CN105074231B - 用于液压系统的控制系统以及用于回收能量和平衡液压系统负载的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于液压系统的控制系统包括协调液压系统内的流量分担的蓄压器(534)和液压变换器(500，502)。液压变换器包括装设在可旋转的轴(536)上的第一(500)和第二(502)可变排量泵/马达单元。可旋转的轴具有适合于连接到第一外部负载的端部。第一可变排量泵/马达单元包括流体地连接到泵(512)的第一侧和流体地连接到罐的第二侧。第二可变排量泵/马达单元包括流体地连接到蓄压器的第一侧和流体地连接到罐的第二侧。第二外部负载可以液压地连接到液压系统。能量可以按照控制系统的指示转移到/转移出泵、蓄压器、第一外部负载、和/或第二外部负载。

Description

用于液压系统的控制系统以及用于回收能量和平衡液压系统 负载的方法
相关申请的交叉引用
本申请在2013年12月17日作为PCT国际专利申请提交，并且要求2012年12月19日提交的美国专利申请系列号No.61/739，508的优先权，该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
移动式机械设备(例如，挖掘机)通常包括液压系统，该液压系统具有用于为各种活动机器构件(例如，联动装置、履带、旋转接头等)提供动力的液压驱动的线性和旋转致动器。典型地，线性致动器包括液压缸并且旋转致动器包括液压马达。通过操纵机器控制系统的用户接口，机器操作员可以控制各种机器构件的运动。
典型的移动式机械设备包括用作用于该移动式机械设备的总动力源的原动机(例如，柴油发动机、火花点火发动机、电动机等)。通常，原动机为一个或多个液压泵提供动力，所述液压泵提供用于驱动该机械设备的活动机器构件的加压液压流体。原动机典型地需要确定尺寸为满足系统的峰值功率需求。由于原动机设计成满足峰值功率需求，故原动机在平均工作负载下通常不会以峰值效率运转。
上述类型的活动液压构件的操作的特征可以在于频繁的加速和减速(例如，超限运行(overruning)的液压负载)。由于节流，常常存在与减速相关的大量能量损失。需要改进的用于回收与此类减速相关的能量损失的系统。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于有效地回收和利用来自超限运行的液压负载的能量的系统和方法。
本发明的另一方面涉及用于通过在低加载期间有效地储存能量并且在高加载期间有效地释放所储存的能量来平衡(均衡，整平，leveling)液压系统原动机上的负荷从而允许针对平均功率需求而不是针对峰值功率需求来确定原动机的尺寸的系统和方法。此类系统和方法还允许原动机以允许优化原动机的运转效率的更一致的运转状态运行。
本发明的又一方面涉及一种液压系统，该液压系统包括能提供对抗外部负载的轴功的液压变换器。在某些实施例中，离合器可以用于使输出轴与外部负载接合和分离以使得该单元还可以用作独立的液压变换器。
本发明的又一方面涉及一种用于上述液压系统及相似系统的控制系统。
本发明的又一方面涉及用于上述液压系统及相似系统的控制逻辑。
下面的描述将陈述各种另外的方面。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，且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是根据本发明的原理的第一液压系统的示意图；
图2是示意性地示出了图1的第一液压系统可以运转的各种运转模式的矩阵表；
图3-11示出了以在图2的矩阵表中概括的各种运转模式运转的图1的第一液压系统；
图12是根据本发明的原理的第二液压系统的示意图；
图13-21示出了以在图2的矩阵表中概括的各种运转模式运转的第二液压系统；
图22和23是示出了根据本发明的原理的第三液压系统的两种运转构型的示意图；
图24和25示出了一台移动式挖掘设备，该挖掘设备是根据本发明的原理的液压系统可以用在其上的一类机器的示例；
图26和27是示出了根据本发明的原理的第三液压系统的两种运转构型的示意图；
图28是图27的放大的一部分；
图29是一台示例的常规挖掘设备在一个示例工作周期上的原动机功率输出的曲线图；
图30是一台示例的根据本发明的原理的挖掘设备在一个示例工作周期上的原动机功率输出的曲线图；
图31是示出了根据本发明的原理的与图26的第三液压系统相关的第四液压系统的示意图，所述第四液压系统在一模式中设置成，通过可操作的蓄压器/蓄能器并且在图24和25的移动式挖掘设备的高系统负载下升高动臂和加速摆动驱动装置；
图32是图31的示意图，其中第四液压系统在一模式中设置成于升高动臂和加速摆动驱动装置，其中蓄压器在转换中并且系统处于图24和25的移动挖掘设备的高系统负载下；
图33是图31的示意图，其中第四液压系统设置成用于升高动臂和加速摆动驱动装置的模式，其中蓄压器不可操作并且系统处于图24和25的移动挖掘设备的高系统负载下；
图34-39是根据本发明的原理的示例逻辑流程图，用于操作可用于控制某些液压系统的示例控制系统；
图40是图31的示意图，其中第四液压系统设置成用于升高动臂和加速摆动驱动装置的模式，其中来自主泵的流升高动臂并且来自主泵的流和来自蓄压器的流加速摆动驱动装置；
图41是图31的示意图，其中第四液压系统设置成用于升高动臂和减速摆动驱动装置的模式，其中来自主泵的流升高动臂并且通过主泵和通过摆动驱动装置的减速对蓄压器进行充入/蓄能；
图42是图31的示意图，其中第四液压系统设置成用于降低动臂和加速摆动驱动装置的模式，其中来自主泵的流降低动臂并且通过降低动臂对蓄压器进行充入以及通过降低动臂供给动力来加速摆动驱动装置；以及
图43是图31的示意图，其中第四液压系统设置成用于升高动臂和对蓄压器进行充入，其中来自主泵的流升高动臂并且通过主泵对蓄压器进行充入。
具体实施方式
现将对在附图中示出的本发明的各方面进行详细说明。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。
图1示出了根据本发明的原理的系统10。系统10包括由原动机14(例如，柴油发动机、火花点火发动机、电动机或其它动力源)驱动的可变排量泵12。可变排量泵12包括从罐18(即，低压储器)抽吸低压液压流体的入口16。可变排量泵12还包括出口20，高压液压流体经该出口输出。出口20优选流体地联接到多个不同工作负载回路。例如，出口20被示出为联接到第一负载回路22和第二负载回路24。第一负载回路22包括液压变换器26，该液压变换器包括第一端口28、第二端口30和第三端口32。液压变换器26的第一端口28流体地连接到可变排量泵12的出口20并且还流体地连接到第二负载回路24。第二端口30流体地连接到罐18。第三端口32流体地连接到液压蓄压器34。液压变换器26还包括联接到外部负载38的输出/输入轴36。离合器40可以用于选择性地使输出/输入轴36与外部负载38接合以及使输出/输入轴36与外部负载38分离。当离合器40使输出/输入轴36与外部负载38接合时,转矩在输出/输入轴36和外部负载38之间传递。相反，当离合器40使输出/输入轴36与外部负载38分离时，没有转矩在输出/输入轴36和外部负载38之间传递。在离合器40和外部负载38之间可以设置有齿轮减速装置。
系统10还包括与原动机14、可变排量泵12和液压变换器26接口的电子控制器42。应了解的是，电子控制器42还可以与遍及系统10设置的各种其它传感器和其它数据源接口。例如，电子控制器42可以与结合在系统10中以测量蓄压器34中的液压压力、由可变排量泵12向第一回路22和第二回路24提供的液压压力、液压变换器26的泵侧和罐侧压力以及其它压力的压力传感器接口。此外，控制器42可以与感测输出/输入轴36的转速的转速传感器接口。另外，电子控制器42可以用于监测原动机14上的负荷并且可以控制在由原动机14提供动力的驱动轴13的特定转速下跨可变排量泵12的液压流体流量。在一个实施例中，轴每旋转一圈跨可变排量泵12的液压流体排量可以通过改变可变排量泵12的旋转斜盘44的位置来改变。控制器42还可以与离合器40接口以允许操作员选择性地使变换器26的输出/输入轴36与外部负载38接合和分离。
电子控制器42可以控制液压变换器26的操作以提供负荷平衡功能，该负荷平衡功能允许原动机14以一致的运转状态(即，稳定的运转状态)运行，由此有助于提高原动机14的总体效率。负荷平衡功能可以通过在原动机14的低负载期间有效地将能量储存在蓄压器34中并且在原动机14的高负载期间有效地释放所储存的能量来提供。这允许针对平均功率需求而不是峰值功率需求来确定原动机14的尺寸。
