液压缸的控制装置和包括控制装置的工作机械 【技术领域】
本发明涉及一种液压缸的控制装置，并涉及一种包括该控制装置的工作机械。
背景技术
一种通过在靠近行程末端时控制活塞的驱动来防止液压缸损坏的控制装置公开在例如日本未审查的专利申请公开No.2004-293628中。
在这种装置中，根据液压缸内的压力确定活塞的位置是否位于预定的行程末端区域内。当确定所述位置是位于预定区域内时，通过调节液压缸的供给压力和排放压力来使活塞减速。
但是，这种装置在活塞靠近离行程末端(行程末端区域)预定距离的位置时开始使活塞均匀减速。因此，当已经到达该位置的活塞的速度过高时，会向活塞施加一个由惯性产生的较大的力。因此，气缸的内压力(排放部分的内压力)可能会过度增加，以致于损坏气缸。
为了可靠地防止这种损坏，可以通过扩大行程末端区域使减速开始得更早。但是，在这种情况下，即使当活塞的速度没有过高，减速定时也被提前了，这又会导致工作效率降低。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种能够防止液压缸损坏且不会明显降低工作效率的、用于液压缸的控制装置，并提供一种包括该控制装置的工作机械。
根据本发明的用于液压缸的控制装置包括下列基本结构。
也就是说，根据本发明的用于具有缸体和在该缸体内滑动的活塞的液压缸的控制装置包括向液压缸提供工作油的供给源，且当活塞靠近缸体的行程末端时，通过调节从供给源提供给液压缸的工作油的供给速率和从该液压缸排出的工作油的排放速率来使所述活塞减速。该控制装置还包括使活塞减速的减速装置以及减速设定装置，所述减速设定装置设定活塞开始减速的位置，使得当活塞的移动速度变得较大时所述位置被设定得更加远离行程末端。
根据本发明，当活塞移动速度变得较大时，活塞的减速开始位置可以设定得更加远离行程末端。由于以高速靠近行程末端的活塞被及时地减速，取决于活塞惯性的力可以在行程末端之前被消除，由此防止了缸体的内部压力过度增加。
相反，当活塞移动速度较低时，该减速开始位置可以根据速度设定为邻近行程末端的位置。因此，当活塞以低速靠近行程末端时，该活塞可以迅速地移向该行程末端附近(减速开始位置)。
因此，根据本发明，可以通过调节缸体内压的过度增加来防止液压缸损坏，而不会明显降低工作效率。
根据该控制装置，优选的是，减速装置设置在液压缸和供给源之间，且包括用于改变提供给液压缸的工作油的供给速率和从液压缸排出的工作油的排放速率的第一流量调节装置；该减速设定装置包括用于检测活塞移动速度的检测装置和用于通过操作该第一流量调节装置使得供给速率和排放速率减小来减小活塞速度的流量控制装置；且在由检测装置检测到的活塞速度变大之前，该流量控制装置便开始操作所述第一流量调节装置。
根据这种结构，可以通过减小提供给液压缸的工作油的供给速率和从液压缸排出的工作油的排放速率来使液压缸的活塞减速。
而且，优选的是，该减速装置还包括用以改变从供给源排出的工作油的排放流速的第二流量调节装置；且所述流量控制装置通过根据在活塞减速期间提供给液压缸的工作油的供给速率控制第二流量调节装置来减小从供给源排出工作油的排放流速，其中所述供给速率由第一流量调节装置调节。
根据这种结构，可以在活塞的减速控制期间减小从供给源排出工作油的排放流速，在所述减速控制中调节提供给液压缸的工作油的供给速率。因此，第一流量调节装置插入其间的工作油上游供给速率和下游供给速率可以得到平衡，进而可以提高活塞的减速控制准确度。
在该控制装置中，优选的是，由所述供给源和第一流量调节装置构成的对包括多对；来自于这些对的工作油被联结且被提供给共同的液压缸，且从液压缸排出的工作油被分配给相应的第一流量调节装置，使得流速得以调节；该减速装置还包括用以随用户的操作而操作第一流量调节装置的操作装置和能够独立于该操作装置的操作状态而强迫操作至少一个第一流量调节装置的强迫操作装置；且所述流量控制装置通过在活塞的减速控制期间控制该强迫操作装置来减小提供给液压缸的工作油的供给速率和从液压缸排出的工作油的排放速率。
