用于回收慣性能量的方法和裝置制造方法

用于回收慣性能量的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種適合回收慣性能量的液壓系統（10）。該液壓系統包括泵（22）、具有輸入/輸出軸（82）的可變排量泵/馬達（28）、蓄壓器（30）、和閥裝置（32，34，36，38，39，40，42）。該閥裝置可在以下模式下操作：a）第一模式，其中可變排量泵/馬達由泵驅動以使輸入/輸出軸和負載旋轉；b）第二模式，其中可變排量泵/馬達利用來自負載的減速的慣性能量來對蓄壓器進行充入；和c）第三模式，其中可變排量泵/馬達由蓄壓器驅動以使輸入/輸出軸和負載旋轉。該液壓系統還包括用于控制泵、可變排量泵/馬達和閥裝置的操作的控制器（50）。
【專利說明】用于回收慣性能量的方法和裝置
[0001]對相關申請的交叉引用
[0002]本申請在2012年8月8日作為PCT國際專利申請提交，除美國以外的所有指定國 申請人:為名稱為伊頓公司的美國公司，并且僅指定美國的 申請人:為美國公民AaronHertzel Jagoda，并且要求2011年8月12日提交的美國專利申請系列號N0.61/523，110和2011年8月15日提交的美國專利申請系列號N0.61/523，524的優先權，這些申請的公開內容通過全文引用的方式并入本文中。
【背景技術】
[0003]挖掘機通常使用液壓驅動的線性和旋轉致動器來驅動挖掘機的各種聯動裝置和旋轉接頭的相對運動。典型地，線性致動器為液壓缸并且旋轉致動器為液壓馬達。液壓缸和馬達可以由控制系統控制。控制系統可以由操作員操作。操作員由此可以操作和控制挖掘機，包括挖掘機的液壓缸和馬達。
[0004]許多常規挖掘機通過對通向和/或來自液壓缸和/或馬達的液壓流體流進行節流來控制液壓缸和/或馬達。該節流典型地由于將處于一定壓力的液壓流體流的能量轉化為熱能而浪費了能量。該熱能通常必須通過挖掘機的冷卻系統去除。該浪費的熱能增加了挖掘機的功率消耗(例如，燃料消耗)。
[0005]許多常規挖掘機通過對通向和/或來自液壓缸和/或馬達的液壓流體流進行節流而消散聯動裝置和旋轉接頭的相對運動中的慣性能量。該節流典型地還由于經由液壓節流將相對運動的慣性能量轉化成熱能而浪費了能量。該熱能通常也必須通過挖掘機的冷卻系統去除。該熱能還源于挖掘機的功率消耗(例如，燃料消耗)。
[0006]已開發電動混合動力系統來協助回收能量。然而，此類系統會相對昂貴并且對具有高電壓能量儲存的復雜的基于電氣/電子的系統的依賴性會引起適用性和可靠性問題。
[0007]諸如在美國專利N0.7，908，852公開的系統使用液壓蓄壓器來儲存和重復利用液壓勢能。然而，此類系統主要依賴于節流閥來提供減速，由此降低了系統的總效率。

【發明內容】

[0008]本發明的一方面涉及一種用于回收慣性能量的方法和裝置。
[0009]本發明的另一方面涉及一種適合回收慣性能量的液壓系統。該液壓系統包括泵、具有輸入/輸出軸的可變排量泵/馬達、蓄壓器和閥裝置。該閥裝置可在以下模式下操作:a)第一模式，其中可變排量泵/馬達由泵驅動以使輸入/輸出軸和負載旋轉；b)第二模式，其中可變排量泵/馬達利用來自負載的減速的慣性能量來對蓄壓器進行充入；和c)第三模式，其中可變排量泵/馬達由蓄壓器驅動以使輸入/輸出軸和負載旋轉。該液壓系統還包括用于控制泵、可變排量泵/馬達和閥裝置的運轉的控制器。
[0010]將在下文的描述中闡述各種其它方面。這些方面會涉及單獨的特征和特征的組合。應理解，前文的大體描述和下文的詳細描述只是示例性和說明性的，并非對文中公開的實施例所基于的寬泛概念加以限制。【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是具有根據本發明的原理的方面的示例性特征的流體系統的示意性表示；
[0012]圖2是處于第一運轉模式下的圖1的流體系統的示意性表示；
[0013]圖3是處于第二運轉模式下的圖1的流體系統的示意性表示；
[0014]圖4是處于第三運轉模式下的圖1的流體系統的示意性表示；
[0015]圖5是處于第一減壓模式下的圖1的流體系統的示意性表示；
[0016]圖6是處于第二減壓模式下的圖1的流體系統的示意性表示；
[0017]圖7是示出用于控制圖1的流體系統的運轉的控制邏輯的流程圖；
[0018]圖8是表示為表層的控制映射圖，該控制映射圖可以由圖1的流體系統的控制器訪問以控制系統的運轉；
