用于液压系统的能量回收与再利用技术的制作方法

专利名称：用于液压系统的能量回收与再利用技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可对液压致动器的液体流动进行控制的^E系统，该ffi^ 动器可以移动机器上的机械组件，尤其涉及从液压致动器中回收能量并且随后 禾佣回收的能量为ffi致动器供纟歸力。
背景技术：
建筑和农业设备利掛mE系棘操作各种机械部件。例如，挖掘机是一种常 用的具有支架的建筑机械，该支架一端与牵弓l车枢轴连接而另一端具有用于挖 土和其它物质的铲斗。缸组件用于升高和降低该支架，它包括一个带有活塞的 缸，该活塞在缸中划分出两个室。与活塞相连的杆连接到支架上，而缸与挖掘 机的主体相连。通过将杆从缸中向外伸展以及将杆朝缸中縮回实现支架的升高 与降低。其它的机器使用不同类型的液压致动器来推动机 ￡件。这里使用的术语 "液压致动器"通常指的是任何可将液压液体流动转化为机械运动的装置，例 如缸-活塞，或旋转马达。在缸组州申展和縮回的过程中，AA^中流出的加压液体经常由阀组〗權制进 入一个缸室中，而所有从另一，室中流出的液体M31该阀aAi通向系统液箱 的回流管。在某些情况下，作用在机器上的外部载荷或其它作用力使得缸组件 的伸展i缩回可以，不衛共显著的液体压力的情况下实现。,常称为超载。 以挖掘机为例，当铲斗充满了重物质时，支架可以只在重力的作用下降低。这种外部载荷使得液体从支架液压缸的一个室中流出，通过阀组件iSA液箱。与此同时，许多液体!她泵中汲取出来，M阀组件ax扩张的另一愤室中，尽管如此，由于iSA的液体不推动活塞，液体不需要保持显著的压力来推动支 架。在这种情况下，从缸中流出的液体还具有相当高的压力，因此该液体具有 能量，而该育^M常在液体压力M阀组件的过程中损失。为了使得机器的效率和经济操作达到最优化，值得将流出液体的能量回收， 而不是让它在阀组件中消耗掉。某些以前的液压系统将流出液^ll送到蓄液池 中，在那里它在压力下储存，用于以后为机器提供动力。尽管如此，高效率地 进行能量回收与再利用的困难在于储存的液压液体必须处于恰当的压力和容积 下来为致动器提供动力。流出液体的压力、体积以及蓄液池参数之间的关系实 时变化并决定了是否液体可以被储存。例如，如果作用在缸组件的外部载荷不 足以将流出液体加压至蓄液池的压力之上，则液体无法被储存。另一种瞎况下，当要求^顿曹液池中的液体时，蓄液池的压力、体积以及为 液压致动器提供动力的液体需求t间的实时关系决定了是否蓄液池中的液体可 以被使用。例如，如果^ffi致动器的载荷需要高于蓄液池的压力时，则回收的 液体无法被使用。同样的，如果液压致动器需要多于蓄液池中储存的液体体积 来推动自己，贝舰7徵行有效的操作。另一个限制因素是当^J5致动器从蓄液 池中消耗液体时，蓄液池的压力会下降，从而降低了剩下的液体为致动器掛共 动力的能力。因此，需要找到一种有效的技术来在fflE系统中实现會遣的回收和再利用。 发明内容液压系统具有第一和第二液压缸，二者机械地平fi^接来操作机器的部件， 每个液压缸具有第一和第二室。控制阀组件，例如由四个电液比例阀构成的惠 斯通电桥装置，具有第一和第二工作端口。第一工作端口与第一液压缸的第一 室连接，并与第二、ffli缸的室隔离。第二工作端口与第一和第二液压缸的第二 室连接。控制阀组件用于有选择性地将第一和第二工作端口与供给管和回流管 连接。液压系统的能量回收體包^ft工分离控制阀，用于控制第一^躯缸的第一 室和第二液压缸体的第一室之间的液体流动。蓄液池与回收控制阀连接，该控制阀控制流体从第二液压缸的第一室的进出。这使得由夕卜部负载压出第一室的 液体流至l谱液池而在那里在压力条件下储存。随后，储存的液体被用于驱动二 个液压缸中的一个^t全部。在另一方面，本发明提供第一泵与供给管连接。供给阀控制液体，二泵 流向第二液压缸的第一室的流动。通过关闭供给阀并打开缸分离控制阀，第一 液压缸和第二液压缸由控制阀组件协同控制。做为选择，关闭缸分离控制阀，第一ffi缸由控制阀组i银制，而第二MJira过打开供给阀来控制。在液压系统的一个优选的实施例中，工作端口分路控制阀与第一和第二工 作端口连接，使得流体直接在其间流动。在发明的另外一个方面，能量回收^g包括液压缸来操作机器的部件。能 量回收装置包括第一室和第二室。包括第一工作端口和第二工作端口的控制阀 组件与第一和第二室连接，这样第一工作端口与液压缸的第一室保持流体 ， 第二工作端口与液压缸的第二室保持流体,，这样控制阀组件的操作将第一 和第二工作端口的 ^择性地与供给管和回流管连接。工作端口分路控制阀 与第一工作端口和第二工作端口流体魏，以控制它们之间的液体流动。系统 包括蓄液池和回收控制阀，该控制阀控制液体从液压缸的第一室向蓄液池的流 动。


图1是根据本发明的包括液压系统的挖掘机的等轴观舰图； 图2是液压系统中操纵致动器部分的原理图，该致动器用于升高和降低挖 掘机支架；图3是支架液压系统又一实施例的原理图； 图4是支架瓶玉系统再一实施例的原理图；图5-9是图3的ffi系统实施例在不同的能量回收模式下的简略原理图； 图10-15是图3的液压系统实施例在不同的回收肖讀再禾,模式下的简略 原理图。
具体实施方式
