具有能量回收的液壓系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于機器(10)的液壓系統(tǒng)(50)。該液壓系統(tǒng)可具有配置為對流體加壓的泵(58)、由加壓流體驅(qū)動以使機器的主體(38)相對于底架(16)擺動的擺動馬達(44)和流體連接泵和擺動馬達的第一回路(56)。該液壓系統(tǒng)還可具有機械連接到擺動馬達上的能量回收馬達(130)、至少一個蓄能器(132)和流體連接至少一個蓄能器和能量回收馬達的第二回路(60)。
【專利說明】具有能量回收的液壓系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總的涉及一種液壓系統(tǒng)，更具體而言，涉及一種具有能量回收的液壓系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 諸如挖掘機、拉鏟挖土機、起重機、裝載機以及其他種類的重型設(shè)備的機器使用一 個或多個液壓致動器來運動作業(yè)工具。這些致動器流體連接到機器上的泵，該泵向致動器 內(nèi)的腔提供加壓流體。當(dāng)加壓流體運動進入或者通過腔時，流體壓力作用在這些腔的液壓 表面上以影響致動器以及相連作業(yè)工具的運動。當(dāng)加壓流體從腔內(nèi)排出時，其返回到機器 上的低壓貯油槽。
[0003] 與這類液壓裝置有關(guān)的一個問題包括效率。特別是，從致動器腔排到貯油槽的流 體具有比已在貯油槽內(nèi)的流體壓力更大的壓力。因此，排入貯油槽的較高壓流體仍舊蘊藏 在進入低壓貯油槽時浪費的一些能量。浪費的能量降低了液壓系統(tǒng)的效率。
[0004] 改進這種液壓系統(tǒng)效率的一個方法記載在2011年3月22日授予張某等人的美國 專利No. 7, 908, 852(' 852號專利）內(nèi)。' 852號專利公開了一種液壓系統(tǒng)，其將擺動馬達操 作產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換為水力勢能并將該勢能再次用于隨后的擺動馬達加速。該液壓系統(tǒng)包括 存儲來自擺動馬達的排出油的蓄能器，排出油通過施加到運動的擺動馬達上的慣性扭矩進 行加壓。然后蓄能器內(nèi)的加壓油選擇性地供給回到擺動馬達以使馬達加速。
[0005] 雖然與常規(guī)液壓系統(tǒng)相比'852號專利的系統(tǒng)已經(jīng)改進了效率，但仍舊不是最理 想的。特別是，因為' 852號專利的系統(tǒng)積聚了來自擺動馬達的排出油并將積聚的油直接返 回到擺動馬達，必須小心以幫助確保油具有有助于捕集和再次使用的壓力。這種小心會造 成具有有限功能的更復(fù)雜和/或更昂貴的系統(tǒng)。
[0006] 公開的液壓系統(tǒng)是要克服如上闡述的一個或多個問題和/或本領(lǐng)域中已知的其 它問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的一個方面涉及一種用于機器的液壓系統(tǒng)。該液壓系統(tǒng)可包括配置為對流 體加壓的泵、由加壓流體驅(qū)動以使機器主體相對于底架擺動的擺動馬達和流體連接泵和擺 動馬達的第一回路。該液壓系統(tǒng)還可包括機械連接到擺動馬達上的能量回收馬達、至少一 個蓄能器和流體連接所述至少一個蓄能器和能量回收馬達的第二回路。
[0008] 本發(fā)明的另一個方面涉及一種回收機器中能量的方法。該方法可包括對第一回路 中的流體加壓，以及利用加壓流體使機器主體相對于底架擺動。該方法還可包括利用機器 主體的擺動來使第二回路中的流體加壓以及存儲在第二回路中加壓的流體。該方法可進一 步包括選擇性地將存儲流體從第二回路引導(dǎo)以擺動機器主體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是示例性公開機器的示意圖；
[0010] 圖2是可與圖1中的機器一起使用的、示例性公開的液壓系統(tǒng)的示意圖；
[0011] 圖3是可與圖1中的機器一起使用的、另一個示例性公開的液壓系統(tǒng)的一部分的 不意圖；和
[0012] 圖4是可與圖1中的機器一起使用的、又一個示例性公開的液壓系統(tǒng)的一部分的 示意圖。

【具體實施方式】
[0013] 圖1圖示出具有相互配合以完成任務(wù)的多個系統(tǒng)和元件的示例性機器10。機器 10可具體體現(xiàn)為固定式或者移動式機器，其進行與例如采礦、建筑、耕種、運輸?shù)男袠I(yè)或者 本領(lǐng)域中已知的別的行業(yè)有關(guān)的某種類型的操作。例如，機器10可以是土工機器，諸如挖 掘機（圖示于圖1中）、拉鏟挖土機、前鏟斗、反鏟挖掘機或者別的土工機器。機器10可包 括被配置為運動作業(yè)工具14的執(zhí)行系統(tǒng)12、用于推進機器10的驅(qū)動系統(tǒng)16和為執(zhí)行系統(tǒng) 12和驅(qū)動系統(tǒng)16提供動力的動力源18。
