CN101220823A - 用于液压系统的能量回收与再利用技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于液压系统的能量回收与再利用技术，具体涉及一种液压系统，其具有阀组件，该阀组件带有两个与第一和第二液压缸的室连接的工作端口，该第一和第二液压缸并行地机械连接于机器部件。分离控制阀连接在两个液压缸的第一室之间，分路控制阀连接在工作室之间。回收控制阀将蓄液池连接于第二液压缸的第一室。以不同的组合方式来打开和关闭阀可以使流体从一个或两个液压缸流入到流体在加压下储存的蓄液池，而后使储存流体用于驱动一个或者两个液压缸。分路控制阀用于使从每个液压缸的一个室排出的流体流到那些液压缸的其室。因此，液压系统以各种方式来回收和再利用能量。

Description

用于液压系统的能量回收与再利用技术

                  与相关申请的交叉引用

本申请要求2006年11月14日申请的美国临时专利申请No.60/865710以及2007年4月23日申请的美国临时专利申请No.60/913457的优先权。

              关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用

技术领域

本发明涉及一种可对液压致动器的液体流动进行控制的液压系统，该液压致动器可以移动机器上的机械组件，尤其涉及从液压致动器中回收能量并且随后利用回收的能量为液压致动器供给动力。

背景技术

建筑和农业设备利用液压系统来操作各种机械部件。例如，挖掘机是一种常用的具有支架的建筑机械，该支架一端与牵引车枢轴连接而另一端具有用于挖土和其它物质的铲斗。缸组件用于升高和降低该支架，它包括一个带有活塞的缸，该活塞在缸中划分出两个室。与活塞相连的杆连接到支架上，而缸与挖掘机的主体相连。通过将杆从缸中向外伸展以及将杆朝缸中缩回实现支架的升高与降低。

其它的机器使用不同类型的液压致动器来推动机械元件。这里使用的术语“液压致动器”通常指的是任何可将液压液体流动转化为机械运动的装置，例如缸-活塞装置或旋转马达。

在缸组件伸展和缩回的过程中，从泵中流出的加压液体经常由阀组件控制进入一个缸室中，而所有从另一个缸室中流出的液体通过该阀进入通向系统液箱的回流管。在某些情况下，作用在机器上的外部载荷或其它作用力使得缸组件的伸展或缩回可以在泵不提供显著的液体压力的情况下实现。这通常称为超载。以挖掘机为例，当铲斗充满了重物质时，支架可以只在重力的作用下降低。这种外部载荷使得液体从支架液压缸的一个室中流出，通过阀组件进入液箱。与此同时，许多液体被从泵中汲取出来，通过阀组件进入扩张的另一个缸室中，尽管如此，由于进入的液体不推动活塞，液体不需要保持显著的压力来推动支架。在这种情况下，从缸中流出的液体还具有相当高的压力，因此该液体具有能量，而该能量通常在液体压力通过阀组件的过程中损失。

为了使得机器的效率和经济操作达到最优化，值得将流出液体的能量回收，而不是让它在阀组件中消耗掉。某些以前的液压系统将流出液体输送到蓄液池中，在那里它在压力下储存，用于以后为机器提供动力。尽管如此，高效率地进行能量回收与再利用的困难在于储存的液压液体必须处于恰当的压力和容积下来为致动器提供动力。流出液体的压力、体积以及蓄液池参数之间的关系实时变化并决定了是否液体可以被储存。例如，如果作用在缸组件的外部载荷不足以将流出液体加压至蓄液池的压力之上，则液体无法被储存。

另一种情况下，当要求使用蓄液池中的液体时，蓄液池的压力、体积以及为液压致动器提供动力的液体需求之间的实时关系决定了是否蓄液池中的液体可以被使用。例如，如果液压致动器的载荷需要高于蓄液池的压力时，则回收的液体无法被使用。同样的，如果液压致动器需要多于蓄液池中储存的液体体积来推动自己，则很难进行有效的操作。另一个限制因素是当液压致动器从蓄液池中消耗液体时，蓄液池的压力会下降，从而降低了剩下的液体为致动器提供动力的能力。

因此，需要找到一种有效的技术来在液压系统中实现能量的回收和再利用。

发明内容

液压系统具有第一和第二液压缸，二者机械地平行连接来操作机器的部件，每个液压缸具有第一和第二室。控制阀组件，例如由四个电液比例阀构成的惠斯通电桥装置，具有第一和第二工作端口。第一工作端口与第一液压缸的第一室连接，并与第二液压缸的室隔离。第二工作端口与第一和第二液压缸的第二室连接。控制阀组件用于有选择性地将第一和第二工作端口与供给管和回流管连接。

液压系统的能量回收装置包括缸分离控制阀，用于控制第一液压缸的第一室和第二液压缸体的第一室之间的液体流动。蓄液池与回收控制阀连接，该控制阀控制流体从第二液压缸的第一室的进出。这使得由外部负载压出第一室的液体流到蓄液池而在那里在压力条件下储存。随后，储存的液体被用于驱动二个液压缸中的一个或者全部。

在另一方面，本发明提供第一泵与供给管连接。供给阀控制液体从第二泵流向第二液压缸的第一室的流动。通过关闭供给阀并打开缸分离控制阀，第一液压缸和第二液压缸由控制阀组件协同控制。做为选择，关闭缸分离控制阀，第一液压缸由控制阀组件控制，而第二液压缸通过打开供给阀来控制。

