CN104204544A - 液压蓄能器预充压力检测 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包括液压蓄能器(102)、压力传感器(104)、流体源(106)和数据处理器(108)的用于检测预充压力的系统(100)。液压蓄能器(102)包括第一和第二腔室(302，304)和位于其间的分隔件(306)。液压蓄能器(102)具有关联预充压力。压力传感器(104)联接到第一腔室(302)。数据处理器(108)被设置为从压力传感器(104)接收压力读数。数据处理器(108)被设置为确定第一和第二压力变化率，和介于第一和第二变化率之间的转变压力。基于转变压力确定近似的预充压力。

Description

液压蓄能器预充压力检测

技术领域

本发明涉及液压蓄能器，更具体地，涉及确定液压蓄能器的预充压力。

背景技术

液压蓄能器需要在安装到液压系统中后周期性地检查其预充压力，以确保蓄能器运行健康。检测蓄能器健康状况的通常解决方案包括当机器停止并且液压蓄能器中的流体没有被加压时，将气压计和/或模块套件连接到液压蓄能器的气阀上。气压计提供预充压力的读数。根据此读数，液压蓄能器或重新充能或彻底检修或被替换。因此，通常的解决方案需要液压蓄能器到压力计的物理连接。然而，蓄能器可以被置于机器上，使得其难以接近和联接气压计。

在一实施例中，德国专利号DE102005052640涉及一种包括使用具有恒定调节流量的流量调节器和具有预设响应时间的启动阀来确定蓄能器容量差的方法。该方法还包括在从液压蓄能器中取出流体之前和之后使用压力传感器基于其在空的状态下收回的估算出的蓄能器容量来确定压力值。

发明内容

在本发明的一方面，可以提供一种包括液压蓄能器、压力传感器、流体源和数据处理器的系统。液压蓄能器可以包括第一腔室、第二腔室和置于其间的分隔件。液压蓄能器可以具有关联预充压力。压力传感器可以被设置为确定与第一流体腔室相关联的流体压力。流体源可以与液压蓄能器的第一流体腔室连接。数据处理器可以被设置为从压力传感器接收压力读数。数据处理器被设置为响应于向液压蓄能器的第一腔室提供流体确定第一压力变化率、不同于第一变化率的第二压力变化率和介于第一压力变化率和第二压力变化率之间的转变压力。数据处理器可以根据转变压力确定液压蓄能器的近似预充压力。

在另一方面，用于确定液压蓄能器的近似预充的方法。在一步骤中，该方法减少液压蓄能器的第一腔室到最小容量状态。液压蓄能器具有通过分隔件与第一腔室隔开的第二腔室。在另一步骤中，该方法提供加压流体到第一腔室，其中第一流体腔室中的流体压力以第一速率变化并且在转变压力处转变为第二速率。接着，在又一步骤中，该方法根据转变压力确定液压蓄能器的近似预充压力。

本发明的其它特征和方面会通过下面的描述和附图而显而易见。

附图说明

图1为根据本发明实施方案的具有液压蓄能器和数据处理器的示例系统的框图；

图2为包括比较器的图1中系统的框图；

图3为在最小容量状态下的液压蓄能器的示意图；

图4为在中间状态下的液压蓄能器的示意图；

图5为确定液压蓄能器的近似预充压力的流程；

图6为在液压蓄能器充能和放能过程中流体压力相对于时间变化的示意图；和

图7为流体压力相对于时间变化的示意图，示出了流体压力达到的峰值压力。

具体实施方式

图1-图2根据本发明的实施方案，示出了包括液压蓄能器102、压力传感器104、流体源106和数据处理器108的示例系统100。系统100可以应用在任何机器中，如挖掘机、轮式装载机、拖拉机和其它机器。液压蓄能器102可以是活塞式蓄能器或囊式蓄能器。一个或多个阀(未示出)可以与系统100关联，以可选择地控制蓄能器充能和放能。例如，一个或多个阀可以通过打开使蓄能器充能和/或放能，反之，一个或多个阀(相同的或不同的)可以通过关闭使其充能和/或放能。

