CN103717808A - 用于回收惯性能量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合回收惯性能量的液压系统（10）。该液压系统包括泵（22）、具有输入/输出轴（82）的可变排量泵/马达（28）、蓄压器（30）、和阀装置（32，34，36，38，39，40，42）。该阀装置可在以下模式下操作：a）第一模式，其中可变排量泵/马达由泵驱动以使输入/输出轴和负载旋转；b）第二模式，其中可变排量泵/马达利用来自负载的减速的惯性能量来对蓄压器进行充入；和c）第三模式，其中可变排量泵/马达由蓄压器驱动以使输入/输出轴和负载旋转。该液压系统还包括用于控制泵、可变排量泵/马达和阀装置的操作的控制器（50）。

Description

用于回收惯性能量的方法和装置
对相关申请的交叉引用
本申请在2012年8月8日作为PCT国际专利申请提交，除美国以外的所有指定国申请人为名称为伊顿公司的美国公司，并且仅指定美国的申请人为美国公民Aaron Hertzel Jagoda，并且要求2011年8月12日提交的美国专利申请系列号No.61/523,110和2011年8月15日提交的美国专利申请系列号No.61/523,524的优先权，这些申请的公开内容通过全文引用的方式并入本文中。
背景技术
挖掘机通常使用液压驱动的线性和旋转致动器来驱动挖掘机的各种联动装置和旋转接头的相对运动。典型地，线性致动器为液压缸并且旋转致动器为液压马达。液压缸和马达可以由控制系统控制。控制系统可以由操作员操作。操作员由此可以操作和控制挖掘机，包括挖掘机的液压缸和马达。
许多常规挖掘机通过对通向和/或来自液压缸和/或马达的液压流体流进行节流来控制液压缸和/或马达。该节流典型地由于将处于一定压力的液压流体流的能量转化为热能而浪费了能量。该热能通常必须通过挖掘机的冷却系统去除。该浪费的热能增加了挖掘机的功率消耗（例如，燃料消耗）。
许多常规挖掘机通过对通向和/或来自液压缸和/或马达的液压流体流进行节流而消散联动装置和旋转接头的相对运动中的惯性能量。该节流典型地还由于经由液压节流将相对运动的惯性能量转化成热能而浪费了能量。该热能通常也必须通过挖掘机的冷却系统去除。该热能还源于挖掘机的功率消耗（例如，燃料消耗）。
已开发电动混合动力系统来协助回收能量。然而，此类系统会相对昂贵并且对具有高电压能量储存的复杂的基于电气/电子的系统的依赖性会引起适用性和可靠性问题。
诸如在美国专利No.7,908,852公开的系统使用液压蓄压器来储存和重复利用液压势能。然而，此类系统主要依赖于节流阀来提供减速，由此降低了系统的总效率。
发明内容
本发明的一方面涉及一种用于回收惯性能量的方法和装置。
本发明的另一方面涉及一种适合回收惯性能量的液压系统。该液压系统包括泵、具有输入/输出轴的可变排量泵/马达、蓄压器和阀装置。该阀装置可在以下模式下操作：a）第一模式，其中可变排量泵/马达由泵驱动以使输入/输出轴和负载旋转；b）第二模式，其中可变排量泵/马达利用来自负载的减速的惯性能量来对蓄压器进行充入；和c）第三模式，其中可变排量泵/马达由蓄压器驱动以使输入/输出轴和负载旋转。该液压系统还包括用于控制泵、可变排量泵/马达和阀装置的运转的控制器。
将在下文的描述中阐述各种其它方面。这些方面会涉及单独的特征和特征的组合。应理解，前文的大体描述和下文的详细描述只是示例性和说明性的，并非对文中公开的实施例所基于的宽泛概念加以限制。
附图说明
图1是具有根据本发明的原理的方面的示例性特征的流体系统的示意性表示；
图2是处于第一运转模式下的图1的流体系统的示意性表示；
图3是处于第二运转模式下的图1的流体系统的示意性表示；
图4是处于第三运转模式下的图1的流体系统的示意性表示；
图5是处于第一减压模式下的图1的流体系统的示意性表示；
图6是处于第二减压模式下的图1的流体系统的示意性表示；
图7是示出用于控制图1的流体系统的运转的控制逻辑的流程图；
图8是表示为表层的控制映射图，该控制映射图可以由图1的流体系统的控制器访问以控制系统的运转；
图9是可加入图1的流体系统的挖掘机的示意性右视图；以及
图10是图9的挖掘机的示意性透视图。
具体实施方式