根据这种结构，所述共同的液压缸可以由多个供给源驱动，使得在正常运行过程中便可向液压缸施加大的驱动力。另一方面，可以在活塞的减速控制过程中，利用至少一个第一流量调节装置减小提供给液压缸的工作油的供给速率和从液压缸排出的工作油的排放速率来使活塞减速，同时，包括多个单元的部分第一流量调节装置随操作装置的操作被连续驱动。
而且，该流量控制装置可以确定检测装置或强迫操作装置在活塞的减速控制期间是否处于异常状况下；且当确定出检测装置或强迫操作装置是处于异常状况下时，不由该强迫操作装置驱动的第一流量调节装置可以被操作，使得提供给液压缸的工作油的供给速率和从液压缸排出的工作油的排放速率最小化。
根据这种结构，即使检测装置或强迫操作装置处于异常状况下时，也就是说，即使确定出由强迫操作装置驱动的其中一个第一流量调节装置不能被正常控制，也能通过另一个第一流量调节装置使活塞减速。因此，可以获得更高的安全性。
所述减速装置可包括用以改变从供给源排出的工作油的排放流速的第二流量调节装置；所述减速设定装置可包括用于检测活塞移动速度的检测装置和用于通过操作所述第二流量调节装置使得供给速率减小来减小活塞速度的流量控制装置；且在由检测装置检测到的活塞速度变大之前，所述流量控制装置便可开始控制第二流量调节装置。
根据这种结构，通过减小从供给源排出的工作油的排放流速，使得提供给液压缸的工作油的供给速率被减小，可以使活塞减速。
另一方面，优选的是，该液压缸包括机械缓冲装置，该缓冲装置用以当活塞在活塞体内从预定缓冲开始位置移向行程末端时，通过减小从液压缸中排出的工作油的排放速率来使活塞减速。
根据这种结构，除了通过减速设定装置对活塞的减速控制之外，还可以使活塞更可靠地减速。
根据本发明的另一方面，所述工作机械包括用于液压缸的控制装置，且其特征在于，液压缸包括在活塞移动时相对于活塞体伸出和缩回的杆；以及通过所述杆的伸出和缩回驱动工作附件(workingattachment)。
根据这种结构，在通过液压缸的杆的伸出和缩回驱动所述工作附件的过程中，可以在活塞靠近缸体的行程末端时通过使活塞减速来调节对液压缸的损坏。
特别地，在该工作机械中，因为由所述工作附件的重量而产生的惯性力在该工作附件的驱动期间被施加给活塞，所以活塞的移动速度趋于增加。但是，利用上述结构，即使当该工作附件产生的惯性力被施加给活塞，也可以通过根据活塞的移动速度将活塞的减速开始位置设定得更加远离行程末端来防止缸体的内部压力过度增加。因而可以防止液压缸损坏。
【附图说明】
图1示出了根据本发明的一个实施例的履带式建筑机械的整体结构；
图2是示出了图1中所示的履带式建筑机械的控制装置的示意图；
图3A和3B是臂状缸的局部放大截面图；
图4是示意性地示出了控制器的控制的图；
图5是示出了控制器的控制的流程图；
图6示出了用于图5所示的流程中的开始角图；
图7示出了用于图5所示流程中的电流图。
【具体实施方式】
下面将参见附图描述本发明的一个优选实施例。
图1示出了根据本发明的一个实施例的履带式建筑机械的整体结构。图2是示出了图1中所示的履带式构造机械的控制装置的示意图。
参照附图描述一种本发明应用于其中的、示例性的工作机械的建筑机械。建筑机械1包括具有履带2a的移动部分2、安装在该移动部分2上的可旋转部分3、安装在该可旋转部分3前部以便可向上和向下移动的工作附件4、控制工作附件4的驱动的控制装置5(参见图2)。
工作附件4包括具有第一吊杆6a和第二吊杆6b的两部分吊杆6以及连接在第二吊杆6b上的臂7。破碎机8连接于臂7的一端。