虽然本发明在上下文中描述的是它在挖掘机中的4OT，它也可以在其它类型的Mffi操纵设备上实施。首先参照图1，挖掘机10由驾驶室11与支架组件12组成，其中驾驶室11 由履带支撑，支架组件12与驾驶室相连以进行上下运动。支架组件12被细分 为相互之间枢轴连接的支架13、臂14和铲斗15。支架13与驾驶室11相连接， 并可以在一处ffiftlia件16和17的驱动下绕枢轴上下运动，其中ffi缸组件 16和17在驾驶室和支架之间机械地平t，接。在典型的挖掘^Lh，组件16和 17的^E缸与驾驶室11相连接，而活Sff与支架13相连接，因此作用在支架 上的重力倾向于使活塞杆縮回缸内。尽管如此，缸组件的连接也可以是使得重 力倾向于使活塞杆从缸内伸出，即将描述的很多能量回收方、&iii可以用于这禾中 结构。由支架13的远端支撑的臂14可以前后摇摆，铲斗15与臂的彩詣枢轴连 接。另一对缸组件18和19独5i也操纵臂14和铲斗15。铲斗15可以用其它的 工作台替代。参照图2，挖掘机10上的缸组件16、 17、 18和19是第一液压系统20的一 部分，第一液压系统20具有液压液体源21，而fflE液体源21包括第一泵22 和液箱23。第一泵22推动液体从液箱23流出，并迫使液,压力下通过回流止回阀iaA供给管25中，其中供给管25为挖掘ah所有的ffi部fmf共加压液体。在用于为$舰部件例如用于升高和降低支架13的部件30鄉动力之后， 液体M回流管26流回液箱23中，在回流管26中液体通过弹簧加载的液箱止 回阀24加压。虽然舰系统10为挖掘机10的多个mE部^JIf共动力，注意力 应織中至技架部件30上以简舰育讀回收和再利用方法的描述。支架部件30 Sii控制液体从支架缸组件16和17中流入流出来实现支架13 的升高和斷氏，其中缸组件16和17分别具有MJ1缸和包括杆的活塞。第一支 架缸组件16包括带有第一活塞27的第一支架缸31 ，第一活塞27可滑动地放置 其中并将缸内部戈吩为连杆室33和位于活 目对侧的头室34。第二支架缸组件 17包括带有第二活塞29的第二支架缸32，第二活塞29可滑动地放置其中并将 缸内部划分为另一组连杆室36和位于活對目对侧的头室38。连杆室和头室的体 积会随着相关联的活塞在相应的缸中滑动而改变。在图1的挖掘机10中，齡 支架缸31或32与驾驶室11相连接，而旨活塞27或29分别Mil活塞杆35 或37与支架13相连接。连杆室33和36 S31ffi直接相连。双向的EHP缸分离控制阀39与头室34和38直接相连，，地与每个头室直接相连。关闭缸分离控制阀39会 室相互隔离，而打飛工分离控制阀39贝i底两个头室之间掛共一条直接的iM各。 这里定义的"控制阀"指的是由人手动操纵或由电操纵的阀。这里使用的术语 "直接相连"指的是相关联的部件通过管连接在一起，而不经过任何中间部件 例如阀，孔或其它器件，这些中间部件在管的固有约束之外会约束或控制液体 流动。这里提到的ffi组件直接与两个其它组件相连接指的是液压组件为液体 提供,各，使其在不流过控制阀组件或M供给管或回流管的情况下在两个其 它组件之间流动，其中液体通过供给管或回流管从其它液压部件流入和流出。这里提到的控制阀在液压系统的两个组件^;件之间提供直接的ie各指的是该 通路不包括其它控制阀。控制阀组件40将支架缸组件16和17与供给管和回流管25和26相连接， 雜制其中的液体流动。当控制阀组件40向支架缸31和32的头室34和38提 供加压液体和将液体从连杆室33和36中排出时，每根活,35和37从缸中 伸出，从而升高支架13。同样地，舰供给管25将加压鹏液体供应会链杆室 33和36以及将液体从头室34和38中排出会使得活,35和37縮回支架缸 31和32中，从而陶氐支架13。在通常称为动力作用下的伸域縮回过程中， 缸分离控制阀39处于打开的状态以实5M两^ft工组件16和17的一,纵。 控制阀组件40包括iiil惠,(Wheatstone)电桥相连接的四个电液比例 (EHP)控制阀41， 42， 43和44。可选的，螺线管操纵的伺服阀可以在四个 EHP控制阀41,中4顿。{雄的，齡EHP控制阀41,是液控的双向控制 阀，例如如美国专利No.6745992中描述的阀一样，在必要时包括传统的防空化 阀。第一 EHP控制阀41使得、ffi液体从供给管25 、駄第一工作端口 46中， 其中第一工作端口 46由第一致动器管47连接到位于第1:31的头室34与缸 分离控制阀39之间的节点51上。第二支架缸32的头室38与第一致动器管47 相连接，从而ffiil缸分离控制阀39与第一缸31的头室34相连接，其中缸分离 控制阀39将第一工作端口 46与头室38隔开并将两个头室相互隔开。第二 EHP 控制阀42控制第一工作端口 46到回流管26之间的液術充动。第三EHP控制 阀43控制液^供给管25与两1^虔杆室33、 36之间流动的3K各，其中连杆 室33和36通过第二致动器管49连接到第二工作端口 48。第四EHP控制阀44 在连杆室33 、 36与回流管26之间起连接作用。四个EHP控制阀41-44以及缸分离控制阀39是由螺线管^5:操纵的，而螺 线管系，制器50发出的电信号控制。M打开第一和第四EHP控制阀41和 44以及缸分离控制阀39，加压的液体itA头室34和38中而液体由连杆室33 和36中排出以伸长活塞杆35和37，并升高支架13。同样的，打开第3噍三 EHP控制阀42和43以及缸分离控制阀39，将加压液体iHA^杆室33和36中 并将液体从头室34和38中排出使得活新35与37縮回，从而降低支架13。系乡雄制器50是一种基于微机的设备，它接魏自多个控制杆52的控制信号，操作者舰该控制杆52指派其需要实现的挖掘机mra动器的运动。