用于在操作机器中回收能量的液压装置和方法与流程

用于在操作机器中回收能量的液压装置和方法
1.技术领域
1.本发明涉及液压致动系统领域。
2.此外，该系统是自适应类型。
3.对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明的教导也应用于气动系统。
4.在本说明书中，术语“液压”在所有方面可以被认为是术语“油压”的同义词。
5.众所周知，液压(或气动)致动系统通常也被用于提升和降低相当大且可变的实体的操作重量。
6.本发明中所描述的系统能够积累可以从降低操作重量中可回收的能量的相关部分，然后使其可用于下一个用于提升阶段的致动系统。还有，在操作重量改变时，借助于操作压力值的自适应，操作压力值根据工作负载本身的变化随时间改变。
7.能量的积累和返回分别借助于固定量的气体在蓄能器(有利地是油压气动类型)内的压缩和膨胀进行，蓄能器的操作压力本身适配于控制工作负载的降低和提升的液压致动器的油的当前压力。因此，在不改变油压气动蓄能器内部存在的气体量的情况下，仅改变其体积。
8.本发明的一个典型应用领域是用于提升的液压起重机、液压挖掘机以及任何其他液压操作的用于提升的机器之一，其中，操作顺序可以包括工作负载的提升和降低的频繁操作，工作负载可以从操作变化到操作，例如，众所周知，挖掘机的吊杆能够垂直操作可变重量的铲斗，或者设置有液压控制的大型拆除剪切机。
9.此外，本发明的其他典型应用是在保守类型的能量领域内操作的致动系统，例如在大质量可变类型的加速和减速，例如在挖掘机的吊杆摆动的情况下。
2.

背景技术：

10.在液压致动系统领域内，在没有能量回收设备的情况下，众所周知，在工作负载的降低操作期间，控制的液压阀允许从负责提升和降低的液压致动器流出的油流的控制排放。
11.加压油通过由于工作负载的力来操作，工作负载在挖掘机的情况下基本上由吊杆的重量和提升的负载的重量组成。
12.由于工作负载可以在相同机器中从所提升的负载变化到所提升的负载，或者从机器变化到机器，这取决于所承载的工具或所提升的重量，加压油的压力也相应地改变。
13.油流(oil flow)的控制是用于提升操作的控制的关键因素，特别是降低操作的控制的关键因素，并且通常在降低期间，这样的控制操作基本上通过油的层压来进行，油的层压由降低控制阀内部的提升缸推动。
14.在油返回机器油箱之前，层压将油的压力从由缸设定的值减小到油箱的值，即相对压力等于零。因此，从缸中流出的油的所有能量转化为热量并且然后损失。
15.换句话说，提升工作负载花费的所有能量都降级为油的热量，并且因此不仅变得不可用，而且随之需要进一步的能量来冷却油本身。在其他更发达的系统中，已经尝试回收
至少一部分能量。
16.实际上，在存在能量回收设备的情况下，连接到工作负载的降低并且等于势能的变化的理论能量的一部分能够通过压缩蓄能器中的弹性装置部分地存储在蓄能器中，该蓄能器能够全部或部分地返回所存储的能量。
17.弹性装置可以是例如与液压缸相关联的机械弹簧、或者气体蓄能器、或者能够存储能量的任何其他设备。
18.当前使用的能量回收系统的主要缺点在于，由蓄能器可回收的能量的量取决于蓄能器本身可以接收的从液压回路排出的能量，换句话说，其取决于提升缸的油的压力实际上能够足够高于在能量本身的全部回收阶段期间在蓄能器内部产生的压力的事实。
19.因此，必须理解，如果在降低阶段期间蓄能器内部的压力应该增大到高于缸内部的油的压力，则不再可能积累，反之亦然，如果在降低操作期间蓄能器内部的压力保持远低于缸内部的压力，则所回收的能量将导致低于可回收能量的最大值，因为用于积累油的给定体积的所回收的能量无论如何都与积累压力成比例，积累压力如已经所说的低于提升缸内部的操作压力。
20.由于缸内部的油的压力在降低阶段期间可以由于不同的原因改变，在这些原因中，降低设备的可变几何构造，但最重要的是工作负载的值(足够薄使得挖掘机的吊杆可以根据操作本身来承载非常不同重量的工具)，根据现有技术，不可能根据降低期间缸的油的压力来优化蓄能器内部的压力。
21.因此，根据现有技术，为了避免可能发生所描述两种情况中的第一种情况，这将需要停止或无论如何缺乏对降低操作的控制，优选地减小蓄能器内部的压力范围，随之是可回收能量的减少。
22.这种限制可以危害使用这种能量回收系统的便利性，除非特别微调并且不时地在降低操作的最开始时对蓄能器的压力进行微调。然而，根据已知领域的技术，这种微调实际上是不可行的，因为它将要求改变弹簧的预紧力，或者相应地改变充气量，在任何工作机器的工作期间操作绝对是不切实际的。事实上，操作将要求连同工作设备一起具有压力高于最大工作压力的加压气体源，以便将气体传递到蓄能器，在与实际需要相比压力过大的情况下，无论何时蓄能器中的实际压力将低于当前必需的压力，气体应该明显地释放到大气中，并且因此损失。除此之外，一旦工作负载增加，则需要将气体重新引入蓄能器中。
23.换句话说，蓄能器将是压缩气体的单向消耗装置，这将使应用变得不切实际。
3.