图2示出了矩阵表50，该矩阵表示意性地示出了可以由电子控制器42用于控制系统10的运转的控制逻辑的概览。应了解的是，矩阵表50为简化版并且未考虑某些因素如蓄压器34的充入/蓄能状态。该控制逻辑/架构的主要目标是维持原动机14以一般负荷水平运行，从而允许原动机14更有效的运转。该控制逻辑/架构还可以减小系统峰值功率需求，由此允许使用更小的原动机。这通过使用蓄压器34和变换器26从由原动机14提供动力的第一工作回路回收能量并使用所回收的能量作为用于驱动由原动机14提供动力的第二工作回路的功率补充来完成。蓄压器34和变换器26还可以用于缓冲由原动机14产生的能量。蓄压器34和变换器26还可以用于以可以消除液压节流的方式回收与负载减速相关的能量。
参照图2，矩阵表50包括多个水平行和多个竖向列。例如，水平行包括与原动机14的低加载状态对应的第一行52、与原动机14的目标加载状态对应的第二行54、和与原动机14的高加载状态对应的第三行56。竖向列包括第一列58、第二列60、和第三列62。第一列58表示变换器26正在提供其中转矩经离合器40从输出/输入轴36传递到外部负载38的马达驱动功能的状态。第二列60表示输出/输入轴36通过离合器40与外部负载38分离的状态。第三列62表示变换器26正在提供其中转矩经输出/输入轴36从外部负载38传回的泵送功能的状态。
矩阵表50的框64表示这样一种运转状态/模式，在该运转状态/模式下，原动机14处在低负荷下并且液压变换器26正在提供其中转矩经输出/输入轴36传递到外部负载38的马达驱动功能。当电子控制器42从操作员接口43(例如，控制面板、操纵杆、拨片(toggle)、开关、控制杆等)接收指示电子控制器42通过输出/输入轴36的旋转使外部负载38加速或以其它方式驱动外部负载38的指令时，系统10以该模式运转。在该模式/状态下，控制器42将液压变换器26的运转控制成使得来自可变排量泵12的一部分液压流体压力用于驱动输出/输入轴36并且来自可变排量泵12的液压流体压力的其余部分用于对蓄压器34进行充入(参看图3)。
矩阵表50的框66表示其中原动机14正在低负荷下运转并且输出/输入轴36与外部负载38分离的运转模式/状态。在该模式/状态下，控制器42将液压变换器26的运转控制成使得变换器26用作独立的变换器，其中来自可变排量泵12的所有过剩液压流体压力(例如，第二工作回路24不需要的过剩动力)都用于对蓄压器34进行充入(参看图4)。这样，变换器26和蓄压器34提供其中来自原动机14的否则未使用的能量被储存以便随后使用的能量缓冲功能。
矩阵表50的框68表示这样一种运转模式/状态，在该模式/状态下，原动机14处在低负荷下并且变换器26正用作其中转矩经输出/输入轴36传递到变换器26中的泵。当电子控制器42从操作员接口43接收指示电子控制器42使外部负载38的旋转减速的指令时，系统10在该模式/状态下运转。这形成了其中与外部负载38的运动对应的能量(例如，惯性能量)转化为转矩并经输出/输入轴36传递到变换器26中的超限运行状态。在该状态下，电子控制器42将变换器26控制成使得变换器26提供将从外部负载38的惯性能量衍生的转矩转化为用于对蓄压器34进行充入的液压能量的泵送功能(参看图5)。随着能量被传递到蓄压器34，变换器26用于制动输出/输入轴36的旋转以实现期望的减速。在该模式/状态下，电子控制器42还可以将变换器26控制成使得来自可变排量泵12的过剩能量同时用于对蓄压器34进行充入。
矩阵表50的框70表示这样一种模式/状态，在该模式/状态下，原动机14正以目标负荷运转并且液压变换器26正提供其中输出/输入轴36驱动外部负载38的马达驱动功能。在该模式/状态下，电子控制器42将变换器26控制成使得来自可变排量泵12的能量用于驱动输出/输入轴36并且没有能量传递到蓄压器34(参看图6)。
框72表示其中原动机14处在目标负荷下并且输出/输入轴36与外部负载38分离的模式/状态。在该模式/状态下，电子控制器42将变换器26控制成使得没有能量经液压变换器26传递(参看图7)。
矩阵表50的框74表示原动机14处在目标负荷下并且变换器26正用作其中转矩经输出/输入轴36传递到变换器26中的泵的模式/状态。当电子控制器42从操作员接口43接收指示电子控制器42使外部负载38的旋转减速的指令时，系统10在该模式/状态下运转。这形成了其中与外部负载38的运动对应的能量(例如，惯性能量)转化为转矩并经输出/输入轴36传递到变换器26中的超限运行状态。在该模式/状态下，电子控制器42将变换器26控制成使得变换器26提供将从外部负载38的惯性能量衍生的转矩转化为用于对蓄压器34进行充入的液压能量的泵送功能(参看图8)。随着能量传递到蓄压器34，变换器26用于制动输出/输入轴36的旋转以实现期望的减速。
矩阵表50的框76表示原动机14正在高负荷下运转并且变换器26提供其中输出/输入轴36驱动外部负载38的马达驱动功能的运转模式/状态。在该模式/状态下，控制器42将变换器26控制成使得来自蓄压器34的能量用于使输出/输入轴36旋转以驱动外部负载38。此外，变换器26被控制器42控制成使得来自蓄压器34的过剩能量可以同时朝可变排量泵12和第二负载回路24传回(参看图9)以协助平衡/减小原动机14上的负荷。
矩阵表50的框78表示原动机14正在高负荷状态下运转并且输出/输入轴36与外部负载38分离的运转模式/状态。在该状态下，电子控制器42将变换器26控制成使得来自蓄压器34的能量经液压变换器26朝泵12和第二负载回路24引回以用在第二负载回路24(参看图10)，从而协助平衡/减小原动机14上的负荷。应了解的是，泵12和第二负载回路24可以称为整个液压系统10的“系统侧”。
矩阵表50的框80表示原动机14正在高负荷下运转并且变换器26正用作其中转矩经输出/输入轴36传递到变换器26中的泵的运转模式/状态。当电子控制器42从操作员接口43接收指示电子控制器42使外部负载38的旋转减速的指令时，系统10在该模式/状态下运转。这形成了其中与外部负载38的运动对应的能量(例如，惯性能量)转化为转矩并经输出/输入轴36传递到变换器26中的超限运行状态。在该模式/状态下，电子控制器42将变换器26控制成使得变换器26提供泵送功能，该泵送功能将从外部负载38的惯性能量衍生的转矩转化为被引向液压系统10的系统侧并用于协助平衡/减小原动机14上的负载的液压能量。随着能量传递到系统侧，变换器26用于制动输出/输入轴36的旋转以实现期望的减速。在该状态下，电子控制器42还可以将变换器26控制成使得来自蓄压器34的能量同时朝整个液压系统10的系统侧和第二负载回路24被引回以用在第二负载回路24(参看图11)。
图12示出了配备有液压变换器26a的图1-11的系统10，所述液压变换器具有通过共同的轴连接的多个泵/马达单元。例如，液压变换器26a包括通过轴104连接的第一和第二容积可变的正排量泵/马达单元100、102。轴104包括将第一泵/马达单元100连接到第二泵/马达单元102的第一部分106和形成输出/输入轴36的第二部分108。第一泵/马达单元100包括流体地连接到可变排量泵12的第一侧100a和流体地连接到罐18的第二侧100b。第二泵/马达单元102包括流体地连接到蓄压器34的第一侧102a和流体地连接到罐18的第二侧102b。
在一个实施例中，第一和第二泵/马达单元100、102中的每一者都包括随轴104旋转的旋转组件(例如，缸体和活塞)，和可以相对于轴104以不同角度定位以改变在轴每旋转一圈时的泵排量的旋转斜盘110。可以通过改变与特定泵/马达单元对应的旋转斜盘110的角度来改变轴104每旋转一圈从特定的一个泵/马达单元100、102排出的液压流体的体积。改变旋转斜盘110的角度还改变了在轴104和特定泵/马达单元的旋转组件之间传递的转矩。当旋转斜盘110与轴104垂直地对齐时，没有液压流体流被引导通过泵/马达单元100、102。旋转斜盘110可以是允许轴104双向旋转的过心(over-the-center)旋转斜盘。旋转斜盘110的角向位置由电子控制器42基于系统10的运转状态单独控制。
通过控制旋转斜盘110的位置，控制器42可以使系统10以在图2的矩阵表50中阐述的任何一个运转模式运转。当系统10以框64的模式运转时，第一泵/马达单元100使用来自泵12的动力来转动轴104并驱动外部负载38，并且第二泵/马达单元102从轴104取得动力并使用该动力将液压流体泵送到蓄压器34中(参看图13)。当系统10以框66的模式运转时，第一泵/马达单元100使用来自泵12的动力来转动轴104，并且第二泵/马达单元102从轴104取得动力并利用该动力将液压流体泵送到蓄压器34中以对蓄压器34进行充入(参看图14)。当系统10以框68的模式运转时，来自运动的外部负载38的惯性能量转动轴104，并且第二泵/马达单元102从轴104取得动力并利用该动力来将液压流体泵送到蓄压器34中以对蓄压器34进行充入(参看图15)。来自泵12的能量也可以同时用于对蓄压器34进行充入。当系统10以框70的模式运转时，第一泵/马达单元100使用来自泵12的动力来转动轴104并驱动外部负载38，并且第二泵/马达单元102被设定为零排量(参看图16)。当系统10以框72的模式运转时，泵/马达单元100、102两者都被设定为零排量(参看图17)。当系统10以框74的模式运转时，来自运动的外部负载38的惯性能量转动轴104，并且第二泵/马达单元102从轴104取得动力并使用该动力将液压流体泵送到蓄压器34中以对蓄压器34进行充入，并且第一泵/马达100被设定为零排量(参看图18)。当系统10以框76的模式运转时，第二泵/马达单元102使用来自充入后的蓄压器34的动力来转动轴104并驱动外部负载38，并且第一泵/马达单元101朝泵12和第二负载回路24将液压流体泵送回来(参看图19)。当系统10以框78的模式运转时，第二泵/马达单元102使用来自充入后的蓄压器34的动力来转动轴104，并且第一泵/马达单元101将液压流体朝泵12和第二负载回路24泵送回来(参看图20)。当系统10以框80的模式运转时，第二泵/马达单元102使用来自充入后的蓄压器34的动力来转动轴104，来自运动的外部负载38的惯性能量也转动轴104，并且第一泵/马达单元101朝泵12和第二负载回路24将液压流体泵送回来(参看图21)。
