CN104334893A - 用于回收和再利用势能的电动液压系统 - Google Patents

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Abstract

液压系统(50)包括液压致动器(30)、被配置成将流体供给到液压致动器(30)的泵(54)以及流体地连接到液压致动器(30)的第一蓄液器(72)。第一蓄液器(72)被配置成储存从液压致动器(30)接收的流体。液压系统(50)还包括驱动地连接到泵(54)并且流体地连接到第一蓄液器(72)的马达(84，184，284)。马达(84，184，284)被配置成接收来自第一蓄液器(72)的所储存的流体以驱动泵(54)。液压系统(50)进一步包括流体地连接在第一蓄液器(72)和液压致动器(30)之间的第一排放阀(78)。第一排放阀(78)被配置成将来自第一蓄液器(72)的所储存的流体供给到液压致动器(30)，而来自第一蓄液器(72)的所储存的流体不通过泵(54)循环。

Description

用于回收和再利用势能的电动液压系统
技术领域
本公开一般地涉及一种电动液压系统，并且更具体地，涉及用于回收和再利用势能的电动液压系统。
背景技术
机械(例如，轮式装载机、挖掘机、正铲挖掘机、推土机、反铲挖土机、伸缩臂叉车等)可用于移动重负载，如土、建筑材料和/或碎片。机械可利用器具来移动负载。器具可由液压系统提供动力，该液压系统可使用加压流体致动液压致动器以移动器具。
在机械运行期间，器具可被提升到提高位置。由于器具可能比较重，当器具被提升到提高位置时可获得势能。当从提高位置释放器具时，当加压液压流体被挤出液压致动器时并经过阀节流和返回箱时，该势能可转换成热量。势能到热量的转换可能引起不希望的排放的液压流体的加热，这可能要求机械具备附加的冷却能力。回收那些损失的或浪费的势能加以重新利用可提高机械效率。
在授予Bruun的美国专利号6,584,769(“Bruun”)中公开一种设计成再循环与降低负载相关联的能量的系统。Bruun公开了一种液压回路，该液压回路包括行程可调液压机、伺服泵和蓄液器。在运行中，蓄液器中的加压油流经行程可调液压机的双向泵，然后该双向泵将油传送到起重缸。在降低运动的情况下，双向泵中的流动方向改变并且油被供应到蓄液器。然而，Bruun中的液压回路可能不能有效地回收或再利用被降低的负载的势能，而且系统可能较复杂且成本较高。
本公开的系统旨在解决上述问题中的一个或多个和/或现有技术中的其他问题。
发明内容
在一方面，本公开涉及一种液压系统。液压系统包括液压致动器、被配置成将流体供给到液压致动器的泵以及流体地连接到液压致动器的第一蓄液器。第一蓄液器被配置成储存从液压致动器接收的流体。液压系统还包括驱动地连接到泵并且流体地连接到第一蓄液器的马达。马达被配置成接收来自第一蓄液器的所储存的流体以驱动泵。液压系统进一步包括流体地连接在第一蓄液器和液压致动器之间的第一排放阀。第一排放阀被配置成将来自第一蓄液器的所储存的流体供给到液压致动器，而来自第一蓄液器的所储存的流体并不通过泵循环。
在另一方面，本公开涉及一种利用液压系统回收和再利用能量的方法。该方法包括：将流体从液压致动器导向到第一蓄液器以将流体储存在第一蓄液器中，确定与储存在第一蓄液器中的流体相关联的蓄液器压力，以及确定与供给到液压致动器的流体相关联的致动器压力。该方法还包括：当满足与蓄液器压力和致动器压力相关联的第一条件时，将来自第一蓄液器的所储存的流体导向到液压致动器，而来自第一蓄液器的所储存的流体不通过泵循环。该方法进一步包括：当满足与蓄液器压力和致动器压力相关联的第二条件时，将来自第一蓄液器的所储存的流体导向到驱动泵的马达。第二条件不同于第一条件。
在另一个方面，本公开涉及一种液压系统。该液压系统包括液压致动器、被配置成将流体供给到液压致动器的第一泵以及被配置成供给动力以驱动第一泵的动力源。该液压系统还包括第一蓄液器，该第一蓄液器流体地连接到液压致动器并且被配置成储存从液压致动器接收的流体。该液压系统进一步包括驱动地连接到第一泵的装置。该装置被配置成在第一模式下作为马达运行，从而接收来自第一蓄液器的所储存的流体以驱动第一泵，并且被配置成在第二模式下作为第二泵运行，从而将加压流体供给到第一蓄液器。
附图说明
图1是示例性公开的机械的图示说明；
图2是根据一个实施方式的示例性公开的系统的示意图，该系统可与图1的机械结合使用；
图3是根据另一个实施方式的示例性公开的系统的示意图，该系统可与图1的机械结合使用；以及
图4是根据又一个实施方式的示例性公开的系统的示意图，该系统可与图1的机械结合使用。
具体实施方式
现将详细参考本发明的示例性实施方式，在附图中对其实例进行了图示。在所有可能的情况下，在整个附图中将使用相同的参考标记指示相同或类似的部件。
图1示出了示例性的机械10，该机械10具有多个相互协作以完成任务的系统和部件。机械10可以具体化为执行与产业如矿业、建筑业、农业、运输业或本领域中已知的其他产业相关联的某种类型操作的固定机械或移动机械。例如，机械10可以是运土机械，如挖掘机(图1中所示)、轮式装载机、正铲挖掘机、推土机、反铲挖土机、伸缩臂叉车、自动平地机、自动倾卸卡车或任何其他运土机械。机械10可以包括被配置成移动作业工具14的器具系统12；用于推进机械10的驱动系统16；向器具系统12和驱动系统16提供动力的动力源18；以及被设置成手动控制器具系统12、驱动系统16和/或动力源18的操作员站20。