现将对在附图中示出的本发明的示例性方面进行详细说明。在所有可能的情况下，所有附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的结构。
现参照图1-6，示出了根据本发明的原理的总体表示为10的流体系统的示意性表示。流体系统10适合用在各种挖掘机器或其它设备上。图1-6示出了液压回路构型20。液压回路构型20包括由原动机24（例如，诸如柴油发动机、火花点火发动机或电动机的动力源）提供动力的液压泵22。泵22从罐/箱44（即，储器）抽吸液压流体并向多个负载回路提供加压液压流体。例如，图1示出了构造成使得泵22向第一负载回路26a、第二负载回路26b和第三负载回路26c提供加压液压流体的液压回路构型20。
如图1所示，第一负载回路26a是具有可变排量泵/马达28和适合于回收与连接到可变排量泵/马达28的工作负载（例如，挖掘机的上部结构）的减速相关的能量的蓄压器30的节能负载回路。阀装置用于控制通过负载回路26a的液压流体流。该阀装置包括在所示的实施例中为三位阀的定向流量控制阀32。阀装置还包括回流控制阀34、第一止回阀36、第二止回阀38、第三止回阀39、第一减压阀40和第二减压阀42。减压阀40、42用作在设定压力被超过时通过连接两侧来限制跨泵/马达28的差压的交叉端口安全阀（参看图5和6）。电子控制器50控制泵/马达28的运转，使得期望水平的转矩经泵/马达28的输入/输出轴82传递。在某些实施例中，经轴82传递的转矩水平可以通过改变泵/马达28的液压流体排量（例如，由泵/马达在轴82旋转一圈时排出的流体的量）来改变。通过控制经轴82传递的转矩，轴82和连接到轴82的对应的工作负载可以加速和减速，并且可以最大限度地降低或消除对减速期间的节流的需求。
在某些实施例中，第二止回阀38、第三止回阀39、第一减压阀40和第二减压阀42全部同泵/马达28集成为一个单元以形成泵/马达单元28a。此外，方向控制阀32、回流阀34和第一止回阀36可以结合到阀体37中以形成阀单元。在其它实施例中，该系统可以随泵/马达28、止回阀36、38和39、减压阀40、42、定向流量控制阀32、以及回流阀34组合在一个整体单元中。
图2示出了以第一模式运转的第一负载回路26a，在所述第一模式中，来自泵22的加压液压流体用于驱动/提供动力给可变排量泵/马达28以引起输入/输出轴82和联接到轴82的负载旋转。第一模式可以称为“泵驱动”模式。在该模式下，泵/马达28用作马达并驱动轴82和对应的工作负载的旋转（例如，使其加速）。在泵驱动模式下，定向流量控制阀32使泵22的出口侧（即，高压侧）与可变排量泵/马达28的第一侧27（即，高压侧或入口侧）流体连通并且回流控制阀34使可变排量泵/马达28的第二侧29（即，出口侧或低压侧）与罐44流体连通。
图3示出了以第二模式运转的第一负载回路26a，在所述第二模式下，与连接到可变排量泵/马达28的输入/输出轴82的负载的减速对应的能量被用于对蓄压器30进行加压充入。第二模式可以称为“充入”模式。在该模式下，泵/马达28用作泵并提供制动功能以提供轴82和联接到轴82的工作负载的旋转的受控减速。当第一负载回路26a处于充入模式时，方向控制阀32阻断泵22和可变排量泵/马达28的第一侧27之间的流体连通并且回流控制阀34阻断可变排量泵/马达28的第二侧29和罐44之间的流体连通。可变排量泵/马达28在减速期间排出液压流体引起要从可变排量泵/马达28的第二侧29引导的液压流体流经第一止回阀36到达蓄压器30以便对蓄压器30进行充入。同时，液压流体从罐44经第三止回阀39被吸向可变排量泵/马达28的第一侧27。
图4示出了以第三模式运转的第一负载回路26a，在所述第三模式中，来自蓄压器30的液压压力被用于驱动可变排量泵/马达28/为可变排量泵/马达28提供动力以引起输入/输出轴82和联接到输入/输出轴82的负载的旋转。第三模式可以称为“蓄压器排出”模式。泵/马达28在该模式下用作马达。在该模式下，定向流量控制阀32使蓄压器30与可变排量泵/马达28的第一侧27流体连通。定向流量控制阀32还使泵22的高压侧与可变排量泵/马达28的第一侧27分离。此外，回流控制阀34使可变排量泵/马达28的第二侧29与罐44流体连通。在蓄压器排出模式下，来自蓄压器30的蓄积液压压力被用于使可变排量泵/马达28加速或以其它方式驱动可变排量泵/马达28。
