具有贮存器和可变释放功能的能量回收系统的制作方法
【专利摘要】公开一种用于机器（10）的摆动能量回收系统（50）。摆动能量回收系统可具有被构造成加压流体的泵（58）、通过来自泵的加压流体流驱动的马达（49）和被构造成接收从马达排放的加压流体并将加压流体选择性地供应到马达的能量回收布置（104）。选择器阀（120）、填充阀（122）和排放阀（124）可以选择性地用于填充和排放至少一个贮存器（108、110）。摆动能量回收系统还可具有与马达相关的压力释放阀（146）和与能量回收布置和压力释放阀连通的控制器（100）。控制器可被构造成根据能量回收布置的操作状况选择性地调节压力释放阀的设置。
【专利说明】具有贮存器和可变释放功能的能量回收系统
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及一种液压系统，并特别是涉及一种具有可变释放功能的摆动能量回收系统。
【背景技术】
[0002]例如液压挖掘机和前铲的摆动式挖掘机器需要很大的液压压力和流量，以便将材料从挖掘位置转移到倾卸位置。这些机器将高压流体从发动机驱动泵引导经过摆动马达以便在每次摆动开始时加速加载的作业工具，并且接着在每次摆动结束时限制离开马达的流体流以减缓和停止作业工具。
[0003]与这种液压布置相关的一个问题涉及效率。特别是，在每次摆动结束时离开摆动马达的流体由于加载作业工具的减速而处于相对高的压力下。除非回收，与高压流体相关的能量会被浪费。另外，在每次摆动结束时离开摆动马达的这种高压流体的限制会造成流体加热，这必须通过机器的增加冷却能力来适应。
[0004]改善摆动式机器的效率的一种尝试在2011年3月22日授权的Zhang等人的美国专利N0.7，908，852 (’ 852专利)中公开。’ 852专利公开一种用于包括贮存器的机器的液压控制系统。贮存器存储来自摆动马达的流出的油，该油已经通过机器的上部结构施加在运动的摆动马达上的惯性转矩加压。贮存器中的加压的油接着选择性地被重新使用，以便在随后摆动的过程中通过将累积的油供应回到摆动马达中来使摆动马达加速。
[0005]虽然’852专利的液压控制系统可以在一些情况下帮助改善摆动式机器的效率，它还不太理想。特别是，在’ 852专利中描述的贮存器的排放过程中，离开摆动马达的一些加压流体会仍具有被浪费的有用能量。另外，’ 852专利只设置用于单一释放压力设置，在一些情况下，例如在涉及贮存器的故障的情况下，这会有问题。
[0006]本发明的摆动能量回收系统针对克服以上提出的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。
【发明内容】
[0007]本发明的一个方面针对一种摆动能量回收系统。摆动能量回收系统可包括被构造成加压流体的泵、通过来自泵的加压流体流驱动的马达以及被构造成接收从马达排放的加压流体并将加压流体选择性地供应到马达的贮存器。第一阀可布置在贮存器和马达之间。第一阀能够响应于流体联接到马达的第一导管和第二导管之间的压力差运动。第二阀可以布置在贮存器和第一阀之间。第二阀能够选择性运动以允许从马达排放的流体进入贮存器。第三阀可以布置在贮存器和第一阀之间。第三阀能够选择性运动以允许从贮存器排放的流体进入马达。响应于马达的减速，第一阀能够运动到基于具有最高压力的相应的第一或第二导管将相应的第一或第二导管连接到贮存器并断开第一或第二导管的另一个与贮存器的连接的位置，第二阀能够运动到允许从马达排放的流体填充贮存器的位置，并且第三阀能够运动到防止从马达排放的流体进入贮存器的位置。响应于马达的加速，第一阀能够运动到基于具有最高压力的相应的第一或第二导管将相应的第一或第二导管连接到贮存器并断开第一或第二导管中的另一个与贮存器的连接的位置，并且第三阀能够运动到允许从贮存器排放的流体有助于马达加速的位置。
[0008]在另一方面，摆动能量回收系统还可包括与马达相关的压力释放阀，以及与能量回收布置和压力释放阀连通的控制器。控制器可被构造成根据能量回收布置的操作状况选择性地调节压力释放阀的设置。
[0009]本发明的另一方面针对一种控制机器的方法。该方法包括加压流体并引导加压流体经过马达以便摆动作业工具。该方法可包括从马达选择性地回收流体能量并根据马达加速和减速将回收的能量引导到马达。响应于马达减速，该方法包括运动第一阀到基于流体联接到马达的第一或第二导管的最高压力将相应导管连接到贮存器并断开另一导管与贮存器的连接的位置，运动第二阀到允许从马达排放的流体填充贮存器的位置，并运动第三阀到防止从马达排放的流体进入贮存器的位置。响应于马达加速，该方法可包括运动第一阀到基于流体联接到马达的第一或第二导管的最高压力将相应导管连接到贮存器并断开另一导管与贮存器的连接的位置，并运动第三阀到允许从贮存器排放的流体有助于马达加速的位置。
[0010]该方法还可包括通过能量回收布置从马达选择性地回收流体能量并将回收的流体能量引导到马达，并且在压力超过阈值压力时选择性地释放与马达连通的流体压力。该方法可另外包括根据能量回收布置的操作选择性地调节阈值压力。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是在工地与拖拉车辆一起操作的示例性公开机器的示意图；
[0012]图2是可以与图1的机器一起使用的示例性公开的摆动能量回收系统的示意图；
[0013]图3是可以通过图2的摆动能量回收系统使用的示例性公开的控制映射；以及
[0014]图4是可以与图1的机器一起使用的另一示例性公开的摆动能量回收系统的示意图。
【具体实施方式】
[0015]图1示出示例性机器10，其具有相互协作以挖掘土方材料并将土方材料加载到附近的拖拉车辆12的多个系统和部件。在一个例子中，机器10可体现为液压挖掘机。但是设想到机器10可体现为另一摆动式挖掘机或材料处理机器，例如背铲、前铲、拉索挖掘机或另一类似的机器。机器10可尤其包括被构造成在沟槽内或料堆处的挖掘位置18和倾卸位置20 (例如拖拉车辆12上方)之间运动作业工具16的执行系统14。机器10还可包括用于执行系统14的手动控制的操作站22。如果希望，设想到机器10可进行卡车装载之外的操作，例如起重、挖沟和材料处理。
