CN104832464B - 一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，包括油箱、变量泵、第一单向阀、三位四通阀、主卷扬马达、二位三通阀、回收马达、平衡阀、第二单向阀、第一换向阀、第三单向阀、储能器、第二换向阀和制动油缸，油箱、变量泵、第一单向阀、三位四通阀、主卷扬马达和二位三通阀依次连接，二位三通阀与油箱连接，二位三通阀、回收马达、平衡阀和第二单向阀依次连接，第二单向阀与三位四通阀连接，第一换向阀、第三单向阀和储能器依次连接，第一换向阀与二位三通阀连接，第二换向阀与储能器连接，第二换向阀与制动油缸连接，第二换向阀与油箱连接。本发明能有效回收旋挖钻机下放时的重力势能，提高能量的利用率，延长元件的使用寿命。

Description

一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收装置

技术领域

本发明涉及一种势能回收装置，尤其是涉及一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统。

背景技术

21世纪全球面临资源紧缺问题，各国都极其重视资源和能量的利用，节能减排已经成为工业技术发展的一个重要方向。旋挖钻机属于工程机械中的桩工设备，在建筑施工中有着广泛的应用。旋挖钻机工作时，钻杆和钻具需要反复循环升降运动，由于钻杆、钻具和钻具内的泥土的质量很大，提升作业的行程长达几十米，需要消耗大量的发动机功率，提升作业时通过主卷扬马达的提升作用将液压能转变为钻杆和钻具的重力势能，而下放时钻杆和钻具释放出大量的重力势能。这些能量基本上都消耗在平衡阀的节流孔上，不仅浪费了能量，增加了系统的热负荷，而且降低了液压元件的使用寿命，同时影响系统的作业性能。

目前，旋挖钻机主卷扬系统的马达制动油路主要从两个途径取油，一路是先导泵供油，另一路是主油路经过减压后供油。以上二种供油方式都需要发动机输出一定的功率，所以对旋挖钻机下放工况过程中重力势能的回收将是旋挖钻机节能降耗的未来研究方向。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其结构简单、设计合理且易于实现、使用操作方便，能有效回收旋挖钻机下放工况时的重力势能，降低了热量损失，提高了能量的利用率，延长了液压元件的使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：包括油箱、变量泵、第一单向阀、三位四通阀、主卷扬马达、二位三通阀、回收马达、平衡阀、第二单向阀、第一换向阀、第三单向阀、储能器、第二换向阀和制动油缸，所述变量泵的进油口与油箱连接，所述变量泵的出油口与第一单向阀的进油口连接，所述第一单向阀的出油口与三位四通阀的进油口连接，所述三位四通阀的两个工作口分别与主卷扬马达的进口和出口连接，所述三位四通阀的回油口与二位三通阀的工作口连接，所述二位三通阀的回油口与油箱连接，所述二位三通阀的进油口与回收马达的出油口连接，所述回收马达的进油口与平衡阀的进油口连接，所述平衡阀的出油口与第二单向阀的进油口连接，所述第二单向阀的出油口连接在第一单向阀的出油口与三位四通阀的进油口之间，所述第一换向阀的进油口连接在回收马达的出油口与二位三通阀的进油口之间，所述第一换向阀的出油口与第三单向阀的进油口连接，所述第三单向阀的出油口与储能器连接，所述第二换向阀的进油口连接在第三单向阀的出油口与储能器之间，所述第二换向阀的两个工作口分别与制动油缸的进油口和出油口连接，所述第二换向阀的回油口与油箱连接。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括发电机、逆变器和超级电容，所述发电机的输入轴与回收马达的输出轴同轴连接，所述发电机与逆变器通过电缆连接，所述逆变器与超级电容连接。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第一电动机，所述第一电动机的输出轴与变量泵的输入轴连接，所述第一电动机和逆变器通过电缆连接。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括浮动阀，所述浮动阀的进油口连接在主卷扬马达的进口与三位四通阀的一个工作口之间，所述浮动阀的出油口连接在主卷扬马达的出口与三位四通阀的另一个工作口之间。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括 第四单向阀和第一溢流阀，所述第四单向阀的出油口和第一溢流阀的进油口并联接在主卷扬马达的出口与三位四通阀的另一个工作口之间。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第五单向阀和第二溢流阀，所述第五单向阀的出油口和第二溢流阀的进油口并联接在主卷扬马达的进口与三位四通阀的一个工作口之间。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第一节流阀，所述节流阀的进油口与二位三通阀的回油口连接，所述节流阀的出油口与油连接。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第二节流阀，所述第二节流阀的进油口连接在回收马达的出油口与二位三通阀的进油口之间，所述第二节流阀的出油口与第一换向阀的进油口连接。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：所述变量泵的出油口与第一单向阀的进油口之间连接有第二溢流阀。