系统控制器50同样从供给管压力传感器54和回流管压力传感器55中接收信号。分 离的压力传感器56和57分别用于缸头室34和38中，而另一个压力传感器58 测量支架缸组件16和17中连杆室33和36的压力。为了简化布线，连杆室压 力传麟58雌誕第二工作端口 48安装，{鹏该鹏的是它的压力测量可 能会被第二致动器管49的压力损失所影响。缸室的压力传感器56， 57和58产 生指示支架13上作用力F大小的信号。系统控制器50 Mt喿纵可变位移的第 一泵22来调节供给管25中的压力而对压力测量作出反馈，以满足挖掘机不同 液压致动器的压力需求。第一液压系统20包括多个附加阀和其它组件，它们形成了一套可实现支架 部件30的能量回收和再利用的装置。明确地说，蓄液池60用于储存从支架缸 组件16和17中回收的液体。附加压力传繊59位于蓄液池60的端口 61处， 并向系统控制器50传送^^蓄液池压力的信号。蓄液池60与第二支架ftiia件 17的头室38 3!31^向EHP回tBdS制阀62相连接，并与第一支架缸组件16的 头室34相隔开。电液蓄液池加液和再利用控制阀66在供给管25与蓄液池60 的端口 61之间提供直接的通路。电液泵回流控制阀68将蓄液池60的端口与第 一泵22的入口直接相连，安全控制阀70将位于第二缸头室38的节点64与液 箱回流管26直接相连。节点64与第一缸31的头室34被缸分离控制阀39隔开。 EHP工作端口分路控制阀65在第一、第二工作端口 46和48之间掛共直接的通 路，并雌与針工作端口直接相连。所有的附加控制阀39， 62， 65， 66， 68 和70由系，制器50的信号操纵。通,择性地操纵这些阀的各种组合，液体从支架缸组件16和17，第一泵 22，液箱23以及蓄液池60中箭uA流出。当支架13在重力作用下降低时由支架缸组件中排出的液体可以在一定压力下储存在蓄液池中，并在随后代替第一泵中的液体使用，从而节省用于驱动泵的能量。对阀的不同组^it行操纵导致不同的能量回收模式，这些将在下文中描述。当机器上没有使用任何液压部件或正在运行的液压部件只需要相当少数量的泵液体时，回收系统也可以Mil直接来自第一泵22中的液体对蓄液池60进 行加液。在这些瞎况下，蓄液池加液和再禾,控审鹏66打开以将供给管25直 接连接到蓄液池60的端口 61上。当供给管的压力高于蓄液池60中的压力时压 力传感器54和59发出指示，从而加液开^t行。另一种对储存能敏行再利用的模式包括打开泵回纟鹏制阀68，从而使得 储存的加压液体由蓄液池60流入第一泵22的入口中。这种情况当泵的入口有 高压力入口容量时尤为有用。即使在蓄液池压力低于缸组件16和17的载荷压 力时，该能量回收也会将弓摩上驱动第一泵22的转矩卸下，因此不能直接用于 为缸组件提供动力。在这种情况下，第一泵只需要利用引擎的转矩来满足蓄液 池60与缸组件载荷压力之间的压力差。继续参照图2，第一液压系统20同样包括摆动部件80，该部^j吏^^掘机 驾驶室11和支架组件12相对履带9双向旋转。可变位移第二泵82 M第二供 给管83向摆动部件80掛共加压液体。控制阀组件84，与控制阀组件40對以， 控制第二泵82到原动机86以及从原动机到液箱23的Mffi液^m动。原动机86 具有两个端口，阀组件84选择性±也将第二泵82连接到一个端口而将另一端口 连接到液箱，从丽艮定了液術I31原动机的方向以及驾马腔11绕履带9旋转的 方向。原动机86的两个端口同样连接到往复阀88的输入端，往复阀88的出口通 过压力操纵阀90与蓄液池60的端口 61相连接。压力操纵阀90在往复阀88的 出口压力超过给定值的情况下打开，3SI常发生在驾^11的旋转停止的情况 下。此时加压液^^A蓄液池60中而不^M过阀组件84 i^A液箱23中。因此， 此时从原动机86排出的液体會遣会储存在蓄液池60中。储存的液体可以被支架部件30使用，如前戶，，或可以用于为摆动部件原 动机86^f共动力。为了完鹏一操作，双向电液供给控制阀92将打开以将液 体由蓄液池60输送到阀组件84的入口。该蓄液池液体用于代替或补充第二泵 82中的液体。Mil将第一和第二支架ftl^且件16和17连在一起，这些^Lh的载荷在生产系 乡肚平衡，但损失了一个控制自由度。M将两个支架鹏且件16和17的头室 34和38分离开以使得机器液压系统的压力补偿损失最小化可以获得更高的效 率。图3是一个可选的第二种液压系统96，该系统实现了这种更多的自由度。 第二种液玉系统96与图2中的第一液压系统20类似，同样的部件使用相同的 附图牛斜己。区另赃于前文戶脱的系统20的供给控制阀92被双向电液供给控制 阀98取代，该阀98在第二泵82的第二供给管83与第二支架缸32的头室38 之间皿直接的M^。 iM的供给控制阀98直J，接第二供给管与头室38。这 使得可以利用第一泵22中的液皿控制阀组件40的控制下推动第一支架&I^且 件16以实5肢架的升高，而供给控制阀98控制液体絲二泵82 、^A第二支架 缸组件17中。 例子l假设第一泵22向机器上的其它ffi部^lif共液体，并且在300bar的压力下 运行以满足这些部件的最大需求量。此外，假设还有其它的液压部件连接到第 二泵82上，而第二泵在200bar的压力下运行以满足它的最高液体需求量。进一 步假设需要250bar的压力来举起支架13上的负荷。