具有擺動馬達能量回收的液壓控制系統的製作方法

2023-06-14 05:52:31 2

具有擺動馬達能量回收的液壓控制系統的製作方法
【專利摘要】公開一種用於機器（10）的液壓控制系統（50）。該液壓控制系統可以具有能夠在挖掘周期的各分段中運動的作業工具（16）、能夠在挖掘周期過程中擺動作業工具的馬達（49）、能夠在挖掘周期過程中選擇性地接收從馬達排出的流體和將流體排出至馬達的至少一個貯存器（108，110）以及控制器（100）。該控制器可以被構造成接收有關作業工具的當前挖掘周期的輸入，並且基於該輸入做出當前挖掘周期與一組已知操作模式中的一種相關的確定。該控制器還可以被構造成基於確定引起至少一個貯存器在挖掘周期的不同分段過程中接收流體和排出流體。
【專利說明】具有擺動馬達能量回收的液壓控制系統
【技術領域】
[0001]本發明整體涉及一種液壓控制系統，更特別地，涉及一種具有擺動能量回收的液壓控制系統。
【背景技術】
[0002]擺動式挖掘機器(例如，液壓挖掘機和正鏟挖土機)需要顯著的液壓壓強和流動以將材料從採掘位置轉移到傾卸位置。這些機器在每次擺動起始時引導來自發動機驅動的泵的高壓流體經過擺動馬達以加速負載的作業工具，並且隨後在每次擺動結束時限制離開馬達的流體的流動以使工作工具放慢並停止。
[0003]與這種類型的液壓布置相關的一個問題涉及效率。尤其，在每次擺動結束時離開擺動馬達的流體由於負載的作業工具的減速而處於相對較高的壓強下。除非回收，否則與高壓流體相關的能量可能被浪費。另外，在每次擺動結束時對離開擺動馬達的這種高壓流體的限制能夠導致流體變熱，這必須通過機器的增加的冷卻能力來適應。
[0004]於2011年3月22日授予Zhang等人的美國專利N0.7908852 (』 852專利)中公開了提高擺動式機器的效率的一種嘗試。』 852專利公開了一種用於機器的液壓控制系統，其包括貯存器。貯存器儲存已通過由機器的上部結構施加在運動中的擺動馬達上的慣性轉矩加壓的離開擺動馬達的油。貯存器中的加壓油隨後被選擇性地重新使用，以通過將貯存的油供應回到擺動馬達而在後續的擺動過程中加速擺動馬達。
[0005]儘管』852專利的液壓控制系統可以在一些情況中有助於提高擺動式機器的效率，但其仍然不是最佳的。特別地，在』 852專利中描述的貯存器的排出過程中，離開擺動馬達的一些加壓流體可能仍具有被浪費的有用能量。另外，在』852專利的液壓控制系統的操作過程中，例如在減速和貯存器填充過程中，可能存在泵輸出不能以足以防止擺動馬達中的氣穴現象的速率供應流體的情況。此外，機器可能在不同狀況下和不同情況中不同地操作，而』 852專利的液壓控制系統不能使控制適應這些狀況和情況。
[0006]本發明的液壓控制系統旨在克服上面提及的問題中的一個或多個和/或現有技術的其它問題。

【發明內容】

[0007]本發明的一方面涉及一種液壓控制系統。該液壓控制系統可以包括能夠在挖掘周期的各分段中運動的作業工具、能夠在挖掘周期過程中擺動作業工具的馬達、能夠在挖掘周期過程中選擇性地接收從馬達排出的流體和將流體排出至馬達的至少一個貯存器以及控制器。該控制器可以被構造成接收有關作業工具的當前挖掘周期的輸入，並且基於輸入做出當前挖掘周期與一組已知操作模式中的一種相關的確定。該控制器還可以被構造成基於確定引起至少一個貯存器在挖掘周期的不同分段過程中接收流體和排出流體。
[0008]本發明的另一方面涉及一種控制機器的方法。該方法可以包括向馬達提供加壓流體以使作業工具在挖掘周期的各分段中運動，以及接收有關當前挖掘周期的輸入。該方法還可以包括基於輸入做出當前挖掘周期與一組已知操作模式中的一種相關的確定；以及基於所述確定在挖掘周期的不同分段過程中貯存來自馬達的流體或將貯存的流體排出至馬達。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是在有運輸車輛的工地處操作的一種示例性公開的機器的示意圖示；
[0010]圖2是可以與圖1的機器一起使用的一種示例性公開的液壓控制系統的圖解圖示；和
[0011]圖3是可以由圖2的液壓控制系統使用的一種示例性公開的控制圖。
【具體實施方式】
[0012]圖1圖示具有協作以挖掘土製材料並將土製材料裝載到附近的運輸車輛12上的多個系統和部件的一種示例性機器10。在一個例子中，機器10可以具體化為液壓挖掘機。但是，設想機器10可以具體化為另外的擺動式挖掘或材料處理機器，諸如反鏟挖土機、正鏟挖土機、拉鏟挖掘機或另外的類似機器。機器10尤其可以包括能夠使作業工具16在溝渠內或堆垛處的採掘位置18和例如運輸車輛12上方的傾卸位置20之間運動的執行系統14。機器10還可以包括用於執行系統14的手動控制的操作員站22。設想除了裝車之外，如果希望的話，機器10可以進行諸如起吊、挖溝和材料處理等操作。
[0013]執行系統14可以包括通過流體致動器起作用以使作業工具16運動的聯接結構。具體地，執行系統14可以包括通過一對鄰近的雙作用液壓缸28 (圖1中僅顯示一個)相對於作業表面26豎直樞轉的懸臂24。執行系統14還可以包括通過單個雙作用液壓缸36相對於懸臂24圍繞水平樞軸32豎直樞轉的拉杆30。執行系統14另外可以包括操作地連接到作業工具16以使作業工具16相對於拉杆30豎直地圍繞水平樞軸40傾斜的單個雙作用液壓缸38。懸臂24可以樞轉地連接到機器10的框架42，同時框架42可以樞轉地連接到底架構件44並且通過擺動馬達49圍繞豎直軸線46擺動。拉杆30可以藉助於樞軸32和40將作業工具16樞轉地連接到懸臂24。設想更多或更少數量的流體致動器可以被包括在執行系統14內並且，如果希望的話，以除了上述之外的方式連接。
