[0002] 本申请主张2009年9月10日提交的美国在先申请第12/557,119号的权益，包括
说明书、
附图、
权利要求和
摘要，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
[0003] 本
发明涉及用于挖掘机的液压系统，尤其涉及此类液压系统中所使用的多个泵的控制。
背景技术
[0004] 大型挖掘机，例如
挖土机，具有在其上安装有挖掘机
驾驶室的
履带式
牵引车驾驶室。吊杆通过能够使其上下移动的枢轴关节连接至驾驶室。吊杆具有远端，悬臂的一端枢轴连接至该远端，且铲斗枢轴附接至悬臂的另一端，铲斗自身也具有一远端。铲斗可以是蛤盒式的，具有像蚌壳那样打开和闭合的两部分。吊杆、悬臂和铲斗通过以缸和
活塞组件形式的单独的液压
致动器彼此相对移动。
[0005] 大型挖掘机具有带有多个泵的液压系统，可以基于致动器的
液压液体需求选择性地启动多个泵。当停用时，还在继续运行的固定
排量泵通过打开一
阀门将泵的输出流量直接输送至储液器来液压地″卸载″泵。可选择地，通过使可变排量泵减少行程来停止可变排量泵。然而，通过这些停止方法，泵仍然造成了寄生损失，因为即使当卸载时，泵仍被原动
力驱动。
[0006] 多泵系统还通常以固定的顺序启动和停止泵，使得在维持液压液体时，一个泵总是被利用着，当液压液体需求上升时，泵还是按照相同顺序被启动。类似地，当需求降低时，按照相反的顺序停用泵。因此，各个泵承受了不同的使用量且因而需要以不同的间隔进行维护和替换。
[0007] 某些类型的挖掘机，诸如用于采矿操作中的挖掘机，是每天24小时连续运行的，因而必须要中断运行才能进行维护。因此，期望将挖掘机停机维修的次数降到最低。
发明内容
[0008] 液压系统包括向液压致动器提供承压液体的多个泵。多个泵通过测量多个泵中的每个泵已经被使用的量的方法进行控制。例如，可以通过测量泵运行的时间量或通过测量泵执行的工作总量来确定给定泵的使用量。当泵通过
电动机驱动时，例如从施加到电动机的
电压和
电流推导出泵的工作量。
[0009] 确定用以运行液压致动器的液体需求且选择性地启动多个泵中的若干泵以供给足够的液体来满足此需求。按照从具有最低使用量的泵到具有最大使用量的泵的顺序选择性地启动泵。该启动倾向于运行被使用最少的泵，使得所有泵将具有近似相同的使用量且倾向于需要在大约相同时间维护和替换。
[0010] 本发明的另一个方面涉及具有向多个液压致动器提供承压液体的多个泵的液压系统。通过此系统，为每个泵生成的一个表示该泵已被使用的量的使用值。对多个液压致动器中的每一个来说，根据多个泵的使用值为每一个液压致动器分配一个泵。具有较低使用值的泵被分配给工作量较多的液压致动器，以便均衡每一个泵的使用。对液压致动器的泵的分配改变了多个泵的使用值。当运行多个液压致动器中的给定液压致动器时，液压液体被从所分配的泵输送至给定液压致动器。
附图说明
[0011] 图1是结合本发明的挖掘机的侧视图；
[0012] 图2是用于挖掘机的具有通过电动机驱动的多个泵的液压系统的示意图；
[0013] 图3是通过图2中的监管
控制器执行的用以测量液压系统中的电动机和泵的磨损的
软件程序的
流程图；
[0014] 图4是通过监管控制器执行的用以改变对多个液压致动器的不同泵的分配的软件程序；以及
[0015] 图5和6是两张表格，描述了对挖掘机上液压功能的不同的泵的分配。
具体实施方式
[0016] 先参考图1，挖掘机，诸如前动力挖掘机10，具有用于沿着地面移动挖掘机的履带组件12。驾驶室14以枢轴方式安装到履带式牵引车上，以便向左和向右旋转。吊杆16以枢轴方式安装到驾驶室14的前方且可以通过以第一双向
液压缸活塞组件形式的吊杆液压致动器22升高或降低。悬臂18以枢轴方式附接至吊杆16的远离驾驶室14的末端且可以通过以第二双向液压缸活塞组件形式的悬臂液压致动器23相对于吊杆枢轴转动。悬臂18的远离吊杆的远端被附接至诸如铲斗20的作业工具，铲斗20从驾驶室14面朝前方，因而此类型的挖掘机被称为前动力挖掘机。铲斗20通过以第三双向液压缸活塞组件形式的转斗液压致动器(curl hydraulic actuator)24围绕悬臂18的末端枢转或″卷起″。铲斗20由可以通过