在传统的系统中，第一泵22将保持在300bar的压力下，而额外的50bar将 作为压力补偿损失被"燃烧"掉。在传统的系统中，第二泵82的压力将上升到 250bar而其它的液压部件将由于压力高于所需值而产^E力补偿损失。而对于图3所示的系统，第一泵22继续在300bar下操作，而第二泵82继 200bar下操作，得到组合而成的平均值250bar。 ^t^向支架^i且件16 和17樹共液体，第^M:控制阀组件40而第二^I31供给控制阀98。结果 是，每^HI组件在不同的压力下移动因此产生不同的力。尽管如此，作用在支 架13上的实际合成作用力与传统系统一样。 例子2假设有与第一泵22相连接的另一ffi部件，已经用完了泵的所有输出流量。 如果支架13被命令升高，那么第二泵82可以S3i供给控制阀98和第二缸组件 17为支架提供所有的动力，而用于第^ft工31头室34的液体由回流管26通过第 二 EHP控制阀42中的防空化单向阀流入。例子1和2的功能可以由第三舰系统100衝共，该系统100 4顿螺线管操 纵的伺服阀，如图4所示。ffi系统100包括支架部件102，该部件与前文所描 述系^ff用相同的部件使用相同的附图标己。第一和第二支架缸31和32的头 室34和38 SM向电液缸分离控制阀39液压连接。电液分5^$制阀65将杆 端与第一缸31的头室相连接。第三液压系统100包括由第一和第二泵22和82形成的TO液体源21 ，其 中第一和第二泵使得液体由液箱23中流出。第三液压系统操纵支架部件102， 摆动部件80以及其它未描述的机器部件。第一泵22的输出流入第一供给管25 中，而第一供给管25与螺线管操纵的三位四通第一伺服阀104的入口相连接， 该阀104构成支架部件的控制阀组件。第一伺服阀104的出口与通往液箱23的 回流管26相连接。第一伺服阀104有两个工作端口， 一个端口 48与两个、mE 缸的连杆室33和36直接相连，而另一个工作端口 46与第一液压缸31的头室 34直接相连。第一安全阀106将第一工作端口 46与回流管26相连接。第二泵82的输出流入第二供给管83中，第二供给管83与螺线管操纵的三 位四通第二伺服阀108的入口相连接，该阀108形成供给控制阀。第二伺服阀 108的出口与回流管26相连接。第二伺服阀108具有一对工作端口，其中一个 直接与、TO缸的连杆室33和36相连，另一个工作端口与第二^ffi缸32的头室 38直接相连。第二安全阀110将头室38与回流管26相连。两个伺服阀104和 108可以被3fci操IW使得液体从两^m 22和82的一个^tA第一和第二缸31 和32中，与图3中控制阀41~44、98在第二液压系统96中的作用方式基本一致。第三液压系统100同样具有蓄液池112，它M双向电液阀114连接到第二 缸32的头室38上。蓄液池112可以用于储存和再利用与第一和第二、mS缸31 和32相关的能量，与图2和3中描述的液压系统蓄液池基本一致。 能量回收支架部件可以在不同的模式下被操纵，在一些模式中會遣>，出的载荷中回 收。挖掘机10发，载通常是在支架组件12的载荷和重力产生使得活塞杆35 和37縮回支架缸31和32的力的时候，从而迫使液^E不对连杆室33和36加 压的情况下从头室34和38中流出。此时，排出的液体被导入蓄液池60中并在 其中在一定压力下储存，而不是被m液箱23中。能量回收和再利用技术包括 在挖掘机支架13 P對氐时以多种不同能量回收模式操纵液压回路。特殊能量回收模式的选择是基于支架缸31和32头室和连杆室的压力以及蓄液池60的压力进 行的。压力之间的关系必须是使得液体以正确的方向流动，在后文将针对每个 特殊的能量回收模观该方向进行描述。蓄液池压力由压力传繊59指示，头 室34和38的压力分别由传感器56和57测量，两个连杆室33和36的压力由 传，58测量。在图5-9中描述了几种能量回收模式，这些模式是图3中第二^E系统96 的简略示意图。其中主要液体流动通路由粗实线表示，而依赖于特殊操纵状况 的部分或可选择的流动通路由加粗的虚线表示。细实线指示液体不在所描述模 式下流动的通路。该流动指示方式同样适用于图10-15所示的能量再禾佣模式， 这些将在随后进行描述。假设支架组件12的最初位置相对较高，从而具有相对较大的势能。结果是， 支架在^^I组件16和17上施加力，该力在头室34和38中产生足够大的压 力对蓄液池60进行加液，见图5戶标的双缸能量回收模式。其中，蓄液池的压 力低于下面不等式给出的阈值P59<(P56+P57)/2-P58/R此处，P59是传繊59观糧的蓄液池压力，P56是传繊56观懂的第^i且件16头室34的压力；&7是传繊57测量的第二缸组件17的头室38的压力； P58是传感器58测量的支架fel^且件16和17的连杆室33和36的压力(如图3 所示)。R是头室34、 38与连杆室33、 36的面积比。缸比率由下面公式给出此处，rA是头室34与38的^fe rROD是活塞杆35与37的判5。 R对于液 压回路选定的feli且件16和17是常数。(P56+P57)/2-P58/R这里指的;^又缸會讀回 收模式差动压力。此外，需要注意的^bi不等式可以被修正为包括摩擦和其 它因素造成的损失的形式。在双缸售讀回收模式121中，从头室34和38排出的液体ffi31打开的缸分 离控制阀39合并到一起，并流过打开的回^制阀62以皿液池60进行加液。 回鹏制阀62被调觀来按比例控制支架速度。当支架下降时用于充满扩大的 连杆室33和36的液体^I3ffi制阀组件40、駄的。