CN113874585B - 控制可旋转负载的方法、液压系统和作业机械 - Google Patents

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Abstract

一种通过液压系统(12)控制可旋转负载(22、24)的方法，该方法包括：判定(S1)液压系统(12)是处于第一运行状态还是处于第二运行状态；如果液压系统(12)处于第一运行状态，则在阀控制模式下控制(S2)可旋转负载(22、24)，该阀控制模式包括通过控制阀装置(68)来控制可旋转负载(22、24)；如果液压系统(12)处于第二运行状态，则在排量控制模式下控制(S3)可旋转负载(22、24)，该排量控制模式包括主要通过控制液压机(60、62)的排量(90)来控制可旋转负载(22、24)；以及至少在阀控制模式下将非零绝对最小排量限制(86)应用到液压机(60、62)。

Description

控制可旋转负载的方法、液压系统和作业机械
技术领域
本发明涉及一种通过液压系统控制可旋转负载的方法、一种用于控制可旋转负载的液压系统以及一种作业机械。
本发明适用于工业建筑机械、物料搬运机械或建筑设备领域内的特别是轮式装载机和挖掘机的作业机械的液压系统。尽管将针对挖掘机来描述本发明，但本发明不限于这种特定机械，而是可以用于包括具有高压侧和低压侧的液压系统的任何作业机械，例如轮式装载机、铰接式或刚性运输车和反铲装载机。
背景技术
液压系统的应用范围很广。例如，作业机械通常依靠液压系统来为搬运负载提供动力。用于作业机械的液压系统可以包括各种液压致动器，例如液压缸和旋转液压机。液压缸可以例如设置在包括斗杆和铲斗的作业装置中。旋转液压机可以例如用于推进作业机械和/或用于挖掘机的回转功能。液压混合动力系统可以用于从液压致动器中回收能量，并且稍后使用该能量来减少内燃机的负载。
包括专用高压侧和专用低压侧的液压系统可以被称为双压液压系统，并且在此之前是已知的。双压液压系统通常包括连接到高压侧的一个或多个高压蓄能器以及连接到低压侧的一个或多个低压蓄能器。与双压液压系统相关的优点例如是提高的能量效率和可控性。
US 2013098011A1公开了一种液压系统，该液压系统具有：第一回路，该第一回路以闭环方式将第一泵流体连接到回转马达；以及第二回路，该第二回路将第二泵以并联闭环方式流体连接到第一行走马达和第一线性工具致动器。该液压系统也可以具有组合阀，该组合阀被构造成将第一回路选择性地流体连接到第二回路。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种控制液压系统的可旋转负载的方法，该方法是节能的、准确的、简单的和/或便宜的并且能够实现节能的、简单的和/或便宜的液压系统。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种控制可旋转负载的方法来实现。该方法在液压系统中执行，该液压系统包括：高压侧；低压侧；可变排量液压机，该可变排量液压机用于旋转地驱动可旋转负载；以及阀装置，该阀装置与高压侧、低压侧、液压机的第一侧和液压机的第二侧流体连通。该方法包括：判定液压系统是处于第一运行状态还是第二运行状态，该判定至少基于液压机的命令旋转速度或实际旋转速度、液压机的命令扭矩或实际扭矩、和/或液压机的命令功率或实际功率中的一项；如果液压系统处于第一运行状态，则在阀控制模式下控制可旋转负载，该阀控制模式包括通过控制阀装置来控制可旋转负载；如果液压系统处于第二运行状态，则在排量控制模式下控制可旋转负载，该排量控制模式包括主要通过控制液压机的排量来控制可旋转负载；以及至少在阀控制模式下对液压机应用非零绝对最小排量限制。
该方法能够使用相对便宜的二象限液压机代替相对昂贵的四象限液压机。然而，也可以用四象限液压机执行该方法。
在液压机的高旋转速度、高功率运行和/或高扭矩运行下，如果通过控制阀装置在很大程度上控制可旋转负载，则阀装置上的能量损失可能相对较高。因此在排量控制模式下可以减小或消除对阀装置的节流。因此，减小或消除了阀装置上的能量损失。然而，在阀控制模式下，即在液压机的低旋转速度、低功率运行和/或低扭矩运行时，阀装置上的能量损失相对较低。
如果在高压侧/低压侧与液压机之间没有阀装置的双压液压系统中使用超中心四象限液压机，仅通过排量控制可能难以控制启动时的可旋转负载，例如由于液压机和可旋转负载之间的机械间隙(例如在中间齿轮箱中)。因而在液压机不产生任何实质扭矩的情况下，最初可以“在间隙内”增加排量，直到随着齿隙被消除，液压机“撞击”被驱动部分。
此外，如果在高压侧/低压侧与液压机之间没有阀装置的双压液压系统中使用超中心四象限液压机，则在启动时需要将液压机定位在零排量以便不产生扭矩。相反，在根据本发明的方法的控制下启动液压系统期间，液压机的排量可以是任意的(例如100％)，这是因为阀控制模式将在启动期间激活。通过该阀控制模式，在启动时在阀装置上可以有主压降。
相反，根据本发明的方法还能够通过阀装置在液压机的任意排量的情况下停止可旋转负载。相比而言，对于在高压侧/低压侧与液压机之间没有阀装置的双压液压系统中使用的超中心四象限液压机，当可旋转负载停止时，液压机的排量需要为零。
阀控制模式包括通过控制经过阀装置的流量来控制可旋转负载。因此，在阀控制模式下，阀装置用于控制可旋转负载。在阀控制模式下，因此可以说阀装置作为流动源运行。尽管阀控制模式包括通过控制阀装置来控制可旋转负载，但是阀控制模式也可以包括通过控制液压机的排量来控制可旋转负载。例如，在阀控制模式下，液压机上的压降可以构成高压侧和低压侧之间压差的高达50％。在阀控制模式下，液压机的排量可以是恒定的，也可以是可变的。
在排量控制模式下，一旦通过阀装置从高压侧到第一侧/第二侧建立流体连通的情况下，第一侧/第二侧的压力可以是高压侧压力的至少60％，例如至少75％，例如至少90％。替代地或另外，在排量控制模式下，液压机上的压降可以构成高压侧和低压侧之间的压差的至少60％，例如至少70％，例如至少80％。这样，主要是通过控制液压机的排量来控制可旋转负载。
