具有摆动马达能量回收的液压控制系统的制作方法
【专利摘要】公开一种用于机器（10）的液压控制系统（50）。该液压控制系统可以具有能够在挖掘周期的各分段中运动的作业工具（16）、能够在挖掘周期过程中摆动作业工具的马达（49）、能够在挖掘周期过程中选择性地接收从马达排出的流体和将流体排出至马达的至少一个贮存器（108，110）以及控制器（100）。该控制器可以被构造成接收有关作业工具的当前挖掘周期的输入，并且基于该输入做出当前挖掘周期与一组已知操作模式中的一种相关的确定。该控制器还可以被构造成基于确定引起至少一个贮存器在挖掘周期的不同分段过程中接收流体和排出流体。
【专利说明】具有摆动马达能量回收的液压控制系统
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及一种液压控制系统，更特别地，涉及一种具有摆动能量回收的液压控制系统。
【背景技术】
[0002]摆动式挖掘机器(例如，液压挖掘机和正铲挖土机)需要显著的液压压强和流动以将材料从采掘位置转移到倾卸位置。这些机器在每次摆动起始时引导来自发动机驱动的泵的高压流体经过摆动马达以加速负载的作业工具，并且随后在每次摆动结束时限制离开马达的流体的流动以使工作工具放慢并停止。
[0003]与这种类型的液压布置相关的一个问题涉及效率。尤其，在每次摆动结束时离开摆动马达的流体由于负载的作业工具的减速而处于相对较高的压强下。除非回收，否则与高压流体相关的能量可能被浪费。另外，在每次摆动结束时对离开摆动马达的这种高压流体的限制能够导致流体变热，这必须通过机器的增加的冷却能力来适应。
[0004]于2011年3月22日授予Zhang等人的美国专利N0.7908852 (’ 852专利)中公开了提高摆动式机器的效率的一种尝试。’ 852专利公开了一种用于机器的液压控制系统，其包括贮存器。贮存器储存已通过由机器的上部结构施加在运动中的摆动马达上的惯性转矩加压的离开摆动马达的油。贮存器中的加压油随后被选择性地重新使用，以通过将贮存的油供应回到摆动马达而在后续的摆动过程中加速摆动马达。
[0005]尽管’852专利的液压控制系统可以在一些情况中有助于提高摆动式机器的效率，但其仍然不是最佳的。特别地，在’ 852专利中描述的贮存器的排出过程中，离开摆动马达的一些加压流体可能仍具有被浪费的有用能量。另外，在’852专利的液压控制系统的操作过程中，例如在减速和贮存器填充过程中，可能存在泵输出不能以足以防止摆动马达中的气穴现象的速率供应流体的情况。此外，机器可能在不同状况下和不同情况中不同地操作，而’ 852专利的液压控制系统不能使控制适应这些状况和情况。
[0006]本发明的液压控制系统旨在克服上面提及的问题中的一个或多个和/或现有技术的其它问题。
【发明内容】
[0007]本发明的一方面涉及一种液压控制系统。该液压控制系统可以包括能够在挖掘周期的各分段中运动的作业工具、能够在挖掘周期过程中摆动作业工具的马达、能够在挖掘周期过程中选择性地接收从马达排出的流体和将流体排出至马达的至少一个贮存器以及控制器。该控制器可以被构造成接收有关作业工具的当前挖掘周期的输入，并且基于输入做出当前挖掘周期与一组已知操作模式中的一种相关的确定。该控制器还可以被构造成基于确定引起至少一个贮存器在挖掘周期的不同分段过程中接收流体和排出流体。
[0008]本发明的另一方面涉及一种控制机器的方法。该方法可以包括向马达提供加压流体以使作业工具在挖掘周期的各分段中运动，以及接收有关当前挖掘周期的输入。该方法还可以包括基于输入做出当前挖掘周期与一组已知操作模式中的一种相关的确定；以及基于所述确定在挖掘周期的不同分段过程中贮存来自马达的流体或将贮存的流体排出至马达。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是在有运输车辆的工地处操作的一种示例性公开的机器的示意图示；
[0010]图2是可以与图1的机器一起使用的一种示例性公开的液压控制系统的图解图示；和
[0011]图3是可以由图2的液压控制系统使用的一种示例性公开的控制图。
【具体实施方式】
[0012]图1图示具有协作以挖掘土制材料并将土制材料装载到附近的运输车辆12上的多个系统和部件的一种示例性机器10。在一个例子中，机器10可以具体化为液压挖掘机。但是，设想机器10可以具体化为另外的摆动式挖掘或材料处理机器，诸如反铲挖土机、正铲挖土机、拉铲挖掘机或另外的类似机器。机器10尤其可以包括能够使作业工具16在沟渠内或堆垛处的采掘位置18和例如运输车辆12上方的倾卸位置20之间运动的执行系统14。机器10还可以包括用于执行系统14的手动控制的操作员站22。设想除了装车之外，如果希望的话，机器10可以进行诸如起吊、挖沟和材料处理等操作。
[0013]执行系统14可以包括通过流体致动器起作用以使作业工具16运动的联接结构。具体地，执行系统14可以包括通过一对邻近的双作用液压缸28 (图1中仅显示一个)相对于作业表面26竖直枢转的悬臂24。执行系统14还可以包括通过单个双作用液压缸36相对于悬臂24围绕水平枢轴32竖直枢转的拉杆30。执行系统14另外可以包括操作地连接到作业工具16以使作业工具16相对于拉杆30竖直地围绕水平枢轴40倾斜的单个双作用液压缸38。悬臂24可以枢转地连接到机器10的框架42，同时框架42可以枢转地连接到底架构件44并且通过摆动马达49围绕竖直轴线46摆动。拉杆30可以借助于枢轴32和40将作业工具16枢转地连接到悬臂24。设想更多或更少数量的流体致动器可以被包括在执行系统14内并且，如果希望的话，以除了上述之外的方式连接。