器具系统12可包括由一个或多个液压致动器(如液压缸)作用在其上以移动作业工具14的联杆结构。液压致动器可包括被配置成接收加压液压流体并且将加压液压流体的液压和/或液流转换成机械力和/或运动的任何装置。例如，器具系统12还可以包括用于将作业工具14枢转地连接到机械10的主体的动臂22和斗杆24。在一个实施方式中，动臂22可通过一个或多个液压缸30相对于工作表面绕水平轴线垂直地枢转。如图1和图2所示，一对相邻的双作用液压缸30可将动臂22枢转地连接到机械10的主体。斗杆24的一端可枢转地连接到动臂22并且相对端枢转地连接到作业工具14。在斗杆24和作业工具14之间还可设置一个或多个液压缸，以便使作业工具14枢转，和/或在动臂22和斗杆24之间可设置一个或多个液压缸，以便使斗杆24枢转。
许多不同的作业工具14可以附连到单个机械10上并可由操作员控制。作业工具14可包括用以执行特定任务的任何装置，例如铲斗、叉形装置、刮板、铲子、松土机、倾卸台、扫路机、吹雪机、推进装置、切割装置、抓取装置或本领域中已知的任何其他任务执行装置。尽管作业工具14在图1的实施方式中被连接成相对于机械10的主体在垂直方向上枢转并且在水平方向上摆动，然而作业工具14可以可选地或附加地旋转、滑动、打开和关闭，或者以本领域中已知的任何其他方式移动。
动力源18可具体化为发动机，例如，柴油发动机、汽油发动机、气体燃料动力发动机或本领域中已知的任何其他类型的燃烧发动机。可以想到，动力源18可以可选地具体化为非燃烧动力源，如燃料电池、动力储存装置或本领域中已知的其他动力源。动力源18可以产生机械输出或电力输出，然后该机械输出或电力输出可被转换成用于移动液压缸30(和/或其他液压致动器)和/或如下所述的一个或多个泵的液压动力。
操作员站20可包括从操作员接收指示所希望的机械操纵的输入的装置。具体地，操作员站20可包括位于操作员座位附近的一个或多个操作员界面装置(例如，操纵杆、方向盘、踏板等)。操作员界面装置可以通过产生指示所希望的机械操纵的位移信号起动机械10的运动(例如，行进和/或工具运动)。当操作员移动界面装置时，操作员可以影响在所希望的方向上的、具有所希望的速度和/或具有所希望的力的相应的机械运动。
如图2所示，每个液压缸30可包括壳体32和活塞34。壳体32可以包括具有形成内部腔室的内表面的容器。在一个实施方式中，壳体32可包括在其中具有限定内表面的圆柱形孔的基本为圆柱形的容器。活塞34可紧密地和可滑动地容纳并贴靠在壳体32的内表面上以允许活塞34和壳体32之间的相对运动。
如图2所示，杆36的一端可连接到活塞34；并且如图1所示，另一端直接或间接地连接到动臂22。活塞34可将壳体32的内部腔室分成杆端腔室38和头端腔室40，其中杆端腔室38对应于内部腔室在壳体32的杆端侧上的部分，头端腔室40对应于壳体32的内部腔室的与杆端侧相对的部分。经由壳体22中相应的孔可分别选择性地向杆端腔室38和头端腔室40供给加压流体并且排出加压流体以使活塞34在壳体32内移位，从而改变液压缸30的有效长度，使得动臂22运动。流体流入和流出杆端腔室38和头端腔室40的流速可能与液压缸30的平移速度有关，而杆端腔室38和头端腔室40之间的压力差可能与液压缸30施加在器具系统12的相关联的联杆结构上的力有关。
如图2所示，机械10可以包括具有多个流体部件的液压回路或液压系统50，多个流体部件相互协作以选择性地将加压液压流体导向到一个或多个液压致动器中和从一个或多个液压致动器导出以执行任务。例如，在图2所示的实施方式中，液压系统50选择性地将加压液压流体导向到液压缸30中和从液压缸30导出以移动动臂22。液压系统50可包括箱52、泵54、缸控制阀组件60以及能量回收系统70。液压系统50还可包括机械10的其他液压致动器。
箱52可包括低压液压流体源，例如，流体储存器。流体可包括专用液压油、发动机润滑油、变速器润滑油和/或其他合适的工作流体。在器具系统12的运行期间，液压系统50可以选择性地从箱52抽取流体和将流体返回到箱52。尽管仅示出了单个箱52，还可以想到，液压系统50可与多个独立的流体箱流体连通。
泵54可被配置成产生加压液压流体流，并且可包括例如活塞泵、齿轮泵、叶轮泵或摆线泵。泵54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54可以包括泵入口56和泵出口58。泵入口56可通过流体管路连接到箱52。在运行中，泵54可以在环境压力或低压下从箱52抽取液压流体，并且可通过对液压流体加压将机械能或机械动力转换成液压能或液压动力。加压液压流体流可以通过泵出口58排出。