如图3-图4所示，液压蓄能器102可以包括第一流体腔室302，如作业流体腔室或油腔室、第二流体腔室304，如可压缩流体或气体腔室，和置于腔室302和腔室304之间的分隔件306。第一流体腔室302可以被构造为填充有第一流体。在一个实施方案中，第一流体可以包括油、润滑液或其它任何与液压机械相关的流体。液压蓄能器102的第二流体腔室304可以通过气阀308填充气体或其它任何可压缩的流体。在一个实施方案中，气体可以是氮气。液压蓄能器102的分隔件306可以被设置为隔开第一流体腔室302和第二流体腔室304，以保持其中容纳的流体彼此实质隔离。

液压蓄能器102可以包括与第二流体腔室304关联的第一端盖310和与第一流体腔室302关联的第二端盖312。分隔件306可以是具有一个或多个密封件314的活塞，用以降低流体从一腔室进入另一腔室的风险。活塞状分隔件306在液压蓄能器102中是可运动的，以减小或增加各自流体腔室的容量。额外的密封件315可以被提供在液压蓄能器102的第一端盖310和第二端盖312中。类似地，如果是囊式蓄能器，分隔件306可以是在膨胀构造和可压缩构造之间可移动的弹性薄膜或可扩展的分隔件。液压蓄能器102的尺寸设置为具有预充压力能力来增压第一流体腔室302中的蓄能流体，例如，用于能量回收，其以与第二流体腔室304的充能压力相关联的压力从第一流体腔室302循序地释放。预充压力可以通过第一流体腔室302和第二流体腔室304之间的压力容量和压力差来确定。

为确定液压蓄能器102的关联压力，压力传感器104可以被连接到液压蓄能器102的第一流体腔室302的上游或下游。压力传感器104可以被设置为在液压蓄能器102的充能和放能过程中，监测并向数据处理器108提供第一流体腔室302中流体的压力读数。在一个实施方案中，压力读数可以被连续提供，或者在预先确定的时间间隔后提供。在一个实施例中，压力传感器104可以是流体或油压力传感器。

液压蓄能器102的第一流体腔室302可以连接到流体源106，比如固定或可变排量的液压泵。液压蓄能器102的第一流体腔室302被设置为在蓄能器的充能和放能模式下以某一流量分别接收和输送流体。与泵相关的参数比如流量、流向等会发生变化。需要知道，其它任何可以调节流体流量的装置也是可以使用的。一个或多个阀可以与第一流体腔室302关联，使得阀被设置成在液压蓄能器102放能后，防止其在指定期间内充能。

如图1-图2所示，数据处理器108可以连接到压力传感器104。数据处理器108可以被设置为接收和处理由压力传感器104取得的压力读数。而且，数据处理器108可以确定液压蓄能器102的近似预充压力。此外，数据处理器108可以设置为确定或估计与液压蓄能器102的分隔件306关联的摩擦力。例如，这种摩擦力的确定可以对确定活塞式蓄能器的密封件314的效果是有用的。

在一个实施方案中，如图2所示，数据处理器108可以包括比较器202来诊断液压蓄能器102的运行健康。比较器202可以比较预充压力、预充压力的预先确定的阈值范围下的摩擦力和与液压蓄能器102关联的摩擦力中的至少一个，以诊断液压蓄能器102的运行健康。在另一实施方案中，比较器202可以是通过已知方法连接到数据处理器108的独立的或单独的模块。

数据处理器108和/或比较器202可以包括处理器单元、输入和输出端口、用于可执行程序和阈值的电子存储介质、随机存取存储器、数据总线等。数据处理器108和/或比较器202的功能可以进一步包括这里没有描述的其它活动。

此外，数据处理器108和/或比较器202可以在数据库110中检索或存储压力读数。数据库110可以存储涉及预充压力的阈值范围和液压蓄能器102的摩擦力的历史数据值。数据库110可以利用数据结构、索引文件或其它任何数据存储和检索技术，没有任何限制。需要知道，示例系统100可以包括没有在此描述的其它部件。

图5示出了用于确定液压蓄能器102的预充压力的流程。图6-图7是流体压力相对于时间变化的图形视图，由连接到液压蓄能器102的压力传感器104在液压蓄能器102的充能和放能期间监测得到。

最初，液压蓄能器102的第一流体腔室302被连接到流体源106。流体压力可以被驱动到最小量或零，例如，通过从第一流体腔室302中放出流体(即，从第一流体腔室302排放流体)，使得液压蓄能器102处于如图3所示的最小容量状态。在活塞式蓄能器中，在最小容量状态下，液压蓄能器102的分隔件306可以与第一流体腔室302的壁接触。因此，如步骤502所示，第一流体腔室302可减小到最小或零容量状态，而第二流体腔室304可以在最大容量状态。这里，第一流体腔室302在最小或零容量状态下流体压力的压力读数可以是通过压力传感器104监测的。