在液压系统的一个优选的实施例中，工作端口分路控制阀与第一和第二工作端口连接，使得流体直接在其间流动。

在发明的另外一个方面，能量回收装置包括液压缸来操作机器的部件。能量回收装置包括第一室和第二室。包括第一工作端口和第二工作端口的控制阀组件与第一和第二室连接，这样第一工作端口与液压缸的第一室保持流体连通，第二工作端口与液压缸的第二室保持流体连通，这样控制阀组件的操作将第一和第二工作端口的每个选择性地与供给管和回流管连接。工作端口分路控制阀与第一工作端口和第二工作端口流体连通，以控制它们之间的液体流动。系统包括蓄液池和回收控制阀，该控制阀控制液体从液压缸的第一室向蓄液池的流动。

附图说明

图1是根据本发明的包括液压系统的挖掘机的等轴测视图；

图2是液压系统中操纵致动器部分的原理图，该致动器用于升高和降低挖掘机支架；

图3是支架液压系统又一实施例的原理图；

图4是支架液压系统再一实施例的原理图；

图5-9是图3的液压系统实施例在不同的能量回收模式下的简略原理图；

图10-15是图3的液压系统实施例在不同的回收能量再利用模式下的简略原理图。

具体实施方式

虽然本发明在上下文中描述的是它在挖掘机中的使用，它也可以在其它类型的液压操纵设备上实施。

首先参照图1，挖掘机10由驾驶室11与支架组件12组成，其中驾驶室11由履带支撑，支架组件12与驾驶室相连以进行上下运动。支架组件12被细分为相互之间枢轴连接的支架13、臂14和铲斗15。支架13与驾驶室11相连接，并可以在一对液压缸组件16和17的驱动下绕枢轴上下运动，其中液压缸组件16和17在驾驶室和支架之间机械地平行连接。在典型的挖掘机上，组件16和17的液压缸与驾驶室11相连接，而活塞杆与支架13相连接，因此作用在支架上的重力倾向于使活塞杆缩回缸内。尽管如此，缸组件的连接也可以是使得重力倾向于使活塞杆从缸内伸出，即将描述的很多能量回收方法也可以用于这种结构。由支架13的远端支撑的臂14可以前后摇摆，铲斗15与臂的末端枢轴连接。另一对缸组件18和19独立地操纵臂14和铲斗15。铲斗15可以用其它的工作台替代。

参照图2，挖掘机10上的缸组件16、17、18和19是第一液压系统20的一部分，第一液压系统20具有液压液体源21，而液压液体源21包括第一泵22和液箱23。第一泵22推动液体从液箱23流出，并迫使液体在压力下通过回流止回阀进入供给管25中，其中供给管25为挖掘机上所有的液压部件提供加压液体。在用于为液压部件例如用于升高和降低支架13的部件30提供动力之后，液体通过回流管26流回液箱23中，在回流管26中液体通过弹簧加载的液箱止回阀24加压。虽然液压系统10为挖掘机10的多个液压部件提供动力，注意力应该集中到支架部件30上以简化对能量回收和再利用方法的描述。

支架部件30通过控制液体从支架缸组件16和17中流入流出来实现支架13的升高和降低，其中缸组件16和17分别具有液压缸和包括杆的活塞。第一支架缸组件16包括带有第一活塞27的第一支架缸31，第一活塞27可滑动地放置其中并将缸内部划分为连杆室33和位于活塞相对侧的头室34。第二支架缸组件17包括带有第二活塞29的第二支架缸32，第二活塞29可滑动地放置其中并将缸内部划分为另一组连杆室36和位于活塞相对侧的头室38。连杆室和头室的体积会随着相关联的活塞在相应的缸中滑动而改变。在图1的挖掘机10中，每个支架缸31或32与驾驶室11相连接，而每个活塞27或29分别通过活塞杆35或37与支架13相连接。

连杆室33和36通过液压直接相连。双向的EHP缸分离控制阀39与头室34和38直接相连，优选地与每个头室直接相连。关闭缸分离控制阀39会将头室相互隔离，而打开缸分离控制阀39则在两个头室之间提供一条直接的通路。这里定义的“控制阀”指的是由人手动操纵或由电操纵的阀。这里使用的术语“直接相连”指的是相关联的部件通过管连接在一起，而不经过任何中间部件例如阀，孔或其它器件，这些中间部件在管的固有约束之外会约束或控制液体流动。这里提到的液压组件直接与两个其它组件相连接指的是液压组件为液体提供通路，使其在不流过控制阀组件或通过供给管或回流管的情况下在两个其它组件之间流动，其中液体通过供给管或回流管从其它液压部件流入和流出。这里提到的控制阀在液压系统的两个组件或元件之间提供直接的通路指的是该通路不包括其它控制阀。

控制阀组件40将支架缸组件16和17与供给管和回流管25和26相连接，并控制其中的液体流动。当控制阀组件40向支架缸31和32的头室34和38提供加压液体和将液体从连杆室33和36中排出时，每根活塞杆35和37从缸中伸出，从而升高支架13。同样地，通过供给管25将加压液压液体供应给连杆室33和36以及将液体从头室34和38中排出会使得活塞杆35和37缩回支架缸31和32中，从而降低支架13。在通常称为动力作用下的伸长或缩回过程中，缸分离控制阀39处于打开的状态以实现对两个缸组件16和17的一致操纵。

控制阀组件40包括通过惠斯通(Wheatstone)电桥相连接的四个电液比例(EHP)控制阀41，42，43和44。可选的，螺线管操纵的伺服阀可以在四个EHP控制阀41-44中使用。优选的，每个EHP控制阀41-44是液控的双向控制阀，例如如美国专利No.6745992中描述的阀一样，在必要时包括传统的防空化阀。第一EHP控制阀41使得液压液体从供给管25流入第一工作端口46中，其中第一工作端口46由第一致动器管47连接到位于第一缸31的头室34与缸分离控制阀39之间的节点51上。第二支架缸32的头室38与第一致动器管47相连接，从而通过缸分离控制阀39与第一缸31的头室34相连接，其中缸分离控制阀39将第一工作端口46与头室38隔开并将两个头室相互隔开。第二EHP控制阀42控制第一工作端口46到回流管26之间的液体流动。第三EHP控制阀43控制液体在供给管25与两个缸连杆室33、36之间流动的通路，其中连杆室33和36通过第二致动器管49连接到第二工作端口48。第四EHP控制阀44在连杆室33、36与回流管26之间起连接作用。