泵54可以包括行程调节机构，例如旋转斜盘，基于尤其是液压系统50中的液压致动器(例如，液压缸30)的所希望的速度而液压机械式地或电液压式地调节行程调节机构的位置以由此改变泵54的输出(例如，排放速率)。可以将泵54的排量从零排量位置调节到最大排量位置，在零排量位置处，基本上没有流体从泵54排出，在最大排量位置处，流体以最大速率从泵54排出。泵54可通过例如副轴、带或其他合适的方式驱动地连接至动力源18。可选地，泵54可经由联轴器19(图3和4)、变矩器、齿轮箱、电路或现有技术中已知的任何其他方式间接地连接到动力源18。泵54可专用于将加压液压流体供给到机械10的液压缸30和/或其他液压致动器。
缸控制阀组件60可包括独立的计量阀单元，该计量阀单元包括两个泵-缸(“P-C”)独立计量控制阀62和64以及两个缸-箱(“C-T”)独立计量控制阀66和68。P-C独立计量控制阀62、64和C-T独立计量控制阀66、68可各自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控制阀62、64和C-T控制阀66、68，可以将加压液压流体导向到每个液压缸30的杆端腔室38和头端腔室40和从每个液压缸30的杆端腔室38和头端腔室40导出。通过控制进入杆端腔室38和头端腔室40和从杆端腔室38和头端腔室40流出的流体流的方向和速率，P-C控制阀62、64和C-T控制阀66、68可以控制器具系统12的运动。附加地或可选地，缸控制阀组件60可以包括被配置成控制进入液压缸30和从液压缸30排出的加压液压流体流的速率的一个或多个单独的滑阀(未示出)、比例控制阀或任何其他合适的装置。
P-C控制阀62和64可以被配置成将从泵出口58排出的加压液压流体导向到液压缸30中。在一个实施方式中，P-C控制阀62可选择性地将液压流导向到液压缸30的头端腔室40中(例如，经由将P-C控制阀62流体地连接到并行的头端腔室40的一个或多个流体管路)；并且P-C控制阀64可选择性地将液压流导向到杆端腔室38中(例如，经由将P-C控制阀64流体地连接到并行的杆端腔室38的一个或多个流体管路)。此外，P-C控制阀62和64可以被配置成流体地连接头端腔室40和杆端腔室38。
C-T控制阀66和68可以被配置成将从液压致动器30排出的液压流体导向到箱52。在一个实施方式中，C-T控制阀66可以接收离开头端腔室40的液压流体并且将液压流体朝着箱52导向(例如，经由将并行的头端腔室40流体地连接到C-T控制阀66的一个或多个流体管路)。C-T控制阀68可以接收离开杆端腔室38的液压流体并且将液压流体朝着箱52导向(例如，经由将并行的杆端腔室38流体地连接到C-T控制阀68的一个或多个流体管路)。C-T控制阀66和68(类似于P-C控制阀62和64)可包括各种类型的独立可调节的阀装置。
在一个实施方式中，能量回收系统70可包括高压(“HP”)蓄液器72、蓄液器加液阀74、止回阀76和止回阀80、缸排放阀78、马达排放阀82以及马达84。由能量回收系统70回收的能量可用以为机械10的液压缸30和/或其他液压致动器的后续运动和运行提供动力。
例如，能量回收系统70可在超越负载状况下回收与从液压缸30排放的加压液压流体相关联的能量。当液压缸30已被伸长以提升负载之后希望缩进时，可能存在超越负载状况。在超越负载状况下，液压缸30可通过作用于器具系统12上的重力和/或作用于器具系统12承载的负载上的重力而缩进(例如，通过打开P-C控制阀64并且关闭P-C控制阀62和C-T控制阀68)。该缩进可引起活塞34在各个头端腔室40的方向上的运动，因此导致迫使加压液压流体流出头端腔室40。超越负载状况可以与阻力负载状况不同，在阻力负载状况下，液压缸30必须抵抗器具系统12的重量和/或负载上的重力做功以执行运动或操作。当伸长液压缸30(例如，抵抗重力提升活塞34)时，可能存在阻力负载状况。
蓄液器加液阀74可以将头端腔室40流体地连接到HP蓄液器72。在超越负载状况下，可以将蓄液器加液阀74致动到打开位置，而可将C-T控制阀66致动到关闭位置，从而允许离开头端腔室40的加压液压流体进入(或加液)HP蓄液器72。蓄液器加液阀74可以与止回阀76相结合地工作，这样使得当蓄液器加液阀74处于打开位置时，止回阀76可允许加压液压流体从头端腔室40流到HP蓄液器72，但不能沿反方向流动。在非超越负载状况下(如阻力负载状况)，蓄液器加液阀74可处于关闭位置以防止离开头端腔室40的加压液压流体进入HP蓄液器72(或反之亦然)。
随着HP蓄液器72内的加压液压流体量的增加，HP蓄液器72内的压力也可增加，从而使得加压液压流体更难从头端腔室40行进到HP蓄液器72。一旦HP蓄液器72内的压力等于头部腔室40内的压力，加压液压流体可停止从头端腔室40流到HP蓄液器72。加压液压流体可以将液压缸30保持在它们的当前位置，使得当机械10在作业地点的不平整表面上运动时，通过减小器具系统12的“回弹”量使HP蓄液器72用作弹簧或减震器。如果希望液压缸30连续运动，则泵54可将加压液压流体供给到液压缸30的杆端腔室38中(例如，经由P-C控制阀64)以通过沿头端腔室40的方向驱动相应的活塞34来增加头端腔室40内的压力。这样，头端腔室40中的压力可始终如一地维持在高于HP蓄液器72内的压力的水平上，并且活塞34可在超越负载状况下平滑地工作而不经历停顿。
