CN101580207A - 港口吊车液压节能系统 - Google Patents

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江绍成
邢科礼
戴再农
张顺祥
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Yao Hang
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Abstract

本发明港口吊车液压节能系统，是港口吊车的附加装置，它是在吊车装卸货物的频繁提升和下降过程中，将重物每次下降前的势能，借助数个并联安装在升降传动系统中的变量柱塞油泵，转换成流体的压力能并储存到液压蓄能器中，当需提升重物时，将该压力能释放出来带动油泵(此时为油马达工况)提供提升转矩，和吊车原升降动力系统共同提升重物，使重物势能得到利用，以达节能的目的。它与原吊车机械和电气系统并联，衔接匹配方便，系统简单、实用、投资少、工作寿命长，不仅适用于各类港口起重机械，也能运用到其它行业的起重和升降设备中，可节省大量的能源，同时也减少了为获得这些能源而致的“三废”排放，利于环保。

Description

港口吊车液压节能系统
技术领域：
本发明港口吊车液压节能系统，是港口吊车的附加装置。它是在吊车装卸货物的频繁提升和下降过程中，将重物每次下降前的势能，通过与吊车原升降传动系统并联安装的油泵及液压系统单元，转换成流体的压力能并储存到液压蓄能器中，当需提升重物时，将该压力能释放出来带动油泵(此时为油马达工况)提供提升转矩，与吊车原升降动力系统(柴油机、电机等)共同提升重物，使重物势能得到利用，以达节能的目的。属机械设计领域。
背景技术：
轮胎吊、桥吊、轨道吊和门吊等大型港口起重机械大量应用在世界各地港口，承担数亿吨各类货物的装、卸和堆场作业，集装箱运输的发展和普及，大大地提高了港口吊车的工作效率，扩大了港口的吞吐量。各类港口吊车是港口的耗能大户，大海港常需有自己独立的发电厂和供电网。降低港口吊车的能耗，己成为用户的迫切要求和各类港口吊车设计制造技术的重要发展方向。
众所周知，港口吊车的起重量(含吊具架等)常常是几十吨甚至上百吨，它们均是靠动力机械(柴油机、电机等)通过减速箱输出转矩带动钢绳卷筒来提升的。所消耗的能源的大部分用于克服重力作功转换为重物的势能，目前绝大多数港口吊车的运行模式是：在可控的重物下降过程中，重物的势能常借助机械摩擦、电流--电阻或液压回路液阻等途径转变成热能散发到周围环境中。其中电流-电阻是最常用的能量转变途径，其过程是在重物下降过程中带动提升电动机反转，使其成为负载变成发电机工况，它的转矩与重力转矩抗衡，保证重物可控平稳下降，所产生的的电流被回路的电阻中转变成热能，而散发到周围环境中，大量的能量就这样白白地流失了。
不久前，在电网供电的各类门吊、轨道吊和桥吊中，已出现将重物势能在下降过程中转换成的电能，经处理后反馈回供电网的节能装置，但因投资成本等方面的问题，暂时还未得到普遍推广。
运行在货物堆场的大量轮胎吊车等起重机械，因作业地经常变换，不便与电网相连，其动力机械常为柴油机，它们的能量传递模式是：柴油机-发电机-电动机-减速箱-钢绳卷筒-提升重物。最近已出现将重物势能转换成的电能储存到超级电容或能快速充放电的新型大容量的锂电池组中。在提升过程中，再将该部分电能释放出来协助提升电动机工作，从而减少柴油机--发电机的负荷，以实现节能。但由于目前超级电容和大容量锂电池在经济、技术和寿命等方面尚有待进一步改进，使它们的应用也受到了较大的制约。
发明内容：
本发明港口吊车液压节能系统，为各类港口吊车特别是轮胎吊车，提供一种新的重物下降时的势能回收再利用的技术方案。它力求以简单、实用且成熟的液压系统，实现自动回收下降时的重物势能并储存起来，自动用于提升重物时和电动机共同提供提升转矩，以达到节能的目的。
本发明是通过以下技术方案来实现的。轮胎吊车原有的工作过程是动力机械柴油机1带动发电机2去驱动电动机3，电动机3的转矩经减速箱5放大后，带动钢绳卷筒7提升重物6。本港口吊车液压节能系统是在吊车的减速箱5的输入轴(高速端)的周围并联加装数个齿轮副K，同速或经变速后，各自带动与其相连的变量柱塞油泵及其液压系统单元，组合成港口吊车的液压节能系统。在重物下降过程中，自动地将本当废弃的势能转变为流体的压力能并存储起来，重物需提升时，自动地将其释放出来推动油泵11(此时为油马达工况)，借助齿轮副K将转矩传至减速箱5的输入轴，协助电动机3驱动钢绳卷筒7克服重力提升重物作功，使重物下降前的势能获得利用。因港口吊车的起重量变化幅度较大，卸去重物后的吊具架的重量仅为最大荷重的几分之一，为适应不同荷重的势能回收，故在一部吊车上应配置数个该液压系统单元。它们配置在减速箱5的输入轴的周围，和相应的齿轮副K一起呈辐射状分布，这些单元可全部、也可部分参与工作。
本发明的液压系统单元的连结方式是：膜板活塞闭式油箱8出油口经球阀9、单向阀10与变量柱塞油泵11的进口相连，变量柱塞油泵11的出口有三个并联支路，第一路经先导式溢流阀15到回油路，该溢流阀15由小通径两位二通电磁换向阀(19)控制卸荷与否，溢流阀15决定系统的最高工作压力(安全压力)。换向阀19失电时，该阀将溢流阀15的遥控口与回油相通，先导式溢流阀15处于卸荷工况，本液压单元处于非工作状态；第二路通过液控单向阀17通到蓄能器23，利用旁路测压点18测定蓄能器23的压力；第三路经小通径单向阀20后再分两路，一路经固定节流孔22后，到液控单向阀17的控制口，另一路经小通径两位三通电磁换向球阀21通到蓄能器23，换向球阀21的另一出口与回油相连，变量柱塞油泵11成油马达(与泵的转向相反)工况时，油马达11出口的回油经过滤器13、单向阀12回到膜板活塞闭式油箱8。
