具有能量回收的液壓驅動系統的製作方法

2023-10-19 19:11:07 2

專利名稱：具有能量回收的液壓驅動系統的製作方法
具有能量回收的液壓驅動系統本發明涉及一種根據權利要求I的前序部分所述的、具有能量回收功能的液壓驅動系統，其分別用於平移負載或旋轉負載，平移負載例如為做功機械、諸如挖土機、提升機以及類似工作設備的起重臂/提升機構，旋轉負載例如為卷揚機。旋轉負載、如卷揚機驅動裝置的或平移負載、如做功機械的提升機構特別是以液壓方式來驅動，其中為此所需的液壓流體流由壓力液泵產生。泵由馬達以機械方式驅動，其中它的輸送體積可以根據手操縱的控制杆或者直接在機械路徑上或間接地通過控制單元來改變，該控制單元產生相應的控制信號並且將該控制信號施加到壓力液泵或其調整機構上。此外，在泵與負載之間的連接線路中在其間連接至少一個可手動操縱的控制閥，通過該控制閥可以控制負載的運動速度和方向。在這方面，其相應於如下技術標準，根據閥門杆位置來調節運動速度(例如在起重臂時的下降速度)並且最大運動速度、例如下降速度通過在液壓驅動系統的壓力釋放線路中的換向閥來實現。在此情況下，被提升的或被拉動的負荷的勢能在換向閥的節流位置處轉換成熱並且隨流體一起排入箱中。然而特別是在電驅動的做功機械的情況下以及通常在移動式液壓系統中，液壓設備的能量效率極其重要，其中在這種情況下被提升的負荷的勢能在其降低時通過以發電機方式工作的電動機回引至電池中。為此在現有技術中例如根據DE 44 16 173 C2已知，藉助輸送體積可調整的壓力液泵為提升裝置的起升液壓缸供給液壓流體，其通過壓力液線路和在其間連接的控制閥連接到起升液壓缸上。控制閥可手動地操縱並且將起升液壓缸選擇性地與壓力液泵連接，以用於提升負荷，或與壓力釋放線路連接，以用於將降低負荷。在壓力釋放線路中連接有降低制動閥，壓力液通過該降低制動閥以節流方式可以釋放到壓力液箱中。附加地，從壓力釋放線路在降低制動閥上遊的切換閥處分出能量回收線路，該能量回收線路通過止回閥回引至泵上遊的壓力液線路中並且因此將釋放的壓力液朝向壓力液泵回引至其輸出接口。如果在起升液壓缸與控制閥之間的壓力超過預先確定的值的情況，則切換閥切換到能量回收線路，壓力液泵在這種情況下作為壓力液馬達工作而機械連接於其上的電動機作為發電機工作。根據上述現有技術的帶有能量回收的線路的前提條件是帶有電能量存儲器(例如電池)的電驅動的泵馬達單元。然而，在移動式做功機械中液壓泵通常通過內燃機來驅動。此外不利的是，由於多個傳感器而導致較高的調節技術耗費，因為泵轉速以及閥開口必須根據系統壓力和負載壓力以及負載速度來調節。此外，能量回收在具有並行負載的工作狀態中是不可能的，這些負載具有較高的負載壓力。鑑於這些情況，本發明的目的是提供一種具有能量回收功能的液壓驅動系統，其實現了高效率並且能夠驅動多個並行負載。另一優選的目的是如此構成液壓驅動系統，使得無需具有電能量存儲器的電驅動的泵馬達單元，並且該泵馬達單元進一步優選能以較小的調節技術耗費來運行。
所述目的通過具有權利要求I的特徵的液壓驅動系統來實現。本發明的有利的設計方按是從屬權利要求的主題。本發明的核心以及因此與現有技術的主要區別在於如此構成具有能量回收功能的液壓驅動系統，其包括用於為至少一個或多個(平移或旋轉的)負載供給壓力液的壓力液泵和用於將壓力液從所述負載排出的回引線路，使得被排出的壓力液在(被回收的)壓力下回引至壓力液泵的吸入側。由此在泵處於泵運行方式中的情況下，在泵上的壓力差降低並且因此減小了能耗；或者在泵處於馬達運行方式中的情況下，來自所回收的壓力液的能量發送給驅動軸。於是在這兩種情況下進行能量回收，其中被回收的能量並行地以及由相同的泵來驅動的負載立即並且直接可供使用。由此可以提高驅動系統的效率。本發明的一種有利的設計方案為此提出，保壓閥在其間連接到回引線路中，其輸出側藉助限壓閥預設置/可預設置為(回收)壓力。以此方式可以將與負荷有關的(回收)壓力施加到泵的吸入側上。特別有利的是，將壓力液儲存器連接到壓力液泵的吸入側上，其中不能暫時儲存由泵所需的/所取得(回收)的體積流。