缸排放阀78和马达排放阀82可位于将HP压蓄液器72分别流体地连接到液压缸30和马达84的流体管路中，以再利用(或排出)储存在HP蓄液器72中的加压液压流体。在超越负载状况下，缸排放阀78与马达排放阀82可处于相应的关闭位置上，从而使得从头端腔室40排出的加压液压流体积聚在HP蓄液器72中并且为HP蓄液器72加液。当例如在阻力负载状况或其他非超越负载状况下希望伸长液压缸30时，缸排放阀78和/或马达排放阀82可以切换到相应的打开位置，这样使得可以再利用储存在HP蓄液器72中的加压液压流体。例如，如以下所述，HP蓄液器72可将加压液压流体供给到液压缸30以执行希望的运动和/或供给到马达84以产生机械能输出。
缸排放阀78可位于将高压蓄液器72和液压缸30流体地连接的流体管路中，例如以选择性地将HP蓄液器72与两个头端腔室40流体连通。在一个实施方式中，缸排放阀78可切换到打开位置，而蓄液器加液阀74和马达排放阀82处于关闭位置，从而在HP蓄液器72与头端腔室40之间产生流动路径，这样使得可以将HP蓄液器72中的加压液压流体同时供给到头端腔室40以伸长液压缸30。缸排放阀78也可与止回阀80相结合地工作，这样使得当缸排放阀78处于打开位置时，止回阀80可以允许加压液压流体从HP蓄液器72流到头端腔室40，但不能沿反方向流动。
马达排放阀82可位于将HP蓄液器72和马达84流体地连接的流体管路中，例如以选择性地将HP蓄液器72与马达84流体连通。在一个实施方式中，马达排放阀82可切换到打开位置，而蓄液器加液阀74和缸排放阀78处于关闭位置，从而在HP蓄液器72和马达84之间产生流动路径，这样使得可以将HP蓄液器72中的加压液压流体供给到马达84以产生机械能输出(例如，以有助于驱动泵54)。
马达84可以是耦合到动力源18和/或泵54的可变排量马达。马达84可被配置成接收来自HP蓄液器72的加压流体并且将流体排放到箱52中。马达84可利用包含在加压流体中的能量以产生传送到泵54和/或其他部件的机械能输出。例如，如图2所示，马达84可连接到泵54的泵轴，并且泵轴也可由动力源18驱动。可选地，泵54可经由其他机械装置(如一个或多个机械连接件(如齿轮、轴、耦合器等))连接到马达84和/或动力源18。
能量回收系统70还可包括箱蓄液器90、止回阀92和背压阀94。在一个实施方式中，箱蓄液器90可经由C-T控制阀68可操作地连接到杆端腔室38。例如，当例如在阻力负载状况或其他非超越负载状况下希望伸长液压缸30时，可以将C-T控制阀68致动到打开位置，而将C-T控制阀66致动到关闭位置，从而允许离开杆端腔室38的加压液压流体进入(或加液)箱蓄液器90。因此，可以将从杆端腔室38排出的液压流体储存在箱蓄液器90中以供稍后再利用。
背压阀94可以允许加压液压流体通过而回到箱52中，例如以调节储存在箱蓄液器90内的加压液压流体的压力。例如，如前所述，可将离开杆端腔室38的加压液压流体引导通过C-T控制阀68并且流向箱蓄液器90，从而当加压液压流体被储存在箱蓄液器90中时在箱蓄液器90内产生压力。只要箱蓄液器90中的压力保持低于迫使背压阀94至打开位置所需的预定压力，箱蓄液器90就可继续储存更多的加压液压流体，而且箱蓄液器90中的压力可继续稳定增加。然而，一旦箱蓄液器90内的压力超过预定压力，则可迫使背压阀94到打开位置，从而允许箱蓄液器90内的加压液压流体逸出到箱52。一旦足够的流体离开箱蓄液器90使得箱蓄液器90内的压力回落到预定压力以下，那么背压阀94可返回到其关闭位置。因此，箱蓄液器90中的过多的流可返回到箱52，这样使得箱蓄液器90内的压力可始终如一地维持在预定压力水平或低于预定压力水平。可以想到，可通过调节由背压阀94施加的偏压压力来调节预定压力水平。
在需要时，例如当需要驱动马达84但HP蓄液器72中没有足够的加压液压流体时(例如，当HP蓄液器72中的压力低于阈值时)，箱蓄液器90可将加压液压流体供给到马达84。在一个实施方式中，马达排放阀82可切换到关闭位置，并且止回阀92可允许加压液压流体从箱蓄液器90流到马达84，但不能沿反方向流动。
能量回收系统70还可以包括再生阀96和止回阀98。再生阀96可以被设置在在头端腔室40和杆端腔室38之间延伸的一个或多个流体管路中。当再生阀96切换到打开位置时，从头端腔室40排放的一些流体可被导向到杆端腔室38(和/或反之亦然)，而不使流体首先通过泵54和/或HP蓄液器72。再生阀96也可与止回阀98相结合地工作，这样使得当再生阀96处于打开位置时，止回阀98可允许加压液压流体从头端腔室40流到杆端腔室38，但不能沿反方向流动。可选地，代替打开再生阀96，可将P-C控制阀62和64同时切换到打开位置从而使得从头端腔室40排放的一些流体被导向到杆端腔室38(和/或反之亦然)，而不使流体首先通过泵54和/或HP蓄液器72。
例如，当例如在超越负载状况下希望缩进液压缸30时，再生阀96可切换到打开位置以允许加压液压流体从头端腔室40流到杆端腔室38。因此，当可能没有足够的加压液压流体通过泵54供给到杆端腔室38时(如当泵54也将加压液压流体供给到其他液压缸，例如用于移动斗杆24和/或作业工具14时)，可操作再生阀96以直接将加压液压流体从头端腔室40供给到杆端腔室38以有助于保持缩进液压缸30的所希望的速度并且避免了不得不限制液压缸30的速度。