[0016]执行系统14可包括通过流体致动器作用其上以运动作业工具16的联动结构。具体地，执行系统14可包括通过一对相邻、双作用液压缸28 (图1只示出一个)相对于作业表面26竖直枢转的吊杆24。执行系统14还可包括通过单个双作用液压缸36相对于吊杆24围绕水平枢转轴线32竖直枢转的挂杆30。执行系统14还可包括可操作地连接到作业工具16以便相对于挂杆30围绕水平枢转轴线40竖直倾斜作业工具16的单个双作用液压缸38。吊杆24可枢转地连接到机器10的框架42，而框架42可枢转地连接到底架构件44并通过摆动马达49围绕竖直轴线46摆动。挂杆30可通过枢转轴线32和40将作业工具16枢转地连接到吊杆24。如果希望，设想到更多或更少数量的流体致动器可包括在执行系统14内，并且以以上描述之外的方式连接。
[0017]许多不同的作业工具16可附接到单个机器10，并能够经由操作站22控制。作业工具16可包括用来进行特殊任务的任何装置，例如铲斗、叉式布置、铲片、铲或本领域已知的任何其它任务进行装置。虽然在图1的实施方式中被连接成相对于机器10提升、摆动和倾斜，作业工具16可替代或另外地转动、滑动、伸展或以本领域已知的另一方式运动。
[0018]操作站22可被构造成从机器操作者接收指示希望的作业工具运动的输入。具体地，操作站22可包括一个或多个输入装置48，其例如体现为定位在操作者座椅(未示出)近侧的单轴或多轴操纵杆。输入装置48可以是比例式控制器，其被构造成通过产生指示希望的作业工具速度和/或特定方向上的力的作业工具位置信号来定位和/或定向作业工具16。位置信号可用来致动液压缸28、36、38和/或摆动马达49中的任何一个或多个。设想到不同输入装置可替代或另外包括在操作站22内，例如方向盘、手柄、推拉装置、开关、踏板和本领域已知的其它操作者输入装置。
[0019]如图2所示，机器10可包括具有相互协作以便运动执行系统14的多个流体部件的摆动能量回收系统50 (参考图1)。特别是，摆动能量回收系统50可包括与摆动马达49相关的第一回路52和与液压缸28、36和38相关的至少第二回路54。第一回路52可尤其包括连接成按照经由输入装置48接收的操作者要求来调节从泵58到摆动马达49以及从摆动马达49到低压罐60的加压流体流以造成作业工具16围绕轴线46的摆动运动的摆动控制阀56 (参考图1)。第二回路54可包括类似的控制阀，例如吊杆控制阀(未示出)、挂杆控制阀(未示出)、工具控制阀(未示出)、行驶控制阀(未示出)和/或并行连接以接收来自泵58的加压流体并将废弃流体排放到罐60的辅助控制阀，由此调节相应的致动器(例如液压缸 28,36 和 38)。
[0020]摆动马达49可包括至少部分形成定位在推进器64的任一侧的第一腔室和第二腔室(未示出)的壳体62。在第一腔室连接到泵58的输出(例如经由形成在壳体62内的第一腔室通道66)且第二腔室连接到罐60 (例如经由形成在壳体62内的第二腔室通道68)时，推进器64可被驱动以便在第一方向上转动(图2所示)。相反，在第一腔室经由第一腔室通道66连接到罐60且第二腔室经由第二腔室通道68连接到泵58时，推进器64可以被驱动以便在相反方向(未示出)上转动。经过推进器64的流体的流速可与摆动马达49的转动速度相关，而推进器64上的压力差可与其输出转矩相关。
[0021]摆动马达49可包括内置的补充和释放功能。特别是，补充通道70和释放通道72可在第一腔室通道66和第二腔室通道68之间形成在壳体62内。一对相对的止回阀74和一对相对的释放阀76可分别布置在补充通道70和释放通道72内。低压通道78可在止回阀74之间以及释放阀76之间的位置处连接到每个补充通道70和释放通道72。根据低压通道78和第一和第二腔室通道66、68之间的压力差，止回阀74中的一个可打开，以允许流体从低压通道78进入第一和第二腔室中的较低压力的一个腔室内。类似地，根据第一和第二腔室通道66、68和低压通道78之间的压力差，释放阀76中的一个可打开以允许流体从第一和第二腔室中的较高压力的一个腔室进入低压通道78。显著的压力差可在执行系统14的摆动运动的过程中通常存在于第一和第二腔室之间。
[0022]泵58可被构造成经由入口通道80从罐60抽吸流体，将流体加压到希望水平，并经由排放通道82排放流体到第一和第二回路52、54。如果希望，止回阀83可布置在排放通道82内，以便提供加压流体从泵58进入第一和第二回路52、54的单向流动。泵58可例如体现为可变排量泵(图1所示)、固定排量泵或本领域已知的另一来源。泵58可以通过例如副轴(未示出)、带(未示出)、电路(未示出)或以另一适当方式可驱动地连接到机器10的动力源(未示出)。替代地，泵58可经由转矩转换器、减速齿轮箱、电路或以任何其它适当方式间接连接到机器10的动力源。泵58可产生具有至少部分通过第一和第二回路52、54内的致动器的要求(与操作者所要求的运动相对应)确定的压力水平和/或流速的加压流体流。排放通道82可经由摆动控制阀56以及在摆动控制阀56和摆动马达49之间延伸的相应的第一和第二腔室导管84、86在第一回路52内连接到第一和第二腔室通道66、68。
[0023]罐60可构成被构造成保持流体的低压供应的存储器。流体可例如包括专用液压油、发动机润滑油、传动装置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系统可从罐60抽吸流体并将流体返回罐60。根据希望，设想到摆动能量回收系统50可连接到多个单独的流体罐或单个罐。罐60可经由排放通道88流体连接到摆动控制阀56，并经由摆动控制阀56和相应的第一和第二腔室导管84、86连接到第一和第二腔室通道66、68。罐60还可连接到低压通道78。如果希望，止回阀90可布置在排放通道88内，以促进流体进入罐60的单向流动。