明确的，来自其它机器部 件的液体^/人回流管26 M第四EHP控制阀44的防空化单向阀、^A的。由于 重力使得支架降低，来自回流管26的液將需要处于高压力。如果该防空化流动是不充足的，第三EHP控制阀43可以打开以由第一泵22向连杆室33和36 提供液体。支架13下降歪煤一健时施加在两^li且件16和17上的力不再为 两个头室麟充足的压力来继续为蒈液池60加液。当蓄液池压力低于以下不等 式提供的阈值时.-P59<C(P56+P57)/2-P58/R)*2能量回收转入图6所描述的分立缸育瞳回收模式122，该模式力膙了一^m的头室压力以对蓄液池加液。不等式右端指的是分立缸f讀回收模式差动压力。 需要注意的是上述不等式可以被修正为包括摩擦和其它因素造成的损失的形 式。当回收控制阀62保持打开以对蓄液池60持续加液时，第二EHP控制阀42 在缸分离控制阀39关上时逐渐打开。这使得加压液体从第一支架缸31的头室 34 M第二 EHP控制阀42和第四EHP控制阀44中的防空化阀iSA两个支架 缸的连杆室33和36中。关闭缸分离控制阀39使得两个支架缸31和32相互隔 开，并使得两个头室34和38从开始的压力相等状态转变成室具有不同压力的 状态，从而产生不同的力。在分立缸能量回收模式122中支架的力仅由第二缸 组件17支撑，因此第二缸32头室38中的压力比图5所示双缸能量回收模式121 中支架力由两^^工组件16和17支撑时具有更高的蓄液池加液压力。第二缸32的头室38产M够高的压力以持续为蓄液池60加液。因此由头 室38流出的液体M回收控制阀62流入蓄液池60中。在分立缸能量回收模式 122中，回鹏制阀62与第二EHP控制阀42被调翻来控制支架13继续斷氐 的鹏。在分立缸能量回收模式122中，当头室中液体量不足以充满两个连杆室33 和36时，第三EHP控制阀43打开以,，一泵22中劍斜卜足的液体。补足的 液体并不需要处于特殊的压力下，因为它不用于驱动缸组件16和17，而仅用于 充满扩大的连杆室。另一方面，如果第一缸31的头室34具有比充满两个连杆 室33和36所需的液体更多的液体，iM常发生在活Wf具有非常大的直径时， 额外的液体可以iM^择性地打开第二 EHP控制阀42被输送到回流管26中。由于分立缸能量回收模式122中每个头室34和38中的液^^荒动是单独控制 的，支架13每一侧的力是不相等的，从而在上面产生扭转作用。为了避免该情 况的出现，可以采用图7所示的伪分立缸能量回收模式123。当蓄液池压力低于 下面方程的阈值时可以从图5的双缸能量回收模式直^tA该模式P59<(R/R-1)*(( P56+P57)/2- P58/R)不等式右端指的是伪分立缸肖讀回收模式差动压力。需要注意的^Jl^不等 式可以被修正为包括线路损耗、摩擦和其它因素造成的损失的形式。在该模式下，缸分离控制阀39保持打开以使得两个头室34和38的压力相 通。EHP工作端口分路控制阀65打开以将加压的液体由第一支架缸31的头室 34输送到两，杆室33和36中。在典型的挖掘机中，支架缸组件16和17具有大直径的活塞杆35和37，这 样当活塞移动时，*连杆室33和36体积的改变可能例如只有每个头室体积 改变的一半。这意味着在伪分立缸會讀回收模式123下，一缸头室34中排出 的液体足以充满两个扩大的连杆室33和36。因此，液軒从打开的缸分离控制 阀39中流过，尽管如此，如果一比二的体积关系不存在，任何需要用来充满连 杆室33和36的额外液体可以iA^二缸头室38中舰缸分离控制阀流过。不过， 如果不是全部也有大部分第二缸32的头室38中的液^^A蓄液池60中。当在分立缸能量回收模式122或123下的操作达到一个状态，此时第二缸 32的头室38没有足够的压力来为蓄液池加液，但大于零，如下面公5^万示(P56+P57)/2-P58/R>0支架操作转入图8所描述的效室兽瞳回收模式124。不等式左端指的是交 叉室能量回收模式差动压力。需要注意的是上述不等式可以被修正为包括摩擦 和其它因素造成的损失的形式。在交叉室能量回i&t莫式124下，回收控制阀62 通常闭合以保持蓄液池60的相对高压加液。尽管如此，如压力传感器57和59 所指示(图3)，在第二支架缸32的头室38中可會级有足够的残留压力可以对 蓄液池继续加液，因此在这种模式下回收控制阀62可能是部分打开的。在每种 模式中，缸分离控制阀39都与工作端口分路控制阀65 —起打开使得两个头室 34和38中的一些液体被输送用于充满扩大的连杆室33和36。由于从头室中排 出液体的总量多于充满连杆室需要的量，第二 EHP控制阀42打开以将多余的 液体输送到回流管26并向前输送到液箱23中。需要注意的是能量回收模式121， 122， 123和124不需要激盾上面描述的顺 序。在能量回收模式121， 122， 123和124中选择一个应该基于每种模式在给 定时间内提供的回收效率收益进行。因此，任何能量回收模式可以转入其它任 何一种肖讀回收模式中，系统控制器50可以基于这里樹共的方程作出适合的选择。在交叉室育遣回收模式124中，蓄液鹏到最大储存容量。此外，当缸分离 控制阀39打开时，两扭头室34和38中的压力开始重新变为相等。虽然雌 的实施例包含工作端口分^S制阀65，该阀在分立缸能量回收模式123不使用 的情况下可以省去以节省成本。在这种情形下，当工作端口分路控制阀应该打 开的时候，M31t丁开第二和第四EHP控制阀42和44对控制阀组件40进行操 纵，以随同隔离阀39的打刑每液体ffi31S对阀中的一个在两个工作端口 46和 48之间输送。