具有涡轮的液压设备的制作方法

1.本发明涉及液压设备，更具体地，涉及能够回收通常在装置中耗散的至少一部分液压能量的液压设备。


背景技术：

2.液压设备用于在液压装置中供应加压的操作流体(典型地是油)，该液压装置适于使用操作流体的能量来使机械构件运动或执行其它功能。
3.这些液压设备例如存在于提升机中，其中负载(例如空中平台)的提升和降低经常借助于从泵接收加压的油的液压千斤顶来获得。
4.为了调节用于提升负载的速度，在这种类型的应用中，通常在泵的输送口和液压千斤顶的入口之间插置可调节的节流阀，该节流阀允许根据需要调节到达液压千斤顶的加压的油的流量。
5.然而，未到达液压千斤顶的油量通常转向并再次排入到罐中，这基本上耗散泵最初使用的所有能量而增加其压力。
6.由于节流阀耗散的一部分相当大的能量转化为热量，导致有时油温逐渐升高到极高的值，从而使这种类型的液压回路的能量效率进一步恶化。
7.因此，对油进行冷却通常需要使用复杂的冷却系统，该冷却系统除了使液压设备复杂化外，还通常包括适于产生强制气流的风扇，从而进一步产生能量耗散。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明的目的是通过简化、合理且相对廉价的解决方案来克服或至少减轻现有技术中的上述缺点。
9.这些和其它目的通过本发明的特征来实现，这些特征在独立权利要求1中概述。从属权利要求概述了本发明的优选和/或特别有利的方面。
10.具体地，本发明的实施例提供一种液压设备，包括：
11.‑
液压装置，
12.‑
泵，其适于向液压装置泵送操作液体，
13.‑
可调节的节流阀，
14.‑
第一液压线路，其适于将泵的输送口与节流阀的入口连接，
15.‑
第二液压线路，其适于将节流阀的出口与液压装置连接，以及
16.‑
液压涡轮，
17.其中，液压涡轮包括：
18.‑
叶轮，
19.‑
多个叶片，其固定到叶轮；以及
20.‑
至少一个喷嘴，其适于接收来自第一液压线路的操作液体并且将该操作液体加压分配到叶轮的叶片。
21.由于该解决方案，当致动节流阀时，例如以便调节供应到液压装置的操作液体的流量时，来自泵的操作液体的残余流量有利地用于驱动涡轮的叶轮旋转(而不是如在现有技术中发生的那样直接排放)，而不完全耗散操作液体的液压能，而是至少部分地将其转化为可有效地用于其它目的的机械能，因此显著地增加了装置的总体能量效率。
22.例如，涡轮的叶轮可以与适于将叶轮的机械能转换为电能的发电机运动地连接。
23.以这种方式，从液压回路回收的能量可有利地用于任何电气装置的供电。
24.例如，如果泵由电动机致动，则发电机产生的电能可用于为上述电动机供电。
25.由发电机产生的电能也可以容易地存储在例如电蓄能器中，以便在关于发电期间的后续期间使用。
26.根据本发明的另一个方面，涡轮的叶轮可以与泵运动地连接，以向该泵提供其操作所需的至少一部分机械能。
27.例如，可以提供用于将涡轮的叶轮与泵的旋转致动构件(例如，与旋转泵的转子、或者活塞泵或齿轮泵的驱动轴(例如曲轴或凸轮轴))连接的机械传动系统，使得由涡轮产生的扭矩直接用于驱动泵。
28.在一些实施例中，涡轮的叶轮可以与适于冷却操作液体的风扇运动地连接。
29.由于该解决方案，使用涡轮回收的能量可有利地用于降低在液压设备中循环的操作液体的温度，使得在任何情况下指定用于该目的的冷却系统都是多余的或更少的耗散。
30.根据本发明的优选的方面，液压涡轮可以是培尔顿涡轮。
31.事实上，这种类型的涡轮的优点是保证在由喷嘴分配的操作液体的压力和流量的相当大的间隔内具有令人满意的性能，因此使其特别适合于这种类型的应用。
32.根据本发明的另一方面，喷嘴可以包括：
33.‑
外壳，其限定内部容积，
34.‑
操作入口，其设于外壳中并且适于使内部容积与第一液压线路连通，
35.‑