[0024]摆动控制阀56可具有可动以控制摆动马达49转动和执行系统14的相应摆动运动的元件。具体地，摆动控制阀56可包括都布置在公共块体或壳体97内的第一腔室供应元件92、第一腔室排放元件94、第二腔室供应元件96和第二腔室排放元件98。第一和第二腔室供应元件92、96可以与排放通道82并行连接，以便调节其相应腔室通过来自泵58的流体填充，而第一和第二腔室排放元件94、98可与排放通道88并行连接，以便调节相应腔室排放流体。例如止回阀的补充阀99可布置在第一腔室排放兀件94的出口和第一腔室导管84之间以及第二腔室排放元件98的出口和第二腔室导管86之间。
[0025]为了驱动摆动马达49在第一方向上转动(图2所示)，第一腔室供应元件92可被转换以允许来自泵58的加压流体经由排放通道82和第一腔室导管84进入摆动马达49的第一腔室，而第二腔室排放元件98可被转换以允许来自摆动马达49的第二腔室的流体经由第二腔室导管86和排放通道88排放到罐60。为了驱动摆动马达49在相反方向上转动，第二腔室供应元件96可被转换以使摆动马达49的第二腔室与来自泵58的加压流体连通，而第一腔室排放元件94可被转换以允许来自摆动马达49的第一腔室的流体排放到罐60。如果希望，设想到摆动控制阀56的供应和排放功能(即四个不同的供应和排放元件)都可以替代地通过与第一腔室相关的单个阀元件和与第二腔室相关的单个阀元件进行，或者通过与第一和第二腔室都相关的单个阀元件进行。
[0026]摆动控制阀56的供应和排放元件92-98能够响应于通过控制器100发出的流速指令抵抗弹簧偏置通过电磁运动。特别是，摆动马达49可在与流体进入和离开第一和第二腔室的流速相对应的速度下转动。因此，为了实现操作者希望的摆动速度，基于假设或测量的压力的指令可被发送到供应和排放元件92-98的电磁装置(未示出)，造成其打开与经过摆动马达49的所需流速相对应的量。该指令可以是通过控制器100发出的流速指令或阀元件位置指令的形式。
[0027]控制器100可以与摆动能量回收系统50的不同部件连通，以调节机器10的操作。例如，控制器100可以与第一回路52内的摆动控制阀56的元件连通，并与和第二回路54相关的控制阀(未示出)的元件连通。根据多个操作者输入和监视参数，如下面更加详细描述，控制器100可被构造成以协调方式选择性地致动不同控制阀，以便有效地执行操作者所要求的执行系统14的运动。
[0028]控制器100可包括相互协作以完成根据本发明的任务的存储器、二次存储装置、时钟和一个或多个处理器。能够通过商业得到的多种微型处理器可被构造成执行控制器100的功能。应该理解到控制器100可容易体现为通用机器控制器，其能够控制机器10的多种其它功能。多种已知的回路可与控制器100相关，包括信号调节回路、通讯回路和其它适当回路。还应该理解到控制器100可包括一个或多个特定应用的集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、计算机系统和被构造成允许控制器100按照本发明操作的逻辑回路。
[0029]在一种实施方式中，通过控制器100监视的操作参数可以包括第一和/或第二回路52、54内的流体压力。例如，一个或多个压力传感器102可根据策略定位在第一腔室和/或第二腔室导管84、86内，以感测相应通道的压力，并产生指示引导到控制器100的压力的相应信号。根据希望，设想到任何数量的压力传感器102可放置在第一和/或第二回路52,54内的任何位置。如果希望，还设想到例如速度、温度、粘度、密度等其它操作参数也可或替代地得到监视并用来调节摆动能量回收系统50的操作。
[0030]摆动能量回收系统50可与和至少第一回路52连通的能量回收布置104配合。能量回收布置104可包括任何部件或部件组合，其被构造成从废弃流体(从摆动马达49排放)选择性地汲取和回收能量。例如，能量回收布置(ERA) 104可尤其包括回收阀组(RVB) 106，其能够在泵58、摆动马达49、被构造成经由RVB106与摆动马达49选择性连通的第一贮存器108以及同样被构造成与摆动马达49选择性连通的第二贮存器100之间流体连接。在公开的实施方式中，RVB106可固定和机械地连接到摆动控制阀56和摆动马达49之一或两者，例如直接连接到壳体62和/或直接连接到壳体97。RVB106可包括能够流体连接到第一腔室导管84的内部第一通道112和能够流体连接到第二腔室导管86的内部第二通道114。第一贮存器108可经由导管116流体连接到RVB106，而第二贮存器110可经由导管118流体连接到与罐60并行的排放通道78和88。
[0031]RVB106可容纳选择器阀120、与第一贮存器108相关的填充阀122和与第一贮存器108相关并与排放阀122并行布置的排放阀124。选择器阀120可根据第一和第二通道112、114的压力选择性地将第一和第二通道112、114之一与填充和排放阀122、124流体连通。填充和排放阀122、124能够响应于来自控制器100的指令运动，以便将第一贮存器108与选择器阀120选择性流体连通，以便流体填充和排放目的。
[0032]选择器阀120可以是先导操作的2位置三通阀，其能够响应于第一和第二通道112,114内的流体压力(即响应于摆动马达49的第一和第二腔室内的流体压力)运动。特别是，选择器阀120可包括阀元件126，其能够从第一通道112经由内部通道128流体连接到填充和排放阀122、124的第一位置(图2所示)朝着第二通道114经由通道128流体连接到填充和排放阀122、124的第二位置(未示出)运动。在第一通道112经由通道128流体连接到填充和排放阀122、124时，流过第二通道114的流体可通过选择器阀120防止，并且反之亦然。第一和第二先导通道130、132可将来自第一和第二通道112、114的流体连通到阀元件126的相对端，使得第一或第二通道112、114的较高压力的通道可造成阀元件126运动，并经由通道128将相应通道与填充和排放阀122、124流体连接。