在排量控制模式下，可以控制阀装置以在液压机上提供最大压降。因此，可以通过控制排量来达到液压机请求的扭矩，例如基于反馈回路中的误差信号。排量控制模式可以包括对液压机的二次控制。
根据一个示例，可旋转负载通过仅在排量控制模式下控制液压机的排量来控制，例如同时保持阀装置的每个阀的开口面积恒定。从而可以说阀装置在排量控制模式下作为压力源运行。例如，在排量控制模式下，阀装置的每个阀可以完全打开或尽可能多地打开，以便在阀装置上建立尽可能小的压降。在阀控制模式下，可以通过控制阀装置和液压机的排量来控制可旋转负载。因此，阀控制模式可以包括阀装置和液压机的排量的融合或混合控制。
在阀控制模式下，第一侧的压力和第二侧的压力可以说是耦合到可旋转负载。在排量控制模式下，可以说第一侧的压力和第二侧的压力与可旋转负载分离。
非零绝对最小排量限制可以是例如5％至100％，例如10％。如果液压机具有-100％至0％的可变排量，则排量限制可以设置为-10％。在这种情况下，绝对最小排量限制为10％。排量限制或不同的非零绝对最小排量限制也可以应用于或可以不应用于排量控制模式。
非零绝对最小排量限制可以由软件应用，例如由本文所述的控制系统应用。或者，非零绝对最小排量限制可以由硬件应用，例如通过使用具有内置最小排量的不可逆液压机来应用。
作为进一步的示例，非零绝对最小排量限制可以是100％。因此，在第一运行状态下，即在低旋转速度、低功率运行和/或低扭矩运行下，液压机被迫达到最大排量。
在液压系统的运行期间，高压侧的高压高于低压侧的低压。高压侧的压力和低压侧的压力不限于任何特定的压力值。相反，术语“高压”和“低压”表示这些压力水平不同并且高压高于低压。高压侧的压力水平和低压侧的压力水平根据每种配置进行选择。在液压系统的运行过程中，高压侧和低压侧的压力水平可能会发生变化。
高压侧可以称为初级侧或初级液压动力源，其被布置成产生和接收处于第一压力水平的体积流量，而低压侧可以称为次级侧或次级液压动力源，其被布置成在低于第一压力水平的第二压力水平下产生和接收体积流量。
根据一个实施例，阀控制模式下的排量限制和/或阀控制模式下液压机的排量至少为60％，例如至少80％，例如100％。例如，如果在阀控制模式下将排量限制设置为80％，则排量可以保持恒定在80％和100％之间的任何值，或者可以在80％和100％之间变化。在该实施例中，可以仅基于液压机的命令旋转速度或实际旋转速度、液压机的命令扭矩或实际扭矩、和/或液压机的命令功率或实际功率中的一项来判定液压系统是处于第一运行状态还是处于第二运行状态。在该实施例中，如本文所述，不需要为了决定液压系统是处于第一运行状态还是第二运行状态而判定所需排量。然而，在排量控制模式下，仍然可以判定和使用所需排量。在该实施例中，在阀控制模式下，液压机的排量可以是恒定的。
此外，该实施例可以包括阀控制模式和排量控制模式之间的逐步过渡。例如，当液压机的旋转速度增加到超过第二速度阈值(例如，300转/分)时，可以判定液压系统进入第二运行状态，将阀控制模式逐步切换到排量控制模式，例如在300毫秒的时间段内。在排量控制模式下，可以保持、减小或消除排量限制。当液压机的旋转速度下降到比第二速度阈值低的第一速度阈值(例如，200转/分)以下时，可以判定液压系统再次进入第一运行状态，而切换排量控制模式逐步进入阀控制模式，例如在300毫秒的时间段内。
根据一个实施例，该方法还包括：至少当液压机的旋转速度低于第一速度阈值时，当液压机的功率低于第一功率阈值时，和/或当液压机的扭矩低于第一扭矩阈值时，对液压机应用排量限制；基于液压机的命令和液压机上的压降来确定液压机的所需排量；如果所需排量小于液压机的排量限制，则判定液压系统处于第一运行状态；如果所需排量大于液压机的排量限制，则判定液压系统处于第二运行状态。
根据该实施例的方法可替代地被定义为：至少当液压机的旋转速度低于第一速度阈值时、当液压机的功率为低于第一功率阈值和/或当液压机的扭矩低于第一扭矩阈值时对液压机应用非零绝对最小排量限制；基于液压机的命令和液压机上的压降来确定液压机的所需排量；如果所需排量小于液压机的排量限制，则通过控制阀装置来控制可旋转负载；以及如果所需排量大于液压机的排量限制，则主要通过控制液压机的排量来控制可旋转负载。
贯穿本公开，通过控制阀装置来控制可旋转负载可以被称为“阀控制模式”，而主要通过控制液压机的排量来控制可旋转负载可以被称为“排量控制模式”。阀控制模式和排量控制模式之间的切换可以通过所需排量和排量限制之间的连续或重复比较来进行。例如，在非零绝对最小排量限制为10％的情况下，当所需排量低于10％时，应用阀控制，而当所需排量高于10％时，应用排量控制。
所需排量例如可以基于液压机上的压降和(例如，在如本文所述的控制系统中实施的)反馈回路中到液压机的扭矩命令来计算。替代扭矩命令，可替代地使用对液压机的旋转速度命令或对液压机的旋转加速度命令。液压机上的压降可以是第一侧的压力和第二侧的压力之间的差。液压机上的压降可以例如通过第一侧处的和第二侧处的压力传感器直接计算。或者，液压机上的压降可以例如基于高压侧的高压、低压侧的低压和阀装置上的压降和/或基于第一侧的参考压力和第二侧的参考压力之差来间接计算。作为另一种选择，为了计算所需排量，液压机上的压降可以近似为高压侧的高压和低压侧的低压之间的压差即，通过忽略另外的压降，例如阀装置上的压降。换句话说，为了计算所需排量，可以在液压机上使用所期望的或可能的最大压降。
第一速度阈值、第一功率阈值和第一扭矩阈值中的每一个都可以是恒定的或可变的。例如，第一速度阈值、第一功率阈值和/或第一扭矩阈值可以根据液压机上的负载状况而变化。在液压系统用于作业机械的情况下，第一速度阈值、第一功率阈值和/或第一扭矩阈值可以例如取决于作业机械行进的斜坡的角度。在使用恒定的第一速度阈值的情况下，这可以例如是20-250rpm/min，如50-200rpm/min。
