CN105008728A - 用于液压机的能量回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于液压机(10)的能量回收系统(50)。所述能量回收系统可以具有罐(60)、配置为从所述罐中抽取流体并对所述流体加压的泵(58)、致动器(28)和可移动以将加压流体从所述泵引导至所述致动器并且从所述致动器引导至所述罐以移动所述致动器的致动器控制阀(202)。所述能量回收系统还可以具有机械地连接到旋转装置(58、59)并配置为选择性地接收从所述致动器排出的流体的马达(241)，以及可移动以选择性地将从所述马达排出的流体重新引导回所述致动器的至少一个阀(254、256)。

Description

用于液压机的能量回收系统
技术领域
本发明总体涉及一种回收系统，且更具体地，涉及一种用于液压机的能量回收系统。
背景技术
液压机(例如推土机、装载机、挖掘机、反铲挖土机、自行式平地机和其它类型的重型设备)使用一个或多个液压致动器来完成各种任务。这些致动器流体连接到机器的泵，所述泵为致动器内的腔室提供加压流体。随着加压流体进入或经过腔室，流体的压力作用在腔室的液压表面，从而影响致动器和所连接作业工具的运动。当加压流体从腔室排出时，其返回到机器的低压储槽。
与这种液压布置相关的一个问题在于效率。特别地，从致动器腔室排出至储槽的流体通常比储槽内已有的流体具有更大的压力，特别是当致动器朝着与重力一致的方向运动时(即当致动器运动受到工具重量和相关负载辅助时)。因此，排出至储槽的较高压力的流体仍然含有进入低压储槽时被浪费的某一能量。这种浪费的能量降低了液压系统的效率。
在2010年4月15日出版的Morihiko等人的日本专利申请案2010-084888(“'888出版物”)中公开了提高液压机的效率的一种尝试。特别地，'888出版物公开了一种用于机器的液压系统，所述液压系统具有连接到蓄能器的动臂油缸和回转马达。回转马达配置成在减速期间选择性地将流体引导至蓄能器，并且动臂油缸的前端配置成在超速状态下延伸时选择性地接收来自蓄能器的流体。当动臂油缸接收来自蓄能器的流体时，流体首先通过连接至机器的发动机的马达，并经由马达将能量传输至发动机。
虽然'888出版物的系统在某些情形下可以通过加压流体的储存和再使用来帮助提高效率，但它可能仍然不够理想。特别地，'888出版物描述了收集仅来自回转马达的加压流体，并且将流体仅排放至动臂致动器的单一腔室。因此，从所公开的能量捕获和再使用中获得的效率益处可能是有限的。此外，'888出版物的系统可以提供的关于动臂致动器排出的流体的方向和使用的灵活性极小。这种灵活性的欠缺可能会降低机器的功能和/或效率。
所公开的能量回收系统针对解决上述的一个或多个问题和/或现有技术中的其它问题。
发明内容
本发明的一个方面针对一种能量回收系统。所述能量回收系统可以包括罐、配置成从所述罐抽取流体并对流体加压的泵、致动器和致动器控制阀，该致动器控制阀可移动以将加压流体从泵引导至致动器并且从致动器引导至罐以移动致动器的。所述能量回收系统还可以包括马达和至少一个阀，所述马达机械地连接到旋转装置并且配置成选择性地接收从致动器排放的流体，所述阀可以移动以选择性地将从马达排出的流体重新引导回致动器。
本发明的另一方面针对一种回收能量的方法。所述方法可包括从罐中抽取流体，并且用泵对流体加压。所述方法可以进一步包括选择性地将加压流体从所述泵引导至致动器并且将流体从致动器引导至罐以移动致动器。所述方法还可以包括通过马达引导从致动器排出的流体及将来自马达的流体重新引导回致动器。
附图说明
图1是所公开的示例性机器的等距示意图；以及
图2是所公开的示例性液压控制系统的示意图，所述液压控制系统可与图1中的机器结合使用。
具体实施方式
图1示出了示例性机器10，其具有协作以挖掘并装载泥土材料到附近的运输车辆12上的多个系统和部件。在示出的实例中，机器10是液压挖掘机。然而，预期机器10能够替代地实施为另一挖掘或材料搬运机器，例如反铲挖土机、正铲挖掘机、拉索挖掘机、起重机或另一类似机器。除了别的以外，机器10可以包括实现系统14，其配置成在沟槽内或料堆处的挖掘位置18与例如运输车辆12上方的倾倒位置20之间移动作业工具16。机器10也可以包括用于手动控制实现系统14的操作站22。预期必要时机器10可以执行除卡车装载之外的操作，例如吊放，挖沟以及材料搬运。
实现系统14可以包括联杆结构，流体致动器作用于联杆结构以移动作业工具16。特别地，实现系统14可以包括动臂24，动臂24通过一对相邻的、双动式液压汽缸28(在图1中仅示出一个)相对于作业表面26垂直地枢转。实现系统14也可以包括杆30，其通过单个、双动式液压汽缸36相对于动臂24绕水平枢轴32垂直地枢转。实现系统14可进一步包括单个、双动式液压汽缸38，液压汽缸38操作地连接到作业工具16以相对于杆30绕水平枢轴40垂直地倾斜作业工具16。动臂24可枢转地连接到机器10的机架42，而机架42可枢转地连接到底盘构件44并通过回转马达49绕竖直轴46回转。借助于枢轴32和40，杆30可以枢转地将作业工具16连接至动臂24。预期必要时更多或更少数目的流体致动器可以包括在实现系统14内，并以除了上文描述以外的方式连接。
许多不同的作业工具16可附接到单个机器10，并可经操作站22进行控制。作业工具16可以包括用来执行特定任务的任何装置，例如铲斗、叉形装置、铲刀、铲、破碎机、剪床、抓钩、抓斗、磁铁，或本领域已知的任何其它任务执行装置。尽管在图1的实施例中被连接以相对于机器10提升、回转以及倾斜，但作业工具16可替代地或另外地旋转、滑动、延伸、打开和关闭或以本领域已知的另一方式移动。