最後有利的是，藉助橋接線路繞開保壓閥，節流元件、優選比例閥在其間連接到橋接線路中。由此實現了，在回引線路中相當高的回引壓力的情況下，可以使(回收)壓力在保壓閥上調節的輸出壓力之上施加到泵上，以便暫時進一步提高驅動系統的效率。下面藉助優選實施例參考附圖
詳細闡述本發明。圖I示出了根據本發明的第一優選實施例的液壓驅動系統的線路圖，該第一優選實施例基本上是基本實施方案，
圖2示出了根據本發明的第二優選實施例的液壓驅動系統的線路圖，該第二優選實施例配備有用於回收的能量的附加的能量存儲器，
圖3示出了根據本發明的第三優選實施例的液壓驅動系統的線路圖，該第三優選實施例是第二實施例的改進方案並且進一步提高了驅動系統的效率，
圖4示出了根據本發明的第四優選實施例的液壓驅動系統的線路圖，該第四優選實施例除了第三實施例的功能之外還配備有附加的「虛擬負載」，
圖5示出了根據本發明的第五優選實施例的液壓布置的線路圖，以及 圖6示出了保壓閥在行程上的節流板橫截面的變化過程的曲線走向。在圖I中以基本類型示出了用於根據本發明的液壓驅動系統的布線圖。在此處要明確地指出，該布線圖形成了簡單的但是功能上完整的液壓迴路。與此相對，根據圖2至4的相應的布線圖並不表示功能上完整的驅動系統的接線圖，而是要僅僅解釋驅動系統的根據本發明的部分方面，即解釋「降低(Senken ) 」這個部分方面。因此，根據本發明的驅動系統具有優選可調整的壓力液泵1，該壓力液泵由電動機或者內燃機2來運行。泵I在此可通過輸入線路4與環形室6或者起升液壓缸8的活塞室16連接，其中可控制的比例閥9在其間連接到輸入線路4中。此外，泵I還具有帶有在其間連接的止回閥14的吸入線路12，該止回閥僅允許從流體箱朝向泵I吸取壓力液。回引線路18從起升液壓缸8的活塞室16離開，同樣比例閥9在其間連接到該回引線路中。起升液壓缸的活塞室16可以經由該閥9以所選出的方式通過線路4和18與泵I相連接，以便提升負荷。在閥9的接通位置中，環形室6與流體箱相連接。此外，活塞室16還可通過回引線路18和在其間連接到回引線路18中的閥9而與流體箱相連接，以降低負荷，其中在該情況下，環形室6通過閥9而與泵I進行連接。在這種情況下，閥9 (在降低位置(Senk-stellung)中)形成在回引線路18中一種類型的出口控制邊緣(Ablaufsteuerkante)或者出口測量節流板(Ablaufmessblende) 20,以便精確地控制降低過程。除了起升液壓缸8，在圖I中也示出了液壓機形式的旋轉負載，例如卷揚機或者說絞線車或者說起重機(Seilwinde)被聯接到液壓機上。但是，下面出於簡潔的原因僅藉助起升液壓缸來描述本發明。在出口控制邊緣20下遊，可在回引線路18中設置止回閥22 (特別是參見圖2)，該止回閥僅允許從起升液壓缸8的活塞室16流出壓力液。在止回閥22的下遊分出旁通線路24，該旁通線路經由另一止回閥26引回至環形室6並且因此僅允許從活塞室16到環形室6中的流體流動。旁通線路24中的減壓閥28可直接連接在止回閥26上遊，該減壓閥的一個控制側由優選可調整的彈簧加載，而其另一控制側由控制壓力來加載，該控制壓力由 在減壓閥28下遊的旁通線路24量取(abgreiffen)。