流體工作機器以及運行流體工作機器的方法
2023-09-15 09:40:50 2
專利名稱：流體工作機器以及運行流體工作機器的方法
技術領域：
本發明涉及一種運行流體工作機器的方法、一種流體工作機器、電腦程式代碼以及一種動力吸收結構。本發明可以更具體地涉及一種具有對於多個單獨的工作室的控制的液壓泵或馬達。
背景技術：
在多數常見的正排量式液壓機器中，這些流體室按照一個大致正弦函數在容積上經歷周期性變化。從EP0361927已知，通過將位於工作室與低壓力源之間的一個電磁致動的閥門保持在打開的情況下可以使一個室空轉。因此通過對每個工作室先填充液體，然後決定是否將液體排移返回至低壓力源或者在壓力下將其泵送至該輸出歧管的動作而改變這類合成換向機器的輸出。將液體泵送返回至低壓力源意味著在工作室處於空轉時期的過程中，需要消耗非常少量的功率，同時仍允許這些工作室以最小的等待期變為有產出。EP0494236介紹了一種額外的運行模式，這種運行模式允許在向旋轉軸上施加力矩一個馬達運行周期中使用該液壓機器，從而允許一種可控制的雙向能量流動。W0/2008/012587介紹了一種調整此類機器的工作室周期的方法以便通過從機器的軸(或多個出口)添加或者減去力矩(或流量)非常快速地對事件做出反應。與原始的以及基礎性的所要求的力矩(或流量)相比，這種調節引起額外的或更少的力矩(或流量)O希望使用上述種類(例如，由於它們的非常卓越的有效性和可控制性)的機器的設計者面臨著新挑戰，這些新的挑戰在使用機器(在這些機器中每個工作室的每次旋轉都是有效的並且彼此之間的程度大致上相同)時是沒有見過的。這些挑戰包括差速器磨損、軸負載平衡、以及共振。所有這些挑戰是由有些時候不規則的流體排量以及向旋轉軸上施加力矩引起的並且將在以下段落中予以更詳細的說明。差速器磨損隨著時間的遷移，合成換向機器與其他機器相比在統計上可能更加經常地使用某些缸。當某些缸有時被連接到不同的工作功能上時這特別地是一個問題，例如，像在W0/2008/009950中所描述的那樣。這導致機器壽命的降低，因為偏重使用的工作室可能比不經常使用的工作室疲勞或者磨損得更快。軸負載平衡許多常規的流體工作機器被設計成使得通過這些許多同時有效的工作室施加到旋轉軸上的徑向力是平衡的或者是彼此對抗偏置的。然而，在某些工作室被禁用的情況下(像在合成換向機器中的情況)，這有可能使非常高的不平衡的力增加磨損或者甚至損壞保持軸的這些軸承、或者甚至使軸本身彎曲。共振在將力矩不規則地施加到一個軸上是不可取的多種應用中包括多種傳動系，如車輛和風力渦輪機的傳動系，而在流體不規則的排量是不可取的多種應用中包括具有多種工作功能的那些，如可移動的和固定的液壓驅動的物料搬運設備(叉車、挖掘機以及類似的設備)。在這些應用中，不規則性可以引起或加劇受到流體工作機器驅動的或者驅動流體工作機器的這些結構和部件中固有的機械共振。例如，一個車輪的不規則驅動可能引發在一個車橋的固有頻率下的不當的扭轉振動、或者來自一個如此驅動的車輪反抗地面的不規則力可能引發在車輛底盤的多個部件的固有頻率下的不當的結構振動。在物料搬運設備中，進入液壓致動器中的流體排量的不規則性可能引發(例如)在叉車的塔架或者挖掘機的可伸展臂的固有頻率下的不當的振動。從上文中應該認識到，存在著眾多應用，其中謹慎地控制來自一個合成換向的流體工作機器的輸出力矩或者流體排量是非常重要的。本發明目的在於著手解決上述這些不同的問題。
發明內容
在第一方面中，本發明提供了根據權利要求1的一種運行流體工作機器的方法，在從屬權利要求中列出了本發明的優選或最佳特徵。選擇工作流體的體積可以依據從一個控制單元接收的一個控制信號通過運行一個致動器來實現。然而，本發明涉及根據一個輔助性需要(也就是說，除了滿足由所接收的需求信號表示的需求之外的一種需要)改變在工作室容積的多個單獨的周期過程中被排移的流體量，同時繼續提供滿足由所接收的需求信號表示的需求的一個時間平均的流量。因此，本方法可以包括從通過多個單獨的工作室的流體排量的多個組合(這些組合將提供相同的總排量)中選擇通過多個單獨的工作室的流體排量的一種組合(該組合滿足一個輔助性需要)，並且因此是更適合或最適合的。在選擇有待由一個工作室排移的工作流體的體積時，將多個工作室的適合性考慮在內使得該流體工作機器能夠響應於一個接收的需求信號排移一個適當量的流體來滿足一個工作功能，但還使一個或多個額外的考慮因素保持均衡，而如果不考慮工作室的適合性則這種均衡將是不可能的。典型地，當選擇有待由一個工作室排移的工作流體的體積時，在將適合性考慮在內的情況下由該流體工作機器產生的峰到峰的流量以及軸力矩的波動增加。這通常被認為是一種不利的屬性，但出人意料地我們已經發現存在著某些情況，其中如果根據該需求以及該輔助性需要二者來選擇這些工作室則這個增加的波動是有益的。一個工作室(例如，該第一工作室)將流體排移以便執行該工作功能的適合性典型地涉及一種機械性考慮因素(不是時間平均的流體流量)。一種機械性考慮因素典型地是在一個可移動的機械部件上施加的一個力的作用，這個力是由該流體工作機器排移的工作流體施加到該部件上的。