用于液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)以及用于回收能量和平衡液壓系統(tǒng)負載的方法
【專利說明】用于液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)以及用于回收能量和平衡液壓系統(tǒng)負載的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請在2013年12月17日作為PCT國際專利申請?zhí)峤?，并且要?012年12月19日提交的美國專利申請系列號N0.61/739，508的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開內(nèi)容通過全文引用的方式并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]移動式機械設(shè)備(例如，挖掘機)通常包括液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)具有用于為各種活動機器構(gòu)件(例如，聯(lián)動裝置、履帶、旋轉(zhuǎn)接頭等)提供動力的液壓驅(qū)動的線性和旋轉(zhuǎn)致動器。典型地，線性致動器包括液壓缸并且旋轉(zhuǎn)致動器包括液壓馬達。通過操縱機器控制系統(tǒng)的用戶接口，機器操作員可以控制各種機器構(gòu)件的運動。
[0004]典型的移動式機械設(shè)備包括用作用于該移動式機械設(shè)備的總動力源的原動機(例如，柴油發(fā)動機、火花點火發(fā)動機、電動機等)。通常，原動機為一個或多個液壓栗提供動力，所述液壓栗提供用于驅(qū)動該機械設(shè)備的活動機器構(gòu)件的加壓液壓流體。原動機典型地需要確定尺寸為滿足系統(tǒng)的峰值功率需求。由于原動機設(shè)計成滿足峰值功率需求，故原動機在平均工作負載下通常不會以峰值效率運轉(zhuǎn)。
[0005]上述類型的活動液壓構(gòu)件的操作的特征可以在于頻繁的加速和減速(例如，超限運行(overruning)的液壓負載)。由于節(jié)流，常常存在與減速相關(guān)的大量能量損失。需要改進的用于回收與此類減速相關(guān)的能量損失的系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個方面涉及用于有效地回收和利用來自超限運行的液壓負載的能量的系統(tǒng)和方法。
[0007]本發(fā)明的另一方面涉及用于通過在低加載期間有效地儲存能量并且在高加載期間有效地釋放所儲存的能量來平衡(均衡，整平，leveling)液壓系統(tǒng)原動機上的負荷從而允許針對平均功率需求而不是針對峰值功率需求來確定原動機的尺寸的系統(tǒng)和方法。此類系統(tǒng)和方法還允許原動機以允許優(yōu)化原動機的運轉(zhuǎn)效率的更一致的運轉(zhuǎn)狀態(tài)運行。
[0008]本發(fā)明的又一方面涉及一種液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)包括能提供對抗外部負載的軸功的液壓變換器。在某些實施例中，離合器可以用于使輸出軸與外部負載接合和分離以使得該單元還可以用作獨立的液壓變換器。
[0009]本發(fā)明的又一方面涉及一種用于上述液壓系統(tǒng)及相似系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明的又一方面涉及用于上述液壓系統(tǒng)及相似系統(tǒng)的控制邏輯。
[0011]下面的描述將陳述各種另外的方面。這些方面會涉及單獨的特征和特征的組合。應(yīng)理解，前文的大體描述和下文的詳細描述只是示例性和說明性的，且并非對文中公開的實施例所基于的寬泛概念加以限制。
【附圖說明】
[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明的原理的第一液壓系統(tǒng)的示意圖；
