CN102939465B - 用于回收液压能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于从致动器（6）回收液压能的装置（16）和方法，其中，第一液压机（18）的第一驱动装置（22）与第二液压机（20）的第二驱动装置（26）以机械方式连接，第一液压机（18）与致动器（6）液压连通，而第二液压机（20）与蓄能器（34）液压连通。

Description

用于回收液压能的装置和方法

技术领域

本发明提供一种用于回收液压能的装置。更确切而言，本发明提供一种用于通常从致动器（典型地为提升机）回收液压能的装置，在该装置中，第一液压机的第一驱动装置与第二液压机的第二驱动装置以机械方式连接，而第一液压机与致动器液压连通。并且本发明还包括一种用于操作该装置的方法。

背景技术

在例如离岸的和陆基的钻探设备、绞车及装备之类的装备系列中包括液压提升系统。对于进行钻孔以及控制钻孔过程本身而言，这些提升系统被认为是钻探设备的骨干设备。

这类应用中的若干应用具有载荷（负载）被重复地升高和降低的循环载荷曲线。至少在某些现有技术的提升系统中，在载荷的降低期间势能（potentialenergy，潜能）被以热量形式消散。

这种系统的特征在于，操作封壳中关于起吊载荷和提升速度，以及具体操作的持续时间方面的变化很大。因此，提升系统的尺寸被定制以便符合由特定的操作所决定的最大功率需求。因此，典型的提升系统的液压动力单元由多个液压机构成。

公知的是，通过利用液压变换器至少回收一部分这种势能。美国第3,627,451号专利公开了一种液压传递单元，其用于在两个分开的和单独的液压控制系统之间以相同的压力沿任一方向传递液压动力。

美国第7,249,457号专利公开了一种液压系统，其通过打开具有由液压泵供给的先导压力（pilotpressure）的回收先导阀来进行重力载荷能量回收，以借助被来自载荷的重力加压的流体源驱动回收液压马达。该回收液压马达驱动原动机的机械传动链，该原动机驱动提供该载荷的泵以及提供其他载荷的其他泵。

发明内容

本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一种缺陷。

根据本发明，该目的是通过下文的描述及随附的权利要求书中公开的特征来实现的。

本发明提供一种用于从致动器（典型地为提升机）回收液压能的装置，在该装置中，第一液压机的第一驱动装置与第二液压机的第二驱动装置以机械方式连接，而该第一液压机与该致动器液压连通，并且该第二液压机与蓄能器液压连通。

在此，至少该第一液压机或该第二液压机典型地是一种被设计成作为可变排量的泵和马达（例如偏心型泵/马达）来操作的机械。术语“排量”意指泵/马达的每一转的排出量。

该致动器可以呈液压缸、液压泵/马达或者任何其他合适的液压装备的形式，这些装备能够直接提升或者通过如齿轮、绳索或滑轮等机件来提升载荷。

该蓄能器可以是气体/液体类型的蓄能器，其中气体（典型地为氮气）被流入封闭的瓶中的液压流体压缩。该蓄能器还可以是另一种公知的现有技术，例如抵靠弹簧而起作用的液压缸。当蓄能器的压力被独立地充载时，利用蓄能器压力来指示蓄能器的实际充载。

通过调节第二液压机的排量，在载荷降低期间能够以比驱动第一液压机的压力更高的压力来充载蓄能器。

第一液压机和第二液压机的驱动装置可以连接到电动马达上。虽然该马达被称为“电动马达”，其主要是为了将该马达与用作液压马达的机械区分开，但该马达可以采用原动机的形式，如一个或多个电动马达、内燃机或由单独的液压环路驱动的液压马达。

连接到两个液压机的电动马达用于多个目的。两个液压位移机的两个轴之间的连接属于被称为液压变换器的技术。公知的是液压变换器控制存在着多种困难，尤其是由于控制回路（控制环）和机械中的非线性使其与系统压力水平相比惯性相对较低。在此，电动机械增大了惯性，由此减轻了控制问题。然而，参见图2，甚至为了供给在液压-机械转换过程中被消散（浪费）的额外的能量而使用该电动机械。

该装置可包括第一阀，并且该第一阀与第二流体机械、致动器和蓄能器液压连通。该第一阀可在第一位置与第二位置之间操作，在该第一位置中该第二流体机械连接到蓄能器，而在该第二位置中该第二流体机械连接到致动器。

