动臂缸挖掘流动再生的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种在这种系统中节省能量的液压系统和方法。该液压系统包括液压致动器，液压致动器具有头端、杆端和设置在头端和杆端之间的活塞。该系统还包括将流体泵送到致动器的泵、设置在杆端的下游的第一阀以及设置在泵和致动器的头端之间的第二阀。当该系统处于超载状态时，部分地关闭第二阀以限制合并流体的流动。合并流体包括从泵接收的流体和从致动器的杆端接收的流体。当系统处于轻阻力负载状态时，打开第二阀以允许合并流体流动通过第二阀。
【专利说明】
动臂缸挖掘流动再生
技术领域
[0001]本发明涉及节约能量，且更具体地涉及一种用于节约液压驱动联动系统中能量的系统和方法。
【背景技术】
[0002]在机器(诸如，挖掘机、反铲或铲)中，液压回路可包括可变排量栗，其与一个或多个液压致动器流体连通以处理可变负载。栗将加压液压流体提供至各个致动器(诸如，液压缸或液压马达)，以移动负载。致动器可连接至作业机具，诸如动臂、连杆、铲斗和/或摆动齿轮系。
[0003]挖掘机或其它带有机具的机器的典型挖掘操作可具有多个阶段。这些阶段可包括但不限于初始阶段、挖掘阶段、挖掘-动臂提升-超载阶段、挖掘-动臂提升-轻阻力性负载阶段，以及动臂提升阶段。在初始阶段中，不具有挖掘负载，且动臂、连杆和铲斗移动就位，以开始挖掘。在挖掘阶段中，当附接到动臂的机具(例如，连杆和铲斗)进行挖掘时，动臂通常保持就位。在挖掘-动臂提升-超载阶段中，当机具进行挖掘时，动臂向上移动。在该阶段，通过机具施加到动臂缸上的挖掘反作用力大于重力阻力。在挖掘-动臂提升-轻阻力性负载阶段中，当机具进行挖掘时，动臂向上移动，但是挖掘反作用力小于重力阻力。在动臂提升阶段中，机具不再进行挖掘，且动臂连同容纳在机具中的负载一起向上移动。
[0004]当液压回路从挖掘阶段转换到挖掘-动臂提升-超载阶段时，液压回路的动臂部分通常从保持操作转换到提升操作，铲斗和连杆回路携带高挖掘负载，且栗必须以高压供应流体来支持挖掘功能。结果，在短时间内(例如，约0.5秒至约2秒)，动臂缸可能处于超载状态。当提升处于超载状态中的动臂时，用于动臂的致动器的头端接收具有比所需压力更高的压力的栗流体，结果，这可能引起由补偿阀作出的压力调节，该补偿阀设置在栗的下游和致动器的头端的上游。由于通过补偿阀的流体的压降，较大量功率可能会耗散。当液压回路转换至挖掘-动臂提升-轻阻力性负载阶段时，可能会出现类似的功率耗散。可减少这种功率耗散。
[0005]JP2012-172491公开了一种液压系统，其包括流量限制装置，该装置限制从液压栗供应至动臂液压缸的头侧的流量。仅在动臂提升操作时，才会出现这种限制，而在动臂提升操作中，动臂液压缸的杆端的侧向压力高于头端的侧向压力。期望一种更好的系统来节约液压系统中的能量。
【发明内容】
[0006]在一个方面，公开了一种用于节约液压系统中能量的方法。液压系统可包括栗、液压致动器、第一阀和第二阀。液压致动器可包括头端、杆端，以及在头端和杆端之间设于致动器内部的活塞。第一阀可设置在杆端和流体贮存器之间，且可设置在杆端和第二阀之间。第二阀可设置在栗和头端之间。该方法可包括:确定液压系统何时处于超载状态、轻阻力性负载状态或重阻力性负载状态，并且当液压系统进入超载状态时，通过头端接收再生流体。
[0007]在一个实施例中，该方法可进一步包括:当液压系统进入超载状态时，关闭第一阀并将从杆端流出的流体与从栗流出的流体合并，并且通过头端接收来自补充回路的流体流。在一种改进方案中，该方法可进一步包括通过部分地关闭第二阀来限制合并流体流向头端。在另一种改进方案中，该方法可进一步包括:当液压系统从超载状态进入轻阻力性负载状态时，减少对合并流体通过第二阀的限制、增加从栗至致动器的头端的流体流，并将从补充回路至头端的流体流降至约零。
[0008]在另一个实施例中，该方法可进一步包括:确定液压系统何时从轻阻力性负载状态转换到重阻力性负载状态，且由于确定了从轻阻力性负载状态转换到重阻力性负载状态，所以打开第一阀以允许来自杆端的流体流向贮存器。
