液压设备、液压系统和作业机械

摘要

本发明涉及一种用于液压系统(12)的液压设备(38)。所述液压设备(38)包括：腔室装置(46)，该腔室装置包括用于连接到液压系统(12)的高压侧(40)的至少一个高压腔室(48)以及用于连接到液压系统(12)的低压侧(42)的至少一个低压腔室(50)；以及可移动构件(96)，其被布置成响应于至少一个高压腔室(48)内和至少一个低压腔室(50)内的压力变化而至少部分地在腔室装置(46)内往复运动。所述腔室装置(46)还包括用于连接到液压系统(12)的罐压力侧(44)的至少一个罐腔室(52)。

说明书

技术领域

本发明涉及用于液压系统的液压设备、用于作业机械的液压系统以及作业机械。

本发明适用于工业建筑机械、材料搬运机械或建筑器械领域中的作业机械，尤其是轮式装载机和挖掘机的液压系统。尽管本发明将针对挖掘机进行描述，但是本发明不限于这种特定的机械，而是可以用在包括具有高压侧、低压侧和罐压力侧的液压系统的任何作业机械例如轮式装载机、铰接式或刚性运输机和反铲装载机中。本发明也适用于除作业机械以外的应用的液压系统，例如液压升降机的液压系统。

背景技术

液压系统应用广泛。例如，作业机械通常依靠液压系统来提供搬运负载的动力。用于作业机械的液压系统可以包括各种液压致动器，例如液压缸和旋转液压马达。液压混合动力系统可用于从液压致动器回收能量，并在以后用于降低内燃机的负荷。在回收期间，当液压致动器将油推向高压侧、例如用于在高压蓄能器中储存能量时，液压致动器需要供应加压油，以在吸入侧维持足够大的压力，从而避免气穴现象。该供应可以从包括低压蓄能器的低压侧提供。

包括专用高压侧和专用低压侧的液压系统可以被称为双压力液压系统，并且以前已知为双压力液压系统。双压力液压系统通常包括连接到高压侧的一个或多个高压蓄能器以及连接到低压侧的一个或多个低压蓄能器。与双压力液压系统相关的优点例如是改进了能量效率和可控性。然而，用于作业机械的双压力液压系统包括大量的零件，例如用于子系统的零件，因此空间通常是有限的。因此，通常难以在这种双压力液压系统中集成能量回收装置。

参考文献1公开了这样一种概念，其中泵旋转轴密封件被替换以承受升高的压力，从而摆脱环境压力罐。参考文献1:加压罐管线的紧凑和高效实施；Paloniitty,Miika；Linjama,Matti；Huova,Mikko；坦佩雷理工大学；4p.2018；白皮书；2018年11月6日。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于液压系统的液压设备，该液压设备具有简单、廉价和紧凑的设计，并且能够实现简单、廉价和紧凑的液压系统。

该目的通过根据权利要求1所述的用于液压系统的液压设备来实现。该液压设备包括：腔室装置，该腔室装置包括用于连接到液压系统的高压侧的至少一个高压腔室以及用于连接到液压系统的低压侧的至少一个低压腔室；可移动构件，该可移动构件被布置成响应于所述至少一个高压腔室内和所述至少一个低压腔室内的压力变化而至少部分地在腔室装置内进行往复运动。所述腔室装置还包括用于连接到液压系统的罐压力侧的所述至少一个罐腔室。

在所述腔室装置中提供所述至少一个罐腔室使得能够从液压系统中移除常规的罐。因此，所述液压系统可以被制造得更简单、更便宜和更紧凑。

所述液压设备的至少一个低压腔室进一步消除了液压系统中对低压蓄能器的需要。通过该液压设备，可以实现高压侧和低压侧的液压流体的加压，而不需要弹簧或密封的充气(如在常规的低压蓄能器中那样)。从液压系统中移除一个或多个低压蓄能器和相关联的安全阀简化了液压设备并降低了成本。

根据本发明的液压设备构成了具有三个不同压力水平的三级罐。由于可移动构件被布置成响应于高压腔室和/或低压腔室中的压力变化而往复运动，所以液压设备可以被称为提供自加压蓄能器或自举蓄能器(bootstrap accumulator)。

