多种形式的液压系统是众多现代作业机械中不可缺少的组件。几乎所 有的拖拉机、装载机、挖掘机和其它非公路(off highway，野外)作业机 械都采用液压致动的作业机具。在通常的设计中，作业机械液压系统包括 一个或多个液压泵，该液压泵与作业机械的发动机联接并可操作以便向液 压致动器供给加压的液压流体从而调整作业机具例如铲斗或铲刀的位置。 在其它应用场合，液压致动器可以用于作业机械稳定装置，甚至用于作业 机械的转向系统。
液压系统中致动液压缸所消耗的能量由作业机械发动机或另一动力源 例如燃料电池或蓄电池提供。例如，通过向一个或多个与挖掘机或装载机 的吊臂联接的液压致动器供给液压流体可以将挖掘机或装载机的吊臂升至 高位。克服重力升起吊臂所需的能量可以由例如来自作业机械液压泵的加 压液压流体供给。当降下吊臂时，与之相反，作用在吊臂上的重力使它下 降，从而驱使液压流体从液压致动器的一侧排出。在传统设计中，从致动 器流出的液压流体通常被转移至低压排放口。当吊臂处于高位时，该系统 被认为包含势能，该势能最初以液压能的形式输入系统以升起吊臂。当吊 臂下降、液压流体被排放至低压排放口而释放液压时，存在于升起的吊臂 中的势能流失。
在更多的现代设计中，已经意识到，通过液压致动器的重力辅助外伸 或内缩而获得的加压流体可以被储存，并且随后在需要时返还至系统。在 某些设计中，液压系统连接有蓄能器，该蓄能器能储存加压的液压流体， 然后在要求时选择性地将该流体返还至系统。这些年来，工程师们提出了 多种多样的设计来回收作业机械液压系统中的液压能。在现有技术中被称 为“混合”液压系统的设计已经在节约能量和燃料经济性方面显示出优势 和潜力。在某些混合型设计中，使流体在致动器的头部侧和活塞杆侧之间 直接转移，而不是将所有从致动器一侧排出的流体送至排放口。
然而，即使最先进的混合液压系统也不是没有缺点。具体来说，在混 合和非混合液压系统中都可能发生现有技术中所谓的“排空(voiding，形 成空位)”现象。“排空”指的是当致动器外伸或内缩时液压缸的活塞杆 腔和头部腔中的一个趋向于产生没有被液压流体填充的真空或空间。“排 空”至少部分是致动器的活塞杆侧和头部侧之间流体体积差的结果。具体 来说，由于活塞杆占据了一定的流体体积，所以当流体从活塞杆侧转移至 头部侧或排放口时，致动器的活塞杆侧就会形成真空。在操作过程中，这 种真空的产生会导致液压致动器动作的延迟直到系统泵和/或蓄能器提供 所需的流体量。在某些系统中，例如，当外伸液压致动器时，头部和活塞 杆部内不相等的流体体积也可以导致液压泵本身排空。
德国汉堡科技大学的Robert Rahmfeld和Monika Ivantysynova在题 目为“Displacement Controlled Linear Actuator With Differential Cylinder-A Way To Save Primary Energy In Mobile Machines”(带有差 动液缸的排量可控的线性致动器—一种节约机动车内一次能源的方法)的 技术出版物中已经描述了一种专用于在液压系统中储存液压能的液压系 统。Rahmfeld和Ivantysynova描述了一种具有变排量双向液压泵的系统， 该变排量双向液压泵在液压缸的头部腔和活塞杆腔之间转移液压流体。蓄 能器和辅助泵与液压回路流体连接。虽然Rahmfeld和Ivantysynova的设 计具备某些优点，但是它也存在某些缺点，特别是大量来自超越负载 (overrunning load)的液压能无法储存在相对低压的蓄能器中。
本发明的目的是克服上述一个或多个问题或缺点。

在一个方面，本发明提供一种液压系统，该液压系统包括至少一个具 有第一端口和第二端口的液压缸。第一流体通道连接第一和第二端口，在 该第一流体通道内布置有作为双向液压泵的第一泵。该第一流体通道连接 有第二流体通道，在第二流体通道内且与第一泵并行地设置有第二泵。设 置蓄能器并使其与第二流体通道流体连接。