夹钳液压致动器25(图2)像蚌壳一样打开和闭合的两部分构成。两个铲斗部分在挖掘操作期间被保持闭合在一起，当需要将材料倾倒入
卡车中或倾倒到堆上时被分开。
[0017] 参考图2，用于运行动力挖掘机的液压系统30包括将液体从储液器或罐71中抽出的一组四个泵31、32、33和34。每一个泵31、32、33和34具有连接至单独的主供给管45、46、47和48的供给出口。来自第一泵31的供给出口的承压液体被输送到第一主供给管45中，第二泵32输送到第二主供给管46、第三泵33输送到第三主供给管47以及第四泵34输送到第四主供给管48。泵31-34具有固定的排量，使得被泵送的液体的量与泵被驱动的速度直接成正比。四个泵31、32、33和34中的每一个分别由单独的电动机41、42、43和44驱动。各个电动机41、42、43和44由变速
驱动器57、58、59和60运转，变速驱动器改变施加到各个电动机的交流电流的
频率以便以期望的速度运行电动机。可以采用若干众所周知的变速驱动器中的任一种，诸如在美国
专利第4,263，535号中所描述的一种，其说明书通过引用结合于此。每一组泵、电动机与变速驱动器构成一驱动器-电动机-泵组件(DMP)26、
27、28和29。应理解，采用本发明的液压系统可以具有更多或较少数目的DMP。
[0018] 正如众所周知的那样，每个泵31-34具有泵体
排液管(case drain)，从泵
泄漏的液体通过泵体排液管液体流入到储液器71。那些泵体排液管中的每一个通过连接至各自的变速驱动器57、58、59和60的单独的流量计35、36、37和38连接至储液器
回流管72。单独的
温度传感器61、62、63和64分别被安装到电动机41、42、43和44中的每一个上，以感测温度并将
信号送回至相关联的变速驱动器57、58、59和60。因此，除了控制相关联的电动机的速度外，每个变速驱动器还收集有关电动机温度和泵排放流量的数据。
[0019] DMP26、27、28和29，尤其是变速驱动器57、58、59和60，通过监管控制器50控制，监管控制器50是基于微型计算机的设备，响应来自动力挖掘机的操作员给出的
控制信号和其他信号以控制液压致动器22、23、24和25按照期望的方式运行挖掘机。这些信号通过常规控制网络51被监管控制器50接收。监管控制器通过确定每个泵31、32、33和34所需生成的液压液体的量来响应那些信号并相应地控制电动机41、42、43和44以本领域众所周知的方式驱动各自的泵。
[0020] 四个主供给管45、46、47和48汇入到分配
歧管52，分配歧管52选择性地将液体流从每个泵引导至四个液压致动器22、23、24和25中的不同液压致动器。具体而言，歧管52具有第一致动器供给管66，用于将液体输送给用于吊杆液压致动器22的第一电磁
控制阀80。第一控制阀80是三位
四通阀，其将液体从第一致动器供给管66引导至吊杆液压致动器22的缸的其中一个室并将液体从缸的另一个室排放到通向储液器71的储液器回流管
72。根据第一控制阀80的
位置，第一液压致动器22在两个方向中的任一个方向上被驱动以藉此升高或降低吊杆16。类似地，从分配歧管52出来的第二、第三和第四致动器供给管
67、68和69通过类似的第二、第三和第四控制阀81、82和83分别被连接至悬臂液压致动器
23、转斗液压致动器24和夹钳液压致动器25。四个致动器控制阀80-83由来自监管控制器50的单独的信号独立控制。虽然本液压系统30在分配歧管52与液压致动器22-25之间采用控制阀80-83，但是控制阀能够通过将它们的功能合并入分配歧管中的额外的阀中以控制流入和从每一个缸室流出的流量而被省去。
[0021] 本分配歧管52具有矩阵式分布的16个分配阀84-99。每一个分配阀将主供给管45、46、47或48中的一个连接至致动器供给管66、67、68或69中的一个。因此，当给定的分配阀84-99由来自监管控制器50的信号电操作时，相关联的主供给管与致动器供给管之间的通道是打开的，由此将来自连接至主供给管的泵的承压液体施加到连接至致动器供给管的控制阀80、81、82或83。例如，当开启分配阀85时，来自第一泵31的液体通过第一主供给管45，流入第二致动器供给管67并输送至第二控制阀81。通过选择性地操作分配阀