例如，一種機械性考慮因素包括該流體工作機器的一個或多個部件的磨損、由於通過這些工作室的流體的排量而作用在該機器上的淨力、或者被該流體工作機器驅動或者驅動該流體工作機器的一個機械部件中的共振。一個工作室的適合性可能涉及一種機械性考慮因素，這種機械性考慮因素涉及流體工作機器或其一個或多個部件的期望壽命或維護要求之間的期望時間。例如，一個工作室的適合性可以包括至少一個適合性測量值，該測量值預測對於選擇工作室的一個有效周期的輔助性參數的影響。例如，該需求信號可以是一個關於時間平均的流體傳送需求，並且該輔助性參數可能是關於這些單獨傳送定時的一個要求，這些單獨的傳送組成了時間平均的流體傳送。該輔助性參數可以是一個機械參數，該參數涉及一種機械性考慮因素，例如，關於該流體工作機器的一個或多個部件的磨損的參數、該流體工作機器中的這些淨力、或者在被該流體工作機器驅動或者驅動該流體工作機器的一個機械部件中的機械共振的測量值。本方法優選地包括接收與該機械性考慮因素有關的一個或多個機械參數的當前值。一個機械參數的當前值可以是一個測量的機械參數或者一個計算出的機械參數。工作室的適合性典型地是通過參考該一個或多個機械參數的當前值來確定的。一個工作室的適合性典型地是通過參考該一個或多個機械參數中的一個、一些或全部預測的未來值來確定的，例如，這個預測的未來值將該一個或多個機械參數的當前值以及例如對於選擇該工作室的一個有效周期的機械性考慮因素的影響考慮在內。典型地，本方法包括通過參考該一個或多個機械參數的預測的未來值來選擇一個工作室的適合性，例如，這個預測的未來值將該一個或多個機械參數的當前值以及對於一個有效周期選擇該工作室的機械性考慮因素的影響考慮在內。典型地，一個第一工作室的適合性是高於一個第二工作室的適合性，例如，如果選擇該第一工作室用於一個有效周期(與例如選擇該第二工作室用於一個有效周期相比)對於使這個或這些機械參數的預測的未來值達到它的一個期望值而言將具有更大的作用。該一個或多個機械參數的預測的未來值的一個希望值典型地是以下的一個值，其中多個機械參數的未來值是均衡的。多個機械參數(例如)包括由多個單獨的工作室及其閥門執行的有效周期數；工作室或閥門磨損的一個測量值，該測量值典型地是由有效周期數以及當前磨損條件(例如，在有效周期的過程中工作室中的壓力)的基值加權計算的；在使用中由多個工作室施加到驅動它們的軸上的力的矢量；以及由這些工作功能驅動或者驅動這些工作功能的機械結構的相對位置、速度或加速度(包括角位置、速度或加速度)。可能的情況是存在著多個機械參數並且本方法包括通過參考對於多個機械參數的這些未來值的作用來確定一個工作室的適合性。具體而言，本方法可以包括確定一個工作室的適合性，這樣使得在均衡多個機械參數的未來值時確定出一個更高的適合性。本方法優選地包括選擇那個工作室或那些工作室，例如用於恢復或者增加這些機械參數的當前值或未來值的均衡性的多個有效周期。因此，本方法優選地包括選擇那個工作室或那些工作室，例如，用於抵消(或補償)在這些機械參數的當前值或未來值之間的不均衡性的多個有效周期。對於多個機械參數而言，得到均衡典型地意味著這些參數通過一種希望的方式彼此相關聯。它們因此是彼此相似的、或者它們的矢量和總計為零、或者它們按照希望的比率彼此相關，這取決於應用。典型地對於每個工作室而言，在工作室容積的每個周期至少確定一次執行該工作功能的適合性。該控制器可以與工作室容積的多個周期成定相關係來主動地控制所述電子可控制的閥門(例如，通過輸出多個控制信號)，以便響應於這個接收的需求信號來調節這些工作室的時間平均的排量。這種流體工作機器可以僅作為一臺馬達、或者僅作為一個泵來起作用。可替代地，該流體工作機器可以在多種替代運行模式中作為一個馬達亦或一個泵來起作用。優選的是，每個工作室在工作室容積的每個周期上是可運行的以便執行一個有效周期或一個空轉周期，在該有效周期中該室產生工作流體一個淨排量並且在該空轉周期中該室實質性不產生工作流體的淨排量。可能的情況是每個工作室是可運行的以便在一個有效周期中排移工作流體的多個體積(例如，工作流體的體積的一個範圍)之一。這個所述的體積範圍可能是不連續的，例如，工作流體的這個體積可以包括一個範圍，該範圍從實質性地沒有流體淨排量的一個第一最小值延伸至工作室的最大流體淨排量的至多25%或40%的一個第一最大值、並且然後從工作室的最大流體淨排量的至少60%或75%的一個第二最小值延伸至工作室的最大流體淨排量的100%的區域中的一個第二最大值。這可能在以下情況下發生，例如，這種運行工作流體壓力是充分高而不可能在工作室容積的膨脹或收縮衝程的中間打開或關閉閥門、或者流體流量是充分高而通過一個連續的體積範圍運行將使該工作室、該工作室的這些閥門、或者流體工作機器的其他部分損壞。優選的是，本方法包括還將至少一個第二工作室或多個室排移流體的相對適合性考慮在內來執行該工作功能。該至少一個第二工作室的適合性可以是在該第一工作室的工作室容積的周期之後不久、之前不久、與其同步、與其保持同相位，或者與其同時期的一個工作室容積周期的過程中該第二工作室的適合性。