CN101278130B - 用于回收势能的液压系统 - Google Patents

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Abstract

一种液压系统(40)可包括液压致动器(20)。该液压系统还可包括具有泵入口(52)和泵出口(54)的泵(44)，该泵可构造用于为液压致动器供给流体。该液压系统还可包括可操作地连接在液压致动器和泵之间的能量回收系统(48)。该能量回收系统可构造用于在超越负载状况下储存来自液压致动器的流体，并且所储存的流体可通过泵入口被引导到液压致动器中。

Description

用于回收势能的液压系统
技术领域
本发明涉及能量回收，更具体地涉及一种使用液压回路回收联杆/联接系统的势能的系统和方法。
背景技术
作业机械可用于移动重负载如土、建筑材料和/或岩屑，而且可包括例如轮式装载机、挖掘机、前开式挖掘机、推土机、反铲挖土机以及伸缩式吊运机。作业机械可使用作业器具/机具来移动重负载。作业机械的作业器具可由液压系统供以动力，该液压系统可使用加压流体致动液压致动器来移动作业器具。
在作业机械的操作过程中，所述器具可被提升至一提高位置。由于器具可能会比较重，当器具被提升至该提高位置时可获得势能。当从该提高位置释放器具时，当加压液压流体被挤出液压致动器并经过阀节流和返回箱时该势能可转换成热量。通常，势能到热量的转换会导致不希望的排出的液压流体的加热，该加热会要求作业机械具有附加的冷却能力。回收那些损失的或浪费的势能加以重新利用可提高作业机械的效率。
在授予Bruun的美国专利No.6,584,769(“Bruun”)中公开了一种设计用于回收或再循环与放低负载相关联的能量的系统。Bruun公开了一种包括液压机的液压回路，该液压回路的流可被发送到双作用液压缸的杆端(rod end)。液压回路还包括行程可调液压机(variable hydraulicmachine)、伺服泵和蓄液器。在操作期间，蓄液器中的加压油流过变液压机的双向泵，该双向泵然后将油传送到起重缸。在放低运动中，双向泵中的流动方向改变并且油被供应给蓄液器。Bruun中的液压回路的缺点是它需要双向泵和伺服泵来执行伸长和缩进双作用液压缸以及回收或再循环由降低的负载产生的能量的功能。这些部件的使用增加了Bruun中的液压回路的复杂性、尺寸和成本。
本发明的系统涉及克服一个或多个上述缺点。
发明内容
在一个方面，本发明可涉及一种液压系统。该液压系统可包括液压致动器以及具有泵入口和泵出口的泵。所述泵可构造用于为液压致动器供给流体。该液压系统还可包括可操作地连接在液压致动器和泵之间的能量回收系统。该能量回收系统可构造用于在超越负载状况下储存来自液压致动器的加压流体。所储存的流体可经过泵入口被引导到液压致动器中。
在另一个方面，本发明可涉及一种用于在包括泵的液压回路中回收能量的方法。所述方法可包括在超越负载状况下将从液压致动器流出的流体引导到能量回收系统中而不使该流体经过泵循环。所述方法还可包括将流体储存在能量回收系统中以及将所储存的流体释放到泵入口中。
在又一个方面，本发明可涉及一种作业机械。该作业机械可包括作业器具和构造用于致动作业器具的液压回路。该作业器具可包括液压致动器、构造用于为液压致动器供给流体的泵和能量回收系统。该能量回收系统可构造用于在超越负载状况下直接接收来自液压致动器的流体而不使该流体经过泵循环，以及使流体再循环进入泵入口。
附图说明
图1给出根据一示例性公开的实施例的作业机械的概略图；
图2给出根据一示例性公开的实施例的液压系统的示意图。
具体实施方式
图1示出示例性的作业机械10。作业机械10可包括例如挖掘机、装载机、或任何具有液压驱动的作业器具12的机械。在一个实施例中，器具12可包括吊杆14、连杆(stick)16和铲斗18。由器具12执行的操作可包括例如提升、放低、移动负载(未示出)。
可通过一个或多个液压致动器20移动器具12以执行其各种功能。液压致动器20可包括构造成接收加压液压流体并将其转变为机械力和运动的任何装置。例如，液压致动器20可包括液力发动机或静液传动系统。附加地或可选地，液压致动器20可包括表现为壳体22和活塞24的双作用液压缸。在图2中可更详细地看到本领域已知的一种液压致动器20的元件。