返回参照图1，液压回路构型20的运转由与该液压回路构型的各种构件接口/相互联系的电子控制器50控制。例如，电子控制器50经接口线53接收来自操作员接口52（例如，操纵杆、活动臂、方向盘、控制板等）的控制输入。电子控制器50还接收来自遍及液压回路构型设置的各种感测构件的输入数据/信号。例如，接口线54将电子控制器50连接到监视可变排量泵/马达28的第一侧27的液压流体压力的压力传感器55。此外，接口线56将电子控制器50连接到监视第一负载回路26a在可变排量泵/马达28的第二侧29的压力的压力传感器57。此外，接口线58将控制器50连接到监视蓄压器30处蓄积的压力的压力传感器59。
电子控制器50控制泵22、定向流量控制阀32、可变排量泵/马达28和回流控制阀34的运转。如图1所示，控制线60将电子控制器50连接到泵22的泵控制回路99。泵控制回路99可以包括负流量控制孔口97。此外，控制线61将电子控制器50连接到定向流量控制阀32。另外，控制线62将电子控制器50连接到可变排量泵/马达28。此外，控制线63将电子控制器50连接到回流控制阀34。而且，接口线96将电子控制器50连接到感测泵/马达28的输入/输出轴82的转速的轴转速传感器95。
应理解的是，泵22可以是能以不同速度运转并且还能被调节成以特定转速泵送不同流量的可变排量泵。例如，泵22可以包括由原动机24驱动/旋转的输入轴23。泵22还可以包括旋转斜盘70，该旋转斜盘能被移动至不同角度以调节在输入轴23的特定转速下来自泵22的输出流量（即，可以改变泵的排量）。电子控制器50可以构造成基于总液压回路构型20的运转需求来调节旋转斜盘70的位置。
在某些实施例中，可变排量泵/马达28可以包括过心（over-the-center）旋转斜盘80和旋转输入/输出轴82。旋转输入/输出轴82可以联接到机械负载。过心旋转斜盘80允许输入/输出轴82被可变排量泵/马达28沿顺时针和逆时针两种方向驱动。例如，当旋转斜盘80位于中心的一侧时，输入/输出轴82被可变排量泵/马达28沿顺时针方向驱动。相反，当旋转斜盘80位于中心的相对侧时，输入/输出轴82沿逆时针方向被驱动。改变旋转斜盘80的位置允许调节经泵/马达轴82传递的转矩并同时调节泵/马达28的液压流体排量。泵/马达28的液压流体排量是在轴82的一次旋转中排出的液压流体的量。类似地，如果可变排量泵/马达28的第一侧27的液压压力变化（例如，随着蓄压器30充入或排出），则可以调节旋转斜盘80的位置以维持输入/输出轴82处的期望转矩输入/输出。应该理解的是，旋转斜盘80的位置由电子控制器50经由线62控制。
电子控制器50通过控制输入/输出轴82处的输入/输出转矩来控制加速/减速的比率。期望输入/输出转矩可以是充入模式下的输入转矩，并且期望输入/输出转矩可以是泵驱动模式和蓄压器排出模式下的输出转矩。在一优选实施例中，可变排量泵/马达28包括旋转斜盘和旋转组件，并且旋转组件在轴每旋转一圈时排出的液压流体的量取决于旋转斜盘的角度。旋转组件可以包括缸体内的活塞，并且旋转斜盘可以用于改变活塞的行程长度以便改变泵/马达28的容积排量。在其它实施例中，可以使用其它类型的可变排量泵/马达。
输入/输出轴82的加速率（即，输入/输出轴的转速随着时间推移而升高的速率）由控制器50基于从操作员接口52接收的操作员指令的值以及泵/马达28的当前运转状态来控制。为了增大加速率，调节旋转斜盘80以增大从泵/马达28传递到轴82的转矩。为了减小加速率，调节旋转斜盘80以减小从泵/马达28传递到轴82的转矩。用于驱动加速的动力由来自泵22和/或蓄压器30的液压压力/流提供。输入/输出轴82的减速率（即，输入/输出轴的转速随着时间推移而降低的速率）由控制器50基于从操作员接口52接收的操作员指令的值以及泵/马达28的当前运转状态来控制。为了增大减速率（即，为了提供增加的制动），调节旋转斜盘80以增大从运动的外部负载传递到轴82的转矩。为了减小减速率，调节旋转斜盘80以减小从运动的外部负载传递到轴82的转矩。减速期间来自制动的动力被通向蓄压器30和/或减压阀40、42的液压压力/流消耗。
