用于挖掘機的液壓混合回轉驅動系統的制作方法
【專利說明】用于挖掘機的液壓混合回轉驅動系統
[0001 ] 相關申請
[0002]本申請要求2013年8月8日提交的美國臨時申請N0.61/863,662的權益和2014年I月30日提交的國際申請N0.PCT/US2014/013861的權益，這兩個申請在此通過引用并入本文。
技術領域
[0003]本發明總體涉及液壓系統，更具體地涉及液壓混合驅動系統。
【背景技術】
[0004]挖掘機是建筑機械的一個示例，其使用多個液壓致動器以完成各種任務。這些致動器流體地連接到栗，栗向致動器的腔室提供加壓流體。作用在致動器表面上的該加壓流體作用力使致動器及其所連接的作業工具運動。一旦液壓能量被利用，加壓流體就被排出腔室，以返回到低壓儲液器。通常，被排出的流體處于比儲液器中的壓力更高的壓力，因此一旦該流體進入儲液器，就浪費了該剩余的能量。該浪費的能量降低了整個液壓系統在機械工作周期的過程中的效率。
[0005]在挖掘機中能量損失的主要示例是其回轉驅動，其中在挖掘機的動作的減速部分期間，排空到低壓儲液器的流體被閥節流，以產生回轉動作的制動。估計在挖掘機中回轉使用的總持續時間為大約整個壽命周期的50%-70%，并且它消耗引擎提供的能量的25%-40%。流體節流的另一個不期望的影響是加熱了液壓流體，這導致了冷卻需求和成本的提尚O
[0006]將電氣控制應用到液壓受控裝置開啟了多種以前不能獲得的控制時機，這些控制時機可以提高性能和效率。然而，這些控制時機也經常需要關于該裝置的狀態的額外信息(例如速度、位置、壓力等等)。在改進對于物料搬運裝置(例如挖掘機)的回轉驅動的額外的控制時機時，測量并使用回轉速度是有用的。獲取物料搬運裝置的回轉速度可以以若干種方式來進行，不論是直接測量該裝置的速度或者是通過測量一些相關量(例如回轉馬達的速度)并計算所期望的回轉速度。
【發明內容】
[0007]因此，示例性液壓混合回轉驅動系統(hydraulic hybrid swing drive system,為簡便起見，本文稱為HSD)相比于常規液壓挖掘機和常規電動混合挖掘機(electrichybrid excavator，EHE)可以提供若干優點:
[0008]1.與采用對旋轉位置測量值的數值導數相反，經由直接測量值獲得旋轉速度。這導致了獲得具有較少的延遲的更精確的速度測量值。
[0009]2.與在馬達上或變速箱上使用霍爾效應傳感器來確定旋轉速度的常規方法相反，利用陀螺儀更簡單改進車輛。
[0010]3.陀螺儀可以應用到結構的上托架的任何部分，并且不需要處于旋轉軸處。這是因為上托架的所有部分以相同的角速度旋轉。這在安裝位置和接線要求方面提供了顯著的靈活性。
[0011]4.與確定旋轉速度的一些方法(例如前述的經由來自旋轉位置測量值的數值導數計算速度的方法)相比較，使用陀螺儀可以花費更少的成本。
[0012]5.與壓力補償器相比較，安全閥提供了對壓力尖峰更大的響應，使得其成為總體更安全且更穩健的系統。
[0013]6.可以添加反氣穴現象止回閥，以增加系統穩健性，尤其是具有過中位栗應用的系統。
[0014]7.排量的伺服壓力控制可以在越過栗的中位時增大響應時間。
[0015]8.低壓蓄能器可以被用作低壓源，以供給具有變化的體積的液壓回路中的補給止回閥和反氣穴現象止回閥。