壳体22可包括具有内表面26的容器。在一个实施例中，壳体22可包括在其中具有限定内表面26的圆柱形孔的基本为圆柱形的容器。可设想活塞24紧密地和可滑动地贴靠在壳体22的内表面26上以允许活塞24和壳体22之间的相对运动。
活塞24可包括形状设计为与壳体22的内表面26紧密地配合的塞子28。活塞也可包括一端连接到塞子28、另一端直接或间接地连接到作业器具12的杆30。活塞24可将壳体22的内部室分成杆端室34和头端(headend)室32，其中杆端室34对应于内部室在活塞24的杆侧的部分，头端室32对应于内部室的与杆侧相对的部分。壳体22可包括与头端室32相关联的头端孔口36和与杆端室34相关联的杆端孔口38。加压液压流体可流入头端室和杆端室32、34以及从头端室和杆端室32、34流出以在它们之间产生压差，该压差可导致活塞24运动。
可利用液压回路或系统40选择性地将加压液压流体引导进液压致动器20和从液压致动器20引导出。在一个实施例中，液压回路40可包括箱42、泵44、缸控制阀组件46、能量回收系统48和旁通阀50。
箱42可包括低压液压流体源，例如贮液器。所述流体可包括专用液压油、发动机润滑油、传动装置润滑油、或其它合适的工作流体。液压回路40在器具12操作期间可选择性地从箱42抽取流体和使流体返回箱42。尽管仅仅示出单个箱42，但是也可设想液压回路40可与多个单独的流体箱(未示出)流体连通。
泵44可构造用于产生加压液压流体的流，并且可包括例如活塞泵、齿轮泵、叶轮泵，或摆线泵。泵44可具有用于供给流的可变排量容量，或可选地具有固定容量。泵44可包括泵入口52和泵出口54，其中泵入口52可通过流体管道56连接到箱42上。操作时，泵44可在环境压力或低压下从箱42抽取液压流体并且可对该液压流体做功以对其加压。加压液压流体流可通过泵出口54离开。可设想泵44为单向泵。
为了确保泵44的抽吸能力，并且减少与抽取液压流体和对其做功以达到加压状态相关联的做功负荷和/或能量消耗，液压回路40还可包括进料泵/供给泵58。进料泵58可通过使来自箱42的液压流体加压并将加压液压流体供应给泵入口52来辅助泵44。一旦液压流体通过进料泵58预加压，则泵44可需要较少的功和/或能量来使液压流体加压。
泵44和/或进料泵58可通过副轴、皮带、电路、和/或以任何其它合适的方式可驱动地连接到作业机械10的动力源(未示出)上。泵44和/或进料泵58可专门用于将加压液压流体仅供应给液压回路40，或可选地，泵44和/或进料泵58可将加压液压流体供应给液压回路40和作业机械10的附加液压系统(未示出)。
缸控制阀组件46可包括独立的计量阀单元，该计量阀单元包括两个独立的泵-缸(“P-C”)计量控制阀60和62以及两个独立的缸-箱(“C-T”)计量控制阀64和66。独立的P-C和C-T计量控制阀60、62、64和66可各自被独立地致动到打开和关闭状态以及在打开和关闭之间的位置。通过选择性地致动P-C和C-T控制阀60、62、64和66，可将加压液压流体引导到液压致动器20的头端室32和杆端室34内以及从头端室32和杆端室34引导出。通过控制进入头端室32和杆端室34以及从头端室32和杆端室34流出的流体流的方向和速率，P-C控制阀60和62以及C-T控制阀64和66可控制器具12的运动。附加地或可选地，缸控制阀组件46可包括一个或多个单阀芯阀(single spool valve)(未示出)、比例控制阀、或构造用于控制进入液压致动器20和从液压致动器20流出的加压液压流体流的速率的任何其它合适的装置。
P-C控制阀60和62可构造用于将从泵出口54流出的加压液压流体引导到液压致动器20中。具体地，P-C控制阀62可选择性地将液压流体引导到液压致动器20的杆端室34中，而P-C控制阀60可对头端室32执行类似的功能。