高压高于低压。低压高于罐压力。所述高压侧、低压侧和罐压力侧的压力不限于任何特定的压力值。准确地说，术语“高压”、“低压”和“罐压力”表示这些压力水平不同，低压高于罐压力，但低于高压。高压侧、低压侧和罐压力侧的压力水平或压力水平范围根据每种配置进行选择。在液压系统的操作期间，高压侧、低压侧和罐压力侧的压力水平可能会变化。例如，在液压系统的操作期间，高压可以在200-350巴之间变化，低压可以在15-30巴之间变化，并且罐压力可以在1-5巴之间变化。

所述高压侧可被称为被布置成在第一压力水平下产生和接收容积流量的液压动力源，并且所述低压侧可被称为被布置成在低于第一压力水平的第二压力水平下产生和接收容积流量的液压动力源。所述罐压力可能高于大气压力。所述罐压力例如可以是2巴±10％。

暴露于所述至少一个高压腔室的可移动构件的总区域可以称为高压区。暴露于所述至少一个低压腔室的可移动构件的总区域可以称为低压区。在液压设备中，低压区大于高压区，高压区与低压区的比率提供了压力倍增效应。因此，液压设备包括不同尺寸的有效区。因此，低压侧的液压流体可以经由可移动构件被高压侧的液压流体加压，反之亦然。

所述至少一个罐腔室可以例如集成在该腔室装置中。这进一步简化了液压设备的制造。所述腔室装置可以是缸装置。

所述液压设备可以包括一个或若干个高压腔室、一个或若干个低压腔室和一个或若干个罐腔室。每个高压腔室、每个低压腔室和每个罐腔室可以具有圆形或非圆形横截面。根据一个示例，所述至少一个罐腔室包围所述至少一个高压腔室。

可移动构件可以界定所述至少一个高压腔室中的每一个和所述至少一个低压腔室中的每一个。当高压侧的压力增加时，可移动构件朝向所述至少一个低压腔室移动。相对应地，当低压侧的压力增加时，可移动构件朝向所述至少一个高压腔室移动。因此，可移动构件被布置成响应于所述至少一个高压腔室和所述至少一个低压腔室中的压力变化而来回移动。因此，可以通过该液压设备维持或基本维持高压与低压之间的预定关系。

根据一个实施例，所述至少一个罐腔室被配置成将空气与大气连通。为此，所述液压设备可以包括一个或多个阀，这些阀被布置成打开和关闭所述至少一个罐腔室与大气之间的流体连通路径。所述一个或多个阀可以主动或被动操作。

根据一个实施例，所述至少一个罐腔室通气到大气。所述至少一个罐腔室可以被配置成当罐压力与大气压力之间的差超过1巴时自动通气到大气。为此，所述液压设备可以例如包括一个或多个差压阀。

根据一个实施例，所述液压设备包括壳体，并且其中所述至少一个高压腔室、所述至少一个低压腔室和所述至少一个罐腔室设置在壳体内。通过在公共壳体内设置所述至少一个高压腔室、所述至少一个低压腔室和所述至少一个罐腔室，提供了特别紧凑的液压设备。壳体可以例如由缸构成。

根据一个实施例，所述至少一个罐腔室由壳体的壁限定。因此，壳体内的空间被高效地利用，并且液压设备变得紧凑。

根据一个实施例，所述至少一个高压腔室和/或所述至少一个低压腔室由壳体的壁限定。因此，壳体内的空间被高效地利用，并且液压设备变得紧凑。

根据一个实施例，液压设备还包括用于连接到高压侧的至少一个高压液压能量储存设备，其中所述至少一个高压液压能量储层设备布置在所述至少一个罐腔室中的一个内或所述至少一个低压腔室中的一个内。所述至少一个高压液压能量储存设备可以是液压蓄能器，例如液压气动蓄能器。