四个EHP控制阀41-44以及缸分离控制阀39是由螺线管独立操纵的，而螺线管系统控制器50发出的电信号控制。通过打开第一和第四EHP控制阀41和44以及缸分离控制阀39，加压的液体进入头室34和38中而液体由连杆室33和36中排出以伸长活塞杆35和37，并升高支架13。同样的，打开第二和第三EHP控制阀42和43以及缸分离控制阀39，将加压液体送入连杆室33和36中并将液体从头室34和38中排出使得活塞杆35与37缩回，从而降低支架13。

系统控制器50是一种基于微机的设备，它接受来自多个控制杆52的控制信号，操作者通过该控制杆52指派其需要实现的挖掘机液压致动器的运动。系统控制器50同样从供给管压力传感器54和回流管压力传感器55中接收信号。分离的压力传感器56和57分别用于缸头室34和38中，而另一个压力传感器58测量支架缸组件16和17中连杆室33和36的压力。为了简化布线，连杆室压力传感器58优选靠近第二工作端口48安装，但应该理解的是它的压力测量可能会被第二致动器管49的压力损失所影响。缸室的压力传感器56，57和58产生指示支架13上作用力F大小的信号。系统控制器50通过操纵可变位移的第一泵22来调节供给管25中的压力而对压力测量作出反馈，以满足挖掘机不同液压致动器的压力需求。

第一液压系统20包括多个附加阀和其它组件，它们形成了一套可实现支架部件30的能量回收和再利用的装置。明确地说，蓄液池60用于储存从支架缸组件16和17中回收的液体。附加压力传感器59位于蓄液池60的端口61处，并向系统控制器50传送指示蓄液池压力的信号。蓄液池60与第二支架缸组件17的头室38通过双向EHP回收控制阀62相连接，并与第一支架缸组件16的头室34相隔开。电液蓄液池加液和再利用控制阀66在供给管25与蓄液池60的端口61之间提供直接的通路。电液泵回流控制阀68将蓄液池60的端口与第一泵22的入口直接相连，安全控制阀70将位于第二缸头室38的节点64与液箱回流管26直接相连。节点64与第一缸31的头室34被缸分离控制阀39隔开。EHP工作端口分路控制阀65在第一、第二工作端口46和48之间提供直接的通路，并优选与每个工作端口直接相连。所有的附加控制阀39，62，65，66，68和70由系统控制器50的信号操纵。

通过选择性地操纵这些阀的各种组合，液体从支架缸组件16和17，第一泵22，液箱23以及蓄液池60中流入流出。当支架13在重力作用下降低时由支架缸组件中排出的液体可以在一定压力下储存在蓄液池中，并在随后代替第一泵中的液体使用，从而节省用于驱动泵的能量。对阀的不同组合进行操纵导致不同的能量回收模式，这些将在下文中描述。

当机器上没有使用任何液压部件或正在运行的液压部件只需要相当少数量的泵液体时，回收系统也可以通过直接来自第一泵22中的液体对蓄液池60进行加液。在这些情况下，蓄液池加液和再利用控制阀66打开以将供给管25直接连接到蓄液池60的端口61上。当供给管的压力高于蓄液池60中的压力时压力传感器54和59发出指示，从而加液开始进行。

另一种对储存能量进行再利用的模式包括打开泵回流控制阀68，从而使得储存的加压液体由蓄液池60流入第一泵22的入口中。这种情况当泵的入口有高压力入口容量时尤为有用。即使在蓄液池压力低于缸组件16和17的载荷压力时，该能量回收也会将引擎上驱动第一泵22的转矩卸下，因此不能直接用于为缸组件提供动力。在这种情况下，第一泵只需要利用引擎的转矩来满足蓄液池60与缸组件载荷压力之间的压力差。

继续参照图2，第一液压系统20同样包括摆动部件80，该部件使得挖掘机驾驶室11和支架组件12相对履带9双向旋转。可变位移第二泵82通过第二供给管83向摆动部件80提供加压液体。控制阀组件84，与控制阀组件40类似，控制第二泵82到原动机86以及从原动机到液箱23的液压液体流动。原动机86具有两个端口，阀组件84选择性地将第二泵82连接到一个端口而将另一端口连接到液箱，从而限定了液体流过原动机的方向以及驾驶室11绕履带9旋转的方向。

原动机86的两个端口同样连接到往复阀88的输入端，往复阀88的出口通过压力操纵阀90与蓄液池60的端口61相连接。压力操纵阀90在往复阀88的出口压力超过给定值的情况下打开，这通常发生在驾驶室11的旋转停止的情况下。此时加压液体流入蓄液池60中而不是通过阀组件84进入液箱23中。因此，此时从原动机86排出的液体能量会储存在蓄液池60中。

储存的液体可以被支架部件30使用，如前所述，或可以用于为摆动部件原动机86提供动力。为了完成后一操作，双向电液供给控制阀92将打开以将液体由蓄液池60输送到阀组件84的入口。该蓄液池液体用于代替或补充第二泵82中的液体。

通过将第一和第二支架缸组件16和17连在一起，这些缸上的载荷在生产系统上平衡，但损失了一个控制自由度。通过将两个支架缸组件16和17的头室34和38分离开以使得机器液压系统的压力补偿损失最小化可以获得更高的效率。