[0033]填充阀122可以是电磁操作的可变位置的两通阀，其能够响应于来自控制器100的指令运动，以允许来自通道128的流体进入第一贮存器108。特别是，填充阀122可包括阀元件134，其能够从防止流体从通道128流入第一贮存器108的第一位置(图2所示)朝着通道128流体连接到第一贮存器108的第二位置(未示出)运动。在阀元件134远离第一位置(即位于第二位置或在第一和第二位置之间的另一位置)并且通道128内的流体压力超过第一贮存器108内的流体压力时，来自通道128的流体可填充(即填充)第一贮存器108。阀元件134可朝着第一位置弹簧偏压，并能够响应于来自控制器100的指令运动到第一和第二位置之间的任何位置，由此改变流体从通道128到第一贮存器108内的流速。止回阀136可布置在填充阀122和第一贮存器108之间，以便提供流体经由填充阀122进入贮存器108的单向流动。
[0034]排放阀124的构造可以与填充阀122大致相同，并能够响应于来自控制器100的指令运动，以允许来自第一贮存器108的流体进入通道128 (B卩排放)。特别是，排放阀124可包括阀元件138，其能够从防止来自第一贮存器108的流体进入通道128的第一位置(未示出)朝着第一贮存器108流体连接到通道128的第二位置(图2所示)运动。在阀元件138远离第一位置(即位于第二位置或第一和第二位置之间的另一位置)并且第一贮存器108内的流体压力超过通道128内的流体压力时，来自第一贮存器108的流体可流入通道128。阀元件138可朝着第一位置弹簧偏压，并能够响应于来自控制器100的指令运动到第一和第二位置之间的任何位置，由此改变流体从第一贮存器108进入通道128的流速。止回阀140可布置在第一贮存器108和排放阀124之间，以提供流体经由排放阀124从贮存器108进入通道128的单向流动。
[0035]附加的压力传感器102可与第一贮存器108相关，并且如果希望，被构造成产生指示第一贮存器108内的流体压力的信号。在公开的实施方式中，附加的压力传感器102可布置在第一贮存器108和排放阀124之间。但是，如果希望，设想到附加的压力传感器102可替代地布置在第一贮存器108和排放阀122之间，或者直接连接到第一贮存器108。来自附加的压力传感器102的信号可被引导到控制器100，以便在填充和/或排放阀122、124的调节操作中使用。
[0036]第一和第二贮存器108、110可分别体现为填充可压缩气体的压力容器，其被构造成存储加压流体以便摆动马达49将来使用。可压缩气体可包括例如氮、氩、氦或另一适当可压缩气体。当与第一和第二贮存器108、110连通的流体超过第一和第二贮存器108、110的预定压力，流体可流入贮存器108、110。由于其中的气体是可压缩的，它可以用作弹簧，并随着流体流入第一和第二贮存器108、110压缩。在导管116、118内的流体压力降低到第一和第二贮存器108、110的预定压力以下时，压缩气体可膨胀并迫使第一和第二贮存器108、110内的流体离开。如果希望，设想到第一和第二贮存器108、110可替代地体现为薄膜/弹簧偏压或囊体式贮存器。
[0037]在公开的实施方式中，与第二贮存器110相比，第一贮存器108可以是更大(即大大约5-20倍)和更高压力(即大约5-60倍的更高压力)的贮存器。具体地，第一贮存器108可被构造成聚集多达大约50-100L的流体(具有大约260 - 300巴的范围内的压力)，而第二贮存器110可被构造成聚集多达大约IOL的流体(具有大约5-30巴的范围内的压力)。在此构型中，第一贮存器108可主要用来帮助摆动马达49运动，并改善机器效率，而第二贮存器可主要用作补充贮存器，以帮助减小摆动马达49处空穴的可能性。但是，如果希望，设想到其他体积和压力可通过第一和/或第二贮存器108、110适应。
[0038]控制器100可被构造成选择性地造成第一贮存器108填充和排放，由此改善机器10的性能。特别是，通过摆动马达49开始的执行系统14的典型摆动运动可包括在其过程中摆动马达49加速执行系统14的摆动运动的时间段和摆动马达49减速执行系统14的摆动运动的时间段。加速段会需要来自摆动马达49的相当大的能量，这通常通过经由泵58供应到摆动马达49的加压流体来实现，而减速段可产生加压流体形式的相当大的能量，这通常经由排放到罐53浪费。如果在减速段的过程中经过摆动马达49的流体选择性地收集在第一贮存器108内，该能量可接着在随后的加速段的过程中返回到(即排放)摆动马达49并通过摆动马达49重新使用。摆动马达49可在加速段的过程中通过选择性地造成第一贮存器108将加压流体单独或与来自泵58的高压流体一起地排放到摆动马达49的较高压力腔室(经由排放阀124、通道128、选择器阀120和第一和第二腔室导管84、86中的适当一个)来辅助，由此与单独经由泵58的可能情况相比，通过较小的泵功率以相同或更大的速度推进摆动马达49。摆动马达49可以在减速段的过程中通过选择性地造成第一贮存器108通过离开摆动马达49的流体填充来辅助，由此为摆动马达49的运动提供附加阻力，并减小离开摆动马达49的流体的限制和冷却需要。
[0039]在替代实施方式中，控制器100可以被构造成选择性地控制第一贮存器108通过离开泵58的流体而不是离开摆动马达49的流体填充。即，在操作的调峰或经济模式的过程中，控制器100可被构造成在泵58具有过大能力(即大于摆动马达49需要完成操作者所要求的作业工具16的当前摆动的能力)时，使得贮存器108通过离开泵58 (例如经由控制阀56、第一和第二腔室导管84、86中的适当一个、选择器阀126、通道128和填充阀122)填充。接着，在泵58不具有为摆动马达49充分供能的足够能力时的过程中，之前在第一贮存器108内从泵58收集的高压流体可以以上描述的方式排放，以辅助摆动马达49。
