所产生。
供给阀10包含一压力补偿机构，该机构检测分配块12的每个工作口处的压力，并在用以提供加压流体给该分配块的一可变位移泵的一控制输入处提供最大的压力，这在下面要描述。可变位移泵产生的一输出压力等于加于控制输入的压力与一称之为“余量(margin)”的恒定压力的和。该压力补偿机构使这一余量为经过该控制阀的大致恒定的压力降。美国专利5,579,642描述了这种压力补偿系统，该专利的描述在本文中引用供参考。
尽管这些补偿压力用的这些上述系统使用单独的阀机构，本发明供给阀10则将诸补偿元件并入阀体14内。确切说，如图1所示，在阀体14内在孔16的里端部分设置了压力补偿机构60。在此，由一弹簧64将一补偿止回阀芯61偏置靠于一第一卡环62上，其中的弹簧64接合于位于一在阀体14的里端68的一凹槽内的第二卡环66。这样，该补偿止回阀芯61被偏置偏向一关闭位置，在该位置它阻断了在中间腔21与供给阀10的出口通道20之间的液压流体的流动。阀体14的里端68有一孔，经过该孔从分配块12中的通道74施加负荷检测压力。
在这一压力补偿系统中，负荷检测压力是所有相关工作口中的最大的压力，并被施加一压力补偿阀芯61的弹性侧以将阀芯进入关闭状态。阀芯的相对侧在供给阀10打开时接受在中间腔21被施加的供给压力。当该阀组件的另一工件点的压力明显大于在与这一特定的供给阀10有关的工作口的压力，该压力补偿止回阀芯61将被迫关闭。否则，该压力补偿止回阀将会打开到一定程度，该打开程度是这些压力的差值的函数。
工作口压力是由一位于一通过补偿止回阀芯61的通道中的负荷检测阀70检测的。扁平的负荷检测阀70由一带有在其上的储通孔的盘72固定在位，该盘72由一弹簧64保持而靠于补偿止回阀芯61上。其结果，如对于这一特定阀的工作口压力是分配块12的所有工作口中的最大压力，该负荷检测阀70将打开以将那个工作口压力传送至负荷检测通道74。当另一工作口具有最大的压力时，负荷检测通道74中的压力将大于在该阀的出口通道20处的压力，该负荷检测阀70将处于关闭位置。
供给阀10还有一止回阀75以防液压流体从该工作口经过处于打开状态的供给阀向后流动。如果正从阀10得到供应的装置而操作一很大的负荷时就能发生这种流体的向后流动，这样就迫使流体向后流到供给阀。这一止回阀75是由一围绕在阀体14的外面的套管76执行的，并由一弹簧78偏置于出口通道20的上方。确定暴露于工作口压力和来自中间腔21的压力的套管76的相应的表面的大小，应能使当中间腔压力较大时打开该止回阀75，而当工作口压力较大时则关闭出口通道20。
现在看图2，一回流阀90有一与所描述的供给阀10相同的电磁阀92。在这一阀92中一主阀芯94打开并关闭一在一工作口出口96与一回流口98之间的通道。
该回流阀90没有压力补偿止回阀组件，也没有设置在供给阀10的出口区中的负荷检测阀和单独的止回阀。相反，安全阀有一位于回流阀90的工作口区中的内止回阀100。该内止回阀100有一由一弹簧104偏置而背离阀体95的端部的阀芯102。该止回阀芯102有一中心孔105，该孔收置了一导向销，该导向销从其内装有回流阀90的分配块12内的孔的底部延伸。在回流阀90的端部与分配块孔的底部之间的一空腔112靠一通道108连接于通向分配块12的一工作口的通道110。因此，该空腔112接受工作口压力，以使内止回阀100沿一相对于阀体95朝里的方向移动，从而趋向于关闭回流口98。
现在看图3。流体分配块12的一区段200有两工作口201和202，用于连接一双向致动器，如一液压缸的不同腔室。区段200可是这样的若干区段中的一个，即这些区段是以一个叠在另一个的顶部上的方式彼此叠置在一起，以形成用于操作多个致动器的流体分配块12。照此，区段200有两个在其中通过的油箱通道(tank channel)204(进入和走出图3的平面)和和一对平行于该对油箱通道的供应通道206。依靠外部软管(未图示)将油箱通道204和供应通道206分别连接于油箱和泵。通过分配块12的区段200设置有一类似的负荷检测通道208。
每个工作口201和202分别有一相关的供给阀210和212，以控制在其中的一个泵通道206与对应的工作口之间的流体的流动。每只供给阀212和212是属于上述类型的且表示在图1中的那种。负荷检测通道208连通于每只供给阀210和212的内端。分配块区段200也有分别从一个工作口201和202延伸到如图2所示类型的单独的回流阀218和220的输入通道的横跨通道214和216。每只回流阀218和220的内端分别通过一通道222和224连接于相关的工作口横跨通道214或216。如此，工作口压力施加于回流阀218和220的内端的相应的止回阀100。
图4示意表示了在流体分配块12中的一区段200内的诸不同的阀的连接以及一可变位移泵230、一油箱232和一液压致动器234的连接。所示的液压致动器234包括一由一活塞238将其分为两内腔240和242的油缸236。
为了提起活塞238，一控制电路(未图示)给供给阀210中的螺线管36通电，使来自泵230的液压流体流到供给阀210内的整体的补偿止回阀60。从电磁供给阀施加的压力打开了补偿止回阀60以使液压流体流经止回阀75。然后该液压流体流出工作口201到下方缸腔240，要将活塞238向上推。
在此时，依靠初级弹簧91使用于缸的下方腔室240的回流阀218断电(见图2)以保持该阀关闭。此外，与油箱通道204的相比为较高的、在横跨通道214中的泵压力迫使回流阀218的止回阀100关闭。在该回流阀218不当心被打开的情况下，其止回阀100可防止来自供给阀210的输出液流经过回流阀218流入油箱232。
由于流体流入下方缸腔240造成的作用在活塞238上的向上的合成力将位于上方腔室242中的流体压缩，上腔室中的流体要阻碍活塞向上移动。但是，在此时有一来自控制电路的信号触发了用于油缸上方腔室的回流阀220中的螺线管，这样就打开了该回流阀。如此，来自上方腔室242的液压流体经过回流阀220流至油箱232。由于横跨通道216与油箱通道204之间的压差不足以克服弹簧225的作用力，用于回流阀220的止回阀100被偏置地打开。
来自缸上方腔室242的回流流体的压力关闭了供给阀212的止回阀75，从而阻止回流压力影响该供给阀中的负荷检测阀70和泵230的工作。
如果加在活塞238上的负荷变得大于泵压力时，活塞要迫使液压流体流出下方缸腔240向后流经该阀区段200流向泵230。供给阀210中的止回阀75响应这个逆向压力而关闭，从而限制住来自致动器234的液压流体的回流。该止回阀75的位置也防止了逆向压力影响供给阀210中的负荷检测。在下方缸腔240中的这样的高压力也将回流阀218中的止回阀100关闭，这样，一旦有关的电磁阀92被打开了，也使流体不能排放到油箱232中。所以，该阀组件能阻碍一重负荷迫使致动器向下。
将可理解的是，为了使活塞238在油缸236内向下移动，控制电路给供给阀212和回流阀218内的螺线管通电，同时保持阀210和220内的螺线管断电，这替换作用将来自泵230的液压流体供入油缸236的上方腔室242中，而同时将来自下方腔室240流体排入油箱232中。