图3是一个可选的第二种液压系统96，该系统实现了这种更多的自由度。第二种液压系统96与图2中的第一液压系统20类似，同样的部件使用相同的附图标记。区别在于前文所述的系统20的供给控制阀92被双向电液供给控制阀98取代，该阀98在第二泵82的第二供给管83与第二支架缸32的头室38之间提供直接的通路。优选的供给控制阀98直接连接第二供给管与头室38。这使得可以利用第一泵22中的液体在控制阀组件40的控制下推动第一支架缸组件16以实现支架的升高，而供给控制阀98控制液体从第二泵82流入第二支架缸组件17中。

例子1

假设第一泵22向机器上的其它液压部件提供液体，并且在300bar的压力下运行以满足这些部件的最大需求量。此外，假设还有其它的液压部件连接到第二泵82上，而第二泵在200bar的压力下运行以满足它的最高液体需求量。进一步假设需要250bar的压力来举起支架13上的负荷。

在传统的系统中，第一泵22将保持在300bar的压力下，而额外的50bar将作为压力补偿损失被“燃烧”掉。在传统的系统中，第二泵82的压力将上升到250bar而其它的液压部件将由于压力高于所需值而产生压力补偿损失。

而对于图3所示的系统，第一泵22继续在300bar下操作，而第二泵82继续在200bar下操作，得到组合而成的平均值250bar。每个泵向支架缸组件16和17提供液体，第一泵通过控制阀组件40而第二泵通过供给控制阀98。结果是，每个缸组件在不同的压力下移动因此产生不同的力。尽管如此，作用在支架13上的实际合成作用力与传统系统一样。

例子2

假设有与第一泵22相连接的另一液压部件，已经用完了泵的所有输出流量。如果支架13被命令升高，那么第二泵82可以通过供给控制阀98和第二缸组件17为支架提供所有的动力，而用于第一缸31头室34的液体由回流管26通过第二EHP控制阀42中的防空化单向阀流入。

例子1和2的功能可以由第三液压系统100提供，该系统100使用螺线管操纵的伺服阀，如图4所示。液压系统100包括支架部件102，该部件与前文所描述系统所用相同的部件使用相同的附图标记。第一和第二支架缸31和32的头室34和38通过双向电液缸分离控制阀39液压连接。电液分路控制阀65将杆端与第一缸31的头室相连接。

第三液压系统100包括由第一和第二泵22和82形成的液压液体源21，其中第一和第二泵使得液体由液箱23中流出。第三液压系统操纵支架部件102，摆动部件80以及其它未描述的机器部件。第一泵22的输出流入第一供给管25中，而第一供给管25与螺线管操纵的三位四通第一伺服阀104的入口相连接，该阀104构成支架部件的控制阀组件。第一伺服阀104的出口与通往液箱23的回流管26相连接。第一伺服阀104有两个工作端口，一个端口48与两个液压缸的连杆室33和36直接相连，而另一个工作端口46与第一液压缸31的头室34直接相连。第一安全阀106将第一工作端口46与回流管26相连接。

第二泵82的输出流入第二供给管83中，第二供给管83与螺线管操纵的三位四通第二伺服阀108的入口相连接，该阀108形成供给控制阀。第二伺服阀108的出口与回流管26相连接。第二伺服阀108具有一对工作端口，其中一个直接与液压缸的连杆室33和36相连，另一个工作端口与第二液压缸32的头室38直接相连。第二安全阀110将头室38与回流管26相连。两个伺服阀104和108可以被独立操纵来使得液体从两个泵22和82的一个流入第一和第二缸31和32中，与图3中控制阀41-44、98在第二液压系统96中的作用方式基本一致。

第三液压系统100同样具有蓄液池112，它通过双向电液阀114连接到第二缸32的头室38上。蓄液池112可以用于储存和再利用与第一和第二液压缸31和32相关的能量，与图2和3中描述的液压系统蓄液池基本一致。

能量回收

支架部件可以在不同的模式下被操纵，在一些模式中能量从超出的载荷中回收。挖掘机10发生超载通常是在支架组件12的载荷和重力产生使得活塞杆35和37缩回支架缸31和32的力的时候，从而迫使液体在不对连杆室33和36加压的情况下从头室34和38中流出。此时，排出的液体被导入蓄液池60中并在其中在一定压力下储存，而不是被送入液箱23中。能量回收和再利用技术包括在挖掘机支架13降低时以多种不同能量回收模式操纵液压回路。特殊能量回收模式的选择是基于支架缸31和32头室和连杆室的压力以及蓄液池60的压力进行的。压力之间的关系必须是使得液体以正确的方向流动，在后文将针对每个特殊的能量回收模式对该方向进行描述。蓄液池压力由压力传感器59指示，头室34和38的压力分别由传感器56和57测量，两个连杆室33和36的压力由传感器58测量。

在图5-9中描述了几种能量回收模式，这些模式是图3中第二液压系统96的简略示意图。其中主要液体流动通路由粗实线表示，而依赖于特殊操纵状况的部分或可选择的流动通路由加粗的虚线表示。细实线指示液体不在所描述模式下流动的通路。该流动指示方式同样适用于图10-15所示的能量再利用模式，这些将在随后进行描述。

假设支架组件12的最初位置相对较高，从而具有相对较大的势能。结果是，支架在每个缸组件16和17上施加力，该力在头室34和38中产生足够大的压力对蓄液池60进行加液，见图5所示的双缸能量回收模式。其中，蓄液池的压力低于下面不等式给出的阈值：

                      P₅₉＜(P₅₆+P₅₇)/2-P₅₈/R

此处，P₅₉是传感器59测量的蓄液池压力，P₅₆是传感器56测量的第一缸组件16头室34的压力；P₅₇是传感器57测量的第二缸组件17的头室38的压力；P₅₈是传感器58测量的支架缸组件16和17的连杆室33和36的压力(如图3所示)。R是头室34、38与连杆室33、36的面积比。缸比率由下面公式给出：