[0014]眾多不同的作業工具16可以附接到單個機器10並且可經由操作員站22控制。作業工具16可以包括用以進行特別任務的任何裝置，諸如例如鏟鬥、叉形裝置、刮刀、鏟子或現有技術中已知的任何其它任務進行裝置。儘管在圖1的實施方式中被連接以相對於機器10提升、擺動和傾斜，作業工具16可以替代地或附加地轉動、滑動、延伸或以現有技術中已知的另外的方式運動。
[0015]操作員站22可以被構造成接收來自機器操作員的指示希望的作業工具運動的輸入。具體地，操作員站22可以包括例如具體化為靠近操作員座位(未示出)定位的單軸或多軸操縱杆的一個或多個輸入裝置48。輸入裝置48可以是比例式控制器，其能夠通過產生指示在特定方向的希望的作業工具速度和/或力的作業工具位置信號來定位和/或定向作業工具16。該位置信號可以被用以致動液壓缸28、36、38和/或擺動馬達49中的任何一個或多個。設想不同的輸入裝置可以替代地或附加地被包括在操作員站22內，諸如例如方向盤、球形把手、推拉裝置、開關、踏板和現有技術中已知的其它操作員輸入裝置。[0016]如圖2中圖示的，機器10可以包括具有協作以使執行系統14(參照圖1)運動的多個流體部件的液壓控制系統50。特別地，液壓控制系統50可以包括與擺動馬達49相聯的第一迴路52和與液壓缸28、36和38相聯的至少第二迴路54。第一迴路52尤其可以包括擺動控制閥56，其被連接以根據經由輸入裝置48接收的操作員要求調節加壓流體從泵58到擺動馬達49和從擺動馬達49到低壓罐60的流動，以引起作業工具16圍繞軸線46 (參照圖1)的擺動運動。第二迴路54可以包括類似的控制閥，例如，懸臂控制閥(未示出)、拉杆控制閥(未示出)、工具控制閥(未示出)、行進控制閥(未示出)、和/或輔助控制閥，這些控制閥並行連接用以接收來自泵58的加壓流體和將廢流體排出至罐60，由此調節相應的致動器(例如液壓缸28、36和38)。
[0017]擺動馬達49可以包括至少部分地形成位於葉輪64的兩側的第一室和第二室(未示出)的殼體62。當第一室連接到泵58的輸出(例如，經由形成在殼體62內的第一室通道66)且第二室連接到罐60 (例如，經由形成在殼體62內的第二室通道68)時，葉輪64可以被驅動以在第一方向上轉動(圖2中所示)。相反，當第一室經由第一室通道66連接到罐60並且第二室經由第二室通道68連接到泵58時，葉輪64可以被驅動以在相反方向上轉動(未示出)。流體經過葉輪64的流動速率可以與擺動馬達49的轉動速度相關，同時跨過葉輪64的壓差可以與其輸出轉矩相關。
[0018]擺動馬達49可以包括內置補充和卸載功能。特別地，補充通道70和卸載通道72可以形成在殼體62內，位於第一室通道66和第二室通道68之間。一對對置的止回閥74和一對對置的卸壓閥76可以被分別設置在補充通道70和卸載通道72內。低壓通道78可以在止回閥74之間和卸壓閥76之間的位置處連接到補充通道70和卸載通道72中的每個。基於低壓通道78和第一室通道66和第二室通道68之間的壓差，止回閥74之一可以打開以允許流體從低壓通道78流入第一室和第二室中壓強較低的一個。類似地，基於第一室通道66和第二室通道68和低壓通道78之間的壓差，卸壓閥76之一可以打開以允許流體從第一室和第二室中壓強較高的一個流入低壓通道78。在執行系統14的擺動運動過程中，顯著的壓差通常可以存在於第一室和第二室之間。
[0019]泵58可以被構造成經由入口通道80從罐60抽吸流體、將流體加壓至希望水平並且將流體經由排出通道82排出至第一迴路52和第二迴路54。止回閥83如果希望的話可以設置在排出通道82內，以提供加壓流體從泵58到第一迴路52和第二迴路54內的單向流動。泵58可以具體化為例如可變排量泵(圖1中示出)、固定排量泵或現有技術中已知的另外的源。泵58可以通過例如副軸(未示出)、帶(未示出)、電路(未示出)或以另外合適的方式可驅動地連接至機器10的功率源(未示出)。替代地，泵58可以經由變矩器、減速箱、電路或以任何其它合適的方式間接地連接到機器10的功率源。泵58可以產生具有至少部分通過與操作員要求的運動對應的在第一迴路52和第二迴路54內的致動器的需求確定的壓強水平和/或流動速率的加壓流體流。排出通道82可以在第一迴路52內分別經由擺動控制閥56和在擺動控制閥56和擺動馬達49之間延伸的第一室管道84和第二室管道86連接到第一室通道66和第二室通道68。
[0020]罐60可以構成能夠保持流體的低壓供應的容器。流體可以包括例如專用液壓油、發動機潤滑油、傳動裝置潤滑油或現有技術中已知的任何其它流體。機器10內的一個或多個液壓系統可以從罐60抽吸流體和使流體返回至罐60。設想如果希望的話，液壓控制系統50可以連接到多個分離的流體罐或單個罐。罐60可以經由排放通道88流體地連接到擺動控制閥56，並且分別經由擺動控制閥56和第一室管道84和第二室管道86流體地連接到第一室通道66和第二室通道68。罐60也可以連接到低壓通道78。如果希望的話，止回閥90可以設置在排放通道88內，以促進流體到罐60內的單向流動。