[0040]控制器100可被构造成根据机器10的挖掘作业循环的当前或正在进行段来调节第一贮存器108的填充和排放。特别是，根据从一个或多个性能传感器141接收的输入，控制器100可被构造成将通过机器10进行的典型作业循环分成多个段，例如分成挖掘段、摆动-倾卸加速段、摆动-倾卸减速段、倾卸段、摆动-挖掘加速段和摆动-挖掘减速段，如下面更详细描述。根据当前正在进行的挖掘作业循环的段，控制器100可选择性地造成第一贮存器108填充或排放，由此在加速和减速段的过程中辅助摆动马达49。
[0041]将来自传感器141的信号与挖掘作业循环的不同段相关的一个或多个映射可存储在控制器100的存储器内。每个这些映射可包括表格、图表和/或等式形式的数据收集。在一个例子中，与一个或多个段的开始和/或结束相关的阈值速度、缸压力和/或操作者输入(例如杆位置)可存储在映射内。在另一例子中，与一个或多个段的开始和/或结束相关的阈值力和/或致动器位置可存储在映射内。控制器100可被构造成将来自传感器141的信号与存储在存储器内的映射参照，以确定当前正在实施的挖掘作业循环的段，并接着相应地调节第一贮存器108的填充和排放。控制器100可允许机器10的操作者直接调整这些映射和/或从存储在控制器100的存储器内的可用关系映射选择具体映射来根据希望实现段分割和贮存器控制。如果希望，设想到映射可另外或替代地根据机器操作的模式自动选择。
[0042]传感器141可与通过摆动马达49赋予的作业工具16的大致水平摆动运动(即框架42相对于底架构件44的运动)相关。例如，传感器141可体现为与摆动马达49的操作相关的转动位置或速度传感器、与框架42和底架构件44之间的枢转连接相关的角度位置或速度传感器、与将作业工具16连接到底架构件44的任何联动构件相关或与作业工具16本身相关的当地或全球坐标位置或速度传感器、与操作者输入装置48的运动相关的位移传感器或可以产生指示摆动位置、速度、力或机器10的与摆动相关的其他参数的信号的本领域已知的任何其他类型的传感器。通过传感器141产生的信号可以在每次挖掘作业循环的过程中发送到控制器100并通过控制器100记录。如果希望，设想到控制器100可根据来自传感器141的位置信号和流逝时间周期来导出摆动速度。
[0043]替代或另外，传感器141可与液压缸28赋予的作业工具16的竖直枢转运动相关(即与吊杆24相对于框架42的提升和降低运动相关)。具体地，传感器141可以是与吊杆24和框架42之间的枢转接头相关的角度位置或速度传感器、与液压缸28相关的位移传感器、与将作业工具16连接到框架42的任何联动构件相关或与作业工具16本身相关的当地或全球坐标位置或速度传感器、与操作者输入装置48的运动相关的位移传感器或可以产生指示吊杆24的枢转位置或速度的信号的本领域已知的任何其他类型的传感器。如果希望，设想到控制器100可根据来自传感器141的位置信号和流逝的时间周期来导出枢转速度。
[0044]在另外的附加实施方式中，传感器141可与通过液压缸38赋予的作业工具16的倾斜力相关。具体地，传感器141可以是与液压缸38内的一个或多个腔室相关的压力传感器或者是可以产生指示作业工具16的挖掘和倾卸操作过程中产生的机器10的倾斜力的信号的本领域已知的任何其他类型的传感器。
[0045]参考图3，示例性曲线142可表示相对于挖掘作业循环的每个段(例如在与90度卡车装载相关的作业循环)上的时间通过传感器141产生的摆动速度信号。在大多数挖掘段的过程中，摆动速度可通常为大约零(即机器10可通常在挖掘操作过程中不摆动)。在挖掘行程完成时，机器10通常被控制以便朝着等待的拖拉车辆12摆动作业工具16(参考图1)。因此，机器10的摆动速度可开始朝着挖掘段的结束增加。随着挖掘作业循环的摆动-倾斜段逐渐进行，摆动速度可在作业工具16位于挖掘位置18和倾卸位置20之间的大致中间时加速到最大，并且接着朝着摆动-倾卸段的结束减速。在大多数倾卸段的过程中，摆动速度可通常为大约零(即机器10可通常在倾卸操作过程中不摆动)。在倾卸完成时，机器10可以通常被控制以使作业工具16朝着挖掘位置18摆动返回(参考图1)。因此，机器10的摆动速度可朝着倾卸段的结束增加。随着挖掘循环的摆动-挖掘段逐渐进行，摆动速度可在挖掘循环的摆动-倾卸段的过程中在与摆动方向相反的方向上加速到最大。该最大速度通常可在作业工具16位于倾卸位置20和挖掘位置18之间的大致中间时实现。随着作业工具16靠近挖掘位置18，作业工具16的摆动速度可接着朝着摆动-挖掘段的结束减速。控制器100可根据从传感器141接收的信号和存储在存储器内的映射、根据针对之前的挖掘作业循环记录的摆动速度、倾斜力和/或操作者输入或以本领域已知的任何其他方式将当前挖掘作业循环分成如上所述的六个段。
[0046]控制器100可根据挖掘作业循环的当前或正在进行的段来选择性地造成第一贮存器108填充和排放。例如，图3的图表部分144 (即下部)表示可以在其期间完成挖掘循环的操作的六种不同模式，同时还相对于每个挖掘作业循环的段，指出何时控制第一贮存器108以便通过加压流体填充(通过“C”表示)，或者排放加压流体(通过“D”表示)。第一贮存器108可被控制以便在通道128内的压力大于第一贮存器108内的压力时通过使填充阀的阀元件134运动到第二或流过位置来通过加压流体填充。第一贮存器108可被控制以便在第一贮存器108内的压力大于通道128内的压力时通过使阀元件138运动到第二或流过位置来排放加压流体。