                       R＝πr_A ²/(πr_A ²-πr_ROD ²)

此处，r_A是头室34与38的半径，r_ROD是活塞杆35与37的半径。R对于液压回路选定的缸组件16和17是常数。(P₅₆+P₅₇)/2-P₅₈/R这里指的是双缸能量回收模式差动压力。此外，需要注意的是上述不等式可以被修正为包括摩擦和其它因素造成的损失的形式。

在双缸能量回收模式121中，从头室34和38排出的液体通过打开的缸分离控制阀39合并到一起，并流过打开的回收控制阀62以对蓄液池60进行加液。回收控制阀62被调整用来按比例控制支架速度。当支架下降时用于充满扩大的连杆室33和36的液体是通过控制阀组件40流入的。明确的，来自其它机器部件的液体是从回流管26通过第四EHP控制阀44的防空化单向阀流入的。由于重力使得支架降低，来自回流管26的液体不需要处于高压力。如果该防空化流动是不充足的，第三EHP控制阀43可以打开以由第一泵22向连杆室33和36提供液体。支架13下降到某一位置时施加在两个缸组件16和17上的力不再为两个头室提供充足的压力来继续为蓄液池60加液。当蓄液池压力低于以下不等式提供的阈值时：

                 P₅₉＜((P₅₆+P₅₇)/2-P₅₈/R)*2

能量回收转入图6所描述的分立缸能量回收模式122，该模式加强了一个缸的头室压力以对蓄液池加液。不等式右端指的是分立缸能量回收模式差动压力。需要注意的是上述不等式可以被修正为包括摩擦和其它因素造成的损失的形式。当回收控制阀62保持打开以对蓄液池60持续加液时，第二EHP控制阀42在缸分离控制阀39关上时逐渐打开。这使得加压液体从第一支架缸31的头室34通过第二EHP控制阀42和第四EHP控制阀44中的防空化阀进入两个支架缸的连杆室33和36中。关闭缸分离控制阀39使得两个支架缸31和32相互隔开，并使得两个头室34和38从开始的压力相等状态转变成室具有不同压力的状态，从而产生不同的力。在分立缸能量回收模式122中支架的力仅由第二缸组件17支撑，因此第二缸32头室38中的压力比图5所示双缸能量回收模式121中支架力由两个缸组件16和17支撑时具有更高的蓄液池加液压力。

第二缸32的头室38产生足够高的压力以持续为蓄液池60加液。因此由头室38流出的液体通过回收控制阀62流入蓄液池60中。在分立缸能量回收模式122中，回收控制阀62与第二EHP控制阀42被调整用来控制支架13继续降低的速度。

在分立缸能量回收模式122中，当头室中液体量不足以充满两个连杆室33和36时，第三EHP控制阀43打开以从第一泵22中提供补足的液体。补足的液体并不需要处于特殊的压力下，因为它不用于驱动缸组件16和17，而仅用于充满扩大的连杆室。另一方面，如果第一缸31的头室34具有比充满两个连杆室33和36所需的液体更多的液体，这通常发生在活塞杆具有非常大的直径时，额外的液体可以通过选择性地打开第二EHP控制阀42被输送到回流管26中。

由于分立缸能量回收模式122中每个头室34和38中的液体流动是单独控制的，支架13每一侧的力是不相等的，从而在上面产生扭转作用。为了避免该情况的出现，可以采用图7所示的伪分立缸能量回收模式123。当蓄液池压力低于下面方程的阈值时可以从图5的双缸能量回收模式直接进入该模式：

            P₅₉＜(R/R-1)*((P₅₆+P₅₇)/2-P₅₈/R)

不等式右端指的是伪分立缸能量回收模式差动压力。需要注意的是上述不等式可以被修正为包括线路损耗、摩擦和其它因素造成的损失的形式。

在该模式下，缸分离控制阀39保持打开以使得两个头室34和38的压力相通。EHP工作端口分路控制阀65打开以将加压的液体由第一支架缸31的头室34输送到两个连杆室33和36中。

在典型的挖掘机中，支架缸组件16和17具有大直径的活塞杆35和37，这样当活塞移动时，每个连杆室33和36体积的改变可能例如只有每个头室体积改变的一半。这意味着在伪分立缸能量回收模式123下从第一缸头室34中排出的液体足以充满两个扩大的连杆室33和36。因此，液体不从打开的缸分离控制阀39中流过，尽管如此，如果一比二的体积关系不存在，任何需要用来充满连杆室33和36的额外液体可以从第二缸头室38中通过缸分离控制阀流过。不过，如果不是全部也有大部分第二缸32的头室38中的液体流入蓄液池60中。

当在分立缸能量回收模式122或123下的操作达到一个状态，此时第二缸32的头室38没有足够的压力来为蓄液池加液，但大于零，如下面公式所示：

                      (P₅₆+P₅₇)/2-P₅₈/R＞0

支架操作转入图8所描述的交叉室能量回收模式124。不等式左端指的是交叉室能量回收模式差动压力。需要注意的是上述不等式可以被修正为包括摩擦和其它因素造成的损失的形式。在交叉室能量回收模式124下，回收控制阀62通常闭合以保持蓄液池60的相对高压加液。尽管如此，如压力传感器57和59所指示(图3)，在第二支架缸32的头室38中可能还有足够的残留压力可以对蓄液池继续加液，因此在这种模式下回收控制阀62可能是部分打开的。在每种模式中，缸分离控制阀39都与工作端口分路控制阀65一起打开使得两个头室34和38中的一些液体被输送用于充满扩大的连杆室33和36。由于从头室中排出液体的总量多于充满连杆室需要的量，第二EHP控制阀42打开以将多余的液体输送到回流管26并向前输送到液箱23中。