第一吊杆6a借助于伸缩的第一吊杆气缸9向上或向下移动，而第二吊杆6b借助于伸缩的第二吊杆气缸10向上或向下移动。臂7借助于伸缩的臂状缸(液压缸)11围绕水平轴J1向上或向下摆动，而破碎机8借助于伸缩的破碎机气缸12向上或向下旋转。用于检测臂7围绕水平轴J1的旋转角度的旋转角传感器(检测装置)14设置在第二吊杆6b和臂7之间。
根据本发明的控制装置5包括旋转角传感器14、具有提供给臂状缸11和从臂状缸11中排放工作油的供给和排放路线的液压回路15、以及用于调节通过该液压回路15供给和排放的工作油的流率的控制器(流量控制装置)16。
图3A和3B是臂状缸11的局部放大截面图。
参照图3A和3B，臂状缸11包括缸体17和在该缸体17内滑动以使杆19相对于缸体17伸缩的活塞18。
缸体17包括具有圆形截面的管状元件20和闭合该管状元件20的两开口端的覆盖件。图中，只示出了靠近杆19的覆盖件21，靠近头部的覆盖件并未示出。后面将只描述覆盖件21。覆盖件21具有孔21a和肩部21b，孔21a通过肩部21b与管状元件20的镗孔同轴。而且，覆盖件21具有从肩部21b开始沿孔21a的侧表面而过的旁通线路21c和用于调节旁通线路21c的流道截面的节流阀21d。孔21a连接在用于供给和排放工作油的孔21e上。
另一方面，活塞18包括沿管状元件20的内表面滑动的活塞体22和连接在活塞体22的两端上的垫圈23。在图3A和3B中，相同的附图标记23用于表示两个垫圈。但是，在下面的描述中只有靠近覆盖件21的垫圈被表述为垫圈23。垫圈23可插入到孔21a中。
也就是说，臂状缸11具有由覆盖件21和垫圈23形成的机械的缓冲机构。活塞18的状态可以从图3A中所示的状态转变为图3B中所示的状态。通过这种结构，当活塞18如图3B所示接近活塞体17的行程端时，活塞18的垫圈23密封地安装在孔21a中。结果，活塞18邻近行程末端的区域被分割成活塞体22与肩部21b之间的缓冲腔C1和垫圈23与孔21a之间的排放腔C2。当活塞18进一步前进时，缓冲腔C1内的工作油被迫通过旁通线路21c移动到排放腔C2。但是，由于节流阀21d所施加的流率限制，缓冲腔C1内的压力增加，从而制动活塞18。
现在将参考附图2描述液压回路15的结构。
液压回路15包括一对泵(供给源)25A和25B和遥控阀(操作装置)26，该泵25A和25B分别通过三位开关阀(第一流量调节装置)24A和24B向臂状缸11供给工作油，该遥控阀26从引导泵(pilotpump)(未示出)向三位置开关阀24A和24B供给工作油。在下面的描述中，当不需要区别以下部件时，三位置开关阀24A和24B通常表示为三位置开关阀24，泵25A和25B通常表示为泵25。
泵25是一种变容式泵，各自包括流量调节部分(第二流量调节装置)27，该流量调节部分根据来自于下面将要描述的控制器16的命令调节排放流率。
三位开关阀24如下所述地在三个位置(A，B和C)之间转换。特别地，当工作油既不供给引导孔(pilot port)24a也不供给引导孔24b时，三位置开关阀24保持在中间位置C上，当工作油供给引导孔24a时，该开关阀转换到位置A上，当工作油供给引导孔24b时，该开关阀转换到位置B上。
在中间位置C上，来自于泵25的工作油被收集在第一油箱中，同时来自于臂状缸11中的工作油的排放线路被切断。在位置A上，来自于泵25的工作油供给臂状缸11的孔21e之一，用以使杆19伸出，同时从臂状缸11中排出的工作油被收集到第二油箱中。在位置B上，来自于泵25的工作油供给臂状缸11的另一个孔21e，用以使杆19缩回，同时从臂状缸11中排出的工作油被收集到第二油箱中。
此外，从三位开关阀24的中间位置C到位置A或B的冲程根据工作油到引导孔24a或24b的引导压力的等级而转变。因此，可以调节供给臂状缸11的工作油的供给速率和从臂状缸11中排出的工作油的排放速率。