[0021]擺動控制閥56可以具有可動以控制擺動馬達49的轉動和執行系統14的相應擺動動作的元件。具體地，擺動控制閥56可以包括均設置在公用塊體或殼體97內的第一室供應元件92、第一室排放元件94、第二室供應元件96和第二室排放元件98。第一室供應元件92和第二室供應元件96可以與排出通道82並行連接，以調節它們各自的室對來自泵58的流體的注入，同時第一室排放元件94和第二室排放元件98可以與排放通道88並行連接，以調節各自的室對流體的排放。補充閥99 (例如止回閥)可以設置在第一室排放元件94的出口和第一室管道84之間以及第二室排放元件98的出口和第二室管道86之間。
[0022]為了驅動擺動馬達49以在第一方向上轉動(圖2中所示)，第一室供應元件92可以轉變以允許來自泵58的加壓流體經由排出通道82和第一室管道84進入擺動馬達49的第一室，同時第二室排放元件98可以轉變以允許來自擺動馬達49的第二室的流體經由第二室管道86和排放通道88排放至罐60。為了驅動擺動馬達49以在相反方向上轉動，第二室供應元件96可以轉變以使擺動馬達49的第二室與來自泵58的加壓流體連通，同時第一室排放元件94可以轉變以允許流體從擺動馬達49的第一室排放至罐60。設想如果希望的話，擺動控制閥56的(即，四個不同的供應和排放元件的)供應和排放功能可以替代地通過與第一室相聯的單個閥元件和與第二室相聯的單個閥元件或者通過與第一室和第二室相聯的單個閥元件進行。
[0023]擺動控制閥56的供應和排放元件92-98可以響應於由控制器100發出的流動速率指令克服彈簧偏置地通過電磁運動。特別地，擺動馬達49可以以與流體流入和流出第一室和第二室的流動速率對應的速度轉動。相應地，為了實現操作員希望的擺動速度，基於假設或測量的壓強的指令可以發送至供應和排放元件92-98的螺線管(未示出)，引起它們打開對應於經過擺動馬達49必需的流動速率的量。該指令可以是由控制器100發出的流動速率指令或閥元件位置指令的形式。
[0024]控制器100可以與液壓控制系統50的不同部件通信以調節機器10的操作。例如，控制器100可以與第一迴路52中的擺動控制閥56的元件並且與和第二迴路54相聯的控制閥(未示出)的元件通信。基於多種操作員輸入和監控的參數，如下面將更詳細描述的，控制器100可以被構造成以協調方式選擇性地起動不同的控制閥，以有效地實施操作員要求的執行系統14的運動。
[0025]控制器100可以包括協作以完成與本發明一致的任務的存儲器、輔助存儲裝置、計時器和一個或多個處理器。眾多商業上可獲得的微處理器能夠被構造成進行控制器100的功能。應當理解，控制器100可以容易地具體化為能夠控制機器10的眾多其它功能的通用機器控制器。各種已知的線路可以與控制器100相聯，包括信號調節線路、通信線路和其它適當的線路。還應當理解，控制器100可以包括能夠允許控制器100根據本發明運行的專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、計算機系統和邏輯電路中的一個或多個。
[0026]在一種實施方式中，由控制器100監控的操作參數可以包括第一迴路52和/或第二迴路54內的流體的壓強。例如，一個或多個壓強傳感器102可以策略性地位於第一室管道84和/或第二室管道86內，以感測對應通道的壓強並產生送往控制器100的指示壓強的相應信號。設想如果希望的話，任何數量的壓強傳感器102可以放置在第一迴路52和/或第二迴路54內的任何位置。還設想如果希望的話，諸如例如速度、溫度、粘度、密度等其它操作參數也可以或替代地被監控並用以調節擺動能量回收系統50的操作。
[0027]液壓控制系統50可以配有能量回收布置104，其與至少第一迴路52連通並且能夠選擇性地提取並回收來自從擺動馬達49排出的廢流體的能量。能量回收布置(ERA)104尤其可以包括可流體地連接在泵58和擺動馬達49之間的回收閥體(RVB) 106、能夠經由RVB106與擺動馬達49選擇性地連通的第一貯存器108、以及也能夠與擺動馬達49選擇性地連通的第二貯存器110。在本發明的實施方式中，RVB 106可以固定地且機械地連接到擺動控制閥56和擺動馬達49中的一者或兩者，例如直接連接到殼體62和/或直接連接到殼體97。RVB 106可以包括可流體地連接到第一室迴路84的內部第一通道112和可流體地連接到第二室迴路86的內部第二通道114。第一貯存器108可以經由管道116流體地連接到RVB 106，同時第二貯存器110可以經由管道118且與罐60並行地流體連接到排放通道78和88。
[0028]RVB 106可以容納選擇器閥120、與第一貯存器108相聯的填充閥122、以及與第一貯存器108相聯且與填充閥122並行地設置的排出閥124。選擇器閥120可以基於第一通道112和第二通道114的壓強使第一通道112和第二通道114中的一個與填充閥122和排出閥124選擇性地流體連通。填充閥122和排出閥124可以響應於來自控制器100的指令運動，以出於流體填充和排出的目的使第一貯存器108與選擇器閥120選擇性地流體連通。
[0029]選擇器閥120可以是響應於第一通道112和第二通道114中的流體壓強(S卩，響應於擺動馬達49的第一室和第二室內的流體壓強)可動的先導操作的兩位置三通閥。特別地，選擇器閥120可以包括可從第一位置(圖2中所示)朝向第二位置(未示出)運動的閥元件126，在該第一位置，第一通道112經由內部通道128流體地連接到填充閥122和排出閥124，在該第二位置，第二通道114經由通道128流體連接到填充閥122和排出閥124。當第一通道112經由通道128流體地連接到填充閥122和排出閥124時，經過第二通道114的流體流動可以通過選擇器閥120被禁止，反之亦然。第一先導通道130和第二先導通道132可以將來自第一通道112和第二通道114的流體連通至閥元件126的相對端，使得第一通道112或第二通道114中壓強較高的一個可以引起閥元件126運動並且使相應的通道與填充閥122和排出閥124經由通道128流體連接。