需要注意的是能量回收模式121，122，123和124不需要遵循上面描述的顺序。在能量回收模式121，122，123和124中选择一个应该基于每种模式在给定时间内提供的回收效率收益进行。因此，任何能量回收模式可以转入其它任何一种能量回收模式中，系统控制器50可以基于这里提供的方程作出适合的选择。

在交叉室能量回收模式124中，蓄液池达到最大储存容量。此外，当缸分离控制阀39打开时，两个缸头室34和38中的压力开始重新变为相等。虽然优选的实施例包含工作端口分路控制阀65，该阀在分立缸能量回收模式123不使用的情况下可以省去以节省成本。在这种情形下，当工作端口分路控制阀应该打开的时候，通过打开第二和第四EHP控制阀42和44对控制阀组件40进行操纵，以随同隔离阀39的打开将液体通过这对阀中的一个在两个工作端口46和48之间输送。

最终支架13下降到如此低的一个位置以致于由重力本身引起的力不足以继续以满足挖掘机高效操作的足够快的速度降低支架。此时需要泵的压力进一步降低支架。在这个时候，操作转入图9所示的动力能量模式125。此时第三EHP控制阀43打开以将加压液体由第一泵22输送到两个支架缸31和32的连杆室33和36中。该加压液体推动活塞进一步缩回活塞杆，从而向下推动支架13。此时从头室34和38中排出的液体由打开的缸分离控制阀39和第二EHP控制阀42输送到回流管26中，第二和第三EHP控制阀42和43被调整用来控制支架的速度。

挖掘机10的支架13和臂14的位置影响支架部件在缸组件16和17上力的大小以及可以回收的能量大小。力的大小与传感器56，57和58测量的缸室压力相对应。因此，来自这些传感器以及蓄液池压力传感器59的信号使得系统控制器50能够决定哪种能量回收模式可以应用以及可以回收最多的能量。

能量再利用

当可以将活塞杆从支架缸31和32中伸出以及逆着向下的作用力F升高支架13的时候，液体可以从蓄液池60中回收以取代使用第一泵22中的加压液体或作为增加量。在图10所示的第一能量再利用模式131中，蓄液池60中储存的液体通过打开的回收控制阀62和缸分离控制阀39流入两个缸头室34和38中。从连杆室33和36中排出的液体通过打开的第四EHP控制阀44流入回流管26中。

需要理解的是通常蓄液池60并不会加液至足以驱动两个缸组件16和17的压力水平。此外，储存在蓄液池中的液体量可能不足以充满两个头室34和38。在这些例子中，图11所描述的第二能量再利用模式132可以在回收控制阀62打开而缸分离控制阀39关闭的情况下实施。这种模式仅将液体由蓄液池60导入第二缸32的头室38中。回收控制阀62通常全部打开以消除从蓄液池流出液体的流量损失。第一缸31的头室34通过第一EHP控制阀41从第一泵22接收加压液体。因此，第一缸31由泵液体驱动而第二缸32由蓄液池液体驱动。第一EHP控制阀41和回收控制阀62被调整用于控制支架上升的速度。当这种情形发生时，由两个连杆室33和36中流出的液体通过打开的第四EHP控制阀44流入回流管26中。

第二泵82可以由第二供给阀99连接到第一支架缸31的头室34的端口，在这种情况下第二泵中的加压液体可以供应给头室以增加第一泵22中的液体。为了实现这一过程，第二供给阀99计量流入第一支架缸31的头室34的液体，而第一EHP控制阀41用于计量液体流量。

最后，蓄液池60中流出的液体将被耗尽，不能用于驱动第二缸32。此时，液压系统操作可以进入图12描述的第三能量再利用模式133中，其中从第二泵82中流出的液体被用于代替或补充蓄液池60中的液体。这一操作是通过打开供给控制阀98以导引液体由第二泵82流入第二缸32的头室38实现的。第一缸31的头室34继续通过控制阀组件40由第一泵22接收液体，从连杆室33和36排出的液体同样通过控制阀组件流入回流管26中。在第三能量再利用模式133中，第一EHP控制阀41和供给控制阀98被调整用于控制支架13升高的速度。

图13表示第四能量再利用模式134，其中第一和第二泵22和82的输出由缸分离控制阀39合并到一起并输送到两个头室34和38中。在第四能量再利用模式134中，第一泵22中的液体通过第一EHP控制阀41输送到头室34和38中，而供给控制阀98将液体由第二泵82输送到相同的室中。根据其中的压力水平，一些液体可能从蓄液池60中流出。从连杆室33和36中排出的液体通过打开的第四EHP控制阀44流入回流管26中。

图14描述了第五种能量再利用模式135，其中仅由第一泵22中流出的液体对两个液压缸组件16和17的头室34和38提供动力。第二泵82在这种模式下不为支架部件30提供动力。此时第一EHP控制阀41控制由第一泵22流入头室34和38的液体流量以及支架上升速度。第四EHP控制阀44控制由连杆室33和36到回流管26的液体流动。

从第一至第五能量再利用模式131-135，作用在支架13上的力倾向于降低支架。在挖掘机10的其它操作状态，外力倾向于升高支架13。例如图1所示例子，假设支架组件12完全伸展到离挖掘机驾驶室11最远的位置，随后臂缸组件18被施加动力使得铲斗朝向驾驶室运动并掘进土中。对该挖掘动作的抵抗力将施加一个向上的力，该作用力在不需要由泵22或82对支架缸组件16和17输送加压液体的情况下倾向于升高支架。