[0016]9.繼電器可以用來提供改進的應用中額外的可控性，以與主控制器連接，而無需改變控制器上的任何軟件。
[0017]根據本發明的一個方面，
[0018]在下文中參照附圖更詳細地描述本發明的前述特征和其它特征。
【附圖說明】
[0019]圖1示出了示例性HSD的示意性圖示；
[0020]圖2示出了示例性HSD處于僅使用回轉栗的回轉推進模式的示意性圖示；
[0021]圖3示出了示例性HSD處于僅使用蓄能器的回轉推進模式的示意性圖示；
[0022]圖4示出了示例性HSD處于既使用回轉栗又使用蓄能器的回轉推進模式的示意性圖示；
[0023]圖5示出了示例性HSD處于僅使用蓄能器的制動模式的示意性圖示；
[0024]圖6示出了示例性HSD處于使用回轉栗和傾泄閥的制動模式的示意性圖示；
[0025]圖7示出了示例性HSD處于使用回轉栗和蓄能器的制動模式的示意性圖示；
[0026]圖8示出了示例性HSD處于使用傾泄閥的制動模式同時并行地使蓄能器充壓的示意性圖不；
[0027]圖9示出了示例性HSD處于使用傾泄閥的制動模式同時蓄能器并行地驅動其它功能件的示意性圖示；
[0028]圖10示出了示例性HSD處于僅使用傾泄閥的制動模式的示意性圖示；
[0029]圖11示出了示例性HSD處于無動作模式同時使蓄能器充壓的示意性圖示；
[0030]圖12示出了示例性HSD處于無動作模式同時使用蓄能器驅動其它功能件的示意性圖示；
[0031 ] 圖13示出了另一示例性HSD的示意性圖示；
[0032]圖14示出了另一示例性HSD的示意性圖示；
[0033]圖15示出了具有固定至旋轉結構的陀螺儀的示例性液壓機械的示意圖；
[0034]圖16示出了具有兩個固定至旋轉結構的陀螺儀和一個固定至底盤的陀螺儀的另一示例性液壓機械；
[0035]圖17示出了由陀螺儀產生的數據與經由位置測量值的導數所計算的數據相比對的示例；
[0036]圖18示出了可以被并入到示例性或常規的系統中以便容易地改進現有系統的繼電器的示例。
【具體實施方式】
[0037]示例性液壓混合回轉驅動系統(本文稱為HSD)可以用在建筑設備上，尤其可用在液壓挖掘機上。示例性HSD的目標是在挖掘機的回轉功能的制動期間獲取能量，并將能量儲存在液壓蓄能器中和/或允許回轉栗/回轉馬達提供額外的扭矩，以協助用于驅動作業液壓致動功能件和輔助設備的引擎。第二目標是，與常規液壓挖掘機相比，通過使用電氣控制組件，實現相同或更好的性能、可操作性和可控性，同時使用更少的燃料并減少排放。
[0038]例如，示例性HSD可以用在帶有固定排量回轉馬達的挖掘機中，該挖掘機具有上部結構、底盤、回轉件、動臂、斗桿和鏟斗。如在圖1中示意性示出的，示例性HSD組件I可以包括主原動機2(例如柴油機)、液壓回轉栗3、液壓回轉馬達16、液壓蓄能器10和液壓儲存罐/儲液器7連同各種控制閥。特別是，圖示的HSD組件包括回轉控制閥組件(此處描繪為單一的回轉控制滑閥)15、傾泄閥14、隔離閥13、蓄能器控制閥12。
[0039]在沒有HSD的常規機械中，在回轉制動期間返回到大氣壓力儲液器的液流被閥節流，以控制減速并由此消耗能量。示例性HSD液壓回路可以被布置成，在減速模式中，液壓回轉馬達16用作栗，并且向回轉機構提供阻力扭矩。
[0040]回轉控制閥15將高壓液流引導至液壓蓄能器10、回轉栗3、和/或傾泄閥14。在該模式中，回轉栗3由此可以通過將液壓流動轉換成機械運動而用作馬達。