[0013]圖2是示意性地示出了圖1的第一液壓系統(tǒng)可以運轉(zhuǎn)的各種運轉(zhuǎn)模式的矩陣表；
[0014]圖3-11示出了以在圖2的矩陣表中概括的各種運轉(zhuǎn)模式運轉(zhuǎn)的圖1的第一液壓系統(tǒng)；
[0015]圖12是根據(jù)本發(fā)明的原理的第二液壓系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖13-21示出了以在圖2的矩陣表中概括的各種運轉(zhuǎn)模式運轉(zhuǎn)的第二液壓系統(tǒng)；
[0017]圖22和23是示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的第三液壓系統(tǒng)的兩種運轉(zhuǎn)構(gòu)型的示意圖；
[0018]圖24和25示出了一臺移動式挖掘設(shè)備，該挖掘設(shè)備是根據(jù)本發(fā)明的原理的液壓系統(tǒng)可以用在其上的一類機器的示例；
[0019]圖26和27是示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的第三液壓系統(tǒng)的兩種運轉(zhuǎn)構(gòu)型的示意圖；
[0020]圖28是圖27的放大的一部分；
[0021]圖29是一臺示例的常規(guī)挖掘設(shè)備在一個示例工作周期上的原動機功率輸出的曲線圖；
[0022]圖30是一臺示例的根據(jù)本發(fā)明的原理的挖掘設(shè)備在一個示例工作周期上的原動機功率輸出的曲線圖；
[0023]圖31是示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的與圖26的第三液壓系統(tǒng)相關(guān)的第四液壓系統(tǒng)的示意圖，所述第四液壓系統(tǒng)在一模式中設(shè)置成，通過可操作的蓄壓器/蓄能器并且在圖24和25的移動式挖掘設(shè)備的高系統(tǒng)負載下升高動臂和加速擺動驅(qū)動裝置；
[0024]圖32是圖31的示意圖，其中第四液壓系統(tǒng)在一模式中設(shè)置成于升高動臂和加速擺動驅(qū)動裝置，其中蓄壓器在轉(zhuǎn)換中并且系統(tǒng)處于圖24和25的移動挖掘設(shè)備的高系統(tǒng)負載下；
[0025]圖33是圖31的示意圖，其中第四液壓系統(tǒng)設(shè)置成用于升高動臂和加速擺動驅(qū)動裝置的模式，其中蓄壓器不可操作并且系統(tǒng)處于圖24和25的移動挖掘設(shè)備的高系統(tǒng)負載下；
[0026]圖34-39是根據(jù)本發(fā)明的原理的示例邏輯流程圖，用于操作可用于控制某些液壓系統(tǒng)的示例控制系統(tǒng)；
[0027]圖40是圖31的示意圖，其中第四液壓系統(tǒng)設(shè)置成用于升高動臂和加速擺動驅(qū)動裝置的模式，其中來自主栗的流升高動臂并且來自主栗的流和來自蓄壓器的流加速擺動驅(qū)動裝置；
[0028]圖41是圖31的示意圖，其中第四液壓系統(tǒng)設(shè)置成用于升高動臂和減速擺動驅(qū)動裝置的模式，其中來自主栗的流升高動臂并且通過主栗和通過擺動驅(qū)動裝置的減速對蓄壓器進行充入/蓄能；
[0029]圖42是圖31的示意圖，其中第四液壓系統(tǒng)設(shè)置成用于降低動臂和加速擺動驅(qū)動裝置的模式，其中來自主栗的流降低動臂并且通過降低動臂對蓄壓器進行充入以及通過降低動臂供給動力來加速擺動驅(qū)動裝置；以及
[0030]圖43是圖31的示意圖，其中第四液壓系統(tǒng)設(shè)置成用于升高動臂和對蓄壓器進行充入，其中來自主栗的流升高動臂并且通過主栗對蓄壓器進行充入。
【具體實施方式】
[0031]現(xiàn)將對在附圖中示出的本發(fā)明的各方面進行詳細說明。在所有可能的情況下，所有附圖中將使用相同的附圖標記來表示相同或相似的結(jié)構(gòu)。