C-T控制阀64和66可构造用于接收从液压致动器20的头端室32和杆端室34流出的液压流体。具体地，C-T控制阀64可接收离开头端室32的液压流体并将它引导向箱42。C-T控制阀66可对杆端室34和箱42执行类似的功能。C-T控制阀64和66与P-C控制阀60和62一样可包括各种类型的可独立调节的阀装置。
能量回收系统48可回收与从液压致动器20排出的加压液压流体相关联的能量。例如，当液压致动器20处于超越负载(overrunning load)状况下时能量回收系统48可回收能量。当液压致动器20已被伸长以提升负载之后希望缩进时可存在超越负载状况。在超越负载状况下，液压致动器20可通过作用于器具12上的重力和/或作用于器具12承载的负载上的重力而缩进。该缩进可导致活塞24沿头端室32的方向移动，因而导致迫使加压液压流体流出头端室32。这种超越负载的状况与阻力负载(resistiveload)状况不同，在阻力负载状况下液压致动器20必须抵抗器具12的重量和/或负载的重力做功以进行运动或操作。
在一个示例性公开的实施例中，能量回收系统48可包括高压(“HP”)蓄液器68、HP加液阀70、HP排出阀72、箱蓄液器74、止回阀76、背压阀78、以及另一止回阀82。由能量回收系统48回收的能量可用于为液压致动器20和作业机械10上存在的其它液压装置的后续运动和操作提供动力。
HP蓄液器加液阀70可设置在可操作地与头端室32和HP蓄液器68相连接的流体管道80上。在阻力负载状况下，HP蓄液器加液阀70可处于关闭位置以阻止离开头端室32的加压液压流体进入HP蓄液器68。在超越负载状况下，可将HP蓄液器加液阀70致动至打开位置而将C-T控制阀64致动至关闭位置，从而允许离开头端室32的加压液压流体经过流体管道80进入HP蓄液器68。还可以设想，HP蓄液器加液阀70可与也设置在流体管道80上的止回阀82联合工作，使得当HP蓄液器加液阀70处于打开位置时，止回阀82可允许加压液压流体从头端室32流到HP蓄液器68，而不允许反方向进行。
当HP蓄液器68内的加压液压流体的量增加时，HP蓄液器68内的压力也会增加，这使得加压液压流体更难以从头端室32行进到HP蓄液器68。一旦HP蓄液器68内的压力等于头端室32内的压力，则加压液压流体将停止从头端室32流到HP蓄液器68中。加压液压流体可将液压致动器20保持在其当前位置上，使得HP蓄液器68通过当作业机械在施工现场在不平表面上运动时减少器具12的“弹跳”量而用作弹簧或减震器。附加地或可选地，如果希望液压致动器20连续运动，则泵44可将加压液压流体供应给液压致动器20的杆端室34，以通过沿头端室32的方向驱动活塞24来增加头端室32内的压力。这样，头端室32中的压力可始终如一地维持在高于HP蓄液器68内的压力的水平上并且活塞24可在超越负载状况下平滑地工作而不经历停顿。
HP蓄液器排出阀72可设置在流体管道80上介于HP蓄液器68和泵44之间的位置，并且可选择性地使HP蓄液器68与泵44形成流体连通。在超越负载状况下，HP蓄液器排出阀72可处于关闭位置，从而导致离开头端室32的加压液压流体积聚在HP蓄液器68内。当再次希望液压致动器20运动时，HP蓄液器排出阀72可移动至打开位置，从而在HP蓄液器68和泵44之间形成流动路径，以便HP蓄液器68内的加压液压流体可供应给泵入口52以装填泵44并帮助执行希望的运动。
箱蓄液器74可通过流体管道84可操作地连接到杆端室34。离开杆端室34的低压液压流体可储存在箱蓄液器74中以供稍后再次使用。箱蓄液器74可与止回阀76和背压阀78联合操作以在需要时将加压液压流体供应给泵44。
止回阀76可设置在流体管道56中以允许液压流体单向通过。在一个设想的实施例中，止回阀76可包括构造用于产生可将止回阀82推到关闭位置的偏压压力的偏压装置86，例如弹簧。当HP蓄液器排出阀72打开以释放储存在HP蓄液器68内的加压液压流体时，该加压液压流体可在泵入口52和止回阀76处产生第一流体压力。由于第一流体压力和偏压压力施加的合力，止回阀76可保持关闭。当加压液压流体流出HP蓄液器68时，可通过压力传感器(未示出)感知HP蓄液器68内的对应的压力变化，该压力传感器例如可安装在HP蓄液器68上或在HP蓄液器68中或在HP蓄液器68与流体管道80相连接的交接处。当HP蓄液器68内的加压液压流体的量下降至预定水平或完全排空时，该传感器可触发HP蓄液器排出阀72关闭。当HP蓄液器排出阀72关闭时，由第一流体压力和偏压压力施加的合力可变得小于由储存在箱蓄液器74内的加压液压流体施加的压力所产生的沿止回阀76打开方向的反向力。因此，止回阀76可打开以允许箱蓄液器74中的加压液压流体朝着泵44排出。