操作站22可以被配置为接收来自机器操作者的指示所需作业工具移动的输入。特别地，操作站22可以包括一个或多个输入装置48，其实施为(例如)位于操作者座位附近的单轴或多轴操纵杆(未示出)。输入装置48可为比例式控制器，其配置成通过产生指示在特定方向的所需作业工具速度和/或力的作业工具位置信号来定位和/或定向作业工具16。位置信号可以用于致动液压汽缸28、36、38和/或回转马达49中的任意一个或多个。预期不同的输入装置可替代地或另外地包括在操作站22内，例如轮、旋钮、推拉装置、开关、踏板以及本领域已知的其它操作者输入装置。
如图2所示，机器10可以包括能量回收系统50，能量回收系统50具有协作以移动实现系统14(参考图1)的多个流体部件。特别地，能量回收系统50可以包括与回转马达49相关联的回转回路52、与液压汽缸28相关联的动臂回路54以及与液压汽缸36和38相关联的至少一个其它回路(未示出)。
除其它之外，回转回路52可以包括回转控制阀56，回转控制阀56被连接以调节从泵58到回转马达49和从回转马达49到低压罐60的加压流体的流动。根据经输入装置48接收的操作者请求，此流体调节可以运行以引起作业工具16绕轴46(参考图1)的回转运动。
回转马达49可以包括至少部分地形成位于叶轮64任一侧的第一和第二腔室(未示出)的壳体62。当第一腔室连接到泵58的输出(例如，通过形成在壳体62内的第一腔室通道66)，并且第二腔室连接到罐60(例如，通过形成在壳体62内的第二腔室通道68)时，叶轮64可以被驱动以在第一方向(在图2中示出)上旋转。相反地，当第一腔室通过第一腔室通道66连接到罐60，并且第二腔室通过第二腔室通道68连接到泵58时，叶轮64可以被驱动以在相反方向(未示出)上旋转。通过叶轮64的流体的流量可涉及回转马达49的转速，同时横跨叶轮64的压差可涉及其输出扭矩。
回转马达49可以包括内置的补充功能体。特别地，补充通道70可在壳体62内于第一腔室通道66和第二腔室通道68之间形成，并且一对相对的单向阀74可以设置在补充通道70内。低压通道78可在单向阀74之间的位置处连接到补充通道70。基于低压通道78与第一腔室通道66及第二腔室通道68之间的压差，单向阀74中的一个可以打开以允许流体从低压通道78进入第一腔室通道及第二腔室通道中压力较低的那个。在实现系统14的回转运动期间，第一腔室及第二腔室之间通常可存在很大的压差。
泵58可由机器10的发动机59驱动以通过入口通道80从罐60抽取流体，将所述流体加压到需要的水平，并经排料通道82将流体排放到回转回路52中。单向阀83可设置在排料通道82内(必要时)以提供加压流体从泵58到回转回路52的单向流。泵58可(例如)包括可变排量泵(在图2中示出)、固定排量泵或本领域已知的另一来源。泵58可通过(例如)副轴71、传动带(未示出)、电路(未示出)或以另一合适的方式可驱动地连接到机器10的发动机59或另一动力源。替代地，泵58可经扭矩变换器、减速齿轮箱、电路或以任何其它合适的方式间接地连接到机器10的发动机59。泵58可以产生加压流体流，其具有至少部分地由回转回路52内的致动器的需求确定的压力水平和/或流量，所述需求符合操作者请求的运动。排料通道82可在回转回路52内经回转控制阀56和第一腔室导管84及第二腔室导管86分别连接到第一腔室通道66及第二腔室通道68，所述第一腔室通道66及第二腔室通道68在回转控制阀56与回转马达49之间延伸。
罐60可以构成配置为保持流体的低压供应的储液槽。流体可以包括(例如)专用液压油、发动机润滑油、变速器润滑油或本领域已知的任何其它流体。机器10内的一个或多个液压回路可从罐60抽取流体并使流体返回到罐60。预期必要时能量回收系统50可连接到多个单独的流体罐(在图2中示出)或连接到单一的罐。罐60可以经返回通道88流体连接到回转控制阀56，以及经回转控制阀56和第一腔室导管84及第二腔室导管86分别连接到第一腔室通道66及第二腔室通道68。一个或多个单向阀90可设置在返回通道88内(必要时)以促进流体的单向流进入罐60和/或维持期望的回流压力。
回转控制阀56可具有可移动的以便控制回转马达49的旋转和实现系统14的相应回转运动的元件。特别地，回转控制阀56可以包括均设置在公共块或壳体97内的第一腔室供应元件92、第一腔室排出元件94、第二腔室供应元件96和第二腔室排出元件98。第一腔室供应元件92及第二腔室供应元件96可以与排料通道82并联连接以调节使用来自泵58的流体对其各自的腔室的填充，而第一腔室排出元件94及第二腔室排出元件98可与返回通道88并联连接以调节各自腔室的流体的排出。补充阀99(例如单向阀)可设置在排料通道82与第一腔室排出元件94的出口之间以及排料通道82与第二腔室排出元件98的出口之间。
为了驱动回转马达49在第一方向(在图2中示出)上旋转，第一腔室供应元件92可移位以允许加压流体从泵58经排料通道82和第一腔室导管84进入回转马达49的第一腔室，而第二腔室排出元件98可移位以允许流体从回转马达49的第二腔室经第二腔室导管86和返回通道88排出到罐60。为了驱动回转马达49在相反方向上旋转，第二腔室供应元件96可移位以使回转马达49的第二腔室与来自泵58的加压流体连通，而第一腔室排出元件94可移位以允许流体从回转马达49的第一腔室排出到罐60。预期必要时回转控制阀56的供应和排出功能二者(即，四个不同的供应和排出元件)可替代地由与第一腔室相关联的单个阀元件和与第二腔室相关联的单个阀元件来执行，或由与第一腔室及第二腔室两者相关联的单个阀元件来执行。
响应于流量和/或由控制器100发出的位置命令，回转控制阀56的供应和排出元件92-98可为针对弹簧偏压而可移动的螺线管。特别地，回转马达49可以与流体进入和离开第一腔室及第二腔室的流体的流量对应的速度而旋转。因此，为了实现操作者需要的回转速度，可以将基于假定或测量的压降的命令发送给供应和排出元件92-98的螺线管(未示出)，使得它们打开对应于进入回转马达49的必要的流体流的量。此命令可为由控制器100发出的流量命令或阀元件位置命令的形式。