84-99中的一个或多个，来自每个泵31-34的输出可以用于运行四个液压致动器22、23、24或25中的每一个。由此使得可将给定的泵分配给某一个液压致动器。应该理解，在特定的动力挖掘机上，可以存在更多或更少数目的泵和更多或更少数目的液压致动器；在这样的情形中，分配歧管52将被配置有相应不同数目的分配阀。例如，
液压马达可以独立地驱动履带组件12的左履带和右履带以推进动力挖掘机。
[0022] 还应该理解，来自两个或更多个泵的输出可以被合并以供给至同一个液压致动器22-25。例如，如果仅启动液压致动器23，来自多个泵的输出可以被合并，使得悬臂被驱动以用最大的速度和力挖掘土地。当运行悬臂的同时还需要运行另一个挖掘机功能，那么先前连接至悬臂功能的一个或多个泵被重新分配以通过改变液体穿过分配歧管52的方向将液体提供至该另一个挖掘机功能。此外如果DMP26-29中的某个发生故障，可以通过关停相关联的变速驱动器并通过关闭分配歧管52中与相应的主供给管相连的所有阀来断开与相关联的泵的连接从而将该DMP禁用。在此情形中，来自其余泵的液体通过分配歧管提供给各液压致动器以维持运行。然而，如果在给定的时间点并不需要特定泵的输出，则关闭其变速驱动器，使得电动机以及泵都不运行。
[0023] 对非常大型的动力挖掘机来说，悬臂液压致动器23和转斗液压致动器24在挖掘操作中受到相对大的力。而且，悬臂和转斗液压致动器23和24倾向于比其他液压致动器运行更长时间。与铲斗20相关联的夹钳液压致动器25通常明显较小且消耗很少的液压液体。在前动力挖掘机中，给定的泵通常用于将液体供给至其中一个液压致动器，因而电动机-泵组合执行不同程度的工作。换句话说，由于用于悬臂和铲斗转斗功能的泵和电动机组合比液压系统中的其他泵和电动机执行远远更多的工作，因此这些工作强度大的部件倾向于比其他电动机和泵需要更多的维护和更频繁的更换。因此，不同的电动机/泵组合需要在不同的时间进行维修，而在维修期间整个动力挖掘机都必须停止工作。所产生的停机时间使动力挖掘机的总体生产率和运行成本受到不利影响。
[0024] 本发明通过动态地改变对液压致动器的DMP分配，使得每个电动机/泵组合承受基本上相同的使用量和工作量，从而克服了这类前动力系统中存在的问题。因此，所有DMP将需要在大约相同的时间点进行维护和可能的更换。因而，各DMP的维护和更换间隔是同步的，使得维护间隔、平均维修时间以及平均故障间隔时间被优化并为整个液压系统提供更长的平均故障间隔时间。这减少了挖掘机使用寿命内停止工作的次数，从而提高生产率。
[0025] 为了确定各DMP的使用量，监管控制器50收集有关它们的电动机和泵的运行的数据，诸如施加到电动机的电流和电压、电动机温度、速度、
扭矩、总运行时间和泵排放流量。累积的数据用于确定由每个DMP 26、27、28和29所执行的相对工作量。为此，监管控制器
50执行不同的软件程序来收集和分析泵和电动机数据以估算那些部件的剩余预期寿命和它们已经提供的使用总量。术语DMP用于指电动机/泵组合的性能以及其内的单个电动机和泵的性能。
[0026] 参考图3，由监管控制器50基于时间中断来执行DMP寿命程序100。此软件程序从步骤102开始，执行一个查找，以判断动力挖掘机10的至少一个致动器22-25当前是否正在运行。程序的执行在此步骤循环，直至其中一个液压致动器22-25开始运行，此时程序前进至步骤104。在此时，监管控制器50获得表示每个变速驱动器57-60施加至其相关联的电动机41-44的电流和电压大小的数据。正如众所周知的，每个变速驱动器包含用于测量电压和电流大小并将这些测量结果转
化成用于传输到监管控制器50的数字数据的
电路。接着，在步骤106，使用所记录的电数据以计算在预定的测量周期每个电动机所消耗的平均RMS(均方根)功率。在步骤108，将新计算出的RMS功率值与电动机制造商规定的每个相应的电动机的额定值进行比较，以确定操作是否超过此电动机的额定功率。如果超过了，在步骤110对每个电动机的超过其额定功率值的大小进行累计以推导出表示电动机的总的过度使用的值。那些过度使用值在步骤112中被用于计算每个电动机41-44的预期寿命。例如，超出额定功率的时间越久、总的超出用量越大，则电动机的寿命与电动机制造商规定的名义预期寿命相比减少的越多。名义预期寿命是基于额定功率不被超过而确定的。可采用依经验推导出的用于特定类型的电动机的关系式，根据超出额定功率的实际持续时间和超出额定功率的总用量值来计算电动机预期寿命的减少量。超出额定功率运行的持续时间是基于电动机电值的