通过控制泵/马达单元100、102的排出速度和排出方向，处于特定水平的流体功率(压力乘流量)可以转化为替代水平，或者作为用于驱动外部负载38的轴动力供给。当希望外部负载38的减速时，液压变换器26a可以用作泵，该泵从罐18取得低压流体并且将其引导到蓄压器34以进行储存、引导到连接于可变排量泵12的第二负载回路24、或两者的组合。通过利用离合器40来使输出/输入轴36与外部负载38分离，液压变换器26a在不需要向外部负载38施加轴功时可以用作独立的液压变换器(例如，常规液压变换器)。这通过以由其它相关的系统负载(例如，与第二负载回路24对应的负载)决定的任何压力从系统10取得能量并在当前蓄压器压力下储存该能量而不进行节流来实现。以相同的方式，未节流的能量也可以在其当前压力下从蓄压器34取得并在期望的操作压力下供给到系统10。液压变换器26a对动力流的分摊可以通过控制泵/马达单元100、102上的旋转斜盘的位置来控制。在某些实施例中，本发明的各方面可以用在不具有用于分离输出/输入轴36和外部负载38之间的连接的离合器的系统中。
图22示出了根据本发明的原理的另一系统210。该系统210包括由原动机214提供动力的可变排量泵212。可变排量泵212从罐218抽吸液压流体并输出加压液压流体以给第一负载回路222、第二负载回路224和第三负载回路226提供动力。控制阀装置227控制可变排量泵212与第二负载回路224和第三负载回路226之间的流体连通。第一负载回路222包括液压变换器26b，该液压变换器包括通过共同的轴229连接的三个旋转组件。共同的轴229包括形成输出/输入轴236的端部部分。离合器240用于选择性地将输出/输入轴236联接到外部负载238和选择性地使输出/输入轴236与外部负载238分离。
液压变换器26b的旋转组件包括第一可变排量泵/马达单元200、第二可变排量泵/马达单元202和第三可变排量泵/马达单元203。第一泵/马达单元200的第一侧270流体地连接到可变排量泵212的输出侧并且第一泵/马达单元200的第二侧271流体地连接到罐218。第三泵/马达单元203的第一侧272流体地连接到流动管路281，该流动管路连接到第二负载回路224。流量控制阀280沿着流动管路281定位。第三泵/马达单元203的第二侧273流体地连接到罐218。第二泵/马达单元202的第一侧274流体地连接到液压蓄压器234，并且第三泵/马达单元203的第二侧275流体地连接到罐218。泵/马达200、202和203可以具有与前文中描述的泵/马达相同类型的构型。
第二负载回路224包括具有装设在缸体297内的活塞296的液压缸295。活塞296可沿提升行程方向298和返回行程方向299移动。当活塞296沿提升行程方向298移动时，液压缸295用于克服重力提升或移动工作元件301(例如，动臂)。当活塞296沿返回行程方向299移动时，工作元件301利用重力移动。缸体297限定出位于活塞296的活塞头304的相对侧的第一端口302和第二端口303。
为了沿提升行程方向298驱动活塞296，液压流体从泵212经控制阀装置227和流量控制阀280通过第一端口302泵送到缸体297中。同时，活塞头304沿提升行程方向298的移动迫使液压流体经第二端口303从缸体297排出。经第二端口303离开缸体297的液压流体流过将液压流体引导到罐218的控制阀装置227。
为了使活塞296沿返回行程方向299移动，液压流体从泵212经控制阀装置227通过第二端口303泵送到缸体297中。同时，活塞头304沿返回行程方向299的移动迫使液压流体经第一端口302从缸体297排出。活塞头304沿返回行程方向299的移动是重力辅助/驱动的(例如，通过被提升的工作元件301的重量)，从而使离开第一端口302的液压流体被加压。通过如图23所示使流量控制阀280移位，在活塞296的返回行程期间从第一端口302输出的液压流体可以经流动管路281传送到第三泵/马达单元203，使得来自离开缸体297的加压流体的能量可以用于驱动共同的轴229。随着共同的轴229被从液压缸295释放的压力驱动，与活塞296的返回行程对应的能量可以经第二泵/马达单元202传递到蓄压器234和/或可以经输出/输入轴236传递到外部负载238。另外，该能量也可以呈从第一泵/马达单元200的第一侧270泵出的加压液压流体的形式朝可变排量泵212传回。这样，液压变换器26b允许与在液压缸295的提升行程期间被提升的工作元件301的提升重量对应的势能的回收和使用。
与前述实施例相似，变换器26b和蓄压器234也允许来自泵212的过剩能量储存在蓄压器234中以提供能量缓冲功能。此外，与前述实施例相似，与工作负载238的减速对应的能量可以储存在蓄压器234中以便今后使用和/或被朝泵212引回以用在第二负载回路224或第三负载回路226，从而提供负荷平衡功能。另外，阀280和第三泵/马达单元203也允许来自蓄压器34或与工作负载238的减速对应的能量用于沿提升方向298驱动活塞296。与图2阐述的模式相比，增设与既可以取得动力又可以供给动力的另一回路连结的第三泵/马达单元203提供了额外的多组运转模式/选择。
在一个示例性实施例中，上述类型的液压回路构型可以结合到诸如挖掘机的一台移动式挖掘设备中。例如，图24和25示出了包括被支承在底架410上的上部结构412的示例性挖掘机400。底架410包括用于将挖掘机400承载在地面上的推进结构。例如，底架410可以包括左、右履带。上部结构412可围绕枢转轴线408(即，摆动/回转轴线)相对于底架410枢转移动。在某些实施例中，上述类型的变换器输入/输出轴可以用于使上部结构412相对于底架410绕摆动轴线408枢转。
上部结构412可以支承和承载机器的原动机14并且还可以包括其中设置有操作员接口的驾驶室425。动臂402由上部结构412承载并通过动臂缸402c在升起位置和降下位置之间枢转移动。斗杆(arm)404可枢转地连接到动臂402的远端。斗杆缸404c用于使斗杆404相对于动臂402枢转。挖掘机400还包括可枢转地连接到斗杆404的远端的铲斗406。铲斗缸406c用于使铲斗406相对于斗杆404枢转。在某些实施例中，动臂缸402c、斗杆缸404c和铲斗缸406c可以是上述类型的系统负载回路的一部分。例如，图22和23的实施例的液压缸295可以用作动臂缸402c。
图26-28示出了根据本发明的原理的适于供挖掘机400使用的另一系统510。该系统510包括由原动机514提供动力的可变排量泵512。可变排量泵512可以包括用于控制轴每旋转一圈的泵排量的旋转斜盘544。系统控制器542可以与具有负流量控制孔板阀545(例如，比例式流量控制阀)的负流量控制回路543接口。负流量控制回路543允许使用负流量控制(NFC)泵控制策略来控制泵512的运转。可变排量泵512从罐518抽吸液压流体并输出加压液压流体以给第一负载回路522、第二负载回路524和第三负载回路526提供动力。第二负载回路524包括斗杆缸404c并且第三负载回路526包括动臂缸402c。定向流量控制阀523(例如，比例式定向流量控制阀)控制斗杆缸404c与泵512和罐518之间的流体流动。定向流量控制阀525(例如，比例式定向流量控制阀)控制动臂缸402c与泵512和罐518之间的流体流动。第一负载回路522包括液压变换器26c，该液压变换器包括通过共同的轴529连接的两个旋转组件。共同的一个或多个轴529包括形成输出/输入轴536的端部部分。离合器540用于选择性地将输出/输入轴536联接到外部负载538和选择性地使输出/输入轴536与外部负载538分离。输出轴/输入轴536优选用于使挖掘机400的上部结构412相对于底架410围绕枢转轴线408枢转(即，回转/摆动)。因而，外部负载538代表用于使上部结构412围绕枢转轴线408的枢转运动加速和减速的负载。齿轮减速装置539被示出为位于离合器540和上部结构412之间。