[0030]填充閥122可以是響應於來自控制器100的指令可動以允許流體從通道128進入第一貯存器108的螺線管操作的可變位置兩通閥。特別地，填充閥122可以包括可從第一位置(圖2中所示)朝向第二位置(未示出)運動的閥元件134，在該第一位置，從通道128到第一貯存器108內的流體流動被禁止，在該第二位置，通道128流體地連接到第一貯存器108。當閥元件134遠離第一位置(S卩，在第二位置或者在第一位置和第二位置之間的另一位置)並且通道128內的流體壓強超過第一貯存器108內的流體壓強時，來自通道128的流體可以注入(即，填充)第一貯存器108。閥元件134可以被朝向第一位置彈簧偏置，並且可以響應於來自控制器100的指令運動至第一位置和第二位置之間的任何位置，由此改變流體從通道128到第一貯存器108內的流動速率。止回閥136可以設置在填充閥122和第一貯存器108之間，以提供流體經由填充閥122到貯存器108內的單向流動。[0031]排出閥124可以在構成上與填充閥122基本相同，並且響應於來自控制器100的指令可動以允許流體從第一貯存器108進入通道128 (即，排出)。特別地，排出閥124可以包括可從第一位置(未示出)朝向第二位置(圖2中所示)運動的閥元件138，在該第一位置，從第一貯存器108到通道128內的流體流動被禁止，在該第二位置，第一貯存器108流體地連接到通道128。當閥元件138遠離第一位置(S卩，在第二位置或在第一位置和第二位置之間的另一位置)並且第一貯存器108內的流體壓強超過通道128內的流體壓強時，來自第一貯存器108的流體可以流入通道128內。閥元件138可以被朝向第一位置彈簧偏置，並且可以響應於來自控制器100的指令運動至第一位置和第二位置之間的任何位置，由此改變流體從第一貯存器108到通道128內的流動速率。止回閥140可以設置在第一貯存器108和排出閥124之間，以提供流體從貯存器108經由排出閥124到通道128內的單向流動。
[0032]如果希望的話，附加壓強傳感器102可以與第一貯存器108相聯並且能夠產生指示第一貯存器108內的流體壓強的信號。在本發明的實施方式中，附加壓強傳感器102可以設置在第一貯存器108和排出閥124之間。但是，設想如果希望的話，附加壓強傳感器102可以替代地設置在第一貯存器108和填充閥122之間或者直接連接到第一貯存器108。來自附加壓強傳感器102的信號可以送往控制器100，用於調節填充閥122和/或排出閥124的操作。
[0033]第一貯存器108和第二貯存器110每個可以具體化為注有可壓縮氣體的壓力容器，其能夠儲存將來由擺動馬達49使用的加壓流體。可壓縮氣體可以包括例如氮氣、氬氣、氦氣或另外的適當的可壓縮氣體。隨著與第一貯存器108和第二貯存器110連通的流體超過第一貯存器108和第二貯存器110的預定壓強，流體可以流入貯存器108、110內。由於其中的氣體可壓縮，其可以隨著流體流入第一貯存器108和第二貯存器110而像彈簧一樣起作用且壓縮。當管道116、118內的流體的壓強降到第一貯存器108和第二貯存器110的預定壓強以下時，壓縮氣體可以膨脹並且迫使流體從第一貯存器108和第二貯存器110內離開。設想如果希望的話，第一貯存器108和第二貯存器110可以替代地具體化為膜/彈簧偏置的或囊式貯存器。
[0034]在本發明的實施方式中，與第二貯存器110相比，第一貯存器108可以是較大卿，大大約5至20倍)且壓強較高(即，壓強高大約5-60倍)的貯存器。具體地，第一貯存器108可以被構造成累積多達大約50-100L的具有在大約260-300bar的範圍內的壓強的流體，同時第二貯存器110可以被構造成累積多達大約IOL的具有在大約5-30bar的範圍內的壓強的流體。在該構造中，第一貯存器108可以主要用以輔助擺動馬達49的動作並且提高機器效率，同時第二貯存器可以主要用作補充貯存器以幫助降低在擺動馬達49處空洞的可能性。但是，設想如果希望的話，第一貯存器108和/或第二貯存器110可以適應其它容積和壓強。
[0035]控制器100可以被構造成選擇性地引起第一貯存器108填充和排出，由此改進機器10的性能。特別地，由擺動馬達49設置的執行系統14的典型擺動動作可以包括在過程中擺動馬達49使執行系統14的擺動運動加速的時間分段和在過程中擺動馬達49使執行系統14的擺動運動減速的時間分段。加速分段會需要來自擺動馬達49的傳統地經由由泵58供應至擺動馬達49的加壓流體實現的大量能量，同時減速分段可以產生傳統地通過排出至罐53浪費的加壓流體形式的大量能量。加速分段和減速分段都會需要擺動馬達49將大量液壓能量轉換為擺動動能，反之亦然。但是，在加壓流體通過擺動馬達49之後，其仍然包含大量能量。如果在減速分段過程中通過擺動馬達49的流體被選擇性地收集在第一貯存器108內，該能量能夠隨後返回(即，排出)並且在確保加速分段過程中由擺動馬達49重新使用。擺動馬達49能夠在加速分段過程中通過選擇性地引起第一貯存器108將加壓流體排出到擺動馬達49的壓強較高的室內(經由排出閥124、通道128、選擇器閥120、以及第一室管道84和第二室管道86中適當的一個)單獨或結合來自泵58的高壓流體輔助，由此以比否則單獨經由泵58可能的相同或較高速率且/或以較低泵功率推進擺動馬達49。擺動馬達49能夠在減速分段過程中通過選擇性地引起第一貯存器108填充離開擺動馬達49的流體輔助，由此提供對擺動馬達49的動作的附加阻力和/或降低對離開擺動馬達49的流體的限制和冷卻要求。