技术实现要素：

24.因此，本发明的主要目的是提供一种用于根据工作负载的当前值对蓄能器内部的初始压力进行自动调整的装置和方法，该蓄能器优选但并非必须是油压气动类型。
25.这种自动调整或者蓄能器内部的压力的调整，允许在降低工作负载的操作期间可用的能量的最大回收，在工作负载将因此改变为所考虑的操作机器的改变的操作状态的情况下也是如此。
26.顺便说一下，在能效曲线下，用于提升和降低工作负载的各种操作机器都可以利用本发明。
4.附图说明
27.为了更好地理解本发明，以下结合附图对本发明的一些优选实施方式进行描述，以作为非限制性实例：
28.1.图1示出将本发明的主要目的装置应用于操作机器(图示为挖掘机)的第一实施方式；并且
29.2.图2示出本发明的主要目的装置的第二实施方式。
5.具体实施方式
30.为了描述和解释本发明的目的，即使不是必须并且在该发现的有效性没有任何限制的情况下，本发明将参考液压挖掘机领域。类似地，可以参考不同的构造来体现和实施这种液压能自适应回收的创新方法。
31.在具有1的图1中，在其复合体中已经示出设置有吊杆11的挖掘机，吊杆的第一端枢转地连接到挖掘机本身的主框架上。吊杆11在其另一端承载所谓的提升负载，该提升负载可以是铲斗，或者在图1所示的情况下，重量可以达10吨的液压剪切机，并且根据负载循环，它可能需要具有完全不同重量的设备来替换它。
32.吊杆11通过一个或多个液压缸12控制其位置。
33.所使用的工具(铲斗、液压剪切机等)的整体重量加上吊杆的重量的一部分(该部分不直接放置在挖掘机框架上而是放置在致动缸上)来形成所谓的“工作负载”111。
34.根据当前的实践，工作负载111的提升是通过将由电动泵加压的油供应到液压缸12的下腔室来进行的。
35.然而，工作负载111的降低通过控制油流出适当的降低阀来进行，在该降低阀内部，油的压力从由工作负载111产生的值下降到油箱的值，图1中未示出，该值基本上相当于大气压。
36.油的这种压力减小通过使油在该降低控制阀内部层压穿过非常窄的孔口中的通道来进行，随之相对能量的总损失基本上对应于从高位置降低到低位置工作负载111的势能的变化。
37.从能量的观点来看，这种能量降级为热量，这也引起热量管理和耗散的问题。
38.在数学术语中，w是工作负载111的重量，分别将工作负载111的在高位置和低位置的重心高度命名为h1和h2，提升中必须花费的能量为wx(h2-h1)。
39.如我们在本说明书的介绍部分中所说的，对于没有设置有能量回收系统的机器，这种能量实际上在降低阶段期间全部损失，然而，根据现有技术，在设置有能量回收系统的机器中，这种能量很少被回收。
40.提升和降低操作通常在起重机器中非常频繁，并且特别是在本说明书考虑的类型中，其中，这种操作在机器的总负载循环中代表能量消耗的普遍原因。由于工作负载的提升和降低操作在具有相同的工作负载和相同的高度差的保守的力场内进行，因此在降低期间潜在可回收的能量理论上相当于用于进一步提升必需的能量。
41.本发明描述了一种装置和一种方法，该装置和方法通过在降低阶段期间积累和回收而不是损失可用的能量的相关比率以及能量在下一次提升操作期间的返回来接近这种状况。
42.以这种方式，在降低期间，用于每个完整循环的机器必须消耗的能量不再是总提升能量，而是最后能量与借助于本发明回收的提升能量之间的差。
43.仅为了解释本发明的理论原理的目的，将总是参考图1，其中，引入了对液压自适应装置100的第一致动形式。
44.在图1所示的实施方式中，液压装置100包括辅助液压起重器(jack)13、油压气动蓄能器14以及用于控制该油压气动蓄能器14的控制阀15。
45.如在下文中将更好地解释，特定实施方式包括将辅助液压起重器13整体形成在液压致动器12内部。
46.辅助液压起重器13也被用于提升和降低吊杆11，并且与吊杆一起提升和降低工作负载111。
47.这种辅助液压起重器13设置有下腔室132和操作杆131(图1)。
48.蓄能器14在一个第一端处设置有第一滑动活塞141，并且在另一端处设置有第二滑动活塞142。