采样周期。预期电动机寿命的减少量和名义预期寿命被用于预测每一电动机41-43的预期寿命。接着，将此信息存储在监管控制器50内的表格中。
[0027] 之后，在步骤114，DMP寿命程序100进入步骤116的部分，以估计每个泵31-34的当前预期寿命。监管控制器50首先记录电动机41-43的速度和扭矩，此信息通过变速驱动器57-60所施加的电压和电流
水平推导出。可选地，可以通过在连接电动机和泵的
驱动轴上附接传感器来测量速度和扭矩数据。监管控制器50还获得从泵体排液管排出的液体流量。该流量通过连接至变速驱动器57、58、59和60的电路的流量计35、36、37和38感测，并由变速驱动器57、58、59和60将泵体排放流量数据转送至监管控制器。接着在步骤118，每个泵31-34的供给出口处的液体流量和压力的值由各自的速度和扭矩值推导出。具体而言，流量是速度和固定泵排量的乘积。扭矩与泵供给出口压力直接相关。可选地，液体流量和压力可以通过每个泵31-34的供给出口处的传感器直接测量。
[0028] 在步骤120处，将供给出口液体流量、泵压力和泵体排放流量的值与泵制造商提供的数据进行比较以确定每个泵在寿命周期上的当前时刻。具体而言，随着泵的老化，泵的泄漏会增加，该泄漏由泵体排放管的流量所表示。换句话说，泵越旧，泵体排放流量越大，然而任何时间点的实际泵体排放流量也是关于泵在供给出口处所产生的液体流量和压力的函数。即，泵体排放流量随泵所产生的流量和压力的增加而增加。一般的泵制造商将不同压力下的预期泵体排放流量与泵的寿命周期的不同时刻的流量进行了关联。在步骤122，通过将实际液体流量、压力和泵体排放流量与制造商规定数据进行比较，监管控制器50能够确定每个泵31-34的剩余寿命。此确定结果被存储在监管控制器50的
存储器内，以显示给泵操作者和维修人员，以及用于确定泵寿命周期的趋势来估计泵何时需要维护和替换。
[0029] 参考图4，监管控制器50还执行软件DMP分配程序130。该程序基于每个DMP26-29的累积使用量将每个泵31-34的输出分配给液压致动器22-25中的一个。如前所述，悬臂液压致动器23和铲斗转斗液压致动器24比吊杆液压致动器22和铲斗夹钳液压致动器25操作更频繁且需要来自液压系统更大的力。因此，液体为悬臂和铲斗转斗液压致动器供给液体的DMP比其他DMP的工作强度更大。DMP分配程序130确定每个电动机/泵组合已经执行的工作的总量并调整DMP26-29对各个液压致动器22-25的分配以近似均衡所执行的工作。这使得所有电动机/泵组合承受基本上相同的磨损量，从而它们会在近似相同的时间进行维护和最终更换。
[0030] DMP分配程序130从步骤132开始，查找判断液压系统30当前是否运行至少一个致动器，如果是，那么程序前进至步骤134。此时，在监管控制器50的存储器中以表格记录四个DMP 26、27、28和29对不同液压致动器22、23、24和25的当前分配。图5描绘了一个示例性的表格，在表格中，为每种液压功能
指定了其中一个DMP。该表格也被监管控制器50用来确定应该打开和关闭分配歧管52中的哪些分配阀84-99来将每一个泵的液体引导至指定的液压致动器。对于本示例性表格来说，监管控制器50将打开分配阀96以将来自第四泵34的液体引导至吊杆供给管66，且打开分配阀85以将来自第一泵31的液体引导至悬臂供给管67。类似地，打开分配阀94以将来自第三泵33的液体引导至转斗供给管68以及打开分配阀91以将来自第二泵32的液体引导至夹钳供给管69。
[0031] 回到图4中的DMP分配程序130，在步骤136中确定当每个DMP26-29被分配给每一个液压致动器时，该DMP已经运行的总时间量。监管控制器50通过软件为每个DMP设置一个单独的