[0014] 執(zhí)行系統(tǒng)12可包括通過流體致動器作用來運動作業(yè)工具14的連接結(jié)構(gòu)。具體地 說，執(zhí)行系統(tǒng)12可包括吊桿22,該吊桿能夠通過一對相鄰的雙作用液壓缸26(只有一個圖 示于圖1中）相對于工作表面24繞水平軸線（未示出）堅直樞轉(zhuǎn)。執(zhí)行系統(tǒng)12還可包括 通過單個雙作用液壓缸32繞水平軸線30堅直樞轉(zhuǎn)的斗桿（stick) 28。執(zhí)行系統(tǒng)12可進一 步包括單個雙作用液壓缸34,其可操作地連接在斗桿28和作業(yè)工具14之間以繞水平樞轉(zhuǎn) 軸線36堅直樞轉(zhuǎn)作業(yè)工具14。吊桿22可樞轉(zhuǎn)連接到機器10的主體38上。主體38可通 過液壓擺動馬達44繞堅直軸線42相對于底架40樞轉(zhuǎn)。斗桿28可通過軸線30和36樞轉(zhuǎn) 連接吊桿22和作業(yè)工具14。應(yīng)當(dāng)注意的是，執(zhí)行系統(tǒng)12的其他結(jié)構(gòu)也是可能的。
[0015] 每個液壓缸26、32和34可包括管道和被設(shè)置為形成兩個分隔壓力腔（例如頭腔 和桿腔）的活塞總成（未示出）。壓力腔可選擇性地供以加壓流體和排出加壓流體以使活 塞總成在管道內(nèi)位移，由此改變液壓缸26、32、34的有效長度。進出壓力腔的流體流速可與 液壓缸26、32、34的速度有關(guān)，而兩個壓力腔之間的壓差可與通過液壓缸26、32、34施加在 相關(guān)連接元件上的力有關(guān)。液壓缸26、32、34的伸展和縮進起到幫助作業(yè)工具14運動的功 能。
[0016] 數(shù)目眾多的不同作業(yè)工具14可附接到單個機器10并能夠由操作者控制。作業(yè)工 具14可包括用來執(zhí)行特定任務(wù)的任一設(shè)備，舉例來說，例如鏟斗、叉形裝置、葉片、鏟子、松 土器、卸料床、路刷（broom)、吹雪機、推進設(shè)備、切割設(shè)備、夾持設(shè)備或者本領(lǐng)域中已知的任 何一種其他執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備。雖然在圖1的實施例中相連以在堅直方向上相對于機器10 的主體38樞轉(zhuǎn)，作業(yè)工具14可替換地或者另外地轉(zhuǎn)動、滑動、擺動、提升或者以本領(lǐng)域中已 知的任何一種其他方式運動。
[0017] 擺動馬達44像液壓缸26、32、34 -樣可由流體壓差驅(qū)動。具體地說，擺動馬達44 可包括位于葉輪（未示出）任一側(cè)的第一腔和第二腔（未示出）。當(dāng)?shù)谝磺惶畛浼訅毫黧w 并且第二腔排出流體時，促使葉輪沿第一方向轉(zhuǎn)動。相反地，當(dāng)?shù)谝磺慌懦隽黧w并且第二腔 填充加壓流體時，可促使葉輪沿相反方向轉(zhuǎn)動。進出第一腔和第二腔的流體流速可確定擺 動馬達44的輸出轉(zhuǎn)動速度，而葉輪上的壓差可確定輸出轉(zhuǎn)矩。
[0018] 驅(qū)動系統(tǒng)16可包括被提供動力以推進機器10的一個或多個牽引設(shè)備。在所公開 的實施例中，驅(qū)動系統(tǒng)16包括位于機器10 -側(cè)的左側(cè)履帶46L和位于機器10的相對側(cè)的 右側(cè)履帶46R。左側(cè)履帶46L可由左側(cè)行駛馬達48L驅(qū)動，而右側(cè)履帶46R可由右側(cè)行駛馬 達48R驅(qū)動?？梢灶A(yù)期的是，驅(qū)動系統(tǒng)16可替換地包括除了履帶之外的牽引設(shè)備，諸如輪、 皮帶或者其他已知的牽引設(shè)備。機器10可通過在左右側(cè)行駛馬達48L、48R之間產(chǎn)生速度 和/或轉(zhuǎn)動方向差進行轉(zhuǎn)向，而直線行駛可通過從左右側(cè)行駛馬達42L、42R產(chǎn)生大體相等 的輸出速度和轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)。
[0019] 類似于擺動馬達44,左右側(cè)行駛馬達48L、48R中的每一個都通過形成流體壓差來 驅(qū)動。具體來說，左右側(cè)行駛馬達48L、48R中的每一個都可包括位于葉輪（未示出）任一 側(cè)的第一腔和第二腔（未示出）。當(dāng)?shù)谝磺惶畛浼訅毫黧w并且第二腔排出流體時，可促使葉 輪沿第一方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的牽引裝置。相反地，當(dāng)?shù)谝磺慌懦隽黧w并且第二腔填充加壓流體 時，可促使相應(yīng)的葉輪沿相反方向轉(zhuǎn)動牽引裝置。進出第一腔和第二腔的流體流速可確定 左右側(cè)行駛馬達48L、48R的轉(zhuǎn)動速度，而腔之間的壓差可確定轉(zhuǎn)矩。