回转回路52可以装配有能量回收模块(ERM)104，ERM 104配置为选择性地从回转马达49排放的废流中提取并回收能量。除了其它部件之外，ERM 104可以包括可流体连接到回转马达49的回收阀块(RVB)106、配置为选择性地通过RVB 106与回转马达49连通的回转蓄能器108，以及也配置为选择性地及直接地与回转马达49连通的补充蓄能器110。在所公开的实施例中，RVB 106可以固定地且机械地连接到回转控制阀56和回转马达49中的一者或二者，例如直接连接到壳体62和/或直接连接到壳体97。RVB 106可以包括可流体连接到第一腔室导管84的内部第一通道112，以及可流体连接到第二腔室导管86的内部第二通道114。回转蓄能器108可通过导管116流体连接到RVB 106，而补充蓄能器110可通过导管118流体连接到平行于罐60的低压通道78(见连接A)。
RVB 106可以容纳选择器阀120、与回转蓄能器108相关联的加料阀122、与回转蓄能器108相关联并与加料阀122平行设置的排料阀124，以及减压阀76。基于第一通道112及第二通道114的压力，选择器阀120可以自动地将第一通道112及第二通道114中的一个与加料阀122和排料阀124流体连通。响应于来自控制器100的命令，加料阀122和排料阀124可为选择性地可移动以使回转蓄能器108与选择器阀120流体连通用于流体加料或排料目的。减压阀76可以选择性地将回转蓄能器108的出口和/或加料阀122的下游侧与罐60连接，以释放能量回收系统50的压力。
选择器阀120可为导向控制的两位三通阀，其响应于第一通道112及第二通道114中的流体压力(即，响应于回转马达49的第一腔室及第二腔室内的流体压力)为自动可移动的。特别地，选择器阀120可以包括从第一位置(在图2中示出)朝第二位置(未示出)可移动的阀元件126，在第一位置处第一通道112通过内部通道128流体连接到加料阀122和排料阀124，在第二位置处第二通道114通过通道128流体连接到加料阀122和排料阀124。当第一通道112通过通道128流体连接到加料阀122和排料阀124时，通过第二通道114的流体流可以被选择器阀120抑制，反之亦然。第一导向通道130及第二导向通道132可将流体从第一通道112及第二通道114传送至阀元件126的相对端，使得第一通道112或第二通道114中压力更大的那个可以使阀元件126移动并通过通道128将相应的通道与加料阀122和排料阀124流体连接。
加料阀122可以是电磁操作的位置可变的两通阀，其响应于来自控制器100的命令为可移动的，从而允许来自通道128的流体进入回转蓄能器108。特别地，加料阀122可包括阀元件134，其可从抑制流体从通道128流入回转蓄能器108中的第一位置(图2中示出)朝向通道128流体地连接至回转蓄能器108的第二位置(未示出)移动。当阀元件134远离第一位置(即，在第二位置或在第一位置与第二位置之间的中间位置)且通道128内的流体压力超过回转蓄能器108内的流体压力时，来自通道128的流体可以对回转蓄能器108进行填充(即，加料)。阀元件134可以朝向第一位置进行弹簧偏置，并且可响应于来自控制器100的命令而移动至第一位置与第二位置之间的任意位置，从而改变流体从通道128进入回转蓄能器108的流量。单向阀136可以设置于加料阀122与回转蓄能器108之间，以提供流体经由加料阀122进入回转蓄能器108中的单向流。
排料阀124在构成上可以基本上与加料阀122相同，并且可响应于来自控制器100的命令而选择性地移动，从而允许来自回转蓄能器108的流体进入通道128(即，排放)。特别地，排料阀124可包括阀元件138，其可从抑制流体从回转蓄能器108进入通道128中的第一位置(图2中示出)朝向回转蓄能器108流体地连接至通道128的第二位置(未示出)移动。当阀元件138远离第一位置(即，在第二位置或在第一位置与第二位置之间的中间位置)且回转蓄能器108内的流体压力超过通道128内的流体压力时，来自回转蓄能器108的流体可以流入通道128中。阀元件138可以朝向第一位置进行弹簧偏置，并且可响应于来自控制器100的命令而移动至第一位置与第二位置之间的任意位置，从而改变流体从回转蓄能器108进入通道128的流量。单向阀140可以设置于回转蓄能器108与排料阀124之间，以提供流体经由排料阀124从回转蓄能器108进入通道128中的单向流。
压力传感器102可以与回转蓄能器108相关联并且配置成产生指示回转蓄能器108内的流体压力的信号(必要时)。在所公开的实施例中，压力传感器102可以设置在回转蓄能器108与排料阀124之间。然而，预期压力传感器102可以替代地设置在回转蓄能器108与加料阀122之间或者直接连接至回转蓄能器108(必要时)。来自压力传感器102的信号可以导向至控制器100，以用于调节加料阀122和/或排料阀124的运行。
回转蓄能器108和补充蓄能器110可各自包括填充有可压缩气体的压力容器，这些压力容器配置成储存回转马达49将来要使用的加压流体。可压缩气体可以包括(例如)氮气、氩气、氦气或另外适合的可压缩气体。由于与回转蓄能器108和补充蓄能器110连通的流体超过了回转蓄能器108和补充蓄能器110的压力，因此，流体可流入蓄能器108、110中。因为其内的气体是可压缩的气体，因而其可以表现得像弹簧一样并且在流体流入回转蓄能器108和补充蓄能器110中时进行压缩。当管道116、118内的流体的压力下降至低于回转蓄能器108和补充蓄能器110的压力时，压缩气体可膨胀并迫使来自回转蓄能器108和补充蓄能器110内的流体排出。预期必要时回转蓄能器108和补充蓄能器110可以替代地实施为膜/弹簧偏压式或囊式蓄能器。