[0014]众多不同的作业工具16可以附接到单个机器10并且可经由操作员站22控制。作业工具16可以包括用以进行特别任务的任何装置，诸如例如铲斗、叉形装置、刮刀、铲子或现有技术中已知的任何其它任务进行装置。尽管在图1的实施方式中被连接以相对于机器10提升、摆动和倾斜，作业工具16可以替代地或附加地转动、滑动、延伸或以现有技术中已知的另外的方式运动。
[0015]操作员站22可以被构造成接收来自机器操作员的指示希望的作业工具运动的输入。具体地，操作员站22可以包括例如具体化为靠近操作员座位(未示出)定位的单轴或多轴操纵杆的一个或多个输入装置48。输入装置48可以是比例式控制器，其能够通过产生指示在特定方向的希望的作业工具速度和/或力的作业工具位置信号来定位和/或定向作业工具16。该位置信号可以被用以致动液压缸28、36、38和/或摆动马达49中的任何一个或多个。设想不同的输入装置可以替代地或附加地被包括在操作员站22内，诸如例如方向盘、球形把手、推拉装置、开关、踏板和现有技术中已知的其它操作员输入装置。[0016]如图2中图示的，机器10可以包括具有协作以使执行系统14(参照图1)运动的多个流体部件的液压控制系统50。特别地，液压控制系统50可以包括与摆动马达49相联的第一回路52和与液压缸28、36和38相联的至少第二回路54。第一回路52尤其可以包括摆动控制阀56，其被连接以根据经由输入装置48接收的操作员要求调节加压流体从泵58到摆动马达49和从摆动马达49到低压罐60的流动，以引起作业工具16围绕轴线46 (参照图1)的摆动运动。第二回路54可以包括类似的控制阀，例如，悬臂控制阀(未示出)、拉杆控制阀(未示出)、工具控制阀(未示出)、行进控制阀(未示出)、和/或辅助控制阀，这些控制阀并行连接用以接收来自泵58的加压流体和将废流体排出至罐60，由此调节相应的致动器(例如液压缸28、36和38)。
[0017]摆动马达49可以包括至少部分地形成位于叶轮64的两侧的第一室和第二室(未示出)的壳体62。当第一室连接到泵58的输出(例如，经由形成在壳体62内的第一室通道66)且第二室连接到罐60 (例如，经由形成在壳体62内的第二室通道68)时，叶轮64可以被驱动以在第一方向上转动(图2中所示)。相反，当第一室经由第一室通道66连接到罐60并且第二室经由第二室通道68连接到泵58时，叶轮64可以被驱动以在相反方向上转动(未示出)。流体经过叶轮64的流动速率可以与摆动马达49的转动速度相关，同时跨过叶轮64的压差可以与其输出转矩相关。
[0018]摆动马达49可以包括内置补充和卸载功能。特别地，补充通道70和卸载通道72可以形成在壳体62内，位于第一室通道66和第二室通道68之间。一对对置的止回阀74和一对对置的卸压阀76可以被分别设置在补充通道70和卸载通道72内。低压通道78可以在止回阀74之间和卸压阀76之间的位置处连接到补充通道70和卸载通道72中的每个。基于低压通道78和第一室通道66和第二室通道68之间的压差，止回阀74之一可以打开以允许流体从低压通道78流入第一室和第二室中压强较低的一个。类似地，基于第一室通道66和第二室通道68和低压通道78之间的压差，卸压阀76之一可以打开以允许流体从第一室和第二室中压强较高的一个流入低压通道78。在执行系统14的摆动运动过程中，显著的压差通常可以存在于第一室和第二室之间。
[0019]泵58可以被构造成经由入口通道80从罐60抽吸流体、将流体加压至希望水平并且将流体经由排出通道82排出至第一回路52和第二回路54。止回阀83如果希望的话可以设置在排出通道82内，以提供加压流体从泵58到第一回路52和第二回路54内的单向流动。泵58可以具体化为例如可变排量泵(图1中示出)、固定排量泵或现有技术中已知的另外的源。泵58可以通过例如副轴(未示出)、带(未示出)、电路(未示出)或以另外合适的方式可驱动地连接至机器10的功率源(未示出)。替代地，泵58可以经由变矩器、减速箱、电路或以任何其它合适的方式间接地连接到机器10的功率源。泵58可以产生具有至少部分通过与操作员要求的运动对应的在第一回路52和第二回路54内的致动器的需求确定的压强水平和/或流动速率的加压流体流。排出通道82可以在第一回路52内分别经由摆动控制阀56和在摆动控制阀56和摆动马达49之间延伸的第一室管道84和第二室管道86连接到第一室通道66和第二室通道68。
[0020]罐60可以构成能够保持流体的低压供应的容器。流体可以包括例如专用液压油、发动机润滑油、传动装置润滑油或现有技术中已知的任何其它流体。机器10内的一个或多个液压系统可以从罐60抽吸流体和使流体返回至罐60。设想如果希望的话，液压控制系统50可以连接到多个分离的流体罐或单个罐。罐60可以经由排放通道88流体地连接到摆动控制阀56，并且分别经由摆动控制阀56和第一室管道84和第二室管道86流体地连接到第一室通道66和第二室通道68。罐60也可以连接到低压通道78。如果希望的话，止回阀90可以设置在排放通道88内，以促进流体到罐60内的单向流动。