在另一个方面，本发明提供一种包括混合液压系统的作业机械，该混 合液压系统具有至少一个带有第一端口和第二端口的液压缸。一流体通道 连接第一和第二端口，在该流体通道中布置有作为双向泵的第一泵。第二 泵并行于第一泵布置，第二泵与蓄能器联接并可以选择性地在第一端口和 第一泵之间的一位置处、以及在第二端口和第一泵之间的另一位置处与所 述流体通道连接。
在又一个方面，本发明提供一种操作用于作业机械的液压系统的方法。 该方法包括以下步骤，即至少部分地通过作为双向泵的第一液压泵在液压 缸第一和第二端口之间转移液压流体。该方法还包括以下步骤，即至少部 分地通过并行于第一泵布置的第二泵在第一和第二端口中的一个与蓄能器 之间转移液压流体。
附图说明
图1是根据本发明的作业机械的概略的侧视示意图；和
图2是根据本发明的液压系统的示意图。

参照图1，其示出作业机械10，该作业机械具有作业机械机体11、作 业机具臂25或吊臂以及液压系统12。液压系统12由“混合”液压系统构 成，其中液压能可以被选择性地储存和回收，如本文所述。作业机械10 在以具有液压致动作业机具例如铲斗32的履带式挖掘机为例的情况下进 行描述。然而，应该明白的是，作业机械10仅仅是示例性的，本发明适用 于几乎任何具有至少一个液压致动器的液压系统，该液压致动器可以是液 压缸。
作业机械10还可以包括配接有输出轴17的发动机15，该发动机可以 是常规的内燃机。输出轴17的转动给第一液压泵14和第二液压泵16提供 动力。设想泵14和泵16都是过中心(overcenter)双向液压泵。利用适当 阀使流动改道，本领域技术人员会意识到，泵14和泵16中的每一个都能 保持在中心的一侧。泵14和泵16中的每一个也可以包括液压泵/马达组合， 而且每一个都具有可变排量。因此，每个泵/马达14、16可以分别被系统 12中的液压流体驱动以给轴17提供转矩，或者可以分别被轴17驱动以便 泵送流体。为清楚起见，各个泵/马达14和16在这里仅仅称为“泵”。液 压系统12也可以包括一个或多个包括有液压缸22、24和60的液压致动器。 液压系统12还可以包括用于储存液压系统12的液压能的蓄能器18，和用 于改变液压系统12的操作的某些方面的阀组件20，如本文所述。
参照图2，其示出图1的作业机械10的一部分，示出与发动机15联 接的液压系统12。液压系统12包括至少一个液压致动器，例如图1所示 的致动器22、24或60。各个液压致动器分别包括与活塞杆27以常规方式 连接的头部29，还包括用于转移流体进入和排出由活塞杆27和头部29界 定的液压腔的杆部端口26和头部端口28。第一流体通道30流体连接杆部 端口26与头部端口28，并被第一泵14分成第一部分30a和第二部分30b。 因而第一泵14被置于第一流体通道30中且可操作用以使流体在杆部端口 26和头部端口28之间沿着第一流动方向“A”和第二流动方向“B”中的 任一方向转移。如本文所述，第一泵14也可以作为马达来运行，其被端口 26和28之间流动的加压流体驱动并向轴17提供转矩。
第二泵16布置于具有第一端40a和第二端40b的第二流体通道40中。 第一端40a可以与第一流体通道30的位于头部端口28和第一泵14之间的 第二部分30b流体连接。第二端40b可以选择性地在杆部端口26和第一 泵14之间的一位置(第一部分30a)处，或者在头部端口28与第一泵14 之间的一位置(第二部分30b)处与第一通道30连接，其各自的流体连接 由阀组件20来控制，如本文所述。第二泵16可操作用以使流体在第二流 体通道40中沿着第一方向“C”或第二方向“D”中的任一方向转移。如 本文所述，第二泵16也可以作为马达来运行，其被流过第二流体通道40 的液压流体驱动。蓄能器18可以在第二泵16和阀组件20之间与第二流体 通道40流体连接。