在所公开的实施例中，与补充蓄能器110相比，回转蓄能器108可以是更大的(即，大约5-20倍)且压力更高的(即，压力高约5-60倍)的蓄能器。具体而言，回转蓄能器108可以配置成蓄积压力范围为约300bar的流体，而补充蓄能器110可配置成蓄积占到回转蓄能器108的流体的约20-25％的且压力范围为约5-30bar的流体。在这种配置下，回转蓄能器108可以主要用来辅助回转马达49的运动并提高机器效率，而补充蓄能器110可以主要用作补充蓄能器，以帮助减少回转马达49出现失效的可能性。然而，预期必要时回转蓄能器108和/或补充蓄能器110也可适应其它容积和压力。
控制器100可以被配置为选择性地使回转蓄能器108加料和排料，从而改进机器10的性能。特别地，通过回转马达49建立的实现系统14的典型的回转运动可以由回转马达49正在加速实现系统14的回转运动的时间段和回转马达49正在减速实现系统14的回转运动的时间段组成。加速段可能需要来自回转马达49的很大的能量，这些能量通常通过由泵58供应至回转马达49的加压流体的方式实现，而减速段可以加压流体的形式产生很大的能量，这些能量通常通过排放到罐60而浪费。加速段和减速段二者均可要求回转马达49将大量的液压能转换成回转动能，反之亦然。然而，在减速期间经过回转马达49的加压流体仍然含有大量的能量。如果经过回转马达49的流体在减速段期间选择性地被收集在回转蓄能器108内，那么此能量能够在确保加速段期间返回到(即，排放)回转马达49并由回转马达49再使用。在减速段期间可通过选择性地使回转蓄能器108将加压流体单独地、或与来自泵58的高压流体一起排放到回转马达49的高压腔室中(通过排料阀124、通道128、选择器阀120以及第一腔室导管84和第二腔室导管86中适当的一个)来辅助回转马达49，从而采用比单独通过泵58的其它可能方式更小的泵功率以相同或更大的速率推动回转马达49。在减速段期间可通过选择性地使回转蓄能器108用排出回转马达49的流体加料来辅助回转马达49，从而提供附加的阻力给回转马达49的运动，并降低了排出回转马达49的流体的限制和相关冷却需求。
控制器100可以与回转回路52的不同部件通信以调节机器10的运行。例如，控制器100可以与回转回路52中的回转控制阀56的元件通信。基于各种操作者输入和监控的参数(如将在下文更详细地描述)，控制器100可以被配置为选择性地以协调的方式激活回转控制阀56以有效地执行实现系统14的操作者请求的运动。
控制器100可以包括存储器、辅助存储装置、时钟，以及一个或多个处理器，它们协作以完成与本发明一致的任务。许多市场上可买到的微处理器都可以配置成执行控制器100的功能。应当理解，控制器100能够很容易地实施为能够控制机器10的许多其它功能的通用机器控制器。各种已知电路可以与控制器100相关联，包括信号调节电路、通信电路以及其它适当电路。还应该理解，控制器100可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、计算机系统，以及配置成允许控制器100根据本发明而运行的逻辑电路。
在一个实施例中，由控制器100监控的运行参数可以包括回转回路52和/或动臂回路54内的流体压力。例如，一个或多个压力传感器102可以策略性地位于第一腔室导管84和/或第二腔室导管86内，以感知各自通道的压力并产生被引导到控制器100的指示压力的相应信号。预期必要时任意数目的压力传感器102可以放置在回转回路52和/动臂回路54内的任意位置。还可以预期必要时其它运行参数(例如速度、温度、粘度、密度等)也可以或者替代地被监控并用于调节能量回收系统50的运行。
除了别的以外，动臂回路54可以包括动臂控制阀202，动臂控制阀202由控制器100调整以调节从泵58到液压汽缸28以及从液压汽缸28到罐60的加压流体的流量。根据通过输入装置48接收的操作者请求，此流体调节可以运行以引起作业工具16绕相关的水平轴(参考图1)的提升或降低运动。
液压汽缸28可以各自实施为线性致动器，线性致动器具有被设置以在壳体内形成两个分离的压力腔室(例如，头腔室和杆腔室)的管状壳体和活塞组件。可选择性地给压力腔室提供加压流体并排出加压流体以使活塞组件在管状壳体内移位，从而改变液压汽缸28的有效长度。进入和离开压力腔室的流体的流量可与液压汽缸28的速度有关，而两个压力腔室之间的压差可与液压汽缸28施加在相关连接构件上的力有关。液压汽缸28的扩展和收缩可运行以相对于作业表面26提升和降低作业工具16。
通过头端通道206和杆端通道208，动臂控制阀202可连接到液压汽缸28。基于动臂控制阀202的运行位置，头端通道206和杆端通道208中的一个可通过动臂控制阀202连接到泵58，而头端通道206和杆端通道208中的另一个可通过动臂控制阀202同时连接到罐60，从而在液压汽缸28内产生横跨活塞组件的使其延伸或收缩的压差。在作业工具16的提升或降低运动期间，特别在作业工具16负载很重时的降低运动期间，通常在头腔室与杆腔室之间可能存在很大的压差。也就是说，在降低运动期间，头端通道206可携带的流体具有比同时杆端通道208中携带的流体高得多的压力。
泵58可以产生加压流体流，其具有至少部分地由动臂回路54内的致动器的需求确定的压力水平和/或流量，所述需求符合操作者请求的运动。单向阀216可以设置在排料通道82内于泵58与动臂控制阀202之间(必要时)，以提供加压流体从泵58进入动臂回路54的单向流。排料通道82可以在动臂回路54内通过动臂控制阀202连接到头端通道206和杆端通道208。