根据一个实施例，腔室装置包括第一缸和第二缸。所述第一缸和第二缸中的每一个都可以具有圆形横截面或非圆形横截面，例如多边形横截面。

根据一个实施例，所述至少一个罐腔室设置在第一缸和/或第二缸内。这有助于液压设备的紧凑和简单的设计。

根据一个实施例，第一缸比第二缸具有更大的内部横截面积。

根据一个实施例，第二缸布置在第一缸内。

根据一个实施例，可移动构件包括两个活塞。每个活塞可以例如具有圆形或多边形形状。

根据一个实施例，第一活塞布置成在第一缸内往复运动，其中第二活塞布置成在第二缸内往复运动，并且第二活塞界定所述至少一个高压腔室中的一个。

根据一个实施例，活塞中的至少一个界定所述至少一个罐腔室中的一个。

本发明还涉及一种用于作业机械的液压系统。液压系统包括：高压侧；低压侧；罐压力侧；和根据本发明的液压设备。所述至少一个高压腔室连接到高压侧，所述至少一个低压腔室连接到低压侧，并且所述至少一个罐腔室连接到罐压力侧。在液压系统操作期间，高压高于低压，低压高于罐压力。高压侧和低压侧可以布置在共压轨架构中。高压侧可以包括高压轨，并且低压侧可以包括低压轨。

根据一个实施例，可移动构件包括所述至少一个高压腔室中的高压区和所述至少一个低压腔室中的低压区，并且其中在液压系统操作中高压区与低压区之间的比基本上对应于或对应于高压侧与低压侧之间的压力比。在液压系统的操作中，高压侧的液压流体作用在可移动构件的至少一侧上，并且低压侧的液压流体作用在可移动构件的至少一侧上。

基于可移动构件的高压区与低压区之间的比率，实现了压力倍增效应，其提供了流体加压，而不需要弹簧(除了用于罐腔室的可选弹簧)或密封的充气。如果在液压设备的操作期间罐腔室被加压，则高压区与低压区之间的比可能不完全对应于高压侧与低压侧之间的压力比。

根据一个实施例，液压系统还包括连接在低压侧与高压侧之间的主泵。所述主泵可以由作为泵和马达操作的液压机械构成。

根据一个实施例，液压系统还包括连接在罐压力侧与高压侧和低压侧中的一个之间的辅助泵。辅助泵可用于液压系统的启动程序，在启动程序期间，辅助泵对高压侧或低压侧加压。然后，高压侧和低压侧中的另一个将通过液压设备加压。主泵和辅助泵可以由公共驱动轴驱动。作为替代或补充，辅助泵可以具有固定的排量。

本发明还涉及一种包括该液压系统的作业机械。作业机械例如可以是挖掘机、轮式装载机、铰接式或刚性运输机或反铲装载机。

本发明的其它优点和有利特征在以下描述和从属权利要求中公开。

附图说明

参考附图，以下是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。

在附图中：

图1是根据本发明的作业机械的示意图，该作业机械包括液压系统，

图2是根据本发明实施例的液压系统的框图，该液压系统包括根据本发明实施例的液压设备，

图3是图2中液压设备的示意图，

图4是根据本发明另一实施例的液压设备的示意图，

图5是根据本发明另一实施例的液压设备的示意图，

图6是根据本发明另一实施例的液压设备的示意图，以及

图7是根据本发明另一实施例的液压设备的示意图。

具体实施例

在下文中，将描述用于液压系统的液压设备、用于作业机械的液压系统以及包括液压系统的作业机械。相同的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。

图1是根据本发明的作业机械10的示意图。所述作业机械10包括根据本发明的液压系统12。

在图1中，所述作业机械10被示例为挖掘机。所述作业机械10包括上部回转结构14、下部行进结构16和作业设备18。所述作业机械10还包括位于所述上部回转结构14中的驾驶室20以及位于所述上部回转结构14与下部行进结构16之间的回转马达22。所述下部行进结构16包括行进设备24，这里示例为两个履带行走设备(在图1中仅可见一个)。

所述作业设备18包括动臂26、斗杆28和铲斗30。所述作业设备18还包括两个动臂缸32(在图1中仅可见一个)、斗杆缸34和铲斗缸36。所述动臂缸32在所述上部回转结构14与动臂26之间操作。所述斗杆缸34在所述动臂26与斗杆28之间操作。所述铲斗缸36在所述斗杆28与铲斗30之间操作。