图7是示出了由电子控制器50用于控制液压回路构型20的运转的控制逻辑85的流程图。参照图7，控制逻辑85开始于框86，在此电子控制器50监视经由接口线53从操作员接口52接收的转矩控制信号。在一个实施例中，转矩控制信号取决于设置在操作员接口52处的操纵杆的位置。转矩控制信号的值可以由设置于操作员接口52的操纵杆的位置决定。在框87，控制器50查询和/或计算（例如，判断）转矩控制信号的值是否对应于马达驱动指令（motoring command）（即，泵/马达用作马达并驱动轴82的旋转以使轴的旋转加速或维持轴的现有转速的指令）或减速指令（即，泵/马达用作泵并制动轴82的旋转以使轴的旋转减速的指令）。
如果来自操作员控制台52的转矩控制信号的值为使得该信号代表马达驱动指令，则控制逻辑85转入框88，在此电子控制器50查询和/或计算（例如，判断）蓄压器30中的压力P是否大于压力PMIN。压力PMIN等于蓄压器30中足以允许蓄压器30被用作用于驱动可变排量泵/马达28的压力源以满足马达驱动指令的最低压力和/或阈值压力。如果压力P大于PMIN，则控制逻辑85转入框89，其中液压回路构型20被置于蓄压器排出模式（参看图4）下，在该模式下，来自蓄压器30的压力被用于驱动可变排量泵/马达28以引起轴82和联接到轴82的负载的旋转。
返回参照框88，如果蓄压器压力P小于PMIN，则控制逻辑85转入框90，在此液压回路构型20被置于图2的泵驱动模式下。在泵驱动模式下，从泵22输出的加压液压流体被用来提供用于驱动可变排量泵/马达28以驱动轴82和连接到轴82的负载的旋转（例如，使轴转速加速或维持轴转速）的液压流体流。随着轴82被驱动，电子控制器50控制旋转斜盘80的位置以在输入/输出轴82处提供一输出转矩，该输出转矩提供由来自操作员接口52的转矩控制信号决定的轴驱动水平。旋转斜盘80的位置和因而驱动水平由控制器50控制并且取决于从操作员接口52接收的转矩控制信号的值和泵/马达28的当前实时运转状态（例如，由传感器95感测出的输入/输出轴82的旋转速度和旋转方向、跨泵/马达28的压差、当前旋转斜盘位置、当前流量等）。
返回参照框87，如果转矩控制信号的值为使得转矩控制信号对应于减速指令，则控制逻辑转入框92，在此电子控制器50将液压回路构型置于图3的充入模式下。在该充入模式下，泵/马达28可以用于制动轴82以使轴82和联接到轴82的负载的旋转减速。与连接到轴82的负载的减速对应的能量通过利用该能量（例如，惯性能量）来对蓄压器30进行充入（例如，通过使用泵/马达28将流体泵送到蓄压器30中）而被回收。随着轴82被制动，电子控制器50控制旋转斜盘80的位置以在输入/输出轴82提供一输入转矩，该输入转矩提供由来自操作员接口52的转矩控制信号决定的轴制动水平。旋转斜盘80的位置和因而制动水平由控制器50控制并且取决于从操作员接口52接收的转矩控制信号的值和泵/马达28的当前实时运转状态（例如，由传感器95感测出的输入/输出轴82的旋转速度和旋转方向、跨泵/马达28的压差、当前旋转斜盘位置、当前流量等）。通过利用旋转斜盘80位置来控制减速，最大限度地减少或消除了对节流的需求，由此提高了流体系统10的总效率。电子控制器50遍及整个控制逻辑85连续监视从操作员接口52接收的转矩控制信号和传感器（例如，压力传感器55、57和59），使得流体系统10可以迅速对操作员接口指令的变化作出响应。
在某些实施例中，电子控制器50与存储器81（例如，随机存取存储器、只读存储器或其它数据储存装置）接口，所述存储器储存算法、查找表、查找图、查找图表、控制模型、经验数据、控制映射图、或可以被访问以用于控制液压回路构型20的运转的其它信息。例如，控制模型可以储存在存储器中并由控制器50用于考虑从操作员接口52接收的转矩控制信号的值以及轴82的当前转速和方向来确定输入/输出轴82处需要的转矩水平。旋转斜盘80的位置可以取决于从操作员接口52接收的转矩控制信号的值、可变排量泵/马达28的输入/输出轴82的转速、跨可变排量泵/马达28的压差和可变排量泵/马达28的当前排量。应理解的是，压差随着由泵22或蓄压器30向可变排量泵/马达28提供/跨可变排量泵/马达28的流量而变化。