液压蓄能器102的预充压力被定义为在液压蓄能器102处于最小容量状态下时，填充在第二流体腔室304中的惰性气体或可压缩流体的压力。如在附图中看到的，由压力传感器104记录的在最小容量状态下的流体压力为零。

随后，在步骤504中，液压蓄能器102可以通过将流体提供到第一流体腔室302中进行充能。图4示出了在充能或放能的循环中液压蓄能器102的中间状态。在充能过程中，流体由流体源106，以预先确定的流量经过位于第一流体腔室302附近的端口316提供到第一流体腔室302。在一个实施方案中，泵可以被驱动到最小或低流量，例如，约30lpm或更少。由于温度上升和其它因素的影响，更快的速率实质上更难以测量和控制。流体压力的压力读数可以被压力传感器104同时监测。

随着流体被填充到第一流体腔室302中，分隔件306被推向液压蓄能器102的第二流体腔室304。在一定的时间间隔内，流体的压力可能继续保持为零或最小直到克服了与分隔件306关联的摩擦力，分隔件306开始从第二端盖312移开。

当分隔件306开始移动时，与第一流体腔室302关联的容量随着流体被填充进第一流体腔室302而增加，导致与填充在第二流体腔室304中的可压缩流体相关联的容量相应减小。此时，流体的压力可以以第一速率变化，然后转变到第二速率(参见图6-图7)。可以观察到，流体压力相对于时间的第一变化量大于流体压力相对于时间的第二变化量，如在附图中所见，快速变化到第一速率，随后逐渐转变到第二速率。

此外，第一转变压力的读数可以被数据处理器108监测和记录。流体的第一转变压力是在从第一速率到第二速率的转变发生时的压力。第一转变压力在附图中显示为点A。在一个实施方案中，第一转变压力可以被存储在数据库110中用来检索。应当注意的是，液压蓄能器102关联的预充压力可以是第一流体腔室302在最小容量状态下第一流体腔室302内流体的压力与转变压力的差值。

在另一实施方案中，在液压蓄能器102充能过程中，流体的峰值压力(如图7中所示的点B)可以由数据处理器108监测和记录。流体的峰值压力大于记录的第一转变压力。峰值压力也可以存储在数据库110中。

流体的峰值压力可以与液压蓄能器102在最小容量状态开始变化时需要的流体压力一致，以克服与分隔件306朝第二流体腔室304移动相关联的任何摩擦力。本领域的普通技术人员可以意识到，在液压蓄能器102从最小容量状态充能的过程中，流体压力可能需要上升到比峰值压力高得多以克服摩擦力并推动分隔件306朝第二流体腔室304移动。在分隔件306开始移动之后，流体压力可以下降到第一转变压力，如图7中所示。

液压蓄能器102的放能可以在以第二速率达到预先确定的压力之后开始。此外，在一个实施方案中，放能可以在预先确定的压力和相关联的预充压力之间的压力差为2MPa时开始。本领域的普通技术人员可以意识到，在液压蓄能器102充能过程中，流体压力(与第一流体腔室302关联的)和气体压力(与第二流体腔室304关联的)之间可能存在这样的差值，使得在任何时刻流体压力会略高于气体压力。

液压蓄能器102可以通过从第一流体腔室302排出流体来放能。流体可以以预先确定的流速通过端口316排出。在一个实施方案中，预先确定的流速可约为30lpm或更小。在另一个实施方案中，在放能过程中流体的排出速度可以与液压蓄能器102在充能过程中流体的填充速度是相同的。

在液压蓄能器102的放能过程中，根据由压力传感器104提供的读数，流体压力的表现可以是图6-图7中所描绘的。流体的压力可以以第三速率变化，然后转变到第四速率。从图6-图7可以清楚得看到，流体压力相对于时间的第三速率变化相比于更高或快的相对于时间的第四速率变化要更慢或更平缓。

数据处理器108还可以监测第二转变压力(如图6-图7中所示的点C)，在该点流体压力从第三速率转变到第四速率。第二转变压力可以由数据处理器108存储在数据库110中。需要知道，在液压蓄能器102的放能过程中，流体压力和气体压力之间的差值是可以忽略不计的。此外，在液压蓄能器102放能后，流体压力可以下降到零，而气体压力达到预充压力。