[0036]在一種替代實施方式中，對照離開擺動馬達49的流體，控制器100可以被構造成選擇性地控制第一貯存器108對離開泵58的流體的填充。即，在操作的峰值調節或經濟模式過程中，控制器100可以被構造成當泵58具有過度容量(即，大於擺動馬達49用以完成操作員要求的作業工具16的當前擺動所需的容量)時，引起貯存器108填充離開泵58的流體(例如，經由控制閥56、第一室管道84和第二室管道86中適當的一個、選擇器閥126、通道128和填充閥122)。接著，在泵58的容量不足以向擺動馬達49提供充足功率的時間過程中，以前從泵58收集在第一貯存器108內的高壓流體可以以上述方式排出以輔助擺動馬達49。
[0037]控制器100可以被構造成基於機器10的挖掘作業周期的當前或進行的分段調節第一貯存器108的填充和排出。特別地，基於從一個或多個性能傳感器141接收的輸入，控制器100可以被構造成將由機器10進行的典型作業周期劃分成多個分段，例如，採掘分段、擺動至傾卸加速分段、擺動至傾卸減速分段、傾卸分段、擺動至採掘加速分段和擺動至採掘減速分段，如以下將更詳細描述的。基於當前進行的挖掘作業周期的分段，控制器100可以選擇性地引起第一貯存器108填充或排出，由此在加速和減速分段過程中輔助擺動馬達49。
[0038]關於來自傳感器141的信號與挖掘作業周期的不同分段的一個或多個映射可以存儲在控制器100的存儲器內。這些映射中的每個可以包括表格、圖形和/或等式形式的數據集。在一例子中，與一個或多個分段的開始和/或結束相關的閾值速度、氣缸壓強和/或操作員輸入(即，杆位置)可以存儲在映射內。在另一例子中，與一個或多個分段的開始和/或結束相關的閾值力和/或致動器位置可以存儲在映射內。控制器100可以被構造成將來自傳感器141的信號與存儲在存儲器中的映射進行參考，以確定當前實施的挖掘作業周期的分段並且接著相應地調節第一貯存器108的填充和排出。如果希望的話，控制器100可以允許機器10的操作員直接修改這些映射和/或從存儲在控制器100的存儲器中的可用關係映射選擇具體映射以影響分段劃分和貯存器控制。設想如果希望的話，映射可以附加地或替代地基於機器操作模式可自動選擇。
[0039]傳感器141可以與由擺動馬達49賦予的作業工具16的通常水平擺動動作(即，框架42相對於底架構件44的動作)相關。例如，傳感器141可以具體化為與擺動馬達49的操作相關的轉動位置或速度傳感器、與框架42和底架構件44之間的樞轉連接相關的角度位置或速度傳感器、與將作業工具16連接到底架構件44的任何聯接構件相關或與作業工具16自身相關的局部或整體坐標位置或速度傳感器、與操作員輸入裝置48的運動相關的位移傳感器、或現有技術中已知的可以產生指示機器10的擺動位置、速度、力或其它與擺動關聯的參數的信號的任何其它類型的傳感器。由傳感器141產生的信號可以在每個挖掘作業周期過程中發送至控制器100並由控制器100記錄。設想如果希望的話，控制器100可以基於來自傳感器141的位置信號和流逝的時間期間得到擺動速度。
[0040]替代地或附加地，傳感器141可以與由液壓缸28賦予的作業工具16的豎直樞轉動作相關(即，與懸臂24相對於框架42的提升和降低動作相關)。具體地，傳感器141可以是與懸臂24和框架42之間的樞轉接頭相關的角度位置或速度傳感器、與液壓缸28相關的位移傳感器、與將作業工具16連接到框架42的任何聯接構件相關或與作業工具16自身相關的局部或整體坐標位置或速度傳感器、與操作員輸入裝置48的運動相關的位移傳感器、或現有技術中已知的可以產生指示懸臂24的樞轉位置或速度的信號的任何其它類型的傳感器。設想如果希望的話，控制器100可以基於來自傳感器141的位置信號和流逝的時間期間得到樞轉速度。
[0041]在又一附加實施方式中，傳感器141可以與由液壓缸38賦予的作業工具16的傾斜力相關。具體地，傳感器141可以是與液壓缸38內的一個或多個室相關的壓強傳感器，或現有技術中已知的可以產生指示在作業工具16的採掘和傾卸操作過程中產生的機器10的傾斜力的信號的任何其它類型的傳感器。
[0042]參照圖3，示例性的曲線142可以表示相對於貫穿挖掘作業周期的每個分段，例如貫穿與90°裝車相關的作業周期的時間由傳感器141產生的擺動速度信號。在採掘分段的大部分過程中，擺動速度可以典型地是大約零(即，機器10在採掘操作過程中通常可以不擺動)。在採掘行程完成時，機器10通常可以被控制以使作業工具16朝向等待的運輸車輛12擺動(參照圖1)。如此，機器10的擺動速度可以朝向採掘分段的末尾開始增加。隨著挖掘作業周期的擺動至傾卸分段進行，擺動速度可以在作業工具16處於採掘位置18和傾卸位置20之間的大約半程時加速至最大，並且接著朝向擺動至傾卸分段的末尾減速。在傾卸分段的大部分過程中，擺動速度可以典型地是大約零(即，機器10在傾卸操作過程中通常可以不擺動)。當傾卸完成時，機器10通常可以被控制以使作業工具16向回朝向採掘位置18擺動(參照圖1)。如此，機器10的擺動速度可以朝向傾卸分段的末尾增加。隨著挖掘周期的擺動至採掘分段進行，擺動速度可以在挖掘周期的擺動至傾卸分段過程中在與擺動方向相反的方向上加速至最大。該最大速度通常可以在作業工具16處於傾卸位置20和採掘位置18之間的半程時達到。作業工具16的擺動速度接著可以隨著作業工具16靠近採掘位置18而朝向擺動至採掘分段的末尾減速。控制器100可以基於從傳感器141接收的信號和存儲在存儲器中的映射、基於為以前的挖掘作業周期記錄的擺動速度、傾斜力和/或操作員輸入、或者以現有技術中已知的任何其它方式將當前挖掘作業周期劃分成上述六個分段。