[0032]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括由原動機14(例如，柴油發(fā)動機、火花點火發(fā)動機、電動機或其它動力源)驅(qū)動的可變排量栗12?？勺兣帕坷?2包括從罐18 ( S卩，低壓儲器)抽吸低壓液壓流體的入口 16?？勺兣帕坷?2還包括出口 20，高壓液壓流體經(jīng)該出口輸出。出口 20優(yōu)選流體地聯(lián)接到多個不同工作負載回路。例如，出口20被示出為聯(lián)接到第一負載回路22和第二負載回路24。第一負載回路22包括液壓變換器26，該液壓變換器包括第一端口 28、第二端口 30和第三端口 32。液壓變換器26的第一端口 28流體地連接到可變排量栗12的出口 20并且還流體地連接到第二負載回路24。第二端口 30流體地連接到罐18。第三端口 32流體地連接到液壓蓄壓器34。液壓變換器26還包括聯(lián)接到外部負載38的輸出/輸入軸36。離合器40可以用于選擇性地使輸出/輸入軸36與外部負載38接合以及使輸出/輸入軸36與外部負載38分離。當(dāng)離合器40使輸出/輸入軸36與外部負載38接合時，轉(zhuǎn)矩在輸出/輸入軸36和外部負載38之間傳遞。相反，當(dāng)離合器40使輸出/輸入軸36與外部負載38分離時，沒有轉(zhuǎn)矩在輸出/輸入軸36和外部負載38之間傳遞。在離合器40和外部負載38之間可以設(shè)置有齒輪減速裝置。
[0033]系統(tǒng)10還包括與原動機14、可變排量栗12和液壓變換器26接口的電子控制器42。應(yīng)了解的是，電子控制器42還可以與遍及系統(tǒng)10設(shè)置的各種其它傳感器和其它數(shù)據(jù)源接口。例如，電子控制器42可以與結(jié)合在系統(tǒng)10中以測量蓄壓器34中的液壓壓力、由可變排量栗12向第一回路22和第二回路24提供的液壓壓力、液壓變換器26的栗側(cè)和罐側(cè)壓力以及其它壓力的壓力傳感器接口。此外，控制器42可以與感測輸出/輸入軸36的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器接口。另外，電子控制器42可以用于監(jiān)測原動機14上的負荷并且可以控制在由原動機14提供動力的驅(qū)動軸13的特定轉(zhuǎn)速下跨可變排量栗12的液壓流體流量。在一個實施例中，軸每旋轉(zhuǎn)一圈跨可變排量栗12的液壓流體排量可以通過改變可變排量栗12的旋轉(zhuǎn)斜盤44的位置來改變?？刂破?2還可以與離合器40接口以允許操作員選擇性地使變換器26的輸出/輸入軸36與外部負載38接合和分離。
[0034]電子控制器42可以控制液壓變換器26的操作以提供負荷平衡功能，該負荷平衡功能允許原動機14以一致的運轉(zhuǎn)狀態(tài)(即，穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài))運行，由此有助于提高原動機14的總體效率。負荷平衡功能可以通過在原動機14的低負載期間有效地將能量儲存在蓄壓器34中并且在原動機14的高負載期間有效地釋放所儲存的能量來提供。這允許針對平均功率需求而不是峰值功率需求來確定原動機14的尺寸。
[0035]圖2示出了矩陣表50，該矩陣表示意性地示出了可以由電子控制器42用于控制系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)的控制邏輯的概覽。應(yīng)了解的是，矩陣表50為簡化版并且未考慮某些因素如蓄壓器34的充入/蓄能狀態(tài)。該控制邏輯/架構(gòu)的主要目標是維持原動機14以一般負荷水平運行，從而允許原動機14更有效的運轉(zhuǎn)。該控制邏輯/架構(gòu)還可以減小系統(tǒng)峰值功率需求，由此允許使用更小的原動機。這通過使用蓄壓器34和變換器26從由原動機14提供動力的第一工作回路回收能量并使用所回收的能量作為用于驅(qū)動由原動機14提供動力的第二工作回路的功率補充來完成。蓄壓器34和變換器26還可以用于緩沖由原動機14產(chǎn)生的能量。蓄壓器34和變換器26還可以用于以可以消除液壓節(jié)流的方式回收與負載減速相關(guān)的能量。