[0020] 動力源18可具體為發(fā)動機，例如，諸如柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機、氣體燃料動力發(fā) 動機或者本領(lǐng)域中已知的任何其它類型的內(nèi)燃發(fā)動機。可以預(yù)期的是，動力源18可選擇地 具體為非燃燒動力源，諸如燃料電池、儲能設(shè)備或者本領(lǐng)域中已知的其它來源。動力源18 可產(chǎn)生機械或者電力輸出，該輸出隨后可轉(zhuǎn)換為液壓動力用來運動液壓缸26、32、34和左 右側(cè)行駛馬達以及擺動馬達48L、48R、44。
[0021] 正如圖2所示，機器10可包括液壓系統(tǒng)50,其具有相互配合以運動作業(yè)工具 14(參考圖1)和機器10的多個流體部件。特別是，液壓系統(tǒng)50可包括被配置為從第一源 54接收第一加壓流體流的第一回路52、被配置為從第二源58接收第二加壓流體流的第二 回路56和被配置為選擇性地利用第二回路56傳遞能量的第三回路60。第一回路52可包 括吊桿控制閥62、鏟斗控制閥64和平行連接以接收第一加壓流體流的左側(cè)行駛控制閥66。 第二回路56可包括右側(cè)行駛控制閥68、斗桿控制閥70和平行連接以接收第二加壓流體流 的擺動控制閥72。第三回路60可包括蓄能器控制閥74。可以預(yù)期的是，附加的控制閥機 構(gòu)可包括在第一回路52、第二回路56和/或第三回路60中，例如，諸如一個或多個連接控 制閥及其他合適的控制閥機構(gòu)。
[0022] 第一源54和第二源58可被配置為從一個或多個箱76吸入流體并將流體加壓到 需要級別。具體來說，第一源54和第二源58中的每一個都可具體為泵送機構(gòu)，舉例來說， 諸如變量泵（圖2中所示）、定量泵或者本領(lǐng)域中任一其他源。第一源54和第二源58可 各自獨立并且可驅(qū)動地連接到機器10的動力源18上，例如通過對軸（未示出）、皮帶、電 路（未示出）或者以任何其它種合適的方式?？蛇x擇地，第一源54和第二源58中的每一 個都可經(jīng)由轉(zhuǎn)矩變換器、減速齒輪箱、電路或者任何其他合適的方式間接連接到動力源18 上。第一源54可產(chǎn)生與通過第二源58產(chǎn)生的第二加壓流體流獨立的第一加壓流體流。第 一源54和第二源58的輸出可處于不同的壓力級別和流速并且可至少部分地通過第一回路 52和第二回路56中的流體壓力確定。
[0023] 箱76可構(gòu)成被配置為容納供給流體的容器。流體可包括，例如，專用液壓油、發(fā)動 機潤滑油、變速器潤滑油或者本領(lǐng)域內(nèi)已知的任何其他流體。機器10內(nèi)的一個或多個液壓 系統(tǒng)可從箱76吸入流體并將流體返回到箱76?？梢灶A(yù)期的是，按照要求，液壓系統(tǒng)50可連 接到多個獨立的流體箱或者單個箱。
[0024] 吊桿控制閥、鏟斗控制閥、右側(cè)行駛控制閥、左側(cè)行駛控制閥、斗桿控制閥和擺動 控制閥62-74中的每一個都可調(diào)整其涉及的流體致動器的運動。具體來說，吊桿控制閥62 可具有可運動以控制與吊桿22相連的液壓缸26的運動的元件；鏟斗控制閥64可具有可運 動以控制與作業(yè)工具14相連的液壓缸34的運動的元件；斗桿控制閥70可具有可運動以控 制與斗桿28相連的液壓缸32的運動的元件；以及擺動控制閥72可具有可運動以控制主 體38繞堅直軸線42的擺動的元件。同樣地，左側(cè)行駛控制閥66可具有可運動以控制左側(cè) 行駛馬達48L的運動的閥元件，同時右側(cè)行駛控制閥68可具有可運動以控制右側(cè)行駛馬達 48R的運動的元件。
[0025] 第一回路52和第二回路56的控制閥可允許加壓流體經(jīng)由共同通道流向其相應(yīng)的 致動器并從相應(yīng)的致動器排出。具體來說，第一回路52的控制閥可通過第一供給通道78 連接到第一源54,并且通過第一排出通道80連接到箱76。第二回路56的控制閥可同樣通 過第二供給通道82連接到第二源58,并且通過第二排出通道84連接到箱76。第一排出通 道80和第二排出通道84可連接到終止于箱76的共用排出通道86。吊桿控制閥、鏟斗控制 閥和左側(cè)行駛控制閥62-66可分別通過單獨的流體通道88、90、92平行連接到第一供給通 道78,并且可分別通過單獨的流體通道94、96、98平行連接到第一和/或共用排出通道80、 86。類似地，右側(cè)行駛控制閥、斗桿控制閥和擺動控制閥68-72可分別通過單獨的流體通道 100、102、104平行連接到第二供給通道82,并且可分別通過單獨的流體通道106、108、110 平行連接到第二和/或共用排出通道84、86?？梢灶A(yù)期的是，如果需要的話，止回閥（未示 出）可設(shè)置在任一或者所有流體通道82-92和100-104內(nèi)以保證將加壓流體單向供給到相 應(yīng)的控制閥。