[0043]控制器100可以基於挖掘作業周期的當前或進行的分段選擇性地引起第一貯存器108填充和排出。例如，圖3的圖表部分144(S卩，下部)圖示在過程中挖掘周期能夠完成的6種不同操作模式，連同有關相對於每個挖掘作業周期的分段何時控制第一貯存器108以填充加壓流體(由「C」表示)或排出加壓流體(由「D」表示)的指示。當通道128內的壓強大於第一貯存器108內的壓強時，通過使填充閥的閥元件134運動至第二或流動通過位置，第一貯存器108能夠被控制以填充加壓流體。當第一貯存器108內的壓強大於通道128內的壓強時，通過使閥元件138運動至第二或流動通過位置，第一貯存器108能夠被控制以排出加壓流體。
[0044]基於圖3的圖表，可以做出一些一般觀察。首先，能夠看到在所有操作模式的採掘和傾卸分段過程中，控制器100可以禁止第一貯存器108接收或排出流體(即，在採掘和傾卸分段過程中，控制器100可以保持閥元件134和138處於第一流動阻止位置)。在採掘和傾卸分段過程中，控制器100可以禁止填充和排出，因為在挖掘作業周期的這些部分的完成過程中不需要或幾乎不需要擺動動作。第二，對於大多數模式(例如對於模式2-6)，在過程中控制器100引起第一貯存器108接收流體的分段的數量可以大於在過程中控制器100引起第一貯存器108排出流體的分段的數量。控制器100通常可以引起第一貯存器108與排出相比更經常填充，因為在充分高的壓強下(即，在大於第一貯存器108的閾值壓強的壓強下)可得到的填充能量的量可能小於在執行系統14的運動過程中所需的能量的量。第三，對於所有模式，在過程中控制器100引起第一貯存器108排出流體的分段的數量永遠不會大於在過程中控制器100引起第一貯存器108接收流體的分段的數量。第四，對於所有模式，控制器100僅在擺動至採掘或擺動至傾卸加速分段過程中會引起第一貯存器108排出流體。在挖掘周期的任何其它分段過程中排出僅會降低機器效率。第五，對於大多數操作模式(例如，對於模式1-4)，控制器100僅在擺動至採掘或擺動至傾卸減速分段過程中會引起第一貯存器108接收流體。
[0045]模式I可以對應於擺動強烈操作，其中，可得到大量擺動能量，以用於第一貯存器108儲存。示例性擺動強烈操作可以包括150° (或更大)擺動操作，諸如圖1中所示的裝車例子、材料處理(例如使用抓斗或磁體)、從鄰近的堆垛料鬥送料、或機器10的操作員典型地要求嚴格的起停指令的另外的操作。當在模式I中操作時，控制器100可以被構造成引起第一貯存器108在擺動至傾卸加速分段過程中將流體排出至擺動馬達49、在擺動至傾卸減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體、在擺動至採掘加速分段過程中將流體排出至擺動馬達49、以及在擺動至採掘減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體。
[0046]控制器100可以由機器10的操作員指示操作的第一模式當前有效(例如，裝車正在進行)，或者替代地，控制器100可以基於經由傳感器141監控的機器10的性能自動地識別第一模式中的操作。例如，控制器100可以監控執行系統14在停止位置之間(S卩，在採掘位置18和傾卸位置20之間)的擺動角度，並且當擺動角度反覆大於閾值角度、例如大於大約150°時，控制器100可以確定第一操作模式有效。在另一例子中，輸入裝置48的操縱可以經由傳感器141監控以檢測指示模式I操作的「嚴格」輸入。特別地，如果輸入在短時間期間內(例如，大約0.2秒或更短)反覆地從低閾值(例如，大約10%杆指令)以下運動到高閾值水平(例如，大約100%杆指令)以上，輸入裝置48可以被認為是以嚴格方式操縱，並且控制器100可以響應地確定第一操作模式有效。在最後的例子中,控制器100可以基於周期和/或貯存器100內的壓強值、例如當閾值壓強重複達到時確定第一操作模式有效。在該最後的例子中，閾值壓強可以是最大壓強的大約75%。
[0047]模式2-4通常可以對應於擺動操作，其中，僅可得到有限量的擺動能量，以用於第一貯存器108儲存。具有有限量的能量的示例性擺動操作可以包括90°裝車、45°挖溝、打夯、或慢且平滑起吊。在這些操作過程中，在貯存的能量可以大量排出之前，流體能量可能需要從挖掘作業周期的兩個或更多個分段貯存。應當注意的是，儘管模式4被示出為允許在兩個分段從第一貯存器108排出，但一個分段(例如，擺動至傾卸分段)僅可以允許貯存的能量部分排出。正如上述模式1，模式2-4可以由機器10的操作員手動觸發，或者替代地，基於如經由傳感器141監控的機器10的性能自動地觸發。例如，當機器10被確定為反覆擺動經過小於大約100°的角度時,控制器100可以確定模式2-4之一有效。在另一例子中，控制器100可以基於操作員要求的懸臂運動小於閾值量(例如，對於模式2或4，小於大約80%杆指令或最大要求速度)和/或作業工具傾斜小於閾值量(例如，對於模式3或4，小於大約80%杆指令或最大要求速度)確定模式2-4有效。