「之後不久」優選地意味著該第二工作室的工作室容積的周期在該第一工作室的工作室容積的周期結束之前開始。「之前不久」優選地意味著該第二工作室的工作室容積的周期在該第一工作室的工作室容積的周期開始之前結束。「與其同時期」優選地意味著適合性是對於在時間上重疊的該第一和第二工作室的工作室容積的周期來確定的。優選的是，該流體工作機器是可運行的，這樣使得在至少某些情況下，與至少一個第二工作室相比，該第一工作室由於其相對的適合性而執行一個有效周期而不是一個空轉周期。因此，本方法可以包括確定至少一個第二工作室是否是不適合的並且響應於此使得該第一工作室執行一個有效周期而不是一個空轉周期。優選的是，將由所述第一工作室排移的工作流體的所選體積考慮在內來選擇由至少一個第二工作室排移的工作流體的體積從而響應所接收的需求信號來執行該工作功能。可能的情況是將由所述第一工作室排移的工作流體的所選體積考慮在內來選擇由多個第二工作室排移的工作流體的體積，從而響應於所接收的需求信號來執行該工作功能。可能的情況是響應於這個接收的需求信號來選擇由該至少一個第二工作室排移的工作流體的體積以便準確地執行該工作功能。該控制器可以計算或者以其他方式處理一種算法，該算法將包括適合性數據的多種輸入數據考慮在內，其中，對於包括了表示該第二工作室比該第一工作室更加適合於執行該工作功能的適合性數據的至少某些輸入數據而言，該算法是可運行的以便確定該第一工作室不應執行一個有效周期；而對於除了表示該第二工作室與該第一工作室相比不太適合於執行該工作功能的適合性數據的同一個輸入數據而言，該算法是可運行的以便確定該第一工作室應執行一個有效周期。例如，該控制器可以執行一個存儲的程序(該存儲的程序對該算法進行編碼)並且由此處理該算法。換言之，該控制器可以接收多個輸入數據，並且處理這些輸入數據以便確定該第一工作室是否應執行一個有效周期，所述處理進一步包括處理與該第一工作室以及一個第二工作室相關聯的適合性數據來確定該第一工作室相對於該第二工作室的相對適合性。該控制器可以包括一個相位輸入，用於接收一個相位信號，該相位信號表不該流體工作機器的多個工作室的多個容積周期的相位。這個相位信號可以是從一個相位傳感器中接收的，例如，一個光學的、磁性的或感應相位傳感器。該相位傳感器可以感測一個曲軸(該曲軸可以是一個偏心的曲軸)的相位並且該控制器可以從所感測的偏心曲軸相位來推斷該工作室的相位。優選的是，在由一個接收的需求信號所表示的需求是充分低時，在工作室容積的一個或多個周期中，一個或多個可運行以便排移流體來執行該工作功能的工作室是多餘的，也就是說，如果該工作室不存在或者未在運行，該流體工作機器無論如何都能夠使充分的流體排移從而滿足這個需求而不需要改變工作室容積的多個有效周期的總頻率。優選的是，在由這個接收的需求信號所表示的需求是充分低時，通過這些可供用於執行該工作功能的工作室中的至少一個排移的所選擇的流體體積對於工作室容積的至少某些周期實質上為零。在一些實施方案中，當由接收的需求信號所表示的需求充分低時，可供用於執行工作功能的這些工作室中的至少一個在工作室容積的至少某些周期上執行一個空轉周期。在一些實施方案中，其中這些工作室是可運行的以便排移工作流體的多個體積之一，當由接收的需求信號所指示的需求充分低時，通過這些可供用於執行這個工作功能的工作室中的至少一個排移的所選擇的流體體積小於這些工作室中的所述至少一個可運行而排移的工作流體的最大體積。所接收的需求信號可以表示為了實現一個工作功能而被排移的(例如，接收的或者輸出的)工作流體的希望體積。例如，所接收的需求信號可以表示一個期望的輸出或輸入壓力。所接收的需求信號可以表示排移流體從而實現一個工作功能的一個希望的速率。可以提供一個流體響應傳感器以便監控接收的或輸出的流體的特性(例如，接收的或輸出的流體的壓力、或者接收的或輸出的流體的排移速率)、並且用來提供一個流體響應信號。該控制器可以將這個流體響應信號與這個接收的需求信號進行比較，以便在工作室容積的每個周期上選擇由一個或多個所述工作室排移的工作流體的體積，例如，用來執行閉環控制。該第一和第二工作室的容積周期可以是同步的(同相位)、或者該第一工作室可以在該第二工作室之前、或者該第二工作室可以在該第一工作室之前。在多個實施方案中，其中的適合性是通過一個工作室的歷史使用量來確定的，一個使用的測量值或預測值優選地包括一個加權因數，該因數是由使用時的一個或多個運行參數確定的。所述運行參數可以包括打開或者關閉該至少一個閥門的定時、壓力、溫度和/或流體條件(包括水含量、空氣含量、使用年限)。在多個實施方案中，這種適合性是通過測量或預測由流體加壓的工作室、施加到所述流體工作機器的一個旋轉軸上的淨力來確定的，本方法優選地包括使用來自與多個工作室中的工作流體處於流體連通的一個或多個壓力傳感器的測量值來計算該淨力。優選的是，在每一個工作室容積周期中對淨力不止一次地進行預測或測量。優選的是，本方法包括預測落入下一個工作室容積周期內的一個點處的淨力。優選的是，本方法包括，在該第一工作室的工作室容積的一個即將到來的周期開始之前，對這個即將到來的周期中的一個稍後點處的淨力做出預測。