在(閥9的)出口控制邊緣20下遊的回引線路18中在其間連接保壓閥(Druckwaage)30ο該保壓閥30優選包括兩路比例調節閥,所述兩路比例調節閥的一個控制側彈簧預張緊並且以控制壓力來加載，所述控制壓力直接在保壓閥30上遊的回引線路18中量取，並且所述兩路比例調節閥的另一控制側由控制壓力來加載，所述控制壓力被在出口控制邊緣20上遊的回引線路18量取。在保壓閥30下遊，回引線路18與壓力液泵I的吸入線路12相連接，並且更確切地說連接在壓力液泵I與吸入線路12中的止回閥14之間。最後，在保壓閥30下遊，壓力卸載線路32從回引線路18分出至流體箱，限壓閥34在其間連接到該流體箱中。限壓閥34的控制側利用優選可調整的彈簧被預張緊，而另一控制側以控制壓力來加載，該控制壓力被直接在限壓閥34上遊的壓力卸載線路32量取。保壓閥30的輸出端通過限壓閥34被預設定為在限壓閥34上可調節的或者預調節的值，從而在連接至其中的止回閥14上遊的吸入線路12也採用該壓力值。此外還為此設置壓力液泵(液壓機)1，不僅為例如起重臂或者說懸臂梁的在圖I中示出的起升液壓缸8而且為其它沒有進一步示出的負載供給壓力液。最後，壓力卸載線路32中的限壓閥34被調節到這種壓力，該壓力相應於起升液壓缸8上的最小的負荷壓力減去通過保壓閥30調節的在前連接的節流閥20 (或其控制邊緣)上的壓力差(基本上相應於相關的起重臂的自重)。本發明的原理運行方式參照根據圖I的示意性的驅動系統以如下方式來說明
在負荷降低期間，負荷壓力加載的缸活塞室16通過閥9的出口控制邊緣或出口測量節
流板20以及在後連接的保壓閥30與泵/馬達單元I的吸入線路12相連。在這種情況下能區分下述工作狀態
I.在出口測量節流板20上的體積流量大於由泵I接收的體積流量。在這種情況下，壓力液剩餘量通過限壓閥34 (可調節地或者固定調節地)被導入到流體箱中並且因此損失了能量回收功能。在壓力液泵I的吸入線路12中的壓力在這期間被提升到在限壓閥34上所調節的壓力(例如50bar)。如果現在(在泵I之後的)系統壓力高於泵吸入線路12中的壓力(泵吸入壓力)，則泵/馬達單元I作為泵工作，由於高吸入壓力但是在泵I上具有較小的壓力差。由此，必須要求(在馬達2與泵I之間的)中心驅動軸的少量功率。如果系統壓力在這期間小於吸入線路12中的壓力，則泵/馬達單元I作為馬達工作，並且因此將機械功率輸送給中心曲軸。保壓閥30在這種情況下在負荷降低期間使回引線路18中的節流閥(出口測量節流板)20上的壓力差保持恆定，並且因此能夠實現與負荷壓力無關的降低。2.在出口測量節流板20上的體積流量小於泵I所需的體積流量。在該工作狀態下，泵I的整個流出的體積流量可供使用。由於現在沒有壓力液剩餘量通過限壓閥34被釋放到流體箱中，所以泵吸入線路12中的壓力降低為箱壓力。泵I附加需要的壓力液量現在可通過吸入線路12中的止回閥14從流體箱中被獲取。為了對缸8的環形室6進行充分供給，在旁通線路24中設置減壓閥28，如果支路 室6中的壓力低於預先確定的(可預先確定的)值，則該減壓閥通過在後連接的止回閥26建立從活塞室16至起升液壓缸8的環形室6的連接。如原理上可從前述說明獲悉，儲存在被提高的負荷中的勢能以壓力液泵I的壓力能量的形式在其吸入側可供使用，由此在可能的工作狀態下減小在泵I上的壓力差和/或在另一工作狀態下甚至可將泵I用作馬達。因此，系統的效率相對於開頭所描述的現有技術的標準類型升高，並且同時通過所述一個泵I給多個負載供給壓力液。在圖2中示出了本發明的第二優選實施例，該第二優選實施例是第一實施例的改進方案。在下面，因而也應僅描述第二實施例的區別於第一實施例的那個技術特徵。此外，相同的技術特徵還應具有相同的附圖標記。