图2是根据本发明实施例的图1中的液压系统12的框图。所述液压系统12包括根据本发明实施例的液压设备38。所述液压系统12还包括高压侧40、低压侧42和罐压力侧44。

在图2的示例中，所述高压侧40和低压侧42被布置在共压轨(CPR)架构中。所述高压侧40包括高压轨，所述低压侧42包括低压轨。所述高压侧40和低压侧42可替代地分别被称为高压回路和低压回路。所述高压侧40和低压侧42形成双压力系统，该双压力系统包括处于不同压力水平的两个充注回路(高压侧40和低压侧42)。

在所述液压系统12的操作期间，所述低压侧42中的压力低于所述高压侧40中的压力，并且高于所述罐压力侧44中的压力。这三个压力水平可以在所述液压系统12操作期间有所变化，同时所述高压侧40中的压力高于所述低压侧42中的压力，并且所述低压侧42中的压力高于所述罐压力侧44中的压力。

在所述液压系统12操作期间，所述高压侧40中的高压可以例如在200-350巴之间变化。在所述液压系统12操作期间，所述低压侧42中的低压可以例如在15-30巴之间变化。在所述液压系统12的操作过程中，所述罐压力侧44中的罐压力可以例如在1-5巴之间变化。

所述液压设备38包括腔室装置46。所述液压设备38的腔室装置46包括高压腔室48、低压腔室50和罐腔室52。所述罐腔室52被集成在所述液压设备38中。

所述液压设备38还包括通向所述高压腔室48的高压连接件54。所述液压系统12包括被连接在所述高压连接件54与高压侧40之间的高压管线56。所述液压设备38还包括通向所述低压腔室50的低压连接件58。所述液压系统12包括被连接在所述低压连接件58与低压侧42之间的低压管线60。所述液压设备38还包括通向所述罐腔室52的罐吸入连接件62。所述液压系统12还包括位于被连接到所述罐吸入连接件62的罐压力侧44中的吸入管线64。

除了图1所示的回转马达22之外，所述液压系统12还包括两个行进马达66和一个风扇马达68。所述液压系统12还包括风扇70，所述风扇70被布置成由所述风扇马达68驱动。所述回转马达22被布置成相对于所述下部行进结构16来旋转所述上部回转结构14。所述行进马达66被布置成驱动下部行进结构16的相应履带行走设备。如图2所示，所述动臂缸32、斗杆缸34、铲斗缸36、风扇马达68、回转马达22和行进马达66中的每一个被连接到所述高压侧40和低压侧42。

所述液压系统12还包括高压液压能量储存设备72。所述高压液压能量储存设备72被连接到高压侧40。在图2中，所述高压液压能量储存设备72被例示为蓄能器。所述高压液压能量储存设备72被配置为从/向高压侧40存储/释放液压能量。所述高压侧的大压力变化范围通过所述高压液压能量储存设备72而便于存储和释放液压能量。

所述液压系统12还包括主泵74。所述主泵74被布置成由所述作业机械10的内燃机76驱动。在图1中，所述主泵74的高压端口78被连接到所述高压侧40，所述主泵74的低压端口80被连接到所述低压侧42。因此所述主泵74被连接在所述高压侧40与低压侧42之间。所述主泵74在此例示为既作为泵又作为马达操作的液压机。

所述液压系统12还包括辅助泵82。在图1的示例中，所述辅助泵82的吸入侧84被连接到所述罐压力侧44的吸入管线64，并且所述辅助泵82的排放侧86被连接到所述高压侧40。因此，该示例的辅助泵82被连接在所述罐压力侧44与高压侧40之间。然而可替代地，所述辅助泵82被连接在所述罐压力侧44与低压侧42之间。所述辅助泵82被配置成将流体从所述罐压力侧44泵回高压侧40(或泵回低压侧42)。

该示例的辅助泵82是固定排量泵。此外，所述主泵74和辅助泵82连接到由所述内燃机76驱动的公共驱动轴88。

所述液压设备38还包括通向所述罐腔室52的罐返回连接件90。所述液压系统12还包括返回管线92。所述返回管线92被布置成接收来自所述主泵74和辅助泵82中的每一个的泄漏流体。所述泄漏流体被引导通过返回管线92，并通过所述罐返回连接件90被排放到所述罐腔室52中。