[0009]在另一个实施例中，该方法可进一步包括:接收连接至致动器头端的流体管线中的流体的第一流体压力测量值以及连接至致动器杆端的杆端管线中的流体的第二流体压力测量值，且至少部分地基于头端致动器作用力与杆端致动器作用力的比较来估计负载状态。由第一流体压力测量值确定的头端致动器作用力乘以活塞的前面的前表面面积。由第二流体压力测量值确定的杆端致动器作用力乘以活塞的后面的后表面面积。活塞的前面邻近头端，而活塞的后面邻近杆端。在一种改进方案中，当(a)头端致动器作用力大于杆端致动器作用力，且(b)第一流体压力测量值在约为从栗输出的流体的初始压力至约为从栗输出的流体的初始压力的百分之九十的范围内时，可检测到转换到重阻力性负载状态。在另一种改进方案中，当头端致动器作用力大于杆端致动器作用力时，可检测到转换至轻阻力性负载状态。
[0010]在另一个实施例中，液压系统可进一步包括位于致动器杆端和补偿阀之间的第三阀，且该方法可进一步包括:当第一阀基本关闭时打开第三阀，且当第一阀基本关闭时通过第三阀接收来自杆端的流体。
[0011]在另一方面，公开了一种液压系统。液压系统可包括液压致动器、栗、第一阀和第二阀。液压致动器可包括头端、杆端和设置在头端和杆端之间的活塞。栗可为将流体栗送至致动器头端的栗。第一阀可流体联接在致动器杆端和栗之间。第二阀可流体联接在栗和致动器头端之间。当系统处于第一配置时，第二阀可位于第一阀的下游且处于限制合并流体流动的部分打开位置，所述合并流体包括从栗接收的流体和通过第一阀从致动器杆端接收的流体。当系统处于第一配置时，头端可接收合并流体。
[0012]在一个实施例中，系统可进一步包括流体联接至致动器头端的补充回路。当系统处于第一配置时，头端可接收来自补充回路的流体。
[0013]在另一个实施例中，系统可具有第二配置，其中第二阀可位于第一阀的下游且处于允许合并流体流动通过第二阀的打开位置。在一种改进方案中，当系统处于第二配置时，头端可基本不接收来自补充回路的流体。在另一种改进方案中，系统可进一步包括控制器、设置在致动器杆端和第一阀之间的第一压力传感器，和设置在第二阀和致动器头端之间的第二压力传感器。第一压力传感器和第二压力传感器可以可操作地连接至控制器，以将指示致动器的测量的流体压力的信号发送至控制器。控制器可具有存储器，所述存储器具有存储在其中的程序，其部分地基于由控制器从第一压力传感器和第二压力传感器接收的信号来检测液压系统是否处于超载状态、轻阻力性负载状态或重阻力性负载状态。
[0014]在实施例中，液压系统可致动联接至作业机具的动臂。
[0015]在另一个方面，公开了一种用于节约液压系统中能量的方法。液压系统可包括栗、液压致动器、流体贮存器、第一阀、第二阀和第三阀。液压致动器可包括头端、杆端，以及在头端和杆端之间设于致动器内部的活塞。活塞可包括邻近头端的前面和邻近杆端的后面。前面可具有前表面面积，且后面可具有后表面面积。第一阀可设置在杆端和流体贮存器之间，且可设置在杆端和第二阀之间。第二阀可设置在栗和头端之间。第三阀可设置在致动器杆端和补偿阀之间。该方法可包括:接收连接至致动器头端的流体管线中的流体的第一流体压力测量值以及连接至致动器杆端的杆端管线中的流体的第二流体压力测量值，接收动臂杆命令和铲斗控制命令，当(a)动臂杆命令为向上移动动臂，(b)铲斗控制命令为挖掘，且(C)头端致动器作用力小于杆端致动器作用力时，基本关闭第一阀、将来自杆端的流体与来自栗的流体合并从而提供流至头端的合并流体流，且部分打开第二阀以限制合并流体流向致动器头端，且减少从栗流至头端的流体流，将从杆端流出的流体与从栗流出的流体合并，限制合并流体流向头端，且减少从补充回路流至头端的流体流。
[0016]在一个实施例中，该方法可进一步包括减少从栗流至头端的流体流。
[0017]在另一个实施例中，该方法还包括，当(a)动臂杆命令是向上移动动臂，(bH产斗控制命令是挖掘，且(C)头端致动器作用力大于杆端致动器作用力时，基本上关闭第一阀，合并来自杆端的流体与来自栗的流体，并打开第二阀以允许合并流体通过第二阀流向头端。在一个改进中，该方法进一步包括打开第三阀以允许来自杆端的流体流动通过第三阀。
[0018]在另一个实施例中，该方法可进一步包括当(a)动臂杆命令是向上移动动臂，且(b)没有挖掘的活动铲斗控制命令时，打开第一阀以允许来自杆端的流体流向储存器。
[0019]尽管针对特定示例性实施例公开了各种特征，但应当理解，在任何示例性实施例不脱离本公开的范围的情况下，各种特征可以彼此结合，或单独使用。
[0020]当结合附图时，在阅读以下详细说明后，这些方面和特征以及其他方面和特征将变得更清楚。
【附图说明】
[0021]图1是液压系统配置的示意图。
[0022]图2是处于超载状态(挖掘一动臂提升一超载阶段)的液压系统配置的示意图；