[0021]摆动控制阀56可以具有可动以控制摆动马达49的转动和执行系统14的相应摆动动作的元件。具体地，摆动控制阀56可以包括均设置在公用块体或壳体97内的第一室供应元件92、第一室排放元件94、第二室供应元件96和第二室排放元件98。第一室供应元件92和第二室供应元件96可以与排出通道82并行连接，以调节它们各自的室对来自泵58的流体的注入，同时第一室排放元件94和第二室排放元件98可以与排放通道88并行连接，以调节各自的室对流体的排放。补充阀99 (例如止回阀)可以设置在第一室排放元件94的出口和第一室管道84之间以及第二室排放元件98的出口和第二室管道86之间。
[0022]为了驱动摆动马达49以在第一方向上转动(图2中所示)，第一室供应元件92可以转变以允许来自泵58的加压流体经由排出通道82和第一室管道84进入摆动马达49的第一室，同时第二室排放元件98可以转变以允许来自摆动马达49的第二室的流体经由第二室管道86和排放通道88排放至罐60。为了驱动摆动马达49以在相反方向上转动，第二室供应元件96可以转变以使摆动马达49的第二室与来自泵58的加压流体连通，同时第一室排放元件94可以转变以允许流体从摆动马达49的第一室排放至罐60。设想如果希望的话，摆动控制阀56的(即，四个不同的供应和排放元件的)供应和排放功能可以替代地通过与第一室相联的单个阀元件和与第二室相联的单个阀元件或者通过与第一室和第二室相联的单个阀元件进行。
[0023]摆动控制阀56的供应和排放元件92-98可以响应于由控制器100发出的流动速率指令克服弹簧偏置地通过电磁运动。特别地，摆动马达49可以以与流体流入和流出第一室和第二室的流动速率对应的速度转动。相应地，为了实现操作员希望的摆动速度，基于假设或测量的压强的指令可以发送至供应和排放元件92-98的螺线管(未示出)，引起它们打开对应于经过摆动马达49必需的流动速率的量。该指令可以是由控制器100发出的流动速率指令或阀元件位置指令的形式。
[0024]控制器100可以与液压控制系统50的不同部件通信以调节机器10的操作。例如，控制器100可以与第一回路52中的摆动控制阀56的元件并且与和第二回路54相联的控制阀(未示出)的元件通信。基于多种操作员输入和监控的参数，如下面将更详细描述的，控制器100可以被构造成以协调方式选择性地起动不同的控制阀，以有效地实施操作员要求的执行系统14的运动。
[0025]控制器100可以包括协作以完成与本发明一致的任务的存储器、辅助存储装置、计时器和一个或多个处理器。众多商业上可获得的微处理器能够被构造成进行控制器100的功能。应当理解，控制器100可以容易地具体化为能够控制机器10的众多其它功能的通用机器控制器。各种已知的线路可以与控制器100相联，包括信号调节线路、通信线路和其它适当的线路。还应当理解，控制器100可以包括能够允许控制器100根据本发明运行的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、计算机系统和逻辑电路中的一个或多个。
[0026]在一种实施方式中，由控制器100监控的操作参数可以包括第一回路52和/或第二回路54内的流体的压强。例如，一个或多个压强传感器102可以策略性地位于第一室管道84和/或第二室管道86内，以感测对应通道的压强并产生送往控制器100的指示压强的相应信号。设想如果希望的话，任何数量的压强传感器102可以放置在第一回路52和/或第二回路54内的任何位置。还设想如果希望的话，诸如例如速度、温度、粘度、密度等其它操作参数也可以或替代地被监控并用以调节摆动能量回收系统50的操作。
[0027]液压控制系统50可以配有能量回收布置104，其与至少第一回路52连通并且能够选择性地提取并回收来自从摆动马达49排出的废流体的能量。能量回收布置(ERA)104尤其可以包括可流体地连接在泵58和摆动马达49之间的回收阀体(RVB) 106、能够经由RVB106与摆动马达49选择性地连通的第一贮存器108、以及也能够与摆动马达49选择性地连通的第二贮存器110。在本发明的实施方式中，RVB 106可以固定地且机械地连接到摆动控制阀56和摆动马达49中的一者或两者，例如直接连接到壳体62和/或直接连接到壳体97。RVB 106可以包括可流体地连接到第一室回路84的内部第一通道112和可流体地连接到第二室回路86的内部第二通道114。第一贮存器108可以经由管道116流体地连接到RVB 106，同时第二贮存器110可以经由管道118且与罐60并行地流体连接到排放通道78和88。
[0028]RVB 106可以容纳选择器阀120、与第一贮存器108相联的填充阀122、以及与第一贮存器108相联且与填充阀122并行地设置的排出阀124。选择器阀120可以基于第一通道112和第二通道114的压强使第一通道112和第二通道114中的一个与填充阀122和排出阀124选择性地流体连通。填充阀122和排出阀124可以响应于来自控制器100的指令运动，以出于流体填充和排出的目的使第一贮存器108与选择器阀120选择性地流体连通。
[0029]选择器阀120可以是响应于第一通道112和第二通道114中的流体压强(S卩，响应于摆动马达49的第一室和第二室内的流体压强)可动的先导操作的两位置三通阀。特别地，选择器阀120可以包括可从第一位置(图2中所示)朝向第二位置(未示出)运动的阀元件126，在该第一位置，第一通道112经由内部通道128流体地连接到填充阀122和排出阀124，在该第二位置，第二通道114经由通道128流体连接到填充阀122和排出阀124。当第一通道112经由通道128流体地连接到填充阀122和排出阀124时，经过第二通道114的流体流动可以通过选择器阀120被禁止，反之亦然。第一先导通道130和第二先导通道132可以将来自第一通道112和第二通道114的流体连通至阀元件126的相对端，使得第一通道112或第二通道114中压强较高的一个可以引起阀元件126运动并且使相应的通道与填充阀122和排出阀124经由通道128流体连接。