[0019]圖9是可加入圖1的流體系統的挖掘機的示意性右視圖；以及
[0020]圖10是圖9的挖掘機的示意性透視圖。
【具體實施方式】
[0021]現將對在附圖中示出的本發明的示例性方面進行詳細說明。在所有可能的情況下，所有附圖中將使用相同的附圖標記來表示相同或相似的結構。
[0022]現參照圖1-6，示出了根據本發明的原理的總體表示為10的流體系統的示意性表示。流體系統10適合用在各種挖掘機器或其它設備上。圖1-6示出了液壓回路構型20。液壓回路構型20包括由原動機24 (例如,諸如柴油發動機、火花點火發動機或電動機的動力源)提供動力的液壓泵22。泵22從罐/箱44 (即，儲器)抽吸液壓流體并向多個負載回路提供加壓液壓流體。例如，圖1示出了構造成使得泵22向第一負載回路26a、第二負載回路26b和第三負載回路26c提供加壓液壓流體的液壓回路構型20。
[0023]如圖1所示，第一負載回路26a是具有可變排量泵/馬達28和適合于回收與連接到可變排量泵/馬達28的工作負載(例如，挖掘機的上部結構)的減速相關的能量的蓄壓器30的節能負載回路。閥裝置用于控制通過負載回路26a的液壓流體流。該閥裝置包括在所示的實施例中為三位閥的定向流量控制閥32。閥裝置還包括回流控制閥34、第一止回閥36、第二止回閥38、第三止回閥39、第一減壓閥40和第二減壓閥42。減壓閥40、42用作在設定壓力被超過時通過連接兩側來限制跨泵/馬達28的差壓的交叉端口安全閥(參看圖5和6)。電子控制器50控制泵/馬達28的運轉，使得期望水平的轉矩經泵/馬達28的輸入/輸出軸82傳遞。在某些實施例中，經軸82傳遞的轉矩水平可以通過改變泵/馬達28的液壓流體排量(例如，由泵/馬達在軸82旋轉一圈時排出的流體的量)來改變。通過控制經軸82傳遞的轉矩，軸82和連接到軸82的對應的工作負載可以加速和減速，并且可以最大限度地降低或消除對減速期間的節流的需求。
[0024]在某些實施例中，第二止回閥38、第三止回閥39、第一減壓閥40和第二減壓閥42全部同泵/馬達28集成為一個單元以形成泵/馬達單元28a。此外，方向控制閥32、回流閥34和第一止回閥36可以結合到閥體37中以形成閥單元。在其它實施例中，該系統可以隨泵/馬達28、止回閥36、38和39、減壓閥40、42、定向流量控制閥32、以及回流閥34組合在一個整體單元中。[0025]圖2示出了以第一模式運轉的第一負載回路26a，在所述第一模式中，來自泵22的加壓液壓流體用于驅動/提供動力給可變排量泵/馬達28以引起輸入/輸出軸82和聯接到軸82的負載旋轉。第一模式可以稱為“泵驅動”模式。在該模式下，泵/馬達28用作馬達并驅動軸82和對應的工作負載的旋轉(例如，使其加速)。在泵驅動模式下，定向流量控制閥32使泵22的出口側(S卩，高壓側)與可變排量泵/馬達28的第一側27 (S卩，高壓側或入口側)流體連通并且回流控制閥34使可變排量泵/馬達28的第二側29 (B卩，出口側或低壓側)與罐44流體連通。
[0026]圖3示出了以第二模式運轉的第一負載回路26a，在所述第二模式下，與連接到可變排量泵/馬達28的輸入/輸出軸82的負載的減速對應的能量被用于對蓄壓器30進行加壓充入。第二模式可以稱為“充入”模式。在該模式下，泵/馬達28用作泵并提供制動功能以提供軸82和聯接到軸82的工作負載的旋轉的受控減速。當第一負載回路26a處于充入模式時，方向控制閥32阻斷泵22和可變排量泵/馬達28的第一側27之間的流體連通并且回流控制閥34阻斷可變排量泵/馬達28的第二側29和罐44之間的流體連通。可變排量泵/馬達28在減速期間排出液壓流體引起要從可變排量泵/馬達28的第二側29引導的液壓流體流經第一止回閥36到達蓄壓器30以便對蓄壓器30進行充入。同時，液壓流體從罐44經第三止回閥39被吸向可變排量泵/馬達28的第一側27。
[0027]圖4示出了以第三模式運轉的第一負載回路26a，在所述第三模式中，來自蓄壓器30的液壓壓力被用于驅動可變排量泵/馬達28/為可變排量泵/馬達28提供動力以引起輸入/輸出軸82和聯接到輸入/輸出軸82的負載的旋轉。第三模式可以稱為“蓄壓器排出”模式。泵/馬達28在該模式下用作馬達。在該模式下，定向流量控制閥32使蓄壓器30與可變排量泵/馬達28的第一側27流體連通。定向流量控制閥32還使泵22的高壓側與可變排量泵/馬達28的第一側27分離。此外，回流控制閥34使可變排量泵/馬達28的第二側29與罐44流體連通。在蓄壓器排出模式下，來自蓄壓器30的蓄積液壓壓力被用于使可變排量泵/馬達28加速或以其它方式驅動可變排量泵/馬達28。