根据一个实施例，该方法还包括：当液压机的旋转速度在大于或等于第一速度阈值的第二速度阈值之上时，当液压机的功率在大于或等于第一功率阈值的第二功率阈值之上时和/或当液压机的扭矩在大于或等于第一扭矩阈值的第二扭矩阈值之上时，降低或消除液压机的排量限制，或保持液压机的恒定排量限制。例如，在旋转速度低于第一速度阈值时，排量限制可以是10％，在旋转速度高于第一速度阈值时，排量限制可以减小，并且在旋转速度高于第二速度阈值时，排量限制可以是2％。从而允许液压机以更高的旋转速度、更高的功率和/或更高的扭矩向下冲刷。因此，在高速度/高功率/高扭矩运行时，减少了阀装置上的压力损失。
第二速度阈值、第二功率阈值和第二扭矩阈值中的每一个都可以是恒定的。根据一个示例，第一速度阈值是200rpm，而第二速度阈值是500rpm。或者，第二速度阈值、第二功率阈值和第二扭矩阈值中的每一个都可以是可变的。例如，第二速度阈值、第二功率阈值和/或第二扭矩阈值可以根据液压机上的负载状况而变化。然而，第二速度阈值总是等于或大于第一速度阈值，第二功率阈值总是等于或大于第一功率阈值，而第二扭矩阈值总是等于或大于第一扭矩阈值。
根据一个实施例，该方法还包括：当液压机的旋转速度从第一速度阈值增加时，当液压机的功率从第一功率阈值增加时，和/或当液压机的扭矩从第一扭矩阈值增加时，逐渐减小液压机的排量限制。排量限制可以逐渐减少到零。替代地，排量可以逐渐减小，直到达到第二速度阈值、第二功率阈值和/或第二扭矩阈值。
根据一个实施例，该方法还包括基于高压侧和低压侧之间的压差来确定液压机上的压降。液压机上的压降例如可以被确定为高压侧和低压侧之间的压差减去阀装置上的压降。可以测量、计算或估计阀装置上的压降。
根据一个实施例，至少在液压系统的稳态运行期间，第一侧和第二侧之间的压差在阀控制模式下比在排量控制模式下小。这是在阀控制模式下比在排量控制模式下更大程度地控制阀装置的结果，例如在阀装置上具有更高的压降。换言之，与主要通过控制液压机的排量来控制可旋转负载时相比，当通过控制阀装置来控制可旋转负载时，第一侧和第二侧之间的压差更小。因此，阀装置上的总压降(例如从高压侧到低压侧)在阀控制模式下比在排量控制模式下更大。然而，对于液压系统的短时间非稳态运行，例如在短时间减速期间，第一侧和第二侧之间的压差在阀控制模式下可能比在排量控制模式下大。
根据一个实施例，该方法还包括通过阀装置将高压侧和第一侧之间的流体连通切换为高压侧和第二侧之间的流体连通。因此，液压机的加压侧可以通过阀装置来切换。例如，当将液压机作为马达驱动并且通过阀装置从高压侧向第一侧和从第二侧向低压侧供应流体时，液压机的制动作用可以通过将高压侧切换到第二侧并且将第一侧切换到低压侧来启动。然后，液压机将开始作为泵运行，将液压流体泵送到高压侧以在可旋转负载减速时回收能量。这种切换可以在阀控制模式和排量控制模式下进行。
根据一个实施例，在排量控制模式下通过控制液压机的排量来完全控制可旋转负载。例如，如果所需排量大于液压机的排量限制，则可以通过控制液压机的排量来完全控制可旋转负载。即，在排量控制模式下，阀装置的每个阀都可以保持静止(优选处于最大打开位置)，以减少阀装置上的压力损失。
根据一个实施例，该方法还包括在排量控制模式下通过闭环控制来控制液压机的排量。例如，当所需排量大于液压机的排量限制时，可以使用液压机的闭环控制。
根据一个实施例，对可旋转负载的控制包括控制可旋转负载的扭矩、旋转位置、旋转速度和旋转加速度之一。例如，为了控制可旋转负载的扭矩，可以控制液压机上的压降和/或排量。
根据一个实施例，该液压机是用作泵和马达的二象限液压机。这种液压机可替代地被称为正排量液压机或不可逆的二象限液压机，例如具有0％至100％的排量。相比之下，超中心液压机是可逆的，例如具有-100％到100％的排量。不可逆液压机的排量不能过零位，而可逆液压机的排量可以过零位。
根据第二方面，该目的通过一种用于控制可旋转负载的液压系统来实现。该液压系统包括：高压侧；低压侧；可变排量液压机，该可变排量液压机用于旋转地驱动可旋转负载；以及阀装置，该阀装置与高压侧、低压侧、液压机的第一侧和液压机的第二侧流体连通。该液压系统还包括控制系统，该控制系统被配置为：判定液压系统是处于第一运行状态还是第二运行状态，该判定至少基于液压机的命令旋转速度或实际旋转速度、液压机的命令扭矩或实际扭矩、和/或液压机的命令功率或实际功率中的至少一项；如果液压系统处于第一运行状态，则在阀控制模式下控制可旋转负载，该阀控制模式包括通过控制阀装置来控制可旋转负载；如果液压系统处于第二运行状态，则在排量控制模式下控制可旋转负载，该排量控制模式包括主要通过控制液压机的排量来控制可旋转负载；以及至少在阀控制模式下对液压机应用非零绝对最小排量限制。
由于液压系统包括高压侧和低压侧，因此该液压系统形成双压系统。该液压系统可以是共压轨液压系统。
根据一个实施例，阀控制模式下的排量限制和/或阀控制模式下液压机的排量至少为60％，例如至少80％，例如100％。
根据一个实施例，该控制系统被配置为：至少当液压机的旋转速度低于第一速度阈值时，当液压机的功率低于第一功率阈值时，和/或当液压机的扭矩低于第一扭矩阈值时，将排量限制应用到液压机；基于液压机的命令和液压机上的压降确定液压机的所需排量；以及，如果所需排量小于液压机的排量限制，则判定液压系统处于第一运行状态；而如果所需排量大于液压机的排量限制，则判定液压系统处于第二运行状态。
根据该实施例的控制系统可替代地被定义配置为：至少当液压机的旋转速度低于第一速度阈值时，当液压机的功率低于第一功率阈值和/或当液压机的扭矩低于第一扭矩阈值时，将非零绝对最小排量限制应用到液压机；基于液压机的命令和液压机上的压降确定液压机的所需排量；如果所需排量小于液压机的排量限制，则通过控制阀装置来控制可旋转负载；而如果所需排量大于液压机的排量限制，则主要通过控制液压机的排量来控制可旋转负载。