最终支架13下降到如此低的一个健以致于由重力本身弓胞的力不足以继 续以满足挖掘机高效操作的足够快的速度降低支架。此时需要泵的压力进一步 降低支架。在这个时候，操作转入图9所示的动力肖讀模式125。此时第三EHP 控制阀43打开以将加压液体由第一泵22输送到两个支架缸31和32的连杆室 33和36中。该加压液^tl动活塞进一MI回活,，从而向下推动支架13。 此时从头室34和38中排出的液体由打开的缸分离控帝鹏39和第二 EHP控制 阀42输送到回流管26中，第二和第三EHP控制阀42和43被调整用来控制支 架的速度。挖掘机10的支架13和臂14的位置影响支架部件在缸组件16和17上力的 大小以及可以回收的能量大小。力的大小与传感器56， 57和58测量的缸室压 力相对应。因此，来自这些传麟以及豁夜池压力传麟59的信号使得系繊 制器50育滩决定明附能量回收模式可以CT以及可以回收最多的能量。 能量再利用当可以将活塞杆从支架缸31和32中伸出以皿着向下的作用力F升高支 架13的时候，液体可以从蓄液池60中回收以取代使用第~^22中的加压液体 或作为增加量。在图10所示的第一能量再利用模式131中，蓄液池60中储存 的液体S31打幵的回TO制阀62和缸分离控制阀39 ^A两个缸头室34和38 中。从连杆室33和36中排出的液体M^丁开的第四EHP控制阀44涼lA回流 管26中。需要理解的^1常蓄液池60并不会加MM^以驱动两4^I^且件16和17的 压力7jC平。此外，储存在蓄液池中的液体量可能不足以充满两个头室34和38。 在这對列子中，图11所描述的第二能量再利用模式132可以在回iBd^制阀62打开而缸分离控制阀39关闭的情况下实施。这种模式仅将液体由蓄液池60导 入第二缸32的头室38中。回鹏制阀62通常全部打开以消除从蓄液池流出液 体的流量损失。第一缸31的头室34通过第一 EHP控制阀41从第一泵22接收 加压液体。因此，第一缸31由泵液#5区动而第二缸32由蓄液池液#5区动。第 一 EHP控制阀41和回收控制阀62被调整用于控制支架上升的速度。当这种情 形发生时，由两个连杆室33和36中流出的液体M31打开的第四EHP控制阀44 i^A回流管26中。第二泵82可以由第二供给阀99连接至U第一支架缸31的头室34的端口 ，在 这种情况下第二泵中的加压液体可以供J^合头室以增加第一泵22中的液体。为 了实现这一过程，第二供给阀99计量iiA第一支架缸31的头室34的液体，而 第一 EHP控制阀41用于计量液^[量。最后，蓄液池60中流出的液俐每被舰，不能用于驱动第二缸32。此时， ^E系乡赚作可以SA图12描述的第三育糧再利用模式133中，其中,，二泵 82中流出的液体被用于代替或补充蓄液池60中的液体。这一操作是3MT开供 给控制阀98以导引液体由第二泵82流入第二缸32的头室38实现的。第~^1 31的头室34继续M控制阀组件40由第一泵22接收液体，/膽杆室33和36 排出的液体同样M控制阀组件mA回流管26中。在第三能量再利用模式133 中，第一 EHP控制阀41和供给控制阀98被调觀于控制支架13升高的鹏。图13表示第四能量再利用模式134，其中第一和第二泵22和82的输出由 缸分离控制阀39合并到一起并输送到两个头室34和38中。在第四能量再利用 模式134中，第一泵22中的液体Mil第一EHP控制阀41输送到头室34和38 中，而供给控制阀98将液体由第二泵82输送到相同的室中。根据其中的压力 水平， 一些液体可育^人蓄液池60中流出。从连杆室33和36中排出的液体M 打开的第四EHP控制阀44 、駄回流管26中。图14描述了第五种育遣再禾佣模式135，其中仅由第一泵22中流出的液体 对两个鹏缸组件16和17的头室34和38樹共动力。第二泵82在这种模式下 不为支架部件30提供动力。此时第一 EHP控制阀41控制由第一泵22流入头 室34和38的液体流量以及支架上皿度。第四EHP控制阔44控制由连杆室 33和36到回流管26的液体流动。从第一至第五育遣再利用模式131-135，作用在支架13上的力倾向于降低支架。在挖掘机10的其它操作状态，外力倾向于升高支架13。例如图1所示例子，假设支架组件12完全伸廳l漓挖掘机驾鹏ll驗的j體，随后臂鹏且 件18被施加动力使得伊斗朝向驾1^运动并掘进土中。对该挖掘动作的皿力 将施加一个向上的力，该作用力在不需要由泵22或82对支架fell且件16和17 输送加压液体的情况下倾向于升高支架。当这一向上作用力作用在支架13上时，用于支架缸组件16和17的液压系 统部分被设定成图15的形式。在第対中再利用模式136中，作用在支架13上 的力进一步地使得活Mf从缸31和32中伸出，并迫使液体力A^杆室33和36 ^A控制阀组件40的第二工作端口 48中。第四EHP控制阀44此时打开至煤 个禾號以将支架控制在需要的鹏以及输送排出液体aX回流管26中。尽管如 此，扩大的头室34和38在第一工作端口46处产生低压九这导致第二EHP 控制阀42中的防空化阀打开，并将加压液体由回流节点输送到第一工作端口 46 中。该液体继续M31it匕时打开的缸分离控制阀39由第一工作端口 46 J4A两个 头室34和38中。由于头室34和38的组合体积大于两个连杆室33和36的组 合^IR，需要额》卜的液体来充满头室。