液压系统12的某些方面通常是电子控制的。为此目的，液压系统12 可以包括电子控制器70，该电子控制器经由第一通信线71与第一泵14联 接，并经由第二通信线72与第二泵16联接。电子控制器70还可以经由另 一条通信线73与阀组件20联接。通常可以操作电子控制器70以改变例如 泵速、排量和方向的因素。还可以操作电子控制器70以控制泵14和泵16 的运行，使得泵14和泵16基本上同步，和/或相对于彼此处于相等或不同 的排量。液压系统12还可以包括经由另一条通信线75与电子控制器70 联接的杆部阀76，和经由另一条通信线74与电子控制器70联接的头部阀 78。本领域技术人员将会意识到，杆部阀76和头部阀78可以被选择性地 打开或关闭以阻止或使得流体流出各自的杆部端口26和头部端口28。如 本文所述，液压系统12可具有多种操作方案，部分地由电子控制器70通 过选择性地控制各连接以及流体流动路径和速度来进行。
第一泵14示出为经由第一轴17a与发动机15联接，同时第二泵16 示出为经由第二轴17b与第一泵14和第一轴17a联接。应该明白的是，单 个的共同的轴可以将发动机15与泵14和16连接，或者多个轴将每一个泵 与发动机15连接。此外，还应该明白，泵14和16中的一个或两个都可以 是电驱动泵，根本不必与发动机15机械联接。每一个泵14和16与发动机 15联接以及泵彼此联接的各种手段使得发动机15或一些其它动力源驱动 各自的泵的方式相当灵活，也使得泵14和16中的一个或两个可用于向发 动机15或泵彼此施加转矩的方式相当灵活，如本文所述。例如，泵14和 16中的一个可以用于驱动另一个。泵14和16中的一个或两个可以被发动 机15以第一模式驱动，并且以第二模式独立地或共同向发动机15施加转 矩。
如上所述，可操作阀组件20以选择性地使第二通道40的第二端40b 与第一通道30的第一部分30a或第二部分30b连接。阀组件20可包括至 少一个活动阀构件19，其可以是滑阀构件19，该滑阀构件具有两种与第二 通道40的不同流体连接相对应的构型或状态。滑阀构件19可以是液压机 械式致动的滑阀构件，包括承受第一流体通道30的第一部分30a的流体压 力的第一压力面21a，以及承受第一流体通道30的第二部分30b的流体压 力的第二压力面21b。基于第一流体通道30的第一部分30a和第二部分30b 的相对压力，通过让各个压力面21a和21b面对第一流体通道30的不同部 分，阀构件19可以通过液压机械调整为其构型中的一种。
阀构件19可包括用于连接第二流体通道40的第二端40b与第一通道 30的第一部分30a的第一流动路径23a，例如通道或环状孔道。阀构件19 还可包括用于连接第二流体通道40的第二端40b与第一流体通道30的第 二部分30b的第二流动路径23b，例如通道或环状孔道。作用在压力面21a 和21b上的液压压力可控制滑阀构件19的位置。在一种设想实施例中，当 流体通道30的第一部分30a中的流体压力相对低于第二部分30b中的流体 压力时，滑阀19被液压推向其中第二流动路径23b流体连接第二通道40 的第二端40b与第一通道30的第一部分30a的位置。当第一部分30a内的 流体压力相对高于第二部分30b内的流体压力时，就会产生相反的结果； 第一流动路径23a可以使第二端40b与第二部分30b连接。在一种设想实 施例中，压力面21a和21b具有不同的表面积。例如，第一压力面21a相 对小于第二压力面21b。在多数实施例中，可操作阀组件20以选择性地使 第二流体通道40的第二端40b与第一和第二部分30a和30b中压力较低 的一个连接。
虽然阀组件20在文中显示为液压机械式致动的滑阀构件，但本领域技 术人员应该明白，存在多种使得第二流体通道40可以如本文所述那样选择 性地与第一流体通道的一部分30a和30b连接的设计。例如，除了本文描 述的滑阀以外，在不背离本发明范围的情况下，可以使用布置在分支流体 通道中的单独的阀。类似地，除了液压机械式致动的阀以外，可以使用多 种电致动阀设计中的任何一种，例如，电磁致动阀、压电致动阀构件等等。
液压系统12还可包括也可是变排量泵的加料泵或补液泵54，该泵与 第二流体通道40的第二端40b联接，以便将液压流体从低压空间或贮液槽 50向液压系统12供给。溢流通道53也靠近第二端40b与第二流体通道40 连接，并且包括置于溢流通道53中的溢流阀52，在必要时该溢流阀可允 许液压系统12中过高的液压压力释放至贮液槽50。为了在蓄能器排空并 且泵16正沿着方向D泵送油的情况下能保持朝向泵16入口的流动，还可 在第二泵16和阀组件20之间布置止回阀55。