接着，在步骤506中，数据处理器108可以根据监测到的转变压力确定液压蓄能器102的近似预充压力。在一个实施方案中，该确定可以根据第二转变压力。在另一实施方案中，液压蓄能器102的近似预充压力的确定可以根据第一转变压力和第二转变压力的相互关系。

该相互关系可以包括第一转变压力读数和第二转变压力读数的任何数学函数或基于第一转变压力读数和第二转变压力读数统计分析的近似预充压力的推导。在一个实施方案中，数据处理器108可以计算第一转变压力和第二转变压力的平均数，以确定液压蓄能器102的近似预充压力。

需要知道，所确定的近似预充压力可以基本上等于液压蓄能器102在最小容量状态下的压力。在液压蓄能器102的充能和放能过程中，气体压力相对于时间的变化率可以是正比于由压力传感器104记录的流体压力相对于时间的相对较慢的变化率。较慢的速率可以更容易地读取和控制。

还有，数据处理器108可以根据所监测的第一速率、第二速率、第三速率和第四速率确定与分隔件306相关联的摩擦力。在另一个实施方案中，监测到的第一转变压力和第二转变压力，和监测到的第一速率、第二速率、第三速率和第四速率可以用于预测液压蓄能器102的失效。

此外，数据处理器108也可以确定液压蓄能器102的动态响应。数据处理器108可从数据库110中检索并对比峰值压力与第一转变压力。根据该对比，数据处理器108可以确定液压蓄能器102的动态响应。在一个实施方案中，峰值压力与第一转变压力的差值可以被计算作为液压蓄能器102的动态响应。

此外，比较器202可以帮助诊断液压蓄能器102的健康状况。比较器202可以从数据库110中检索预充压力和/或与液压蓄能器102关联的摩擦力的一个或多个历史读数。在一个实施方案中，历史读数可以是由数据处理器108确定的读数或存储在数据库110中预先确定的阈值读数。另一个实施方案中，监测的第一转变压力、峰值压力和第二转变压力可以与从数据库110中检索到的之前的读数相比较，以确定预充压力的变化。对于活塞式蓄能器，密封效果也可以根据该比较来确定。

如果所确定的预充压力和摩擦力中的至少一个不在预先确定的阈值范围内，比较器202还可以适于通知操作人员。需要知道，该通知可以是被提供来表明所确定的液压蓄能器102的近似预充压力和/或摩擦力可能要么低于要么高于可接受的性能。

此外，由比较器202提供的通知可以是像警示讯息的视觉反馈、像警报的音频反馈或者其它任何类型的反馈。根据该通知，如果是活塞式蓄能器，将会执行例如将液压蓄能器102重新充能、检修液压蓄能器102或替换密封件314等一个或多个补救行动。

工业实用性

在使用中，液压蓄能器102可以由于各种原因损失预充压力。例如，原因可以是组件失效，如活塞式蓄能器中的活塞密封件失效或囊式蓄能器中的囊失效。另外，获得的预充压力可以归因于流体泄漏到第二流体腔室304。因此，如果预充压力过高或过低，那么液压蓄能器102可能需要维修或大修。所以，在液压蓄能器102安装在机器中后，其运行健康可能需要每几个月或至少每年检查一次。

通常的解决方案包括将压力计和/或模块套件连接到液压蓄能器102的气阀308上。

然而，当液压蓄能器102被安装在机器中时，由于不易接近，建立压力计到气阀308的这种物理连接是有问题的。此外，有时可能需要人工分析读数，以确定液压蓄能器102是否运转正常。使用这些通常解决方案可能会导致与测量预充压力相关的成本增加。本文所描述的系统和方法可以涉及到用于监测和诊断液压蓄能器102健康状况的自动化的流程，而不需要到气阀308的物理连接，即，无需使用气体压力计或传感器。本文所描述的系统和方法可以确定和粗略估计预充压力和/或与液压蓄能器102的分隔件306关联的摩擦值，以改善对蓄能器运行健康的诊断。