出口，其设于外壳中并且适于朝向涡轮的叶片分配包含在内部容积中的操作液体，
36.‑
闸门体，其容纳在内部容积中，并在用于关闭出口的位置和用于打开出口的位置之间可移动，以及
37.‑
控制装置，其适于将闸门体保持在关闭位置，以及适于当横跨节流阀或第一液压线路和第二液压线路之间的压差超过预设的阈值时，将闸门体移动到打开位置。
38.由于该解决方案，只要节流阀是完全打开的，横跨节流阀的压降是最小的，并且整个操作液体可以流向液压装置。
39.另一方面，当节流阀分离时，例如为了减小供给到液压装置的操作液体的流量，横跨节流阀的压差增大，并且涡轮的喷嘴可以打开，从而允许未到达液压装置的液压液体以冲击叶轮的叶片的喷射形式排放，从而驱动叶轮旋转。
40.总体来说，控制装置可以包括允许执行上述功能的任何电动、机械或液压系统或它们的组合。
41.优选地，控制装置包括至少一个适于将闸门体推向关闭位置的弹簧。
42.由于该解决方案，能够以极其简化的方式有效地将闸门体保持在关闭位置。
43.从这种状态出发，本发明的一个优选的方面是，闸门体朝向打开位置的移动可以
以完全液压的方式进行。
44.例如，控制装置还可以包括：
45.‑
驱动入口，其设于喷嘴的外壳中并与第二液压线路连通，以及
46.‑
柱塞，其适于将喷嘴的外壳的内部容积划分为两个分离的腔室，包括与操作入口和出口连通的第一腔室以及与驱动入口连通的第二腔室，
47.其中，闸门体容纳在第一腔室内，并且闸门体整体地固定到柱塞。
48.由于该方案，柱塞在一侧受到第一液压线路的压力，在另一侧受到第二液压线路的压力。
49.因此，当这两个压力之间的差最小时(节流阀打开)，弹簧的作用能够有效地将闸门体保持在关闭位置。反之，当压降增加(限流阀分离)时，第一腔室中的操作液体的压力能够自动移动柱塞，将闸门体移动到打开位置。
50.然而，不能排除的是，在其它实施例中，闸门体朝向打开位置的移动可以以机电方式发生，例如通过适于使闸门体与弹簧相对地移动的电致动器(例如螺线管)发生。
51.该电致动器可以例如由电控制单元控制，该电控制单元可以连接到适于检测横跨节流阀的压降的传感器装置，并且该电控制单元配置成当测量的压降超过预设阈值时致动电致动器。
52.根据本发明的另一方面，该装置可以包括罐，该罐与泵的吸入口液压连通，并且适于接收由喷嘴分配到涡轮的叶片的操作液体。
53.由于该解决方案，在极高效和合理的闭路操作中，在液压设备中有效地回收和再利用用于致动涡轮的操作液体。
54.根据本发明的另一方面，液压装置可以是液压千斤顶，例如双作用或单作用液压千斤顶。
55.具体地，该液压千斤顶可属于提升机，其用于在竖直方向上移动适于接收和维持待提升的负载的机械构件，例如指定用于提升货物和/或人的空中平台。
56.实际上，在这种类型的应用中，经常出现需要调节供给到液压千斤顶的操作流体的流量的情况，因此强烈需要提高为此目的指定的液压设备的能效。
57.然而，不能排除的是，在其它实施例中，液压装置可以是任何其它需要由加压的操作流体供应以便能够操作的装置，例如作为非限制性示例的液压马达。
附图说明
58.参考附图中所示的附图，通过阅读由以下非限制性实施例提供的描述，本发明的进一步的特征和优点将是清楚的。
59.图1是根据本发明实施例的液压设备的示意图。
60.图2是图1的放大细节，其中涡轮示出为横截面以更好地示出其特性。
61.图3至图5示出了图2所示喷嘴在三个不同操作位置的细节。
具体实施方式
62.附图示出用于液压装置105致动的液压设备100。
63.液压装置105可以是需要供给加压的操作流体(典型地为油)以便能够操作的任何
装置。
64.具体地，液压装置105可以是适于将操作液体的能量转换为机械能(例如，使液压装置105的机械构件移位)的任何装置。
65.在所示的示例中，液压装置105是液压千斤顶，该液压千斤顶总体上包括气缸110和适于在气缸110内滑动的柱塞115。