[0030]填充阀122可以是响应于来自控制器100的指令可动以允许流体从通道128进入第一贮存器108的螺线管操作的可变位置两通阀。特别地，填充阀122可以包括可从第一位置(图2中所示)朝向第二位置(未示出)运动的阀元件134，在该第一位置，从通道128到第一贮存器108内的流体流动被禁止，在该第二位置，通道128流体地连接到第一贮存器108。当阀元件134远离第一位置(S卩，在第二位置或者在第一位置和第二位置之间的另一位置)并且通道128内的流体压强超过第一贮存器108内的流体压强时，来自通道128的流体可以注入(即，填充)第一贮存器108。阀元件134可以被朝向第一位置弹簧偏置，并且可以响应于来自控制器100的指令运动至第一位置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内的流动速率。止回阀136可以设置在填充阀122和第一贮存器108之间，以提供流体经由填充阀122到贮存器108内的单向流动。[0031]排出阀124可以在构成上与填充阀122基本相同，并且响应于来自控制器100的指令可动以允许流体从第一贮存器108进入通道128 (即，排出)。特别地，排出阀124可以包括可从第一位置(未示出)朝向第二位置(图2中所示)运动的阀元件138，在该第一位置，从第一贮存器108到通道128内的流体流动被禁止，在该第二位置，第一贮存器108流体地连接到通道128。当阀元件138远离第一位置(S卩，在第二位置或在第一位置和第二位置之间的另一位置)并且第一贮存器108内的流体压强超过通道128内的流体压强时，来自第一贮存器108的流体可以流入通道128内。阀元件138可以被朝向第一位置弹簧偏置，并且可以响应于来自控制器100的指令运动至第一位置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到通道128内的流动速率。止回阀140可以设置在第一贮存器108和排出阀124之间，以提供流体从贮存器108经由排出阀124到通道128内的单向流动。
[0032]如果希望的话，附加压强传感器102可以与第一贮存器108相联并且能够产生指示第一贮存器108内的流体压强的信号。在本发明的实施方式中，附加压强传感器102可以设置在第一贮存器108和排出阀124之间。但是，设想如果希望的话，附加压强传感器102可以替代地设置在第一贮存器108和填充阀122之间或者直接连接到第一贮存器108。来自附加压强传感器102的信号可以送往控制器100，用于调节填充阀122和/或排出阀124的操作。
[0033]第一贮存器108和第二贮存器110每个可以具体化为注有可压缩气体的压力容器，其能够储存将来由摆动马达49使用的加压流体。可压缩气体可以包括例如氮气、氩气、氦气或另外的适当的可压缩气体。随着与第一贮存器108和第二贮存器110连通的流体超过第一贮存器108和第二贮存器110的预定压强，流体可以流入贮存器108、110内。由于其中的气体可压缩，其可以随着流体流入第一贮存器108和第二贮存器110而像弹簧一样起作用且压缩。当管道116、118内的流体的压强降到第一贮存器108和第二贮存器110的预定压强以下时，压缩气体可以膨胀并且迫使流体从第一贮存器108和第二贮存器110内离开。设想如果希望的话，第一贮存器108和第二贮存器110可以替代地具体化为膜/弹簧偏置的或囊式贮存器。
[0034]在本发明的实施方式中，与第二贮存器110相比，第一贮存器108可以是较大卿，大大约5至20倍)且压强较高(即，压强高大约5-60倍)的贮存器。具体地，第一贮存器108可以被构造成累积多达大约50-100L的具有在大约260-300bar的范围内的压强的流体，同时第二贮存器110可以被构造成累积多达大约IOL的具有在大约5-30bar的范围内的压强的流体。在该构造中，第一贮存器108可以主要用以辅助摆动马达49的动作并且提高机器效率，同时第二贮存器可以主要用作补充贮存器以帮助降低在摆动马达49处空洞的可能性。但是，设想如果希望的话，第一贮存器108和/或第二贮存器110可以适应其它容积和压强。
[0035]控制器100可以被构造成选择性地引起第一贮存器108填充和排出，由此改进机器10的性能。特别地，由摆动马达49设置的执行系统14的典型摆动动作可以包括在过程中摆动马达49使执行系统14的摆动运动加速的时间分段和在过程中摆动马达49使执行系统14的摆动运动减速的时间分段。加速分段会需要来自摆动马达49的传统地经由由泵58供应至摆动马达49的加压流体实现的大量能量，同时减速分段可以产生传统地通过排出至罐53浪费的加压流体形式的大量能量。加速分段和减速分段都会需要摆动马达49将大量液压能量转换为摆动动能，反之亦然。但是，在加压流体通过摆动马达49之后，其仍然包含大量能量。如果在减速分段过程中通过摆动马达49的流体被选择性地收集在第一贮存器108内，该能量能够随后返回(即，排出)并且在确保加速分段过程中由摆动马达49重新使用。摆动马达49能够在加速分段过程中通过选择性地引起第一贮存器108将加压流体排出到摆动马达49的压强较高的室内(经由排出阀124、通道128、选择器阀120、以及第一室管道84和第二室管道86中适当的一个)单独或结合来自泵58的高压流体辅助，由此以比否则单独经由泵58可能的相同或较高速率且/或以较低泵功率推进摆动马达49。摆动马达49能够在减速分段过程中通过选择性地引起第一贮存器108填充离开摆动马达49的流体辅助，由此提供对摆动马达49的动作的附加阻力和/或降低对离开摆动马达49的流体的限制和冷却要求。