用于控制液压回路构型20的示例性模型在图8中示出。图8示出了控制映射图表层，其中z轴代表转矩指令，并且x和y轴分别代表操纵杆信号（即，来自操作员界面的转矩控制信号）和感测出的可变排量泵/马达28的输入/输出轴82的转速。操纵杆信号的值由设置于操作员接口52的操纵杆的位置决定。操纵杆由操作员移动以控制液压系统的运转。操纵杆被移动到正位置以引起泵/马达28的顺时针旋转，并且被移动到负位置以引起泵/马达28的逆时针旋转。
马达速度由控制器50从转速传感器95接收的数据决定。因而，马达转速代表轴82在特定的操纵杆指令被接收时实际的实时转速和方向。如图所示，顺时针旋转为正且逆时针旋转为负。控制器50还可以监视跨泵/马达28的压差。
转矩值/指令代表考虑轴82实际的实时速度和方向达到与操纵杆位置对应的运转条件所需的转矩量。图8所示的控制映射图表层提供了转矩值和/或转矩指令值的映射。该映射图表层的顶部水平面代表最大顺时针转矩（例如，顺时针转矩的饱和极限）并且该脉谱图表层的底部水平面代表最大逆时针转矩（例如，逆时针转矩的饱和极限）。顶部和底部平面之间的一个或多个倾斜表面代表最大转矩值之间的过渡转矩值。
在控制系统的使用中，操作员将操纵杆移动到与泵/马达28的期望运转状态对应的操纵杆位置。基于操纵杆位置和感测出的轴82的转速由控制模型（即，转矩映射）来确定要施加于轴82的转矩的量和方向。一旦确定转矩，控制器便相应地调节旋转斜盘80以提供由控制模型决定的转矩水平。如果基于来自操纵杆的转矩控制信号的值以及轴82的当前转速和方向确定的转矩指令具有与正施加于轴82的当前实时转矩相同的方向（例如，两种转矩都在顺时针方向上或者两种转矩都在逆时针方向上），那么转矩指令为马达驱动指令。这种情况下，操纵杆的位置产生与马达驱动指令对应的转矩控制信号。如果基于来自操纵杆的转矩控制信号的值以及轴82的当前转速和方向确定的转矩指令具有与正施加于轴82的当前实时转矩相反的方向（例如，一种转矩具有顺时针方向且另一种转矩具有逆时针方向），那么转矩指令为减速指令。这种情况下，操纵杆的位置产生与减速指令对应的转矩控制信号。
在一优选实施例中，控制映射图配置成引起流体系统10模拟或仿效常规流体系统（即，基本管路系统）。流体系统10的运转特性可以通过重新配置流体系统10的控制映射图来修改。流体系统10的特性由此可以在硬件的变化最小或无变化的情况下进行修改、定制等。
在某些实施例中，泵22可以由电子控制器50使用负流量控制（NFC）泵控制策略来控制。在一优选实施例中，该控制映射图配置成引起流体系统10模拟或仿效使用NFC泵控制策略的常规流体系统。跨泵/马达28的液压流量可以通过负流量控制泵策略、负载压力和设置于定向流量控制阀32的控制阀孔口面积控制。电子控制器50可以将阀32控制成在阀32处提供期望的孔口面积。
本文中公开的系统的方面有利于通过减小所需的硬件开发量并通过允许系统根据特定操作员的偏好进行定制而不需要大量硬件开发的“感觉”来将系统投放到市场。
在一个示例性实施例中，液压回路构型20结合到诸如挖掘机的一件移动式挖掘设备中。例如，图9和10示出了包括被支承在底架110上的上部结构112的示例性挖掘机100。底架110包括用于将挖掘机100承载在地面上的推进结构。例如，底架110可以包括左、右履带。上部结构112可围绕枢转轴线108（即，摆动/回转轴线）相对于底架110枢转移动。在某些实施例中，液压回路构型20的可变排量泵/马达28可以被用作用于使上部结构112相对于底架110绕摆动轴线108枢转的回转马达。
上部结构112可以支承和承载原动机24并且还可以包括驾驶室125，操作员接口52设置在所述驾驶室中。动臂102由上部结构112承载并通过动臂缸102c在升起位置和降下位置之间枢转移动。在某些实施例中，动臂缸102c可以是第二负载回路26b的一部分。斗杆（arm）104枢转地连接到动臂102的远端。斗杆缸104c用于使斗杆104相对于动臂102枢转。在某些实施例中，斗杆缸104c可以是液压回路构型20的又一负载回路（即，与回路26b相似的回路）的一部分。挖掘机100还包括枢转地连接到斗杆104的远端的铲斗106。铲斗缸106c用于使铲斗106相对于斗杆104枢转。在某些实施例中，缸106c可以是液压回路构型20的又一负载回路（即，与回路26b相似的回路）的一部分。在某些实施例中，第三负载回路26c可以驱动用于推进推进系统的左和/或右驱动履带的液压马达114。