[0041]為了安全起見，隔離閥13可以用來將回轉栗/馬達3和液壓蓄能器10與系統的其余部分分開，和/或允許同時或單獨使用回轉栗3和蓄能器10來經由傾泄閥14制動回轉馬達16。
[0042]在制動模式中，蓄能器控制閥12可以用來確保從高壓液流到回轉栗/馬達3和液壓蓄能器10幾乎相等的壓降。
[0043]類似地，蓄能器控制閥12可以用來控制在加速時被引導至回轉馬達16的流體的壓力。
[0044]回收的能量可以作為供以后使用的壓力而被存儲在液壓蓄能器10中，和/或通過回轉栗3被傳遞回引擎軸，以補充將去向附件或其它的作業功能件的引擎動力。
[0045]如果液壓蓄能器10是蓄滿的，或者如果蓄能器10中的壓力大于或等于需要使回轉機構減速的壓力，則傾泄閥14可以代替蓄能器10和蓄能器閥12用來設定壓力；引擎軸或蓄能器無法恢復的能量的平衡將通過傾泄閥以類似于常規系統操作的操作來消除。在液壓蓄能器10中所建立的壓力之后可以用來在下一次操作者命令下推進回轉。
[0046]在該配置中，回轉栗3和回轉控制閥15用來利用可能來自液壓蓄能器10的額外液流控制對回轉功能的推進。當驅動回轉運動時，回轉控制閥15可以切換至將回轉栗/馬達3和可能的液壓蓄能器10的高壓液流連接到回轉馬達16的適當一側，以使回轉機構I轉動。
[0047]為了穩健性，可以包括用于液壓蓄能器10的安全閥11。可選地，在回轉馬達16的任一側上可以設置與反氣穴現象止回閥18選擇性組合的安全閥17。在示例性系統中，反氣穴現象止回閥18引導從補給端口(連接到排出管線)返回至回轉馬達16的液流和通過回轉安全閥17消耗的液流。
[0048]然而，在其它的示例性實施方式中，可能沒有足夠的可用于回轉反氣穴現象止回閥18以防止氣穴現象的液流，因此低壓蓄能器39可以連接到回轉控制閥11上的儲存罐端口。當回轉馬達16通過蓄能器10或回轉栗/馬達3來驅動時，低壓蓄能器39被充壓。低壓蓄能器止回閥40防止液流流到液壓儲液器7，直到在低壓蓄能器39中已經達到其開啟壓力。
[0049]在示例性的實施方式中，回轉制動器19可以經由來自回轉控制器(例如操縱桿等等)的液壓先導信號來致動，導致當將回轉控制器從零位移位時，釋放回轉制動器19，以及當回轉控制器處于空檔位置時，應用回轉制動器19。可選地，在示例性機器上的回轉制動器閥可以具有內置延遲功能，該延遲功能延遲回轉制動器19的應用。該延遲可以機械地、電氣地、或經由軟件來實現。示例性系統可以使用螺線管操作的回轉制動閥21，該回轉制動閥21經由來自控制器的信號來致動。另外，延遲功能可以通過將回轉制動延遲閥24、可調節節流孔增加到連接回轉制動致動器23的桿側和液壓儲液器7的管線來實現。該特征允許回轉制動器19的任意釋放和應用，如與依賴于回轉控制的位置所相反的。當回轉制動閥21處于圖1中所示出的位置中時，回轉制動致動器23將由于彈簧施加在汽缸的活塞側上的作用力而伸出，從而將施加回轉制動。當致動回轉制動閥21時，回轉制動致動器23的桿側將連接到先導栗6，從而回轉制動致動器23將縮回，釋放回轉制動器。當切換回轉制動閥21返回至圖1中所示出的位置時，回轉制動致動器23的桿側將通過回轉制動延遲閥連接至液壓儲液器7。回轉制動致動器23的活塞側上的彈簧將開始使回轉制動致動器23伸出，減小桿側的容積，并從而使流體從回轉制動致動器排出并通過回轉制動延遲閥24排到液壓儲液器7。通過