定时器，每当该DMP运行时，定时器工作。这提供每个电动机41-44和每个泵31-34已经运行的总时间的累积记录。
[0032] 在步骤138，由监管控制器50读取各变速驱动器57、58、59和60施加到相关联的电动机41、42、43和44的电压和电流大小。每个变速驱动器57、58、59和60分别存储由附接至相关联的电动机41、42、43和44的温度传感器61、62、63或64所产生的信号而生成的数字化温度值。在步骤104，还从变速驱动器读取温度值且将其存储在监管控制器50的存储器内。
[0033] 在步骤142，为每个电动机41-44读取的电值被用于确定各自的DMP所执行的工作量。具体而言，将特定电动机的电流和电压电平值相乘来产生表示在测量间隔时间内所消耗的电功率的值。所消耗的输入电功率并不是都转化成驱动泵的机械能，原因是电动机发热所损失的
能量。所测得的各电动机的温度被用于计算该电动机发热所消耗的电功率的量，即
热能损失。因此，由相关联的泵31-34所提供的机械能是通过将所消耗的电功率的量减去热能损失计算得出。然后，在测量间隔内对所得到的机械能值进行累计以推导出泵所执行的工作量。接着，将新的工作量与先前计算的类似的工作量的总和相加以提供自泵安装后已经执行的工作总量的测量值。对每个泵31-34各自进行此工作量的计算且将所得到的工作总量存储在监管控制器50中。在步骤144，按照每个DMP已经执行的工作总量对DMP26-29排名。
[0034] 如前所述，供给悬臂液压致动器23和转斗液压致动器24的DMP持续比供给吊杆液压致动器22和夹钳液压致动器25的DMP执行更多工作量。因而，控制流至悬臂液压致动器和转斗液压致动器的液体的流量的DMP相应地执行更多工作量。DMP分配程序130的目的是均衡电动机/马达组合执行的工作总量，使得它们经受基本上相同的磨损量，从而会在大约相同的时间维护和最终更换。这样做降低了动力挖掘机10必须退出运行的频率。
[0035] 在分配歧管52的标准配置中，一个单独的泵31-34被连接至并将液体输送至一个不同的液压致动器22-25。哪一个泵与哪一个液压致动器相连是根据基于每个DMP所执行的工作总量的DMP排名动态确定的。将DMP对液压致动器的分配以表格形式记录在监管控制器50的存储器中，并且图5描绘了那些分配的示例性集合。因此在步骤146，检查DMP工作排名以确保具有最低工作总量的DMP被分配给悬臂液压致动器23和转斗液压致动器24。假设在进入步骤146时，DMP对液压致动器的分配如图5所示，第二DMP 27现具有最大的工作总量，而第四DMP 29具有最低的工作总量。在此情形中，如图6所示，监管控制器50会将第二DMP 27重新分配给铲斗夹钳液压致动器25，将第四DMP 29重新分配给悬臂液压致动器25。由于DMP对液压致动器分配的重新排列，监管控制器50将改变分配阀86-97的打开和关闭配置以将每个DMP中的泵31-34连接至分配表格中所指定的液压致动器22-25。
[0036] 对于不同的液压致动器经受基本上相同力的机器来说，DMP的分配可以基于运行时间。例如，具有最低工作总量的DMP被分配给最频繁运行的液压致动器。类似地，具有最高工作总量的DMP被分配给最不频繁运行的液压致动器。在本发明控制技术的另一种变化中，当液压致动器运行时，将具有最低工作总量的未启用的DMP分配给该致动器以为其提供液体。
[0037] 在另一种情形中，给定的液压致动器可能会根据作用在致动器上力对液压液体提出不断变化的需求。仅一个DMP可能不足以满足所有的需求水平。因此，在更高的需求水平下，多个泵被使用以将液体提供至给定的液压致动器。这里按照从具有最低工作总量的DMP到具有最高工作总量的DMP的顺序将DMP分配至给定的液压致动器。之后，当液压致动器对液压液体的需求降低时，按相反的顺序取消DMP的分配。具体而言，具有最高工作总量的DMP先被断开，而具有最低工作总量的DMP保持连接，直至不再需要液体。
[0038] 前面的描述主要涉及本发明的优选实施方案。虽然已经关注本发明范围内的各种可选择方案，但预期本领域技术人员根据本发明实施方式充分公开的内容还可能实现其它的可选择方案。因此，本发明的范围应该由权利要求确定而不是受上面的公开内容限制。