49.限定在两个活塞141、142之间的腔室143填充有给定量的惰性预压缩气体，例如氮气，同时蓄能器的分别处于活塞142和141外部的体积145和144分别连接到辅助液压起重器13的腔室132和控制阀15，控制阀可以向蓄能器14的腔室144供应油或排出油，其目的是根据与实际工作负载111相关的预设压力目标来调节腔室143中气体的初始压力po，如下文将更好地解释。
50.根据本发明，在图1所示的第一实施方式中，工作负载可以在液压致动器12与辅助液压起重器13之间分开，以这种方式在工作负载111的降低操作期间，辅助液压起重器13将体积vh的油泵入腔室145中，随之腔室143内部的气体从压力po压缩到压力ph，以存储等于vh x(ph-po)的能量，压力po是降低操作开始时的压力。理想地，为了回收利用降低可用的最大能量w x(h2-hl)，辅助液压起重器13应该占据工作负载111的总量，并且ph应该等于平衡工作负载111的压力。
51.对于辅助液压起重器13和蓄能器14的给定尺寸，如果由于某些原因工作负载111应该改变，例如在将图1中所示的吊杆11所承载的工具替换成较轻的工具的情况下，则po也应该相应地减小，使得范围无论如何都在最大可能的压力下从缸13接收体积vh。
52.以这种方式能够避免以下缺点：ph可以导致高于工作负载111的平衡压力，并且然后在这种情况下无法完成降低操作。
53.反之亦然，在将图1中所示的吊杆11所承载的工具替换成较重的工具的情况下，则po也应该因此增加，以使操作压力ph最大化并且连同操作压力一起使可回收能量vh x(ph-po)最大化，并且因此，以使在下一次提升操作期间由液压泵(未示出)供应的能量最小化。
54.为了使在降低阶段蓄能器14中积累的能量最大化，如先前所看到的，一种系统能够调整蓄能器14的腔室143内部的惰性气体的量，但如先前所看到的，这将是昂贵的、庞大的并且因此绝对不可行的。
55.相反，根据本发明，蓄能器14的腔室143内部的气体量保持恒定，同时借助于腔室144内的油的体积的调节通过改变气体的初始体积vo来自动地将操作压力po调整到工作负载111。
56.因此，辅助起重器13的腔室132中的操作压力值被用作输入信号，以借助于第一控
制管线150(图1)来控制控制阀15。
57.在降低阶段的最开始，第一压力p1(液压缸12的下腔室中的压力，由工作负载的实际值产生)，以及第二压力po(液压缸13的杆处于其外部位置中的腔室132和143的实际压力)是众所周知的。
58.通过电子单元170(图1)的适当的传感器(未示出)来监测两个压力，用于控制控制阀15。此外，控制阀15，方便地是比例式类型，是液压回路的一部分，该液压回路包括液压机动泵(未示出)，并且以便分别将少量体积的油输送到腔室144或者从腔室144排出少量体积的油。
59.对于给定的p1值，在吊杆降低开始时，压力po低于在工作负载111完全降低时产生计算的最终压力ph，而p1将仍然非常高，电子单元170激活控制阀15，以便将足够量的油输送到腔室144，以在吊杆完全降低时确保腔室144中的最终压力ph足够高以使压力p1足够低或接近于零。
60.反之亦然，还对于给定值的p1，如果压力po高于工作负载111的完全降低产生的计算最终压力ph，以使p1等于零或负值，则电子单元170激活控制阀15，为了从腔室144排出足够量的油，以在吊杆11降低结束时确保腔室144中的最终压力ph充分地减小并且不使压力p1为零。
61.显然，p1和po的读数在降低操作的最开始原则上确定腔室144中充油的调整，并且利用该调整确定压力po。
62.在下一次提升时，腔室143中的油的压力通过腔室132作用在辅助起重器13上，并且从值ph朝向值po逐渐减小，只要所述起重器延伸，并且达到最终值，无论如何为正，该最终值取决于辅助起重器的提升行程。
63.提升和降低的操作由缸12正向控制，而起重器13遵循操作以在降低期间积累能量速率，并且在提升期间使其返回。速率越高，能量回收越有效。