[0047]根据图3的图表，可以进行一些总体观察。首先，可以看到控制器100可防止第一贮存器108在操作的所有模式的挖掘和倾卸段的过程中接收或排放流体(即在挖掘和倾卸段的过程中，控制器100可将阀元件134和138保持在阻断流动的第一位置上)。控制器100可在挖掘和倾卸段的过程中防止填充和排放，因为在挖掘作业循环的这些部分完成的过程中不需要或几乎不需要摆动运动。其次，对于大多数模式(例如对于模式2-6)，控制器100在其期间造成第一贮存器108接收流体的段的数量可大于控制器100在其期间造成第一贮存器108排放流体的段的数量。控制器100可通常造成第一贮存器108比排放更经常地填充，因为足够高压力下(即大于第一贮存器108的阈值压力的压力下)可用的填充能量的大小可小于执行系统14运动过程中所需的能量大小。第三，对于所有模式，控制器100在其期间造成第一贮存器108排放流体的段的数量可小于或等于控制器100在其期间造成第一贮存器108接收流体的段的数量。第四，对于所有模式，控制器100可造成第一贮存器108只在摆动-挖掘或摆动-倾卸加速段的过程中排放流体。在挖掘循环的任何其它段的过程中的排放可只用来减小机器效率。第五，对于大部分操作模式(例如对于模式1-4)，控制器100可造成第一贮存器108只在摆动-挖掘或摆动-倾卸减速段的过程中接收流体。
[0048]模式I可与加强摆动操作相对应，其中大量摆动能量可用于通过第一贮存器108存储。示例性的加强摆动操作可包括150度ο (或更大)的摆动操作，例如图1所示的卡车装载的例子、材料处理(例如使用抓斗或磁体)、从附近料堆的料斗供给或其中机器10的操作者通常需要急速停止-前进的指令的另一操作。在以模式I操作时，控制器100可被构造成在摆动-倾卸加速段的过程中造成第一贮存器108排放流体到摆动马达49，在摆动-倾卸减速段的过程中从摆动马达49接收流体，在摆动-挖掘加速段的过程中排放流体到摆动马达49并在摆动-挖掘减速段的过程中从摆动马达49接收流体。
[0049]控制器100可通过机器10的操作者命令当前进行第一操作模式(例如正在进行卡车装载)，或者替代地，控制器100可根据经由传感器141监视的机器10的性能自动识别第一模式中的操作。例如，控制器100可监视执行系统14在停止位置之间(即挖掘和倾卸位置18和20之间)的摆动角度，并且在摆动角度反复大于阈值角度时，例如大于大约150度时，控制器100可确定进行第一操作模式。在另一例子中，输入装置48的操控可经由传感器141监视，以检测指示模式I操作的“粗略”输入。特别是，如果在短时间段内(例如大约2秒或更小)输入反复从低阈值以下(例如大约10%的杆指令)运动到高阈值水平以上(例如大约100%的杆指令)，输入装置48可被认为以粗略方式输入，并且控制器100可响应地确定进行第一操作模式。在最后例子中，控制器100可例如在反复达到阈值压力时根据循环和/或贮存器100内的压力来确定进行第一操作模式。在此最后例子中，阈值压力可是最大压力的大约75%。
[0050]模式2-4可总体上与摆动操作相对应，其中只有有限量的摆动能量可用于通过第一贮存器108存储。具有有限量的能量的示例性摆动操作可包括90度卡车装载、45度挖沟、夯实或缓慢和平稳起重。在这些操作的过程中，流体能量会需要在可以大量排放累积能量之前从挖掘作业循环的两个或更多段累积。应该注意到，虽然模式4被示出为允许从第一贮存器108的排放的两个段，一个段(例如摆动-倾卸段)可只允许累积能量的部分排放。如同以上描述的模式1，模式2-4可通过机器10的操作者手动触发，或者替代地，根据经由传感器141监视的机器10的性能自动触发。例如，在确定机器10反复摆动经过小于大约100度的角度，控制器100可确定进行模式2-4中的一个模式。在另一例子中，控制器100可根据操作者要求的吊杆运动小于阈值量(例如对于模式2或4小于大约80%的杆指令)和/或作业工具倾斜小于阈值量(例如对于模式3或4小于大约80%的杆指令)来确定进行模式 2-4。
[0051]在模式2的过程中，控制器100可只在摆动-倾卸加速段的过程中造成第一贮存器108排放流体到摆动马达49，在摆动-倾卸减速段的过程中从摆动马达49接收流体，并在摆动-挖掘减速段的过程中从摆动马达49接收流体。在模式3的过程中，控制器100可造成第一贮存器108在摆动-倾卸减速段的过程中从摆动马达49接收流体，只在摆动-挖掘加速段的过程中排放流体到摆动马达49，并在摆动-挖掘减速段的过程中从摆动马达49接收流体。在模式4的过程中，控制器100可造成第一贮存器108在摆动-倾卸加速段的过程中只将之前回收的流体的一部分排放到摆动马达49，在摆动-倾卸减速段的过程中从摆动马达49接收流体，在摆动-挖掘加速段的过程中排放流体到摆动马达49，并在摆动-挖掘减速段的过程中从摆动马达49接收流体。
[0052]模式5和6可以已知为经济或调峰模式，其中在挖掘作业循环的一个段的过程中通过泵58产生并被存储以便在小于足够流体能量的另一段的过程中使用的过多流体能量(流体能量超过根据操作者要求充分驱动摆动马达49所需的大小)可用于希望的摆动操作。在这些操作模式中，在可以得到过多流体能量时，控制器100可在摆动加速段的过程中(例如在摆动-倾卸或摆动-挖掘加速段)造成第一贮存器108通过来自泵58的加压流体填充。控制器100可接着在可用的能量不太足够时的另一加速段的过程中造成第一贮存器108排放累积的流体。具体地，在模式5的过程中，对于总共三个填充段和一个排放段来说，控制器100可造成第一贮存器108只在摆动-倾卸加速段的过程中排放流体到摆动马达49，并在摆动-倾卸减速段的过程中从摆动马达49接收流体，在摆动-挖掘加速段的过程中从泵58接收流体，并在摆动-挖掘减速段的过程中从摆动马达49接收流体。在模式6的过程中，控制器100可造成第一贮存器108在摆动-倾卸加速段的过程中从泵58接收流体，在摆动-倾卸减速段的过程中从摆动马达49接收流体，在摆动-挖掘加速段的过程中排放流体到摆动马达49并在摆动-挖掘减速段的过程中从摆动马达49接收流体。
[0053]应该注意到控制器100可在第一贮存器108的填充和排放过程中通过第一腔室导管84、第二腔室导管86和第一贮存器108内的流体压力限制。即，即使特定操作模式过程中的机器10的作业循环内的特定段会需要第一贮存器108填充或排放，控制器100可只允许在相关压力具有相应值时实施该动作。例如，如果传感器102指示第一贮存器108内的流体压力在第一腔室导管84内的流体压力以下，控制器100不会允许开始第一贮存器108排放到第一腔室导管84内。类似地，如果传感器102指示第二腔室导管86内的流体压力小于第一贮存器108内的流体压力，控制器100不会允许开始第一贮存器108通过来自第二腔室导管86的流体填充。不仅示例性的过程不能在相关压力不适当的特定时刻实施，而且实施该过程的尝试会造成不希望的机器性能。