根据一个实施例，该控制系统被配置为：当液压机的旋转速度在大于或等于第一速度阈值的第二速度阈值之上时，当液压机的功率在大于或等于第一功率阈值的第二功率阈值之上时，和/或当液压机的扭矩在大于或等于第一扭矩阈值的第二扭矩阈值之上时，配置或消除液压机的排量限制，或保持液压机的恒定排量限制。
根据一个实施例，该控制系统被配置为：当液压机的旋转速度从第一速度阈值增加时，当液压机的功率从第一功率阈值增加时，和/或当液压机的扭矩从第一扭矩阈值增加时，逐渐减小液压机的排量限制。
根据一个实施例，该控制系统被配置为基于高压侧和低压侧之间的压差确定液压机上的压降。
根据一个实施例，该控制系统被配置为控制所述阀装置，以将高压侧和第一侧之间的流体连通切换为高压侧和第二侧之间的流体连通。
根据一个实施例，该控制系统被配置为在排量控制模式下通过控制液压机的排量来完全控制可旋转负载。例如，如果所需排量大于液压机的排量限制，则该控制系统可以被配置为完全通过控制液压机的排量来控制可旋转负载。
根据一个实施例，该控制系统被配置为在排量控制模式下通过闭环控制来控制液压机的排量。例如，当所需排量大于液压机的排量限制时，该控制系统可以被配置为通过闭环控制来控制液压机的排量。
根据一个实施例，对可旋转负载的控制包括控制可旋转负载的扭矩、旋转位置、旋转速度和旋转加速度之一。
根据一个实施例，所述阀装置包括至少一个阀，该阀具有至少两个可变位置，从而建立至少两个不同的开口面积。通过改变开口面积，至少一个阀可以控制通过其的流量。通过较小开口面积的压降高于通过较大开口面积的压降。
根据一个实施例，液压机是用作泵和马达的二象限液压机。由于第一侧可以连接到高压侧并且第二侧可以连接低压侧(或反过来)，通过所述阀装置，液压系统提供了与四象限相同的功能液压机，而只需要更便宜的二象限液压机。
根据一个实施例，在液压系统的运行期间，高压侧的压力在50巴以上变化，而低压侧的压力在50巴以下变化。例如，在液压系统运行期间，高压侧的压力可以在51-500巴之间变化，例如在200-350巴之间，而低压侧的压力可以在1-50巴之间变化，例如在15-30巴之间。因此，高压可以保持在高压区间内，而低压可以保持在低压区间内，并且在高压区间和低压区间之间没有重叠。
根据一个实施例，该液压系统还包括被布置成对高压侧加压的主泵。主泵可以包括连接到高压侧的一个端口和连接到低压侧的一个端口。
根据一个实施例，该液压系统还包括连接到高压侧的至少一个高压液压储能部和/或连接到低压侧的至少一个低压液压储能部。高压液压储能部和/或低压液压储能部可以包括液压蓄能器。
本发明还涉及一种包括根据本发明的液压系统的作业机械。
在以下描述中公开了本发明的其它优点和有利特征。
附图说明
参考附图，以下是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
在这些图中：
图1是包括根据本发明的液压系统的根据本发明的作业机械的示意图，
图2是液压系统的框图，
图3是图2中的液压系统的局部放大图，
图4是图2中的液压系统的局部放大图，示出了阀装置的一个示例，
图5是图2中的液压系统的局部放大图，示出了阀装置的另一个示例，
图6是概述根据本发明的方法的一般步骤的流程图，
图7是示出了作为液压机的旋转速度的函数的排量限制的一个示例的图，并且
图8是示出了作为液压机的旋转速度的函数的排量限制的另一个说明性示例的图。
具体实施方式
在下文中，将描述一种通过液压系统控制可旋转负载的方法、一种用于控制可旋转负载的液压系统以及一种作业机械。相同的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。
图1是根据本发明的作业机械10的示意图。作业机械10包括根据本发明的液压系统12。在图1中，作业机械10被例示为挖掘机。
作业机械10包括上部回转结构14、下部行走结构16和作业装置18。作业机械10还包括：驾驶室20，其在上部回转结构14中；和回转马达形式的可旋转负载22，其位于上部回转结构14和下部行走结构16之间。下部行走结构16包括呈行走马达形式的两个可旋转负载24(图1中仅可见一个)，用于驱动相应的履带行走装置。
作业装置18包括动臂26、斗杆28和铲斗30。作业装置18还包括两个动臂缸32(图1中仅可见一个)、斗杆缸34和铲斗缸36。动臂缸32在上部回转结构14和动臂26之间运行。斗杆缸34在动臂26和斗杆28之间运行。铲斗缸36在斗杆28和铲斗30之间运行。
图2是根据本发明实施例的图1中的液压系统12的框图。液压系统12包括高压侧38和低压侧40。
在图2的示例中，高压侧38和低压侧40布置在共压轨(CPR)架构中。高压侧38包括高压轨，而低压侧40包括低压轨。高压侧38和低压侧40可以替代地分别称为高压回路和低压回路。高压侧38和低压侧40形成包括处于不同压力水平的两个充注回路(高压侧38和低压侧40)的双压系统。液压系统12因此包括专用的高压侧38和专用的低压侧40。双压液压系统12不同于负载传感液压系统，其中压力在很大程度上取决于负载调节，即阻力控制。
在液压系统12的运行期间，高压侧38的压力高于低压侧40的压力。这些压力水平在液压系统12的运行过程中可能会有所变化，同时高压侧38的压力高于低压侧40的压力。在液压系统12的运行期间，高压侧38的高压例如可以是200-350巴±10％，例如250巴±10％。在液压系统12的运行期间，低压侧40的低压可以例如是15-30巴±10％。当动臂26处于低位置时，高压侧38的高压可以例如是330巴，而当动臂26处于高位置时，高压侧38的高压可以例如是200巴。
液压系统12还包括高压液压储能部42和低压液压储能部44。高压液压储能部42连接到高压侧38，而低压液压储能部44连接到低压侧40。在图2中，高压液压储能部42和低压液压储能部44中的每一个都被例示为蓄能器。高压液压储能部42可以向高压侧38存储液压能/从高压侧38释放液压能。低压液压储能部44可以向低压侧40存储液压能/从低压侧40释放液压能。在高压侧38的压力变化低的情况下，高压液压储能部42需要更高的储能容量，反之亦然。这同样适用于相对于低压侧40的低压液压储能部44。