[0048]在模式2過程中，控制器100可以引起第一貯存器108僅在擺動至傾卸加速分段過程中將流體排出至擺動馬達49、在擺動至傾卸減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體、以及在擺動至採掘減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體。在模式3過程中，控制器100可以引起第一貯存器108在擺動至傾卸減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體、僅在擺動至採掘加速分段過程中將流體排出至擺動馬達49、以及在擺動至採掘減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體。在模式4過程中，控制器100可以引起第一貯存器108在擺動至傾卸加速分段過程中將以前回收的流體的僅一部分排出至擺動馬達49、在擺動至傾卸減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體、在擺動至採掘加速分段過程中將流體排出至擺動馬達49、以及在擺動至採掘減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體。
[0049]模式5和6可以已知為經濟或峰值調節模式，其中，在挖掘作業周期的一個分段過程中的過多流體能量(超過根據操作員要求充分驅動擺動馬達49所需的量的流體能量)由泵58產生並且儲存用於在對於希望的擺動操作不能得到充足的流體能量時的另一分段過程中使用。在這些操作模式過程中，控制器100可以引起第一貯存器108在可得到過多流體能量時的擺動加速分段過程中，例如在擺動至傾卸或擺動至採掘加速分段過程中填充來自泵58的加壓流體。控制器100接著可以引起第一貯存器108在不能得到充足能量時的另一加速分段過程中排出貯存的流體。具體地，在模式5過程中，對於總的三個填充分段和一個排出分段，控制器100可以引起第一貯存器108僅在擺動至傾卸加速分段過程中將流體排出至擺動馬達49、在擺動至傾卸減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體、在擺動至採掘加速分段過程中接收來自泵58的流體、以及在擺動至採掘減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體。在模式6過程中，控制器100可以引起第一貯存器108在擺動至傾卸加速分段過程中接收來自泵58的流體、在擺動至傾卸減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體、在擺動至採掘加速分段過程中將流體排出至擺動馬達49、以及在擺動至採掘減速分段過程中接收來自擺動馬達49的流體。
[0050]應當注意的是，控制器100在第一貯存器108的填充和排出過程中會受到第一室管道84、第二室管道86和第一貯存器108內的流體壓強的限制。即，即使在特定操作模式過程中在機器10的作業周期中的特定分段會需要第一貯存器108的填充或排出，控制器100僅可以允許在相關壓強具有相應值時執行動作。例如，如果傳感器102指示第一貯存器108內的流體壓強低於第一室管道84內的流體壓強，控制器100會不被允許起動第一貯存器108到第一室管道84內的排出。類似地，如果傳感器102指示第二室管道86內的流體壓強小於第一貯存器108內的流體壓強，控制器100會不被允許起動第一貯存器108填充來自第二室管道86的流體。不僅示例性過程在相關壓強不適當時的特定時間執行是不可能的，而且執行過程的嘗試會導致不希望的機器性能。
[0051]在加壓流體從第一貯存器108排出至擺動馬達49的過程中，離開擺動馬達49的流體仍會具有升高的壓強，該升高的壓強如果被允許排放至罐60內，則會被浪費。此時，第二貯存器110可以被構造成在第一貯存器108將流體排出至擺動馬達49的任何時間填充離開擺動馬達49的流體。另外，在第一貯存器108的填充過程中，擺動馬達49可以接收來自泵58的非常少的流體，並且除非另有原因，在這些狀況下向擺動馬達49供應來自泵58的流體不充足會引起擺動馬達49空洞。相應地，第二貯存器110可以被構造成在第一貯存器108填充來自擺動馬達49的流體的任何時間排出至擺動馬達49。
[0052]如上所述，第二貯存器110可以在排放通道78內的壓強落在第二貯存器110內的流體壓強以下的任何時間排出流體。相應地，從第二貯存器Iio排出流體到第一迴路52內可以不經由控制器100直接調節。但是，由於第二貯存器110可以在排放通道88內的壓強超過第二貯存器110內的流體壓強的任何時候填充來自第一迴路52的流體，並且由於控制閥56可以影響排放通道88內的壓強，控制器100可以經由控制閥56對第二貯存器110填充來自第一迴路52的流體進行一些控制。