通过操作该第一阀到达该第二位置，该装置能以传统方式操作而不进行回收。

该装置还可包括第二阀，该第二阀与该蓄能器和该致动器液压连通，并且其中该第二阀可在打开位置和关闭位置之间操作。

通过打开该第二阀，来自蓄能器的加压液压流体可直接在该蓄能器与该致动器之间流动，例如用于在传统操作期间改善使用。

在备选的实施例中，该装置可包括第三阀，该第三阀至少在该第一液压机或该第二液压机与储液器之间以液压方式被设置。通常每个液压机具有一个第三阀。第三阀的功能是将流体从液压机导向蓄能器。

这种功能对于在例如系统操作并改善蓄能器的使用之后从下降的载荷对蓄能器进行充载尤其有益。该装置可包括控制器，该控制器至少接收载荷的相对位置和蓄能器中的液压的信息，并且基于这些信息以及来自传统的控制系统的输入，控制第一液压机和第二液压机的排量及电动马达的功率。该控制器可以是控制系统的一部分，该控制系统可从比如操作员或升沉补偿系统接收所需的载荷位置的信息。

该装置可通过使用一种用于在部分负载工况期间从致动器回收液压能的方法来操作，在该方法中，多于一个的液压泵被设计用于将液压流体供给到该致动器，其中该方法包括：

-将至少两个泵以机械方式接合，以便在它们之间传递扭矩，由此一个泵成为第一液压机而另一个泵成为第二液压机；

-将第一阀设置在该致动器与该第二液压机之间的致动器管中；

-当该致动器向该第一液压机供给液压流体时，启动该第一阀，以将来自该第二液压机的液压流体导向为离开该致动器。

这种用于回收液压能的方法适于在该液压装置上使用，该液压装置可包括第一液压机的第一驱动装置和第二液压机的第二驱动装置，该第一驱动装置和该第二驱动装置被以机械方式连接并且被连接到电动马达，该第一液压机与致动器液压连通，其中该方法可包括：

-将该第二液压机以液压方式连接到蓄能器；

-将控制器连接到所述液压机和马达，该控制器被设计用于控制该第一液压机和该第二液压机的排量以及马达功率；

-将载荷位置、致动器压力以及该蓄能器压力的值提供给该控制器；并且

-基于提供给该控制器的载荷位置、致动器压力以及蓄能器压力的值计算该第一液压机、该第二液压机的排量以及该马达功率。

可借助控制工程领域的技术人员所公知的多种方法中的一种方法来设计用于此目的的控制器。主开环控制器可被设定如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{main}}=\frac{i_p\·A_p\·v_{\mathrm{req}}}{D_{m,\mathrm{main}}\·i_{m,\mathrm{main}}\·n_{\mathrm{el}}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rec}}=\frac{i_p\·A_p\·v_{\mathrm{req}}}{D_{m,\mathrm{rec}}\·i_{m,\mathrm{rec}}\·n_{\mathrm{el}}}\·\frac{P_{\mathrm{Load}}}{P_{\mathrm{Acc}}}---\left(2\right)$

其中，D_m，main和D_m，rec分别表示主液压机以及用于能量回收的液压机的最大排量，ε表示这两个液压机的排量比，并且i_m，main和i_m，rec表示用于这两个不同目的液压机的数量。参数i_p表示液压缸的数量，而A_p表示它们的面积，变量P_Load和P_Acc分别表示载荷压力和蓄能器压力。变量v_req表示所要求的活塞速度，而n_el表示电动马达的轴速。

该方法还可包括：

-限定或识别循环的类型；

-进入控制回路：

-评估回收潜力；

-重新配置第一液压机和第二液压机以及电动马达功率；

-监控和控制蓄能器充载；

-结束循环。

在操作期间，通过控制器执行的流程的步骤可因此包括：第一步骤，限定或识别循环的类型；第二步骤，评估回收潜力。在第三步中，根据第二步骤中的结果重新配置（设定）液压机以及电动马达。第四步骤包括对蓄能器的充载的监控和控制。第四步骤中限定的蓄能器充载的状态可能会要求在第二步骤中对回收潜力进行新的评估。该循环在第五步骤时结束，当载荷已达到所期望的位置时进入该第五步骤。

可以根据局部工况来合适地改变操作中的细节。该操作将包括：对用于第二液压机的回收和控制的可用能量的估计，以将可用能量的大部分回收到蓄能器；以及对用于第二液压机的使用和控制的蓄能器中的可用能量的估计，以便利用其主要部分。

现有技术的文献中均未披露为了评估提升系统（在该提升系统中能量被储存在蓄能器中）的能量回收潜力而设置的用于循环载荷曲线的能量管理系统。

根据本发明的该装置非常适用于如电动马达发生故障的紧急操作，或者适用于为其他系统提供液压动力。

本发明提出的装置的主要优点在于，仅需对现有的设计进行较小的再设计，并且不需要另外的大的部件。

根据本发明的该装置和方法应被认为与显著低于最大规格的操作工况最为相关。在这些工况中，现存的部件能够以不同的方式被利用，从而能够进行能量回收。在此方式下，从降低的载荷回收的能量能够被用于随后的提升，从而能够减小整个系统的装机功率。