[0026] 因為吊桿控制閥、鏟斗控制閥、左側(cè)行駛控制閥、右側(cè)行駛控制閥、斗桿控制閥和 擺動控制閥62-72的元件是類似的并且以相關(guān)方式起作用，在本發(fā)明中僅僅論述擺動控制 閥72的操作。在一個實施例中，擺動控制閥72可包括第一腔供給元件（未示出）、第一腔 排出元件（未示出）、第二腔供給元件（未示出）和第二腔排出元件（未示出）。第一腔供 給元件和第二腔供給元件可與流體通道104并聯(lián)連接以用來自第二源58的流體填充其相 應(yīng)的腔，同時第一腔供給元件和第二腔排出元件可與流體通道110并聯(lián)連接以排出相應(yīng)腔 的流體。為了沿第一方向轉(zhuǎn)動擺動馬達44,第一腔供給元件可轉(zhuǎn)換為允許來自第二源58的 加壓流體經(jīng)由流體通道104填充擺動馬達44的第一腔，同時第二腔排出元件可轉(zhuǎn)換為經(jīng)由 流體通道110將流體從擺動馬達44的第二腔排出到箱76。為了在相反方向上轉(zhuǎn)動擺動馬 達44,第二腔供給元件可轉(zhuǎn)換為用加壓流體填充擺動馬達44的第二腔，同時第一腔排出元 件可轉(zhuǎn)換為從擺動馬達44的第一腔排出流體?？梢灶A(yù)期的是，如果需要，特定控制閥的供 給和排出功能可選擇性地通過與第一腔相連的單個元件和與第二腔相連的單個元件或者 通過與第一腔和第二腔都相連的單個元件實現(xiàn)。
[0027] 每個控制閥62-72的供給和排出元件可響應(yīng)指令流速克服彈簧偏壓進行螺線管 運動。也就是說，為了實現(xiàn)操作者要求的工具和/或機器速度，以假定或者測量壓力為基礎(chǔ) 的指令可被發(fā)送至供給和排出元件的螺線管（未示出），使螺線管打開與必需流速對應(yīng)的 量。該指令可以是流速指令或者閥元件位置指令的形式。液壓缸26、32、34和左行駛、右行 駛以及擺動馬達48L、48R、44可以與進出第一腔和第二腔的流體流速對應(yīng)的速度運動。
[0028] 第一回路52和第二回路56的供給和排出通道是相互連接的以起到補償和放泄功 能。特別是，第一供給通道78和第二供給通道82可分別通過第一旁通元件112和第二旁 通元件114從箱76接收補償流體。當(dāng)?shù)谝灰毫鲏毫虻诙毫鲏毫档降陀陬A(yù)定級別時， 允許來自箱76的流體通過第一旁通元件112和第二旁通元件114流入第一回路52和第二 回路56?？梢灶A(yù)期的是，如果需要，過濾器（未示出）可與第一旁通元件112和/或第二旁 通元件114相連以過濾補償流體流。第一供給通道78和第二供給通道82可通過滑閥116 和共用的主放泄元件118使流體從第一回路52和第二回路56釋放到箱76。當(dāng)?shù)谝换芈?52或第二回路56中的流體超過要求級別時，來自具有過高壓力的回路的流體通過滑閥116 和共用的主泄壓元件118排出到箱76。以類似方式，流體可經(jīng)由位于共用排出通道86內(nèi)的 止回閥120從第一回路52和第二回路56排出。在這種設(shè)置中，止回閥120的壓力設(shè)定可 低于共用主放泄元件118的壓力設(shè)定。
[0029] 直線行駛閥122可選擇性地將左右側(cè)行駛控制閥66、68重新設(shè)置為彼此串聯(lián)關(guān) 系。特別是，直線行駛閥122可包括彈簧偏壓、螺線管致動的閥元件124,其可從中間位置 (圖1中所示）朝著直線行駛位置運動。當(dāng)閥元件124處于中間位置時，左右側(cè)行駛控制 閥66、68可分別從第一源54和第二源58獨立地供以加壓流體以控制左右側(cè)行駛馬達48L、 48R。然而，當(dāng)閥元件124處于直線行駛位置時，左右側(cè)行駛控制閥66、68串聯(lián)連接以僅僅從 第二源58接收加壓流體用于關(guān)聯(lián)運動。當(dāng)只有行駛指令有效時（例如，沒有執(zhí)行指令有效 時），閥元件124可保持在中間位置。如果左右側(cè)行駛馬達48L、48R的負載是不相等的（例 如，左側(cè)履帶46L位于軟土上而右側(cè)履帶46R位于混凝土上），第一源54和第二源58通過 直線行駛閥122的分離可以保證直線行駛，即使自第一源54和第二源58的出口壓力不同。
[0030] 還可致動直線行駛閥122以在機器10的行駛期間支持執(zhí)行控制。例如，如果操作 者在機器10的行駛期間致動吊桿控制閥62,直線行駛閥122的閥元件124可運動以從第 二源58向左右側(cè)行駛馬達48L、48R供給加壓流體，而吊桿控制閥62可從第一源54接收加 壓流體。閥元件124可被彈簧偏壓朝向直線行駛位置并且被螺線管致動以朝向中間位置運 動。
[0031] 當(dāng)直線行駛閥122的閥元件124運動到直線行駛位置時，來自第一源54的流體經(jīng) 由閥元件124基本上同時引導(dǎo)通過第一回路52和第二回路56以驅(qū)動液壓缸26、32、34。來 自第一源54的第二加壓流體流可被引至第一回路52和第二回路56的液壓缸26、32、34,因 為來自第一源54的所有第一加壓流體流在機器10的直線行駛期間幾乎全部被左右側(cè)行駛 馬達48L、48R耗盡。