該淨力優選地是一個徑向淨力。一個徑向淨力是垂直作用在該旋轉軸的旋轉軸線上的一個力。該淨力可以是一個最大淨力、或者可以是一個平均淨力、或者可以是淨力的某個相對估算值。淨力的計算優選地包括使用這些工作室的實體安排的知識。淨力的計算優選地包括保持對哪些工作室進行了流體加壓的一個記錄，這種淨力的計算可以包括保持哪些工作室正在經歷有效周期的一個記錄。淨カ的計算優選地包括將該旋轉軸上的非流體力考慮在內。非流體力優選地包括彈簧力、慣性カ以及重力。淨カ可以按照任何標度(包括ー個非線性標度)或者按照單位來計算。在多個實施方案中，其中這種適合性是通過測量或預測ー個機械部件的運動來確定的，每個工作室的適合性是從該機械部件的未來運動的ー個預測值來確定的。典型地，エ作室具有較高的預測的未來運動的適合性，它是最平滑的，也就是說，具有最低加速度或者最低急衝或者它們的某種組合。本方法可以包括確定ー組工作室的適合性、並且參照所述組的適合性來確定ー個單個工作室的適合性。一個單個工作室的適合性是可以通過參照該單個工作室所屬的ー個或多個組的工作室的適合性並且參見僅涉及該單個工作室本身的適合性的多個測量值來確定。本發明在第二方面擴展到ー種流體工作機器，該流體工作機器包括ー個控制器以及多個具有周期性可變容積的工作室，每個所述工作室是可運行的以便排移工作流體的一個體積，該體積在工作室容積的每個周期上通過該控制器是可選擇的，該控制器是可運行的以便選擇由ー個或多個所述工作室在工作室容積的每個周期上排移的工作流體的體積從而響應ー個接收的需求信號來執行ー個工作功能，該控制器是根據參照該第一方面所描述的這些方法中的任何一個來運行的。本發明在第三方面中擴展到電腦程式代碼，當其在ー個流體工作機器控制器上執行時致使該流體工作機器根據參見第一方面中任何ー個所描述的ー種方法來運行該流體工作機器。本發明在第四方面擴展到一種運行動カ吸收結構的方法，該動カ吸收結構包括至少ー個機械部件並且進一歩包括ー個流體工作機器，該流體工作機器本身包括多個具有周期性變化容積的工作室，每個所述工作室是可運行的以便排移工作流體的一個體積，該體積對於工作室容積的每個周期而言是可選擇的，該方法包括選擇由一個或多個所述工作室在工作室容積的每個周期過程中排移的工作流體的體積以便響應於一個接收的命令信號來執行ー個工作功能，該方法進ー步包括測量或預測該機械部件的運動並且將機械部件在該流體工作機器的影響下所測量或預測的運動考慮在內來選擇由ー個第一工作室在工作室容積的ー個周期中排移的工作流體的體積。用「在其影響下」的說法是表示該流體工作機器可以驅動該機械部件或者該機械部件可以驅動該流體工作機器、或者在不同的時間二者並舉。該動カ吸收結構優選地從周圍環境中吸收動力。這個動カ吸收裝置可以從該流體工作機器中吸收動力。這個動カ吸收結構優選地是ー個可再生能量裝置並且可以ー種風カ或潮汐渦輪機。該動カ吸收結構可以是車輛或者是車輛的車輪或軌道。該流體工作機器可以驅動不止ー個所述機械部件或者被其驅動。多個機械部件可以包括該流體工作機器的旋轉軸或者該流體工作機器的旋轉體，或者可以包括或者直接地或者間接地附接到所述多個旋轉部分上的部件。所述運動可以是ー種振蕩運動、ー種加速和/或ー個速率。所述運動可以是ー種旋轉運動、一種線性運動、或者一種或多種旋轉和線性運動的組合。這種運動可以是ー種絕對運動，這種說法的意思是與ー個實質上固定的基座相比是該機械部件的ー種運動。這種運動可以是ー種相對運動，這種說法的意思是與ー個參考的機械部件(它自身可能是正在移動可者是可移動的)相比是該機械部件的一種運動。本方法可以包括從該機械部件作為運動的結果的一些機械條件來確定ー個工作室的適合性。機械條件可以包括應力、應變或形狀，並且可以包括動態應力、應變或形狀。本方法可以包括計算該機械部件的未來運動。本方法可以包括從該機械部件的未來運動來確定ー個工作室的適合性。本發明在第五方面中擴展到一種動カ吸收結構，該動力吸收結構包括至少ー個機械部件並且進一歩包括ー種流體工作機器，該流體工作機器根據本方法的第四方面的方法是可運行的。優選的是，該動カ吸收結構包括用來確定該機械部件的運動的多個傳感器。優選的是，該機械部件在該流體工作機器影響下的運動是可預測的或者是可測量的。優選的是，該動力吸收結構包括一臺計算機，該計算機用於預測在流體工作機器的影響下該機械部件的運動。本發明在第六方面擴展到一種動カ吸收結構的一種計算機模型，該動カ吸收結構包括至少ー個機械部件並且進一歩包括ー個流體工作機器，該流體工作機器本身包括多個具有周期性變化容積的工作室，每個所述工作室是可運行的以便排移工作流體的ー個體積，該體積對於工作室容積的每個周期而言是可選擇的，以便響應於ー個接收的需求信號來執行ー個工作功能，所述計算機模型是可運行的以便預測在該流體工作機器的影響下所述至少一個機械部件的運動。該計算機模型可以包括該流體工作機器的ー個部分模型，即，能夠僅模擬該流體工作機器的某些性質ー個模型。優選的是，該計算機模型可以模擬由該流體工作機器的這些所選擇的工作室產生的カ矩。