[0036]在一种替代实施方式中，对照离开摆动马达49的流体，控制器100可以被构造成选择性地控制第一贮存器108对离开泵58的流体的填充。即，在操作的峰值调节或经济模式过程中，控制器100可以被构造成当泵58具有过度容量(即，大于摆动马达49用以完成操作员要求的作业工具16的当前摆动所需的容量)时，引起贮存器108填充离开泵58的流体(例如，经由控制阀56、第一室管道84和第二室管道86中适当的一个、选择器阀126、通道128和填充阀122)。接着，在泵58的容量不足以向摆动马达49提供充足功率的时间过程中，以前从泵58收集在第一贮存器108内的高压流体可以以上述方式排出以辅助摆动马达49。
[0037]控制器100可以被构造成基于机器10的挖掘作业周期的当前或进行的分段调节第一贮存器108的填充和排出。特别地，基于从一个或多个性能传感器141接收的输入，控制器100可以被构造成将由机器10进行的典型作业周期划分成多个分段，例如，采掘分段、摆动至倾卸加速分段、摆动至倾卸减速分段、倾卸分段、摆动至采掘加速分段和摆动至采掘减速分段，如以下将更详细描述的。基于当前进行的挖掘作业周期的分段，控制器100可以选择性地引起第一贮存器108填充或排出，由此在加速和减速分段过程中辅助摆动马达49。
[0038]关于来自传感器141的信号与挖掘作业周期的不同分段的一个或多个映射可以存储在控制器100的存储器内。这些映射中的每个可以包括表格、图形和/或等式形式的数据集。在一例子中，与一个或多个分段的开始和/或结束相关的阈值速度、气缸压强和/或操作员输入(即，杆位置)可以存储在映射内。在另一例子中，与一个或多个分段的开始和/或结束相关的阈值力和/或致动器位置可以存储在映射内。控制器100可以被构造成将来自传感器141的信号与存储在存储器中的映射进行参考，以确定当前实施的挖掘作业周期的分段并且接着相应地调节第一贮存器108的填充和排出。如果希望的话，控制器100可以允许机器10的操作员直接修改这些映射和/或从存储在控制器100的存储器中的可用关系映射选择具体映射以影响分段划分和贮存器控制。设想如果希望的话，映射可以附加地或替代地基于机器操作模式可自动选择。
[0039]传感器141可以与由摆动马达49赋予的作业工具16的通常水平摆动动作(即，框架42相对于底架构件44的动作)相关。例如，传感器141可以具体化为与摆动马达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的任何联接构件相关或与作业工具16自身相关的局部或整体坐标位置或速度传感器、与操作员输入装置48的运动相关的位移传感器、或现有技术中已知的可以产生指示机器10的摆动位置、速度、力或其它与摆动关联的参数的信号的任何其它类型的传感器。由传感器141产生的信号可以在每个挖掘作业周期过程中发送至控制器100并由控制器100记录。设想如果希望的话，控制器100可以基于来自传感器141的位置信号和流逝的时间期间得到摆动速度。
[0040]替代地或附加地，传感器141可以与由液压缸28赋予的作业工具16的竖直枢转动作相关(即，与悬臂24相对于框架42的提升和降低动作相关)。具体地，传感器141可以是与悬臂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的任何联接构件相关或与作业工具16自身相关的局部或整体坐标位置或速度传感器、与操作员输入装置48的运动相关的位移传感器、或现有技术中已知的可以产生指示悬臂24的枢转位置或速度的信号的任何其它类型的传感器。设想如果希望的话，控制器100可以基于来自传感器141的位置信号和流逝的时间期间得到枢转速度。
[0041]在又一附加实施方式中，传感器141可以与由液压缸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内的一个或多个室相关的压强传感器，或现有技术中已知的可以产生指示在作业工具16的采掘和倾卸操作过程中产生的机器10的倾斜力的信号的任何其它类型的传感器。
[0042]参照图3，示例性的曲线142可以表示相对于贯穿挖掘作业周期的每个分段，例如贯穿与90°装车相关的作业周期的时间由传感器141产生的摆动速度信号。在采掘分段的大部分过程中，摆动速度可以典型地是大约零(即，机器10在采掘操作过程中通常可以不摆动)。在采掘行程完成时，机器10通常可以被控制以使作业工具16朝向等待的运输车辆12摆动(参照图1)。如此，机器10的摆动速度可以朝向采掘分段的末尾开始增加。随着挖掘作业周期的摆动至倾卸分段进行，摆动速度可以在作业工具16处于采掘位置18和倾卸位置20之间的大约半程时加速至最大，并且接着朝向摆动至倾卸分段的末尾减速。在倾卸分段的大部分过程中，摆动速度可以典型地是大约零(即，机器10在倾卸操作过程中通常可以不摆动)。当倾卸完成时，机器10通常可以被控制以使作业工具16向回朝向采掘位置18摆动(参照图1)。如此，机器10的摆动速度可以朝向倾卸分段的末尾增加。随着挖掘周期的摆动至采掘分段进行，摆动速度可以在挖掘周期的摆动至倾卸分段过程中在与摆动方向相反的方向上加速至最大。该最大速度通常可以在作业工具16处于倾卸位置20和采掘位置18之间的半程时达到。作业工具16的摆动速度接着可以随着作业工具16靠近采掘位置18而朝向摆动至采掘分段的末尾减速。控制器100可以基于从传感器141接收的信号和存储在存储器中的映射、基于为以前的挖掘作业周期记录的摆动速度、倾斜力和/或操作员输入、或者以现有技术中已知的任何其它方式将当前挖掘作业周期划分成上述六个分段。
