SE533414C2 - Oklägessensor för en hydraulisk anordning - Google Patents

Description

20 25 533 414 Även om de ovan angivna dokumenten tillhandahåller olika lösningar för att känna av slagvolymen hos en hydraulisk anordning med variabel slagvolym finns det ett kvarstående behov av att förbättra ett sådant kontrollsystem och tillhandahålla ett mer robust och säkert system för att känna av läget hos den rörliga delen, tex ett ok, för att kunna styra det hydrauliska systemet bättre.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning tillhandahåller ett robust och säkert system för att känna av och indikera positionen hos ett ok i en hydraulisk anordning såsom en pump eller en motor. Föreliggande uppfinning är särskilt inriktad mot indikering av det läge för ett ok eller axiellkolvsplatta i vilket inget arbete uträttas och som motsvarar ingen(eller väldigt liten) slagvolym. Det är i många fall viktigt att veta, exempelvis med hänsyn till säkerhet, om den hydrauliska pumpen eller motorn är i ett läge vari den kan utföra ett arbete eller inte.

Följaktligen hänför sig föreliggande uppfinning till en sensor för detektering av minimal slagvolym (MDS = Minimum Displacement Sensor) som är placerad på den hydrauliska motom eller pumpen för att tillhandahålla kompletterande information, avseende okets vinkel, till styrsystemet för att övervaka noggrannheten hos en analog okvinkelsensor (YAS=Yoke Angle Sensor). Det grundläggande syftet är att förhindra oönskad ellert o m farliga körsätt vid en för dålig överensstämmelse med den verkliga och den uppmätta vinkel för oket, i synnerhet för okets vinkel när den är nära noll, d v s för små slagvolymer. Ett syfte med den beskrivna MDS är således att indikera när okets vinkel är inom ett särskilt gränsvärde så att slagvolymen är tillräckligt liten för att flödesvolymen som åstadkoms är mindre än ett önskat eller bestämt säkerhetsgränsvärde. Detta gränsvärde kan exempelvis användas för att bestämma ett högsta tillåtna flöde vid start av den hydrauliska anordningen. 10 15 20 25 30 533 414 Enligt en fördragen utföringsform så är sensorn en induktiv digitalsensor.

Sensorn kan vara placerad i huset eller höljet på ett fast ställe medan det indikerande målområdet är en stàlbit som rör sig med oket. Sensorn av induktionstyp kommer att känna av när stålbiten befinner sig i närheten av sensorn vilken använder sig av samverkan mellan ett växlande elektromagnetiskt fält vid sensorns framsida och en metallisk ledare, d v s målområdet som i det här fallet utgörs av metallbiten. När metallbiten är närvarande framför och i närheten av sensorn kommer virvelströmmar att induceras i det metalliska materialet i målområdet. Detta resulterar i att energi tas bort från det elektromagnetiska fältet varvid amplituden hos svängningarna i det elektromagnetiska fältet minskar så att närvaron av målområdet (stälbiten) känns av och sensorns signal indikerar således att oket är placerat inom området där väsentligen ingen slagvolym åstadkoms eller något egentligt arbete utförs. Växlingen eller tillståndet hos det elektromagnetiska fältet bearbetas i den induktiva sensorn som växlar dess utsignaler i enlighet med växlingarna.

Generellt sett kan dessa sensorer användas för att detektera axiella rörelser av ett målområde relativt en sensor. Med axiell rörelse menas antingen närmande eller avlägsnande av sensorn och målområdet i en riktning vinkelrät mot sensorns och målområdets ytor. l det här fallet kommer sensom att slås på när spalten mellan sensorn och målområdet blir mindre än ett första givet avstånd och bibehålls i det påslagna läget tills spalten bli större än ett andra, bestämt avstånd. Beroende på hysteresfenomenet kommer det första och andra värdet att skilja sig så att avståndet mellan sensorn och målområdet när sensorn växlar från på till av är större än det andra avståndet när sensorn växlar from av till på. Följaktligen gäller att avståndet till målet från sensorn måste vara inom ett minimiavstånd för att det skall vara möjligt för sensorn att känna av målet.