许多常规挖掘机器使用加压液压流体来向该挖掘机器的线性致动器（例如，液压缸）和旋转致动器（例如，液压马达）提供动力。常规挖掘机器具有示例性挖掘机100的许多特征。线性致动器可驱动挖掘机器的各种联动装置。例如，动臂联动装置、斗杆联动装置和铲斗联动装置均可由专用液压缸或分别由诸如液压缸102c、104c、106c的缸驱动。旋转致动器可驱动跨挖掘机器的各种旋转接头的相对运动。例如，回转马达可绕挖掘机器的摆动轴线驱动底架和上部结构之间与回转接头108相似的回转接头，并且履带马达114可驱动挖掘机器的履带传动装置116。
流体系统10可以配置成（例如，通过配置控制映射图）使得示例性挖掘机100模仿常规挖掘机器。通过模仿常规挖掘机器，熟悉常规挖掘机器的操作的操作员可依赖于以前的操作经验以高生产率操作挖掘机100。
如上文详细所述，本发明提供了一种用于在加压液压流体和致动器之间有效地传递动力的方法。特别地，本发明的流体系统10将来自加压液压流体的动力有效地传递到旋转致动器（例如，可变排量泵/马达28）并且将动力从旋转致动器（例如，可变排量泵/马达28）有效地传递到加压液压流体。此外，本发明的方法和流体系统10有效地储存经由加压液压流体从旋转致动器到液压蓄压器30的动力，并且从液压蓄压器30有效地取得动力并经由加压液压流体将其传送到旋转致动器。在所示实施例中，旋转致动器用作挖掘机的回转马达。
在常规挖掘机器中，加压液压流体典型地通过从液压储器（即，液压罐）抽吸低压液压流体的液压泵加压。该液压泵典型地由原动机（例如，柴油发动机）提供动力。随着动力通过加压液压流体传送到特定致动器，流过该致动器的加压液压流体的压力降低。在液压流体流过致动器时，液压流体在低压力下回到液压储器。液压流体可经过热交换器以从液压流体散热。随着液压流体在闭环中的泵、一个或多个致动器和液压储器之间循环，形成了液压回路。
在所示实施例中，加压液压流体通过从液压储器44（例如，液压罐）抽吸低压液压流体的泵22加压。泵22由此向加压液压流体提供液力。泵22又由原动机24（例如，柴油发动机）提供动力。来自泵22的液压动力可以通过加压液压流体选择性地传送到一定数量的致动器，如上所述。
如图所示，旋转致动器和线性致动器经由控制阀液压地连接到泵22。其它致动器可进一步液压地连接到泵22。旋转致动器可包括例如履带马达114（即，右履带马达或左履带马达）。线性致动器可包括例如动臂联动装置液压缸102c、斗杆联动装置液压缸104c、和/或铲斗联动装置液压缸106c。随着液压动力被传送，流过一个或多个致动器的加压液压流体的压力降低。在液压流体流过致动器时，液压流体以低压力回到液压储器44。液压流体可经过热交换器以从液压流体散热。随着液压流体在闭环中的泵22、一个或多个致动器和液压储器44之间循环，形成了液压回路。
如上文详细所述，旋转致动器（例如，可变排量泵/马达28）可以与泵22隔离并改为接收来自液压蓄压器30的液压动力。旋转致动器还将液压动力传送到液压蓄压器30。旋转致动器还可转移（dump）跨一个或多个减压阀的液力（例如，当液压蓄压器30已达到其能量储存能力时）。减压阀的减压设置可有效地限定流体系统10的控制映射图的顶部和底部极限。
液压回路中特定的旋转液压构件（例如，液压泵、液压马达、或液压泵/马达）典型地具有两个主端口（即，第一端口和第二端口）。在液压泵和液压马达中，第一端口可以是输入端口，而第二端口可以是输出端口，并且液压流体典型地从输入端口流到输出端口。某些可变排量液压泵/马达（例如，可变排量泵/马达28）可以通过调节可变排量液压泵/马达内的旋转斜盘来改变排量并且还可以逆转流体流动方向和输入/输出轴旋转方向之间的关系。此类双端口旋转液压构件典型地在第一端口和第二端口具有基本相同的流量。两个端口处的流量的细微差异可以是由例如旋转液压构件的内部泄漏所引起的。