該計算機模型可以包括該機械部件的一個部分模型，即能夠僅模擬該機械部件的某些性質的ー個模型。優選的是，該計算機模型可以模擬該機械部件在該流體工作機器的影響下的運動。該計算機模型可以包括存儲在ー個計算機可讀載體上的程序代碼和數據。該計算機模型可以包括存儲在存儲器中的程序代碼和數據，該存儲器與一個處理器處於電子聯通。在本發明的另ー個方面中提供了ー種在工作室容積的多個周期中運行流體工作機器的方法，該流體工作機器包括多個具有周期性可變容積的工作室，每個所述工作室是可運行的以便在每個周期(例如，對應於ー個『有效』周期的ー個第一容積以及對應於ー個『空轉』周期的非淨容積)過程中排移工作流體的ー個可選擇的體積，並且該方法包括累積性地控制這些工作室以便致使在每個周期過程中排移的工作流體的總容積與一個整體需求功能相符合(例如，就壓力、容積、或其他適當的測量值而言符合一個時間平均的需求信號，以及/或者符合一個需求信號該需求信號在多個周期的過程上可能改變或可能不改變)；並且根據ー個適合性函數単獨地控制這些工作室，該適合性函數確定每個工作室的適合性(例如，確定用於如ー個絕對值或相對值的ー個適合性值，該適合性值可以例如作為ー個閾值來使用或者用來修改一個現有的閾值以便確定是否啟動每個工作室，這種啟動例如確定了在一個給定的周期的過程中要排移的工作流體的體積的ー種選擇)。像這樣的ー種方法可以例如涉及ー種安排，其中提供給ー個負載的時間平均的カ矩(或其他適合的測量值)是可以根據ー個(整體)需求來改變的，但提供瞬時カ矩的多個單獨工作室的選擇可以根據ー個輔助性考慮因素及時予以改變。應當認識到，本方面的多個具體特徵和條件可以不同上述其他方面的特徵；關於以下的說明，本領域的技術人員將認識到這類特徵和條件總體上是可互換的並且在某些情況下可以被忽略(除非它們被清楚地表示為是本發明的實質性特徵)或者被添加。以上提及的做出預測可以例如包括以下步驟或裝置，該步驟或裝置用於根據ー個適當的公式來處理ー組代表與該預測相關的多個測量值的數據並且輸出ー個代表該相關預測的預測值。第二至第六方面的優選的以及任選的特徵對應於該第一方面描述的那些特徵。在本發明的範圍之內可以做進一步的變化和修改，對於本領域的普通技術人員這將是不言自明的。
現在將參考以下
本發明的一個實例實施方案，在附圖中圖1示出了 一種適合與本發明一起使用的流體工作機器；圖2展示了一種實施本發明的算法的進程；圖3示出了使用本發明來減小在ー個環形凸輪流體工作機器中的不平衡的カ；圖4示出了使用本發明來消除風カ渦輪發電機中的結構性振動；並且圖5示出了使用本發明在一個分段的環形凸輪馬達中避免由被啟動的多個滾輪在多個區段的邊界上造成的損壞。
具體實施例方式圖1展示了一個處於合成換向的液壓泵/馬達I形式的流體工作機器，該流體エ作機器包括多個工作室2 (分別由字母A至H表示)，這些工作室具有由多個缸4的內部表面以及多個活塞6限定的多個容積，這些活塞通過ー個偏心凸輪9從ー個可旋轉的曲軸8進行驅動，並且這些活塞在缸中往復運動以便周期性地改變這些工作室的容積。一個軸位置和速度傳感器10確定該軸的瞬時角位置和旋轉速度，並且經過信號線11將軸位置和速度信號傳送到一個控制器12上，這能夠使該控制器確定每個工作室的多個周期的瞬時相位。該控制器典型地是在使用中執行存儲程序的一個微處理器或微控制器。這些工作室各自與處於電子致動的面密封提升閥14形式的多個低壓閥(LPV)相關聯，這些提升閥面向內朝向其相關聯的工作室並且是可運行的以便選擇性地將ー個從該工作室延伸至ー個低壓歧管16的通道密封，該通道在使用中總體上作為流體的一個淨來源點或淨匯收點起作用並且可以通過一個低壓端ロ 17將ー個或幾個工作室、或者甚至全部(如在此示出的)連接到一個儲存器(未示出)上。這些LPV是常開的螺線管關閉的閥門，這些閥門在工作室中的壓カ小於低壓歧管內的壓カ時被動地打開(即在ー個進氣衝程過程中)，以便使該工作室與該低壓歧管發生流體連通，但這些閥門在該控制器的主動控制下經由多條LPV控制管線18是選擇性地可關閉的以便使該工作室與該低壓歧管脫離流體連通。可以使用替代性的電子可控制的閥門，如常閉的螺線管打開的閥門。這些工作室各自進ー步與處於壓力致動的輸送閥形式的多個高壓閥(HPV) 20相關聯。這些HPV從這些工作室面向外並且是可運行的以便將一個從該工作室延伸至ー個初級高壓歧管22的通道密封，該通道在使用中作為作為流體的一個淨來源點或淨匯收點起作用並且該通道可以將ー個或幾個工作室、或者甚至全部(如在此示出的)連接到ー個初級高壓端ロ 24上。這些HPV作為ー個常閉的壓力打開的止回閥起作用，這些高壓閥在該エ作室中的壓カ超過該初級高壓歧管中的壓カ時被動地打開。一旦這些HPV被相關聯的工作室中的壓カ打開，這些HPV還可以作為由該控制器可以通過多條HPV控制管線26選擇地保持開放的常閉的螺線管打開的止回閥起作用。當該高壓歧管(而不是工作室)中存在壓カ時，該HPV能夠另外在控制器的控制下是可打開的、或者是可以部分地可打開的。一個壓カ釋放閥28可以保護流體工作機器免於損壞。