附图说明

以下参照附图来解释优选的装置及方法的示例，在附图中：

图1示出具有提升机的船的原理图，该提升机由根据现有技术的液压装置操作；

图2示出其他方面与图1中的相同、但具有根据本发明的液压装置的原理图；

图3示出该装置的主液压回路和控制回路的线路图；

图4示出图3的具有另外的阀的备选实施例的线路图；

图5示出将来自蓄能器的回收的液压能用于提升载荷的应用；

图6示出了转变为液压能以便储存在蓄能器中的势能的回收；以及

图7示出了包括在根据本发明的方法中的步骤的流程图。

具体实施方式

在附图中，附图标记1指代包括提升机2的舰船。载荷4悬挂在提升机2上并且由致动器6提升。

根据图1所示的现有技术，致动器6借助管10连接到液压装置8。该装置8包括至少两个由其自身的电动马达14驱动的可变液压泵12。

当提升载荷4时，所有能量由一个或多个电动马达14提供。当降低载荷2时，势能被以热量形式消散。

在图2中，船1装备有液压装置16用以从载荷4回收势能。

液压装置16（其在图3中被更详细地示出）包括第一液压机18和第二液压机20，两者都被设计为用作可变的泵/马达。

第一液压机18具有连接到电动马达24并呈轴的形式的第一驱动装置22。电动马达24通过同样呈轴的形式的第二驱动装置26连接到第二液压机20。第一驱动装置22和第二驱动装置26因此通过电动马达24以机械方式连接。

液压机18、20都与用于液压流体的储液器28连通。

第一液压机18经由致动器管30连接到致动器6的正侧。呈液压缸形式的致动器6承载载荷4。当第一液压机18经由致动器管30将液压流体供给到致动器6时，载荷4被提升。

第二液压机20经由蓄能器管36连接到蓄能器34。第一阀38联接到蓄能器管36并且连接到致动器管30。由于当蓄能器在接近其设计荷载和速度下工作时，第一阀38可能有必要向致动器6供给来自液压机18、20两者的液压流体，因此当第一阀38被启动时，第一阀38能将第二液压机20的液压连接从蓄能器34转向致动器6。

参见图3，第二阀40连接在致动器管30与蓄能器管36之间。当被启动时，第二阀40允许液压流体在蓄能器34与致动器6之间流动。

控制器42经由传感器电缆44接收来自位置传感器46的相对的载荷位置、来自第一压力传感器48的蓄能器压力以及来自第二压力传感器50的蓄能器压力的信息。

控制器42被设计为经由控制电缆52控制第一液压机18、第二液压机20和电动马达24。

图7示出了表示在操作期间通过控制器42执行的步骤的流程图。在步骤60中，限定或识别循环的类型。在步骤62中，评估回收潜力。在步骤64中，液压机18、20以及电动马达24被相应地重新配置。步骤66包括对蓄能器34的充载的监控和控制。在步骤66中所限定的蓄能器34的充载可能会要求在步骤62中对回收潜力进行新的评估。当载荷4已经达到所期望的位置时，该循环在步骤68结束。

如图7中所示的步骤60至68可利用通过计算机系统以可读媒体的形式储存的软件代码而实施，该计算机系统包括在控制器42中但未示出。

简言之，在步骤60中经历的循环的类型包括提升，降低以及保持载荷静止。实际的循环类型可通过到达控制器42的输入信号，或者通过载荷4的实际移动来识别。

当在步骤60中被限定或识别的实际循环被设定为提升载荷4时，第一液压机18的排量由所需的提升速度来调控。图5中的箭头指示能量流动。

在步骤62中，基于蓄能器34充载的信息，评估来自储存在蓄能器34中的能量可能起的作用。在步骤64中，通过利用该信息以及第一液压机18中所需的动力，调节用作液压马达的第二液压机20的排量。如需要的话，在步骤64中控制电动马达24以供给必要的动力。

在步骤66中，监控蓄能器34充载的信息。该信息被返回到步骤62。从步骤66到步骤62的反馈意味着将运行包括步骤62、64和66的控制回路，直到进入步骤68。

当载荷4已达到期望的位置时，该循环在步骤68结束。

当步骤60中所限定或识别的实际循环被设定为降低载荷4时，用作液压马达的第一液压机18的排量由所需的下降速度来调控。图6中的箭头指示能量流动。

在步骤62中，基于来自第一液压机18的可用动力以及基于蓄能器34的可用能量储存容积来评估回收潜力。在步骤64中，设定用作液压泵的第二液压机20的排量。在蓄能器34中可利用的储存容量不充足的情况（此情况不太可能发生）下，过剩的能量可在未示出的紧急阀中以热量形式消散。