液压变换器26c的旋转组件包括第一可变排量泵/马达单元500和第二可变排量泵/马达单元502。第一泵/马达单元500的第一侧570流体地连接到可变排量泵512的输出侧并且第一泵/马达单元500的第二侧571流体地连接到罐518。流动管路569将第一泵/马达单元500的第二侧571连接到泵512的输出侧。第二泵/马达单元502的第一侧574流体地连接到液压蓄压器534，并且第二泵/马达单元502的第二侧575流体地连接到罐518。泵/马达500、502可以具有与前文中描述的泵/马达相同类型的构型。
动臂缸420c包括缸体405和活塞407。缸体405限定出位于活塞407的活塞头413的相对侧的第一端口409和第二端口411。
流量控制阀567(即，模式阀)沿着流动管路569定位。在某些实施例中，流量控制阀567是比例式流量控制阀。流量控制阀567可在第一位置和第二位置之间移动。在第一位置，流量控制阀567将泵512的输出侧流体地连接到第一泵/马达单元500的第一侧570。在第二位置(在图27中示出)，流量控制阀567将缸405的第一端口409流体地连接到第一泵/马达单元500的第一侧570。为了使活塞407沿提升/伸出行程移动以提升动臂402，可以使第一端口409与泵512的输出侧流体连通并且可以使第二端口411与罐518流体连通，和/或可使第一端口409与第一泵/马达单元500的第一侧570流体连通并且可使第二端口411与罐518流体连通。为了使活塞407沿返回方向移动以降低动臂402，可以使第一端口409经流量控制阀567与第一泵/马达单元500的第一侧570流体连通。在某些实施例中，单向止回阀563在该构型下防止第一端口409随着动臂402降下而与罐518流体连通。应了解的是，随着动臂402降下动臂402的重量对离开第一端口409的液压流体加压。通过将这种加压液压流体引导到变换器26c，与提升的动臂402的重量对应的势能可以被回收并储存在蓄压器534中和/或可以经输出/输入轴536传递到外部负载538。另外，在某些实施例中，该能量也可以呈从第一泵/马达单元500的第一侧570泵出的加压液压流体的形式朝可变排量泵512传回。这样，液压变换器26c允许与在液压缸402c的提升行程期间被提升的动臂402的提升重量对应的势能的回收和使用。
与前述实施例相似，变换器26c和蓄压器534也允许来自泵512的过剩能量储存在蓄压器534中以提供能量缓冲功能。此外，与前述实施例相似，与工作负载538的减速对应的能量可以储存在蓄压器534中以便今后使用，被引导到动臂缸402c，和/或朝泵512引回以用在第二负载回路524或第三负载回路526从而提供负荷平衡功能。遍及系统510设置有与控制器542接口的液压流体压力传感器590。
图29示出(即，画出)常规作业机械(例如，挖掘机)的原动机(例如，柴油发动机)在一个典型工作周期(例如，挖掘周期)上的功率输出。当需要和/或请求高功率需求以执行典型工作周期的一部分时，可出现功率峰值。这种功率峰值尤其可能在多个工作(例如，提升动臂和摆动上部结构)同时需要和/或请求高功率需求时出现。相反，当在典型工作周期的另一部分期间需要低功率需求时可发生功率低谷(即，功率利用不足)。常规作业机械的原动机和/或一个或多个液压供给泵的尺寸可以确定成适应功率峰值。在一个工作周期中，平均发动机功率可以通过所产生的发动机能量除以周期时长来确定。平均发动机功率可以比峰值功率低得多。原动机的效率在低负荷水平运转时和/或在有显著差异的负荷水平之间转换时降低。本发明的系统可通过平衡原动机的功率输出来大幅提高原动机的效率。
图30示出(即，画出)与图29的常规作业机械相似的作业机械(例如，挖掘机)的原动机(例如，柴油发动机)在与图29的典型工作周期相似的一个典型工作周期(例如，挖掘周期)上的功率输出。相反，图30的作业机械包括根据本发明的原理的液压系统，例如液压系统10、210、510。液压系统10、210、510通过负荷平衡和能量回收降低了在典型工作周期中需要的发动机功率输出。这提供的益处包括允许在作业机械中使用更小的原动机(即，减小发动机尺寸)，由于能量回收(即，能量再生)而提高了效率，由于在更长的典型工作周期持续时间上更紧密地匹配发动机峰值效率而提高了效率(即，发动机效率优化)，由于较小的发动机的重量较低而提高了效率(例如，更低的摆动惯性)，由于发动机较小而成本更低，由于在更稳定的输出负荷运行发动机而延长发动机寿命等。
按照本发明的原理，控制系统，例如系统控制器542，适于控制液压系统，例如液压系统510。以下描述的是操作控制系统的示例性方法。控制逻辑/架构的主要目标是维持原动机(例如，原动机514)上的负荷大致平衡，因而允许原动机更有效地运转。控制逻辑/架构也可以降低系统的峰值功率需求，从而允许使用更小的原动机。
液压系统510的一个目标是模仿常规液压系统并且因而具有与常规液压系统相同或相似的操作特性。具体地，作业机械(例如，挖掘机400)的操作员可以通过与操作具有常规液压系统的作业机械相同或相似的方式操作具有液压系统510的作业机械。系统控制器542接收由操作员操纵的操作员接口生成的指令。系统控制器542监视液压系统510并且根据挖掘机400的各种状态和条件来解释所述指令。这些状态包括动臂402的状态、上部结构412的摆动状态、蓄压器534的状态、和发动机负荷的状态。通过处理这些不同的输入，系统控制器542生成合适的控制信号以实现操作员的输入。
在优选实施例中，液压系统510包括多个致动器并且可以包括线性和旋转致动器两者。液压系统510可以包括来自致动器的能量回收和再利用，并且可以平衡发动机上的致动器的负荷。液压系统510不需要对致动器进行独立的计量-入和计量-出控制。液压系统510可以在多个部件之间交换能量，所述多个部件包括上部结构412的摆动装置、动臂402的移动装置、主泵512、和蓄压器534。能量回收和发动机负荷平衡可以关于多个致动器同时发生。
现在转向图31-33和40-43，系统510还包括阀415和417并且与图26-28所示的系统510相比放弃、绕过和/或禁用所述单向止回阀563。阀415连接在缸402c的端口409和411之间。阀417连接在缸402c的端口411和罐518之间。如图所示的阀415、417是比例阀。阀415、417可以根据阀523、525、567的定位向缸402c提供替代的流动路径。
在图31-33中，系统510被示出成处于模式1(即，M1)。具体地，图31示出了子模式M1a，图32示出了子模式M1t，以及图33示出了子模式M1b。模式1包括动臂402正被提升和上部结构412的旋转正被加速，此时系统负载为高。
处于子模式M1a的蓄压器534被充分充入以向系统510供给能量(例如，实际的蓄压器压力Pacc>低设定点蓄压器压力Plow)。如图31所示，子模式M1a将泵/马达502设置成马达，将泵/马达500设置成泵，将模式阀567设定成与动臂缸402c流体连接，打开NFC阀545，接合离合器540，分离制动器533，将定向流量控制阀525定位到中位。系统510可以保持在子模式M1a直到操作员输入不再提升动臂402或使上部结构412的旋转加速的指令，系统负载从“高”下降，和/或蓄压器534充分排放以使其不再满足动臂402和上部结构412同时需要的功率。
在蓄压器534充分排放使其不再满足动臂402和上部结构412所需的功率时，系统控制器542自动将系统510设置成子模式M1t。如图32所示，子模式M1t将泵/马达502初始设置成马达，将泵/马达500初始设置成泵，将模式阀567初始设定成与动臂缸402c流体连接，初始打开NFC阀545，接合离合器540，以及将定向流量控制阀525初始定位到中位。系统510可以保持在子模式M1t直到操作员输入不再提升动臂402或使上部结构412的旋转加速的指令时，系统负载从“高”下降，和/或蓄压器534充分排放以使其不再向动臂402和上部结构412提供动力。子模式M1t使系统510从子模式M1a平顺地过渡到子模式M1b并因而改变(例如，连续地改变)泵/马达502的排量，泵/马达500的排量，模式阀567，NFC阀545，以及定向流量控制阀525。泵/马达502的排量最初增加以产生扭矩，同时蓄压器534被消耗，当蓄压器534被耗尽时，泵/马达502的排量设定为0。当蓄压器534被耗尽并且模式阀567和NFC阀545被重新配置时，泵/马达500的排量可以连续地进行调节以向输出/输入轴536提供所需的扭矩和速度。模式阀567从向动臂402供给液压动力被重新配置成从主泵512接收液压动力，结合泵/马达500从泵转换成马达。NFC阀545从打开过渡到受限以设定主泵512的适当排量。定向流动控制阀525从中位改变到适于操作动臂缸402c的位置。
在蓄压器534排放以使其不能再向动臂402和上部结构412供给动力时，系统控制器542将系统510自动设置成子模式M1b。如图33所示，子模式M1b保持泵/马达502设置在0排量，保持泵/马达500设置为马达，保持模式阀567与发动机(即，主泵512)流体连接，保持NFC阀545受限，保持离合器540接合，并且将定向流量控制阀525定位到适合于动臂缸402c的操作的位置。系统510可以保持在子模式M1b直到操作员输入不再提升动臂402或使上部结构412的旋转加速的指令或系统负载从“高”下降。