该液压回路的任意点处的两个基本变量为液压压力和流量。液压压力和流量的乘积大致与液压回路中的特定点的可用功率相关。由于在特定旋转液压构件的两个端口之间流量基本相同，因此通过加压液压流体传送到特定旋转液压构件或从特定旋转液压构件接收的功率与通过该特定旋转液压构件的流量和该特定旋转液压构件的两个端口处的液压压力之差（即，压力下降或压力上升）的乘积基本相等。如果该特定旋转液压构件的两个端口处的液压压力之差沿液压流体流动方向减小，则正在发生压力下降并且该特定旋转液压构件正在接收来自加压液压流体的动力。如果该特定旋转液压构件的两个端口处的液压压力之差沿液压流体流动方向增大，则正在发生压力上升并且该特定旋转液压构件正在向加压液压流体传送动力。在加压液压流体和特定旋转液压构件之间传递的动力的特定部分（通常为小部分）由于特定旋转液压构件的低效率而热损失。
某些旋转液压构件与专用液压回路中的另一旋转液压构件或多个旋转液压构件匹配。例如，静液压传动装置典型地包括液压地联接到专用马达或一组专用马达的专用泵。在这种匹配的成组旋转液压构件中，液压压力和流量与一个或多个马达上的外部负载连续匹配。这典型地利用可变排量泵来完成。在这种匹配的成组旋转液压构件中，热损失的液压动力的部分可基本局限于特定旋转液压构件的低效率以及连接旋转液压构件的各种管道和软管中的流体摩擦。
在某些液压系统（例如，流体系统10和常规挖掘机的液压系统）中，无直接关联的两个或更多个旋转液压构件之间共用某些旋转液压构件。例如，在常规挖掘机器中，回转马达和履带马达可共用共同的泵。共同的泵还可由其它液压构件（例如，液压缸）共用。在此类成组的液压构件中，共用的泵的液压压力和/或流量可以不必与任一个或两个马达（例如，回转马达和履带马达）上的外部负载或其它液压构件上的外部负载匹配。为了使泵的液力与各马达和各个其它液压构件共同要求的液力匹配，通向和/或来自各马达和/或各个其它液压构件的液压流体流可例如通过节流阀在常规液压系统中进行节流。相比之下，可变排量泵/马达28典型地除了在蓄压器30充满时以外不需要进行节流。为了减少或消除此类蓄压器30充满的状况，蓄压器30可以考虑挖掘机100的工作周期适当地确定尺寸。蓄压器30的尺寸可以基于能量节省的经济性与加大蓄压器30的尺寸的成本的权衡来选择。
与旋转液压构件一样，在特定节流阀的两个端口之间流量基本相同。通过加压液压流体传送到节流阀的动力与通过节流阀的流量和节流阀的两个端口处的液压压力之差的乘积基本相等。在节流阀的情况下，两个端口处的液压压力之差为压力下降（即，压力沿液压流体流动方向降低）。通过加压液压流体传送到节流阀的动力转化为热并且典型地被浪费。废热典型地必须通过挖掘机器的冷却系统去除。
在常规挖掘机中，节流影响挖掘机的运转性能。在本发明中，流体系统10和挖掘机100在致动摆动驱动装置并使用摆动驱动装置回收惯性能量的状态下在不节流的情况下模仿常规挖掘机。
流体系统10向液压负载提供了并列的动力源（即，泵22和蓄压器30）。流体系统10由此可向集合的液压负载供给更多总功率。对于特定尺寸的原动机24，这可获得挖掘机100的更高性能。替换地，原动机24可缩减尺寸并且挖掘机100可实现与常规挖掘机相同或相似的性能。
本发明的各种改型和变型对本领域的技术人员来说将变得明显而不脱离本发明的范围和精神，并且应理解的是，本发明的范围不会不适当地局限于本文中陈述的说明性的实施例。

Claims (20)

1.一种适合回收惯性能量的液压系统，所述液压系统包括：
泵；
可变排量泵/马达，所述可变排量泵/马达具有适合于连接到负载的输入/输出轴；
蓄压器；
阀装置，所述阀装置可在以下模式下操作：a）第一模式，其中所述可变排量泵/马达由所述泵驱动以使所述输入/输出轴和所述负载旋转；b）第二模式，其中所述可变排量泵/马达利用来自所述负载的减速的惯性能量来对所述蓄压器进行充入；和c）第三模式，其中所述可变排量泵/马达由所述蓄压器驱动以使所述输入/输出轴和所述负载旋转；和
控制器，所述控制器用于控制所述泵、所述可变排量泵/马达和所述阀装置的运转。
2.根据权利要求1所述的液压系统，其中，所述控制器控制所述可变排量泵/马达的运转以控制经所述可变排量泵/马达的所述输入/输出轴传递的转矩。
3.根据权利要求1所述的液压系统，还包括操作员接口，所述操作员接口用于向所述控制器输入转矩控制信号以控制所述输入/输出轴的旋转方向以及控制所述输入/输出轴的转速。