[0032] 組合閥126可使來自第一供給通道78和第二供給通道82的第一和第二加壓流體 流結(jié)合用于一個或多個流體致動器的高速運動。特別是，組合閥126可包括彈簧偏壓、螺線 管致動的閥元件128,其能夠在中間位置（圖1中所示）、阻斷流動位置和雙向流動經(jīng)過位 置之間運動。當(dāng)處于中間位置時，允許來自第一回路52的流體響應(yīng)于比第二回路56內(nèi)的 壓力大預(yù)定量的第一回路52的壓力流入第二回路56。預(yù)定量可與彈簧偏壓有關(guān)并且在制 造過程中是固定的。通過這種方式，當(dāng)右側(cè)行駛或者斗桿功能需要大于第二源58輸出容量 的流體流速并且第二回路56內(nèi)的壓力開始下降時，來自第一源54的流體可通過閥元件128 轉(zhuǎn)向第二回路56。當(dāng)處于雙向流動經(jīng)過位置時，允許第二加壓流體流流向第一回路52以與 引向控制閥62-66的第一加壓流體流結(jié)合。閥元件128可被朝著直線行駛位置彈簧偏壓并 且是螺線管致動的以朝著雙向流動經(jīng)過位置運動。
[0033] 第三回路60可起到能量回收回路的作用，該回路與第一回路52和第二回路56液 壓分離（即基本上與其流體隔離）并且被配置為選擇性地從第二回路56積聚能量以及將 能量排放至第二回路56。其中，第三回路60可包括機械連接到擺動馬達44的能量回收馬 達（ERM) 130和至少一個流體連接到ERM 130的蓄能器。在圖2中的實施例中，第三回路60 包括單個蓄能器132,其通過第一馬達通道134和第二馬達通道136和蓄能器通道138流體 連接到ERM 130。蓄能器控制閥74可位于蓄能器通道138以及第一馬達通道134和第二馬 達通道136之間以控制其間的流體連通。
[0034] ERM 130像液壓系統(tǒng)50的其他馬達一樣可通過形成泵送機構(gòu)上的流體壓差進行 驅(qū)動。具體地說，ERM 130可包括位于泵送機構(gòu)（例如葉輪或者一系列活塞）任一側(cè)的第 一腔和第二腔（未示出）。當(dāng)?shù)谝磺惶畛浼訅毫黧w并且第二腔排出流體時，可促使泵送機構(gòu) 沿第一方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的軸140。相反地，當(dāng)?shù)谝磺慌懦隽黧w并且第二腔填充加壓流體時，可 促使泵送機構(gòu)沿相反方向轉(zhuǎn)動軸140。因為ERM130可機械連接到擺動馬達44(例如經(jīng)由軸 140),上述的泵送機構(gòu)的任何轉(zhuǎn)動可導(dǎo)致擺動馬達44的相應(yīng)轉(zhuǎn)動（例如驅(qū)動主體38相對 于底架40的擺動的轉(zhuǎn)動一參考圖1)。進出ERM 130的第一腔和第二腔的流體流速可確定 軸140的轉(zhuǎn)動速度，而各腔之間的壓差可確定與轉(zhuǎn)動有關(guān)的轉(zhuǎn)矩。
[0035] 在圖2的示例性實施例中，ERM 130圖示為非偏心（non-overcenter)的定排量馬 達。也就是說，ERM 130可被配置為接收第一加壓流體流（例如從第一馬達通道134)并以 與流體的壓力和流速直接相關(guān)的固定速度和/或固定轉(zhuǎn)矩在對應(yīng)的第一方向上轉(zhuǎn)動。為了 在第二方向上轉(zhuǎn)動，能量回收馬達130必須被提供相反的第二加壓流體流（例如從第二馬 達通道136)。在圖2的實施例中，ERM 130是不可調(diào)節(jié)的以改變軸140對于給定的加壓流 體流的方向、轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩。
[0036] ERM 130還可選擇性地起到泵的作用。特別是，ERM 130的軸140可通過擺動馬達 44的轉(zhuǎn)動機械驅(qū)動以由此驅(qū)動ERM 130的泵送機構(gòu)并對第三回路60中的流體進行加壓。 第三回路60中的流體可選擇性地通過ERM 130進行加壓，例如在擺動操作末端，因此加壓 流體的過程對擺動形成阻抗。在擺動操作末端由ERM 130產(chǎn)生的阻抗可用來減慢機器10的 擺動。通過ERM 130加壓的流體，正如接下來更詳細描述的，可存儲在蓄能器132內(nèi)并且在 以后的時間選擇性地再次使用以加速擺動馬達44和引起主體38相對于底架40擺動。以 這種方式，ERM 130可被用來選擇性地開始和中斷機器10的擺動操作，由此改進機器10的 響應(yīng)性和/或效率。
[0037] 蓄能器132可以是填充可壓縮氣體的壓力容器，其被配置為存儲加壓流體作為動 力源以備將來使用。可壓縮氣體可包括，例如，氮氣、氬氣、氦氣或者其他合適的可壓縮氣 體。在與蓄能器132連通的流體超過蓄能器132內(nèi)的壓力時，流體可流入蓄能器132。因為 那里的氣體是可壓縮的，其可像彈簧一樣動作并且在流體流入蓄能器132時壓縮。當(dāng)蓄能 器通道138內(nèi)的流體壓力降到低于蓄能器132內(nèi)的壓力時，壓縮氣體可膨脹并將迫使流體 從蓄能器132離開。可以預(yù)期的是，如果需要，蓄能器132可選擇性地具體為彈簧偏壓型蓄 能器。在示例性實施例中，蓄能器132可被設(shè)計為在大約150-200巴的范圍內(nèi)操作。