Dessa sensorer kan även användas för att känna av längsgående rörelser eller, som i det här fallet, radiella rörelser. Enligt en utföringsform av 10 15 20 25 30 533 414 4 uppfinningen är ett ok försett med ett målområde eller an indikeringszon, t ex en metallbit. l det här fallet kommer utsträckningen av indikeringszonen i den radiella eller längsgående riktningen (d v s i okets rörelseriktning), i den del av oket som passerar och är vänd mot okvinkelsensorn när okets vinkel växlar, att vara det uppenbara sättet för att bestämma, eller ändra, det önskade intervallet som skall kännas av. Det finns även andra parametrar som påverkar känsligheten i sensorsystemet och, som förutom den radiella utsträckningen av indikeringszonen, sådana särdrag som materialval för indikeringszonen, i synnerhet de magnetiska egenskaperna, kommer att påverka systemets känslighet. Det finns således ett flertal olika sätt att påverka området eller avståndet eller intervallet vari sensorn kommer att indikera närvaro av målområdet. Även spaltbredden mellan sensorn och indikeringsbiten är en viktig detalj avseende känsligheten hos sensorsystemet. Vanligtvis, vid användning av en normal spaltbredd mellan 0,3 och 1,2 mm och ett vanligt material för indikeringsbiten, exempelvis en stålbit, så har den kortaste, erforderliga minimilängden av biten i den radiella riktningen, d v s längden på biten som passerar sensorn, bestämts vara åtminstone 5 mm för att försäkra att sensorn verkligen indikerar närvaro of biten. En kortare bit kommer inte säkert att detekteras om inte spalten mellan oket och höljet (eller, sensorn och indikeringsbiten) görs sà litet att det blir praktiskt svårt att tillverka sensoranordningen. Enligt en särskild sensoranordning, innefattande en BES 516-300-S 205-D-PU-O3 sensor från Balluff och en HU-7541 indikeringsbit, är det uppskattade verksamma avståndet för närrnande eller tjärmande i axlell riktning i området från D upp till 1,5 mm. l praktiken, för att användas för radiell detektering, måste avståndet eller spalten mellan sensorn och indikeringsbiten vara mindre än max avståndet för att undvika osäker drift till följd av att indikeringsbiten inte känns av när den passerar förbi framför sensorn. Beroende på de särskilda egenskaper som önskas kan en lämplig sensor och indikeringsbit väljas, från exempelvis Balluff, och sättas ihop och anpassas till att utföra och indikera närvaro respektive frånvaro av målområdet inom sensorns känslighetsintervall. 10 15 20 25 30 533 414 5 ÖVERSIKTLIG BESKRIVNING AV FIGURER Fig. 1 En hydraulisk pump med variabel slagvolym som innefattar en sensor för detektering av minimal slagvolym (MDS= Minimum Displacement Sensor) enligt uppfinningen Fig. 2 En andra vy of pumpen beskriven i fig. 1 Fig. 3 En närbild of MDS sensorn beskriven i fig. 2 Fig. 4 En schematisk bild som visar de grundläggande principerna för en magnetisk MDS sensor Fig. 5 En schematisk bild över att arbetsintervall för en MDS sensor i en hydraulisk pump med variabel slagvolym och ett rörligt ok Fig. 6 En schematisk bild som visar det ideala indikeringsomrâdet för en MDS sensor Fig. 7 En schematisk bild som visar ett indikeringsområde för en MDS sensor som tar hänsyn till inneboende brister i sensorsystemet UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN l figur 1 beskrivs en hydraulisk pump 1 innefattande ett hus 2 och ett ok 3 som är rörligt fäst vid huset 2 och vrids runt en axel så att vridningen av oket 3 runt axeln motsvarar en okvinkel. När oket 3 rör sig relativt huset 2 ändras slaglängden hos kolvarna 4 i cylindrarna 5 så att pumpens 1 slagvolym ändras. Således, slagvolymen är relaterad till okvinkeln så att pumpens 1 slagvolym kan bestämmas om okvinkelns läge är känt. Detaljer hos pumpen beskrivs inte häri men en lämplig pump för föreliggande uppflnning är till exempel beskriven i detalj i US 4,991,492. Pumpen 1 innefattar en första okvinkelsensor (YAS=Yoke Angle Sensor) 6 anpassad att känna av och indikera okvinkeln inom ett brett område, väsentligen den hydrauliska pumpens hela arbetsområde, för att tillhandahålla ett styrsystem vari den indikerade okvinkeln motsvarar en slagvolym. Ett antal sensorer som är lämpliga att användas som den här första okvinkelsensorn 6 är till exempel beskrivna i US 6,848,888, US 7,275,474, US 5,881,629 eller US 5,135,031.