额屏的液体从回流管26^A控审鹏组件 40，或者在压力传繊55指示回流管没有足够的压力时，第一EHP控制阀41 将被打开，以由第一泵22提供液体。由第一泵中流出的液体不需要保持在特殊 的压力下，因为它不驱动缸而仅仅用于充满扩大的室。尽管以上描述的液压系统包括缸分离控制阀39，上面讨论的与蓄液池中能 量回收和再禾,相关联的发明的优点可以在不l顿该阀的情况下获得。此处， 第^fel组件16的头室34和第二缸组件17的头室38在液体输送上相互配合， 而不是与缸分离控制阀39连接。在回收操作过程中，额,的压力被供给蓄液池， 按这种方式设计的回路可以如以上参照图5， 7， 8， 9所描述的而操作，运动通 过图5， 7， 8， 9的模式。参照图2和3，在再利用过程中，液体由蓄液池60 通过端口 61流A^供给管25打开的加液和再禾偶控制阀66中。第一泵22在 再利用模式下也可能为供给管25鄉额々卜的液体。尽管这里j顿的是两怖16和17，当缸分离阀39去掉时，也可以只使用一，。不管使用一^hfer^是两个缸，都可以4顿一个压力传繊56或57。上面的描述只是本发明的 实施例。虽然在发明的范围内给出了几个实施 例，本领域技术人员可以理角祐本发明的实施例公开的范围内可以做各种变化。
权利要求
1、一种用于机器的液压系统，具有能量回收装置，所述液压系统包括供给管，传送加压液体；回流管，将液体传送回液箱；第一和第二液压缸，机械地并行连接来操作机器的部件，每个都具有第一室和第二室；缸分离控制阀，与第一液压缸的第一室和第二液压缸的第一室流体连通并控制它们之间的液体流动，其中，在第一液压缸的第一室和缸分离控制阀之间形成有节点；控制阀组件具有第一工作端口和第二工作端口，第一工作端口与节点连接，第二工作端口与第一和第二液压缸的第二室连接，其中，控制阀组件的操作将第一和第二工作端口中的每个与供给管和回流管选择性连接；蓄液池；回收控制阀，控制液体从第二液压缸的第一室流到蓄液池。
2、 如权利要求1戶脱的ffi系统，其中，回收控制阀进一步控制液体从 蓄液池向第二ffi缸的第一室的流动。
3、 如权利要求1所述的、舰系统，进一步包括加液和再禾佣控制阀，其 与蓄液池流体M，以控制液体从蓄液池向供给管的流动。
4、 如权利要求1戶脱的液压系统，其中，缸分离控制阀直驗接于第一 液压缸的第一室和第二液压缸的第一室之间。
5、 如权利要求1所述的液压系统，进一步包括工作端口分,制阀，其 控制第一和第二工作端口之间的液1^荒动。
6、 如权利要求5所述的液压系统，其中，工作端口分S維制阀直驗接 于第一和第二工作端口之间。
7、 如权利要求1戶腿的ffi系统，其中，^J1系统包括具有连接到供给 管的出口并具有入口的第一泵；以及进一步包括泵回流控制阀，其控制从蓄液 池到泵的入口的液体流动。
8、 如权利要求1所述的液压系统，其中，液压系统包括一具有连接到供 给管的第一出口的第一泵；和具有第二出口的第二泵；并进一步包括供给控制阀，其控制从第二出口到第一和第二液压缸的其中之一的第一室的液体流动并 与它们流体M。
9、 如权利要求1所述的TO系统，进一步包括第一传感器，可操作地 连接来测量第一液压缸的第一室的压力；第二传感器，可操作i,接来测量第 二液压缸的第一室的压力；以及第三传感器，可操作i也连接来测量蓄液池中的 压力。
10、 如权利要求9所述的ffi系统，进一步包括第四传感器，可操作i4^接来测量第一和第二、ffi缸的第二室的压力。
11、 如权利要求1戶舰的ffi系统，进一步包括蓄液池加液和再利用 控制阀，其与第一泵和蓄液池流体连通，并控制第一泵和蓄液池之间的液体流动。
12、 如权利要求1戶舰的^il系统，其中，控制阀组件包括第一控制 阀，其将第一工作端口和供给管连接；第二控制阀，其将第二工作端口与供给 管连接；第三控制阀，其将第一工作端口和连接到液箱的回流管连接；以及第四控制阀，期每第二工作端口和回流管连接。
13、 如权禾腰求12戶舰的舰系统，其中，第一、第二第三和第四控 制阀是电液比例阀。
14、 一种能量回收装置，用于液压系统中，该液压系统具有第一液压缸 组件和第二液压缸组件，它们并行地机械连接来操作一部件，每个液压缸组件 具有第一室和第二室，该液压系统还具有控制阀组件，其有选择i也将各个第一和第二工作端口与供给管和回流管连接，其中第一工作端口与第一液压fciia件的第一室连接，并与第二液压缸组件的第一室隔离，第二工作端口与第一和第 二 躯腿且件的第二室连接，该能量回收體包括缸分离控制阀，与第一液压tei且件的第一室和第二ffi缸组件的第一室流体舰雜制它们之间的液術荒动；工作端口分^^制阀，与第一和第二工作端口流体连通，以控制它们之间 的液体流动；蓄液池；以及回流控制阀，控制液体从第二EEto^且件的第一室向蓄液池的流动。
15、 如权利要求14戶舰的能量回收装置，其中，回鹏制阀进一步控制液体从蒈液池到第二液压fel^且件的第一室的流动。
16、 如权利要求14戶;M的倉讀回收，，进一步包括加液和再利用控制阀，与蓄液 腿行流体M，以控制液体从蓄液池到供给管的流动。
17、 如权利要求14戶腿的能量回收體，进一步包括系统控制器，其以 一能量回收模式来操作能量回收装置，在这种模式中，缸分离控制阀关闭，液 体通过第一液压缸组件的第一和第二室之间的控制阀组件流动，其它液体从第 二ffi缸组件的第一室流到蓄液池。