可在打开蓄液器加液阀74的同时打开再生阀96，这样使得可将加压液压流体从头端腔室40同时供给到HP蓄液器72和杆端腔室38。可选地，当关闭蓄液器加液阀74时，可打开再生阀96，这样使得来自头端腔室40的加压液压流体仅被供给到杆端腔室38。
在机械10的运行期间，机械10的操作员可利用界面装置(未示出)将标识液压缸30的所希望的运动的信号提供到控制器100。基于一个或多个信号，包括来自界面装置(未示出)的信号以及例如来自位于整个液压系统50上的各种压力传感器、温度传感器和/或位置传感器102的信号，控制器100可命令不同阀62、64、66、68、74、78、82和96的移动和/或泵54和马达84的排量变化使得液压缸30以所希望的方式(即以所希望的速度和/或所希望的力)移动到所希望的位置。例如，传感器102可包括蓄液器压力传感器102A、一个或多个缸压力传感器102B和/或泵压力传感器102C；蓄液器压力传感器102A被配置成确定与储存在HP蓄液器72中和/或供给到HP蓄液器72的加压液压流体相关联的压力；一个或多个缸压力传感器102B被配置成确定与储存在头端腔室40中和/或供给到头端腔室40的加压液压流体相关联的压力；泵压力传感器102C被配置成确定与泵54供给的加压液压流体相关联的压力。如图2所示，可以提供其他传感器，如传感器102，其被配置成确定储存在HP蓄液器72中的加压液压流体的温度、从马达排放阀82导向到马达84的液压流体的压力、马达84的排量、相应的P-C控制阀62和64的阀芯位移传感器、从泵54供给的且导向到P-C控制阀62和64的液压流体的压力，以及存储在杆端腔室38和头端腔室40中、供给到杆端腔室38和头端腔室40或从杆端腔室38和头端腔室40排放的液压流体的压力。
控制器100可具体化为单个微处理器或多个微处理器，该单个微处理器或多个微处理器包括基于来自机械10的操作员的输入和基于感测的或其他已知的操作参数用于控制液压系统50的操作的多个部件。许多市售的微处理器可被配置成执行控制器100的功能。应该理解，控制器100可容易地在通用机械中实现为能够控制多种机械功能的微处理器。控制器100可以包括存储器、辅助储存装置、处理器和用于运行应用程序的任何其他部件。各种其他电路可与控制器100相关联，如动力供应电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路以及其他类型的电路。
可提供一个或多个附加的止回阀104以有助于调节液压流体(例如，从泵54和/或液压缸30排放的液压流体)的流动。此外，可提供一个或多个安全阀106以使得当液压流体的压力超过安全阀106的设定阈值时，将流体从液压系统50释放到箱52中。
如图3所示，一种可变排量过中心泵/马达184及其相关联的流体管路可代替图2所示的马达84及其相关联的流体管路。图3所示的液压子系统可被设置在图2所示的液压系统50中，并且为了便于说明，在图3中省略了液压系统50的部件。如箭头A所示，HP蓄液器72可以例如经由如上结合图2所述的蓄液器加液阀74接收加压液压流体。如箭头B所示，泵54可以例如经由如上结合图2所述的缸控制阀组件60将加压液压流体供给到液压缸30。
过中心泵/马达184可选择性地被配置成作为泵或马达来运行，例如，这取决于过中心泵/马达184的旋转斜盘(未示出)的位置(例如，倾斜角度)。可使用控制器100控制旋转斜盘的位置。如箭头C所示，可以调节流相对于过中心马达184的方向，这取决于过中心泵/马达184的运行。过中心泵/马达184可以包括第一端口186和第二端口188。当流从马达排放阀82导向到过中心泵/马达184时，第一端口186用作入口且第二端口188用作出口。当沿相反方向导向流时(从过中心泵/马达184到马达排放阀82)，第二端口188用作入口且第一端口186用作出口。
当过中心泵/马达184作为马达运行时，第一端口186可用作入口并且第二端口188可用作出口。因此，马达排放阀82可切换到打开位置，以允许第一端口186从HP蓄液器72接收加压液压流体，而第二端口188可以将流体从过中心泵/马达184排入到箱52中。过中心泵/马达184可以利用包含在加压流体中的能量以产生传递到泵54和/或其他部件的机械能输出。如箭头D所示，过中心泵/马达184可以从其他部件(如以上结合图2所述的箱蓄液器90)接收加压液压流体，而不是从HP蓄液器72接收加压液压流体。例如，马达排放阀82可切换到闭合位置，并且止回阀92可允许加压液压流体从箱蓄液器90流到马达84，但不能沿反方向流动。
当过中心泵/马达184作为泵运行时，第二端口188可用作入口并且第一端口186可用作出口。因此，过中心泵/马达184可在环境压力或低压下在第二端口188处从箱52抽取液压流体，并且可通过对液压流体加压将机械能或机械动力(例如，来自动力源18)转换成液压能或液压动力。加压液压流体流可通过第一端口186排出。马达排放阀82可切换到打开位置，以便将加压液压流体供给到HP蓄液器72以储存能量并以后通过排放使用它。