4.根据权利要求3所述的液压系统，其中，当所述转矩控制信号对应于减速指令时，所述控制器使所述阀装置转入所述第二模式，并且其中所述可变排量泵/马达在所述阀装置处于所述第二模式时提供泵送和制动功能。
5.根据权利要求1所述的液压系统，其中，所述可变排量泵/马达包括旋转斜盘，并且其中所述控制器控制所述旋转斜盘的位置以控制在制动期间经所述可变排量泵/马达的输入/输出轴传递的转矩。
6.根据权利要求5所述的液压系统，其中，所述旋转斜盘为过心式旋转斜盘。
7.根据权利要求3所述的液压系统，还包括存储器，所述存储器储存限定所述转矩控制信号的值、所述可变排量泵/马达的所述输入/输出轴的感测转速、和经所述可变排量泵/马达传递的转矩之间的关系的控制模型，并且其中所述控制器使用所述控制模型来决定将要经所述输入/输出轴传递的转矩的量。
8.根据权利要求7所述的液压系统，其中，所述控制器与感测所述输入/输出轴的转速的速度传感器相互联系。
9.根据权利要求1所述的液压系统，其中，所述控制器与感测跨所述可变排量泵/马达的压力差的压力传感器装置相互联系。
10.根据权利要求3所述的液压系统，还包括用于感测所述蓄压器的充入压力的压力传感器，其中所述控制器仅在所述充入压力大于预定阈值压力时使所述阀装置转入所述第三模式。
11.根据权利要求1所述的液压系统，其中，所述可变排量泵/马达使挖掘机的上部结构相对于所述挖掘机的底架围绕摆动轴线枢转，并且其中所述上部结构包括挖掘动臂。
12.根据权利要求11所述的液压系统，其中，所述泵还驱动用于使所述挖掘动臂上下枢转的液压缸。
13.根据权利要求12所述的液压系统，其中，所述泵还驱动为所述底架的履带提供动力的液压马达。
14.根据权利要求3所述的液压系统，其中，所述可变排量泵/马达包括旋转斜盘，并且其中所述控制器响应于所述转矩控制信号的值而调节所述旋转斜盘的位置以改变经所述输入/输出轴施加的转矩。
15.一种用在挖掘机器上的液压摆动驱动装置，所述液压摆动驱动装置促使所述挖掘机器的挖掘结构的加速和减速，所述液压摆动驱动装置包括：
液压泵，所述液压泵对泵供给管路中的液压流体产生泵压力；
具有在蓄压器压力下的液压流体的蓄压器，所述蓄压器与蓄压器管路流体连通；
具有液压流体的罐，所述罐与罐管路流体连通；
可变排量泵/马达，所述可变排量泵/马达促使所述挖掘结构的加速和减速，所述可变排量泵/马达与所述可变排量泵/马达的第一管路和第二管路流体连通；和
阀装置，当所述蓄压器压力大于阈值压力并且所述挖掘结构的加速被请求时，所述阀装置选择性地将所述蓄压器管路与所述可变排量泵/马达的所述第一管路连接并且选择性地将所述罐管路与所述可变排量泵/马达的所述第二管路连接，当所述蓄压器压力小于或等于所述阈值压力并且所述挖掘结构的加速被请求时，所述阀装置选择性地将所述泵供给管路与所述可变排量泵/马达的所述第一管路连接并且选择性地将所述罐管路与所述可变排量泵/马达的所述第二管路连接，当所述挖掘结构的减速被请求并且希望蓄压器充入时，所述阀装置选择性地将所述蓄压器管路与所述可变排量泵/马达的所述第二管路连接并且选择性地将所述罐管路与所述可变排量泵/马达的所述第一管路连接。
16.根据权利要求15所述的液压摆动驱动装置，其中，当所述挖掘结构的减速被请求并且不希望蓄压器充入时，所述阀装置选择性地将节流装置与所述可变排量泵/马达的所述第二管路连接并且选择性地将所述罐管路与所述可变排量泵/马达的所述第一管路连接。
17.根据权利要求15所述的液压摆动驱动装置，其中，所述可变排量泵/马达是过心式可变排量泵/马达。
18.根据权利要求17所述的液压摆动驱动装置，还包括控制器和操作员接口，所述操作员接口在所述挖掘结构的加速被请求时生成加速请求信号，所述操作员接口在所述挖掘结构的减速被请求时生成减速请求信号，所述控制器接收所述加速请求信号和减速请求信号，并且当所述控制器接收加速或减速请求信号时，所述控制器向所述阀装置发送至少一个阀信号。
19.根据权利要求18所述的液压摆动驱动装置，其中，所述加速请求信号和减速请求信号是比例请求信号。
20.根据权利要求19所述的液压摆动驱动装置，其中，所述控制器向所述过心式可变排量泵/马达发送至少部分由所述比例请求信号计算出的排量信号。
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