[0036]參照圖2，矩陣表50包括多個水平行和多個豎向列。例如，水平行包括與原動機14的低加載狀態(tài)對應(yīng)的第一行52、與原動機14的目標加載狀態(tài)對應(yīng)的第二行54、和與原動機14的高加載狀態(tài)對應(yīng)的第三行56。豎向列包括第一列58、第二列60、和第三列62。第一列58表示變換器26正在提供其中轉(zhuǎn)矩經(jīng)離合器40從輸出/輸入軸36傳遞到外部負載38的馬達驅(qū)動功能的狀態(tài)。第二列60表示輸出/輸入軸36通過離合器40與外部負載38分離的狀態(tài)。第三列62表示變換器26正在提供其中轉(zhuǎn)矩經(jīng)輸出/輸入軸36從外部負載38傳回的栗送功能的狀態(tài)。
[0037]矩陣表50的框64表不這樣一種運轉(zhuǎn)狀態(tài)/模式，在該運轉(zhuǎn)狀態(tài)/模式下，原動機14處在低負荷下并且液壓變換器26正在提供其中轉(zhuǎn)矩經(jīng)輸出/輸入軸36傳遞到外部負載38的馬達驅(qū)動功能。當(dāng)電子控制器42從操作員接口 43(例如，控制面板、操縱桿、撥片(toggle)、開關(guān)、控制桿等)接收指示電子控制器42通過輸出/輸入軸36的旋轉(zhuǎn)使外部負載38加速或以其它方式驅(qū)動外部負載38的指令時，系統(tǒng)10以該模式運轉(zhuǎn)。在該模式/狀態(tài)下，控制器42將液壓變換器26的運轉(zhuǎn)控制成使得來自可變排量栗12的一部分液壓流體壓力用于驅(qū)動輸出/輸入軸36并且來自可變排量栗12的液壓流體壓力的其余部分用于對蓄壓器34進行充入(參看圖3)。
[0038]矩陣表50的框66表不其中原動機14正在低負荷下運轉(zhuǎn)并且輸出/輸入軸36與外部負載38分尚的運轉(zhuǎn)模式/狀態(tài)。在該模式/狀態(tài)下，控制器42將液壓變換器26的運轉(zhuǎn)控制成使得變換器26用作獨立的變換器，其中來自可變排量栗12的所有過剩液壓流體壓力(例如，第二工作回路24不需要的過剩動力)都用于對蓄壓器34進行充入(參看圖4)。這樣，變換器26和蓄壓器34提供其中來自原動機14的否則未使用的能量被儲存以便隨后使用的能量緩沖功能。
[0039]矩陣表50的框68表不這樣一種運轉(zhuǎn)模式/狀態(tài)，在該模式/狀態(tài)下，原動機14處在低負荷下并且變換器26正用作其中轉(zhuǎn)矩經(jīng)輸出/輸入軸36傳遞到變換器26中的栗。當(dāng)電子控制器42從操作員接口 43接收指示電子控制器42使外部負載38的旋轉(zhuǎn)減速的指令時，系統(tǒng)10在該模式/狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。這形成了其中與外部負載38的運動對應(yīng)的能量(例如，慣性能量)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩并經(jīng)輸出/輸入軸36傳遞到變換器26中的超限運行狀態(tài)。在該狀態(tài)下，電子控制器42將變換器26控制成使得變換器26提供將從外部負載38的慣性能量衍生的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為用于對蓄壓器34進行充入的液壓能量的栗送功能(參看圖5)。隨著能量被傳遞到蓄壓器34，變換器26用于制動輸出/輸入軸36的旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)期望的減速。在該模式/狀態(tài)下，電子控制器42還可以將變換器26控制成使得來自可變排量栗12的過剩能量同時用于對蓄壓器34進行充入。
[0040]矩陣表50的框