可选地，如图4所示，切换阀282、可变排量泵/马达284以及相关联的流体管路可以代替图2所示的马达排放阀82、马达84以及相关联的流体管路。图4所示的液压子系统可被设置在图2所示的液压系统50中，并且为了便于说明，在图4中省略了液压系统50的部件。
泵/马达284可选择性地被配置成作为泵或马达运行，例如，这取决于泵/马达284的旋转斜盘(未示出)的位置(例如，倾斜角度)。可使用控制器100控制旋转斜盘的位置。泵/马达284可包括入口端口286和出口端口288。与图3所示的过中心泵/马达184不同，端口286和288不能从入口切换到出口(并且反之亦然)。因此，可设置切换阀282以控制到泵/马达284的流的方向。切换阀282可在第一位置282A、第二位置282B以及第三位置282C之间进行切换。
当泵/马达284作为马达运行时，切换阀282可以切换到第一位置282A以允许入口端口286接收来自HP蓄液器72的加压液压流体，而出口端口288可将流体从泵/马达284排放到箱52中。泵/马达284可使用包含在加压流体中的能量以产生传送到泵54和/或其他部件的机械能输出。
当切换阀282切换到第二位置282B时，泵/马达284没有流体地连接到HP蓄液器72，因此泵/马达284不能够对HP蓄液器72进行充液或放液。
当泵/马达284作为泵运行时，切换阀282可切换到第三位置282C以允许入口端口286在环境压力或低压下从箱52抽取液压流体，并且可通过对液压流体加压将机械能或机械动力(例如，来自动力源18)转换成液压能或液压动力。加压液压流体流可通过出口端口286排出并且经由切换阀282被供给到HP蓄液器72。因此，通过使泵/马达284作为泵运行可以对HP蓄液器72进行充液，同时切换阀282处于第三位置282C。
工业适用性
所公开的液压系统50可在机械上具有特定的适用性，以允许回收和/或再利用与器具系统12的运动相关联的势能，器具系统12可操作地连接到一个或多个液压缸(例如，液压缸30)或其他液压致动器。现在将描述液压系统50的操作。
在机械10的运行期间，位于操作员站20的操作员可借助于界面装置命令作业工具14在所希望的方向并且以所希望的速度进行特定的运动。可以向控制器100提供指示所希望的运动的由界面装置产生的一个或多个相应的信号，以及机械性能信息，例如来自传感器102的数据，诸如压力数据、位置数据、温度数据、速度数据、泵和/或马达排量数据和现有技术中已知的其他数据。
控制器100可以生成控制信号，该控制信号被导向到液压系统50的泵54、马达84、泵/马达184或284、阀62、64、66、68、74、78、82、96和/或282，和/或其他部件中的一者或多者。例如，基于来自界面装置的信号，控制器100可确定是否伸长或缩进液压缸30，以及液压缸30的运动的速度和方向。控制器100还可确定是否打开蓄液器加液阀74和/或运行泵/马达184或284以向HP蓄液器72加液。控制器100还可确定是否通过将加压液压流体供给到头端腔室40(例如，通过打开缸排放阀78)以有助于伸长液压缸30，和/或通过将加压液压流体供给到马达84、泵/马达184、或泵/马达284(例如，经由马达排放阀82或切换阀282)以有助于驱动泵54或其他部件使HP蓄液器72排液。
下面的讨论涉及包括马达84的液压回路50的运行，但是应当理解的是，相同的描述适用于包括泵/马达184或284的类似液压回路。
可通过作用在提升的动臂22上的重力和/或作业工具14承载的负载上的重力驱动液压缸30的缩进，从而从提升的位置降低动臂22。那些力可作用在活塞34上以将加压液压流体推挤出头端腔室40。然后，可经由蓄液器加液阀74将这些加压液压流体导向到HP蓄液器72中，在蓄液器加液阀74处，加压液压流体可经由再生阀96或P-C控制阀62和64储存在和/或被导向到杆端腔室38中以有助于维持用于液压缸30的缩进所希望的速度。
伸长液压缸30以提升动臂22可包括将由泵54提供的加压液压流体供给到头端腔室40中，同时允许杆端腔室38中的加压液压流体返回到箱52。当加压液压流体从杆端腔室38排出时，它可被导向到箱蓄液器90，这样使得箱蓄液器90可储存加压液压流体以及与之相关联的能量。
HP蓄液器72中的储存的加压液压流体可用于提供动力以有助于动臂22的后续移动，例如向头端腔室40移动以伸长液压缸30。例如，控制器100可打开缸排放阀78(例如，同时关闭马达排放阀82)以将来自HP蓄液器72的加压液压流体供给到头端腔室40，从而有助于伸长液压缸30和/或补充来自泵54的流，这可对从箱52抽取的液压流体加压并且将加压液压流体导向到头端腔室40。可选地，控制器100可以打开马达排放阀82(例如，同时关闭缸排放阀78)以将来自HP蓄液器72的加压液压流体供给到马达84以有助于驱动泵54。