還要指出，圖2僅應描述方面「負荷降低」並且沒有形成完整的液壓連接。因此，在圖I中示出的比例閥通過在輸入線路4中的可調節的節流閥10和在回引線路18中的單數的可調整的出口測量節流板20來替換。此外，第二實施例的主要革新還在於優選在壓力卸載線路32中設置壓力存儲器36，該壓力存儲器在任何情況下都被連接在保壓閥30之後，但是連接在限壓閥34之前。因此，壓力存儲器36也可被連接到在其中設置的止回閥14上遊的回引線路18或者吸入線路12上。壓力存儲器36的布置對於在第一實施例中已述的兩個運行狀態具有下述作用
3.在出口測量節流板20上的體積流量大於由泵I接收的體積流量。在這種情況下，壓力液剩餘量首先被導入到壓力存儲器36中，並且如果該壓力存儲器36是滿的，才通過限壓閥34被導入到流體箱中。在泵I的吸入線路12中的壓力在此提升為在壓力存儲器36中的壓力。4.在出口測量節流板20上的體積流量小於泵I所需的體積流量。在該工作狀態下，泵I的整個流出的體積流量可供使用。泵I附加需要的壓力液量可至少暫時地從壓力存儲器36獲取，從而該壓力存儲器至少在一定的時間內(或者對於某一獲取的流體量)提高或者保持在吸入線路12中的壓力。只有當壓力存儲器36被排空，泵I才從流體箱通過在吸入線路12中接通的止回閥14提取壓力液。直接連接在回引線路18中的出口測量節流板20之後的止回閥22在此具有如下任務在所有工作狀態下確保，一旦壓力存儲器36中的壓力大於缸8的活塞室16中的壓力，但是並不發生運動反轉。在圖3中示出了本發明的第三優選實施例，該第三優選實施例是第二實施例的改進方案。在下面，因而也只描述了第三實施例的區別於第二實施例的那個技術特徵。此外，相同的技術特徵具有相同的附圖標記。
在圖3中示出了具有從圖2中已知的壓カ存儲器36以及附加的節流元件38的實施例。節流元件38在此通過比例閥來形成,該比例閥在其間連接在橋接線路40中，該橋接線路使得直接在保壓閥30上遊的回引線路18與在止回閥14上遊的吸入線路12相連接。在此，橋接線路40直接在回引線路在吸入線路12上的連接位置之前被連接到回引線路18。此外，在回引線路18中在其間連接有附加的止回閥42，該止回閥在橋接線路40的連接位置的上遊被定位到回引線路18上。比例閥(節流元件)38具有由控制壓力加載的第一控制側和被彈簧預張緊的第二控制側，該控制壓カ由直接在保壓閥30下遊的回引線路18量取。此外，在第二控制側上還連接有洩漏線路44，該洩漏線路通過在保壓閥30中的卸載路徑30a引導至流體箱。該卸載路徑30a在下述情況下才由保壓閥30釋放保壓閥30相對寬地被打開。在該處還應指出，保壓閥的控制邊緣或測量節流板用附圖標記30b來標註。最後，直接在橋接線路40的連接位置之後從回弓I線路18分出中間線路46，所述中 間線路引導至洩漏線路44，並且節流閥/噴嘴48在其間連接到在所述中間線路中。相對於第二實施例附加的液壓構件、特別是節流元件38的作用方式可以在已述的兩個工作狀態下最清楚地進行如下解釋
在負荷降低期間，起升液壓缸8的負荷壓力加載的活塞室16通過節流閥/排出節流板20、直接在後連接的止回閥22和節流元件38 (以該順序)與中心泵/馬達單元I的吸入線路12相連接。如已經闡述的那樣，節流元件38的彈簧側此外還通過噴嘴48同樣與吸入線路12並且通過洩漏線路和在保壓閥30中的卸載路徑30a與流體箱相連接。由此對於兩個所述的工作狀態得到下述功能