[0023]图3是处于轻阻力性负载状态(挖掘一动臂提升一轻阻力性负载阶段)的液压系统配置的不意图；
[0024]图4是示出了在该液压系统中用于节约能量的示例性方法的流程图；
[0025]图5是示例性车辆的实施例的视图，其中可以使用根据本公开的教导的液压系统；和
[0026]图6是示出了在该液压系统中用于节约能量的替代示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]转到图1，示出了液压系统10，其可以为挖掘机、反向铲装载机或使用液压系统的另一件设备的一部分。图5示出了结合本公开的特征的车辆或机器100的实例。图5中的示例性车辆100为挖掘机。挖掘机100包括底架102和上部结构104。底架102包括沿着其边缘支撑两个履带轨道108的大致H形框架106，并包括支撑靠近其中心的环形齿轮(未示出)的立柱(未示出)。履带轨道108通过链轮移动，该链轮通过液压驱动电动机(未示出)或连接至框架106的电驱动电动机而旋转。环形齿轮包括沿其内周边布置的多个齿，其与由摇摆电动机(未示出)提供动力的主动链轮啮合。摇摆电动机可以连接至上部结构104使得主动链轮的旋转引起上部结构104相对于底架102的相对旋转。上部结构104包括动臂50，该动臂50枢转地连接至上部结构框架121并通过利用两个动臂致动器20而枢转。在这里称为连杆55的臂枢转地连接在动臂50的端部并由臂致动器126枢转。铲斗52连接在臂55的端部并由铲斗致动器130枢转。动臂致动器20、臂致动器126和铲斗致动器130在说明中具体体现为线性液压缸，其配置成通过液压活塞的一侧上的加压流体的可选择部分而伸缩。机器100的各种功能可以通过占用驾驶室132的操作员对各种控制设备的合适操纵而部分地控制。摇摆电动机可以由液压电力提供动力。
[0028]返回到图1，系统100包括栗11，其典型地由动力源(未示出)如内燃机通过传动系或轴(也未示出)驱动。在图1所示的示例性实施例中，栗11可以为可变排量单向栗。栗11可以与还用作如图1所示的排水管的流体贮存器12连通。栗11可包括具有多个活塞孔(未示出)的可旋转缸筒，可倾斜旋转斜盘(未示出)、抵靠可倾斜旋转斜盘的活塞(未示出)、出口端口 13和入口端口 14。背压止回阀18可以设置在栗出口管线16中。栗压力传感器17可用于测量栗11的出口 13处的压力。
[0029]系统10还可包括致动器20，该致动器20包括经由流体管线15与栗11流体连通的头端24。流体管线15可从栗11延伸到头端24。流体管线15可包括栗出口管线16、中间管线22和致动器头端管线28。栗出口管线16可从栗11延伸到补偿阀40。中间管线22可从补偿阀40延伸到补充回路42。补充回路42可包括补充阀43并接收从机器中的其他系统到贮存器12的返回流体，且在某些条件下经由致动器头端管线28向致动器20的头端24提供这种流体。致动器头端管线28可从补充回路42延伸到致动器20的头端24。致动器杆端管线30可从致动器20的杆端26延伸到中间管线22。贮存器管线32可从阀46延伸到流体贮存器12。压力传感器27、29可用于分别测量邻近头端24的流体管线15中的压力以及致动器杆端管线30中的压力。
[0030]系统10还可包括其他功能，比如铲斗回路51、连杆回路62和其他回路56如摇摆回路。铲斗回路51可包括铲斗致动器130并可以流体联接至铲斗52。连杆回路62可包括臂致动器126并可以流体联接至连杆55。为此，系统10可包括将合并加压流体引导至回路中的一个或多个的一个或多个栗11。在一个实例中，栗11可以主要与动臂50和铲斗回路51相关联，并其次与连杆回路62和其他回路56相关联。
[0031]致动器20还可与贮存器12连通。更具体地，致动器20的头端24经由如图1所述的流体管线15和贮存器至栗管线48与贮存器12连通。致动器20的杆端26可以经由如图1所述的致动器杆端管线30和贮存器管线32与贮存器12连通。
[0032]致动器20包括容纳活塞34的大致圆柱形的本体33，该活塞34将致动器20的头端24与杆端26分离。活塞34还可连接至杆35，该杆35反过来可以联接至被移动的一件设备，例如其可以为可执行挖掘操作的机器(如挖掘机、反向铲等)的动臂50。活塞34可以在伸出位置和缩回位置之间移动，如本领域所已知。致动器20包括内头端隔间64和内杆端隔间68。头端隔间64由头端壁66和活塞34的前面65限定。杆端隔间68由活塞34的后面67和杆端壁69限定。后面67—般认为是周向地围绕杆35。由于通过杆35至后面67的连接而覆盖的面积，前面65的表面积AH典型地大于后面67的表面积AR。