66.柱塞115可包括杆120，杆120伸出到气缸110的外部，并且杆120可连接到需要在移动中致动(利用由于柱塞115相对于气缸110的滑动而引起的液压千斤顶的整体伸展和缩回)的任何机械构件。
67.例如，液压千斤顶可用于提升机中，以使适于承载待提升的负载的机械构件竖直地移动，所述机械构件例如为用于提升人员和/或货物的变幅臂(luffing boom)或空中平台。
68.为了允许液压千斤顶的伸展和缩回，柱塞115可以将气缸110的内部容积划分为两个单独的腔室，包括第一腔室125和第二腔室130。
69.以这种方式，通过在第一腔室125中供应加压的操作液体并且通过将第二腔室130与排放罐135连通，可以使得液压千斤顶的伸展，相反，可以通过将第一腔室125与排放罐135连通并且通过在第二腔室130中供应加压的操作液体来获得液压千斤顶的缩回。
70.虽然所示的液压千斤顶是所谓的双作用液压千斤顶，但不能排除的是，在其它实施例中，液压千斤顶可以是单作用液压千斤顶，其中加压的操作液体仅供应在两个腔室中的一个腔室(例如第一腔室125)中，以便仅在一个方向(例如在伸展方向)上引起柱塞115的移动。
71.在第二种情况下，柱塞115在相反方向(例如在缩回方向)上的返回可以在已经将前述腔室与排放罐135连通之后由于弹性力(例如借助于容纳在缸体110的腔室中的另一个腔室中(例如在第二腔室130中)的弹簧)，和/或由于外力(例如由于作用在柱塞115上的负载的重量)获得。
72.其他实施例可以提供不是液压千斤顶但例如可以是液压马达或其他装置的液压装置105。
73.为了向液压装置105供应操作液体，液压设备100可以包括液压泵140。
74.液压泵140可以是任何类型的，例如旋转泵、或活塞泵、或齿轮泵。
75.在任何情况下，液压泵140总体上包括进入口145、输送口150和机械泵送构件(例如，叶轮或往复泵)，该机械泵送构件通过输入轴155的旋转而致动，并适于将操作液体从进入口145泵送至输送口150。
76.输入轴155可以由马达160(例如内燃机)驱动旋转，更优选地由电动机驱动旋转。
77.液压泵140的进入口145与用于储存操作液体的罐165液压连接，该罐165可以与排放罐135重合，或者至少与排放罐135液压连接。
78.替代地，输送口150与待供应的液压装置105液压连接。
79.在输送口150和液压装置105之间可插置节流阀170，该节流阀170能够被致动以调节(改变)提供给穿过其的操作液体的通流区段，以便调节(改变)到达液压装置105的操作液体的流量。
80.如果液压装置105是液压千斤顶，则操作流体流量的调节例如允许调节柱塞115的
滑动速度。
81.节流阀170总体上包括入口175、出口180和至少一个分流构件(其本身并未示出)，该分流构件可在各种位置被致动，该分流构件对应于用于从入口175朝向出口180流动的操作液体的通流区段的各种尺寸。
82.分离构件的致动可以是手动的或自动的，例如可以通过连接到控制装置的电致动器获得。
83.节流阀170的入口175通过第一液压线路185连接到液压泵140的输出口150，而节流阀170的出口180通过第二液压线路190连接到液压装置105。
84.示意性液压线路总体上用于指示适于液压连接液压设备100的两个装置以使得操作流体可以从一个装置流到另一装置的一个管道或一组管道。
85.液压线路可以仅包括管道，使得操作液体总是迫使在两个装置之间流动，或者液压线路可以设置有中间液压部件(例如阀或其他附件)，这些中间液压部件可以例如通过完全或部分地转移操作液体来可能适合于切断两个装置之间的液压连接，只要这些部件具有允许前述液压连接的至少一个操作构造即可。
86.鉴于此，第一液压线路185可包括最大压力阀192，当第一液压线路185内的压力超过预设的最大阈值时，该最大压力阀192适于在来自液压泵140(储存罐165中)的操作流体到达节流阀170之前使该操作流体转向。