[0043]控制器100可以基于挖掘作业周期的当前或进行的分段选择性地引起第一贮存器108填充和排出。例如，图3的图表部分144(S卩，下部)图示在过程中挖掘周期能够完成的6种不同操作模式，连同有关相对于每个挖掘作业周期的分段何时控制第一贮存器108以填充加压流体(由“C”表示)或排出加压流体(由“D”表示)的指示。当通道128内的压强大于第一贮存器108内的压强时，通过使填充阀的阀元件134运动至第二或流动通过位置，第一贮存器108能够被控制以填充加压流体。当第一贮存器108内的压强大于通道128内的压强时，通过使阀元件138运动至第二或流动通过位置，第一贮存器108能够被控制以排出加压流体。
[0044]基于图3的图表，可以做出一些一般观察。首先，能够看到在所有操作模式的采掘和倾卸分段过程中，控制器100可以禁止第一贮存器108接收或排出流体(即，在采掘和倾卸分段过程中，控制器100可以保持阀元件134和138处于第一流动阻止位置)。在采掘和倾卸分段过程中，控制器100可以禁止填充和排出，因为在挖掘作业周期的这些部分的完成过程中不需要或几乎不需要摆动动作。第二，对于大多数模式(例如对于模式2-6)，在过程中控制器100引起第一贮存器108接收流体的分段的数量可以大于在过程中控制器100引起第一贮存器108排出流体的分段的数量。控制器100通常可以引起第一贮存器108与排出相比更经常填充，因为在充分高的压强下(即，在大于第一贮存器108的阈值压强的压强下)可得到的填充能量的量可能小于在执行系统14的运动过程中所需的能量的量。第三，对于所有模式，在过程中控制器100引起第一贮存器108排出流体的分段的数量永远不会大于在过程中控制器100引起第一贮存器108接收流体的分段的数量。第四，对于所有模式，控制器100仅在摆动至采掘或摆动至倾卸加速分段过程中会引起第一贮存器108排出流体。在挖掘周期的任何其它分段过程中排出仅会降低机器效率。第五，对于大多数操作模式(例如，对于模式1-4)，控制器100仅在摆动至采掘或摆动至倾卸减速分段过程中会引起第一贮存器108接收流体。
[0045]模式I可以对应于摆动强烈操作，其中，可得到大量摆动能量，以用于第一贮存器108储存。示例性摆动强烈操作可以包括150° (或更大)摆动操作，诸如图1中所示的装车例子、材料处理(例如使用抓斗或磁体)、从邻近的堆垛料斗送料、或机器10的操作员典型地要求严格的起停指令的另外的操作。当在模式I中操作时，控制器100可以被构造成引起第一贮存器108在摆动至倾卸加速分段过程中将流体排出至摆动马达49、在摆动至倾卸减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体、在摆动至采掘加速分段过程中将流体排出至摆动马达49、以及在摆动至采掘减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体。
[0046]控制器100可以由机器10的操作员指示操作的第一模式当前有效(例如，装车正在进行)，或者替代地，控制器100可以基于经由传感器141监控的机器10的性能自动地识别第一模式中的操作。例如，控制器100可以监控执行系统14在停止位置之间(S卩，在采掘位置18和倾卸位置20之间)的摆动角度，并且当摆动角度反复大于阈值角度、例如大于大约150°时，控制器100可以确定第一操作模式有效。在另一例子中，输入装置48的操纵可以经由传感器141监控以检测指示模式I操作的“严格”输入。特别地，如果输入在短时间期间内(例如，大约0.2秒或更短)反复地从低阈值(例如，大约10%杆指令)以下运动到高阈值水平(例如，大约100%杆指令)以上，输入装置48可以被认为是以严格方式操纵，并且控制器100可以响应地确定第一操作模式有效。在最后的例子中,控制器100可以基于周期和/或贮存器100内的压强值、例如当阈值压强重复达到时确定第一操作模式有效。在该最后的例子中，阈值压强可以是最大压强的大约75%。
[0047]模式2-4通常可以对应于摆动操作，其中，仅可得到有限量的摆动能量，以用于第一贮存器108储存。具有有限量的能量的示例性摆动操作可以包括90°装车、45°挖沟、打夯、或慢且平滑起吊。在这些操作过程中，在贮存的能量可以大量排出之前，流体能量可能需要从挖掘作业周期的两个或更多个分段贮存。应当注意的是，尽管模式4被示出为允许在两个分段从第一贮存器108排出，但一个分段(例如，摆动至倾卸分段)仅可以允许贮存的能量部分排出。正如上述模式1，模式2-4可以由机器10的操作员手动触发，或者替代地，基于如经由传感器141监控的机器10的性能自动地触发。例如，当机器10被确定为反复摆动经过小于大约100°的角度时,控制器100可以确定模式2-4之一有效。在另一例子中，控制器100可以基于操作员要求的悬臂运动小于阈值量(例如，对于模式2或4，小于大约80%杆指令或最大要求速度)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%杆指令或最大要求速度)确定模式2-4有效。