[0033]如上所述，动臂50可以联接至作业工具52，如铲斗52。图1进一步示出了经由管线57的栗11与连杆回路62和另一个回路56之间的连通以及经由铲斗管线58的栗11与铲斗回路51之间的连通。进一步地，图1还示出了压力传感器17、27、29，阀36、38、44、46和具有控制器53的栗11之间的连通。
[0034]图1示出了一系列阀。传统上，在“挖掘”期间，典型地，当动臂被提升时，栗可以将流体从贮存器12“栗送”到致动器20的头端24以移动本体33内的活塞以及致动器20的本体33外的杆35。当将流体从贮存器12栗送到致动器20的头端24时，栗11将加压流体栗送经过栗出口管线16中的止回阀18、通过补偿阀40、并通过阀36，其在以下称为栗-汽缸-头端(PCHE)阀36。通常，当将流体栗送进入致动器20的头端24时，PCHE阀36是开启的，而阀38(称为汽缸-箱-头端(CTHE)阀)是关闭的。在CTHE阀38关闭的情况下，流体可流动通过PCHE阀36、通过中间管线22，经过接头37，并通过头部入口管线28进入致动器20的头端24。加压流体经由致动器杆端管线30离开致动器20的杆端26。称为栗-汽缸-杆端(PCRE)阀44的阀44是关闭的，且称为汽缸-箱-杆端(CTRE)阀46的阀46是打开的。加压流体从致动器20的杆端26流动通过致动器杆端管线30、通过CTRE阀46、以及通过贮存器管线32到达贮存器12。
[0035]通常，在挖掘阶段期间，动臂50被典型地保持就位，且栗11命令由工具52等来致动。在挖掘阶段期间，致动器20的杆端26中的压力大致上大于头端24。来自栗11的流体(以大致上的高压)被输送到铲斗回路51以支持挖掘操作。在没有动臂50运动的情况下，输送到致动器20的加压流体为约零。
[0036]在某个时刻，机器可以转换至挖掘一动臂提升一超载阶段。在此阶段期间，工具52主动地挖掘，但是动臂50从较低位置上升相对较小距离至较高位置。通常，此少量向上移动可以用来改进挖掘负载状况。在此情形中，动臂50上来自于与地面挖掘接触的反作用力Fd(由伊"斗52穿过连杆55而引起)大于重力的阻力Fe，该阻力Fg与动臂50的少量向上移动相反地作用，从而导致反作用力H)的一般方向上的净力Fn。在此案例中，致动器20上位于杆端26处的力(“杆端致动器作用力”)大于致动器20上位于头端24处的力(“头端致动器作用力”)。头端致动器作用力可以被定义为等效于活塞的面的表面面积AH乘以流体在头端24处的压力。杆端致动器作用力可以被定义为等效于活塞的后面的表面面积AR乘以流体在杆端26处的压力。鉴于前面的表面面积AH大于后面的表面面积AR，因而在此案例中，流体管线15中靠近头端24的流体压力小于致动器杆端管线30中靠近杆端26的流体压力。(虽然致动器20的杆端26处可能存在相对较高的流体压力，但是头端24处的流体压力可能通常几乎为零)。净力Fn将动臂50在反作用力Fd(由铲斗52与地面的相互作用引起)的一般方向上向上移动。以上因素导致负载状况被视为超载状态。在此期间，栗11继续提供高度压缩流体流至铲斗52以继续挖掘并且还必须提供高度压缩流体流至头端24(基本上为较低压力)以避免致动器排空。
[0037]在液压系统中，补偿阀40如本领域中已知般可以用来将流至头端24的流体的加压级从在超载状态期间被提供至铲斗回路51的压力级降低。被提供至头端24的流体的压力的此调制或减小导致液压系统的能量损耗和较低能量效率。补偿阀40可以是液压-机械致动比例控制阀并且可以被配置成控制被供应至再生接头60的流体的压力。在一个实施例中，补偿阀40可以包括阀元件，该阀元件被弹簧偏置并且朝流体通过位置液压地偏置且可由液压压力朝流体阻断位置移动。或者，补偿阀40可以包括阀元件，该阀元件被弹簧偏置并且朝流体阻断位置液压地偏置且可由液压压力朝流体通过位置移动。
[0038]现在将解释当致动器20在超载状态下操作时该系统10的能量节约方面。为了最小化由于补偿阀40进行的压力调制引起的能量损耗，控制器53可以配备有包括软件的存储器54，该软件可检测超载状态(挖掘一动臂提升一超载阶段)并且针对液压系统10实施图2中所示的配置。