除了按照現有技術的方式來確定是否在逐周期的基礎上使這些LPV或HPV閉合或保持打開之外，該控制器還是可運行的以便相對於改變的工作室容積來改變這些LPV和HPV的閉合的精確定相。端ロ 17、24上的箭頭表示在泵送模式中的流體流動；在馬達運行模式中這種流動是反向的。圖2示出了實施本發明的ー種算法的運算，並進行的方式如下。在每個時間步h至t13 (落在連續的工作室A至H的最大容積的多個點處)一個寄存器遞增了表示泵I的瞬時排量需求的一個值，該排量需求按照常規方式與所要求的カ矩、壓カ或流量相關。該寄存器值如軌跡50所示。在現有技術的機器中，當寄存器達到基礎閾值52時(典型地相當於ー個工作室容積的100% )，控制器12將啟動對應的工作室的這些閥14、20以便泵送(或馬達推動)大量流體。此時，從該寄存器中減去被泵送(進行馬達推動的)的流體的體積並且在下ー個時間步以ー個更低的電平開始累積。以此方式，從ー系列的工作室啟動可以產生任何要求的流量。本發明的方法提供了一個變化的輔助性參數來修改基礎閾值52從而產生ー個如軌跡54所示的調整閾值，並且代表ー個工作室相對於其他工作室的適用性。因此，與這些將在時間t4(ー個較不適合時間)啟動工作室D的先前已知的機器相比，根據本發明和實例的機器將在ー個特別適合的時間t3(由標記56表示)啟動工作室C。該寄存器然後被遞減到ー個新電平58。中立時間セ5是反映在這些基礎閾值與調整閾值在此時是非常相似的。在t7處，由於寄存器值50超過了基礎閾值52，這些先前已知的機器將已啟動工作室G，而這是ー個特別不適合的工作室並且因此該輔助性參數將該調整的閾值提高。工作室H改為在延遲的時間t8處啟動。以此方式，本發明可以有利於或者趨於根據任何適合的輔助性參數(該輔助性參數表示它們的適用性)來避免某些工作室，以便在維持流體的相同平均通過量的同時改變排量的定時。在該流體工作機器具有在任何給定的時間都可供使用的多個工作室(例如，ー種具有多偏心件的機器具有兩個或更多個沿曲軸的長度軸向地間隔開的汽缸平面、或者ー種機器具有一個多凸出部的凸輪)的情況下，該算法在每個時間步可以對正在做出決定的那些工作室中的每ー個使用ー個不同的調整閾值，例如偏重ー個勝過另ー個。可以使用本發明將磨損或疲勞均勻地分配到泵/馬達I的這些工作室A至H上。所調整的閾值可以通過控制器從工作室上發生的歷史性磨損的ー個估算值來進行計算。這種歷史性磨損預測值可能只是工作室先前已經被使用的歷史性次數。可替代地，該算法可以通過估算或測量在工作室使用的時間上在這種具體的運行條件下所發生的磨損量來預測磨損，例如，對於在高軸速或低軸速、高壓カ或低壓力、高溫或低溫或者任何其他因素或者涉及磨損的多個因素的組合下使用的缸更多地進行加權計算或者僅將其計算在內。這種算法可以分別地算入與ー個工作室相關聯的不同部件中的磨損，例如，對於這些閥、活塞或缸中的每ー個使用不同預計測量值。由於歷史性磨損，所調整的閾值可以對ー組工作室一起進行調整。在具有兩個或更多個沿曲軸的長度軸向分隔開的汽缸平面的多偏心件的機器中，該控制器可以解決這些偏心件的磨損，並且改變與每個偏心件相關聯的所有工作室的調整閾值。在具有一個多凸出部凸輪的機器中，該控制器可以解決每個凸出部的磨損，並且改變與其臨時相關聯的每個工作室的調整閾值。雖然本發明到目前為止已經假設該基礎閾值被調節成反映多個過去的事件，但有可能並且有利的是在某些情況下，在ー個特定工作室實際上被啟動或者未被啟動的情景下，有可能用調整閾值來表示以後的情形或者建立以後的情形的模型。圖3 (a)示出了ー個凸輪環70，該凸輪環用於ー種液壓風カ渦輪機傳動系的泵，該傳動系包括ー個高カ矩的滾輪活塞泵以及ー個快速旋轉的液動馬達。在這種滾輪活塞泵中，這些滾輪(未示出)在凸輪環70上滾動並且被連接到多個活塞(也未示出)上,這些活塞隨後在缸內部循環滑動從而一起形成類似於圖1的流體工作機器中的多個工作室。當該凸輪環在方向72上旋轉時，控制器按照先前描述的方式(即，參照ー個軸位置傳感器來啟動低壓閥和高壓閥)對這些工作室的壓カ進行控制，並且因此通過作用在凸輪上的這些滾輪來控制施加的力74。一個軸承76被要求用來對抗淨力78將該凸輪環保持在位。根據現有技術的這些方法控制的機器可能容易產生如圖3(a)中所示的構形，其中在該凸輪的ー側上的許多工作室已經被啟動，但是在相反側上極少的工作室已被啟動。這產生了ー個大的淨カ78，該淨カ可能使軸承76不必要地磨損、變形或者甚至毀壞。圖3(b)示出了ー種具有本發明的益處的機器的行為，其中如果ー個工作室被啟動，預測該軸承上的淨カ的強度的一個輔助性參數調節該基礎閾值。根據本發明的一個泵，在決定啟動哪些工作室之時，對於為了滿足當前需求而有可能被啟動的每個工作室或者它們的組合而言，計算出將在下ー個工作室容積周期上產生的淨カ的波峰幅值，並且因此選擇啟動產生最小淨カ的工作室或者那些組合的室或者啟動被發現產生了落在某一閾值之下的一個淨カ的第一工作室。該淨カ可能是從該工作室的孔的尺寸和該高壓歧管的壓力、以及每個工作室的幾何形狀的位置來計算的。除了淨カ的波峰幅值外，還可以使用平均值或某些其他測量值。除了ー個工作室周期的範圍，還可以使用一個更長或更短的範圍。