[0038] 在圖1的示例性實施例中，蓄能器控制閥74可以是三位四通電磁閥。特別是，蓄能 器控制閥74可包括能在第一位置、第二位置和第三位置（圖2中所示）之間運動的閥元件 142,在第一位置，來自蓄能器132的流體在第一方向上經(jīng)由第一馬達通道134流入ERM130 并且流出ERM 130的流體經(jīng)由第二馬達通道136和排出通道144引至箱76,在第二位置，來 自蓄能器132的流體在第二方向上經(jīng)由第二馬達通道136流入ERM 130并且流出ERM 130 的流體經(jīng)由第一馬達通道134和排出通道144引至箱76,在第三位置，蓄能器132基本上與 ERM 130隔離并且箱76經(jīng)由排出通道144和第一馬達通道134和第二馬達通道136中的 任一個選擇性地連接以僅僅向ERM130供給流體（例如，基于第三回路60中的流體壓力）。 蓄能器控制閥74的第三位置可與"自由輪"位置相對應(yīng)，其中ERM 130既未明顯加速也未 明顯減速擺動馬達44。當(dāng)閥元件142處于第三位置時，允許來自箱76的補償流體在進入第 一馬達通道134或者第二馬達通道136 (根據(jù)通道壓力）之前流經(jīng)與蓄能器控制閥74相連 的止回元件146。其他的止回元件147可位于在排出通道144和蓄能器通道138之間延伸 的通道149內(nèi)，以選擇性地允許補償流體基于止回元件147上的壓差進入蓄能器通道138。 蓄能器控制閥74是螺線管操作的以運動到第一位置或者第二位置，并且朝著第三位置彈 簧偏壓。
[0039] 控制器162可與液壓系統(tǒng)50的不同部件連通以調(diào)節(jié)機器10的操作。例如，控制 器162可與控制閥62-72、直線行駛閥122、組合閥126、蓄能器控制閥74、旁通元件112和 114、操作者輸入裝置（未示出）和液壓系統(tǒng)50和/或機器10的其他部件連通?；诟鞣N 操作者輸入和監(jiān)控參數(shù)，正如接下來詳細描述的，控制器162可被配置為以協(xié)調(diào)方式選擇 性地致動不同閥和/或泵以有效執(zhí)行操作者指令。通過控制器162監(jiān)控的操作參數(shù)可包括， 例如，流體壓力、溫度、粘性、密度等等。
[0040] 控制器162可包括存儲器、輔助存儲裝置、計時器和一個或多個處理器，它們相互 配合以完成與本發(fā)明相符的任務(wù)。大量市場上買得到的微處理器可被配置為執(zhí)行控制器 162的功能。應(yīng)當(dāng)理解的是，控制器162可容易具體為能夠控制機器10的眾多其他功能的 通用機器控制器。各種已知線路可與控制器162相連，包括信號調(diào)制線路、通信線路和其他 合適的線路。同時應(yīng)當(dāng)理解的是，控制器162可包括一個或多個特定應(yīng)用集成電路（ASIC)、 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)、計算機系統(tǒng)和邏輯電路，它們被配置為根據(jù)本發(fā)明允許控制器 162起作用。
[0041] 圖3圖示出第三回路60的替代實施例。類似圖2中的實施例中，圖3中的第三回 路60也包括ERM 130、第一馬達通道134和第二馬達通道136和蓄能器控制閥74。然而， 與圖2實施例相反，圖3中的第三回路60包括兩個不同的蓄能器，例如高壓蓄能器146和 低壓蓄能器148,這些蓄能器可經(jīng)由第一蓄能器通道150和第二蓄能器通道152同時連接到 蓄能器控制閥74。另外，加料泵153可經(jīng)由補償回路154和補償止回閥156連接到第一馬 達通道134和第二馬達通道136上，并且具有沖洗控制閥157的沖洗回路155可將第一馬 達通道134和第二馬達通道136連接到箱76。在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)蓄能器控制閥74的閥元件 142處于第一位置或者第二位置時，高壓蓄能器146可連接到ERM 130的進口或出口，用來 加速或者減速ERM130 (和擺動馬達44)。同時，低壓蓄能器148可與高壓蓄能器146相對連 接以對抗高壓蓄能器146。相互作用的兩個蓄能器的凈效應(yīng)是通過加速或者減速ERM 130 的高壓和低壓蓄能器146U48之間的流體壓差驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩。使用圖3實施例中的兩個蓄能 器可增強能量回收操作期間機器10的擺動的可控性和/或穩(wěn)定性。