[0028]返回參照圖1，液壓回路構型20的運轉由與該液壓回路構型的各種構件接口 /相互聯系的電子控制器50控制。例如，電子控制器50經接口線53接收來自操作員接口 52(例如，操縱桿、活動臂、方向盤、控制板等)的控制輸入。電子控制器50還接收來自遍及液壓回路構型設置的各種感測構件的輸入數據/信號。例如，接口線54將電子控制器50連接到監視可變排量泵/馬達28的第一側27的液壓流體壓力的壓力傳感器55。此外，接口線56將電子控制器50連接到監視第一負載回路26a在可變排量泵/馬達28的第二側29的壓力的壓力傳感器57。此外，接口線58將控制器50連接到監視蓄壓器30處蓄積的壓力的壓力傳感器59。
[0029]電子控制器50控制泵22、定向流量控制閥32、可變排量泵/馬達28和回流控制閥34的運轉。如圖1所示，控制線60將電子控制器50連接到泵22的泵控制回路99。泵控制回路99可以包括負流量控制孔口 97。此外，控制線61將電子控制器50連接到定向流量控制閥32。另外，控制線62將電子控制器50連接到可變排量泵/馬達28。此外，控制線63將電子控制器50連接到回流控制閥34。而且，接口線96將電子控制器50連接到感測泵/馬達28的輸入/輸出軸82的轉速的軸轉速傳感器95。
[0030]應理解的是，泵22可以是能以不同速度運轉并且還能被調節成以特定轉速泵送不同流量的可變排量泵。例如，泵22可以包括由原動機24驅動/旋轉的輸入軸23。泵22還可以包括旋轉斜盤70，該旋轉斜盤能被移動至不同角度以調節在輸入軸23的特定轉速下來自泵22的輸出流量(S卩，可以改變泵的排量)。電子控制器50可以構造成基于總液壓回路構型20的運轉需求來調節旋轉斜盤70的位置。
[0031]在某些實施例中，可變排量泵/馬達28可以包括過心(over-the-center)旋轉斜盤80和旋轉輸入/輸出軸82。旋轉輸入/輸出軸82可以聯接到機械負載。過心旋轉斜盤80允許輸入/輸出軸82被可變排量泵/馬達28沿順時針和逆時針兩種方向驅動。例如，當旋轉斜盤80位于中心的一側時，輸入/輸出軸82被可變排量泵/馬達28沿順時針方向驅動。相反，當旋轉斜盤80位于中心的相對側時，輸入/輸出軸82沿逆時針方向被驅動。改變旋轉斜盤80的位置允許調節經泵/馬達軸82傳遞的轉矩并同時調節泵/馬達28的液壓流體排量。泵/馬達28的液壓流體排量是在軸82的一次旋轉中排出的液壓流體的量。類似地，如果可變排量泵/馬達28的第一側27的液壓壓力變化(例如，隨著蓄壓器30充入或排出)，則可以調節旋轉斜盤80的位置以維持輸入/輸出軸82處的期望轉矩輸入/輸出。應該理解的是，旋轉斜盤80的位置由電子控制器50經由線62控制。
[0032]電子控制器50通過控制輸入/輸出軸82處的輸入/輸出轉矩來控制加速/減速的比率。期望輸入/輸出轉矩可以是充入模式下的輸入轉矩，并且期望輸入/輸出轉矩可以是泵驅動模式和蓄壓器排出模式下的輸出轉矩。在一優選實施例中，可變排量泵/馬達28包括旋轉斜盤和旋轉組件，并且旋轉組件在軸每旋轉一圈時排出的液壓流體的量取決于旋轉斜盤的角度。旋轉組件可以包括缸體內的活塞，并且旋轉斜盤可以用于改變活塞的行程長度以便改變泵/馬達28的容積排量。在其它實施例中，可以使用其它類型的可變排量泵/馬達。
[0033]輸入/輸出軸82的加速率(即，輸入/輸出軸的轉速隨著時間推移而升高的速率)由控制器50基于從操作員接口 52接收的操作員指令的值以及泵/馬達28的當前運轉狀態來控制。為了增大加速率，調節旋轉斜盤80以增大從泵/馬達28傳遞到軸82的轉矩。為了減小加速率，調節旋轉斜盤80以減小從泵/馬達28傳遞到軸82的轉矩。用于驅動加速的動力由來自泵22和/或蓄壓器30的液壓壓力/流提供。輸入/輸出軸82的減速率(即，輸入/輸出軸的轉速隨著時間推移而降低的速率)由控制器50基于從操作員接口 52接收的操作員指令的值以及泵/馬達28的當前運轉狀態來控制。為了增大減速率(即，為了提供增加的制動)，調節旋轉斜盤80以增大從運動的外部負載傳遞到軸82的轉矩。為了減小減速率，調節旋轉斜盤80以減小從運動的外部負載傳遞到軸82的轉矩。減速期間來自制動的動力被通向蓄壓器30和/或減壓閥40、42的液壓壓力/流消耗。