如前文所述，在步骤66中监控蓄能器34充载的信息。该信息被返回到步骤62。当载荷4已经达到期望的位置时，该循环在步骤68结束。

如果在步骤60中限定或识别的该循环被设定为保持载荷4静止，则第一液压机18的排量被调整为能补偿任何渗漏，同时从蓄能器34经由第二液压机20和/或电动马达24供给用于该操作的能量。

在备选的实施例中，参见图4，在第一液压机18、第二液压机20与储液器之间设置多个第三阀54。返回管56将第三阀54与蓄能器连接。

当第三阀54未启动时，返回管56在第三阀54处关闭，同时从液压机18、20至储液器28的返回流是开通的。当第三阀54启动时，第三阀54将返回流从液压机18、20通过返回管56转向蓄能器34。

如在本说明书的综述部分中所论述的那样，这种功能对于例如在改善蓄能器的使用之后通过降低的载荷来充载蓄能器34尤其有用。

Claims (8)

1.一种用于从致动器(6)回收液压能的装置(16)，在该装置中，第一液压机(18)的第一驱动装置(22)和第二液压机(20)的第二驱动装置(26)以机械方式连接，该第一液压机(18)与致动器(6)液压连通，而该第二液压机(20)与蓄能器(34)液压连通，其特征在于，第一阀(38)与该第二液压机(20)、该致动器(6)以及该蓄能器(34)液压连通，并且该第一阀(38)能在第一位置与第二位置之间操作，其中在该第一位置该第二液压机(20)连接到该蓄能器(34)，而在该第二位置该第二液压机(20)连接到该致动器(6)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动装置(22、26)连接到电动马达(24)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，一第二阀(40)与该致动器(6)及该蓄能器(34)液压连通，并且其中该第二阀(40)能在打开位置与关闭位置之间操作。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在至少该第一液压机(18)或该第二液压机(20)与储液器(28)之间以液压方式设置第三阀(54)，该第三阀(54)与该储液器(28)连通并且能在如下两个位置之间操作：在所述两个位置中的一个位置中，现行的所述第一液压机(18)和所述第二液压机(20)与该储液器(28)之间的回流是打开的，而与蓄能器(34)的连通是关闭的；而在所述两个位置中的另一个位置中，来自现行的所述第一液压机(18)和所述第二液压机(20)的流体被转向该蓄能器(34)。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，一控制器(42)控制该第一液压机(18)和该第二液压机(20)的排量及该电动马达(24)的功率，该控制器(42)接收至少载荷(4)的相对位置和该蓄能器(34)中的液压的信息。

6.一种用于在部分负载工况期间从致动器(6)回收液压能的方法，在该方法中，多于一个的液压泵(12)被设计为将液压流体供给到该致动器(6)，其特征在于，该方法包括：

-将至少两个泵(12)以机械方式接合，以便在所述泵之间传递扭矩，由此一个泵成为第一液压机(18)而另一个泵(12)成为第二液压机(20)；

-将第一阀(38)设置在该致动器(6)与该第二液压机(20)之间的致动器管(30)中；

-当该致动器(6)向该第一液压机(18)供给液压流体时，启动该第一阀(38)以使来自于该第二液压机(20)的液压流体转向离开该致动器(6)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该第一液压机(18)的第一驱动装置(22)与该第二液压机(20)的第二驱动装置(26)被以机械方式连接，并且被连接到电动马达(24)，并且其中该第一液压机(18)与致动器(6)液压连通，其特征在于，该方法包括：

-将该第二液压机(20)以液压方式连接到蓄能器(34)；

-将控制器(42)连接到所述液压机和马达，其中该控制器(42)被设计用于控制该第一液压机(18)和该第二液压机(20)的排量以及该电动马达(24)的功率；

-将载荷(4)的位置、该致动器(6)的压力以及该蓄能器(34)的压力的值提供给该控制器(42)；以及

-基于该载荷(4)的位置、该致动器(6)中的压力以及该蓄能器(34)中的压力的值，计算该第一液压机(18)和该第二液压机(20)的排量以及该电动马达(24)的功率。

8.根据权利要求6的方法，其特征在于，该方法还包括：

-识别循环的类型；

-进入控制回路：

-评估回收潜力；

-重新配置所述第一液压机和第二液压机的排量以及电动马达功率；

-监控和控制蓄能器充载；

-结束循环。