[0042] 圖4圖示第三回路60的另一個替代實施例。類似圖2中的實施例，圖4中的第三 回路60也包括經(jīng)由蓄能器控制閥74連接到第一泵通道134和第二泵通道136上的單個蓄 能器132。然而，與圖2實施例相反，ERM 130已被替換為圖4實施例中的不同ERM(能量回 收馬達）158。另外，在圖4的實施例中，蓄能器控制閥74包括兩位閥元件160,與圖2中的 三位閥元件142不同。
[0043] ERM 158可以是變量偏心型馬達。特別是，來自第三回路60的加壓流體可僅在單 個方向上（例如，僅僅經(jīng)由第二馬達通道136)引至ERM 158,并且對于該給定的流體流動方 向，ERM 158是可控制的以調(diào)整軸140的轉(zhuǎn)動方向、速度和/或轉(zhuǎn)矩。因為ERM 158對于給 定流動方向可具有調(diào)節(jié)軸140轉(zhuǎn)動方向的能力，蓄能器控制閥74的閥元件160僅僅需要在 第一位置和第二位置之間運動以充分控制ERM 158的操作。閥元件160的第一位置可與閥 元件142 (參考圖2)的第一位置對應(yīng)，而閥元件160的第二位置可與閥元件142的第三位 置對應(yīng)。閥元件142的第二位置可從閥元件160中省略。
[0044] 工業(yè)實用件
[0045] 所公開的液壓系統(tǒng)可適用于要求高效率和性能的具有擺動馬達的任何機器。所公 開的液壓系統(tǒng)可通過在擺動操作末端部選擇性地回收原本被浪費的能量來改進效率。所公 開的液壓系統(tǒng)還可通過在后續(xù)操作期間使用存儲的能量來加速機器擺動來改進性能。現(xiàn)在 解釋液壓系統(tǒng)50的操作。
[0046] 在機器10的操作期間（參考圖1)，機器操作者可操縱操作者界面裝置（未示出） 以產(chǎn)生機器10的相應(yīng)運動。例如，操作者可操縱操作者輸入設(shè)備來開始主體38相對于底 架40的擺動。操作者界面裝置的致動位置可與操作者期望的或者要求的擺動方向、速度和 /或轉(zhuǎn)矩有關(guān)。操作者界面裝置可在其操縱期間產(chǎn)生表示操作者期望的或者要求的運動的 位置信號，并將該位置信號發(fā)送至控制器162。
[0047] 控制器162可接收操作者界面裝置位置信號并且確定與機器10的操作者要求運 動對應(yīng)的控制閥72和第二源58 (參考圖2)的指令?？刂破?62然后可指令控制閥72的 啟動以將加壓流體從第二源58引至擺動馬達44,造成以操作者要求的方式運動。
[0048] 在機器10的擺動期間，當(dāng)機器10的動量仍舊明顯但是不再要求擺動時，能量可能 在接近擺動末端被浪費。也就是說，在主體38(以及附帶的執(zhí)行系統(tǒng)12)的擺動末端，當(dāng)控 制器162已使來自第二源58的加壓流體停止驅(qū)動擺動馬達44之后，機器10的離心動量可 使主體38和擺動馬達44繼續(xù)轉(zhuǎn)動。通常，在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中，與仍舊擺動的機器主體有關(guān) 的能量結(jié)束驅(qū)動擺動馬達44作為泵以對隨后在箱76內(nèi)浪費的流體進行加壓。然而，在液 壓系統(tǒng)50的公開實施例中，機器10的擺動動量可通過在擺動末端使用ERM 130和蓄能器 132進行回收。
[0049] 為了獲取通常在主體38擺動期間浪費的動量相關(guān)的能量，ERM130可通過擺動馬 達44的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動以像泵一樣操作和對第三回路60中的流體進行加壓。通過ERM 130對 流體進行加壓可形成擺動馬達44轉(zhuǎn)動的阻抗，由此有助于比原本可能得更快地使主體38 減速。由ERM 130提供的更快減速可允許擺動馬達44在擺動前期被驅(qū)動至更高的平均速 度，由此改進機器10的性能。同時，由ERM 130加壓的流體可經(jīng)過蓄能器控制閥74(其可 根據(jù)擺動馬達44的轉(zhuǎn)動方向通過控制器162運動至適當(dāng)位置）進入蓄能器132,它可在此 處存儲以便將來在機器10的加速隨后擺動中使用。當(dāng)蓄能器132填充加壓流體時，第三回 路60中的背壓可增加，由此進一步增加對主體38轉(zhuǎn)動的阻抗。
[0050] 在機器10操作期間的任一時刻，當(dāng)控制器162確定最有益時，蓄能器控制閥74可 運動至排放位置（即，根據(jù)ERM 130轉(zhuǎn)動方向的第一位置和第二位置中的一個），在該位置 存儲在擺動蓄能器132內(nèi)的加壓流體可通過蓄能器控制閥74以及第一泵通道134和第二 泵通道136中的一個回流以驅(qū)動ERM 130。該流體由于其升高的壓力可使ERM 130經(jīng)由軸 140轉(zhuǎn)動擺動馬達44,由此降低第二源58和動力源18上的負載，增加擺動馬達44的速度 和/或增加機器10的效率。圖3和4中公開的第三回路60的操作可與根據(jù)圖2如上所述 的操作類似。