用以将供给到臂状缸11的工作油的压力限制为预定值的安全阀28设置在泵25和三位开关阀24之间。
另一方面，遥控阀26可响应一拉制杆的操作而输出一缩回臂状缸11的杆19的缩回命令(以向上旋转臂7；参见图1)或一使杆19伸出的伸出命令(以向下旋转臂7；参见图1)。
也就是说，遥控阀26响应控制杆26a从图2中所示的中间位置向左的倾斜而输出所述缩回命令，并且响应杆26a的向右倾斜而输出所述伸出命令。随着控制杆26a从中间位置的倾斜度的增加，从引导泵(未示出)供给三位开关阀24的引导孔24a或24b的工作油的引导压力增加。与此类似，遥控阀26与下面所述的控制器16联合操作，且随着控制杆26a从中间位置的倾斜度的增加，施加给流量调节部分27的电流就越高，使得从泵25中排出的工作油的排放流率增加。
特别地，当缩回命令从遥控阀26被输出时，来自于引导泵的工作油被供给到引导孔24b，同时根据控制杆26a的倾斜度调节从泵25中排出的工作油的排放流率。与此相反，当输出伸出命令时，工作油被提供给引导孔24a，同时，根据杆26a的倾斜度来调节从泵25中排出的工作油的排放流率。
而且，比例电磁阀(强制运行的装置)29设置在遥控阀26和三位开关阀24B的引导孔24a之间。比例电磁阀29可以根据来自于下面所述的控制器16的命令(供电电流)改变工作油的下游压力(提供给引导孔24a的引导压力)。因此，相比于来自于遥控阀26的输出而言，更优选的是，比例电磁阀29可以调节提供给三位开关阀24B的引导孔24a的引导压力，进而可以调节供给臂状缸11的工作油的供给速率和从臂状缸11中排出的工作油的排出率。
参考图1和2，控制器16电连接到旋转角度传感器14、流量调节部分27和比例电磁阀29。当臂7向下旋转时(杆19伸出)，通过根据由旋转角度传感器14检测到的臂7的旋转位置操作流量调节部分27和比例电磁阀29，控制器16使朝臂状缸11的行程末端前进的活塞18减速。
具体地说，如图4中所示，当活塞18以较慢的速度V1朝行程末端前进时，控制器16通过将活塞18的减速开始位置设定为邻近行程末端来减小减速长度D1，然而，当活塞18以高于速度V1的速度V2朝行程末端前进时，控制器16将减速长度D2设定为长于减速长度D1。也就是说，当移动速度变大时，活塞18的减速开始位置可以被设置得更加远离行程末端。由于以高速靠近行程末端的活塞18被及时地减速，取决于活塞18惯性的力可以在行程末端之前被消除，由此防止了缸体17的内部压力过度增加。
现在将结合附图5描述控制器16所执行的流程。
首先，当流程开始时，旋转角度传感器14检测并保留臂7的旋转角θ(n)(步骤S1)。在这里，旋转角θ(n)是臂7和两部分吊杆6的第二吊杆6b之间的角度(参见图1)。
然后，通过从步骤S1中测量的旋转角θ(n)中减去预先测得的旋转角θ(n-1)计算出角度差Δθ(n)(步骤S2)，并在此时根据角度差Δθ(n)确定出臂7的旋转角是否已经被减小，即，杆19是否伸出(步骤S3)。
此时，如果确定出杆19没有伸长，即，杆19是中止的或缩回的(步骤S3为“否”)，程序返回到步骤S1。
另一方面，如果在步骤S3中确定出杆19伸出(步骤S3为“是”)，则确定旋转角θ(n)是否小于或等于预定的判断角“θ判断”(步骤S4)。在这里，如图6中所示，判断角“θ判断”是臂7的旋转角度，该角度根据当杆19以预期的最大速度Vmax伸出时杆19应当开始减速的位置加以设定。在该实施例中，判断角“θ判断”是根据最大速度Vmax设定的，但是可以被设置为更大的值，在该值处杆19进一步被缩回。