在公开的示例性实施例中，动臂控制阀202可以基本上与回转控制阀56相同。特别地，动臂控制阀202可具有可移动以控制液压汽缸28的延伸和收缩以及实现系统14的相应提升和降低运动的元件。特别地，动臂控制阀202可以包括均设置在公共块或壳体226内的头端供应元件218、头端排出元件220、杆端供应元件222，以及杆端排出元件224。头端供应元件218和杆端供应元件222可以与排料通道82并联连接以调节使用来自泵58的流体对它们各自的腔室的填充，而头端排出元件220和杆端排出元件224可与返回通道228并联连接以调节各自腔室的流体到罐60的排出。补充阀230(例如单向阀)可以设置在返回通道228与头端排出元件220的出口之间以及返回通道228与杆端排出元件224的出口之间。
为了延伸液压汽缸28(在图2中示出)，头端供应元件218可以移位以允许加压流体从泵58经排料通道82和头端通道206进入液压汽缸28的头腔室，而杆端排出元件224可以移位以允许流体从杆腔室经杆端通道208和返回通道228排出到罐60中。为了收缩液压汽缸28，杆端供应元件222可以移位以将杆腔室与来自泵58的加压流体连通，而头端排出元件220可以移位以允许流体从头腔室排出到罐60中。预期必要时动臂控制阀202的供应和排出功能二者(即，四个不同的供应和排出元件)可替代地由与头腔室相关联的单个阀元件和与杆腔室相关联的单个阀元件来执行，或由与头腔室和杆腔室两者均相关联的单个阀元件来执行。
响应于流量和/或由控制器100发出的位置命令，动臂控制阀202的供应和排出元件218-224可为针对弹簧偏压而可移动的螺线管。特别地，液压汽缸28可以流体流入和流出头腔室和杆腔室的流量相对应的速度伸展和收缩。因此，为了达到操作者期望的提升速度，可以将基于假定或测量的压降的命令发送给供应和排出元件218-224的螺线管(未示出)，从而使它们在液压汽缸28处打开对应于必需的流体流量的量。此命令可以是由控制器100发出的流量命令或阀元件位置命令的形式。
在一些实施例中，压力补偿器232可以包含在动臂回路54内并且与动臂控制阀202相关联。在所公开的实例中，压力补偿器232设置在动臂控制阀202上游位置的排料通道82内。在此位置，在动臂回路54和回转回路52的相互作用引起的供给压力的波动期间，压力补偿器232可被配置成向动臂控制阀202提供基本上恒定流量的流体。
和回转回路52类似，动臂回路54还可以配备有能量回收模块(ERM)234，其被配置成选择性地提取和回收由液压汽缸28排放的废液中的能量。除其它之外，ERM 234可以包括动臂蓄能器236和选择性地由累积的流体驱动的马达241，动臂蓄能器236配置成经由第一加料阀238和第二加料阀240选择性地与液压汽缸28连通。通道242可通过加料阀238从前端通道206延伸到动臂蓄能器236，且通道244可通过加料阀240从返回通道228延伸到动臂蓄能器236(以及蓄能器236与马达241的入口之间)。一个或多个单向阀246可设置在通道242和/或通道244内，以促进单向流体分别流入动臂蓄能器236和或流出返回通道228。出于流体加料的目的，第一加料阀238和第二加料阀240可以响应于来自控制器100的命令选择性地可移动的以将前端通道206和/或返回通道228与动臂蓄能器236流体连通。同样地，出于排料的目的，第二加料阀240可以为选择性地可移动的以将动臂蓄能器236与马达241的入口流体连通。
动臂回路54的动臂蓄能器236可以类似于回转回路52的回转蓄能器108和补充蓄能器110。特别地，动臂蓄能器236可以包括填充有可压缩气体的压力容器，所述压力容器被配置成储存供液压汽缸28未来使用的加压流体。可压缩气体可以包括(例如)氮气、氩气、氦气或另外适合的可压缩气体。由于与动臂蓄能器236连通的流体超过了动臂蓄能器236的压力，流体可流入动臂蓄能器236中。因为其中的气体是可压缩的，因此它可以像弹簧那样作用并在流体流入动臂蓄能器236时压缩。当通道244内的流体压力下降到低于动臂蓄能器236的压力时，压缩气体可以膨胀并促使来自动臂蓄能器236内的流体排出。预期必要时动臂蓄能器236可以替代地实施为膜/弹簧偏压式或囊式蓄能器。
在所公开的实施例中，动臂蓄能器236可以具有与回转蓄能器108大约相同的尺寸或比回转蓄能器108更小的尺寸，但其配置成将流体保持在低压。具体地说，动臂蓄能器236可具有约50-100L的体积，且配置成适应约80-150bar的压力。然而，预期在必要时动臂蓄能器236可以适应其它体积和压力。
第一加料阀238和第二加料阀240中的每一个可以是电磁操作的位置可变的两通阀，响应于来自控制器100的命令其是可移动的以允许流体从各自的通道进入动臂蓄能器236，以及用于流体从动臂蓄能器236经通道244进入马达241。特别地，每个加料阀238、240可以包括从第一位置(在图2中示出)朝第二位置(未示出)可移动的阀元件，在第一位置处流体流被抑制，在第二位置处流体可自由进入和/或离开动臂蓄能器236，基本上不受阀元件的限制。当阀元件远离第一位置(即，在第二位置或在第一位置与第二位置之间的中间位置)且各自通道中的流体压力超过动臂蓄能器236内的流体压力时，流体可以进入并填充(即，加料)动臂蓄能器236。同样，当加料阀240的阀元件处于第二位置或中间位置且动臂蓄能器236内的压力超过通道244内的压力时，流体可以离开动臂蓄能器236并经通道244传递到马达241。阀元件可以朝向第一位置进行弹簧偏压，并且响应于来自控制器100的命令而可移动至第一位置与第二位置之间的任意位置，从而改变进入动臂蓄能器236中的流体的流量。
在一些实施例中，减压装置247可以与动臂蓄能器236相关联。减压装置247可以包括与限制250平行设置的泄压阀248，两者都位于动臂蓄能器236与罐60之间。泄压阀248可通常为关闭的，但是选择性地被移动到流通位置以便减轻动臂蓄能器236内的流体压力。限制250可配置为连续地将一些流体从动臂蓄能器236泄漏到罐60。附加的压力传感器102可以在动臂蓄能器236与减压装置247之间的位置处与动臂蓄能器236相关联，以产生被引导至控制器100的相应压力信号。