[0054]在加压流体从第一贮存器108排放到摆动马达49的过程中，离开摆动马达49的流体可仍具有升高的压力，如果允许排放到罐60，会被浪费。此时，第二贮存器110可被构造成在第一贮存器108排放流体到摆动马达49的任何时刻通过离开摆动马达49的流体填充。另外，在第一贮存器108的填充过程中，摆动马达49可能从泵58接收过少的流体，并且除非通过其它方式补充，在这些状况下，从泵58到摆动马达49的不充分的流体供应可造成摆动马达49形成空穴效应。因此，第二贮存器110可被构造成在第一贮存器108通过来自摆动马达49的流体填充的任何时刻排放到摆动马达49。
[0055]如上所述，第二贮存器110可在排放通道78内的压力降低到第二贮存器110内的流体压力以下的任何时刻排放流体。因此，流体从第二贮存器110排放到第一回路52内不能经由控制器100直接调节。但是，由于第二贮存器110可在排放通道88内的压力超过第二贮存器110内的流体压力时通过来自第一回路52的流体填充，并且由于控制阀56可影响排放通道88内的压力，控制器100可经由控制阀56对于第二贮存器110通过来自第一回路52的流体填充进行一些控制。
[0056]在一些情况下，第一和第二贮存器108、110都可以同时通过加压流体填充。这些情况可例如与调峰模式中(即在模式5和6中)的操作相对应。特别是，第二贮存器100可以在泵58提供加压流体到摆动马达49和第一贮存器108时(例如在模式5的摆动-挖掘加速段的过程中和/或在模式6的摆动-倾卸加速段的过程中)通过加压流体同时填充。此时，离开泵58的流体可被引导到第一贮存器108内，而离开摆动马达49的流体可被引导到第二贮存器110内。
[0057]如果希望，第二贮存器110可在状况允许时经由第二回路54填充。特别是，在来自第二回路54的废弃流体(即从第二回路54排放到罐60的流体)具有大于第二贮存器110的阈值压力的任何时刻，废弃流体可被收集在第二贮存器110内。以类似的方式，在第二回路54内的压力降低到第二贮存器110内收集的流体压力以下时，第二贮存器110内的加压流体可被选择性地排放到第二回路54内。
[0058]图4示出摆动能量回收系统50的替代实施方式。类似于图2的实施方式，图4的摆动能量回收系统50可包括经由摆动控制阀56流体连接到摆动马达49的泵58以及布置在摆动马达49和摆动控制阀56之间的能量回收布置104，以便选择性地从摆动马达49回收流体能量并增加摆动马达49的性能。但是，与图2的实施方式相比，摆动马达49内的两个压力释放阀76可通过另外的成对止回阀74代替，允许流体从第一和第二腔室导管84、86经过释放通道72流入低压通道78的单向流动。另外，单个压力释放阀146可在另外的成对止回阀74和低压通道78之间插入释放通道72内。
[0059]压力释放阀146可以是本领域已知的任何类型的多设置(例如双设置或可变设置)的释放阀。压力释放阀146可包括能够在第一位置和第二位置之间运动的阀元件148，在第一位置上，防止来自释放通道72的流体流入低压通道78，在第二位置上，允许流体从释放通道72经过压力释放阀146进入低压通道78。阀元件148能够在释放通道72内的压力超过作用在阀元件148上的闭合力时运动离开第一位置，并能够运动到与压力幅值相关的流过位置(即第一和第二位置之间的位置)。例如，在正常操作状况的过程中，在释放通道72内的压力接近或超过第一贮存器108的最小或较低压力阈值时(例如在压力超过大约305巴的裂开压力时)，阀元件148可开始从第一位置朝着第二位置运动，并大致在压力接近大约315巴的最大压力设置时完全实现第二位置。在此例子中，在正常操作状况的过程中，压力释放阀146可具有等于大约310巴的平均压力设置。
[0060]压力释放阀146的设置(即裂开、最大和/或平均压力设置)可通过控制器100选择性地改变。例如，在控制器100确定存在异常状况时，控制器100可降低压力释放阀146的压力设置，以便在异常状况的过程中帮助保护摆动能量回收系统50的部件。在本发明的例子中，控制器100可在异常状况的过程中电气、机械、流体和/或气动地调节作用在阀元件148上的闭合力，使得在释放通道72内的压力达到大约280巴时(即使得压力释放阀146具有大约280巴的较低裂开压力设置)，阀元件148开始从第一位置朝着第二位置运动，并在压力达到大约290巴时(即在压力达到大约290巴的最大压力设置时)完全实现第二位置。在异常状况的过程中，压力释放阀146可以通过控制器100调节，以便具有等于大约285巴的平均压力设置。
[0061]控制器100在其期间减小压力释放阀146的压力设置的异常状况可以与能量回收布置104的功能相关。具体地，在控制器100确定能量回收布置104根据希望操作时(即正常地)，控制器100可保持压力释放阀146的较高压力设置。但是，在控制器100确定能量回收布置104已经出现或将要出现故障时，控制器100可响应地减小压力释放阀146的压力设置。根据能量回收布置104的多种测量和/或计算性能参数，例如根据通过传感器102产生的压力和/或温度信号和/或根据本领域已知的其它参数，控制器100可确定能量回收布置104已经出现或将要出现故障。即在压力、温度、摆动马达速度、密度、粘度和/或与能量回收布置104相关的其它性能参数偏离期望范围时，控制器100可确定已经出现或将要出现故障，并响应地减小压力释放阀146的一个或多个压力设置。