18、 如权利要求14戶舰的能量回收装置，进一步包括系统控制器，其以 一能量回收模式来操作能量回收装置，在这种模式中，缸分离控制阀打开，液 体通过第一液压缸组件的第一和第二室之间的工作端口分路控审,流动，其它 液体从第二液压缸组件的第一室流到蓄液池。
19、 如权利要求14戶腿的肯讀回收驢，进一步包括系统控制器，其以 第一能量回收模式和第二能量回收模式来操作能量回收装置，在第一能量回收 模式中，液体流动ilil缸分离控制阀和回收控制阀aA蓄液池，在第二肖讀回 收模式中，缸分离控制阀打开，液体流动通过第一液压缸组件的第一和第二室 之间的工作端口分路控制阀，其它液体从第二ffi缸组件的第一室流到蓄液池。
20、 如权利要求14戶服的育讀回收驢，进一步包括系统控制器，其以 一能量回收模式来操作液压系统，在该模式中，缸分离控制阀在液体从蓄液池 经过回收控制阀流向第二液压缸组件的第一室并且其它液体从供给管流向第一 液压缸组件的第一室的时候关闭。
21、 如权利要求14戶脱的能量回收體，其中，、ffi系统包括泵，该泵 具有连接到供给管的出口，并具有入口；进一步包括泵回流控制阀，其控制液 体从蓄液池到泵的入口的流动。
22、 如权禾腰求21戶腿的能量回收驢，进一步包括系统控制器，其以 一能量回收模式来操作液压系统，在该模式中，液体通过泵回流控制阀从蓄液 池流向泵入口，液体从供给管流向第一和第二液压缸组件。
23、 如权禾腰求14戶脱的能量回收驢，进一步包括系纟雄制器，其以 交叉室回收模式来操作能量回收體，在该模式中，缸分离控制阀打开，液体 从第一和第二液压缸组件的第一室流入第一和第二液压缸组件的第二室，并且 回收控制阀打开，以将多余的液体弓倒蓄液池禾晒流管中之一。
24、 一种用于机器的液压系统，具有能量回收^g，戶，mE系统包括 供给管，传送加压液体； 回流管，将液体传送到液箱；TO缸，操作机器的部件，并具有第一和第二室；控制阀组件，具有第一工作端口和第二工作端口，其中第一工作端口与液 压缸的第一室流体连通，第二工作端口与、TO缸的第二室流体M，并且控制 阀组件的操作将第一和第二工作端口的^t^择性i鹏接到供给管和回流管；工作端口分路控制阀，与第一工作室和第二工作端口流体连通，以控制它 们之间的液体流动；蓄液池；以及回收控制阀，控制液体从Mffi缸的第一室向蓄液池的流动。
25 、如权利要求24所述的液压系统，其中回l]^制阀进一步控制液体从 蓄液池向液压缸的第一室的流动。
26、 如权利要求24所述的液压系统，其中液压系统包括第一泵，其具有 连接到供给管的出口并具有入口，且回收控制阀进一步控制液体从蓄液池向泵
27、 如权利要求24戶诚的mE系统，进一步包括第二舰缸，織二液 压缸具有第一室和第二室，并包括连接在第一液压缸的第一室和第二液压缸的 第一室之间的缸分离控制阀。
28、 如权利要求24戶腿的$躯系统，其中，工作端口分5總帝U阀直驗 接在第一和第二工作端口之间。
29、 如权利要求24戶脱的液压系统，其中，^躯系统包括第"^，織 —泵具有连接到供给管的出口和具有入口；并进一步包括泵回流控制阀，其控 制液体从蓄液池向泵的入口的流动。
30、 如权禾腰求24戶腿的^j5系统，其中，ffi系统包括第一泵，具 有连接到供给管的第一出口；以及第二泵，具有第二出口；进一步包括供给控 制阀，其控制从第二出口到第一和第二液压缸的第一室的液体流动，并与它们
31、 如权利要求24所述的液压系统，进一步包括第一传 1，其可操作 itt接来测量第一液压缸和第二液压缸的第一室中的压力，还包括第二传自，其可操作地连接来测量蓄液池中的压力。
32、如权利要求31戶腐的^j5系统，进一步包括第三传繊，其可操作 土M接来测量第一和第二、TO缸的第二室的压力。
33 、如权利要求24戶脱的、TO系统，进一步包括蓄液池加液和再禾,控 制阀，其与第一泵和蓄液池流体M鹏制它们之间的液鹏动。
34、 如权禾腰求24戶脱的纟舰系统，其中，控制阀组件包括第一控制 阀，其将第一工作端口连接到供给管；第二控制阀，其将第二工作端口与供给 管连接；第三控制阀，其将第一工作端口与连接到液箱的回流管连接；以及第 四控制阀，期每第二工作端口和回流管连接。
35、 如权利要求34所述的液压系统，其中，第一、第二、第和第四控制 阀是电液比例阀。
36、 如权利要求24戶脱的纟舰系统，进一步包^ft工分离控制阀，与第一 液压缸的第一室和第二液压缸的第一室流体魏鹏制它们之间的液体流动， 其中，缸分离控制阀的操作选择性地将第一和第二TO缸之一的第一室以及第 一和第二液压缸的第一室中的至少一个连接到第一工作端口 。
全文摘要
本发明涉及用于液压系统的能量回收与再利用技术，具体涉及一种液压系统，其具有阀组件，该阀组件带有两个与第一和第二液压缸的室连接的工作端口，该第一和第二液压缸并行地机械连接于机器部件。分离控制阀连接在两个液压缸的第一室之间，分路控制阀连接在工作室之间。回收控制阀将蓄液池连接于第二液压缸的第一室。以不同的组合方式来打开和关闭阀可以使流体从一个或两个液压缸流入到流体在加压下储存的蓄液池，而后使储存流体用于驱动一个或者两个液压缸。分路控制阀用于使从每个液压缸的一个室排出的流体流到那些液压缸的其室。因此，液压系统以各种方式来回收和再利用能量。
文档编号F15B21/14GK101220823SQ20071014419
公开日2008年7月16日 申请日期2007年11月14日 优先权日2006年11月14日
发明者D·B·史蒂芬森, E·P·哈姆金斯, J·L·普法弗, K·A·塔伯 申请人:胡斯可国际股份有限公司