64.显然，无论何时提升将比刚刚下降的时间要长得多，起重器将供应比之前降低期间积累的能量更高的能量，并且反之亦然。以这种方式，在不干扰腔室143中的惰性气体的量的情况下腔室144的体积被调整并且po被调整。
65.由于负责提升和降低负载的操作机器(例如所描述的挖掘机1)在动态条件下操作，因此将降低能量的积累提升超过一定极限是不方便的，因为，不同地，工作负载的加速度将导致减小，特别是接近到达平衡压力。
66.因此，由于机器的动力和生产力的原因，能量回收不是整体进行的，从而为控制留下更多的操作裕度。
67.如上文所说的，同样出于实用和制造原因，辅助液压起重器13可以方便地(即使不是必须地)整体形成在液压缸12内部，如下文所解释的。
68.总之，本发明的原理是在降低工作负载111的操作期间在油压气动蓄能器14内积累加压油量，其特征为固定量的惰性气体，并且在开始积累之前，根据工作负载111的变化，即根据提升缸12内部的油的压力的变化，来自动地调整油压气动蓄能器14的预充压力po，以这种方式积累通过降低工作负载111可用的最大液压能。这在积累阶段期间使液压蓄能器的平均压力最大化。
69.油压气动蓄能器14的预充压力po的调整是借助于使用控制阀15通过改变腔室143
中可用于气体的体积、通过改变腔室144的油的体积获得的，该油的体积是通过从该腔室添加或减去油获得的。
70.有利地，用于调整压力po的导频信号(pilot signal)也能够是液压缸12内部的操作压力pi，操作压力在最后的提升操作期间借助于第二控制线160(图1)读取。
71.初始压力的自动调整根据标准来进行，以在不将降低速度减慢到操作最佳的值以下的情况下允许工作负载111的完全降低。
72.如前文所说的，方便地但不是必须地，根据本发明的第二实施形式的液压设备1000的至少一部分(图2)可以整体形成在液压缸12内部。
73.特别地，根据图2的第二实施方式所示，辅助起重器13可以整体形成在液压缸12内部。
74.因此，现在参考图2，液压缸12的杆121是中空的，并且活塞1212是中空的，活塞具有纵向孔，体现为柱形腔室1211，柱形腔室1211在下方朝向腔室122敞开，并且柱形腔室1211在上方借助于管道1215连接到蓄能器14的腔室145。
75.在柱形腔室1211内部放置有活塞1213，活塞的轴向位置借助于杆1214固定在杆121的延伸部中和返回部中，杆1214永久地连接到液压缸12的腔室122的底部1221。在活塞1213与柱形腔室1211的顶部之间包括油的体积vp。
76.在工作负载111的降低阶段期间，杆121和活塞1212进入腔室122内部。
77.因此，体积vp减小并且其中包含的油被泵入到蓄能器14的腔室145中，由此将腔室143的气体从初始压力po压缩到压力ph，并且因此积累基本上等于所泵入体积与增加的泵入压力数学相乘结果的能量。
78.在提升阶段期间，杆121在由液压系统(未示出)产生的提升控制的压力p1的作用下延伸到气缸12外部，因此由于蓄能器中包含并且加压的惰性气体的压力，体积vp也在从蓄能器的腔室145返回的油的压力的作用下增大。体积vp在腔室1211内部压力的作用下的增加将积累的能量返回到系统。
79.蓄能器的许多其他实施方式是可能的，例如具有隔膜或膜的类型，或者图1中所示的蓄能器的简化版本，其中，腔室145接收来自腔室132和来自控制阀15的油，无论如何，如在最后的提升操作中检测的，并且在不改变可压缩气体的量的情况下，控制阀连同所描述的实例一起共享通过相对于提升缸的工作压力引入的一定体积的油来改变内部的惰性气体的初始压力的原理。
80.本发明的主要优点在于以下事实：在不损害机器的功能性和生产率的情况下，基于节能优化得出，在降低给定工作负载期间所积累的能量与提升工作负载所必需的总能量之间的比率。
81.本发明的解决方案目标在工作负载111改变时自动更新这种优化。
82.对于机器的能量回收和快速响应两者而言，积累的能量与用于提升操作所花费的总能量之间的比率被认为最佳的是大约包括在0.65与0.75之间的值。