工业实用性
液压系统12可以按多种方式用于外伸和内缩其致动器22、24和60。 在示例性的作业机械10中，液压系统12可以在致动器24的杆端和头部端 之间转移液压流体，以便例如升高或降低吊臂25的外部部分。液压系统 12可用于在致动器24的杆端部和头端部之间转移流体以便翻转与其连接 的铲斗机具32。类似地，液压流体在致动器60的杆端和头部端之间被转 移以便升高或降低吊臂25。各个致动器22、24和60可以基本上相同，包 括如图2所示的杆部端口26和头部端口28。本领域技术人员会意识到， 可以利用液控或电子控制阀76和78以对操作者而言很容易的方式实现端 口26和28与液压系统12其余部分的连接。
当希望外伸致动器22、24、60时，例如可以使泵14旋转，从而在第 一通道30内转移流体。致动器22、24、60克服阻力例如重力的外伸动作 在现有技术中一般称为“外伸受阻”(extend resistive)操作。致动器22、 24、60在例如重力辅助下的外伸在现有技术中称为“外伸超限”(extend overrun)操作。
概括来说，外伸受阻操作可以利用储存在蓄能器18中的液压能向致动 器22、24、60的头部端提供至少一部分液压流体以在头部29上施加一力， 从而导致致动器22、24、60的外伸。通常的外伸受阻动作包括在挖掘操作 过程中，克服由诸如土壤或岩石等作业材料施加的阻力外伸缸22以便朝着 作业机械机体11移动铲斗32。因此，在外伸受阻模式中，发动机15使泵 14旋转以在杆部端口26和头部端口28之间泵送流体。同时，蓄能器18 经由第二通道40的第一端40a将流体供给至第一通道30的第二部分30b。 阀组件20通常处于这样的构型，使得第二通道40与第一部分30a连接， 从而通过第二流动路径23b形成流体连接。第二泵16通常沿着与第一泵 14相同的方向旋转，将流体从蓄能器18以及第一部分30a转移到第二部 分30b，并最终转移到头部端口28。轴17b在第二泵16上施加转矩使得 第二泵16旋转，这使得第二泵16主要作为泵来发挥作用。来自蓄能器18 的液压流体也可以用于导致泵16转动以便使得它能将转矩施加给泵14和 发动机15中的任一者或两者。可以使得加料泵54旋转，并且调整其排量， 以便供给任何所需的额外流体，而溢流阀52可操作用以向贮液槽50释放 任何过量的压力。由于第一通道30的第一部分30a的压力相对低于第二部 分30b的压力，所以阀组件20可以被自动地液压机械式地调整到所希望的 位置，或者如果先前已位于该希望的位置就保持在该处。
相反，外伸超限操作可以利用致动器22、24、60的杆端处的相对高压。 例如，通常的外伸超限操作包括外伸缸24以便将外臂从外伸位置降低到类 似于如图1所示那样的较低位置。换句话说，重力有助于缸的外伸。在外 伸超限模式中，第一通道30的第一部分30a内的流体压力相对高于第二部 分30b内的流体压力。因此，阀组件20被自动推至或维持在希望的位置上， 使得第一流动路径23a使第二流体通道40的第二端40b与第一通道30的 第二部分30b流体连接。因此，第二流体通道40具有其中第二流体通道 40的两端40a和40b都与第一通道30的第二部分30b连接的流体回路。 转动第一泵14以便使流体从杆部端口26向头部端口28转移。另一方面， 杆部端口26提供的相对高压可以用于转动第一泵14以便对发动机15施加 转矩。第二泵16经由来自蓄能器18的加压流体或经由第一泵14提供的转 矩被转动。当第一通道30的第二部分30b中存在过量液压时，该过量液压 可用于给蓄能器18蓄能。加料泵54可用于供给任何需要的额外液压流体， 而溢流阀52可操作用以将过量压力释放至贮液槽50。