[0053]在一些情況中，第一貯存器108和第二貯存器110可以同時填充加壓流體。這些情況可以例如對應於峰值調節模式(即，模式5和6)中的操作。特別地，當泵58向擺動馬達49和第一貯存器108提供加壓流體時(例如，在模式5的擺動至採掘加速分段過程中和/或模式6的擺動至傾卸加速分段過程中)，第二貯存器110可以同時填充加壓流體。在這些時候，離開泵58的流體可以被引導至第一貯存器108內，同時離開擺動馬達49的流體可以被引導至第二貯存器110內。
[0054]如果希望的話，第二貯存器110還可以經由第二迴路54填充。特別地，在來自第二迴路54的廢流體(即，從第二迴路54排放至罐60的流體)的壓強大於第二貯存器110的閾值壓強的任何時候，廢流體可以被收集在第二貯存器110內。以相似的方式，當第二迴路54內的壓強落在第二貯存器110內收集的流體壓強以下時，第二貯存器110內的加壓流體可以選擇性地排出至第二迴路54內。
[0055]工業實用性
[0056]本發明的液壓控制系統可以應用於進行涉及作業工具的擺動運動的基本重複的作業周期的任何挖掘機器。本發明的液壓控制系統可以通過基於當前操作模式在作業周期的不同分段過程中輔助作業工具的擺動加速和減速而有助於提高機器性能和效率。具體地，本發明的液壓控制系統可以將作業周期劃分成分段，並且基於當前操作模式選擇性地儲存加壓廢流體或釋放儲存的流體，以輔助在劃分的分段過程中擺動馬達的運動。
[0057]若干益處可以與本發明的液壓控制系統相關。首先，由於液壓控制系統50可以利用高壓貯存器和低壓貯存器(即，第一貯存器108和第二貯存器110)，在挖掘作業周期的加速分段過程中從擺動馬達49排出的流體可以被回收在第二貯存器110內。能量的這種雙回收可以有助於增加機器10的效率。第二，第二貯存器110的使用可以有助於降低在擺動馬達49處空洞的可能性。第三，基於挖掘作業周期的當前分段和/或基於當前操作模式調節貯存器填充和排出的能力可以允許液壓控制系統50針對特定應用修整機器10的擺動性能，由此增強機器性能並且/或者進一步提高機器效率。[0058]本領域技術人員清楚針對本發明的液壓控制系統可以做出多種修改和變型。本領域技術人員通過考慮本發明的液壓控制系統的說明書和實踐將清楚其它實施方式。本說明書和例子意於僅被認為是示例性的，真正的範圍通過權利要求書及其等效指明。
【權利要求】
1.一種液壓控制系統(50),包括: 作業工具(16)，其能夠在挖掘周期的各分段中運動； 馬達(49)，其能夠在挖掘周期過程中擺動作業工具； 至少一個貯存器(108，110)，其能夠在挖掘周期過程中選擇性地接收從馬達排出的流體和將流體排出至馬達；和 控制器(100)，其能夠: 接收有關作業工具的當前挖掘周期的輸入； 基於輸入做出當前挖掘周期與一組已知操作模式中的一種相關的確定；以及 基於確定引起至少一個貯存器在挖掘周期的不同分段過程中接收流體和排出流體。
2.根據權利要求1所述的液壓控制系統，其中，所述一組已知操作模式包括裝車操作、挖溝操作、起吊操作、材料處理操作和峰值調節操作中的至少一種。
3.根據權利要求2所述的液壓控制系統，其中，所述輸入包括作業工具速度、作業工具負載、作業工具位置、一系列作業工具運動和輸入裝置的操作員操縱中的至少一種。
4.根據權利要求3所述的液壓控制系統，其中，所述控制器能夠: 當作業工具重複運動經過大約150°或更大的擺動角度時，確定當前挖掘周期與裝車操作相關；以及 引起至少一個貯存器在裝車操作的每個周期過程中在兩個不同的擺動加速分段過程中將流體排出至馬達並且在兩個不同的擺動減速分段過程中接收從馬達排出的流體。
5.根據權利要求3所述的液壓控制系統，其中，所述控制器能夠: 當作業工具重複運動經過大約100°或更小的擺動角度時，確定當前挖掘周期與挖溝操作相關；以及 引起至少一個貯存器在挖溝操作的每個周期過程中僅在一個擺動加速分段過程中將流體排出至馬達並且在兩個不同的擺動減速分段過程中接收從馬達排出的流體。
6.根據權利要求5所述的液壓控制系統，其中，所述控制器能夠: 當作業工具的操作員要求的運動重複小於最大速度的大約80%時，確定當前挖掘周期與起吊操作相關；以及 引起至少一個貯存器在起吊操作的每個周期過程中僅在不同於與挖溝操作相關的擺動加速分段的一個擺動加速分段過程中將流體排出至馬達並且在兩個不同的擺動減速分段過程中接收從馬達排出的流體。
7.根據權利要求3所述的液壓控制系統，還包括能夠使被引導至馬達的流體加壓的泵(58)，其中所述控制器能夠引起至少一個貯存器在峰值調節操作的每個周期過程中在第一擺動加速分段過程中填充來自泵的流體並且在第二擺動加速分段過程中將流體排出至馬達。
8.根據權利要求3所述的液壓控制系統，還包括能夠感測輸入並產生指示送往控制器的輸入的信號的至少一個傳感器(102)。
9.根據權利要求2所述的液壓控制系統，其中，所述輸入是所述一組已知操作模式的操作員選擇。
10.一種控制機器(10)的方法,包括: 向馬達(49)提供加壓流體以使作業工具(16)在挖掘周期的各分段中運動；接收有關當前挖掘周期的輸入； 基於輸入做出當前 挖掘周期與一組已知操作模式中的一種相關的確定；以及基於所述確定在挖掘周期的不同分段過程中貯存來自馬達的流體或將貯存的流體排出至馬達。
【文檔編號】F15B13/02GK103703255SQ201280036524
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年6月14日 優先權日:2011年6月28日
【發明者】章佼, 尚同林, P·斯普林, 馬鵬飛, R·彼得森 申請人:卡特彼勒公司