[0039]在图2的配置中，CTRE阀46完全闭合或基本上闭合以减少至贮存器12的杆端26流体，且PCRE阀44被控制器53放置在打开或部分打开位置中以将杆端26流体改向至头端24。PCHE阀36被控制器53放置在部分打开位置(部分闭合位置)中，该位置允许少于头端24所需要的流体的流体来执行由操作者请求的功能。CTHE阀38是闭合的。
[0040]在图2的配置中，加压流体经由致动器杆端管线30离开致动器20的杆端26。因为CTRE阀46完全闭合或基本上闭合，所以来自杆端26的加压流体通过致动器杆端管线30流至打开的PCRE阀44、穿过PCRE阀44并且流至再生接头60处的流体管线15。来自杆端26并且流入再生接头60中的流体在本文可以被称为“再生流体”。在一个实施例中，此再生流体可以与来自栗11的流体在再生接头60处组合(“组合流体”)。组合流体可以流至PCHE阀36，该PCHE阀36已被放置在如上文解释的部分打开(部分闭合)位置中。此组合流体通过中间管线22且通过致动器头端管线28从PCHE阀36流至致动器20的头端24。因为PCHE阀36的开口被部分减小，所以通过PCHE阀36的组合流体流也部分减少并且导致至致动器20的头端24的组合流体流减少。来自补充回路42的补充流体也可以用来补充至头端24的组合流体流。如本文所使用，来自补充回路24的流体可以称为“补充流体”。在另一个实施例中，由致动器的头端20接收的流体可以是基本上没有补充流体的组合流体。在另一实施例中，由致动器的头端24接收的流体可以是再生流体和基本上没有来自栗的流体的补充流体。
[0041]在超载状态期间，图2中的液压系统10的配置最小化补偿阀40处的能量损耗，因为图2的配置允许由栗11提供的流体体积小于原本将在并未利用再生流体和/或补充流体补充被提供至头端24的流体的量的情况下提供的流体体积。由补偿阀40对由栗11提供的流体的压力进彳丁的调制引起的功率损耗可以由以下等式计算:功率损耗=Q* △ P，其中Q是流体的流速且A P是栗出口端口 13处的流体与由栗提供至悬臂致动器20的头端24的流体(后补偿阀40)之间的压力差。因为再生流体和补充流体的利用允许由栗11提供较低量的流体流，所以当补偿阀40将(来自栗11的)所栗送流体的相对较高压力降低至适用于动臂50操作的较低压力时的功率损耗较小。图2的配置在超载状态期间还提供了反排空策略用于致动器的头端。
[0042]在挖掘循环中的某个时刻，机器可以转换至挖掘一动臂提升一轻阻力性负载阶段。在此阶段期间，工具52正在挖掘，且动臂50从较低位置上升至较高位置。将此阶段与挖掘-动臂提升-超载阶段设置成分隔开的是，在挖掘-动臂提升-轻阻力性负载阶段中，动臂50上来自于挖掘(由铲斗52和连杆55引起)的反作用力Fd小于重力的阻力Fe，该阻力Fg与动臂50的向上移动相反地作用。头端致动器作用力稍微大于杆端致动器作用力。流体管线15中靠近头端24的流体压力大致上小于致动器杆端管线30中靠近杆端26的流体压力。以上被视为轻阻力性负载状况。栗11将高度加压流体流提供至铲斗52以继续挖掘并且还将加压流体流提供至致动器的头端24。
[0043]现在将解释当致动器20在轻阻力性负载状况下操作时该系统10的能量节约方面。为了最小化由于由补偿阀40进行的压力调制引起的能量损耗，控制器53可以配备有包括软件的存储器54，该软件可检测轻阻力性负载状况并且针对液压系统10实施图3中所示的配置。
[0044]在图3的配置中，CTRE阀46完全闭合或基本上闭合以减少至储液器12的杆端26流体，且PCRE阀44打开或部分打开以将杆端26流体改向至头端24 WCHE阀36打开或部分打开以满足由动臂操作需要的流体要求。
[0045]在图3的配置中，加压流体经由致动器杆端管线30离开致动器20的杆端26。因为CTRE阀46完全闭合或基本上闭合，所以来自杆端26的加压流体通过致动器杆端管线30流至PCRE阀44、穿过打开的PCRE阀44并且流至再生接头60处的流体管线15。此加压再生流体与来自栗11的流体在再生接头60处组合(“组合流体”)。组合流体流过打开的PCHE阀36。组合流体通过中间管线22且通过头端入口管线28从PCHE阀36流至致动器20的头端24。补充流体并未进入致动器20的头端24，因为头端24的压力高于补充流体的压力。因为通过PCHE阀36的组合流体并未被补充流体补充，所以栗11必须提供大于当负载状况是在超载状态时的流速(由栗11提供的流速)的流速。