[0048]在模式2过程中，控制器100可以引起第一贮存器108仅在摆动至倾卸加速分段过程中将流体排出至摆动马达49、在摆动至倾卸减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体、以及在摆动至采掘减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体。在模式3过程中，控制器100可以引起第一贮存器108在摆动至倾卸减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体、仅在摆动至采掘加速分段过程中将流体排出至摆动马达49、以及在摆动至采掘减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体。在模式4过程中，控制器100可以引起第一贮存器108在摆动至倾卸加速分段过程中将以前回收的流体的仅一部分排出至摆动马达49、在摆动至倾卸减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体、在摆动至采掘加速分段过程中将流体排出至摆动马达49、以及在摆动至采掘减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体。
[0049]模式5和6可以已知为经济或峰值调节模式，其中，在挖掘作业周期的一个分段过程中的过多流体能量(超过根据操作员要求充分驱动摆动马达49所需的量的流体能量)由泵58产生并且储存用于在对于希望的摆动操作不能得到充足的流体能量时的另一分段过程中使用。在这些操作模式过程中，控制器100可以引起第一贮存器108在可得到过多流体能量时的摆动加速分段过程中，例如在摆动至倾卸或摆动至采掘加速分段过程中填充来自泵58的加压流体。控制器100接着可以引起第一贮存器108在不能得到充足能量时的另一加速分段过程中排出贮存的流体。具体地，在模式5过程中，对于总的三个填充分段和一个排出分段，控制器100可以引起第一贮存器108仅在摆动至倾卸加速分段过程中将流体排出至摆动马达49、在摆动至倾卸减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体、在摆动至采掘加速分段过程中接收来自泵58的流体、以及在摆动至采掘减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体。在模式6过程中，控制器100可以引起第一贮存器108在摆动至倾卸加速分段过程中接收来自泵58的流体、在摆动至倾卸减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体、在摆动至采掘加速分段过程中将流体排出至摆动马达49、以及在摆动至采掘减速分段过程中接收来自摆动马达49的流体。
[0050]应当注意的是，控制器100在第一贮存器108的填充和排出过程中会受到第一室管道84、第二室管道86和第一贮存器108内的流体压强的限制。即，即使在特定操作模式过程中在机器10的作业周期中的特定分段会需要第一贮存器108的填充或排出，控制器100仅可以允许在相关压强具有相应值时执行动作。例如，如果传感器102指示第一贮存器108内的流体压强低于第一室管道84内的流体压强，控制器100会不被允许起动第一贮存器108到第一室管道84内的排出。类似地，如果传感器102指示第二室管道86内的流体压强小于第一贮存器108内的流体压强，控制器100会不被允许起动第一贮存器108填充来自第二室管道86的流体。不仅示例性过程在相关压强不适当时的特定时间执行是不可能的，而且执行过程的尝试会导致不希望的机器性能。
[0051]在加压流体从第一贮存器108排出至摆动马达49的过程中，离开摆动马达49的流体仍会具有升高的压强，该升高的压强如果被允许排放至罐60内，则会被浪费。此时，第二贮存器110可以被构造成在第一贮存器108将流体排出至摆动马达49的任何时间填充离开摆动马达49的流体。另外，在第一贮存器108的填充过程中，摆动马达49可以接收来自泵58的非常少的流体，并且除非另有原因，在这些状况下向摆动马达49供应来自泵58的流体不充足会引起摆动马达49空洞。相应地，第二贮存器110可以被构造成在第一贮存器108填充来自摆动马达49的流体的任何时间排出至摆动马达49。
[0052]如上所述，第二贮存器110可以在排放通道78内的压强落在第二贮存器110内的流体压强以下的任何时间排出流体。相应地，从第二贮存器Iio排出流体到第一回路52内可以不经由控制器100直接调节。但是，由于第二贮存器110可以在排放通道88内的压强超过第二贮存器110内的流体压强的任何时候填充来自第一回路52的流体，并且由于控制阀56可以影响排放通道88内的压强，控制器100可以经由控制阀56对第二贮存器110填充来自第一回路52的流体进行一些控制。
[0053]在一些情况中，第一贮存器108和第二贮存器110可以同时填充加压流体。这些情况可以例如对应于峰值调节模式(即，模式5和6)中的操作。特别地，当泵58向摆动马达49和第一贮存器108提供加压流体时(例如，在模式5的摆动至采掘加速分段过程中和/或模式6的摆动至倾卸加速分段过程中)，第二贮存器110可以同时填充加压流体。在这些时候，离开泵58的流体可以被引导至第一贮存器108内，同时离开摆动马达49的流体可以被引导至第二贮存器110内。