当这一向上作用力作用在支架13上时，用于支架缸组件16和17的液压系统部分被设定成图15的形式。在第六种再利用模式136中，作用在支架13上的力进一步地使得活塞杆从缸31和32中伸出，并迫使液体从连杆室33和36流入控制阀组件40的第二工作端口48中。第四EHP控制阀44此时打开到某个程度以将支架控制在需要的速度以及输送排出液体进入回流管26中。尽管如此，扩大的头室34和38在第一工作端口46处产生低压力，这导致第二EHP控制阀42中的防空化阀打开，并将加压液体由回流节点输送到第一工作端口46中。该液体继续通过此时打开的缸分离控制阀39由第一工作端口46进入两个头室34和38中。由于头室34和38的组合体积大于两个连杆室33和36的组合体积，需要额外的液体来充满头室。额外的液体从回流管26流入控制阀组件40，或者在压力传感器55指示回流管没有足够的压力时，第一EHP控制阀41将被打开，以由第一泵22提供液体。由第一泵中流出的液体不需要保持在特殊的压力下，因为它不驱动缸而仅仅用于充满扩大的室。

尽管以上描述的液压系统包括缸分离控制阀39，上面讨论的与蓄液池中能量回收和再利用相关联的发明的优点可以在不使用该阀的情况下获得。此处，第一缸组件16的头室34和第二缸组件17的头室38在液体输送上相互配合，而不是与缸分离控制阀39连接。在回收操作过程中，额外的压力被供给蓄液池，按这种方式设计的回路可以如以上参照图5，7，8，9所描述的而操作，运动通过图5，7，8，9的模式。参照图2和3，在再利用过程中，液体由蓄液池60通过端口61流入对供给管25打开的加液和再利用控制阀66中。第一泵22在再利用模式下也可能为供给管25提供额外的液体。尽管这里使用的是两个缸16和17，当缸分离阀39去掉时，也可以只使用一个缸。不管使用一个缸或是两个缸，都可以使用一个压力传感器56或57。

上面的描述只是本发明的优选实施例。虽然在发明的范围内给出了几个实施例，本领域技术人员可以理解在本发明的实施例公开的范围内可以做各种变化。

Claims (36)

1.一种用于机器的液压系统，具有能量回收装置，所述液压系统包括：

供给管，传送加压液体；

回流管，将液体传送回液箱；

第一和第二液压缸，机械地并行连接来操作机器的部件，每个都具有第一室和第二室；

缸分离控制阀，与第一液压缸的第一室和第二液压缸的第一室流体连通并控制它们之间的液体流动，其中，在第一液压缸的第一室和缸分离控制阀之间形成有节点；

控制阀组件具有第一工作端口和第二工作端口，第一工作端口与节点连接，第二工作端口与第一和第二液压缸的第二室连接，其中，控制阀组件的操作将第一和第二工作端口中的每个与供给管和回流管选择性连接；

蓄液池；

回收控制阀，控制液体从第二液压缸的第一室流到蓄液池。

2.如权利要求1所述的液压系统，其中，回收控制阀进一步控制液体从蓄液池向第二液压缸的第一室的流动。

3.如权利要求1所述的液压系统，进一步包括加液和再利用控制阀，其与蓄液池流体连通，以控制液体从蓄液池向供给管的流动。

4.如权利要求1所述的液压系统，其中，缸分离控制阀直接连接于第一液压缸的第一室和第二液压缸的第一室之间。

5.如权利要求1所述的液压系统，进一步包括工作端口分路控制阀，其控制第一和第二工作端口之间的液体流动。

6.如权利要求5所述的液压系统，其中，工作端口分路控制阀直接连接于第一和第二工作端口之间。

7.如权利要求1所述的液压系统，其中，液压系统包括具有连接到供给管的出口并具有入口的第一泵；以及进一步包括泵回流控制阀，其控制从蓄液池到泵的入口的液体流动。

8.如权利要求1所述的液压系统，其中，液压系统包括一具有连接到供给管的第一出口的第一泵；和具有第二出口的第二泵；并进一步包括供给控制阀，其控制从第二出口到第一和第二液压缸的其中之一的第一室的液体流动并与它们流体连通。

9.如权利要求1所述的液压系统，进一步包括：第一传感器，可操作地连接来测量第一液压缸的第一室的压力；第二传感器，可操作地连接来测量第二液压缸的第一室的压力；以及第三传感器，可操作地连接来测量蓄液池中的压力。

10.如权利要求9所述的液压系统，进一步包括：第四传感器，可操作地连接来测量第一和第二液压缸的第二室的压力。

11.如权利要求1所述的液压系统，进一步包括：蓄液池加液和再利用控制阀，其与第一泵和蓄液池流体连通，并控制第一泵和蓄液池之间的液体流动。

12.如权利要求1所述的液压系统，其中，控制阀组件包括：第一控制阀，其将第一工作端口和供给管连接；第二控制阀，其将第二工作端口与供给管连接；第三控制阀，其将第一工作端口和连接到液箱的回流管连接；以及第四控制阀，其将第二工作端口和回流管连接。

13.如权利要求12所述的液压系统，其中，第一、第二、第三和第四控制阀是电液比例阀。

14.一种能量回收装置，用于液压系统中，该液压系统具有第一液压缸组件和第二液压缸组件，它们并行地机械连接来操作一部件，每个液压缸组件具有第一室和第二室，该液压系统还具有控制阀组件，其有选择地将各个第一和第二工作端口与供给管和回流管连接，其中第一工作端口与第一液压缸组件的第一室连接，并与第二液压缸组件的第一室隔离，第二工作端口与第一和第二液压缸组件的第二室连接，该能量回收装置包括：