变量油泵11的输出排量q，受控制器14的输出信号控制，控制器14的输入信号包括重物重量G、变速箱5的输入轴转速ω(由转速表4测定)、蓄能器压力p和吊车司机的外部指令ZL等，经控制器按设定的程序运算后，输出相应的信号控制变量油泵11的排量q。油泵11的转矩M是和油泵11的排量q与输出压力(即蓄能器的压力p)的乘积成正比(M∝q×p)的。欲使重物可控平稳下降，油泵11的输入转矩应和钢绳卷筒7上的重物6的转矩相平衡，这就必须保持油泵11输入转矩的相对稳定，蓄能过程中蓄能器23的压力p是由低至高变化的，变量油泵11的排量q也应随之相应由大变小。采用控制器自动控制的变量油泵，除了可使吊车操作方便、可靠之外，因液压回路中液阻小发热少，可省去冷却装置。球阀9用于检修时切断油箱的出口，单向阀10和12的作用是把油箱的出油与回油分开，使回油必经过滤器13，以保持油液的清洁。
附图说明：
图1：轮胎吊车液压节能系统(普通阀)单元原理图
图2：轮胎吊车液压节能系统(插装阀)单元原理图
实施方案：现结合附图说明本发明的具体实施方案，见图1。轮胎吊车原有的工作过程是动力机械柴油机1带动发电机2去驱动电动机3，电动机3的转矩经减速箱5放大后，转动钢绳卷筒7提升重物6。本港口吊车液压节能系统是在吊车的减速箱5的输入轴(高速端)的周围并联安装数个齿轮副K，如图1中A向所示，同速或经变速后，各自带动与其相连的变量柱塞油泵及其液压系统单元，在重物下降过程中自动地将本当废弃的势能转变为流体的压力能并存储起来，重物需提升时自动地将其释放出来推动油泵11(此时为油马达工况)，借助齿轮副K将转矩传至减速箱5的输入轴，协助电动机3驱动钢绳卷筒7克服重力提升重物作功，使重物下降前的势能获得利用。因港口吊车的起重量变化幅度较大，卸去重物后的吊具重量仅为最大荷重的几分之一，为适应不同荷重的势能的回收，在一部吊车上应配置数个该液压系统单元，这些单元可全部、也可部分参加工作。如起重量(含吊具架等)为60吨的轮胎吊车，可配置四组以A7VO变量柱塞油泵为核心的液压系统单元，呈辐射状布置在减速箱5的输入轴的四周，如图1中A向所示，分别借助各自与之相关的齿轮副K与输入轴相联，按照重物的重量分成：空载(仅有吊具)、15-30吨、30-45吨、45-60吨四个重量档次。控制器14使它们分别对应有1-4个单元进入工作状态。每个重量档次中，又按照实际重量由控制器自动确定变量泵的流量变化范围，以产生与重物重力相适应的转矩。
重物下降蓄能过程，当司机操纵吊车使重物6下降时，钢绳卷筒7将重物重力转矩通过减速箱5传递到输入轴，经过齿轮副K带动各自单元的油泵11转动，膜板活塞闭式油箱8中的油，经开启的球阀9和单向阀10进入变量油泵11的进油口，当该液压单元中的小通径两位二通电磁换向阀19带电，则该单元进入工作状态(若不带电，则先导式溢流阀15处于卸荷状态，该单元处于非工作的空循环工况)，此时因蓄能器23内压力低，故变量油泵应按控制器设定的较大排量排出，以达到所需的与重力转矩相抗衡的负载转矩，此时压力油顶开液控单向阀17进入蓄能器23，随着重物下降，蓄能器23内压力升高，经控制器反馈到泵的变量机构，使变量泵流量成反比减少，以保持相对稳定的负载转矩，控制重物平稳地下降，自动地将本当废弃的重物势能转变为流体的压力能并存储起来。当势能较大，蓄能器23容量不够时，多余的油液顶开先导式溢流阀15，在高压状态下溢流回油箱，继续保持相应的负载转矩。在该过程中提升电动机(发电机)3可为无载空转状态。若中途重物停止下降，原吊车的制动系统可使重物悬停，油泵停转，蓄能过程也暂停。
重物提升放能过程，当司机操纵吊车提升重物6时，提升电动机3按设定的转速工作，提供克服重力的提升转矩，使重物按一定速度上升，此时蓄能器23内储有能量的液压系统单元中的小通径两位三通电磁换向球阀21带电换向，蓄能器23内的压力油经换向球阀21，一路先经单向阀20到达液控单向阀17的反向出口，提高该处至油马达11入口的油路压力，从而减小液控单向阀17的进、出口压差，以消除该阀突然开启时的液压冲击；另一路经固定节流孔22滞后到达液控单向阀17的控制口，打开液控单向阀17，蓄能器23内高压油释放出来通过液控单向阀17进入油马达11的入口，驱动油马达11并借助各自的齿轮副K将转矩传到减速箱5的输入轴，和电动机3共同驱动钢绳卷筒7克服重力提升重物，让前次重物下降时储存的重物势能得到利用，从而减小了原吊车动力系统的负荷，其节能效果是显而易见的。若中途停止提升重物，原吊车制动系统使重物悬停，本系统各单元的小通径两位三通电磁换向球阀21失电换向，液控单向阀17的控制口内的油经换向球阀21到回油路，液控单向阀17回位关闭，放能过程中止。提升过程中若某单元的蓄能器内能量放完，换向球阀21和换向阀19均为失电状态，该液压系统单元处于消耗能量很小的空循环工况。
本系统的液压阀可选取通用的板式阀或管式阀或叠加阀来组合。膜板活塞闭式油箱是常压(大气压)工作的闭式油箱(专利号：ZL200720068995.0)，它可在常压供油的状态下大流量地吞吐油液，长期保持液压系统油液的清洁，保证了本系统的工作寿命和可靠性。
因轮胎吊车液压节能系统的流量大，为减小体积、降低成本，集成阀可选用合适通径的插装阀来组合，图2是用插装阀组合成的轮胎吊车液压节能系统单元原理图，其中仅以小通径两位四通电磁换向阀24替代了图1中的小通径两位三通电磁换向球阀21，其它部分的液压元件的功能完全类同。
本发明港口吊车液压节能系统，也可采用定量柱塞泵和调至高压的压力顺序阀等的组合，来形成与重物重力转矩相抗衡的液压负载转矩的技术方案，此方案的好处是油泵和蓄能器的规格可较小，成本低，投资少，但在蓄能过程中，顺序阀与蓄能器之间的压差造成了较大的发热与能量损失，不仅回收能量减少，且需增设油液的冷却循环装置。这是液压行业共知的，可根括实际情况选择之。
本发明港口吊车液压节能系统，与原吊车机械和电气系统并联，衔接匹配方便，系统简单、实用、投资少、工作寿命长，不仅适用于其它各类港口起重机械，也能运用到其它部门，如铁路、公路、矿井、建筑及企业等的起重和升降设备中，可节省大量的能源，同时也减少了为获得这些能源而致的“三废”排放，利于环保。