[0054]如果希望的话，第二贮存器110还可以经由第二回路54填充。特别地，在来自第二回路54的废流体(即，从第二回路54排放至罐60的流体)的压强大于第二贮存器110的阈值压强的任何时候，废流体可以被收集在第二贮存器110内。以相似的方式，当第二回路54内的压强落在第二贮存器110内收集的流体压强以下时，第二贮存器110内的加压流体可以选择性地排出至第二回路54内。
[0055]工业实用性
[0056]本发明的液压控制系统可以应用于进行涉及作业工具的摆动运动的基本重复的作业周期的任何挖掘机器。本发明的液压控制系统可以通过基于当前操作模式在作业周期的不同分段过程中辅助作业工具的摆动加速和减速而有助于提高机器性能和效率。具体地，本发明的液压控制系统可以将作业周期划分成分段，并且基于当前操作模式选择性地储存加压废流体或释放储存的流体，以辅助在划分的分段过程中摆动马达的运动。
[0057]若干益处可以与本发明的液压控制系统相关。首先，由于液压控制系统50可以利用高压贮存器和低压贮存器(即，第一贮存器108和第二贮存器110)，在挖掘作业周期的加速分段过程中从摆动马达49排出的流体可以被回收在第二贮存器110内。能量的这种双回收可以有助于增加机器10的效率。第二，第二贮存器110的使用可以有助于降低在摆动马达49处空洞的可能性。第三，基于挖掘作业周期的当前分段和/或基于当前操作模式调节贮存器填充和排出的能力可以允许液压控制系统50针对特定应用修整机器10的摆动性能，由此增强机器性能并且/或者进一步提高机器效率。[0058]本领域技术人员清楚针对本发明的液压控制系统可以做出多种修改和变型。本领域技术人员通过考虑本发明的液压控制系统的说明书和实践将清楚其它实施方式。本说明书和例子意于仅被认为是示例性的，真正的范围通过权利要求书及其等效指明。
【权利要求】
1.一种液压控制系统(50),包括: 作业工具(16)，其能够在挖掘周期的各分段中运动； 马达(49)，其能够在挖掘周期过程中摆动作业工具； 至少一个贮存器(108，110)，其能够在挖掘周期过程中选择性地接收从马达排出的流体和将流体排出至马达；和 控制器(100)，其能够: 接收有关作业工具的当前挖掘周期的输入； 基于输入做出当前挖掘周期与一组已知操作模式中的一种相关的确定；以及 基于确定引起至少一个贮存器在挖掘周期的不同分段过程中接收流体和排出流体。
2.根据权利要求1所述的液压控制系统，其中，所述一组已知操作模式包括装车操作、挖沟操作、起吊操作、材料处理操作和峰值调节操作中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的液压控制系统，其中，所述输入包括作业工具速度、作业工具负载、作业工具位置、一系列作业工具运动和输入装置的操作员操纵中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的液压控制系统，其中，所述控制器能够: 当作业工具重复运动经过大约150°或更大的摆动角度时，确定当前挖掘周期与装车操作相关；以及 引起至少一个贮存器在装车操作的每个周期过程中在两个不同的摆动加速分段过程中将流体排出至马达并且在两个不同的摆动减速分段过程中接收从马达排出的流体。
5.根据权利要求3所述的液压控制系统，其中，所述控制器能够: 当作业工具重复运动经过大约100°或更小的摆动角度时，确定当前挖掘周期与挖沟操作相关；以及 引起至少一个贮存器在挖沟操作的每个周期过程中仅在一个摆动加速分段过程中将流体排出至马达并且在两个不同的摆动减速分段过程中接收从马达排出的流体。
6.根据权利要求5所述的液压控制系统，其中，所述控制器能够: 当作业工具的操作员要求的运动重复小于最大速度的大约80%时，确定当前挖掘周期与起吊操作相关；以及 引起至少一个贮存器在起吊操作的每个周期过程中仅在不同于与挖沟操作相关的摆动加速分段的一个摆动加速分段过程中将流体排出至马达并且在两个不同的摆动减速分段过程中接收从马达排出的流体。
7.根据权利要求3所述的液压控制系统，还包括能够使被引导至马达的流体加压的泵(58)，其中所述控制器能够引起至少一个贮存器在峰值调节操作的每个周期过程中在第一摆动加速分段过程中填充来自泵的流体并且在第二摆动加速分段过程中将流体排出至马达。
8.根据权利要求3所述的液压控制系统，还包括能够感测输入并产生指示送往控制器的输入的信号的至少一个传感器(102)。
9.根据权利要求2所述的液压控制系统，其中，所述输入是所述一组已知操作模式的操作员选择。
10.一种控制机器(10)的方法,包括: 向马达(49)提供加压流体以使作业工具(16)在挖掘周期的各分段中运动；接收有关当前挖掘周期的输入； 基于输入做出当前 挖掘周期与一组已知操作模式中的一种相关的确定；以及基于所述确定在挖掘周期的不同分段过程中贮存来自马达的流体或将贮存的流体排出至马达。
【文档编号】F15B13/02GK103703255SQ201280036524
【公开日】2014年4月2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, 尚同林, P·斯普林, 马鹏飞, R·彼得森 申请人:卡特彼勒公司