在步骤S4中，当确定出旋转角θ(n)大于预定的判断角“θ判断”时(步骤S4为“否”)，该流程返回到步骤S1。另一方面，当确定出旋转角θ(n)小于或等于预定的判断角“θ判断”时(步骤S4为“是”)，根据五个先前的角度差Δθ(n)，...，Δθ(n-5)计算出臂7的平均速度(步骤S5)。
接下来，根据步骤S5中计算出的平均移动速度和预先保留的开始角图M1确定出减速开始角θB(步骤S6)。
在这里，如图6中所示，开始角图M1是根据臂7的速度和角度限定的图。特别地，该开始角图是位于直线上的数据组，其中所述直线连接判断角“θ判断”处预期最大速度Vmax和在其上速度为0的臂7的预定角度θA。
当确定出减速开始角θB时，根据该减速开始角θB形成了用于确定提供给比例电磁阀29的电流的电流图M2。
在这里，如图7中所示，电流图M2是根据减速开始角θB的值限定的图，并且该图示出按照臂7的旋转角度提供给比例电磁阀29的供电电流的值。也就是说，电流图M2是位于连接电流值iA和在步骤S6中确定出的减速开始角θB的直线上的数据组，其中该电流值iA预设定为在角度θA(参见图6)处提供给比例电磁阀29的电流值。简而言之，当步骤S6中确定出的减速开始角θB变得越大时(例如图7中的θB1)，电流图M2(减速)的倾斜度就变得越平缓，而当减速开始角θB变得越小时(例如图7中的θB3)，电流图M2的倾斜度就变得越陡。
然后，根据该电流图M2确定提供给比例电磁阀29的供电电流i(n)(步骤S7)，接着，根据该供电电流i(n)确定从三位开关阀24提供给臂状缸11的工作油的最大流率。而且，根据该最大流率计算出提供给泵25的流量调节部分27的供电电流imax(步骤S8)。
也就是说，通过向比例电磁阀29提供供电电流i(n)来减小施加给三位开关阀24B的引导压力，从而使该三位开关阀24B供给臂状缸11的工作油的流率减小。但是，这引起了三位开关阀24B的上游压力和下游压力之间的压差，且会引起流率准确度的不稳定性。因此，根据供电电流i(n)确定出供给臂状缸11的工作油的最大流率，并计算出供给流量调节部分27的供电电流imax，使得泵25以取决于该最大流率的流率排放工作油。
然后，确定供给相应的流量调节部分27的供电电流ip1和ip2此时是否大于步骤S8中计算出的供电电流imax(步骤S9)。当在该步骤中确定出供电电流ip1和ip2大于供电电流imax时(步骤S9为“是”)，便将供给流量调节部分27的供电电流设定为供电电流imax(步骤S10)。
也就是说，取决于遥控阀26的控制杆26a的倾斜度的供电电流ip1和ip2被提供给相应的流量调节部分27，但是当供电电流ip1和ip2大于供电电流imax时确定：相对于三位开关阀24处的流量调节从泵25中排出过量的工作油。因此，省去工作油的额外的排放。
在步骤S9中确定出“否”后，或者将供电电流ip1和ip2设定为供电电流imax后，确定旋转角传感器14或比例电磁阀29是否处于异常状况下(步骤S11)。
在一种检测旋转角传感器14的异常状况的方法中，例如，臂7的旋转角的检测结果被以预定的电压输出给控制器16。当旋转角度传感器14具有电压输出范围从0.5至4.5V的角度-电压特征曲线时，0V的输出被确定为接地故障，而5V的输出被确定为至电源的短路。以这种方式可以确定异常状况。另一方面，在一种检测比例电磁阀29的异常状况的方法中，例如，为控制器16提供反馈电阻。如果从比例电磁阀29中没有获得预期来自反馈电阻的输出，则可以确定：比例电磁阀29处于异常状况下。
当确定出旋转角传感器14或比例电磁阀29处于异常状况下时(步骤S11为“是”)，提供给连接在三位开关阀24A上的泵25A的流量调节部分27的供电电流ip1被设定为最小值(步骤S12)，其中该三位开关阀24A不由比例电磁阀29控制。因此，即使不能根据臂7的旋转角正常地执行臂状缸11的减速控制，臂状缸11也可以稳定地减速。
