CN106545534A - 势能回收与再利用系统及旋挖钻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种势能回收与再利用系统及旋挖钻机，其中，势能回收与再利用系统包括第一泵、第一换向阀和工作马达；所述第一泵用于向所述工作马达提供液压油，所述第一换向阀用于控制液压油换向进入所述工作马达的左腔或右腔，所述工作马达用于驱动工作装置下放及提升；所述工作装置下放过程中，所述工作马达的回油路设有能量回收马达，所述能量回收马达将所述工作装置的下放势能回收且通过发电机转换为电能，并通过超级电容进行存储。本发明能够将工作装置下放所释放的势能转换为电能，并通过超级电容进行存储回收，具有节能减排效果，且势能转换为电能后，再利用方式多样化，能够实现能量释放过程连续稳定的控制。

Description

势能回收与再利用系统及旋挖钻机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种势能回收与再利用系统及旋挖钻机。

背景技术

旋挖钻机是一种大型成孔机械设备，按“下放钻杆-钻孔-提升钻杆-抛土”方式进行循环作业，在利用溢流阀背压下放钻杆的过程中，钻杆重力势能全部转化为液压油热能，且大型钻杆的重量达20吨以上，最大可下放距离达100米以上，反复循环下放钻杆过程中，极大的浪费了能量，且使油温不断上升，严重影响整机工作性能。

在当前工程机械领域，重力势能回收主要有液压式，其采用液压蓄能器作为储能元件，一般通过一个或多个蓄能器存储部件下放的势能，然后在其它工作环节中释放存储的能量进入液压系统，使能量再利用。液压式势能回收与再利用技术中，蓄能器的比能量较低，且储存的液压能再利用方式单一，能量释放过程无法连续稳定的控制。

发明内容

本发明的目的是提出一种势能回收与再利用系统及旋挖钻机，其中，势能回收与再利用系统能够将势能转换为电能，能量再利用方式多样化。

为实现上述目的，本发明提供了一种势能回收与再利用系统，其包括第一泵、第一换向阀和工作马达；所述第一泵用于向所述工作马达提供液压油，所述第一换向阀用于控制液压油换向进入所述工作马达的左腔或右腔，所述工作马达用于驱动工作装置下放及提升；所述工作装置下放过程中，所述工作马达的回油路设有能量回收马达，所述能量回收马达将所述工作装置的下放势能回收且通过发电机转换为电能，并通过超级电容进行存储。

在一优选或可选实施例中，所述超级电容电连接电风扇，所述电风扇设于液压油散热器附近，用于为液压油散热器提供冷风，所述液压油散热器用于为所述工作马达所在的液压油路中的液压油进行散热。

在一优选或可选实施例中，所述液压油散热器的进油口处设有温度传感器，所述温度传感器电连接控制器，所述控制器电连接所述电风扇，所述控制器能够根据所述温度传感器发送的温度信号控制所述电风扇的转速。

在一优选或可选实施例中，所述第一换向阀的进油口连通所述第一泵，所述第一换向阀的回油口连通油箱，所述第一换向阀的第一工作油口并联连通第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路均连通所述工作马达的左腔，所述第一换向阀的第二工作油口连通所述工作马达的右腔，所述第一支路设有第一单向阀，所述第一单向阀的进油口连通所述第一换向阀，所述第一单向阀的出油口连通所述工作马达的左腔，所述第二支路设有第二单向阀，所述第二单向阀的进油口连通所述工作马达的左腔，所述第二单向阀的出油口连通所述第一换向阀。

在一优选或可选实施例中，所述能量回收马达设于所述第二支路，且位于所述第二单向阀与所述工作马达之间。

在一优选或可选实施例中，所述第二支路设有第二换向阀，所述第二换向阀位于所述能量回收马达与所述工作马达之间，所述第二换向阀处于第一工作位时，所述工作马达的回油通过所述第二换向阀进入所述能量回收马达，以将势能回收进而转为电能存储于所述超级电容。