[0034]圖7是示出了由電子控制器50用于控制液壓回路構型20的運轉的控制邏輯85的流程圖。參照圖7，控制邏輯85開始于框86，在此電子控制器50監視經由接口線53從操作員接口 52接收的轉矩控制信號。在一個實施例中，轉矩控制信號取決于設置在操作員接口 52處的操縱桿的位置。轉矩控制信號的值可以由設置于操作員接口 52的操縱桿的位置決定。在框87，控制器50查詢和/或計算(例如，判斷)轉矩控制信號的值是否對應于馬達驅動指令(motoring command)(即，泵/馬達用作馬達并驅動軸82的旋轉以使軸的旋轉加速或維持軸的現有轉速的指令)或減速指令(即，泵/馬達用作泵并制動軸82的旋轉以使軸的旋轉減速的指令)。[0035]如果來自操作員控制臺52的轉矩控制信號的值為使得該信號代表馬達驅動指令，則控制邏輯85轉入框88，在此電子控制器50查詢和/或計算(例如，判斷)蓄壓器30中的壓力P是否大于壓力P.。壓力Pmin等于蓄壓器30中足以允許蓄壓器30被用作用于驅動可變排量泵/馬達28的壓力源以滿足馬達驅動指令的最低壓力和/或閾值壓力。如果壓力P大于PMIN，則控制邏輯85轉入框89，其中液壓回路構型20被置于蓄壓器排出模式(參看圖4)下，在該模式下，來自蓄壓器30的壓力被用于驅動可變排量泵/馬達28以引起軸82和聯接到軸82的負載的旋轉。
[0036]返回參照框88，如果蓄壓器壓力P小于PMIN，則控制邏輯85轉入框90，在此液壓回路構型20被置于圖2的泵驅動模式下。在泵驅動模式下，從泵22輸出的加壓液壓流體被用來提供用于驅動可變排量泵/馬達28以驅動軸82和連接到軸82的負載的旋轉(例如，使軸轉速加速或維持軸轉速)的液壓流體流。隨著軸82被驅動，電子控制器50控制旋轉斜盤80的位置以在輸入/輸出軸82處提供一輸出轉矩，該輸出轉矩提供由來自操作員接口52的轉矩控制信號決定的軸驅動水平。旋轉斜盤80的位置和因而驅動水平由控制器50控制并且取決于從操作員接口 52接收的轉矩控制信號的值和泵/馬達28的當前實時運轉狀態(例如，由傳感器95感測出的輸入/輸出軸82的旋轉速度和旋轉方向、跨泵/馬達28的壓差、當前旋轉斜盤位置、當前流量等)。
[0037]返回參照框87，如果轉矩控制信號的值為使得轉矩控制信號對應于減速指令，則控制邏輯轉入框92，在此電子控制器50將液壓回路構型置于圖3的充入模式下。在該充入模式下，泵/馬達28可以用于制動軸82以使軸82和聯接到軸82的負載的旋轉減速。與連接到軸82的負載的減速對應的能量通過利用該能量(例如，慣性能量)來對蓄壓器30進行充入(例如，通過使用泵/馬達28將流體泵送到蓄壓器30中)而被回收。隨著軸82被制動，電子控制器50控制旋轉斜盤80的位置以在輸入/輸出軸82提供一輸入轉矩，該輸入轉矩提供由來自操作員接口 52的轉矩控制信號決定的軸制動水平。旋轉斜盤80的位置和因而制動水平由控制器50控制并且取決于從操作員接口 52接收的轉矩控制信號的值和泵/馬達28的當前實時運轉狀態(例如，由傳感器95感測出的輸入/輸出軸82的旋轉速度和旋轉方向、跨泵/馬達28的壓差、當前旋轉斜盤位置、當前流量等)。通過利用旋轉斜盤80位置來控制減速，最大限度地減少或消除了對節流的需求，由此提高了流體系統10的總效率。電子控制器50遍及整個控制邏輯85連續監視從操作員接口 52接收的轉矩控制信號和傳感器(例如，壓力傳感器55、57和59)，使得流體系統10可以迅速對操作員接口指令的變化作出響應。
[0038]在某些實施例中，電子控制器50與存儲器81 (例如，隨機存取存儲器、只讀存儲器或其它數據儲存裝置)接口，所述存儲器儲存算法、查找表、查找圖、查找圖表、控制模型、經驗數據、控制映射圖、或可以被訪問以用于控制液壓回路構型20的運轉的其它信息。例如，控制模型可以儲存在存儲器中并由控制器50用于考慮從操作員接口 52接收的轉矩控制信號的值以及軸82的當前轉速和方向來確定輸入/輸出軸82處需要的轉矩水平。旋轉斜盤80的位置可以取決于從操作員接口 52接收的轉矩控制信號的值、可變排量泵/馬達28的輸入/輸出軸82的轉速、跨可變排量泵/馬達28的壓差和可變排量泵/馬達28的當前排量。應理解的是，壓差隨著由泵22或蓄壓器30向可變排量泵/馬達28提供/跨可變排量泵/馬達28的流量而變化。[0039]用于控制液壓回路構型20的示例性模型在圖8中示出。圖8示出了控制映射圖表層，其中Z軸代表轉矩指令，并且X和y軸分別代表操縱桿信號(即，來自操作員界面的轉矩控制信號)和感測出的可變排量泵/馬達28的輸入/輸出軸82的轉速。操縱桿信號的值由設置于操作員接口 52的操縱桿的位置決定。操縱桿由操作員移動以控制液壓系統的運轉。操縱桿被移動到正位置以引起泵/馬達28的順時針旋轉，并且被移動到負位置以引起泵/馬達28的逆時針旋轉。