上述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：所述第二换向阀为两位四通阀。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明结构简单、设计合理且易于实现、使用操作方便。

2、现有技术中，旋挖钻机主卷扬系统的马达制动油缸的液压油一种方式是先导泵供油，另一种方式是主油路经过减压后供油，这两种方式都需要发动机输出一定的功率；本发明采用蓄能器作为制动油缸的动力源，钻杆和钻具下放过程释放的重力势能一部分存储在蓄能器中，作为开启制动油缸的动力源，可有效降低发动机负荷，起到了一定的节能效果。

3、在传统的液压系统中，执行机构下放的重力势能和制动时的惯性都在主控阀的节流口上以热能的形式浪费掉，不仅浪费了能量，还增加了系统的热负荷；本发明的势能回收系统，使得钻杆和钻具下落时，带动主卷扬马达旋转，主卷扬马达此时相当于泵，输出高压油带动回收马达转动， 回收马达与发电机同轴相连，回收马达带动发电机轴旋转，发电机发出的电能经过逆变器储存在超级电容里，实现了重力势能到液压能、液压能到机械能和机械能到电能的转化，超级电容存储的电能可以用于驱动电动机或者液压泵，将电能转化为机械能或者液压能，实现了重力势能的完美回收利用。

4、本发明在钻杆和钻具下放的过程中，不仅能够通过势能回收系统回收势能，而且降低了平衡阀上的热量损失，提高了能量的利用率，提高了经济性，延长了液压元件的使用寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明提升工况时的结构示意图。

图3为本发明第一种下放工况时的结构示意图。

图4为本发明制动工况时的结构示意图。

图5为本发明第二种下放工况时的结构示意图。

附图标记说明:

1—负载； 2—主卷扬马达； 3-1—第四单向阀；

3-2—第五单向阀； 4-1—第一溢流阀； 4-2—第二溢流阀；

5—油箱； 6—浮动阀； 7—三位四通阀；

8—第二溢流阀； 9—第一单向阀； 10—电动机；

11—液压泵； 12—第二单向阀； 13—平衡阀；

14—回收马达； 15—发电机； 16—逆变器；

17—第一电动机； 18—超级电容； 19—二位三通阀；

20—第一节流阀； 21—第二节流阀； 22—第一换向阀；

23—第三单向阀； 24—第二换向阀； 25—储能器；

26—制动油缸。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括油箱5、变量泵11、第一单向阀9、三位四通阀7、主卷扬马达2、二位三通阀19、回收马达14、平衡阀13、第二单向阀12、第一换向阀22、第三单向阀23、储能器25、第二换向阀24和制动油缸26，所述变量泵11的进油口与油箱5连接，所述变量泵11的出油口与第一单向阀9的进油口连接，所述第一单向阀9的出油口与三位四通阀7的进油口连接，所述三位四通阀7的两个工作口分别与主卷扬马达2的进口和出口连接，所述三位四通阀7的回油口与二位三通阀19的工作口连接，所述二位三通阀19的回油口与油箱5连接，所述二位三通阀19的进油口与回收马达14的出油口连接，所述回收马达14的进油口与平衡阀13的进油口连接，所述平衡阀13的出油口与第二单向阀12的进油口连接，所述第二单向阀12的出油口连接在第一单向阀9的出油口与三位四通阀7的进油口之间，所述第一换向阀22的进油口连接在回收马达14的出油口与二位三通阀19的进油口之间，所述第一换向阀22的出油口与第三单向阀23的进油口连接，所述第三单向阀23的出油口与储能器25连接，所述第二换向阀24的进油口连接在第三单向阀23的出油口与储能器25之间，所述第二换向阀24的两个工作口分别与制动油缸26的进油口和出油口连接，所述第二换向阀24的回油口与油箱5连接。

其中，变量泵11还与电动机10连接且通过电动机10带动转动，主卷扬马达2与负载1连接带动负载(主要指钻杆和钻具)工作。平衡阀13的作用如下：当制动油缸26处于抱闸制动状态时，保证钻杆和钻具能够安全的悬空在任何位置并且不会出现下滑现象；防止下放工况时钻杆和钻具的加速下降并且能够实现一定的微动控制；下方工况时，有一定的延时作用，防止负载1的快速变化引起主卷扬机构的抖动现象。

如图1所示，本发明还包括发电机15、逆变器16和超级电容18，所述发电机15的输入轴与回收马达14的输出轴同轴连接，所述发电机15 与逆变器16通过电缆连接，所述逆变器16与超级电容18连接。

如图1所示，本发明还包括第一电动机17，所述第一电动机17的输出轴与变量泵11的输入轴连接，所述第一电动机17和逆变器16通过电缆连接。

如图1所示，本发明还包括浮动阀6，所述浮动阀6的进油口连接在主卷扬马达2的进口与三位四通阀7的一个工作口之间，所述浮动阀6的出油口连接在主卷扬马达2的出口与三位四通阀7的另一个工作口之间。浮动阀6在钻具钻进工况时，浮动阀6上位工作，将主卷扬马达2的左腔和右腔连接起来，主卷扬马达2处于浮动状态。

如图1所示，本发明还包括第四单向阀3-1和第一溢流阀4-1，所述第四单向阀3-1的出油口和第一溢流阀4-1的进油口并联接在主卷扬马达2的出口与三位四通阀7的另一个工作口之间；本发明还包括第五单向阀3-2和第二溢流阀4-2，所述第五单向阀3-2的出油口和第二溢流阀4-2的进油口并联接在主卷扬马达2的进口与三位四通阀7的一个工作口之间。第四单向阀3-1、第一溢流阀4-1和油箱5组成缓冲补油回路，第五单向阀3-2、第二溢流阀4-2和油箱5组成缓冲补油回路，通过第一溢流阀4-1和第二溢流阀4-2设定压力来限定最高负载，防止过载现象引起的不安全事故；在下放工况时，主卷扬马达2如果吸空，油箱5通过第四单向阀3-1和第五单向阀3-2给系统补油。

如图1所示，本发明还包括第一节流阀20，所述节流阀20的进油口与二位三通阀19的回油口连接，所述节流阀20的出油口与油箱5连接。

如图1所示，本发明还包括第二节流阀21，所述第二节流阀21的进油口连接在回收马达14的出油口与二位三通阀19的进油口之间，所述第二节流阀21的出油口与第一换向阀22的进油口连接。

如图1所示，所述变量泵11的出油口与第一单向阀9的进油口之间连接有第二溢流阀8。

本实施例中，所述第二换向阀24为两位四通阀。

本发明的工作原理为：如图2所示，当旋挖钻机的钻杆和钻具提升时，本发明的油路流经路径依次为：油箱5、变量泵11、第一单向阀9、三位四通阀7的右位、主卷扬马达2的右腔、主卷扬马达2的左腔、三位四通阀7的右位、二位三通阀19的右位、第一节流阀20和油箱5。