阀(未示出)可以设置在辅助泵82的下游。通过该阀，可以在启动程序之后停止从所述辅助泵82到高压侧40(或到低压侧42)的流动。

所述液压设备38还包括通气开口94。所述通气开口94被配置成在所述罐腔室52与周围大气之间提供空气连通。阀(未示出)可以设置在通气开口94中，并且可以布置成被动地或主动地打开和关闭所述罐腔室52与大气之间的流体连通路径。通过所述通气开口94中的阀，所述罐腔室52可以被配置成当罐腔室52中的压力与大气之间的压力差超过阈值、例如1巴时，自动将空气排放到大气。

在所述液压系统12的一些操作状态下，可以可选地关闭所述高压管线56与高压连接件54之间、所述低压管线60与低压连接件58之间和/或所述吸入管线64与罐吸入连接件62之间的连接件。因此，所述液压设备38的腔室装置46包括用于连接到高压侧40的高压腔室48、用于连接到低压侧42的低压腔室50和用于连接到罐压力侧44的罐腔室52。由此所述液压设备38构成以三种不同的压力水平操作的三级罐。

所述液压设备38还包括可移动构件96。所述可移动构件96被布置成响应于所述高压腔室48和低压腔室50内的压力变化而至少部分地在所述腔室装置46内往复运动。

在图2的示例中，所述液压设备38包括壳体98。所述壳体98在此例示为缸。所述高压腔室48、低压腔室50和罐腔室52被设置在所述壳体98内。所述低压腔室50和罐腔室52中的每一个都由所述壳体98的壁限定。从图2可以获悉，所述液压设备38具有特别紧凑的设计。

所述可移动构件96被布置成响应于所述高压腔室48和低压腔室50内的压力变化而在所述腔室装置46内和所述壳体98内完全往复运动。因此所述液压设备38可以说构成了自加压蓄能器或自举蓄能器。

例如，当所述高压侧40中的压力增加和/或所述低压侧42中的压力降低时，所述可移动构件96朝向所述低压腔室50移动(图2中向上)。当所述高压侧40中的压力降低和/或所述低压侧42中的压力增加时，所述可移动构件96朝向所述高压腔室48移动(图2中向下)。由此所述液压设备38用于维持或基本维持所述高压侧40与低压侧42之间的预定压差。

在启动期间，所述辅助泵82将对所述高压侧40快速加压。借助于所述液压设备38，所述低压侧42也将由此被快速加压。这样，所述液压系统12可以说被“预张紧”。作为替代，所述辅助泵82的排放口可以连接到低压侧42，使得所述高压侧40经由所述液压设备38被加压，并且所述液压系统12被快速预张紧。一旦所述液压系统12被预张紧，主泵74就可以开始其操作。

在图2中，所述可移动构件96暴露于所述低压腔室50的区域大于所述可移动构件96暴露于高压腔室48的区域。所述可移动构件96暴露于所述高压腔室48的区域构成高压区，所述可移动构件96暴露于所述低压腔室50的区域构成低压区。所述高压区与低压区之间的比率提供了倍增效应或压力比。所述罐腔室52和罐压力侧44中相对较小的罐压力可以例如通过弹簧(未示出)来实现。所述高压侧40与低压侧42之间的压力比可能由于罐腔室52中的压力而发生稍微偏移。在图2中的示例中，所述罐腔室52中的压力和高压腔室48中的压力两者都在一个方向(图2中向上)上作用于可移动构件96，所述低压腔室50中的压力在相反方向(图2中向下)上作用于可移动构件96。因此，在图2的示例中，高压区与低压区之间的比基本上但不是完全地对应于高压侧40与低压侧42中的压力之间的比。

图3是图2中液压设备38的示意图。如图3所示，该示例的可移动构件96包括活塞杆100。所述可移动构件96还包括位于所述活塞杆100相反两侧处的第一活塞102和第二活塞104。所述第一活塞102面向并界定所述低压腔室50，所述第二活塞104面向并界定所述高压腔室48。在该示例中，所述第一活塞102和第二活塞104中的每一个均具有圆形形状。