液压系统12还包括主泵46。在图2中，主泵46连接到高压侧38和低压侧40。主泵46被布置为增加高压侧38的压力。主泵46在此被例示为作为泵和马达运行的可变排量液压机。
液压系统12还包括辅助泵48。在图2的示例中，辅助泵48被布置成将加压流体从罐50供应到高压侧38。该示例的辅助泵48是固定排量泵。主泵46和辅助泵48连接到由作业机械10的内燃机52驱动的公共驱动轴。
本示例的液压系统12还包括连接在低压侧40和罐50之间的泄压阀54。液压系统12还包括风扇马达56和布置成由风扇马达56驱动的风扇58。
液压系统12还包括三个可变排量液压机60、62。液压机60被布置成旋转地驱动可旋转负载22，并且两个液压机62中的每一个都被布置成旋转地驱动相应的可旋转负载24。在该示例中，每个液压机60、62是作为泵和马达运行的二象限液压机，即不可逆的可变排量液压机。每个液压机60、62都具有在0％和100％之间的排量变量。液压系统12需要能够控制每个液压机60、62的速度，而高压侧38的压力保持在高压区间内。
液压系统12还包括三个齿轮箱64。每个齿轮箱64都布置在液压机60、62和可旋转负载22、24之间，并且由相应液压机60、62的驱动轴66驱动。
液压系统12还包括三个阀装置68。每个阀装置68都与可旋转负载22、24之一相关联。每个阀装置68与高压侧38、低压侧40、相关联的液压机60、62的第一端口或第一侧70以及相关联的液压机60、62的第二端口或第二侧72流体连通。
此外，每个阀装置68被配置为：选择性地建立高压侧38和第一侧70之间的流体连通，选择性地建立高压侧38和第二侧72之间的流体连通，选择性地建立低压侧40和第一侧70之间的流体连通，并且选择性地建立低压侧40和第二侧72之间的流体连通。因此，每个阀装置68都被配置为将高压侧38和第一侧70之间的流体连通切换为高压侧38和第二侧72之间的流体连通。
液压系统12还包括控制系统74。控制系统74包括数据处理装置和存储器，在该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序包括程序代码，当该程序代码由数据处理装置执行时，该程序代码使数据处理装置执行各种步骤，或各种步骤的命令执行，如本文所述。
图3是图2中的液压系统12的局部放大图。结合图3，将描述通过液压系统12控制可旋转负载22的方法。也可以以相同的方式控制每个可旋转负载24。
如图3所示，控制系统74被布置为接收用于液压机60的参考信号或命令76、指示液压机60的旋转速度的信号、以及指示高压侧38、低压侧40、第一侧70和第二侧72的压力的信号。控制系统74还被配置为控制阀装置68，并且被配置为通过排量控制器78控制液压机60的排量。
该示例的方法包括：当液压机60的旋转速度低于第一速度阈值时，对液压机60应用非零绝对最小排量限制。由于液压机60具有在0％和100％之间的排量变量，因此应用例如10％的非零绝对最小排量限制。因此，当排量限制应用于液压机60时，排量可以在10％和100％之间变化。
在该示例中，通过控制系统74中的软件应用排量限制。为此，判定液压机60的旋转速度是否低于第一速度阈值。第一速度阈值可以是恒定的(例如200rpm)，或者是可变的。可变的第一速度阈值可以取决于作业机械10的运行条件。然而，可以替代地采用对液压机器60的硬件排量限制。
在高于第一速度阈值的旋转速度下也可以应用或不应用排量限制。自然地，液压机60上的硬件排量限制将在所有旋转速度下都存在。在采用软件限制的情况下，排量限制可以减少、消除或保持恒定在大于或等于第一速度阈值的第二速度阈值之上。在第一速度阈值和第二速度阈值之间，可以逐渐减小排量限制。此外，第二速度阈值可以是恒定的(例如500rpm)，或者是可变的。此外，可变的第二速度阈值可以取决于作业机械10的运行条件。只要排量限制通过硬件或软件以低功率运行、低扭矩运行和/或低速运行，例如以低于第一速度阈值的旋转速度应用于液压机60，则对排量限制的各种类型的控制是可能的。
该示例的方法还包括基于液压机60的命令76和液压机60上的压降来确定液压机60的所需排量。命令76可以例如是控制系统74的反馈回路中的扭矩命令。可替代地，命令76可以是对液压机60的旋转速度命令或旋转加速度命令。在图3的示例中，设置有压力传感器用于感测液压机60的第一侧70的压力和第二侧72的压力。因此，可以基于这些压力直接计算液压机60上的压降。然而，可以以替代方式计算或判定液压机60上的压降。例如，液压机60上的压降可以基于第一侧70的目标压力和第二侧72的目标压力来估计。这些目标压力又可以基于高压侧38的高压、低压侧40的低压以及阀装置68中的一个或多个阀的阀开度来计算。作为另一示例，可以通过将液压机60上的压降近似为高压侧38的高压和低压侧40的低压来计算所需排量。因此，当计算所需排量时，可以使用液压机60上的期望或可能的最大压降。
该示例的方法还包括将所需排量与液压机60的排量限制进行比较。如果所需排量小于排量限制，例如低于10％，则判定液压系统12处于第一运行状态。在第一运行状态下，通过控制阀装置68，即通过如本文所述的阀控制模式来控制可旋转负载22。如果所需排量大于排量限制，例如高于10％，则判定液压系统12处于第二运行状态。在第二运行状态下，主要通过控制液压机60的排量，即通过如本文所述的排量控制模式来控制可旋转负载22。
控制系统74被配置为连续地或重复地确定液压机60的所需排量并且连续地或重复地将所需排量与当前最小排量限制进行比较。因此，在作业机械10的各种运行循环期间，液压机60的控制将在阀控制模式和排量控制模式之间切换。
在阀控制模式下，对通过阀装置68的流量的控制涉及控制可旋转负载22。然而，对液压机60的排量的控制也可以涉及在阀控制模式下控制可旋转负载22。在阀控制模式下，液压机60上的压降可以小于高压侧38和低压侧40之间的压差的50％。因此，在阀控制模式下，压降的主要部分将发生在阀装置68上。