本發明的方法因此能夠致使該流體工作機器啟動圖3(b)中所示的這些工作室，以便在軸承76上產生ー個比圖3(a)中更小的淨カ80。圖4示出了一颱風カ渦輪發電機(WTG，100，用作動カ吸收結構)，該風カ渦輪發電機包括一個被可轉動地安裝到一個塔架104上的吊艙102，並且在其上安裝有一個輪轂106，用來支撐三個葉片108。該輪轂經由軸110 (示意性地示出)被連接到一個液壓風カ渦輪機傳動繫上，該傳動系包括一個高カ矩滾輪活塞環形凸輪泵112以及ー個快速旋轉的馬達114，它們通過高壓管線116以及低壓管線118彼此流體性地相連接。該泵和馬達優選地是屬於參照圖1所說明的類型。術語「泵」和「馬達」表示在它們在WTG中最常見運行並且不是必然地表示僅在那些模式中運行的ー種限制。高壓カ管線116和低壓カ管線118對應地連接到高壓カ端ロ 24和低壓カ端ロ 17上。馬達114被連接到一個同步的或其他的發電機或電動機120上，例如向一個電網中提供動カ或者從中接收動力。一個控制器12通過使用來自軸速度傳感器10以及來自多個傳感器122的輸入來控制至少該泵的這些閥門。這些傳感器是加速計、應變計以及相對位置傳感器，並且這些傳感器被用於將WTG的當前結構性條件(例如塔架或多個葉片中的不希望的振動、或者共振條件)傳達給該控制器。在使用中，WTG通過使用以上參照圖2說明的算法可以從本發明受益。在每個時間步上，該控制器(作為第六方面的計算機模型起作用)通過將ー個建議的工作室與該WTG泵、液壓系統、塔架以及多個葉片的已知特徵響應做卷積計算來預測該WTG的以後運動(結構性響應)。這種預測還使用了來自多個傳感器122的當前運動(結構性條件)。該運動的某些參數，例如是否超過多個測量值、或者多個測量值的相對比例被用於從該基礎閾值計算出一個輔助性參數以便產生用於每個潛在工作室的調整閾值，並且因此基於同其他エ作室相比所調整的閾值的適合性來選擇由ー個工作室排移的體積。通過這種方式，該WTG與根據現有技術控制的驅動泵的WTG相比，已經減少了結構性振動，從而允許它維持得更長久、承受更加艱難的條件、或者比先前製造得更輕並且更加成本有效。藉助於本發明，該WTG的兩個部分的運動可以被恢復為ー個令人希望的平衡條件。圖5示出了ー種滾輪活塞流體工作機器112的一部分，其中示出了包括兩個或更多區段130、132的凸輪環70、該凸輪環的ー個波形表面134驅動多個滾輪136以便周期性地驅動缸4中的一個活塞6。控制器12通過控制管線18、26主動地控制多個低壓閥14，並且任選地控制多個高壓閥20，以便對應地使該工作室與低壓歧管16和高壓歧管22流體性地相連接或相隔離。該控制器具有ー個軸位置傳感器10，用於當軸在方向138上旋轉時測量該軸的位置，並且因此獲悉這些區段邊界140。這些區段邊界典型地被安排為使得這些エ作室在一個優選的運行模式或方向中當這些滾輪滾過它們時不被加壓，即這些滾輪在它們越過這些區段邊界時一直處於空載。例如，在圖5所示的機器中，該機器在方向138上旋轉並且優選地作為ー個泵來運行，這些滾輪在相關聯的工作室的膨脹衝程上越過這些區段邊界。在使用中，該流體工作機器在至少某些時間可能被要求作為馬達來運行，例如，為了維護的目的，或者作為ー個泵在相反的方向上運行。在這種情況下，現有技術的機器將啟動多個工作室以便使得這些滾輪在負載下越過區段邊界，從而引起損壞和磨損。然而，一種採用本發明的方法的機器將使用從軸位置傳感器推導出的一個輔助性參數並且預測一個啟動的工作室是否將會致使一個加載的滾輪越過ー個區段邊界，以便選擇啟動哪個工作室，並且由此在時間上維持希望的輸出的同時避免了損壞和磨損。存在許多其他應用，它們將從本發明中獲益，其中包括在前言中列出的那些應用。
權利要求
1.一種運行流體工作機器的方法，該流體工作機器包括多個具有周期性變化容積的工作室，每個所述工作室是可運行的以便排移工作流體的一個體積，該體積對於工作室容積的每個周期而言是可選擇的，該方法包括響應於一個接收的需求信號選擇由一個或多個所述工作室在工作室容積的每個周期的過程中排移的工作流體的體積以便執行一個工作功能，其特徵為，將一個第一工作室將流體排移的適合性考慮在內來選擇由所述第一工作室在一個工作室容積的周期的過程中排移的工作流體的體積從而執行該工作功能。
2.根據權利要求1所述的運行流體工作機器的方法，該流體工作機器包括一個控制器，以及與每個工作室相關聯的至少一個閥門，該閥門是可運行的以便調節該對應的工作室到一個低壓歧管以及一個高壓歧管的連接，與每個工作室相關聯的至少一個閥門在該控制器的主動控制下是電子可控制的以便選擇在工作室容積的一個周期的過程中排移的工作流體的體積；其中該控制器接收該需求信號並且與工作室容積的多個周期成定相關係來主動地控制所述電子可控制的閥門以便響應於所接收的需求信號來選擇在工作室容積的每個周期上通過這些工作室中的一個或多個的流體排量。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的運行流體工作機器的方法，其中在工作室容積的一個單獨周期的過程中由該第一工作室排移的流體量在它適合之時是大於在它不適合之時。