Särskilt i de fall när den första okvinkelsensorn 6 är en relativsensor, d v s 10 15 20 25 533 414 6 ingen slagvolym eller nollvolymvinkeln är baserad på ett kalibrerat värde, så kan de uppmätta och de verkliga värdena skilja sig åt om det är något fel på kalibreringen. En osäkerhet beträffande det verkliga värdet på okvinkeln kan vara särskilt förödande om det verkliga värdet motsvarar ett större värde än det indikerade värdet. Särskilt i de fall som det detekterade värdet ligger inom intervallet för de relativt små slagvolymerna och specifika operationer utförs som endast är tillåtna för en liten slagvolym kan detta leda till att säkerhetsföreskrifterna bryts. Även om den första okvinkelsensorn 6 är en absolutlägessensor kan det hända att sensorn inte är tillräckligt noggrann eller att sensorn kan gå sönder eller på något sätt inte är användbar för att visa det korrekta värdet för okvinkeln. Det kan således vara önskvärt att inkludera en redundans i systemet även om den första sensorn är en absolutlägessensor och därmed använda ett ytterligare sensorsystem för okvinkeln 7, ett så kallad minimal slagvolymssensor system (MDS Minimum Displacement Sensor). Det huvudsakliga syftet med ett MDS 7 är att detektera när oket är inom ett "säkert" intervall, d v s när oket är placerat så att det inte finns någon risk för att ett accelerationsmoment skall kunna genereras. Det gäller således att den exakta position eller det exakta intervallet som MDS 7 skall indikera kan bestämmas olika för varje hydraulisk pump eller motor. MDS 7 innefattar ett målområde 8 och en sensoryta 9. Även om det är exemplifierat att använda en sådan pump som beskrivs i US 4,991,492 i samband med systemet i figur 1 så är det uppenbart att föreliggande uppfinning är lämplig för väsentligen alla hydrauliska pumpar eller motorer som har ett ok, axiellkolvsplatta eller liknande del som är rörlig för att kunna ändra slagvolymen och kan användas för att känna av positionen på den rörliga delen iförhållande till en annan fast del.