Claims (1)

1、本发明港口吊车液压节能系统，是港口吊车的附加装置。它是在吊车装卸货物的频繁提升和下降过程中，将重物每次下降前的势能，通过与吊车原升降传动系统并联安装的油泵(11)及液压系统单元，转换成流体的压力能并储存到液压蓄能器(23)中，当需提升重物时，将该压力能释放出来带动油泵(11)(此时为油马达工况)提供提升转矩，与吊车原升降动力系统(柴油机、电机等)共同提升重物，使重物势能得到利用，以达节能的目的，其特征是：在吊车的减速箱(5)的输入轴(高速端)的周围并联加装数个齿轮副(K)，同速或经变速后，各自带动与其相连的变量柱塞油泵(11)及其液压系统单元，组合为港口吊车的液压节能系统，该液压系统单元的连接方式是：膜板活塞闭式油箱(8)出油口经球阀(9)、单向阀(10)与变量柱塞油泵(11)的进口相连，变量柱塞油泵(11)的出口有三个并联支路，第一路经先导式溢流阀(15)到回油路，该溢流阀(15)的控制口经小通径两位二通电磁换向阀(19)与回油相连；第二路通过液控单向阀(17)通到蓄能器(23)，旁路设有测压点(18)；第三路经小通径单向阀(20)后再分两路，一路经固定节流孔(22)后，到液控单向阀(17)的控制口，另一路经小通径两位三通电磁换向球阀(21)通到蓄能器(23)，换向球阀(21)的另一出口与回油相连，变量柱塞油泵(11)成油马达(与泵的转向相反)工况时，油马达(11)出口的回油经过滤器(13)、单向阀(12)回到膜板活塞闭式油箱(8)。
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