在排量控制模式下，主要通过控制液压机60的排量来控制可旋转负载22。例如，如果液压机60上的压降构成高压侧38和低压侧40之间的压差的至少80％，可以说主要通过控制液压机60的排量来控制可旋转负载22。根据一个示例，在排量控制模式下，通过控制液压机60的排量来完全控制可旋转负载22，例如阀装置68的每个阀的开口面积保持固定，优选尽可能大以减少阀装置68上的压降。然而，对通过阀装置68的流量的控制也可以可选地涉及在排量控制模式下控制可旋转负载22。在任何情况下，在排量控制模式下，第一侧70的压力和第二侧72的压力之间的压差至少在大多数时候比在阀控制模式下高，例如除了在将高压侧38和第一侧70之间的流体连通切换到高压侧38和第二侧72之间的流体连通之后的短时间之外。
图4是图2中的液压系统12的局部放大图，示出了阀装置68的一个示例。该示例的阀装置68包括四个电动液压比例阀80a-80d。每个阀80a-80d包括多个不同的位置，从而形成多个不同的开口面积。第一阀80a布置在高压侧38和第一侧70之间。第二阀80b布置在高压侧38和第二侧72之间。第三阀80c布置在低压侧40和第一侧70之间。第四阀80d布置在低压侧40和第二侧72之间。图4中的示例的阀装置68还包括PWM(脉宽调制)控制器82，用于基于来自控制系统74的命令控制阀80a-80d。
在阀控制模式下，可以关闭第二阀80b和第三阀80c，并且可以控制第一阀80a的开口面积和第四阀80d的开口面积以控制可旋转负载22在第一方向上的旋转。在这种情况下，高压侧38和低压侧40之间的压差，减去第一阀80a上的压降，再减去第四阀80d上的压降，可以构成液压机60上的压降。
此外，在阀控制模式下，可以关闭第一阀80a和第四阀80d，并且可以控制第二阀80b的开口面积和第三阀80c的开口面积，以控制可旋转负载22在与第一方向相反的第二方向上的旋转。在这种情况下，高压侧38和低压侧40之间的压差，减去第二阀80b上的压降，减去第三阀80c上的压降，可以构成液压机60上的压降。
在排量控制模式下，可以关闭第二阀80b和第三阀80c，并且可以将第一阀80a的开口面积和第四阀80d的开口面积设置和保持为尽可能大，同时通过控制液压机60的排量来控制可旋转负载22在第一方向上的旋转。由此，提供了液压机60上的最大压降。而且，在排量控制模式下，可以关闭第一阀80a和第四阀80d，并且可以将第二阀80b的开口面积和第三阀80c的开口面积设置和保持为尽可能大，同时通过控制液压机60的排量来控制可旋转负载22在第二方向上的旋转。
图5是图2中的液压系统12的局部放大图，示出了阀装置68的另一示例。阀装置68包括阀84。该示例的阀84是4/3滑阀。类似于图4中的阀装置68，图5中的阀装置68也被配置为在高压侧38和第一侧70之间建立流体连通，以沿第一方向旋转地驱动可旋转负载22，并且被配置为在高压侧38和第二侧72之间建立流体连通，以沿第二方向旋转地驱动可旋转负载22。
图6是概述根据本发明的方法的一般步骤的流程图。该方法包括：判定S1液压系统12是处于第一运行状态还是第二运行状态，该判定至少基于液压机60、62的命令旋转速度或实际旋转速度88、液压机60、62的命令扭矩或实际扭矩、和/或液压机60、62的命令功率或实际功率中的一项；如果液压系统12处于第一运行状态，则在阀控制模式下控制S2可旋转负载22、24，该阀控制模式包括通过控制阀装置68来控制可旋转负载22、24；如果液压系统12处于第二运行状态，则在排量控制模式下控制S3可旋转负载22、24，该排量控制模式包括主要通过控制液压机60、62的排量90来控制可旋转负载22、24；以及，至少在第一运行状态下将非零绝对最小排量限制86应用S4到液压机60、62。
图7是示出了作为液压机60的旋转速度88的函数的排量限制86的一个说明性示例的图。旋转速度88可以例如是测得的旋转速度88。在图中，横坐标示出了旋转速度88，而纵坐标示出了排量90。在图7的示例中，第一速度阈值92被设置为200rpm，而第二速度阈值94被设置为500rpm。在低于第一速度阈值92的旋转速度88下，排量限制86被设置为10％。在高于第二速度阈值94的旋转速度88处，排量限制86被设置为2％。随着旋转速度88从第一速度阈值92增加到第二速度阈值94，排量限制86从10％线性地减少到2％。
图7进一步示出了液压机60的所确定的所需排量96的三个示例。在100rpm的旋转速度88的运行点A，所需排量96为5％，即在100rpm的旋转速度88处，所需排量96小于10％的排量限制86。由此，在运行点A，判定液压系统12处于第一运行状态，并因此选择液压机60的阀控制模式。
在100rpm的旋转速度88的运行点B，所需排量96为15％，即在100rpm的旋转速度88处，所需排量96大于10％的排量限制86。由此，在运行点B，判定液压系统12处于第二运行状态，并因此选择液压机60的排量控制模式。
在600rpm的旋转速度88的运行点C，所需排量96为5％，即在600r pm的旋转速度88处，所需排量96大于2％的排量限制86。由此，在运行点C，判定液压系统12处于第二运行状态，并因此选择液压机60的排量控制模式。
图8是示出了根据替代实施例的作为液压机60的旋转速度88的函数的排量限制86的另一说明性示例的图。将主要描述不同之处。在图8中，速度阈值94用作判定液压系统12处于第一运行状态还是第二运行状态的基础。根据本公开，速度阈值94可以由第二速度阈值构成。在这种情况下，第一速度阈值和第二速度阈值可以例如采用相同的值。当旋转速度88低于速度阈值94时，判定液压系统12处于第一运行状态，并因此液压系统12采用阀控制模式。当旋转速度88高于速度阈值94，判定液压系统12处于第二运行状态，并因此液压系统12采用排量控制模式。因此，在本实施例中，无需确定液压机60的所需排量以决定液压系统是在第一运行状态下还是第二运行状态下运行。