控制器100可至少基于与头端腔室40相关联的压力(例如，基于来自缸压力传感器102B的所感测的压力)和与HP蓄液器72相关联的压力(例如，基于来自蓄液器压力传感器102A的所感测的压力)确定何时打开缸排放阀78或马达排放阀82。例如，当与头端腔室40相关联的压力大于与HP蓄液器72相关联的压力时，控制器100可打开马达排放阀82。当与头端腔室40相关联的压力小于与HP蓄液器72相关联的压力时以及当这两个压力之差相对较高(例如，大于阈值，如大约10巴、大约20巴、大约30巴、大约40巴等)时，控制器100也可打开马达排放阀82。将来自HP蓄液器72的加压液压流体供给到马达84以有助于驱动泵54可以减少动力源18上的负担，因而这可以降低燃料消耗。
在另一方面，当与头端腔室40相关联的压力小于与HP蓄液器72相关联的压力时以及当这两个压力之差相对较小(例如，小于阈值，如大约10巴、大约20巴、大约30巴、大约40巴等)时，控制器100可打开缸排放阀78。当有相对小的压降时打开缸排放阀78可减小可能由此压降而产生的热量。此外，因为马达84不用于经由缸排放阀78将来自HP蓄液器72的加压液压流体供给到头端腔室40，所以可以避免因马达的能量转换效率而导致的任何潜在的能量损失。此外，因为泵54不用于经由缸排放阀78将来自HP蓄液器72的加压液压流体供给到头端腔室40，所以可以减小动力源18上的负担，从而降低燃料消耗。
因为可将加压液压流体从HP蓄液器72供给到头端腔室40或马达84，所以加压液压流体可不直接从HP蓄液器72供给到泵54。因此，不用特别地将泵54设计成接收除了来自箱52的低压液压流体以外的加压液压流体。
除了与头端腔室40相关联的压力和与HP蓄液器72相关联的压力以外，控制器100还可基于与泵54相关联的压力(例如，基于来自泵压力传感器102C的所感测的压力)确定打开缸排放阀78或马达排放阀82两者中的哪一个。在某些应用中，液压系统50可以包括与不同的所希望的压力或负载相关联的多个液压致动器(例如，液压缸30、用于移动斗杆24的一个或多个液压缸，和/或用于移动作业工具14的一个或多个液压缸)。泵54可以将加压液压流体同时供给到多个液压致动器。可基于连接到泵54的多个液压致动器的最高所希望的压力(负载)确定泵54的出口压力。然而，如果泵54供给的加压流体的压力高于与头端腔室40相关联的压力，则在P-C控制阀62上可能存在压降，取决于压力差，这可产生热。因此，当缸排放阀78打开时，取决于与头端腔室40和HP蓄液器72相关联的压力之差，可能存在压降(和相应的热生成)。当马达排放阀82打开时，取决于与头端腔室40和泵54相关联的压力之差，可能存在压降(和相应的热生成)。控制器100可基于阀78或82中哪一个阀可产生较小的压降来确定打开缸排放阀78或马达排放阀82两者中的哪一个，这可以减少热生成。
例如，控制器100可确定与头端腔室40相关联的压力和与HP蓄液器72相关联的压力之间的第一差值，以及与头端腔室40相关联的压力和与泵54相关联的压力之间的第二差值。当第二差值小于第一差值和/或当泵54将加压流体输送到另一个液压致动器而不是液压缸30时(例如，当液压致动器中任何一个处于非超越负载状况下)，控制器100可打开马达排放阀82，并且当第一差值小于第二差值时，可打开缸排放阀78。因此，可以降低压降，这可减少液压系统50中产生的热量并可以相应地节约能量。
当HP蓄液器72内的储存的加压液压流体用完时，HP蓄液器72内的压力可相应下降。当控制器100例如基于来自蓄液器压力传感器102A的所感测的压力确定与HP蓄液器72相关联的压力降到预定水平之下时，控制器100可关闭马达排放阀82和缸排放阀78，并且箱蓄液器90中的加压流体可被供给到马达84，使得当HP蓄液器72中的加压液压流体即将耗尽时，马达84驱动泵52。
当能量回收系统70包括泵/马达184或284时，也可通过使泵/马达184或284作为泵运行向HP蓄液器72充液。例如，当动力源18空转，具有较低负载，和/或具有较低动力要求(例如，如果动力源18的动力要求小于动力源18的最大动力输出，低于阈值(例如，低于大约200kW、大约150kW、大约100kW、大约50kW等)等)时，和/或当HP蓄液器72具有较低的压力时，泵/马达184或284可作为泵运行。然而，当动力源18不是空转，具有较高负载，和/或具有较高动力要求(例如，如果动力源18的动力要求大于动力输出)，和/或HP蓄液器72中的压力在阈值之上时，泵/马达184或284可作为马达运行以使HP蓄液器72排液，从而产生有助于驱动泵54和/或其他部件的机械动力输出。因此，泵/马达184或284提供一种峰值调节功能，该峰值调节功能可使动力源18的运行更有效率，因此还可允许减少动力源18的尺寸。
因此，通过捕获先前节流到箱中且以热散失的能量以及通过将能量储存在HP蓄液器72和箱蓄液器90中，能量回收系统70可回收和/或再利用能量。然后，当操作员希望通过伸长液压缸30再次提升动臂22时，以加压液压流体形式储存的能量可再循环到头端腔室40或再循环到马达84、184或284。这种能量的再利用可提高机械效率并降低燃料成本(例如，通过帮助降低动力源18上的负载)以及总运行成本，同时仍然满足操作员要求。
对于本领域的技术人员而言显而易见的是，可对所公开的液压系统做出各种修改和变型。通过考虑所公开的液压系统的说明和实践，其他实施方式对于本领域技术人员将是显而易见的。应指出，说明书和实例被认为仅仅是示例性的，本公开的真正范围通过下面的权利要求书及其等同物表明。