背压阀78可包括类似于止回阀76的具有偏压装置90的止回阀88。但是，背压阀78可设置在流体管道56上以便允许加压液压流体通过而回到箱42中。这样，背压阀78可调节储存在箱蓄液器74内的加压液压流体的压力。例如，如前所述，离开杆端室34的加压液压流体可经过独立的C-T计量阀66，并且朝着箱蓄液器74被引导到流体管道84中，因此当加压液压流体储存在箱蓄液器74中时在箱蓄液器74内产生压力。只要箱蓄液器74中的压力保持低于推动背压阀78至打开位置所需的预定压力，则箱蓄液器74可继续储存更多加压液压流体且箱蓄液器74中的压力可持续稳定上升。但是，一旦箱蓄液器74中的压力超过该预定压力，背压阀78将被推到打开位置，由此允许箱蓄液器74内的加压液压流体排到箱42中。一旦足够多的流体离开箱蓄液器74导致箱蓄液器74内的压力下降至低于预定压力，那么由于偏压装置90施加的偏压压力，背压阀78可返回其关闭位置。这样，箱蓄液器74中的过多的流可返回箱42，从而箱蓄液器74内的压力可始终如一地维持在预定压力水平或低于该预定压力水平。可设想通过调节由偏压装置90施加的偏压压力来调节该预定压力水平。
在作业机械10的操作过程中，液压致动器20可反复伸长和缩进以提升和放低器具12。在运动之间，液压致动器20可静止不动。但是，在这些静止时期泵44可持续地运行并且抽吸出少量加压液压流体流以便为随后的运动做准备。旁通阀50可构造用于在不希望液压致动器20运动时的静止时期将来自泵44的液压流体流引导向箱蓄液器74和/或箱42。然后，当再次需要液压致动器运动时，仅通过将旁通阀50移动到关闭位置就可立即将少量加压液压流体流从泵44引导到液压致动器20中。这样，可以供应加压液压流体(至少在初始时)而只有较小的应力作用在泵44上。
工业适用性
所公开的能量回收系统可在作业机械上具有特殊的适用性。具体地，如图2所示，能量回收系统48可用于回收和/或再循环与可操作地连接到液压致动器20上的器具12的运动相关联的势能。
伸长液压致动器20以提升作业机械10的器具12的动作/操作可包括打开独立的泵-缸(“P-C”)计量控制阀60以允许由泵44提供的加压液压流体进入液压致动器20的头端室32。独立的缸-箱(“C-T”)计量控制阀66也可打开以允许液压致动器20的杆端室34中的加压液压流体排出。这样可形成压差，其中头端室32内的加压液压流体的压力超过杆端室34内的加压液压流体的压力。所述压差可沿杆端室34的方向驱动液压致动器20的活塞24。当加压液压流体从杆端室34流出时，它可经过流体管道84被引导向箱蓄液器74。箱蓄液器74可储存该加压液压流体及与之关联的能量。
液压致动器20缩进以从提高位置放低器具12可由作用在提高的器具12上的重力和/或作用在器具12承载的负载上的重力来驱动。这些力可作用在活塞24上以将加压液压流体推挤出头端室32。这些加压液压流体然后可被引导到HP蓄液器68并储存在其中。
可将HP蓄液器68中储存的加压液压流体引导回液压致动器20以在器具12随后的运动中使用。当HP蓄液器68内储存的加压液压流体用完/耗尽时，HP蓄液器68内的压力将相应地下降。当HP蓄液器68内的压力下降到低于预定水平时，与HP蓄液器68相关联的压力传感器(未示出)可关闭设置在HP蓄液器68和泵44之间的HP蓄液器排出阀72。由于HP蓄液器排出阀72的关闭，泵44的泵入口52处的压力将不能阻止箱蓄液器74内储存的加压液压流体沿打开方向移动止回阀82。这样，一旦HP蓄液器68中的加压液压流体接近耗竭，则箱蓄液器74中的加压流体将朝向泵44排出，从而允许箱蓄液器74辅助泵44。