[0040]馬達速度由控制器50從轉速傳感器95接收的數據決定。因而，馬達轉速代表軸82在特定的操縱桿指令被接收時實際的實時轉速和方向。如圖所示，順時針旋轉為正且逆時針旋轉為負。控制器50還可以監視跨泵/馬達28的壓差。
[0041]轉矩值/指令代表考慮軸82實際的實時速度和方向達到與操縱桿位置對應的運轉條件所需的轉矩量。圖8所示的控制映射圖表層提供了轉矩值和/或轉矩指令值的映射。該映射圖表層的頂部水平面代表最大順時針轉矩(例如，順時針轉矩的飽和極限)并且該脈譜圖表層的底部水平面代表最大逆時針轉矩(例如，逆時針轉矩的飽和極限)。頂部和底部平面之間的一個或多個傾斜表面代表最大轉矩值之間的過渡轉矩值。
[0042]在控制系統的使用中，操作員將操縱桿移動到與泵/馬達28的期望運轉狀態對應的操縱桿位置。基于操縱桿位置和感測出的軸82的轉速由控制模型(即，轉矩映射)來確定要施加于軸82的轉矩的量和方向。一旦確定轉矩，控制器便相應地調節旋轉斜盤80以提供由控制模型決定的轉矩水平。如果基于來自操縱桿的轉矩控制信號的值以及軸82的當前轉速和方向確定的轉矩指令具有與正施加于軸82的當前實時轉矩相同的方向(例如，兩種轉矩都在順時針方向上或者兩種轉矩都在逆時針方向上)，那么轉矩指令為馬達驅動指令。這種情況下，操縱桿的位置產生與馬達驅動指令對應的轉矩控制信號。如果基于來自操縱桿的轉矩控制信號的值以及軸82的當前轉速和方向確定的轉矩指令具有與正施加于軸82的當前實時轉矩相反的方向(例如，一種轉矩具有順時針方向且另一種轉矩具有逆時針方向)，那么轉矩指令為減速指令。這種情況下，操縱桿的位置產生與減速指令對應的轉矩控制信號。
[0043]在一優選實施例中，控制映射圖配置成引起流體系統10模擬或仿效常規流體系統(B卩，基本管路系統)。流體系統10的運轉特性可以通過重新配置流體系統10的控制映射圖來修改。流體系統10的特性由此可以在硬件的變化最小或無變化的情況下進行修改、定制等。
[0044]在某些實施例中，泵22可以由電子控制器50使用負流量控制(NFC)泵控制策略來控制。在一優選實施例中，該控制映射圖配置成引起流體系統10模擬或仿效使用NFC泵控制策略的常規流體系統。跨泵/馬達28的液壓流量可以通過負流量控制泵策略、負載壓力和設置于定向流量控制閥32的控制閥孔口面積控制。電子控制器50可以將閥32控制成在閥32處提供期望的孔口面積。
[0045]本文中公開的系統的方面有利于通過減小所需的硬件開發量并通過允許系統根據特定操作員的偏好進行定制而不需要大量硬件開發的“感覺”來將系統投放到市場。
[0046]在一個示例性實施例中，液壓回路構型20結合到諸如挖掘機的一件移動式挖掘設備中。例如，圖9和10示出了包括被支承在底架110上的上部結構112的示例性挖掘機100。底架110包括用于將挖掘機100承載在地面上的推進結構。例如，底架110可以包括左、右履帶。上部結構112可圍繞樞轉軸線108 (即，擺動/回轉軸線)相對于底架110樞轉移動。在某些實施例中，液壓回路構型20的可變排量泵/馬達28可以被用作用于使上部結構112相對于底架110繞擺動軸線108樞轉的回轉馬達。
[0047]上部結構112可以支承和承載原動機24并且還可以包括駕駛室125，操作員接口52設置在所述駕駛室中。動臂102由上部結構112承載并通過動臂缸102c在升起位置和降下位置之間樞轉移動。在某些實施例中，動臂缸102c可以是第二負載回路26b的一部分。斗桿(arm)104樞轉地連接到動臂102的遠端。斗桿缸104c用于使斗桿104相對于動臂102樞轉。在某些實施例中，斗桿缸104c可以是液壓回路構型20的又一負載回路(即，與回路26b相似的回路)的一部分。挖掘機100還包括樞轉地連接到斗桿104的遠端的鏟斗106。鏟斗缸106c用于使鏟斗106相對于斗桿104樞轉。在某些實施例中，缸106c可以是液壓回路構型20的又一負載回路(即，與回路26b相似的回路)的一部分。在某些實施例中，第三負載回路26c可以驅動用于推進推進系統的左和/或右驅動履帶的液壓馬達114。