此外，在图8的示例中，在阀控制模式下，即旋转速度低于速度阈值94，设置100％的排量限制86。在排量控制模式下，即高于速度阈值94，消除排量限制86。
应当理解，本发明不限于上文所述和附图中示出的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多改变和修改。

Claims (28)

1.一种通过液压系统(12)控制可旋转负载(22、24)的方法，所述液压系统(12)包括：高压侧(38)；低压侧(40)；可变排量液压机(60、62)，所述可变排量液压机用于旋转地驱动所述可旋转负载(22、24)；以及阀装置(68)，所述阀装置(68)与所述高压侧(38)、所述低压侧(40)、所述液压机(60、62)的第一侧(70)及所述液压机(60、62)的第二侧(72)流体连通；
其特征在于，所述方法包括：
-判定(S1)所述液压系统(12)是处于第一运行状态还是第二运行状态，所述判定至少基于以下项中的一项：所述液压机(60、62)的命令旋转速度或实际旋转速度(88)，所述液压机(60、62)的命令扭矩或实际扭矩，和/或所述液压机(60、62)的命令功率或实际功率；
-如果所述液压系统(12)处于所述第一运行状态，则在阀控制模式下控制(S2)所述可旋转负载(22、24)，所述阀控制模式包括通过控制所述阀装置(68)来控制所述可旋转负载(22、24)；
-如果所述液压系统(12)处于所述第二运行状态，则在排量控制模式下控制(S3)所述可旋转负载(22、24)，所述排量控制模式包括主要通过控制所述液压机(60、62)的排量(90)来控制所述可旋转负载(22、24)；以及
-至少在所述阀控制模式下将非零绝对最小排量限制(86)应用(S4)到所述液压机(60、62)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阀控制模式下的所述排量限制(86)和/或所述阀控制模式下所述液压机(60、62)的排量(90)为至少60％。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
-至少当所述液压机(60、62)的旋转速度(88)低于第一速度阈值(92)时，当所述液压机(60、62)的功率低于第一功率阈值时，和/或当所述液压机(60、62)的扭矩低于第一扭矩阈值时，对所述液压机(60、62)应用所述排量限制(86)；
-基于对所述液压机(60、62)的命令(76)和所述液压机(60、62)上的压降来确定所述液压机(60、62)的所需排量(96)；
-如果所述所需排量(96)小于所述液压机(60、62)的所述排量限制(86)，则判定所述液压系统(12)处于所述第一运行状态；以及
-如果所述所需排量(96)大于所述液压机(60、62)的所述排量限制(86)，则判定所述液压系统(12)处于所述第二运行状态。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：当所述液压机(60、62)的旋转速度(88)在大于或等于所述第一速度阈值(92)的第二速度阈值(94)之上时，当所述液压机(60、62)的功率在大于或等于所述第一功率阈值的第二功率阈值之上时，和/或当所述液压机(60、62)的扭矩在大于或等于所述第一扭矩阈值的第二扭矩阈值之上时，减小或消除所述液压机(60、62)的所述排量限制(86)，或维持所述液压机(60、62)的恒定排量限制(86)。
5.根据权利要求3或4所述的方法，进一步包括：当所述液压机(60、62)的旋转速度(88)从所述第一速度阈值(92)增加时，当所述液压机(60、62)的功率从所述第一功率阈值增加时，和/或当所述液压机(60、62)的扭矩从所述第一扭矩阈值增加时，逐渐减小所述液压机(60、62)的排量限制(86)。
6.根据权利要求3至4中的任一项所述的方法，进一步包括：基于所述高压侧(38)和所述低压侧(40)之间的压差来确定所述液压机(60、62)上的压降。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述第一侧(70)和所述第二侧(72)之间的压差在所述阀控制模式下比在所述排量控制模式下小。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，进一步包括：通过所述阀装置(68)将所述高压侧(38)和所述第一侧(70)之间的流体连通切换为所述高压侧(38)和所述第二侧(72)之间的流体连通。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，在所述排量控制模式下通过控制所述液压机(60、62)的排量(90)来完全控制所述可旋转负载(22、24)。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，进一步包括：在所述排量控制模式下通过闭环控制来控制所述液压机(60、62)的排量(90)。
11.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，对所述可旋转负载(22、24)的控制包括控制所述可旋转负载(22、24)的扭矩、旋转位置、旋转速度(88)和旋转加速度中的一项。
12.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述液压机(60、62)是作为泵和马达运行的二象限液压机。
13.一种用于控制可旋转负载(22、24)的液压系统(12)，所述液压系统(12)包括：
高压侧(38)；
低压侧(40)；
可变排量液压机(60、62)，所述可变排量液压机(60、62)用于旋转地驱动所述可旋转负载(22、24)；以及
阀装置(68)，所述阀装置(68)与所述高压侧(38)、所述低压侧(40)、所述液压机(60、62)的第一侧(70)及所述液压机(60、62)的第二侧(72)流体连通；