Claims (10)

1.一种液压系统(50)，包括：
液压致动器(30)；
泵(54)，其被配置成将流体供给到所述液压致动器(30)；
第一蓄液器(72)，其流体地连接到所述液压致动器(30)并且被配置成储存从所述液压致动器(30)接收的流体；
马达(84，184，284)，其驱动地连接到所述泵(54)并且流体地连接到所述第一蓄液器(72)，所述马达被配置成接收来自所述第一蓄液器(72)的所储存的流体以驱动所述泵(54)；以及
第一排放阀(78)，其流体地连接在所述第一蓄液器(72)和所述液压致动器(30)之间，所述第一排放阀(78)被配置成将来自所述第一蓄液器(72)的所储存的流体供给到所述液压致动器(30)，而来自所述第一蓄液器(72)的所储存的流体不通过所述泵(54)循环。
2.根据权利要求1所述的液压系统(50)，进一步包括流体地连接在所述第一蓄液器(72)和所述马达(84，184，284)之间的第二排放阀(82，282)，所述第二排放阀(82，282)被配置成将来自所述第一蓄液器(72)的所储存的流体供给到所述马达(84，184，284)。
3.根据权利要求2所述的液压系统(50)，进一步包括：
蓄液器压力传感器(102A)，其被配置成确定与所述第一蓄液器(72)中所储存的流体相关联的蓄液器压力；
致动器压力传感器(102B)，其被配置成确定与供给到所述液压致动器(30)的流体相关联的致动器压力；以及
控制器(100)，其连接到所述第一排放阀(78)、所述第二排放阀(82，282)、所述蓄液器压力传感器(102A)和所述致动器压力传感器(102B)，所述控制器(100)被配置成：
当满足与所述蓄液器压力和所述致动器压力相关联的第一条件时，打开所述第一排放阀(78)，以及
当满足与所述蓄液器压力和所述致动器压力相关联的第二条件时，打开所述第二排放阀(82，282)，所述第二条件不同于所述第一条件。
4.根据权利要求3所述的液压系统(50)，其中，所述控制器(100)被配置成接收将流体提供到所述液压致动器(30)的命令，并且响应于所述命令确定打开所述第一排放阀(78)或所述第二排放阀(82，282)中的哪一者。
5.根据权利要求4所述的液压系统(50)，其中：
所述第一条件包括所述致动器压力低于所述蓄液器压力并且所述蓄液器压力和所述致动器压力之间的差值小于阈值；或
所述第二条件包括所述致动器压力低于所述蓄液器压力并且所述蓄液器压力和所述致动器压力之间的差值大于阈值。
6.根据权利要求4所述的液压系统(50)，其中，所述第二条件包括所述致动器压力大于所述蓄液器压力。
7.根据权利要求4所述的液压系统(50)，其中：
响应于所述命令，所述控制器(100)进一步被配置成确定所述致动器压力和所述蓄液器压力之间的第一差值以及所述致动器压力和与由所述泵(54)供给的流体相关联的泵压力之间的第二差值；以及
所述第一条件包括所述第一差值小于所述第二差值或所述第二条件包括所述第二差值小于所述第一差值。
8.根据权利要求1所述的液压系统(50)，其中：
所述液压致动器是被配置成移动动臂(22)的液压缸(30)，所述动臂(22)可移动地连接到机械的主体，所述液压缸是多个液压缸(30)中的一个，
所述泵(54)被选择性地配置成将流体供给到所述多个并行的液压致动器(30)的多个第一腔室(40)，并且将流体供给到所述多个并行的液压致动器(30)的多个第二腔室(38)；
在超越负载状况下，所述第一蓄液器(72)被配置成储存从所述多个第一腔室(40)接收的流体；以及
在非超越负载状况下，所述马达(84，184，284)被配置成接收来自所述第一蓄液器(72)的所储存的流体以驱动所述泵(54)从而将流体供给到所述多个第一腔室(40)。
9.一种利用液压系统(50)回收和再利用能量的方法，所述方法包括：
将流体从液压致动器(30)导向到第一蓄液器(72)以将流体储存在所述第一蓄液器(72)中；
确定与储存在所述第一蓄液器(72)中的流体相关联的蓄液器压力；
确定与供给到所述液压致动器(30)的流体相关联的致动器压力；
当满足与所述蓄液器压力和所述致动器压力相关联的第一条件时，将来自所述第一蓄液器(72)的所储存的流体导向到所述液压致动器(30)，而不通过泵(54)循环来自所述第一蓄液器(72)的所储存的流体；以及
当满足与所述蓄液器压力和所述致动器压力相关联的第二条件时，将来自所述第一蓄液器(72)的所储存的流体导向到驱动所述泵(54)的马达(84，184，284)，所述第二条件不同于所述第一条件。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一条件包括以下各项中的至少一个：
所述蓄液器压力和所述致动器压力之间的第一差值小于阈值；或
所述致动器压力和所述蓄液器压力之间的第二差值小于所述致动器压力和与所述泵(54)供给的流体相关联的泵压力之间的第三差值。
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