系统510在图42中示出为处于模式2(即，M2)。模式2包括动臂402被降低-超限运行和上部结构412的旋转被加速而系统负载处于目标范围。处于子模式2a中的蓄压器534充分耗尽以从系统510接收能量(例如，实际的蓄压器压力Pacc<高设定点蓄压器压力Phigh)。子模式2a将泵/马达502设置为泵，将泵/马达500设置为马达，将模式阀567设定成与动臂缸402c流体连接，打开NFC阀545，接合离合器540，并且将定向流量控制阀525定位到中位。系统510可以保持在子模式2a直到操作员输入不再降低动臂402或使上部结构412的旋转加速的指令、系统负载不再“处于目标范围”、和/或蓄压器534充分充入使其不再接收动力。
在蓄压器534接近充分充入使其不能再接收动力时，系统控制器542将系统510自动设置成子模式2t。子模式2t将泵/马达502初始设置为泵。泵/马达500仍是马达。模式阀567保持与动臂缸402c流体地连接。NFC阀545保持打开。离合器540保持接合。并且，定向流量控制阀525保持在中位。系统510可以保持在子模式2t直到操作员输入不再降低动臂402或使上部结构412的旋转加速的指令、系统负载从“处于目标范围”发生改变、和/或蓄压器534充分充入使其不再接收动力。子模式2t将系统510从子模式2a平顺地过渡到子模式2b并由此改变(例如，连续地改变)泵/马达502的排量。泵/马达502的排量可以设定成与蓄压器534匹配，并且，当蓄压器534被完全充入时，泵/马达502的排量被设定为0。在蓄压器534正在充入时，泵/马达500的排量可以连续进行调整以向输出/输入轴536提供所需的转矩和速度。
在蓄压器534充入使其不能再接收动力时，系统控制器542将系统510自动设置成子模式2b。子模式2b保持泵/马达502设置在0排量，保持泵/马达500设置为马达，保持模式阀567设定成与动臂缸402c流体地连接，保持NFC阀545打开，保持离合器540接合，并保持定向流动控制阀525定位在中位。系统510可以保持在子模式2b直到操作员输入不再降低动臂402或使上部结构412的旋转加速的指令或者系统负载从“处于目标范围”发生变化。
系统510还可以设置成模式3(即，M3)。模式3包括动臂402被降低-超限运行和上部结构412的旋转被减速而系统负载处于目标范围。子模式3a中的蓄压器534被充分耗尽(即，被排空、低于最大容量等)以从系统510接收能量。尤其是，子模式3a中的蓄压器534被充分耗尽(即，Pacc<Phigh)以经由变换器26c和/或变换器26c从液压缸402c接收能量，变换器26c经由输出/输入轴536从摆动驱动装置直接接受轴功。子模式3a将泵/马达502设置为泵，将泵/马达500设置为马达，将模式阀567设定成与动臂缸402c流体地连接，打开NFC阀545，接合离合器540，并且将定向流量控制阀525定位至中位。系统510可以保持在子模式3a直到操作员输入不再降低动臂402或使上部结构412的旋转减速的指令、系统负载不再“处于目标范围”、和/或储液器534充分充入使其不再接收动力。
当蓄压器534接近充分充入使其不能再接收动力时，系统控制器542将系统510自动设置成子模式3t。子模式3t将泵/马达502初始设置为泵。泵/马达500仍是马达。模式阀567保持与动臂缸402c流体地连接。NFC阀545保持打开。离合器540保持接合。并且，定向流量控制阀525保持在中位。系统510可以保持在子模式3t直到操作员输入不再降低动臂402或使上部结构412的旋转减速的指令、系统负载从“处于目标范围”发生改变、和/或储液器534充分充入使其不能再接收动力。子模式3t使系统510从子模式3a平顺地过渡到子模式3b并由此改变(例如，连续地改变)泵/马达502的排量。泵/马达502的排量可以设定成与蓄压器534匹配，并且，当蓄压器534被完全充入时，泵/马达502的排量被设定成“e”，其中“e”是某个非零的值，其足以提供从液压缸402c和/或摆动驱动装置吸收能量。当蓄压器534的压力Pacc处于或接近泄压压力Prelief时，“e”的值可以很小但仍然提供足够的制动转矩。当蓄压器534被完全充入时，液压流体改为流经泄压阀535并继续流到罐518。在蓄压器534正在充入和/或液压流体流经泄压阀535时，泵/马达502的排量和/或泵/马达500的排量可以连续地进行调整以吸收输出/输入轴536所需的转矩和速度和/或从液压缸402c吸收液压能量。
在蓄压器534充入使其不能再接收动力时，系统控制器542将系统510自动设置成子模式3b。子模式3b保持泵/马达502设置为“e”排量，保持泵/马达500设置为马达，保持模式阀567设定成与动臂缸402c流体地连接，保持NFC阀545打开，保持离合器540接合，并保持定向流量控制阀525定位于中位。系统510可以保持在子模式3b直到操作员输入不再降低动臂402或使上部结构412的旋转减速的指令或者系统负载从“处于目标范围”发生变化。
作业机械上使用的常规液压线性和旋转式致动器(例如，液压缸和液压马达)典型地使用液压阀以节流方式进行控制。这个过程导致被计量的高压液压流体产生的大量能量作为热量被浪费。液压-机械变换器26c，当结合在液压挖掘机400上时实现动臂和摆动装置的能量再生及发动机负荷平衡。根据本发明的原理，用于回收动臂402和/或上部结构412的摆动装置的惯性能量的监控系统控制策略由系统控制器542执行以用于降低燃料消耗同时维持液压机械的运转方式(即，作业机械的工作特性)。动臂402和/或上部结构412的惯性能量经液压-机械变换器26c和蓄压器534被捕获并回收。
在典型的常规挖掘机中，发动机直接驱动所有的致动器(例如，动臂、斗杆、铲斗缸、和摆动马达)。发动机的功率消耗通常具有类似于图29中图表的趋势。当致动器进行高压和/或高流量作业(例如，被动升高动臂)时，需要从发动机输出高功率。提升动臂所使用的这种高能量将最终在动臂以超限运行方式下降时作为热量耗散。当摆动马达加速然后被液压制动时发生类似的能量浪费情况。
图30示出了用于液压-机械变换器系统510的相似的发动机功率消耗趋势。根据本发明的原理，液压-机械变换器26c和蓄压器534提供能量储存和释放能力以减少从发动机(即原动机514)供给的平均功率。当系统510用于平衡发动机负载时，系统510采用“平均功率”作为决策点来确定是否通过变换器26c供给能量或在蓄压器534中储存能量。当车辆400正在运行时，这种“平均功率”点随着功率变化而调整并且系统510适于满足操作员的需求。例如，如果系统的功率需求比平均发动机功率更高，从蓄压器534储存的能量将取代连接到发动机的泵512以供给(即，提供加压的液压流体)到致动器(例如，经由变换器26c的液压缸402c和/或直接致动摆动驱动装置的变换器26c)。如果系统的功率需求比平均发动机功率更低，连接到发动机的泵512开始提供能量给变换器26c并且能量被储存在蓄压器534中。负荷平衡决定也受蓄压器充入和操作员指令的影响。
在能量再生模式中，系统510在超限运行负载的情况下将流体从动臂缸402c的盖端引导到变换器26c中并将其储存在蓄压器534中。系统510可以通过供给变换器26c液压流体并且激活连接到下部结构-上部结构旋转驱动装置的离合器540来利用蓄压器压力Pacc直接驱动摆动驱动装置。当摆动驱动装置(即，下部结构-上部结构的旋转驱动装置)正在通过用变换器26c泵送液压流体返回到蓄压器534中而制动时，能量可以被储存。在极端情况下，当蓄压器压力Pacc过低时，主发动机泵512可以供给致动器直到蓄压器534具有足够的压力。目标是降低平均发动机功率消耗，并由此实现燃料节约。
操纵两个泵/马达500和/或502的排量提供了无限的变换比率和能量流动方向(例如，是否将能量储存到蓄压器534中，或从蓄压器534释放能量)。模式阀567确定变换器26c是否与主泵512输出部连接或者直接连接到动臂缸402c的动臂盖端腔室。离合器540被插在变换器26c和摆动工作装置(即，摆动驱动装置)之间。比例式泵控制阀或NFC阀545被插入以允许主动控制主泵512的排量以实现发动机的负荷平衡。动臂先导阀可以设定到中位以绕过操作员经由操纵杆提供的指令。总之，六个控制项目可以被操纵：两个泵/马达500、502的排量，模式阀567，NFC阀545，离合器540，和动臂阀525。制动装置533也可以被操纵。
取决于动臂402、摆动驱动装置的运动和发动机的输出功率，限定了包括上述那些状态的各种系统状态。为每一个模式都确定了具体的控制动作。控制动作有两个目标。其中一个目标是保证来自工作装置的功率需求。另一个目标是优化能量回收效率。因此，通过动态编程和/或其它轨迹优化技术来进行功率管理是可行的。
根据本发明的原理，系统510能够在给定模式中的各个子模式之间自动转换。如上所述，某些模式包括：蓄压器534可操作-由“a”指示，可转换-由“t”指示，或在一个方向上不可操作-由“b”表示。子模式转换条件被限定成用于实现子模式之间的平顺过渡。