87.最大压力阀192可以例如包括入口195、出口200和阀构件(其本身并未示出)。入口195在液压线路140的输送口150和节流阀170的入口175之间的中间点处并且连接到第一液压线路185，出口200连接到储存罐165，所述阀构件可在关闭配置和打开配置之间移动，在关闭配置中阀构件关闭入口195和出口200之间的液压连接，相反在打开配置中，阀构件打开所述连接。
88.例如，可以通过弹簧将阀构件保持在关闭位置，并且可以通过第一液压线路185中的操作液体的压力将阀构件移动到打开位置，该压力可以在与弹簧的作用相反的方向上作用在阀构件上。
89.以这种方式，当第一液压线路185中的操作液体的压力超过由弹簧的负载设定的最大值时，阀构件自动地移动到打开位置。
90.关于第二液压线路190，其可例如包括四路液压分配器205，该四路液压分配器205包括：与节流阀170的出口180液压连接的第一通路210、与排放罐135液压连接的第二通路215、与液压千斤顶的第一腔室125液压连接的第三通路220、以及与液压千斤顶的第二腔室130液压连接的第四通路225。
91.液压分配器205还可以包括可以在三个操作配置中受控的阀构件。
92.在第一操作配置中(通过将图1的液压分配器理想地向右平移而获得)，阀构件可适于将第一通路210设置成与第三通路220连通，将第二通路215设置成与第四通路225连通，以便使第二腔室130排放，并使操作液体供应到液压千斤顶的第一腔室125中，从而导致液压千斤顶的伸展。
93.在第二操作配置中(图1所示)，阀构件可适于设置成所有通路彼此连通，使得第一通路210、第三通路220和第四通路225都与第二通路215连通，并因此与排放罐135连通。
94.在第三操作配置中(通过将图1的液压分配器理想地向左平移而获得)，阀构件可
适于将第一通路210设置成与第四通路225连通，将第二通路215设置成与第三通路220，以便使第一腔室125排放，并将操作液体供应到液压千斤顶的第二腔室130中，从而导致液压千斤顶的缩回。
95.阀构件在这三个操作配置之间的移动可以是手动的或自动的，例如借助于可以连接到控制装置的电致动器。
96.可以沿着将液压分配器205的第三通路220连接到液压千斤顶的第一腔室125的液压管道设置安全阀230，该安全阀230适于限制柱塞115在缩回方向上移动的速度。
97.当在伸展方向上使用液压千斤顶以提升负载并且在缩回方向上降低所述负载时，该安全阀230是特别有用的。
98.实际上，在这种情况下，负载的重量将同时倾向于使液压千斤顶缩回，因此下降速度相对于供应在第二腔室130中的操作液体的流量将不受控制地且独立地增加。
99.安全阀230(其本身是已知的和常规的)的存在性防止了这种情况的发生。
100.液压设备100还包括液压涡轮250，该液压涡轮250适于回收将由节流阀170耗散的操作液体的至少一部分能量。
101.如图2所示，液压涡轮250总体上包括：适于围绕预设旋转轴线绕其自身旋转的叶轮255、固定在叶轮255上的多个叶片260、以及至少一个喷嘴265，该喷嘴265适于接收来自第一液压线路185的操作液体，并将该操作液体加压分配到叶轮255的叶片260上，以便驱动叶轮255旋转。
102.具体地，叶片260可沿着叶轮255的外周缘以相对于叶轮255的旋转轴线的周向或径向的方式分布，并且喷嘴265可定向成产生操作液体射流(为了冲击叶片260)，该操作液体射流沿着相对于叶轮255的外周缘的大致切线方向分配。
103.例如，涡轮250可以是培尔顿(pelton)涡轮，其特别的特征在于实现了喷射到叶轮255的叶片260的操作液体的宽谱压力值和流量的良好性能。
104.喷嘴265可固定在防护件270上，该防护件适于容纳叶轮255，并且设有排放管道275，该排放管道275可与储存罐165液压连接(见图1)，以允许操作液体在其被喷射到叶轮255的叶片260上之后流出。