[0062]控制器100可进一步被构造成在异常操作状况的过程中基本上隔离或停用能量回收布置104。具体地，在控制器100确定能量回收布置104已经出现或将要出现故障时，控制器100可被构造成使得填充和排放阀122、124防止流体流入或流出第一贮存器108。在防止流体流过填充和排放阀122、124时，能量回收布置104可对于摆动马达49的操作具有很小的影响(如果有的话)。应该注意到，不管能量回收布置104的功能，第二贮存器110可总是保持能够与摆动马达49流体连通(即在能量回收布置104故障的过程中，第二贮存器110不能与摆动马达49隔离)。
[0063]工业实用性
[0064]本发明的摆动能量回收系统可适用于执行涉及作业工具的摆动运动的大致重复作业循环的任何挖掘机器。本发明的摆动能量回收系统可有助于根据当前操作模式在作业循环的不同段的过程中通过辅助作业工具的摆动加速和减速改善机器性能和效率。另外，本发明的摆动能量回收系统可根据能量回收系统的操作状况通过选择性地减小释放阀压力设置提供失效保护功能。[0065]多种优点可与本发明的摆动能量回收系统相关。首先，由于摆动能量回收系统50可利用高压贮存器和低压贮存器(即第一和第二贮存器108、110)，在挖掘作业循环的加速段的过程中从摆动马达49排放的流体可回收在第二贮存器110内。这种能量的双重回收可有助于增加机器10的效率。其次，第二贮存器110的使用可有助于减小摆动马达49处的空穴的可能性。第三，根据挖掘作业循环的当前段和/或当前操作模式来调节贮存器填充和排放的能力可允许摆动能力回收系统50针对特定应用来调整机器10的摆动性能，由此增加机器性能和/或进一步改善机器效率。最后，通过使用多设置压力释放阀，本发明的能量回收系统的部件可在异常状况的过程中得到保护。
[0066]本领域普通技术人员将明白针对本发明的摆动能量回收系统可进行多种变型和改型。本领域普通技术人员从说明书的考虑和本发明的摆动能量回收系统的实践中明白其它的实施方式。意图在于说明书和例子只作为示例性考虑，真实范围通过以下权利要求及其等同物来指明。
【权利要求】
1.一种摆动能量回收系统(50),包括: 能够加压流体的泵(58); 通过来自泵的加压流体流驱动的马达(49)； 能够接收从马达排放的流体以及将流体排放到马达的贮存器(108); 布置在贮存器和马达之间的第一阀(120)，第一阀能够响应于流体连接到马达的第一导管(84)和第二导管(86)之间的压力差运动； 布置在贮存器和第一阀之间的第二阀(122)，第二阀能够选择性运动，以允许从马达排放的流体进入贮存器；以及 布置在贮存器和第一阀之间的第三阀(124)，第三阀能够选择性运动，以允许从贮存器排放的流体进入马达； 其中，响应于马达的减速，第一阀能够运动到基于具有最高压力的相应第一或第二导管将相应的第一或第二导管连接到贮存器并使得第一或第二导管中的另一个与贮存器断开连接的位置，第二阀能够运动到允许从马达排放的流体填充贮存器的位置，并且第三阀能够运动到防止从马达排放的流体进入贮存器的位置， 其中，响应于马达的加速，第一阀能够运动到基于具有最高压力的相应的第一或第二导管将相应的第一或第二导管连接到贮存器并使得第一或第二导管中的另一个与贮存器断开连接的位置，并且第三阀能够运动到允许从贮存器排放的流体有助于马达加速的位置。
2.根据权利要求1所述的摆动能量回收系统，还包括流体连接在第一阀、第二阀和第三阀之间的公共通道(128)。
3.根据权利要求2所述的摆动能量回收系统，还包括布置在泵和第一阀之间的控制阀(56)。
4.根据权利要求1所述的摆动能量回收系统，还包括与马达相联的压力释放阀(146)，并且贮存器、第一阀、第二阀和第三阀限定能量回收布置；以及与压力释放阀连通的控制器(100)，控制器能够根据能量回收布置的操作状况选择性地调节压力释放阀的设置。
5.根据权利要求4所述的摆动能量回收系统，其中: 控制器能够: 在能量回收布置的正常操作状况的过程中，保持压力释放阀的设置大于贮存器的上压力阈值；以及 在能量回收布置的异常操作状况的过程中，将压力释放阀的设置减小到贮存器的平均操作压力。
6.根据权利要求5所述的摆动能量回收系统，其中，贮存器的上压力阈值是大约300巴，并且其中贮存器的平均操作压力是大约280巴。
7.根据权利要求5所述的摆动能量回收系统，其中: 贮存器包括高压贮存器(108 )，系统还包括低压贮存器(110 );并且 控制器能够: 在能量回收布置的正常操作状况的过程中，将压力释放阀的设置保持大于高压贮存器的上压力阈值；以及 在能量回收布置的异常操作状况的过程中，将压力释放阀的设置减小到高压贮存器的平均操作压力。
8.根据权利要求7所述的摆动能量回收系统，还包括能够产生指示能量回收布置的性能参数的信号的传感器(141)，其中控制器能够根据该信号确定已经出现故障或将要出现故障。
9.一种控制机器(10)的方法,包括: 加压流体； 引导加压流体经过马达(49)，以摆动作业工具(16)； 从马达选择性地回收流体能量并根据马达加速和减速将回收的流体能量引导到马达； 响应于马达减速，运动第一阀(120)到基于流体联接到马达的第一导管(84)或第二导管(86)的最高压力以便将相应导管连接到贮存器并断开另一导管与贮存器的连接的位置，运动第二阀(122)到允许从马达排放的流体填充贮存器的位置，并且运动第三阀(124)到防止从马达排放的流体进入贮存器的位置； 响应于马达加速，运动第一阀到基于流体联接到马达的第一或第二导管的最高压力以便将相应导管连接到贮存器并断开另一导管与贮存器的连接的位置，并运动第三阀到允许从贮存器排放的流体有助于马达加速的位置。
10.根据权利要求8所述的方法，其中: 在压力超过阈值压力时，选择性地释放与马达连通的流体的压力；并且根据由贮存器和第一阀、第二阀和第三阀限定的能量回收布置(104)的操作，选择性地调节阈值压力。
【文档编号】E02F9/22GK103732927SQ201280039377
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月28日
【发明者】章佼, D·陈, 马鹏飞, 尚同林, L·托内蒂, J·库恩 申请人:卡特彼勒公司