在其它操作中，系统控制器542寻求首先满足来自操作员的控制输入以控制挖掘机400。系统控制器542还寻求利用储存在蓄压器534中的能量并且在来自蓄压器534的能量被消耗后寻求使蓄压器534返回到可操作的、包括本文由“a”指示的各子模式。系统控制器542还寻求捕获能量并且将能量储存在蓄压器534中。子模式的标签可以包括[a]、[b]和[t]，其分别指示蓄压器534是可操作的、不可操作的、或过渡的。
根据本发明的原理，可以限定附加模式以用于绕过上述模式和/或子模式中包括的某些特征。这样的附加模式可以用于，例如，当需要轻微移动和/或用于具有微量的能量捕获或再利用潜力的运动时。
根据本发明的原理，系统510能够在各种模式、包括旁通模式之间进行转换。模式转换条件限定成当在模式之间转换时实现平滑过渡。
现在转向图34-39，给出了示出根据本发明的原理执行混合动力作业机械的控制的一个和/或多个方法的示例流程图。在某些实施例中，图34-39中示出且下文描述的模式与上文提到的模式和子模式可能重叠、可能共存等。
图34示出了根据本发明的原理的发动机功率平衡逻辑600(例如，用于原动机514)。发动机的功率平衡逻辑程序600计算发动机(例如，原动机514的)功率并评估发动机功率以确定其是否高于“PowerHi”值、在“PowerHi”值和“PowerLow”值之间、或低于“PowerLow”值。如果发动机功率高于“PowerHi”，则发动机功率平衡逻辑600寻求从蓄压器(例如，蓄压器34，蓄压器234，蓄压器534等)请求额外的能量(即，功率)。如果发动机功率低于“PowerLow”，则发动机功率平衡逻辑600寻求对蓄压器(例如，蓄压器534)进行充入，如果需要的话。通过在控制系统(例如，控制器42，542等)中执行发动机的功率平衡逻辑600，典型工作周期中的峰值和/或低谷可以被平衡/整平，如上所述。具体地，示例发动机功率平衡逻辑流程图600开始于起点602。启动后，控制前进到计算发动机功率程序604，该程序对发动机功率(例如，实际的发动机功率)进行计算。计算出发动机功率后，控制前进到决定点606。在决定点606，在步骤604中计算出的发动机功率被测试以确定发动机功率是否高于“PowerHi”。如果此结果为“是”，控制前进到程序608，其中设定一个标志以从蓄压器(例如，蓄压器534)要求(即，请求)额外的能量(即，功率)。当完成和/或实施步骤608时，控制前进到蓄压器使用程序620。蓄压器使用程序620在图35中进一步示出。如果决定点606的结果为“否”，控制前进到决定点610。在决定点610，在步骤604中计算出的发动机功率与值“PowerLow”进行比较。如果步骤610的结果为“是”，控制前进到程序612。程序612设定一个标志以指示发动机功率可用于对蓄压器(例如，蓄压器534)进行充入。在步骤612被完成和/或实施后，控制前进到蓄压器使用程序620。如果决定点610的结果为“否”，则控制前进到步骤604。
图35示出了蓄压器使用程序620。蓄压器使用程序620测试蓄压器(例如，蓄压器534)中的蓄压器压力Pacc以查看蓄压器压力Pacc是否大于值“Phigh”，介于值“Phigh”和值“Plow”之间，或低于值“Plow”。通过借助于测量和分类蓄压器压力Pacc来确定蓄压器的状态，蓄压器的使用可以适当地被确定和/或计划。具体地，蓄压器使用逻辑620开始于起点622。启动后，控制前进到程序624，蓄压器压力Pacc在该程序中被读取。在读取蓄压器压力Pacc之后，控制前进到决定点626。在决定点626，蓄压器压力Pacc对照值“Phigh”进行测试。如果决定点626的结果为“是”，控制前进到程序628，该程序中设定了指示蓄压器(例如，蓄压器534)仅可用于释放的标志。在程序628已完成和/或已实施后，控制前进到结束点638。在决定点626的结果为“否”时，控制前进到决定点630，其中所述蓄压器压力Pacc对照值“Plow”进行测试。如果决定点630的结果为“是”，控制前进到程序632，该程序中设定了储压器(例如，蓄压器534)仅可用于充入的标志。在程序632已完成和/或已实施后，控制前进到结束点638。在决定点630的结果为“否”时，控制前进到程序634。在程序634中，设定一个指示蓄压器(例如，蓄压器534)可用于充入和/或释放的标志。程序634由程序636供给，程序636将发动机功率平衡逻辑600和/或发动机功率平衡逻辑600的结果引入程序634。在程序634已完成和/或已实施后，控制前进到终点638。
在到达终点638时，在某些示例实施例中，蓄压器使用程序620等待直到给出触发信号并且由此在起点622重新开始蓄压器使用程序620。在某些示例实施例中，每1毫秒生成一次触发点。在其他实施例中，可使用其它规则和/或不规则的触发点的间隔时间。蓄压器使用程序620通常指示是否蓄压器(例如，蓄压器534)已满且不能获得额外的能量、是空的且无法提供任何能量、或者介于满和空之间且因此能够接受能量和/或提供能量。
图36示出了程序650，该程序选择用于作业机械(例如，混合动力挖掘机400，在图24和25中示出)的操作模式。程序650在起点652开始。从起点652，控制前进到决定点654。在决定点654，确定第一致动器(例如，摆动致动器和/或摆动驱动轴537)是否静止不动。如果决定点654的结果为“是”，控制进入程序656，在该程序中离合器(例如，离合器40、离合器240、离合器540等)被分离(例如，将摆动驱动轴537与输出/输入轴536分离)并接合制动器533。在程序656已完成时，控制前进到程序700(即，仅动臂模式)。仅动臂模式700在图38中示出并可以控制动臂402。在决定点654的结果为“否”时，控制前进到决定点658，在该决定点中确定第二致动器(例如，动臂致动器402c)是否静止不动。如果决定点658的结果为“是”，控制前进到程序670(即，仅摆动模式)。仅摆动模式670在图37中示出并可以控制摆动(例如，上部结构412绕枢转轴线408的加速和减速的枢转运动)。如果决定点658的结果为“否”，则执行程序740(即，“双工作”模式)。双工作模式740在图39中示出。
因此，程序650确定摆动(例如，上部结构412绕枢轴408的枢转运动)装置是否静止不动、动臂(例如，动臂402)是否静止不动、或者摆动装置和动臂两者都不是静止不动的。通过确定摆动装置和/或动臂是否静止不动，可以相应地选择仅动臂模式、仅摆动模式、或双工作模式。
图37示出了仅摆动程序670。仅摆动程序670被简化为已经预先确定了动臂轴线(即，动臂致动器402c)基本静止不动。仅摆动程序670确定是否使用一个或多个主泵(例如，泵12，泵212，泵512等)，是否使用一个或多个蓄压器(例如，蓄压器34，蓄压器234，蓄压器534等)，或主泵(例如，泵512)和蓄压器两者均被使用和参与以向摆动致动器(例如，摆动驱动轴537)提供挖掘机功率。仅摆动程序670还检测摆动致动器是否在减速且因而提供机会来对蓄压器再生地充入。仅摆动程序670被简化为其在动臂致动器基本静止不动的预定条件下运转。
仅摆动程序670在起点672开始。在点672处开始后，控制前进到决定点674。在决定点674，对摆动致动器是否正在加速进行确定。如本文示例中使用的，正在加速指示了摆动轴408的旋转速度的绝对值正在增加。当决定点674的结果为“是”时，控制前进到决定点676，在该决定点确定蓄压器(例如，蓄压器534)是否可用于释放。通过释放蓄压器，来自蓄压器的能量可被用来移动挖掘机400的摆动轴408。当决定点676为“是”时，控制前进到决定点678。在决定点678，确定蓄压器(例如，蓄压器534)是否具有足够的压力来运行摆动致动器(例如，摆动驱动轴537)。在决定点678的结果为“是”时，控制前进到程序680，在该程序中蓄压器用于致动摆动致动器。在程序680已完成和/或已实施后，控制前进到终点690。当决定点674的结果为“否”时，控制前进到决定点682。在决定点682，确定挖掘机400的摆动轴线408是否正在减速。如本文的示例中使用的，正在减速指示了该摆动轴线408的旋转速度的绝对值正在减小。当决定点682的结果为“是”时，控制前进到程序684。在程序684中，蓄压器(例如，蓄压器534)被充入，如果适当的话。通过在步骤684充入蓄压器，能量从摆动中被捕获并输送和储存在蓄压器中。特别是，挖掘机400的惯性能量在蓄压器(例如，蓄压器534)内转换成势能。在程序684已完成和/或已实施时，控制前进到终点690。当决定点682指示“否”时，控制前进到决定点676。当决定点676指示“否”时，控制前进到程序686，在该程序中设定一个仅使用主泵(例如，泵512)来驱动挖掘机的摆动轴线的标志。一个或多个主泵由挖掘机的发动机/原动机供给动力。当程序686已完成和/或已实施时，控制前进到终点690。当决定点678为“否”时，控制前进到程序688，在该程序中设定一个在发动机(例如，原动机514)和蓄压器之间分担的能量应该用于致动摆动致动器的标志。如上所述，变换器(例如，变换器26c)可用于平衡由发动机驱动的主泵的压力和来自蓄压器的压力。所述压力可以通过设定和/或控制泵/马达500、502的旋转斜盘中的一者或两者来平衡。在程序688已完成和/或已实施时，控制前进到终点690。如上文关于图35所述，在到达终点690时，仅摆动程序670可以等待直到一个信号在起点672重新启动程序670。