Figur 2 visar en översiktsvy av den hydrauliska pumpen 1 ifigur 1. En del av huset har i figuren avlägsnats så att den relativa placeringen av oket 3 och huset 2 enkelt kan ses. Oket 3 har placerats i en position så att dess vinkel är 10 15 20 25 30 533 414 noll och målområdet 8 i sensorsystemet 7 är placerat rakt framför och mittemot sensorytan 9. l figur 3 visas en närbild av MDS systemet 7 och fastsättningen av indikeringsbiten 8 till oket 3 och sensorn 9 till huset 2. l figur 4a och 4b beskrivs funktionen för en induktiv närhetssensor som lämpligen kan användas som ett sensorsystem 7 för minimal slagvolym i figur 1. l figur 4a visas ett målområde 8 som rör sig i en axiell riktning, d v s som rör sig i riktning mot och bort ifrån sensom 9 i en riktning vinkelrät mot sensorns 9 yta. När målområdet är inom ett bestämt avstånd från sensorns 9 yta kommer den att vara inom ett målavkänningsområde 10 och närvaro of målområdet 8 kommer att registreras. lfigur 4a visas målområdets 8 position vid det gränsläge där det kommer att röra sig in i eller lämna målavkänningsområdet. Likaledes, när målområdet 8 i figur 4b har rört sig i dess radiella riktning längs med ytan hos sensorn 9 och mot sensorn 9 kommer närvaro av målområdet 8 att detekteras när målområdet 8 kommer in i målavkänningsområdet 10. När målområdet 8 har rört sig ytterligare längs med sensorns yta kommer den att passera målavkänningsområdet och när målområdet 8 har nått läget som markeras med streckade linjer 8' så kommer inte längre närvaro av målområdet att indikeras. Känsligheten hos systemet kan ändras genom att till exempel ändra det elektromagnetiska fältets styrka eller materialet som utgör målområdet. Vad som dock huvudsakligen ändras för att påverka detektering av radiell rörelse är utsträckningen hos målområdet 8 i dess radiella riktning längs med ytan hos sensorn 9. Värt att notera är att den här figuren endast avser att schematiskt illustrera principiellt hur indikeringssystemet fungerar och det skall inte tolkas som om det verkliga målavkänningsområdet motsvarar den exakta formen hos målavkänningsområdet 10 såsom visat häri.

I figur 5 visas en schematisk bild av ett sensorsystem 7 för minimal' slagvolym placerad i huset 2 på en hydraulisk pump 1. En indikeringsbit 8 är placerad i oket 3 (visad med streckade linjer) på samma radiella avstånd från 10 15 20 25 30 533 414 rotationscentrum som sensorn 9. Vidare gäller att sensorn 9 och indikeringsbiten 8 är fastsatta så att när de är placerade i ett överlappande läge så motsvarar detta läge ett nollvinkelläge för 3, d v s det är läget för ingen slagvolym. I den här figuren är oket 3 lit vridet eller roterat så att det har nätt gränsvärdet där sensor anordningen 7 växlar från att vara ”PÅ” till ”AV” vid ett läge B. Det gäller alltså att MDS systemet 7 indikerar att sensorn är inom de föreskrivna gränserna så länge som sensorn är närvarande inom en ett avstånd “a” från det centrerade, överlappande läget för målområdet 8 och sensorytan 9 vari avståndet "a" är från -A till A. För enkelhets skull så har det antagits att MDS systemet 7 sätts på och stängs av vid samma avstånd från nollvinkelläget.

Det här ideala tillståndet, d v s påsättning och avstängning sker vid samma ställe, finns vidare beskrivet i figur 6 vari stegfunktionen när sensorn växlar mellan att vara påsatt eller avstängd beskrivs. Med idealt tillstànd avses att det inte finns någon hysteres. ingen individuell variation hos sensorernas kapacitet eller tidsfördröjningar och sensorn indikerar "PÅ" eller "AV" vid två tydliga gränser på, en på vardera sidan av läget som representerar ingen slagvolym. Stegfunktionen kommer således att sättas i läget på inom ett förutbestämt avstånd som motsvaras av ett avstånd "A" fån mittenpositionen i figur 6. l figurerna så indikeras ett positivt värde (en sträcka "B”) när oket rör sig medurs från dess startläge (eller dess nolläge) och ett negativt värde (ett avstånd “-A”) indikeras när oket vrids moturs från okets nollvinkel position. l figur 7 beskrivs ett scenario taget från verkligheten i vilket växlingen av sensorsignalen från att vara ”PÅ” till att vara ”AV” respektive från ”AV” till "PÅ" beroende på och/eller tidsfördröjningar.