[0048]許多常規挖掘機器使用加壓液壓流體來向該挖掘機器的線性致動器(例如，液壓缸)和旋轉致動器(例如，液壓馬達)提供動力。常規挖掘機器具有示例性挖掘機100的許多特征。線性致動器可驅動挖掘機器的各種聯動裝置。例如，動臂聯動裝置、斗桿聯動裝置和鏟斗聯動裝置均可由專用液壓缸或分別由諸如液壓缸102c、104c、106c的缸驅動。旋轉致動器可驅動跨挖掘機器的各種旋轉接頭的相對運動。例如，回轉馬達可繞挖掘機器的擺動軸線驅動底架和上部結構之間與回轉接頭108相似的回轉接頭，并且履帶馬達114可驅動挖掘機器的履帶傳動裝置116。
[0049]流體系統10可以配置成(例如，通過配置控制映射圖)使得示例性挖掘機100模仿常規挖掘機器。通過模仿常規挖掘機器，熟悉常規挖掘機器的操作的操作員可依賴于以前的操作經驗以高生產率操作挖掘機100。
[0050]如上文詳細所述，本發明提供了一種用于在加壓液壓流體和致動器之間有效地傳遞動力的方法。特別地，本發明的流體系統10將來自加壓液壓流體的動力有效地傳遞到旋轉致動器(例如，可變排量泵/馬達28)并且將動力從旋轉致動器(例如，可變排量泵/馬達28)有效地傳遞到加壓液壓流體。此外，本發明的方法和流體系統10有效地儲存經由加壓液壓流體從旋轉致動器到液壓蓄壓器30的動力，并且從液壓蓄壓器30有效地取得動力并經由加壓液壓流體將其傳送到旋轉致動器。在所示實施例中，旋轉致動器用作挖掘機的回轉馬達。
[0051]在常規挖掘機器中，加壓液壓流體典型地通過從液壓儲器(即，液壓罐)抽吸低壓液壓流體的液壓泵加壓。該液壓泵典型地由原動機(例如，柴油發動機)提供動力。隨著動力通過加壓液壓流體傳送到特定致動器，流過該致動器的加壓液壓流體的壓力降低。在液壓流體流過致動器時，液壓流體在低壓力下回到液壓儲器。液壓流體可經過熱交換器以從液壓流體散熱。隨著液壓流體在閉環中的泵、一個或多個致動器和液壓儲器之間循環，形成了液壓回路。
[0052]在所示實施例中，加壓液壓流體通過從液壓儲器44 (例如，液壓罐)抽吸低壓液壓流體的泵22加壓。泵22由此向加壓液壓流體提供液力。泵22又由原動機24(例如，柴油發動機)提供動力。來自泵22的液壓動力可以通過加壓液壓流體選擇性地傳送到一定數量的致動器，如上所述。[0053]如圖所示，旋轉致動器和線性致動器經由控制閥液壓地連接到泵22。其它致動器可進一步液壓地連接到泵22。旋轉致動器可包括例如履帶馬達114 (即，右履帶馬達或左履帶馬達)。線性致動器可包括例如動臂聯動裝置液壓缸102c、斗桿聯動裝置液壓缸104c、和/或鏟斗聯動裝置液壓缸106c。隨著液壓動力被傳送，流過一個或多個致動器的加壓液壓流體的壓力降低。在液壓流體流過致動器時，液壓流體以低壓力回到液壓儲器44。液壓流體可經過熱交換器以從液壓流體散熱。隨著液壓流體在閉環中的泵22、一個或多個致動器和液壓儲器44之間循環，形成了液壓回路。
[0054]如上文詳細所述，旋轉致動器(例如，可變排量泵/馬達28)可以與泵22隔離并改為接收來自液壓蓄壓器30的液壓動力。旋轉致動器還將液壓動力傳送到液壓蓄壓器30。旋轉致動器還可轉移(dump)跨一個或多個減壓閥的液力(例如，當液壓蓄壓器30已達到其能量儲存能力時)。減壓閥的減壓設置可有效地限定流體系統10的控制映射圖的頂部和底部極限。
[0055]液壓回路中特定的旋轉液壓構件(例如，液壓泵、液壓馬達、或液壓泵/馬達)典型地具有兩個主端口(即，第一端口和第二端口)。在液壓泵和液壓馬達中，第一端口可以是輸入端口，而第二端口可以是輸出端口，并且液壓流體典型地從輸入端口流到輸出端口。某些可變排量液壓泵/馬達(例如，可變排量泵/馬達28)可以通過調節可變排量液壓泵/馬達內的旋轉斜盤來改變排量并且還可以逆轉流體流動方向和輸入/輸出軸旋轉方向之間的關系。此類雙端口旋轉液壓構件典型地在第一端口和第二端口具有基本相同的流量。兩個端口處的流量的細微差異可以是由例如旋轉液壓構件的內部泄漏所引起的。