图38示出了仅动臂程序700。仅动臂程序700简化为已经预先确定了摆动轴线(即，摆动致动器)基本静止不动。仅动臂程序700在起点702开始。在起点702开始后，控制前进到决定点704。在决定点704，确定动臂(例如，动臂402)是否被致动以升高(例如，克服重力移动)。在决定点704的结果为“是”时，控制前进到决定点706，在该决定点确定动臂升高请求是否导致了动臂被动升高请求。如本文示例实施例中使用的，“被动”表示消耗了能量以实现该操作。如果决定点706的结果为“是”，则控制前进到决定点708。在决定点708，确定蓄压器(例如，蓄压器534)是否可用于释放。如果决定点708的结果为“是”，则控制前进到决定点710。在决定点710，确定变换器流量和/或压力是否足以向动臂致动器(例如，动臂致动器402c)供给动力。当决定点710的结果为“是”时，控制前进到程序712，在该程序中单独使用蓄压器(例如，蓄压器534)为动臂致动器供给动力。当程序712已完成和/或已实施时，控制前进到终点722。当决定点704的结果为“否”时，控制前进到决定点714。在决定点714，确定动臂下降运动是否超限运行。如在本文的示例实施例中使用的，超限运行指示了能量回收是可能的。特别是，惯性和/或重力负载可以再生、再利用和/或作为有用的能量储存。如果决定点714的结果为“是”，则控制前进到程序716，在该程序中变换器被用于充入蓄压器，如果适当的话。当程序716已完成和/或已实施时，控制前进到终点722。当决定点706为“否”时，控制前进到程序718。在程序718，设定一个指示了应该单独使用主泵来向动臂致动器供给动力的标志。当决定点708的结果为“否”时，控制前进到程序718。当决定点710指示“否”时，控制前进到程序720，在该程序中设定一个动臂致动器应该由在主泵(由发动机驱动)和由蓄压器经变换器输送的压力和流之间分担的流量来供给动力的标志。当程序720已完成和/或已实施时，控制前进到结束点722。当决定点714为“否”时，控制前进到程序718。当程序718已完成和/或已实施时，控制前进到终点722。
图39示出了双工作模式740。当上文详细描述的摆动轴线和上文详细描述的动臂轴线两者同时移动时，实施双工作模式740。双工作模式740在起点742开始。当在起点742开始时，控制前进到决定点744，在该决定点确定摆动致动器(例如，摆动驱动轴537)是否正在加速。如果决定点744的结果为“是”，则控制前进到决定点746。在决定点746，确定动臂(例如，动臂402)是否正被要求升高。当决定点746的结果为“是”时，控制前进到决定点748。在决定点748，确定动臂的向上运动是否是被动的。当决定点748的结果为“是”时，控制前进到决定点750。在决定点750，确定蓄压器(例如，蓄压器534)是否是可用于释放。如果决定点750的结果为“是”，控制前进到决定点752。在决定点752，确定蓄压器压力是否足以用于摆动致动器的运动。当决定点752的结果为“是”时，控制前进到程序754。在程序754，确定变换器的流量通过能力。蓄压器的评估可以是计算所述变换器流量能力的一部分。当程序754已被执行时，控制前进到决定点756。在决定点756，确定变换器流量是否足以用于动臂致动。如果决定点756的结果为“是”，控制前进到程序758(参看图31)。在程序758，设定一个使用变换器(例如，变换器26c)以用于致动动臂和摆动装置两者的标志。
当决定点744的结果为“否”时，控制前进到决定点760。在决定点760，确定摆动装置是否正在减速。如果决定点760的结果为“是”，则控制前进到决定点762，在该决定点确定动臂是否被要求升高。当决定点762的结果为“是”时，控制前进到决定点764，在该决定点确定动臂的向上移动是否是被动的。当决定点764的结果为“是”时，控制前进到程序766。在程序766，计算变换器的流量能力。变换器流量能力的计算可以包括评估蓄压器压力。当已执行程序766时，控制前进到决定点768。在决定点768，确定变换器流量是否足以驱动动臂致动器。当决定点768的结果为“是”时，控制前进到程序770(参看图31)。在程序770，设定一个指示了变换器应该用于动臂和摆动装置两者的移动的标志。
当决定点746的结果为“否”时，控制被转移到决定点772。在决定点772，确定是否发生了超限运行的动臂向下运动。当决定点772指示“是”时，控制被转移到决定点774。在决定点774，确定动臂是否产生足够的压力和/或流量来驱动摆动致动器。在决定点774的结果为“是”时，控制被转移到决定点776。在决定点776，确定蓄压器是否可用于释放。如果决定点776的结果为“是”，则控制被转移到决定点778。在决定点778，确定组合的蓄压器和动臂压力是否足以驱动摆动致动器。如果决定点778的结果为“是”，则控制被转移到程序780(参看图42)。在程序780，设定一个标志，其指示了摆动运动应该由在动臂向下的流和蓄压器流之间分担的能量产生。还设定一个标志，其指示动臂运动应该由在定向控制阀(？？)和变换器(例如，变换器26c)之间分担的流来产生。在程序780已执行后，控制被转移到终点790。
当决定点750的结果为“否”时，控制被转移到程序782(参看图33)。在程序782，设定一个标志，其指示了发动机(例如，由发动机514驱动的主泵512)应该用于驱动摆动致动器(例如，驱动摆动驱动轴537的变换器26c)和动臂致动器(例如，动臂致动器402c)两者。在程序782已执行时，控制被转移到终点790。当决定点752的结果为“否”时，控制被转移到程序784(参看图40)。在程序784，设定一个标志，其指示了摆动运动应该由在通过发动机驱动的主泵和通过蓄压器(例如，蓄压器534)驱动的变换器之间分担的流来产生。还设定一个标志，其指示了动臂运动应该由通过发动机驱动的主泵来供给动力。当程序784已执行时，控制被转移到终点790。当程序756的结果为“否”时，控制被转移到程序786(参看图32)。程序786设置一个标志，其指示了摆动运动应该由变换器独自产生。程序786还设置一个标志，其指示了动臂运动应该由在定向控制阀和变换器之间分担的流来产生。当程序786已执行时，控制前进到端点790。当决定点776的结果为“否”时，控制被转移到程序782。当程序782已执行时，控制被转移到终点790。当决定点778的结果为“否”时，控制被转移到程序782。当程序782已执行时，控制被转移到终点790。当决定点748的结果为“否”时，控制被转移到程序670A。
在程序670A，动臂致动器由主泵驱动，主泵由发动机单独供给动力。此外，程序670A将控制摆动致动器的逻辑切换到仅摆动模式670的逻辑，如图37所示。当决定点772的结果为“否”时，控制被转移到程序670A。在决定点768的结果为“否”时，控制被转移到程序786。当程序786已执行时，控制被转移到终点790。当决定点762的结果为“否”时，控制被转移到决定点788。在决定点788，确定动臂向下运动是否超限运行。当决定点788的结果为“是”时，控制被转移到程序766。当程序788为“否”时，控制被转移到程序670A。当决定点764的结果为“否”时，控制被转移到程序670A。
现在转向图40-43，示出了系统510的附加的构型。这些附加的构型是示例性的构型。系统510的其它构型也是可能的。具体地，图40示出了一个构型，其中来自发动机514的发动机能量为动臂缸402c供给动力，并且其中来自发动机514的发动机能量和来自蓄压器534的蓄压器能量为摆动驱动轴537供给动力(经由变换器26c)。图41示出了一个构型，其中来自发动机514的发动机能量为动臂缸402c供给动力，并且其中来自发动机514的发动机能量和摆动减速能量对蓄压器534进行充入。图42示出了一个构型，其中主泵512向动臂缸402c供给流量，以及动臂402以超限运行状态向下行进。可替代地，流量可以经由比例阀417供给到动臂缸402c。图42可进一步说明动臂能量经由变换器26c被传递到蓄压器和/或摆动装置。来自动臂402的能量进而可以用于充入蓄压器534和/或辅助摆动驱动轴537加速。来自动臂402的能量可以在安全阀535处进一步耗散，如果需要的话。图43示出了一个构型，其中来自发动机514的发动机能量为动臂缸402c供给动力，并且其中来自发动机514的发动机能量经由变换器26c充入蓄压器534。
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 (27)

1.一种在混合动力作业机械中传递动力的方法，该方法包括：
确定发动机的发动机功率；
确定蓄压器的蓄压器压力；
确定传向/来自第一作业机械构件的第一目标动力流；