Hystereseffekten innebär att sensorn kommer att sträva efter att upprätthålla den indikerade statusen som den indikerar vid ett givet läge. Det gäller således att avståndet eller intervallet inom vilket sensorn kommer att indikera en signal “PÅ", om signalen tidigare har indikerat ”PÅ", kommer att utökas så att intervallet innefattar ett avstånd motsvarande - "A0 = A - delta1“ till “BO = varierar hysteres 10 15 20 25 533 414 B + delta2” på vardera sidan av nollvinkelindikeringen. Normalt gäller att delta1 = delta2 =delta och att absolutvärdena |A| = |B| så att sensorn indikerar en zon som innefattar en region som har en utsträckning i längdled motsvarande det dubbla värdet av “|A0| = |B0| = |A| + delta" och som sträcker sig från okets nollvinkelläge ett avstånd |A0| i båda riktningarna. Vidare gäller att hysteres kommer att göra zonen eller intervallet i vilket "AV" indikeras större om oket har befunnit sig i ett läge som motsvarar ”AV” så att systemet kommer att växla sin indikering först när oket når en position motsvarande ett avstånd “A1 = -A + delta3" när oket närmar sig dess nollvinkel position från vänster och vid ett avstånd “B1 = B - delta4" när det närmar sig nollvinkelläget från höger. Normalt gäller delta3 = delta4 = delta och |A| = |B| så att sensoms indikeringszon är dubbelt så stor som absolutvärdet för “|A1| = |B1| = |A| - delta” och sträcker sig en längd motsvarande [A11 på båda sidorna om okets nollvinkelläge när indikeringen växlar från "AV" till "PÅ”.

Sensorn 7 växlar alltså till "PÅ" vid vinklar motsvarande A1 och B1 när okvinkeln närmar sig nolläget och sensorn växlar till "AV" vid vinklar motsvarande A0 och BO när okvinkeln ändras genom att växa från okets nollvinkelläge. Hysteresen gör att absolutvärdena av A0 och BO är större än absolutvärdena av A1 och B1. Detta medför att det finns ett område på vardera sidan av okets nollvinkel vari sensorns tillstånd inte är entydigt bestämt av dess läge utan också av dess tidigare läge. Dessa områden eller osäkerhetsintervall kan vara ännu större beroende på andra fenomen såsom tidsförskjutning vilken förstärker hystereseffekten genom att flytta gränserna för intervallen mot okets nollvinkelläge när oket närmar sig okets nollvinkel och flyttar intervallets gränser längre från nolläget när oket rör sig i en riktning iväg från okets nollvinkel. Den här osäkerheten kommer att öka med ökad hastighet. Det gäller vidare att inbyggd osäkerhet i själva serisoranordningen kommer att bidra med vitt brus till systemet och öka osäkerhetsområdet i okänd riktning. 533 444 10 Således gäller att signalen från MDS systemet 7 och den första okvinkelsensorn (YAS) 6 kan användas för att kontrollera tillståndet/funktionen hos sensorn och systemet enligt följande schema: 1. MDS status är satt till "PÅ" (små vinklar) och YAS indikerar ett värde 10 15 20 25 inom området mellan AO och BO. Det gäller alltså att båda sensorerna indikerar relevanta värden och sensorerna ansesf ungera som de borde. Det bedöms således vara säkert att sätta på motorn som är kopplad till den hydrauliska pumpen utan risk för oönskad, okontrollerad acceleration av arbetsmoment.

. MDS status är satt till "PÅ" (små vinklar) och YAS indikerar ett värde utanför området mellan A0 och BO. Det gäller alltså att någon av sensorerna (YAS eller MDS) inte fungerar och det är inte säkert i vilken vinkelposition som oket befinner sig i. Det bedöms således inte vara säkert att sätta på den hydrauliska pumpen utan risk för oönskad, okontrollerad acceleration av arbetsmoment och det är inte tillåtet att sätta på motorn.