[0056]該液壓回路的任意點處的兩個基本變量為液壓壓力和流量。液壓壓力和流量的乘積大致與液壓回路中的特定點的可用功率相關。由于在特定旋轉液壓構件的兩個端口之間流量基本相同，因此通過加壓液壓流體傳送到特定旋轉液壓構件或從特定旋轉液壓構件接收的功率與通過該特定旋轉液壓構件的流量和該特定旋轉液壓構件的兩個端口處的液壓壓力之差(即，壓力下降或壓力上升)的乘積基本相等。如果該特定旋轉液壓構件的兩個端口處的液壓壓力之差沿液壓流體流動方向減小，則正在發生壓力下降并且該特定旋轉液壓構件正在接收來自加壓液壓流體的動力。如果該特定旋轉液壓構件的兩個端口處的液壓壓力之差沿液壓流體流動方向增大，則正在發生壓力上升并且該特定旋轉液壓構件正在向加壓液壓流體傳送動力。在加壓液壓流體和特定旋轉液壓構件之間傳遞的動力的特定部分(通常為小部分)由于特定旋轉液壓構件的低效率而熱損失。
[0057]某些旋轉液壓構件與專用液壓回路中的另一旋轉液壓構件或多個旋轉液壓構件匹配。例如，靜液壓傳動裝置典型地包括液壓地聯接到專用馬達或一組專用馬達的專用泵。在這種匹配的成組旋轉液壓構件中，液壓壓力和流量與一個或多個馬達上的外部負載連續匹配。這典型地利用可變排量泵來完成。在這種匹配的成組旋轉液壓構件中，熱損失的液壓動力的部分可基本局限于特定旋轉液壓構件的低效率以及連接旋轉液壓構件的各種管道和軟管中的流體摩擦。
[0058]在某些液壓系統(例如，流體系統10和常規挖掘機的液壓系統)中，無直接關聯的兩個或更多個旋轉液壓構件之間共用某些旋轉液壓構件。例如，在常規挖掘機器中，回轉馬達和履帶馬達可共用共同的泵。共同的泵還可由其它液壓構件(例如，液壓缸)共用。在此類成組的液壓構件中，共用的泵的液壓壓力和/或流量可以不必與任一個或兩個馬達(例如，回轉馬達和履帶馬達)上的外部負載或其它液壓構件上的外部負載匹配。為了使泵的液力與各馬達和各個其它液壓構件共同要求的液力匹配，通向和/或來自各馬達和/或各個其它液壓構件的液壓流體流可例如通過節流閥在常規液壓系統中進行節流。相比之下，可變排量泵/馬達28典型地除了在蓄壓器30充滿時以外不需要進行節流。為了減少或消除此類蓄壓器30充滿的狀況，蓄壓器30可以考慮挖掘機100的工作周期適當地確定尺寸。蓄壓器30的尺寸可以基于能量節省的經濟性與加大蓄壓器30的尺寸的成本的權衡來選擇。
[0059]與旋轉液壓構件一樣，在特定節流閥的兩個端口之間流量基本相同。通過加壓液壓流體傳送到節流閥的動力與通過節流閥的流量和節流閥的兩個端口處的液壓壓力之差的乘積基本相等。在節流閥的情況下，兩個端口處的液壓壓力之差為壓力下降(即，壓力沿液壓流體流動方向降低)。通過加壓液壓流體傳送到節流閥的動力轉化為熱并且典型地被浪費。廢熱典型地必須通過挖掘機器的冷卻系統去除。
[0060]在常規挖掘機中，節流影響挖掘機的運轉性能。在本發明中，流體系統10和挖掘機100在致動擺動驅動裝置并使用擺動驅動裝置回收慣性能量的狀態下在不節流的情況下模仿常規挖掘機。
[0061]流體系統10向液壓負載提供了并列的動力源(即，泵22和蓄壓器30)。流體系統10由此可向集合的液壓負載供給更多總功率。對于特定尺寸的原動機24，這可獲得挖掘機100的更高性能。替換地，原動機24可縮減尺寸并且挖掘機100可實現與常規挖掘機相同或相似的性能。
[0062]本發明的各種改型和變型對本領域的技術人員來說將變得明顯而不脫離本發明的范圍和精神，并且應理解的是，本發明的范圍不會不適當地局限于本文中陳述的說明性的實施例。
【權利要求】
1.一種適合回收慣性能量的液壓系統，所述液壓系統包括: 栗; 可變排量泵/馬達，所述可變排量泵/馬達具有適合于連接到負載的輸入/輸出軸； 蓄壓器； 閥裝置，所述閥裝置可在以下模式下操作:a)第一模式，其中所述可變排量泵/馬達由所述泵驅動以使所述輸入/輸出軸和所述負載旋轉；b)第二模式，其中所述可變排量泵/馬達利用來自所述負載的減速的慣性能量來對所述蓄壓器進行充入；和c)第三模式，其中所述可變排量泵/馬達由所述蓄壓器驅動以使所述輸入/輸出軸和所述負載旋轉；和 控制器，所述控制器用于控制所述泵、所述可變排量泵/馬達和所述閥裝置的運轉。
2.根據權利要求1所述的液壓系統，其中，所述控制器控制所述可變排量泵/馬達的運轉以控制經所述可變排量泵/馬達的所述輸入/輸出軸傳遞的轉矩。
3.根據權利要求1所述的液壓系統，還包括操作員接口，所述操作員接口用于向所述控制器輸入轉矩控制信號以控制所述輸入/輸出軸的旋轉方向以及控制所述輸入/輸出軸的轉速。
4.根據權利要求3所述的液壓系統，其中，當所述轉矩控制信號對應于減速指令時，所述控制器使所述閥裝置轉入所述第二模式，并且其中所述可變排量泵/馬達在所述閥裝置處于所述第二模式時提供泵送和制動功能。