确定传向/来自第二作业机械构件的第二目标动力流；
如果所述第二目标动力流为零，将操作模式设定为第一模式；
如果所述第一目标动力流为零，将操作模式设定为第二模式；
如果所述第一目标动力流和第二目标动力流都为非零，将操作模式设定为第三模式；
当蓄压器压力低于第一阈值并且操作模式设定在第一模式并且蓄压器可用于排放时，来自机械连接到发动机的主泵的动力流和来自流体连接到蓄压器的变换器的动力流的总和形成第一动力流；
当蓄压器压力高于第一阈值并且操作模式设定在第一模式时，从变换器供给第一动力流；
当操作模式设定在第一模式并且蓄压器不可用于排放时，从主泵供给第一动力流；
当蓄压器压力低于第二阈值并且操作模式设定在第二模式并且蓄压器可用于排放时，来自主泵的动力流和来自变换器的动力流的总和形成第二动力流；
当蓄压器压力高于第二阈值并且操作模式设定在第二模式时，从变换器供给第二动力流；以及
当操作模式设定在第二模式并且蓄压器不可用于排放时，从主泵供给第二动力流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括当蓄压器压力低于第三阈值并且操作模式设定在第三模式时，来自主泵的动力流和来自变换器的动力流的总和形成第一动力流，从而向第一作业机械构件供给动力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二作业机械构件由机械连接到发动机的主泵供给动力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合动力作业机械是挖掘机，所述第一作业机械构件是摆动致动器，并且所述第二作业机械构件是动臂致动器。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括当蓄压器可用于充入并且第一作业机械构件正在接收机械动力时，从第一作业机械构件向变换器供给第一动力流并且因此对蓄压器进行充入。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一动力流通过轴直接供给到所述变换器。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括当蓄压器可用于充入并且第二作业机械构件正在接收机械动力时，从第二作业机械构件向变换器供给第二动力流并因此对蓄压器进行充入。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二动力流通过流体管路流体地供给到变换器。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括当操作模式设定在第三模式时，经由变换器从第二作业机械构件向第一作业机械构件/从第一作业机械构件向第二作业机械构件供给第三动力流。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括当操作模式设定在第三模式时，来自第二作业机械构件的动力流和来自蓄压器的动力流的总和形成供给到第一作业机械构件的第三动力流。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括当操作模式设定在第三模式时，来自发动机的动力流和来自蓄压器的动力流的总和形成供给到第一作业机械构件的第三动力流。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括当操作模式设定在第三模式时，来自主泵的动力流和来自蓄压器的动力流的总和形成供给到第二作业机械构件的第三动力流。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括当蓄压器可用于充入并且第二作业机械构件正在接收机械动力时，来自第二作业机械构件的动力流和来自主泵的动力流的总和形成供给到蓄压器的第三动力流从而对蓄压器进行充入。
14.一种在混合动力作业机械中传递动力的方法，该方法包括：
确定发动机的发动机功率；
确定蓄压器的蓄压器压力；
确定传向/来自作业机械构件的目标动力流；
当蓄压器压力低于一阈值，蓄压器可用于排放，并且目标动力流传向作业机械构件时，来自机械连接到发动机的主泵的动力流和来自流体连接到蓄压器的变换器的动力流的总和形成供给到作业机械构件的动力流；
当蓄压器压力高于所述阈值并且目标动力流传向作业机械构件时，从变换器向作业机械构件供给动力流，以及
当蓄压器不可用于排放并且目标动力流传向作业机械构件时，从主泵向作业机械构件供给动力流。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述混合动力作业机械是挖掘机，所述作业机械构件是摆动致动器或动臂致动器。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述变换器和所述作业机械构件通过动力传递轴机械地连接。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括当蓄压器可用于充入并且目标动力流来自作业机械构件时，从作业机械构件向变换器供给动力流并因此对蓄压器进行充入。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，当蓄压器可用于充入并且目标动力流来自作业机械构件时，通过动力传递轴从作业机械构件向变换器直接供给动力流。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，当蓄压器可用于充入并且目标动力流来自作业机械构件时，通过流体管路向变换器流体地供给动力流。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述阈值是可变的阈值。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述阈值是在确定蓄压器是否可用于排放之前被确定。
22.一种在混合动力挖掘机中传递动力的方法，该方法包括：
确定发动机的发动机功率；
确定蓄压器的蓄压器压力；
确定传向/来自摆动致动器的摆动装置目标动力流；
确定传向/来自动臂致动器的动臂目标动力流；
确定变换器的变换器流量通过能力；
当动臂致动器正在超限运行并向下移动，蓄压器可用于排放，并且来自动臂致动器的动臂目标动力流高于一阈值时，来自动臂致动器的动力流和来自蓄压器的动力流的总和形成供给到摆动致动器的第一动力流；以及
当摆动致动器正在减速，蓄压器可用于排放，并且来自摆动致动器的摆动目标动力流高于一阈值时，来自摆动致动器的动力流和来自蓄压器的动力流形成供给到动臂致动器的第二动力流。
23.一种在混合动力作业机械中传递动力的方法，该方法包括：
确定蓄压器的蓄压器压力；
确定传向/来自作业机械构件的目标动力流；
当第二动力源的可用能量低于一阈值，并且目标动力流传向作业机械构件时，来自第一动力源的动力流和来自第二动力源的动力流的总和形成供给到作业机械构件的动力流；
当第二动力源的可用能量高于所述阈值并且目标动力流传向作业机械构件时，从第二动力源向作业机械构件供给动力流；以及
当第二动力源没有可用能量并且目标动力流传向作业机械构件时，从第一动力源向作业机械构件供给动力流。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括确定发动机的发动机功率，
其中，所述第一动力源是机械连接到发动机的主泵，并且其中，至少当蓄压器有可用能量时，所述第二动力源是流体连接到蓄压器的变换器。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括确定发动机的发动机功率，其中，所述作业机械构件是第一作业机械构件，所述第一动力源是机械连接到发动机的主泵，并且其中，至少当第二作业机械构件有可用能量时，所述第二动力源是流体连接到第二作业机械构件的变换器。
26.根据权利要求23所述的方法，还包括确定传向/来自第二作业机械构件的目标动力流；其中，所述作业机械构件是第一作业机械构件，所述第一动力源是第二作业机械构件，并且其中，至少当蓄压器有可用能量时，所述第二动力源是流体连接到蓄压器的变换器。
27.一种在混合动力作业机械中传递动力的方法，该方法包括：
确定发动机的发动机功率；
确定蓄压器的蓄压器压力；
确定传向/来自作业机械构件的目标动力流；
当蓄压器压力低于一阈值，蓄压器可用于充入，并且目标动力流来自作业机械构件时，来自机械连接到发动机的主泵的动力流和来自机械连接到作业机械构件的变换器的动力流的总和形成供给到蓄压器的动力流；
当蓄压器压力高于所述阈值，蓄压器可用于充入，并且目标动力流来自作业机械构件时，从机械连接到作业机械构件的变换器向蓄压器供给动力流；以及
当作业机械构件没有可用能量时，从流体连接到主泵的变换器向蓄压器供给动力流。
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