旁路装置245可以在通道242与通道244之间延伸。旁路装置245可以包括设置在旁路通道251内的旁路控制阀249。旁路控制阀249可以是电磁操作的位置可变的两通阀，响应于来自控制器100的命令其是可移动的以允许来自液压汽缸28的流体选择性地绕过蓄能器236并直接流到马达241。特别地，控制阀249可以包括从第一位置(在图2中示出)朝第二位置(未示出)可移动的阀元件，在第一位置处通过各自阀的流体流被抑制，在第二位置处流体可自由地不受限制地从通道242流到通道244，而不用进入或离开蓄能器236。阀元件可以朝向第一位置进行弹簧偏压，并且响应于来自控制器100的命令而可移动至第一位置与第二位置之间的任意位置，从而改变通过各自阀的流体的流量。例如，当蓄能器236已经充满加压流体、从液压汽缸28排放的流体小于蓄能器236的压力但仍然足够高以驱动马达241和/或急需马达241处的功率以及蓄能器236具有不足供应的蓄积流体时可能需要绕过蓄能器236。
马达241可以运行以将以加压流体的形式储存在动臂蓄能器236中的能量(和/或以从液压汽缸28经旁路通道251排放的加压流体的形式的能量)转换成机械能。特别地，马达241可以经通道244和加料阀240流体地并联连接到返回通道228(单向阀246的下游)以及连接到动臂蓄能器236。在这种配置下，来自任何一个通道的流体可以被引导通过马达241并且因而用于驱动马达241。
在描述性实例中，马达241是机械连接到发动机59、泵58的输入轴和/或另一旋转装置的可变排量液压马达。通过此连接，当由加压流体驱动时，马达241可以机械地协助发动机59、泵58和或其它旋转装置。当泵58具有正向位移时，马达241可以辅助泵58和发动机59，或者当泵58具有中点位移时，替代地仅辅助发动机59。此外，在一些实施例中，发动机59可以选择性地驱动马达241以增加通过马达241引导并再循环回液压汽缸28的流体的压力。
一个或多个马达控制阀可以与马达241的出口相关联并用于调节马达241的运行。在所公开的实施例中，示出了三个不同的控制阀，包括均并联连接到马达241的出口的罐控制阀252、杆端控制阀254以及头端控制阀256。罐控制阀252可以位于排出通道258内于马达241与罐60之间。杆端控制阀254可以位于杆端返回通道260内于马达241与杆端通道208之间。头端控制阀256可以位于头端返回通道262内于马达241与头端通道206之间(例如，经通道242)。一个或多个单向阀264可以与一个或多个通道258-262相关联以帮助确保在这些通道内的单向流。
控制阀252-256中的每一个可以是电磁操作的位置可变的两通阀，响应于来自控制器100的命令，其是可移动的以允许来自马达241的流体进入罐60、液压汽缸28的头端或液压汽缸28的杆端，从而实现不同的目的。特别地，控制阀252-256中的每一个可以包括从第一位置(在图2中示出)朝第二位置(未示出)可移动的阀元件，在第一位置处通过各自阀的流体流被抑制，在第二位置处流体可自由流动，不受相应阀元件的限制。阀元件可以朝向第一位置进行弹簧偏压，并且响应于来自控制器100的命令而可移动至第一位置与第二位置之间的任意位置，从而改变通过各自阀的流体的流量。
控制阀252-256中的任何一个或多个可以是同时可操作的(即，移动到第二或中间位置)以实现不同的目的。例如，为了从通过马达242传递的流体中提取最大量的能量，应当产生横跨马达241的最大的压降。当马达241的下游压力是最低时，此最大压降可以出现。在大多数情况下，当仅使用罐控制阀252，并且相应的元件完全移动到第二位置时，最大压降可以出现。然而，在某些情况下，通过单独使用杆端控制阀254和头端控制阀256中的一个，或与罐控制阀252一起使用，可以产生更大的压降。例如，这可以是在超速状态期间，当液压汽缸28的膨胀腔室在其中产生负压时的情况。同样，当从液压汽缸28的头端腔室排出的流体经过马达241时，由于腔室之间几何形状的差异，只有一部分所述流体可被液压汽缸28的杆端腔室消耗。在这种情况下，一些流体可经罐控制阀252被引导至罐60中，而剩余的流体可经杆端控制阀254传递到杆端腔室。杆端控制阀254和头端供控制阀256通常可不一起使用。
当使用杆端控制阀254和头端控制阀256中的一个时，经过马达241的流体可以被引导回液压汽缸28。这可以实现几个目的。首先，与经过马达241的流体相关联的能量可以首先被回收并用于驱动发动机59和/或泵58，从而提高机器10的效率。其次，在传递能量给马达241之后，流体可以用于液压汽缸28内的内部再生，这有助于减少排放。由于返回的流体仅可用在此情况下以防止排放而并不用来移动液压汽缸28，先于流体再循环回液压汽缸28而由马达241移除的能量，在超速状态期间在液压汽缸28内可能是不需要的。再次，泵58可能不需要花费如此多的能量以在超速状态期间给液压汽缸28提供流体。最后，马达241可能够进一步增加在非超速状态期间重定向回液压汽缸28的流体的压力。
在一些实施例中，附加的泄压阀266可以与马达241的出口相关联。泄压阀266可以被设置在马达241与返回通道228之间。泄压阀266通常可以被关闭，但是选择性地移动到流通位置以减轻马达241下游的流体压力(例如，当马达241增加经过其的流体的压力时)。附加的压力传感器102可以与马达241相关联，并被定位在马达241与泄压阀266之间的位置处以产生被引导到控制器100的相应压力信号。基于这些压力信号，控制器100可能够适当地控制控制阀252-256的运行。