[0046]挖掘-动臂提升-轻阻力性负载阶段(轻阻力性负载状况)期间图3中的液压系统10的配置最小化补偿阀40处的能量损耗，因为图3的配置允许由栗11提供的流体体积小于原本将在并未利用再生流体补充被提供至头端24的流体的情况下提供的流体体积。因为再生流体的利用允许由栗11提供较低量的流体流，所以当补偿阀40将所栗送流体的相对较高压力降低至适用于动臂50操作的较低压力时的功率损耗较小。
[0047]在某一时刻，在挖掘周期中，机器可转换至动臂提升阶段(重阻力性负载状态)。在该阶段期间，机具52不进行挖掘，且动臂50被移动。在该动臂提升阶段，栗11将加压流体流提供至致动器的头端24。在示例性实施例中，由于不存在挖掘，由栗11提供的流体的压力可基本上由对于动臂50的致动器20的要求控制，因此，通过使用补偿阀40，通常可能不存在明显的功率损耗。当存在重负载时，头端致动器作用力比杆端致动器作用力大至少一个预定值。邻近致动器20的头端24的流体管线15中的流体压力大于邻近杆端26的杆端管线30中的流体压力。邻近头端24的流体管线15中的流体压力可能约等于栗出口管线16中的流体压力。例如，邻近头端24的流体管线15中的流体压力可能处于约等于栗出口管线16中的流体压力至约为栗出口管线16中的流体压力的百分之九十(90)的范围内。在另一实施例中，邻近头端24的流体管线15中的流体压力可能处于约等于栗出口管线16中的流体压力至约为栗出口管线16中的流体压力的百分之九十五(95)的范围内。在另一实施例中，邻近头端24的流体管线15中的流体压力可能处于约等于栗出口管线16中的流体压力至约为栗出口管线16中的流体压力的百分之九十八(98)的范围内。以上被称为重阻力性负载状态。控制器53可配备有存储器54(包括软件)，其可检测到转换到重阻力性负载状态，且针对液压系统10实施图1的配置。
[0048]本文所公开的阀可利用液压致动器和复位弹簧(其将阀保持在正常关闭位置)液压控制，或可通过螺线管电控制，如本领域技术人员所将理解的那样。
[0049]还公开了一种用于节约液压系统10中能量的方法400。图4的流程图示出了该方法400。在方框410中，控制器53可确定负载状态。控制器53可接收由机器操作者在操纵杆或动臂杆70(杆、开关、按钮等)处发起的动臂杆命令。控制器53还可接收来自铲斗控制致动器71(例如，杆、操纵杆、开关、按钮等)的铲斗控制命令，以及来自连杆控制致动器72的连杆控制命令。这种命令可引起或导致铲斗52进行挖掘或引起或导致动臂沿向上方向移动。另外，控制器53接收:来自设置在栗出口管线16上的栗压力传感器17的栗出口管线16中的流体的流体压力测量值;来自设置在邻近头端24的流体管线15上的压力传感器27的动臂致动器20的头端24处的流体压力测量值；以及来自设置在杆端管线30上的压力传感器29的动臂致动器20的杆端26处的流体压力测量值。
[0050]如果动臂杆命令为提升动臂、铲斗和/或连杆控制命令为进行挖掘，且头端致动器作用力(邻近致动器头端24的(流体管线15或头端管线28中的)流体压力乘以活塞34的前面65的表面积AH)小于杆端致动器作用力(邻近致动器杆端26的(致动器杆端管线30中的)流体压力乘以活塞34的后面67的表面积AR)，那么控制器53确定负载状态为超载状态。在一些实施例中，控制器还可在确定负载状态为超载状态之前确定邻近致动器头端24的流体压力是否小于邻近致动器杆端26的流体压力。
[0051]如果动臂杆命令为提升动臂、铲斗和/或连杆控制命令为进行挖掘，且头端致动器作用力(邻近致动器头端24的流体压力乘以活塞34的前面65的表面积AH)大于杆端致动器作用力(邻近致动器杆端26的流体压力乘以活塞34的后面67的表面积AR)，那么控制器53确定负载状态为轻阻力性负载状态。在一些实施例中，控制器还可在确定负载状态为轻阻力性负载状态之前确定邻近致动器头端24的流体压力是否小于邻近致动器杆端26的流体压力。
[0052]如果动臂杆命令为提升动臂、没有进行挖掘的铲斗和/或连杆控制命令、头端致动器作用力(邻近致动器头端24的流体压力乘以活塞34的前面65的表面积AH)比杆端致动器作用力(邻近致动器杆端26的流体压力乘以活塞34的后面67的表面积AR)大至少一个预定值，且邻近头端的流体管线15(或致动器头端管线28)中的流体压力处于栗出口管线16中的流体压力(从栗11输出的流体的初始压力)的范围内，那么控制器53确定负载状态为重阻力性负载状态。在一些实施例中，控制器可同样或另选地在其对于重阻力性负载状态的确定中考虑邻近头端的流体管线15(或致动器头端管线28)中的流体压力是否大于杆端管线30中的流体压力。关于上面所提到的范围，在一个实施例中，邻近头端24的流体管线15中的流体压力可能处于约等于栗出口管线16中的流体压力至约为栗出口管线16中的流体压力的百分之九十(90)的范围内。在另一实施例中，邻近头端24的流体管线15中的流体压力可能处于约等于栗出口管线16中的流体压力至约为栗出口管线16中的流体压力的百分之九十五(95)的范围内。在又一实施例中，邻近头端24的流体管线15中的流体压力可能处于约等于栗出口管线16中的流体压力至约为栗出口管线16中的流体压力的百分之九十八(98)的范围内。