5.在出ロ測量節流板20上的體積流量大於由泵I接收的體積流量。 在該情況下，壓カ液剰餘量通過保壓閥30輸送給液壓壓カ存儲器36。保壓閥30在此使在出ロ測量節流板20上的壓カ差保持恆定並且因此能實現與負荷壓力無關的降低。由於保壓閥30處於調節位置，所以節流元件38的彈簧側與箱連接。節流元件38因此完全被打開，並且通過橋接線路40建立在缸出ロ、也就是在出ロ測量節流板20下遊的回引線路18與泵I的吸入線路12之間連接。由此，在泵吸入線路12中的壓カ被提高為活塞室壓カ減去在出ロ測量節流板20上的壓カ差或壓カ差值。如果現在(在泵I的下遊的)系統壓カ高於泵I的吸入線路12中的壓力，那麼泵/馬達單元I作為泵工作，然而由於提高的吸入壓カ在泵I上具有較小的壓カ差。由此必須要求驅動軸的較少功率。但是，如果系統壓カ小於在泵吸入線路12中的壓力，則泵/馬達単元I作為馬達工作，並且因此將機械功率發送給驅動軸上。在此處應指出，在泵I的吸入線路12中的壓カ在第三實施例的情況下相應於活塞室壓カ減去在出口測量節流板20上的壓カ差，並且由此可大於在壓力存儲器36中的壓力。這允許更高地利用釋放的勢能。僅不由泵I (液壓機)所需的、壓カ液量通過保壓閥30被節流到儲存器壓力水平並且儲存在壓カ存儲器36中，或在整個儲存器36的情況下釋放到箱中。6.在出ロ測量節流板20上的體積流量小於泵I所需的體積流量。在該工作狀態下，泵I的整個流出的體積流量可供使用。但是，由於現在壓カ液剩餘量不再被輸送給壓カ存儲器36，所以保壓閥30幾乎完全閉合。此外，泵I附加所需的壓力液量必須從儲存器36中獲取或者如果儲存器36已經是空的，則從流體箱中獲取。為此，在泵I的吸入線路12中的壓カ通過節流元件38被節流到儲存器水平，以便可以通過在橋接線路40到回引線路18上的連接位置的上遊的附加的止回閥42從儲存器36中獲取壓力液量。如已經實施的那樣，由於保壓閥30在該工作狀態下幾乎完全地閉合，所以節流元件38的卸壓部(洩漏線路)44閉合。因此，在節流元件38的彈簧側上施加在吸入線路12中的壓力，並且節流元件38閉合如此之久，直至在吸入線路12中的壓カ相應於儲存器壓力。由此，在保壓閥30下遊的回引線路18中的附加的止回閥42可被打開，並且建立儲存器36到泵吸入線路12中的連接。如果最後壓カ存儲器36完全被清空，則在泵吸入線路12中的壓力降低為箱水平，其中在吸入線路12中的止回閥14建立與箱的連接。附加所需的壓力液量於是可從箱中被獲取。在這方面還應指明本發明的第三實施例的下列附加功能
在回引線路18中的直接連接在出ロ測量節流板20之後的止回閥22在所有所述工作 狀態中確保如果在壓力存儲器36中的壓カ大於在起升液壓缸8的活塞室16中的壓力，則在起升液壓缸8中不出現運動反轉。最大的存儲器壓カ可以通過限壓閥34來調節，或者被預先調節為固定值。減壓閥28用於為起升液壓缸8的環形室6充分供給壓カ液，該減壓閥在其間連接在旁通線路24中，如這已經藉助第一實施例進行描述。如果在環形室6中的壓力低於所確定的壓カ值，則該減壓閥28通過直接在後連接的止回閥26建立活塞室16與起升液壓缸8的環形室6的連接。此外，在上述第六種工作狀態下，比例閥或節流元件38與保壓閥30 —起在一定程度上作為預控制的保壓閥起作用，其中節流元件38是主級。在圖6中示出了根據本發明的第三優選實施例的保壓閥30的特性曲線。其中，在閥塞的行程上繪製保壓閥30的節流板橫截面30a和30b的變化過程。Omm的行程在此相應於保壓閥30的完全被打開的調節節流板30b和打開的箱卸載部30a，如在圖3中所示的那樣。從圖6可獲悉，箱卸載部、也就是卸載路徑30a通過大的行程距離保持完全打開，並且在最大行程距離的6/7 (也就是在約6. 5mm吋)之後才閉合。保壓閥30在完全閉合的箱卸載部的情況下總是還有剰餘橫截面，並且因而此外還可滿足其調節功能。也就是說，在第六點下描述的工作狀態下，保壓閥在特性曲線的根據圖6的右部區域中(在6mm與7mm閥塞行程之間)調節。為了更清楚地示出根據第一至第三實施例的發明主題，然後要參閱附上的圖表，在該圖表中還對比地再次示出用於每個實施例的上述兩個工作狀態。