所述液压设备38还包括第一缸106和第二缸108。所述第一活塞102被布置成在所述第一缸106内往复运动，并且所述第二活塞104被布置成在所述第二缸108内往复运动。

所述第二缸108被布置在第一缸106内。所述第一缸106和第二缸108中的每一个都具有均匀的圆形横截面。所述第一缸106具有比第二缸108更大的内部横截面。在该示例中，所述第一缸106也构成所述液压设备38的壳体98。

在图3中，所述罐腔室52围绕第二缸108。所述罐腔室52设置在所述第一缸106(在这种情况下是壳体98)内。所述罐腔室52由所述第一缸106、第二缸108和第一活塞102限定。所述高压腔室48形成在所述第二缸108内，并由所述第二活塞104限定。所述罐腔室52完全围绕所述高压腔室48。所述低压腔室50由第一缸106(在这种情况下是壳体98)和第一活塞102限定。借助于所述第一活塞102和第二活塞104，所述可移动构件96分别界定所述低压腔室50和高压腔室48。

图4是根据本发明另一实施例的液压设备38的示意图。将描述相对于图3中的实施例的主要差异。在图4中，所述第一缸106和第二缸108并排布置。所述液压设备38包括位于第一缸106和第二缸108之间的分隔壁110。所述活塞杆100延伸穿过分隔壁110。

在图4中，所述低压腔室50和罐腔室52形成在第一缸106中，并由第一活塞102限定。所述低压腔室50和高压腔室48形成在第二缸108中，并由第二活塞104限定。因此，图2中的液压设备38包括两个低压腔室50。

所述液压设备38还包括形成在所述活塞杆100中的连通通道112。所述连通通道112在形成于第一缸106中的低压腔室50与形成于第二缸108中的低压腔室50之间建立流体连通。

所述液压设备38还包括形成在所述第一活塞102中的止回阀114。所述止回阀114允许流体从所述罐腔室52流向第一缸106中的低压腔室50，但是阻止流体从所述第一缸106中的低压腔室50流向罐腔室52。

在图4中，所述第一缸106中的低压腔室50由第一缸106、壳体98、分隔壁110和第一活塞102限定。所述罐腔室52由第一缸106、壳体98和第一活塞102限定。所述第二缸108中的低压腔室50由第二缸108、壳体98和第二活塞104限定。所述高压腔室48由第二缸108、壳体98、分隔壁110和第二活塞104限定。

图5是根据本发明另一实施例的液压设备38的示意图。将描述相对于图4中的实施例的主要差异。图5中的液压设备38不包括第一缸106与第二缸108之间的任何分隔壁。相反，在所述第一缸106与第二缸108中的第一活塞102与第二活塞104之间形成连续的罐腔室52。所述低压腔室50形成位于所述第一活塞102的一侧上的第一缸106中。所述高压腔室48形成位于所述第二活塞104的一侧上的第二缸108中。同样在图5中，高压腔室48、低压腔室50和罐腔室52中的每一个都由壳体98的壁限定。

图6是根据本发明另一实施例的液压设备38的示意图。将描述相对于图3中的实施例的主要差异。在图6中，所述第一缸106和第二缸108设置在壳体98内。由此，在所述壳体98与第一缸106之间形成空间。同样在图6中，所述壳体98由所述缸构成。所述罐腔室52由所述壳体98、第一缸106和第二缸108限定。

图7是根据本发明另一实施例的液压设备38的示意图。将描述相对于图6中的实施例的主要差异。在图7中，高压液压能量储存设备72设置在罐腔室52内。因此，所述高压液压能量储存设备72、高压腔室48、低压腔室50和罐腔室52设置在公共壳体98中。还可以提供液压歧管(未示出)来选择性地在高压连接件54、高压腔室48和高压液压能量储存设备72之间分配液压流体流。作为替代，所述高压液压能量储存设备72可以集成在低压腔室50中，而不是集成在罐腔室52中。

应当理解，本发明不限于上述和附图所示的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求的范围内可以进行许多改变和修改。