如图3所示，当旋挖钻机的钻杆和钻具下放时，本发明的第一种油路流经路径依次为：主卷扬马达2的右腔、三位四通阀7的左位、二位三通阀19的左位、第二节流阀21、第一换向阀22、第三单向阀23和蓄能器25，当主卷扬马达2吸空时，可以通过油箱5或变量泵11补油，变量泵11不输出能量。第二节流阀21起节流和缓冲的作用；第三单向阀23在蓄能完成后，起保压作用；钻具和钻杆下放的速度由三位四通阀7的开口大小决定；蓄能器25利用钻具和钻杆下放释放的重力势能向自身充液蓄能，作为主卷扬马达2的制动油路的油源，回收了一部分重力势能。

如图4所示，主卷扬马达2的制动器为常闭式制动器，经常处于上闸状态，当旋挖钻机的提升机构制动时，本发明的油路流经路径依次为：蓄能器25、第二换向阀24和制动油缸26，蓄能器25为制动油缸26提供能量。

如图5所示，当旋挖钻机的钻杆和钻具下放时，本发明的第二种油路流经路径依次为：主卷扬马达2的右腔、三位四通阀7的左位、二位三通阀19的左位、回收马达14的上腔、回收马达14的下腔、平衡阀13、第二单向阀12、三位四通阀7的左位和主卷扬马达2的左位，当主卷扬马达2吸空时，可以通过油箱5或变量泵11补油，平衡阀13可以起到缓冲和节流作用，防止负载1变化快而出现“点头”现象。钻杆和钻具下放时，重力势能释放，使主卷扬马达2的左端压力降低，重力势能转化为液压能，此时主卷扬马达2相当于液压泵(左腔压力低，右腔压力高)，右腔输出高压油，带动回收马达14的轴转动，将液压能转化为机械能，回收马达14和发电机15同轴相连，带动发电机15发电，将机械能转化为电能，经过逆变器16存储在超级电容18中，实现了重力势能的完美回收；回收在 超级电容18中的能量可用于驱动变量泵11，用于整个系统。通过控制主卷扬马达2的排量、回收马达14的排量和发电机15的扭矩来控制钻杆和钻具的下放速度，控制回收马达14的排量和发电机15的转速，来保证钻杆和钻具下放的稳定性，使回收马达14的效率处于高效区和发电机15工作在高效率区，也能保证系统回收效率高。

可见，钻杆和钻具下放过程中，一路油液流至蓄能器25，给蓄能器25充能；另一路经过回收马达14，将重力势能转变为可储存的电能。实际工作时，当蓄能器25充能完成，控制第一换向阀22使其上位工作，切断至蓄能器25的油路，钻杆和钻具下落释放的重力势能通过主卷扬马达2、回收马达14和发电机15转化为电能。当蓄能器25的出口压力低于标定值，控制第一换向阀22使其下位工作，给蓄能器25充能，钻杆和钻具下落释放的重力势能一部分转化为蓄能器25中的液压能，另一部分转化为电能存储。