4.根據以上任何一項權利要求所述的運行流體工作機器的方法，還包括將至少一個第二工作室將流體排移的相對適合性考慮在內來執行該工作功能。
5.根據權利要求4所述的運行流體工作機器的方法，其中與假如一個第二所述工作室比該第一工作室是相對地更加適合的情況相比，由該第一工作室在工作室容積的一個單獨的周期過程中排移的流體量是更大的。
6.根據權利要求4或5所述的運行流體工作機器的方法，其中每個工作室在工作室容積的每個周期上都是可運行的以便執行一個有效周期或者一個空轉周期，在這個有效周期中該室產生工作流體的一個淨排量而在這個空轉周期中該室實質上不產生工作流體的淨排量，其中，至少在某些時候，由於該第二工作室的不適合性，該第一工作室執行一個有效周期而不是一個空轉周期。
7.根據權利要求4至6中任何一項所述的運行流體工作機器的方法，其中，每個工作室在工作室容積的每個周期上是可運行的以便執行一個有效周期或者一個空轉周期，在這個有效周期中該室產生工作流體的一個淨排量而在這個空轉周期中該室實質上不產生工作流體的淨排量，其中，至少在某些時候，由於該第一工作室比該第二工作室具有更大的適合性，該第一工作室執行一個有效周期而不是一個空轉周期。
8.根據權利要求4至7中任何一項所述的運行流體工作機器的方法，其中，由所述至少一個第二工作室排移的工作流體的體積是將由所述第一工作室排移的工作流體的所選擇的體積考慮在內來進行選擇的，以此響應於所接收的需求信號來執行該工作功能。
9.根據權利要求4至8中任何一項所述的運行流體工作機器的方法，其中，該第一工作室的多個容積周期被定相為早於或者遲於該第二工作室的多個容積周期。
10.根據以上任何一項權利要求所述的運行流體工作機器的方法，其中，適合性是通過該一個或多個工作室的歷史使用量來確定的。
11.根據任何一項以上權利要求所述的運行流體工作機器的方法，其中，適合性是通過測量或預測由多個流體加壓的工作室施加在所述流體工作機器的一個旋轉軸上的淨力來確定的。
12.根據以上任何一項權利要求所述的運行流體工作機器的方法，該方法包括測量或預測一個機械部件的運動，所述運動受到所述流體工作機器的影響，並且響應於此來確定每個工作室的適合性。
13.根據以上任何一項權利要求所述的運行流體工作機器的方法，其中，在由所接收的需求信號表示的需求是充分低時，通過可供用於執行該工作功能的這些工作室中的至少一個排移的流體的所選體積對於工作室容積的至少某些周期而言實質上為零。
14.一種在多個周期上運行流體工作機器的方法，該流體工作機器包括多個具有周期性變化容積的工作室，每個所述工作室是可運行的以便在每個周期的過程中排移工作流體的一個可選擇的體積，並且該方法包括累積性地控制該多個工作室以便致使在每個周期的過程中排移的工作流體的總體積與一個整體需求功能相符合；並且根據確定每個工作室的適合性的一個適合性函數單獨地對該多個工作室進行控制。
15.一種流體工作機器，包括一個控制器以及多個具有周期性變化容積的工作室，每個所述工作室是可運行的以便排移工作流體的一個體積，該體積在工作室容積的每個周期上通過該控制器是可選擇的，該控制器是可運行的以便響應於一個接收的需求信號選擇由一個或多個所述工作室在工作室容積的每個周期上排移的工作流體的體積從而執行一個工作功能，其特徵為，該控制器是可運行的以便將一個第一工作室排移流體的適合性考慮在內來選擇由所述第一工作室在工作室容積的一個周期上排移的工作流體的體積，以此執行該工作功能。
16.電腦程式代碼，該電腦程式代碼當其在一個流體工作機器控制器上執行時根據權利要求1至14中的任一項來運行該流體工作機器。
17.一種動力吸收結構，包括至少一個機械部件並且進一步包括一個流體工作機器，該流體工作機器本身包括多個具有周期性改變容積的工作室，每個所述工作室是可運行的以便排移工作流體的一個體積，該體積對於工作室容積的每個周期而言是可選擇的，該方法包括響應於一個接收的需求信號選擇由一個或多個所述工作室在工作室容積的每個周期的過程中排移的工作流體的體積以便執行一個工作功能，該方法進一步包括測量或預測該機械部件的運動並且將在該工作功能的影響下該機械部件的所測量的或預測的運動考慮在內來選擇由一個第一工作室在工作室容積的一個周期的過程中排移的工作流體的體積。
全文摘要
本發明涉及一種運行流體工作機器的方法，其中每個周期排移的工作流體的體積是可選擇的並且其中由一個第一工作室排移的工作流體的體積將這個工作室排移流體的適合性考慮在內。本發明在另外的方面擴展到多種動力吸收結構，如包括這類流體工作機器的可再生能量裝置。本發明允許更加長久的流體工作機器以及動力吸收結構的運行。
文檔編號F04B1/06GK103038506SQ201180001501
公開日2013年4月10日 申請日期2011年2月23日 優先權日2010年2月23日
發明者S·H·索爾特, W·H·S·瑞普恩, M·R·費爾丁, N·J·卡爾德維爾, S·M·萊爾德, P·R·喬利 申請人:阿爾特彌斯智能動力有限公司