回转回路52和动臂回路54可以相互连接以用于流量分配和能量回收的目的。例如，公共返回通道268可以在回转回路52与动臂回路54之间延伸。公共返回通道268可以连接来自回转回路52的返回通道88与来自动臂回路54的返回通道228，并且控制阀270可以设置在通道268内以调节回路52与回路54之间的流体流。以这种方式，补给蓄能器110可以填充有来自回路52与回路54两者的流体，并且同样地，补给蓄能器110可以经由单向阀246将流体提供给回路52和回路54两者以及马达241。最后，公共蓄能器通道272可以从回转回路52的回转蓄能器108延伸以与动臂回路54的通道244连接。采用此配置，来自回转蓄能器108的加压流体可以经由公共蓄能器通道272、通道244和第二加料阀240被传送至动臂蓄能器236，反之亦然。同样，来自回转蓄能器108的加压流体可以经由公共蓄能器通道272和通道244被传送通过马达241并且被马达241转换成机械能。
在一些实施例中，蓄能器返回通道(未示出)可以包括在内并且用于连接马达241的出口与公共蓄能器通道272以将离开马达241的高压流体引导至回转回路52中(例如，进入回转蓄能器108)和/或引导至动臂回路54中(例如，进入动臂蓄能器236)。控制阀(例如，马达控制阀、头端控制阀、杆端控制阀或另一单独控制阀中的一个)可以被设置在公共蓄能器返回通道内，并且是可移动的以将返回流体引导至所期望的回路中。
控制器100可以被配置成选择性地使回转蓄能器108加料和排料，从而提升机器10的性能。特别地，由液压汽缸28建立的实现系统14的运动可以由液压汽缸28提升实现系统14的时间段和液压汽缸放低实现系统14的时间段组成。提升段可能需要来自液压汽缸28的大量能量，其通常通过由泵58提供给液压汽缸28的加压流体来实现，而放低段可能产生加压流体形式的大量能量，其通常通过排放到罐60而浪费。提升段和放低段可能均需要液压汽缸28将大量的液压能转换成动能，反之亦然。然而，在放低期间通过液压汽缸28的加压流体仍然含有大量能量。如果从液压汽缸28排放的流体在放低段期间被选择性地收集在动臂蓄能器236内，那么此能量可以随后在提升段期间返回给(即排放到)液压汽缸28并且被液压汽缸28再次使用。可以在提升段期间通过选择性地使动臂蓄能器236通过马达241(经由第二加料阀240和通道244)排放加压流体来辅助泵58(和发动机59)，从而在相同或更高速率下以比其它可能方式更少的发动机能量驱动泵58。
在替代性实施例中，控制器100可以被配置成另外地或替代地在实现系统14的放低期间(或在任何其它时间)引导从动臂蓄能器236排放的流体进入回转回路52(例如，进入回转蓄能器108)以辅助回转马达49的运动。同样地，控制器100可以被配置成另外地或替代地引导从回转蓄能器108排放的流体进入动臂蓄能器236和/或通过马达241。类似地，控制器100可以另外地或替代地引导从马达241排放的流体进入回转蓄能器108和动臂蓄能器236中的一者或两者。
控制器100还可以被配置成实现与动臂回路54相关的高峰调节型式。例如，控制器100可以被配置成在提升操作模式期间当泵58和发动机59具有过剩能力(即，能力大于动臂回路54所需的以根据操作者的请求移动作业工具16的能力)时使动臂蓄能器236充填从泵58(例如，经由控制阀202、头端通道206、通道242、单向阀246和第一加料阀238)排出的流体。在此充填期间，可能需要将液压汽缸28的出口流限制为小于来自泵58的流体的全流量，使得可以强制剩余流进入动臂蓄能器236。然后，在泵58和/或发动机59具有的能力不足以给液压汽缸28充分地提供动力期间，先前从动臂蓄能器236内的泵58收集到的高压流体可以以上述方式通过马达241排放以辅助发动机59和泵58。
控制器100可以进一步被配置成实现与回转回路52和动臂回路54两者相关的高峰调节。特别地，来自泵58的过剩流体可以通过回路之间的公共蓄能器通道272被引导并被储存在回转蓄能器108或动臂蓄能器236的其中一者内。
工业实用性
所公开的能量回收系统可以适用于执行基本上重复性工作循环的任何机器，所述重复性工作循环涉及作业工具的回转和/或提升运动。所公开的能量回收系统通过在不同的工作循环段期间采用蓄能器辅助作业工具的运动，可有助于提高机器的性能和效率。此外，所公开的能量回收系统通过采用多种不同的方式获取和再利用以其它方式浪费的能量，可有助于提高机器效率。现在将详细描述能量回收系统234的操作。
在机器10的运行期间，发动机59可以驱动泵58从罐60中抽取流体并将所述流体加压。加压流体可以经由头端供应元件218被引导(例如)至液压汽缸28的头端腔室中，同时，可允许流体经由杆端排出元件224流出液压汽缸28的杆端腔室。此操作可以使得液压汽缸28延伸并升高动臂24。
在一些应用中，先前收集在动臂蓄能器236内的流体可以辅助动臂24的升高。例如，来自动臂蓄能器236内的加压流体可以通过加料阀240和通道244被引导至马达241。此流体可以通过马达241进一步加压，并经由头端控制阀256和通道262被引导至液压汽缸28的头端腔室。必要时此流体可以补充来自泵58的流体供应，或者可以是用于升高动臂24的唯一流体源。由于在动臂蓄能器236内的流体可能已经被加压至某种程度，因此进一步加压流体所需的能量可以小于泵58将从罐60抽取的流体进行完全加压所需的能量。因此，通过使用来自动臂蓄能器236的流体来帮助升高动臂24可以实现能量的节约。
同样地，从液压汽缸28的杆端腔室排出的流体可以可选择性地收集在动臂蓄能器236内和/或用于驱动马达241。也就是说，在一些应用中，从液压汽缸28排出的流体可具有升高的压力。例如，当动臂24与工作面26接合，且机架42的一部分被抬离工作面26时，机器10的重量可以在动臂24升高期间(即在机架42放低期间)加压从杆端腔室排出的流体。加压流体可以从杆端排出元件224被引导流经返回通道228，经过单向阀246，并通过马达241(即驱动马达241)，或经由加料阀240进入通道244和动臂蓄能器236。通过用流体驱动马达241，包含在流体内的一些能量可以被传递至发动机59和/或泵58，从而提高机器10的效率。