类似地，致动器22、24、60的内缩动作包括“受阻”和“超限”模式。 理论上，这些模式至少在重力辅助内缩或重力对抗内缩动作方面与外伸受 阻和超限模式大致相似，如本文所述。在内缩受阻模式中，致动器22、24、 60的内缩将承受载荷。换句话说，在内缩受阻模式中，外力例如重力对抗 致动器22、24、60的内缩。在内缩受阻模式中，第一通道30的第一部分 30a内比第二部分30b内相对较高的液压压力可以将阀组件20调整至或保 持在这样的位置，即使得第一流动路径23a能够在第二通道40的第二端 40b和第一通道30的第二部分30b之间提供流体连通。因此，在内缩受阻 模式下系统内的流体连接与外伸超限模式下的流体连接相同。发动机15 使泵14旋转以便将流体从头部端口28向杆部端口26转移。泵16可转动 或者不转动。加料泵54可用于提供任何需要的额外液压流体，而溢流阀 52可操作用以将任何过量压力释放至贮液槽50。
在内缩超限模式中，第一通道30的第二部分30b内的压力相对高于第 一部分30a内的压力。因此，阀组件20被推至或保持在一位置，在该位置 第二流动路径23b使第二通道40的第二端40b与第一通道30的第一部分 30a流体连接。例如在头部端口28和杆部端口26之间转移的流体可以使 得第一泵14旋转，从而在发动机15上施加转矩。第二泵16也可以被转动， 从而将流体从第一通道30的第二部分30b转移到蓄能器18。
本领域技术人员应该意识到，针对图1和2中作为实施例所示的系统， 可以设计多种不同的另外的操作方案。例如，应当理解，系统中的过量液 压压力可以以多种方式有利地回收。过量或者甚至储存的液压能优选地用 于经由泵14和16中的一个或两个向发动机15施加转矩，从而直接减少燃 料消耗。类似地，过量或储存的液压能总是优选地用于给蓄能器18充分蓄 能，之后如果有(剩余液压能)的话，再向发动机15施加转矩。相对于其 它设计而言，这种方式能减少系统的总能量消耗，但是是以间接的方式进 行。
如本文所述，各个泵14、16和54具有可变排量。通过改变泵14和 16中的一个或两个的排量，可以获得另外的操作策略。通常，各个泵14 和16的排量是相同的，而且在某些实施例中可以使用相同的泵。在一种设 想实施例中，第一泵14负责在端口26和28之间转移活塞杆27的体积， 而第二泵16转移任何所需的额外流体，也就是头部容积减去杆部容积。通 过提供两个并行的独立泵，可消除与某些现有设计相关联的排空问题。具 体来说，与其试图采用能足够快地转移流体以减少排空的、相对巨大且昂 贵的泵，不如(使用)这两个较小的泵，其均可使排空最小化或消除排空， 并且大大减少硬件成本。此外，如本文所述，使用并行布置的两个泵给操 作带来极大的灵活性。
另外，本发明的双泵设计的另一个好处与蓄能器所需的容积有关。由 于液压系统12可以给致动器22、24、60的头部侧和杆部侧提供两个不同 的流体容积，所以蓄能器18的大小仅需要等于活塞杆27的体积的一半， 也就是，头部侧与杆部侧容积的差值。当致动器22、24、60完全内缩时， 例如，系统12的几乎所有液压流体(除了保留在各个通道和泵中的以外) 都存在于致动器22、24、60的杆部端和蓄能器18中。当致动器22、24、 60完全外伸时，系统12的几乎所有液压流体都存在于致动器22、24、60 的头部侧内。然而，本领域技术人员将会意识到，在许多—如果不是大部 分—实施例中，蓄能器18可以比这个最小尺寸大。这就允许更大的能量储 存容量，例如，此时液压系统12通常包括不止一个缸。
本说明仅仅出于示例的目的，不应该以任何形式被解释为缩小本发明 的范围。因而，本领域技术人员将会意识到，在不背离本发明的精神和范 围的情况下可对本发明的实施例作出多种修改。因此上述阀的构型和泵的 旋转方向等等都是意在示出针对所述操作模式的实际执行策略，但它们绝 非限制性的。例如，虽然设想阀组件20如上面具体操作方案所述经由其各 自的流动路径23a、23b提供流体连通，但是这种示例性的构型不是必需的。 利用一个或多个配有例如电子控制器的电致动器可以获得阀组件20的构 型/位置的选择性变型，从而进一步改变可用的流动模式。调整泵的排量将 会引起关于可用流动模式的更多可能性。此外，虽然设想第二泵16通常是 双向泵，但不一定如此。在其它设想的实施例中，泵16可以是单向的，并 且将使得泵16周围的流动改道的阀结合在该设计。在研究附图和所附权利 要求的基础上，(本发明)其它的方面、特征和优点会变得明显。