105.特别参考图3，涡轮250的喷嘴265可包括外壳280，例如，外壳280形成为圆柱形筒，其限定内部容积。
106.在外壳280上(例如在其侧壁上)可设置操作入口285，该操作入口285与内部容积连通并且与第一液压线路185液压连接，例如与第一液压线路185的位于液压泵140的输送口150和节流阀170的入口175之间(优选地位于节流阀170的入口175和最大压力阀192的入口195(如果存在的话)之间)的部分液压连接。
107.此外，外壳280例如在其轴向端部设有出口290，该出口290也与内部容积连通，并且被指定为允许来自操作入口285的操作液体的流出，操作液体以喷射的形式分配给叶轮255的叶片260。
108.在外壳280内部，喷嘴265还包括闸门体295，该闸门体295可在用于关闭出口290的位置和用于打开出口290的位置之间移动，例如在平行于外壳280的轴线和/或与外壳280的轴线重合的方向上滑动。
109.特别地，当闸门体295处于关闭位置时(参见图5)，它完全堵塞出口290，从而防止
操作液体流出。
110.相反，当闸门体295处于打开位置时(见图3)，出口290是空的和打开的，因此允许将操作液体射流输送到外部。
111.在这两个极端位置之间，闸门体295占据部分打开位置，如图4所示。
112.闸门体295在关闭位置和打开位置之间的移动可以基于横跨节流阀170的压降，或者基于第一液压线路185中的操作液体的压力(例如在入口175处)与第二液压线路190中的操作液体的压力(优选在液压分配器205(如果存在)的上游，例如在节流阀170的出口180处)之间的差来控制。
113.更具体地，喷嘴265的闸门体295可与控制装置相关联，该控制装置适于将闸门体295保持在关闭位置，直到横跨节流阀170的压降低于预设阈值，并在所述压降超过所述阈值时将闸门体295从一个打开位置移至另一打开位置。
114.严格地作为示例，阈值可以例如包括在5巴和15巴之间，例如大约等于10巴。
115.闸门体295的控制装置可以是任何类型的，例如电
‑
机械式的、电
‑
液压式的、或液压
‑
机械式的。
116.在附图所示的实施例中，控制装置包括弹簧300和致动系统，弹簧300适于持续性地将闸门体295推向关闭位置，致动系统适于当横跨节流阀170的压降超过阈值时克服弹簧300的力，使闸门体295向打开位置移动。
117.该致动系统可包括柱塞305，该柱塞305容纳在喷嘴265的外壳280中，在该处柱塞305可例如在与外壳280的纵向轴线平行和/或重合的方向上滑动。
118.该柱塞30适合于将外壳280的内部容积划分为两个不同的和分开的腔室(可以通过插置合适的密封元件)，包括第一腔室310和第二腔室315。
119.操作液体的操作入口285和出口290都终止于第一腔室310中。
120.驱动入口320终止于第二腔室315中，该驱动入口320与第二液压线路190液压连接，优选地与第二液压线路的布置在液压分配器205(如果存在)的上游(例如在节流阀170的出口180处)的区段连接。
121.驱动入口320可以非常小，以使喷嘴265的打开和关闭平顺。
122.闸门体295容纳在第一腔室310中，并且例如借助于刚性连接杆刚性地固定到柱塞305。
123.闸门体295、柱塞305和可能的刚性连接杆可以由单个本体制成。
124.弹簧300容纳在第二腔室315中或容纳在这样的位置处：在沿减小第一腔室310的体积的方向推动柱塞305，并因此将闸门体295压靠在喷嘴265的出口290。
125.由于该解决方案，只要第一腔室310和第二腔室315之间的压差(其对应于横跨节流阀170的压降)不足以克服弹簧300的力，闸门体295就保持在关闭位置。