5.根據權利要求1所述的液壓系統，其中，所述可變排量泵/馬達包括旋轉斜盤，并且其中所述控制器控制所述旋`轉斜盤的位置以控制在制動期間經所述可變排量泵/馬達的輸入/輸出軸傳遞的轉矩。
6.根據權利要求5所述的液壓系統，其中，所述旋轉斜盤為過心式旋轉斜盤。
7.根據權利要求3所述的液壓系統，還包括存儲器，所述存儲器儲存限定所述轉矩控制信號的值、所述可變排量泵/馬達的所述輸入/輸出軸的感測轉速、和經所述可變排量泵/馬達傳遞的轉矩之間的關系的控制模型，并且其中所述控制器使用所述控制模型來決定將要經所述輸入/輸出軸傳遞的轉矩的量。
8.根據權利要求7所述的液壓系統，其中，所述控制器與感測所述輸入/輸出軸的轉速的速度傳感器相互聯系。
9.根據權利要求1所述的液壓系統，其中，所述控制器與感測跨所述可變排量泵/馬達的壓力差的壓力傳感器裝置相互聯系。
10.根據權利要求3所述的液壓系統，還包括用于感測所述蓄壓器的充入壓力的壓力傳感器，其中所述控制器僅在所述充入壓力大于預定閾值壓力時使所述閥裝置轉入所述第三模式。
11.根據權利要求1所述的液壓系統，其中，所述可變排量泵/馬達使挖掘機的上部結構相對于所述挖掘機的底架圍繞擺動軸線樞轉，并且其中所述上部結構包括挖掘動臂。
12.根據權利要求11所述的液壓系統，其中，所述泵還驅動用于使所述挖掘動臂上下樞轉的液壓缸。
13.根據權利要求12所述的液壓系統，其中，所述泵還驅動為所述底架的履帶提供動力的液壓馬達。
14.根據權利要求3所述的液壓系統，其中，所述可變排量泵/馬達包括旋轉斜盤，并且其中所述控制器響應于所述轉矩控制信號的值而調節所述旋轉斜盤的位置以改變經所述輸入/輸出軸施加的轉矩。
15.一種用在挖掘機器上的液壓擺動驅動裝置，所述液壓擺動驅動裝置促使所述挖掘機器的挖掘結構的加速和減速，所述液壓擺動驅動裝置包括: 液壓泵，所述液壓泵對泵供給管路中的液壓流體產生泵壓力； 具有在蓄壓器壓力下的液壓流體的蓄壓器，所述蓄壓器與蓄壓器管路流體連通； 具有液壓流體的罐，所述罐與罐管路流體連通； 可變排量泵/馬達，所述可變排量泵/馬達促使所述挖掘結構的加速和減速，所述可變排量泵/馬達與所述可變排量泵/馬達的第一管路和第二管路流體連通；和 閥裝置，當所述蓄壓器壓力大于閾值壓力并且所述挖掘結構的加速被請求時，所述閥裝置選擇性地將所述蓄壓器管路與所述可變排量泵/馬達的所述第一管路連接并且選擇性地將所述罐管路與所述可變排量泵/馬達的所述第二管路連接，當所述蓄壓器壓力小于或等于所述閾值壓力并且所述挖掘結構的加速被請求時，所述閥裝置選擇性地將所述泵供給管路與所述可變排量泵/馬達的所述第一管路連接并且選擇性地將所述罐管路與所述可變排量泵/馬達的所述第二管路連接，當所述挖掘結構的減速被請求并且希望蓄壓器充入時，所述閥裝置選擇性地將所述蓄壓器管路與所述可變排量泵/馬達的所述第二管路連接并且選擇性地將所述罐管路與所述可變排量泵/馬達的所述第一管路連接。
16.根據權利要求15所述的液壓擺動驅動裝置，其中，當所述挖掘結構的減速被請求并且不希望蓄壓器充入時，所述閥裝置選擇性地將節流裝置與所述可變排量泵/馬達的所述第二管路連接并且選擇性地將所述罐管路與所述可變排量泵/馬達的所述第一管路連接。
17.根據權利要求15所述的液壓擺動驅動裝置，其中，所述可變排量泵/馬達是過心式可變排量泵/馬達。
18.根據權利要求17所述的液壓擺動驅動裝置，還包括控制器和操作員接口，所述操作員接口在所述挖掘結構的加速被請求時生成加速請求信號，所述操作員接口在所述挖掘結構的減速被請求時生成減速請求信號，所述控制器接收所述加速請求信號和減速請求信號，并且當所述控制器接收加速或減速請求信號時，所述控制器向所述閥裝置發送至少一個閥信號。
19.根據權利要求18所述的液壓擺動驅動裝置，其中，所述加速請求信號和減速請求 號是比例請求?目號。
20.根據權利要求19所述的液壓擺動驅動裝置，其中，所述控制器向所述過心式可變排量泵/馬達發送至少部分由所述比例請求信號計算出的排量信號。
【文檔編號】B66C13/28GK103717808SQ201280039277
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年8月8日 優先權日:2011年8月12日
【發明者】A·H·雅各達 申請人:伊頓公司