动臂24的放低可以按类似方式实现。特别地，通过泵58加压的流体可以经由杆端供应元件222被引导至液压汽缸28的杆端腔室内，与此同时，可以允许流体经由头端排出元件220流出液压汽缸28的头端腔室。此操作可以使得液压汽缸28缩回并放低动臂24。
在一些应用中，先前收集在动臂蓄能器236内的流体可以辅助动臂24的放低。例如，来自动臂蓄能器236内的加压流体可以经由加料阀240和通道244被引导至马达241。此流体可以通过马达241被进一步加压(或者替代地，来自此流体的能量可以被马达241吸收)，然后经由杆端控制阀254和通道260被引导至液压汽缸28的杆端腔室。必要时此流体可以补充来自泵58的流体供应，或者可以是用于放低动臂24的唯一流体源。如上所述，减少泵58的负荷可以提高机器10的效率。
同样地，从液压汽缸28的头端腔室排出的流体可以选择性地收集在动臂蓄能器236内和/或用于驱动马达241。也就是说，在一些应用中，从液压汽缸28排出的流体可具有升高的压力。例如，当动臂24加载材料时，通过动臂24作用的材料的重量(以及动臂24、柄30和作业工具16的重量)可以在动臂24放低期间加压从液压汽缸28的头端腔室排出的流体。加压流体可以由头端腔室被引导经过单向阀246、穿过加料阀238进入动臂蓄能器236中。另外地或替代地，从头端腔室排出的流体可以经由通道242、旁通控制阀249以及通道244被引导至马达241。然后，此高压流体可以驱动马达241以将能量传递至发动机59和/或泵58。
所公开的能量回收系统可以带来多个好处。例如，因为在能量回收和再使用两者期间所公开的系统可与回转回路和动臂回路结合，所以可以储存并再使用更大量的能量。此外，因为所公开的系统可利用多个不同的蓄能器，所以蓄能器可以是相对较小、廉价并且容易包装的。此外，每个蓄能器的尺寸和/或加压能力可被定制成向蓄能器连接的每个回路提供增强的性能。另外，通过分离具有不同的阀组合的蓄能器，相关的流体可以被储存、发送、增压，和/或以多种不同方式转换。另外，与液压汽缸28相关联的内部再生流体的能力经由马达241与能量回收结合可以实现更高的效率。
对本领域技术人员显而易见的是，可以对所公开的能量回收系统进行各种修改和变化。从本说明书和所公开的能量回收系统的实践考虑，对本领域技术人员来说其它实施例将是显而易见的。本说明书和实例旨在仅被视为示例性的，而真实范围由以下权利要求及其等效物指出。

Claims (10)

1.一种能量回收系统(50)，包括：
罐(60)；
泵(58)，其被配置成从所述罐中抽取流体并对所述流体加压；
致动器(28)；
致动器控制阀(202)，其可移动以将加压流体从所述泵引导至所述致动器并且从所述致动器引导至所述罐以移动所述致动器；
马达(241)，其机械地连接至旋转装置(58、59)并被配置成选择性地接收从所述致动器排放的流体并向所述旋转装置传输动力；以及
至少一个阀(254、256)，其可移动以选择性地将从所述马达排出的流体重新引导回所述致动器。
2.根据权利要求1所述的能量回收系统，其中，所述致动器为动臂油缸。
3.根据权利要求2所述的能量回收系统，进一步包括：
蓄能器(236)，其被配置成储存从所述动臂油缸排放的流体并将所储存的流体引导至所述马达以驱动所述旋转装置；
第一通道(242)，其将所述致动器的腔室连接到所述蓄能器；以及
第一控制阀(238)，其设置在所述第一通道内。
4.根据权利要求3所述的能量回收系统，进一步包括：
第二通道(244)，其将所述蓄能器连接到所述马达；
第二控制阀(240)，其设置在所述第二通道内；
旁路通道(251)，其从所述致动器的所述腔室延伸到所述马达并绕过所述蓄能器、所述第一控制阀和所述第二控制阀；以及
旁路控制阀(249)，其设置在所述旁路通道内。
5.根据权利要求2所述的能量回收系统，其中：
所述蓄能器为动臂蓄能器；
所述致动器控制阀为动臂控制阀；且
所述能量回收系统进一步包括：
回转马达(49)；
回转控制阀(56)，其可移动以将加压流体从所述泵引导至所述回转马达并从所述回转马达引导至所述罐以移动所述回转马达；
回转蓄能器(108)，其被配置成储存从所述动臂油缸排放的流体并将所储存的流体引导至所述回转马达；以及
通道(272)，其将所述回转蓄能器连接到所述马达。
6.根据权利要求1所述的能量回收系统，进一步包括多个通道(260、262)，所述多个通道(260、262)经由所述马达将所述致动器的第一腔室连接到所述致动器的第二腔室。
7.根据权利要求9所述的能量回收系统，其中：
所述至少一个阀包括：
第一控制阀(254)，其与所述致动器的所述第一腔室相关联；以及
第二控制阀(256)，其与所述致动器的所述第二腔室相关联；并且
所述第一控制阀和所述第二控制阀彼此平行地设置在所述马达的下游。
8.根据权利要求7所述的能量回收系统，进一步包括：第三控制阀(252)，其设置成与所述第一控制阀和所述第二控制阀平行，所述第三控制阀可移动以选择性地将从所述马达排出的流体重新引导至低压罐中。
9.根据权利要求8所述的能量回收系统，其中，所述第三控制阀与所述第一控制阀和所述第二控制阀中的至少一者可同时运行以将从所述马达排出的所述流体的第一部分重新引导回所述致动器并且将剩余部分引导至所述罐。
10.根据权利要求8所述的能量回收系统，进一步包括：泄压阀(266)，其设置在所述马达的下游且在所述第一控制阀、所述第二控制阀以及所述第三控制阀的上游。
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