多种原因表明这种布置是有益的。一个原因是箱蓄液器74可有助于确保泵44即使在HP蓄液器68内的加压液压流体耗尽时也不会发生吸入问题。例如，假定将器具12提升到第一高度，然后从该第一高度放低到地面或接近地面的高度。器具12的高度变化可导致能量以加压液压流体的方式储存在HP蓄液器68中。所储存能量的量基本上等于器具12从第一高度运动到地面所导致的势能损失，该势能损失基本上等于将器具12从地面提升回第一高度所需的能量。如果操作员希望将器具12提升至高于第一高度的第二高度，则HP蓄液器68独自将不能供应足够的加压液压流体，因为HP蓄液器68只具有足以将器具12提升到第一高度或接近第一高度的高度上的加压液压流体。在此情形下，箱蓄液器74将向泵入口44提供加压液压流体以确保泵44不会遇到与在大气压力下从箱中抽取液压流体相关的吸入问题。
在除液压致动器20之外泵44还为其它液力致动的装置供应加压液压流体的情况下，将显见布置箱蓄液器74来补充HP蓄液器68的另一益处。在此情形下，储存在HP蓄液器68内的加压液压流体可供所述其它液压装置使用，因而减少所储存加压液压流体供液压致动器20使用的可得到的供应。所述布置可使得箱蓄液器74也能提供所储存的加压液压流体给泵44，有效地补充了HP蓄液器68中减少的加压液压流体的供应。
这样，能量回收系统48可通过捕获先前节流到箱中和作为热量损失掉的能量，以及通过将能量储存在泵蓄液器68和箱蓄液器74中来回收和/或重新利用该能量。然后，当操作员希望通过伸长液压致动器20再次提升器具12时，以加压液压流体的形式储存的能量可再循环以辅助泵44。这种能量的重新利用可提高作业机械的效率并降低燃料成本和总体操作成本。
此外，能量回收系统48可使用简单的液压系统来回收能量。具体地，能量回收系统48可只需要添加几个控制阀和蓄液器，而不需要其它昂贵的附加硬件，例如双向泵组件、复杂的阀装置、或极大的蓄液器。此外，由于其简单性，可比较容易地在多种先前已知的作业机械的液压系统上对能量回收系统48进行改型。
可以对所公开的系统和方法做出各种修改和变型而不偏离本发明的范围，对本领域技术人员是显而易见的。另外通过考虑说明书，所公开的系统和方法的其它实施例对本领域技术人员是显见的。应当认为说明书和示例只是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求及其等同方案指出。

Claims (5)

1.一种液压系统(40)，包括：
液压致动器(20)；
具有泵入口(52)和泵出口(54)的泵(44)，该泵构造用于为所述液压致动器供给流体；
可操作地连接在所述液压致动器和所述泵之间的能量回收系统(48)，该能量回收系统构造用于在超越负载状况下储存来自液压致动器的流体；并且
其中，所储存的流体经过所述泵入口被引导到所述液压致动器中，
所述能量回收系统(48)还包括：第一蓄液器(68)；构造用于在超越负载状况下使液压致动器(20)与第一蓄液器形成流体连通的加液阀(70)；构造用于使第一蓄液器与泵入口(52)形成流体连通的排出阀(72)；构造用于接收来自液压致动器(20)的流体的第二蓄液器(74)；构造用于在第一蓄液器内的加压液压流体的量下降至预定水平或完全排空、所述排出阀(72)关闭时使第二蓄液器与泵入口(52)形成流体连通的止回阀(76)。
2.一种作业机械(10)，包括根据权利要求1所述的系统。
3.一种利用权利要求1所述的液压系统回收能量的方法，该方法包括：
在超越负载状况下将从液压致动器(20)流出的流体引导到能量回收系统(48)中而不使该流体经过泵循环；
将流体储存在能量回收系统(48)中；以及
将所储存的流体释放到泵入口(52)中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，液压致动器(20)是包括头端(32)和杆端(34)的双作用液压缸(22，24)，流体从头端进入所述第一蓄液器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，流体从杆端(34)进入所述第二蓄液器。
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