權利要求
1.ー種具有能量回收功能的液壓驅動系統，其包括用於為至少ー個負載(8)供給壓カ液的壓カ液泵(I)和用於從所述負載(8)排出壓カ液的回引線路(18)，其特徵在於，所排出的壓カ液在預先確定的或者能預先確定的回收壓カ下被回引至所述壓カ液泵(I)的吸入偵れ
2.根據權利要求I所述的液壓驅動系統，其特徵在於，所述回引線路(18)來自所述負載(8)並且通入到所述壓カ液泵(I)的吸入線路(12)中。
3.根據權利要求2所述的液壓驅動系統，其特徵在於，在所述回引線路(18)的接ロ與壓カ液箱之間的吸入線路(12)中設置閥、優選止回閥(14)，僅允許從所述箱到所述泵(I)的壓カ液流。
4.根據權利要求2或3所述的液壓驅動系統，其特徵在於在所述回引線路(18)中的保壓閥(30)，所述保壓閥在預先確定的或者能預先確定的排出壓カ下並且優選在預先確定的或者能預先確定的、在前置連接的節流閥(20)上的壓カ差的情況下打開所述回引線路(18)。
5.根據權利要求4所述的液壓驅動系統，其特徵在於限壓閥(34)，所述限壓閥在其間連接在於所述保壓閥(30)下遊連接到所述回引線路(18)上的過壓線路(32)中，並且所述保壓閥(30)的輸出側以預先確定的或者能預先確定的回收壓カ預設定。
6.根據前述權利要求任一項所述的液壓驅動系統，其特徵在於由回收體積流加載的壓力存儲器(36)。
7.根據權利要求6所述的液壓驅動系統，其特徵在於，所述壓カ存儲器(36)連接到所述壓カ液泵(I)的吸入側上。
8.根據前述權利要求任一項所述的液壓驅動系統，其特徵在於節流元件(8)，藉助所述節流元件能夠在至少ー個負載(38)與所述壓カ液泵(I)的吸入側之間建立壓カ液連接。
9.根據權利要求8結合至少權利要求5所述的液壓驅動系統，其特徵在於，所述節流元件(38)在其間連接在繞開所述保壓閥(30)的橋接線路(40)中。
10.根據權利要求9所述的液壓驅動系統，其特徵在於，所述節流元件(38)是比例閥，所述比例閥的ー個控制側能夠由所述保壓閥(30)的被節流的輸出壓力來加載並且所述比例閥的另ー控制側能彈簧預張緊地以及通過包含附加的節流閥(48)的控制線路由控制壓力來加載，所述控制壓カ由所述節流元件(38)的輸出壓力和/或由所述保壓閥(30)的已經節流的輸出壓力來量取。
11.根據權利要求10所述的液壓驅動系統，其特徵在於，所述保壓閥(30)在打開所述回引線路(18)的位置中使所述節流元件(38)的被彈簧預張緊的控制側釋放壓力，而在閉合所述回引線路(18)的控制措施中在所述節流元件(38)的彈簧預張緊的控制側上建立所述控制壓力。
12.根據前述權利要求任一項所述的液壓驅動系統，其特徵在於至少另ー個負載(50)，所述負載由所述壓カ液泵(I)供給壓カ液。
13.根據權利要求12所述的液壓驅動系統，其特徵在於，所述另外的負載(50)是壓カ液儲存器或者發電機泵。
全文摘要
本發明公開了一種具有能量回收功能的液壓驅動系統，其包括用於為負載(8)供給壓力液的壓力液泵(1)和用於從負載(8)排出壓力液的回引線路(8)。根據本發明，所排出的壓力液在壓力下被回引至壓力液泵的吸入側。
文檔編號F15B11/024GK102695884SQ201080061554
公開日2012年9月26日 申請日期2010年9月14日 優先權日2009年11月17日
發明者E.黑姆斯柯克, J.安爾海因, U.諾伊曼 申請人:羅伯特·博世有限公司