其特征在于，所述液压系统(12)还包括控制系统(74)，所述控制系统(74)被配置为：
-判定(S1)所述液压系统(12)是处于第一运行状态还是第二运行状态，所述判定至少基于以下项中的一项：所述液压机(60、62)的命令旋转速度或实际旋转速度(88)，所述液压机(60、62)的命令扭矩或实际扭矩，和/或所述液压机(60、62)的命令功率或实际功率；
-如果所述液压系统(12)处于所述第一运行状态，则在阀控制模式下控制(S2)所述可旋转负载(22、24)，所述阀控制模式包括通过控制所述阀装置(68)来控制所述可旋转负载(22、24)；
-如果所述液压系统(12)处于所述第二运行状态，则在排量控制模式下控制(S3)所述可旋转负载(22、24)，所述排量控制模式包括主要通过控制所述液压机(60、62)的排量(90)来控制所述可旋转负载(22、24)；以及
-至少在所述第一运行状态下将非零绝对最小排量限制(86)应用(S4)到所述液压机(60、62)。
14.根据权利要求13所述的液压系统(12)，其中，所述第一运行状态下的所述排量限制(86)和/或所述第一运行状态下所述液压机(60、62)的排量(90)为至少60％。
15.根据权利要求13所述的液压系统(12)，其中，所述控制系统(74)被配置为：
-至少当所述液压机(60、62)的旋转速度(88)低于第一速度阈值(92)时，当所述液压机(60、62)的功率低于第一功率阈值时，和/或当所述液压机(60、62)的扭矩低于第一扭矩阈值时，对所述液压机(60、62)应用所述排量限制(86)；
-基于对所述液压机(60、62)的命令(76)和所述液压机(60、62)上的压降来确定所述液压机(60、62)的所需排量(96)；并且
-如果所述所需排量(96)小于所述液压机(60、62)的所述排量限制(86)，则判定所述液压系统(12)处于所述第一运行状态；并且
-如果所述所需排量(96)大于所述液压机(60、62)的所述排量限制(86)，则判定所述液压系统(12)处于所述第二运行状态。
16.根据权利要求15所述的液压系统(12)，其中，所述控制系统(74)被配置为：当所述液压机(60、62)的旋转速度(88)在大于或等于所述第一速度阈值(92)的第二速度阈值(94)之上时，当所述液压机(60、62)的功率在大于或等于所述第一功率阈值的第二功率阈值之上时，和/或当所述液压机(60、62)的扭矩在大于或等于所述第一扭矩阈值的第二扭矩阈值之上时，减小或消除所述液压机(60、62)的所述排量限制(86)，或维持所述液压机(60、62)的恒定排量限制(86)。
17.根据权利要求15或16所述的液压系统(12)，其中，所述控制系统(74)被配置为：当所述液压机(60、62)的旋转速度(88)从所述第一速度阈值(92)增加时，当所述液压机(60、62)的功率从所述第一功率阈值增加时，和/或当所述液压机(60、62)的扭矩从所述第一扭矩阈值增加时，逐渐减小所述液压机(60、62)的排量限制(86)。
18.根据权利要求15至16中的任一项所述的液压系统(12)，其中，所述控制系统(74)被配置为：基于所述高压侧(38)和所述低压侧(40)之间的压差来确定所述液压机(60、62)上的压降。
19.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，其中，所述控制系统(74)被配置为：控制所述阀装置(68)，以将所述高压侧(38)和所述第一侧(70)之间的流体连通切换到所述高压侧(38)和所述第二侧(72)之间的流体连通。
20.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，其中，所述控制系统(74)被配置为：在所述排量控制模式下通过控制所述液压机(60、62)的排量(90)来完全控制所述可旋转负载(22、24)。
21.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，其中，所述控制系统(74)被配置为：在所述排量控制模式下通过闭环控制来控制所述液压机(60、62)的排量(90)。
22.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，其中，对所述可旋转负载(22、24)的控制包括控制所述可旋转负载(22、24)的扭矩、旋转位置、旋转速度(88)和旋转加速度中的一项。
23.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，其中，所述阀装置(68)包括至少一个阀(80a、80b、80c、80d、84)，所述至少一个阀具有至少两个可变位置，从而建立至少两个不同的开口面积。
24.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，其中，所述液压机(60、62)是作为泵和马达运行的二象限液压机。
25.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，其中，在所述液压系统(12)的运行期间，所述高压侧(38)上的压力在50巴以上变化，并且所述低压侧(40)上的压力在50巴以下变化。
26.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，还包括主泵(46)，所述主泵(46)被布置为对所述高压侧(38)加压。
27.根据权利要求13至16中的任一项所述的液压系统(12)，还包括连接到所述高压侧(38)的至少一个高压液压储能部(42)和/或连接到所述低压侧(40)的至少一个低压液压储能部(44)。
28.一种作业机械(10)，其包括根据权利要求13至27中的任一项所述的液压系统(12)。
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