126.相反，当上述压差在柱塞305上产生超过弹簧300的力的力时，闸门体295自动地移动到打开位置。
127.这允许严格地以液压
‑
机械方式实现喷嘴265的自动致动，其中导致闸门体295打开的压降的阈值由通过弹簧300施加的载荷(可能是可调节的)确定。
128.然而，不可排除的是，在其它实施例中，柱塞305的移动可以借助于电致动器来获得，例如借助于螺线管致动器来获得，该螺线管致动器适于被供电以选择性地产生适于克
服弹簧300的力的电动力。
129.这种螺线管致动器可以由连接到一个或多个传感器的电子控制单元控制，所述传感器适于检测横跨节流阀170的压降，并且电子控制单元配置成仅当这种压降超过预设阈值时才供应螺线管致动器。
130.在任何情况下，液压设备100的操作可详细总结如下。
131.当液压泵140运行时，操作液体从储存罐165中抽出并且流过节流阀170被加压输送到液压装置105。
132.如果节流阀170完全打开，则横跨节流阀170的压降为零或至少是最小的，因此不足以打开喷嘴265。
133.因此，由液压泵140泵送的全部操作液体流向液压装置105。
134.当节流阀170分离时，例如以减小供应到液压装置105的操作流体的流量，横跨节流阀170的压降增加，直到导致喷嘴265的自动打开。
135.以这种方式，未到达液压装置的一部分操作液体通过喷嘴265以高压射流的形式分配，该高压射流冲击涡轮250的叶片260，从而驱动叶轮255旋转，并因此将操作液体的液压能转换为机械能。
136.这种回收的机械能可用于几种不同的目的。
137.例如，在附图所示的实施例中，涡轮250的叶轮255可以与液压泵140运动地连接，以便向其提供其运行所需的一部分机械能。
138.特别地，通过合适的机械传动系统350，叶轮255可以与液压泵140的输入轴155运动地连接，以便能够将机械扭矩直接从一者传递到另一者。
139.该运动连接可以配置成作用在马达160上串联的输入轴155上，使得马达160和涡轮250可以(优选地同时)对液压泵140的动作作出贡献。
140.优选地，机械传动系统350可包括至少一个自由轮，该自由轮适于将扭矩从涡轮250的转子255传递到液压泵140的输入轴155，但在相反方向上是空转的。
141.这样，由马达160产生的转矩不能传递给叶轮255，而只能传递给液压泵140。
142.在其他实施例中，涡轮250的叶轮255可以例如借助于合适的机械传动系统与适于将转子255的机械能转换为电能的发电机(未示出)运动地连接。
143.由此产生的电能可立即用于供给与发电机连接的任何电气装置，例如但不限于致动液压泵140的马达160(如果是电的)。
144.额外地或者可替代地，由发电机产生的电能可以存储在例如与发电机连接的专用电储能器(电池)中，以便随后用于这些或其他目的。
145.在另外的实施例中，涡轮250的叶轮255可以与至少一个风扇运动地连接，风扇适于冷却操作液体，例如包含在存储罐165中的操作液体。
146.基本上，叶轮255的旋转可以被传递到上述风扇，该风扇因此能够产生强制气流，该强制气流接触储存罐165的外表面，或者操作液体流过的任何其他装置(例如，设置在液压设备100中的任何管道或可能的合适的热交换器)，风扇将允许有效地耗散由操作液体累积的热量。
147.总之，应当注意，尽管在所示示例中节流阀170和液压分配器205是分离的，但在一些实施例中，节流阀170可以直接整合在液压分配器205中。
148.换句话说，液压分配器205可以配置成使得它可以借助于其受控的排量来分流指向液压分配器105(也用作节流阀)的操作液体的流量。
149.显然，在这种情况下，控制闸门体295的压降将是横跨液压分配器205的(表述“横跨”用于指示分配器205之前和之后)。
150.显然，在不脱离本发明所要求保护的范围的情况下，本领域技术人员可以对上述液压设备100进行许多技术/应用修改。