综上，本发明是依靠钻杆和钻具下落过程中释放重力势能，带动主卷扬马达2转动，将重力势能转化为液压能。主卷扬马达2工作在泵的状态，输出高压油，一部分用于给蓄能器25充能，蓄能器25是制动油缸26的油源，将下落的重力势能回收到系统中，达到了节能的目的。另一部分带动回收马达14的轴转动，将液压能转化为机械能，回收马达14和发电机15同轴相连，将机械能转化为电能，电能经过逆变器16存储在超级电容18中，实现了重力势能的回收，超级电容18中的电能可用来驱动变量泵11。变量泵11采用混合动力驱动，即用电动机10驱动，和用钻杆和钻具下放释放的重力势能驱动，克服了原有的旋挖钻机主卷扬系统下放时重力势能得不到回收的缺点，且主卷扬系统的下放速度和势能回收装系统的回收效率高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：包括油箱(5)、变量泵(11)、第一单向阀(9)、三位四通阀(7)、主卷扬马达(2)、二位三通阀(19)、回收马达(14)、平衡阀(13)、第二单向阀(12)、第一换向阀(22)、第三单向阀(23)、储能器(25)、第二换向阀(24)和制动油缸(26)，所述变量泵(11)的进油口与油箱(5)连接，所述变量泵(11)的出油口与第一单向阀(9)的进油口连接，所述第一单向阀(9)的出油口与三位四通阀(7)的进油口连接，所述三位四通阀(7)的两个工作口分别与主卷扬马达(2)的进口和出口连接，所述三位四通阀(7)的回油口与二位三通阀(19)的工作口连接，所述二位三通阀(19)的回油口与油箱(5)连接，所述二位三通阀(19)的进油口与回收马达(14)的出油口连接，所述回收马达(14)的进油口与平衡阀(13)的进油口连接，所述平衡阀(13)的出油口与第二单向阀(12)的进油口连接，所述第二单向阀(12)的出油口连接在第一单向阀(9)的出油口与三位四通阀(7)的进油口之间，所述第一换向阀(22)的进油口连接在回收马达(14)的出油口与二位三通阀(19)的进油口之间，所述第一换向阀(22)的出油口与第三单向阀(23)的进油口连接，所述第三单向阀(23)的出油口与储能器(25)连接，所述第二换向阀(24)的进油口连接在第三单向阀(23)的出油口与储能器(25)之间，所述第二换向阀(24)的两个工作口分别与制动油缸(26)的进油口和出油口连接，所述第二换向阀(24)的回油口与油箱(5)连接；还包括发电机(15)、逆变器(16)和超级电容(18)，所述发电机(15)的输入轴与回收马达(14)的输出轴同轴连接，所述发电机(15)与逆变器(16)通过电缆连接，所述逆变器(16)与超级电容(18)连接；还包括浮动阀(6)，所述浮动阀(6)的进油口连接在主卷扬马达(2)的进口与三位四通阀(7)的一个工作口之间，所述浮动阀(6)的出油口连接在主卷扬马达(2)的出口与三位四通阀(7)的另一个工作口之间。

2.按照权利要求1所述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第一电动机(17)，所述第一电动机(17)的输出轴与变量泵(11)的输入轴连接，所述第一电动机(17)和逆变器(16)通过电缆连接。

3.按照权利要求1所述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第四单向阀(3-1)和第一溢流阀(4-1)，所述第四单向阀(3-1)的出油口和第一溢流阀(4-1)的进油口并联接在主卷扬马达(2)的出口与三位四通阀(7)的另一个工作口之间。

4.按照权利要求1所述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第五单向阀(3-2)和第二溢流阀(4-2)，所述第五单向阀(3-2)的出油口和第二溢流阀(4-2)的进油口并联接在主卷扬马达(2)的进口与三位四通阀(7)的一个工作口之间。

5.按照权利要求1所述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第一节流阀(20)，所述第一节流阀(20)的进油口与二位三通阀(19)的回油口连接，所述第一节流阀(20)的出油口与油箱(5)连接。

6.按照权利要求1所述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：还包括第二节流阀(21)，所述第二节流阀(21)的进油口连接在回收马达(14)的出油口与二位三通阀(19)的进油口之间，所述第二节流阀(21)的出油口与第一换向阀(22)的进油口连接。

7.按照权利要求1所述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：所述变量泵(11)的出油口与第一单向阀(9)的进油口之间连接有第二溢流阀(8)。

8.按照权利要求1所述的一种旋挖钻机主卷扬下放势能回收系统，其特征在于：所述第二换向阀(24)为两位四通阀。