[0053]如果在方框410至方框420中确定负载状态为超载状态，那么在方框425中，控制器实施图2的配置。如果在方框410和方框430中确定负载状态为轻阻力性负载状态，那么在方框435中，控制器实施图3的配置。如果在方框410和方框440中确定负载状态为重阻力性负载状态，那么在方框445中，控制器实施图1的配置中所示的阀布置。
[0054]还公开了另一种用于节约液压系统10中能量的方法600。图6中的流程图示出了该方法600。在方框610中，控制器53可接收与动臂50、铲斗52或连杆55的操作和/或位置相关的操作命令。例如，控制器53可接收由机器操作者在操纵杆或动臂杆70(杆、开关、按钮等)处发起的控制动臂50的动臂杆命令。控制器53还可接收来自铲斗控制致动器71(例如，杆、操纵杆、开关、按钮等)的控制铲斗52的铲斗控制命令，以及来自连杆控制致动器72的控制连杆55的连杆控制命令。这种命令可引起或导致铲斗52进行挖掘。另外，在方框620中，控制器可接收多个压力测量值:来自设置在栗出口管线16上的栗压力传感器17的栗出口管线16中的流体的流体压力测量值;来自设置在邻近头端24的流体管线15上的压力传感器27的动臂致动器20的头端24处的流体压力测量值；以及来自设置在杆端管线30上的压力传感器29的动臂致动器20的杆端26处的流体压力测量值。
[0055]如果在方框630中动臂杆命令为提升动臂50、在方框640中铲斗控制命令为进行挖掘，且在方框650中头端致动器作用力(邻近致动器头端24的(流体管线15或头端管线28中的)流体压力乘以活塞34的前面65的表面积AH)小于杆端致动器作用力(邻近致动器杆端26的(致动器杆端管线30中的)流体压力乘以活塞34的后面67的表面积AR)，那么在方框660中控制器53实施图2的配置。
[0056]如果在方框630中动臂杆命令为提升动臂50、在方框640中铲斗控制命令为进行挖掘，且头端致动器作用力(邻近致动器头端24的流体压力乘以活塞34的前面65的表面积AH)大于杆端致动器作用力(邻近致动器杆端26的流体压力乘以活塞34的后面67的表面积AR)(参见方框650至方框670)，那么在方框680中控制器实施图3的配置。
[0057]如果在方框630中动臂杆命令为提升动臂50，且在方框640中没有进行挖掘的主动铲斗控制命令，那么在方框698中控制器53实施图1的配置。
[0058]工业实用性
[0059]因此，公开了用于当致动器(诸如动臂致动器)具有超载状态或轻阻力性负载状态时，通过杆端至头端流体再生来节约能量的液压系统和方法。这种液压系统可用于机器中，诸如例如挖掘机、反铲、液压铲或其它本领域已知类型的机器。
[0060]再生流体和补充流体可用于在超载状态下补充由栗提供的加压流体。再生流体可用于在轻阻力性负载状态下补充由栗提供的加压流体。在两种情形下，使用这种加压流体降低了由栗提供的流体的流速且通过减少由于补偿阀进行的压力调节而造成的能量损失从而提高了系统的效率。
【主权项】
1.一种用于节约液压系统(10)中能量的方法，所述液压系统(10)包括: 栗(11); 液压致动器(20)，其包括头端(24)、杆端(26)，以及在所述头端(24)和所述杆端(26)之间设置在所述致动器(20)内部的活塞(34)， 第一阀(46)，其设置在所述杆端(26)和流体贮存器(12)之间，且设置在所述杆端(26)和第二阀(36)之间，以及 所述第二阀(36)，其设置在所述栗(11)和所述头端(24)之间，所述方法包括: 确定所述液压系统(10)何时处于超载状态、轻阻力性负载状态或重阻力性负载状态；以及 当所述液压系统(10)进入所述超载状态时，通过所述头端(24)接收再生流体。