[0051] 所公開的液壓系統(tǒng)可以是簡單且廉價的。特別是，因為所公開的液壓系統(tǒng)使用單 獨的液壓回路（即第三回路60)來回收擺動能量，在回收和再次使用期間控制流體壓力是 不重要的。也就是說，因為第三回路60基本上與第二回路56流體隔離，不需要在回收或者 再次使用操作之前、期間或者之后匹配第二和第三回路56、60之間的流體壓力。這可允許 在沒有壓力監(jiān)控設(shè)備或者控制的情況下操作系統(tǒng)，由此形成簡單且價格低廉的系統(tǒng)。另外， 通過在能量回收或者再次使用操作之前、期間或者之后不需要壓力匹配，有更多機會回收 和/或再次使用動量相關(guān)能量，由此進一步增強機器10的性能和/或效率。最后，第三回 路60的獨立特性允許對現(xiàn)有機器系統(tǒng)的簡單改型。
[0052] 對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，可對所公開的液壓系統(tǒng)進行各種變型和變 動?？紤]說明書和所公開的液壓系統(tǒng)的實際應(yīng)用，其他實施例對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯 而易見的。說明書和實施例被認為僅僅意圖示例性的，真實范圍由接下來的權(quán)利要求及其 等效物來表示。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于機器（10)的液壓系統(tǒng)（50)，包括： 泵（58)，其能夠?qū)α黧w加壓； 擺動馬達（44)，其由加壓流體驅(qū)動以使機器的主體（38)相對于底架（16)擺動； 第一回路（56)，其流體連接泵和擺動馬達； 能量回收馬達（130)，其機械連接到擺動馬達； 至少一個蓄能器（132);和 第二回路（60)，其流體連接至少一個蓄能器和能量回收馬達。
2. 如權(quán)利要求1所述的液壓系統(tǒng)，進一步包括設(shè)在能量回收馬達和所述至少一個蓄能 器之間的閥（74)，該閥能夠運動以調(diào)節(jié)進出所述至少一個蓄能器的流體流。
3. 如權(quán)利要求2所述的液壓系統(tǒng)，進一步包括能夠保持泵的流體供給的箱（76)，其中 所述閥能在如下位置之間運動： 第一位置，在該位置來自所述至少一個蓄能器的流體在第一方向上流入能量回收馬達 并且來自能量回收馬達的流體被引入箱； 第二位置，在該位置來自所述至少一個蓄能器的流體在第二方向上流入能量回收馬達 并且來自能量回收馬達的流體被引入箱；和 第三位置，在該位置所述至少一個蓄能器與能量回收馬達基本隔離并且箱基于第二回 路中的流體壓力選擇性地連接供給流體和能量回收馬達。
4. 如權(quán)利要求1所述的液壓系統(tǒng)，其中，所述至少一個蓄能器包括： 第一高壓蓄能器（146);和 第二低壓蓄能器（148)。
5. 如權(quán)利要求4所述的液壓系統(tǒng)，其中： 第一蓄能器和第二蓄能器能夠同時連接到能量回收馬達； 當(dāng)?shù)谝恍钅芷鬟B接到能量回收馬達的進口時，第二蓄能器連接到能量回收馬達的出 口；和 當(dāng)?shù)谝恍钅芷鬟B接到能量回收馬達的出口時，第二蓄能器連接到能量回收馬達的進 □。
6. 如權(quán)利要求5所述的液壓系統(tǒng)，其中，第一蓄能器：在制動操作期間連接到能量回收 馬達的進口；和 在加速操作期間連接到能量回收馬達的出口。
7. 如權(quán)利要求1所述的液壓系統(tǒng)，其中： 能量回收馬達是偏心馬達（158);和 流體在僅單個方向上流過能量回收馬達。
8. 如權(quán)利要求7所述的液壓系統(tǒng)，進一步包括： 箱（76);和 閥（74)，其位于所述至少一個蓄能器和能量回收馬達之間， 其中，所述閥能夠從第一位置運動到第二位置，在第一位置來自至少一個蓄能器的流 體流入能量回收馬達并且來自能量回收馬達的流體流入箱，在第二位置至少一個蓄能器與 能量回收馬達基本隔離并且箱基于第二回路的壓力選擇性地流體連接到能量回收馬達的 進口和出口。
9. 一種在機器（10)中回收能量的方法，包括： 對第一回路（56)內(nèi)的流體加壓； 利用加壓流體使機器的主體（38)相對于底架（16)擺動； 利用機器主體的擺動對第二回路￠0)內(nèi)的流體加壓； 存儲在第二回路中加壓的流體；和 選擇性地將存儲流體從第二回路引導(dǎo)以擺動機器主體。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，選擇性地將存儲流體從第二回路引導(dǎo)以擺動機器 主體包括在兩個不同方向上選擇性地引導(dǎo)存儲流體通過馬達（130)以在兩個不同方向上 擺動機器主體。
【文檔編號】E02F9/22GK104093996SQ201280068977
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月16日
【發(fā)明者】馬鵬飛, J·L·庫恩, J·T·彼得森 申請人:卡特彼勒公司