. MDS status är satt till ”AV” (stora vinklar) och YAS indikerar ett värde utanför området mellan A1 och B1. Det gäller alltså att båda sensorerna indikerar förmodat korrekta värden och sensorema anses fungera som de borde. l det här fallet så är det tillåtet att fortsätta med pågående körning av motorn och pumpen medan det inte är tillåtet att starta motorn beroende på att en för stor slagvolym indikeras av sensorerna MDS och YAS . MDS status är satt till ”AV” (stora vinklar) och YAS indikerar ett värde' inom området mellan A1 och B1. Det gäller alltså att någon av sensorerna (YAS eller MDS) inte fungerar och det är inte säkert i vilken vinkelposition som oket befinner sig i. Det bedöms således inte vara säkert att sätta på den hydrauliska pumpen utan risk för oönskad, 533 414 11 okontrollerad acceleration av arbetsmoment och det är inte tillåtet att sätta på motorn.

Sammanfattningsvis, det andra och fjärde stycket ovan indikerar trasiga sensorer, YAS eller MDS, medan det första stycket indikerar ett säkert tillstånd (små okvinklar och således små slagvolymer) för att starta motorn medan det tredje stycket beskriver ett tillstånd i vilket fortsatt körning av motorn är tillåten men det år inte tillåtet att sätta igång en motor som inte redan har startat.

Claims (1)

1. KRAV 533 414 12 . En hydraulisk anordning (1) innefattande ett hus (2) och ett ok (3) som är rörligt fäst vid huset (2) för att kunna ändra slagvolymen hos anordningen (1) genom att påverka slaglängden hos kolvama (4) i cylindrama (5), nämnda hydrauliska anordning (1) innefattande en första okvinkelsensor (6) anpassad att känna av och indikera okvinkeln för att tillhandahålla ett styrsystem vari den indikerade okvinkeln motsvarar en slagvolym k ä n n e t e c k n a d av att nämnda hydrauliska anordning (1) innefattar ett andra okvinkelsensorsystem (7) konstruerat att indikera när okvinkeln är innanför eller utanför ett intervall innefattande vinkeln för ingen slagvolym. En hydraulisk anordning enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a d av att nämnda intervall för okvinkeln motsvarar som mest plus I minus 10 grader, företrädesvis som mest 5 grader och allra helst som mest 3 grader. En hydraulisk anordning enligt krav 2 k ä n n e t e c k n a d av att nämnda intervall indikerar ett omrâde för okvinkeln vari slagvolymen är så liten att det inte genereras något accelererande moment. En hydraulisk anordning enligt något av föregående krav k ä n n e te c k n a d av att nämnda andra okvinkelsensorsystem (7) innefattar en elektromagnetisk sensor, tex en sensor av lnduktionstypen. En hydraulisk anordning enligt krav 4 k ä n n e t e c k n a d av att nämnda andra okvinkelsensorsystem (7) innefattar an induktiv digitalsensor (9) som är fast fixerad i huset och att oket innefattar ett målområde (8) som definierar längden på det indikerade intervallet. En metod för att detektera vinkeln hos ett ok (3) relativt ett hus (2) för en hydraulisk anordning (1) vari oket (3) är rörligt fäst vid huset (2) för att kunna ändra slagvolymen hos anordningen (1), nämnda ok (3) innefattande cylindrar (5) försedda med kolvar (4) och vari okets nollvinkel definieras som vinkeln när kolvama (4) väsentligen inte uträttar något arbete och inte rör sig längs med axiellriktningen hos cylindrarna (5), nämnda metod innefattande användning av en första okvinkelsensor (4) anpassad att känna av och indikera okvinkeln 533 414 13 för att tillhandahålla ett styrsystem vari den indikerade okvinkeln motsvarar en slagvolym kânnetecknad av att nämnda metod innefattar användning av ett andra okvinkelsensorsystem (7) konstruerad att växla mellan tvâ olika utsignaler vari den första utsignalen motsvarar okets läge (3) nära vinkeln som motsvarar ingen slagvolym varvid vinkeln är mindre än ett värde alfa och att den andra utsignalen motsvarar en vinkel mellan oket och huset som är store än alfa och indikerar en okvinkel som motsvarar en arbetsflödesvolym. . En metod enligt krav 6 k ä n n e t e c k n a d av att nämnda gräns alfa för okvinkeln är mindre än 10 grader, företrädsvis mindre än 5 grader och allra helst mindre än 3 grader.