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括，当所述液压系统(10)进入所述超载状态时，关闭所述第一阀(46)并将从所述杆端流出的流体与从所述栗(11)流出的流体合并，并且通过所述头端(24)接收来自补充回路(42)的流体流。3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括通过部分地关闭所述第二阀(36)而限制合并流体流向所述头端(24)。4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括:当所述液压系统(10)由所述超载状态进入所述轻阻力性负载状态时，减少对所述合并流体通过所述第二阀(36)的限制，增加从所述栗(11)至所述致动器(20)的所述头端(24)的所述流体流，并将从所述补充回路(42)流至所述头端(24)的流体降低至约为零。5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括: 确定所述液压系统(1)何时从所述轻阻力性负载状态转换到所述重阻力性负载状态；以及 由于确定从所述轻阻力性负载状态到所述重阻力性负载状态的所述过渡，所以打开所述第一阀(46)以允许流体从所述杆端(26)流向所述贮存器(12)。6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括:接收连接至所述致动器(20)头端(24)的流体管线(15)中的流体的第一流体压力测量值以及连接至所述致动器(20)杆端(26)的杆端管线(30)中的流体的第二流体压力测量值;以及 至少部分地基于头端(24)致动器(20)作用力与杆端(26)致动器(20)作用力的比较来估计负载状态，所述头端(24)致动器(20)作用力通过所述第一流体压力测量值乘以所述活塞(34)的前面(65)的前表面面积(Ah)确定，所述杆端(26)致动器(20)作用力通过所述第二流体压力测量值乘以所述活塞(34)的后面(67)的后表面面积(Ar)确定，所述活塞(34)的所述前面邻近所述头端(24)，所述活塞(34)的所述后面邻近所述杆端(26)。7.根据权利要求6所述的方法，其中当所述头端(24)致动器(20)作用力大于所述杆端(26)致动器(20)作用力时检测到转换到所述轻阻力性负载状态8.一种液压系统(10)，其包括: 液压致动器(20)，其具有头端(24)、杆端(26)以及在所述头端和所述杆端之间的活塞(34); 栗(11)，其将流体栗送至所述致动器(20)的所述头端(24); 第一阀(44)，其经由流体联接在所述致动器(20)的所述杆端(26)和所述栗(11)之间； 和第二阀(36)，其经由流体联接在所述栗(11)和所述致动器(20)的所述头端(24)之间；其中，当所述系统(10)处于第一配置时，所述第二阀(36)位于所述第一阀(44)的下游且处于限制合并流体的流动的部分打开位置，所述合并流体包括从所述栗(11)接收的流体和通过所述第一阀(44)从所述致动器(20)的所述杆端(26)接收的流体，其中，进一步而言，当所述系统(10)处于所述第一配置时，所述头端(24)接收合并流体。9.根据权利要求8所述的系统(10)，其中所述系统(10)具有第二配置，在所述第二配置中，所述第二阀(36)位于所述第一阀(44)的下游并且处于允许所述合并流体流动通过所述第二阀(36)的打开位置。10.根据权利要求9所述的系统(10)，其进一步包括: 控制器(53); 第一压力传感器(29)，其设置在所述致动器(20)的所述杆端(26)和所述第一阀(44)之间；和 第二压力传感器(27)，其设置在所述第二阀(36)和所述致动器(20)的所述头端(24)之间， 其中所述第一压力传感器(29)和第二压力传感器(27)能够操作地连接至所述控制器(53)以将信号发送到指示所述致动器(20)的测量的流体压力的控制器(53)，其中所述控制器(53)具有存储器(54)，所述存储器(54)具有存储在其中的程序，其至少部分地基于由所述控制器(53)从所述第一压力传感器(29)和第二压力传感器(27)接收的信号来检测所述液压系统(10)是否处于超载状态、轻阻力性负载状态或重阻力性负载状态。
【文档编号】E02F9/14GK105899736SQ201580004115
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】J·张, P·马, V·穆鲁吉桑, T·尚, B·J·希尔曼
【申请人】卡特彼勒公司