对运行健康的诊断和近似预充压力和/或摩擦值的确定可以通过监测由压力传感器104提供的压力读数并且随后执行确定所需要的对读数的必要处理来实时执行。

数据处理器108可以根据所监测的转变压力确定液压蓄能器102的近似预充压力。在一个实施方案中，液压蓄能器102的动态响应可以根据峰值压力和第一转变压力之间的差值来确定。

此外，在另一实施方案中，比较器202可以确定由数据处理器108所确定的近似预充压力是否在预先确定的阈值范围之内。如果近似预充压力过高或过低时，即，在范围之外，则可以适当地通知操作人员。根据该通知，可以执行例如对液压蓄能器102重新充能或更换密封件的一个或多个补救行动。

如果是活塞式蓄能器，本文所描述的系统和方法可以确定分隔件306的密封效果。如果所确定的分隔件306的摩擦值在预先确定的阈值范围内，可以表示液压蓄能器102的密封件处于可接受的状况，则密封件314可以被保留。例如，预充压力的损失可以是由于如活塞密封件失效或囊失效的组件失效，使得从第二流体腔室到第一流体腔室发生流体泄露。预充压力的增加可以是由于从第一流体腔室到第二流体腔室的流体泄漏。

摩擦值也可以与前面的阈值范围比较，以确定当前值是否是可接受的。相对较高的摩擦值可以表示液压蓄能器102将来的失效。因此，本发明可有助于在未发生失效的早期阶段确定液压蓄能器102的摩擦值是否比要求的高。

虽然本发明的各个方面已经根据上述实施方案具体地示出和描述了，本领域的技术人员会意识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以通过对本发明的机器、系统和方法的修改得到多种额外的实施方案。这样的实施方案应该被理解为落入根据权利要求书及其任何等同物所确定的本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种系统(100)，包括：

具有第一腔室(302)、第二腔室(304)和位于其间的分隔件(306)的液压蓄能器(102)，液压蓄能器(102)具有关联的预充压力；

流动地联接到第一腔室(302)的压力传感器(104)；

向第一腔室(302)提供流体的流体源(106)；和

设置为从压力传感器(104)接收压力读数的数据处理器(108)，数据处理器(108)被设置为：

响应于提供到液压蓄能器的第一腔室的流体，确定第一压力变化率、不同于第一压力变化率的第二压力变化率和介于第一压力变化率与第二压力变化率之间的转变压力；和

根据转变压力确定液压蓄能器(102)的近似预充压力。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中，数据处理器(108)包括比较器(202)，用于将至少一个确定的预充压力和与液压蓄能器(102)关联的预充压力的预先确定的阈值范围相比较，以诊断液压蓄能器的运行健康。

3.根据权利要求1所述的系统(100)，其中，关联的预充压力是第一腔室(302)在最小容量状态下第一腔室(302)中流体的压力与转变压力的差值。

4.根据权利要求1所述的系统(100)，其中，流体源(106)包括被设置为向第一腔室(302)提供加压流体的泵。

5.根据权利要求1所述的系统(100)，其中，数据处理器(108)被设置为使第一腔室(302)中流体的多于一个压力读数相互关联，以确定液压蓄能器(102)的近似预充压力。

6.根据权利要求5所述的系统(100)，其中，数据处理器(108)还被设置为相对于时间间隔，监测流体的压力变化率，以确定与液压蓄能器(102)的分隔件(306)关联的摩擦力。

7.一种方法，包括：

将液压蓄能器(102)的第一腔室(302)减小到最小容量状态，液压蓄能器(102)具有通过分隔件(306)与第一腔室隔开的第二腔室(304)；

提供加压流体到第一腔室(302)，其中第一腔室(302)中的流体压力以第一速率变化并且在转变压力处转变到第二速率；和

根据转变压力确定液压蓄能器(102)的近似预充压力。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

排放第一腔室(302)中的流体，其中第一腔室(302)中的流体压力以第三速率变化并且在第二转变压力处转变到第四速率，其中所述转变压力是第一转变压力；和

根据第二转变压力确定液压蓄能器(102)的近似预充压力。

9.根据权利要求10所述的方法，还包括：

监测第一速率、第二速率、第三速率和第四速率；和

根据第一速率、第二速率、第三速率和第四速率确定与液压蓄能器(102)关联的摩擦力。

10.根据权利要求10所述的方法，还包括比较根据转变压力确定的液压蓄能器(102)的预充压力和预先确定的预充压力阈值范围，以诊断液压蓄能器(102)的运行健康。