当确定出旋转角传感器14和比例电磁阀29并非处于异常状况下时(步骤S11为“否”)，或者在步骤S12之后，该供电电流i(n)被提供给比例电磁阀29，同时，供电电流ip1和ip2(在步骤S10中设定时两者都为imax)被提供给相应的流量调节部分27(步骤S13)。当该供电电流ip1在步骤S12中设定为最小值时，在步骤S13中保留该值。
根据步骤S13，减速流程从取决于臂7的速度的减速开始角θB开始，而臂7从与小于或等于判断角“θ判断”的旋转角相应的位置移动到臂状缸11的行程末端。
如上所述，根据控制装置5，当移动速度变得更大时，活塞18的减速开始位置可设定为更加远离行程末端。由于以高速到达行程末端的活塞18得到了及时的减速，因此可以在行程末端之前消除取决于活塞18惯性的力，由此防止缸体17的内压过度增长。
因此，根据该控制装置5，不管活塞18的移动速度如何，都可以通过调节缸体17内压的过度增长来防止臂状缸11的损坏。
具体地说，根据该控制装置5，可以通过减小使用三位开关阀24提供给臂状缸11的工作油的供给速率和从臂状缸11中排出的工作油的排放速率来使臂状缸11的活塞18减速。
此时，从泵25中排出的工作油的排放流率可以在活塞18的减速控制过程中减小，在所述减速控制中，提供给臂状缸11的工作油的供给速率通过操作流量调节部分27来调节，使得从泵25中排出的工作油的排放流率随提供给臂状缸11的工作油的供给速率而减小，该供给速率由三位开关阀24加以调节，如在控制装置5中一样。因此，三位开关阀24B插入其间的工作油上游供给速率和下游供给速率可以得到平衡，进而可以改进活塞18的减速控制。
根据包括遥控阀26和比例电磁阀29的控制装置5，所述共同的臂状缸11可以由两个泵25驱动，使得在正常运行过程中便可向臂状缸11施加大的驱动力。另一方面，可以在活塞18的减速控制过程中，利用泵25B减小提供给臂状缸11的工作油的供给速率和从臂状缸11排出的工作油的排放速率来使活塞18减速，同时，两个泵25中的一个泵25A随遥控阀26的操作被连续驱动。
当旋转角传感器14或比例电磁阀29处于异常状况下时，通过操作三位开关阀24B将提供给臂状缸11的工作油的供给速率和从臂状缸11中排出的工作油的排放速率设定为最小值，该三位开关阀24B不由比例电磁阀29驱动。这样，活塞18就可以由另一个三位开关阀24B减速，即使确定出三位开关阀24A不能被正常控制。因此，可以获得更高的安全性。
而且，根据该控制装置5，臂状缸11包括机械缓冲装置。因此，除了通过控制器16对活塞18的减速控制之外，还可以使活塞18更可靠地减速。
在该实施例中，在杆19的伸出过程中执行活塞18的减速控制。但是，可以在杆19的缩回过程中执行类似的控制。
此外，在该实施例中，根据开始角图M1(见图6)确定减速开始角θB，在该开始角图中，减速开始角随旋转速度线性变化。但是，可以以定相的方式根据旋转速度的预定范围设定减速开始角的范围，且可以使用包括被检测到的旋转速度在内的旋转速度的范围确定减速开始角。例如，当设置三个旋转速度范围，且实际的旋转速度被包括在最快的那个速度范围内时，减速开始角可以设定为图7中所示的θB1。当实际旋转速度包括在第二快的速度范围内时，减速开始角可以设定为图7中所示的θB2。当实际旋转速度包括在第三快的速度范围内时，减速开始角可以设定为图7中所示的θB3。
在该实施例中，通过利用三位开关阀24减小提供给臂状缸11的工作油的供给流率和从臂状缸11中排出的工作油的排放流率来使活塞18减速。但是，可以省略三位开关阀24，且可以通过利用流量调节部分27减小提供给臂状缸11的工作油的供给速率来使活塞18减速。
尽管参考附图中所示的优选实施例描述了本发明，但是应当指出，在此可以采用等效变化以及进行替代，而不背离权利要求中所列举的本发明的范围。