缸分离控制阀，与第一液压缸组件的第一室和第二液压缸组件的第一室流体连通并控制它们之间的液体流动；

工作端口分路控制阀，与第一和第二工作端口流体连通，以控制它们之间的液体流动；

蓄液池；以及

回流控制阀，控制液体从第二液压缸组件的第一室向蓄液池的流动。

15.如权利要求14所述的能量回收装置，其中，回收控制阀进一步控制液体从蓄液池到第二液压缸组件的第一室的流动。

16.如权利要求14所述的能量回收装置，进一步包括加液和再利用控制阀，与蓄液池进行流体连通，以控制液体从蓄液池到供给管的流动。

17.如权利要求14所述的能量回收装置，进一步包括系统控制器，其以一能量回收模式来操作能量回收装置，在这种模式中，缸分离控制阀关闭，液体通过第一液压缸组件的第一和第二室之间的控制阀组件流动，其它液体从第二液压缸组件的第一室流到蓄液池。

18.如权利要求14所述的能量回收装置，进一步包括系统控制器，其以一能量回收模式来操作能量回收装置，在这种模式中，缸分离控制阀打开，液体通过第一液压缸组件的第一和第二室之间的工作端口分路控制阀流动，其它液体从第二液压缸组件的第一室流到蓄液池。

19.如权利要求14所述的能量回收装置，进一步包括系统控制器，其以第一能量回收模式和第二能量回收模式来操作能量回收装置，在第一能量回收模式中，液体流动通过缸分离控制阀和回收控制阀进入蓄液池，在第二能量回收模式中，缸分离控制阀打开，液体流动通过第一液压缸组件的第一和第二室之间的工作端口分路控制阀，其它液体从第二液压缸组件的第一室流到蓄液池。

20.如权利要求14所述的能量回收装置，进一步包括系统控制器，其以一能量回收模式来操作液压系统，在该模式中，缸分离控制阀在液体从蓄液池经过回收控制阀流向第二液压缸组件的第一室并且其它液体从供给管流向第一液压缸组件的第一室的时候关闭。

21.如权利要求14所述的能量回收装置，其中，液压系统包括泵，该泵具有连接到供给管的出口，并具有入口；进一步包括泵回流控制阀，其控制液体从蓄液池到泵的入口的流动。

22.如权利要求21所述的能量回收装置，进一步包括系统控制器，其以一能量回收模式来操作液压系统，在该模式中，液体通过泵回流控制阀从蓄液池流向泵入口，液体从供给管流向第一和第二液压缸组件。

23.如权利要求14所述的能量回收装置，进一步包括系统控制器，其以交叉室回收模式来操作能量回收装置，在该模式中，缸分离控制阀打开，液体从第一和第二液压缸组件的第一室流入第一和第二液压缸组件的第二室，并且回收控制阀打开，以将多余的液体引到蓄液池和回流管中之一。

24.一种用于机器的液压系统，具有能量回收装置，所述液压系统包括：

供给管，传送加压液体；

回流管，将液体传送到液箱；

液压缸，操作机器的部件，并具有第一和第二室；

控制阀组件，具有第一工作端口和第二工作端口，其中第一工作端口与液压缸的第一室流体连通，第二工作端口与液压缸的第二室流体连通，并且控制阀组件的操作将第一和第二工作端口的每个选择性地连接到供给管和回流管；

工作端口分路控制阀，与第一工作室和第二工作端口流体连通，以控制它们之间的液体流动；

蓄液池；以及

回收控制阀，控制液体从液压缸的第一室向蓄液池的流动。

25.如权利要求24所述的液压系统，其中回收控制阀进一步控制液体从蓄液池向液压缸的第一室的流动。

26.如权利要求24所述的液压系统，其中液压系统包括第一泵，其具有连接到供给管的出口并具有入口，且回收控制阀进一步控制液体从蓄液池向泵出口的流动。

27.如权利要求24所述的液压系统，进一步包括第二液压缸，该第二液压缸具有第一室和第二室，并包括连接在第一液压缸的第一室和第二液压缸的第一室之间的缸分离控制阀。

28.如权利要求24所述的液压系统，其中，工作端口分路控制阀直接连接在第一和第二工作端口之间。

29.如权利要求24所述的液压系统，其中，液压系统包括第一泵，该第一泵具有连接到供给管的出口和具有入口；并进一步包括泵回流控制阀，其控制液体从蓄液池向泵的入口的流动。

30.如权利要求24所述的液压系统，其中，液压系统包括：第一泵，具有连接到供给管的第一出口；以及第二泵，具有第二出口；进一步包括供给控制阀，其控制从第二出口到第一和第二液压缸的第一室的液体流动，并与它们流体连通。

31.如权利要求24所述的液压系统，进一步包括第一传感器，其可操作地连接来测量第一液压缸和第二液压缸的第一室中的压力，还包括第二传感器，其可操作地连接来测量蓄液池中的压力。

32.如权利要求31所述的液压系统，进一步包括第三传感器，其可操作地连接来测量第一和第二液压缸的第二室的压力。

33.如权利要求24所述的液压系统，进一步包括蓄液池加液和再利用控制阀，其与第一泵和蓄液池流体连通并控制它们之间的液体流动。

34.如权利要求24所述的液压系统，其中，控制阀组件包括：第一控制阀，其将第一工作端口连接到供给管；第二控制阀，其将第二工作端口与供给管连接；第三控制阀，其将第一工作端口与连接到液箱的回流管连接；以及第四控制阀，其将第二工作端口和回流管连接。

35.如权利要求34所述的液压系统，其中，第一、第二、第和第四控制阀是电液比例阀。

36.如权利要求24所述的液压系统，进一步包括缸分离控制阀，与第一液压缸的第一室和第二液压缸的第一室流体连通并控制它们之间的液体流动，其中，缸分离控制阀的操作选择性地将第一和第二液压缸之一的第一室以及第一和第二液压缸的第一室中的至少一个连接到第一工作端口。

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