在一优选或可选实施例中，所述第二换向阀还连通第二泵，所述第二换向阀处于第二工作位时，所述第二泵通过所述第二换向阀向所述能量回收马达供油，以向所述超级电容补充电能。

在一优选或可选实施例中，所述第二换向阀处于中位时，所述工作马达与所述能量回收马达之间的油路断开，所述第二泵与所述能量回收马达之间的油路断开。

在一优选或可选实施例中，所述第二换向阀与所述第二泵之间的油路设有第三换向阀，所述第三换向阀处于第一工作位，所述第二泵泵入的液压油通过所述第三换向阀回油箱，所述第三换向阀处于第二工作位时，所述第二泵泵入的液压油通过所述第三换向阀进入所述第二换向阀。

为实现上述目的，本发明还提供了一种旋挖钻机，其包括上述任一实施例中的势能回收与再利用系统。

在一优选或可选实施例中，所述工作马达为卷扬马达，所述工作装置为钻杆系统。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过设置能量回收马达、发电机和超级电容，能够将工作装置下放所释放的势能转换为电能，并通过超级电容进行存储回收，具有节能减排效果，且势能转换为电能后，再利用方式多样化，能量释放过程能够实现连续稳定的控制。

在一优选或可选实施例中，本发明将存储于超级电容的能量同步再用于驱动液压油散热器的冷却风扇，能够解决超级电容因为充满电而无法继存储的问题，实现势能的持续回收与再利用，进而提高能量回收率，实现节能最大化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的势能回收与再利用系统的原理示意图。

1-发动机；2-第一泵；3-第一换向阀；4-工作装置；5-工作马达；6-第二换向阀；7-能量回收马达；8-发电机；9-第一DC/DC转换器；10-超级电容；11-第二DC/DC转换器；12-电动机；13-控制器；14-温度传感器；15-风扇；16-液压油散热器；17-第三换向阀；18-第二泵；19-第一单向阀；20-第二单向阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，为本发明提供的势能回收与再利用系统的示意性实施例，在该示意性实施例中，势能回收与再利用系统包括势能回收单元、电能再利用单元和充电单元，其中：

势能回收单元包括第一泵2、第一换向阀3和工作马达5；第一泵2通过发动机1提供动力，第一泵2的进油端连通油箱，第一泵2的出油端通过第一换向阀3连通工作马达5，用于向工作马达5提供液压油，第一换向阀3用于控制液压油换向，在工作装置4下放过程中，第一换向阀3控制液压油进入工作马达5的右腔，在工作装置4提升过程中，第一换向阀3控制液压油进入工作马达5的左腔，工作马达5驱动工作装置4，用于驱动工作装置4下放及提升；在工作装置4下放过程中，工作马达5的回油路设有能量回收马达7，能量回收马达7连接于发电机8，发电机8可以通过第一DC/DC转换器9连接于超级电容10。本发明通过能量回收马达7将工作装置4的下放势能回收，进而通过发电机8将回收的势能转换为电能，并通过超级电容10进行存储，超级电容10可以电连接用电装置，本发明通过液电方式实现连续循环作业工况下的势能回收，并将回收的能量用于驱动用电装置，能够实现势能的持续回收与再利用。

第一换向阀3的进油口连通第一泵2，第一换向阀3的回油口连通油箱，第一换向阀3的第一工作油口并联连通第一支路和第二支路，第一支路和第二支路均连通工作马达5的左腔，第一换向阀3的第二工作油口连通工作马达5的右腔，第一支路设有第一单向阀19，第一单向阀19的进油口连通第一换向阀3，第一单向阀19的出油口连通工作马达5的左腔，第二支路设有第二单向阀20，第二单向阀20的进油口连通工作马达5的左腔，第二单向阀20的出油口连通第一换向阀3。能量回收马达7设于第二支路，且位于第二单向阀20与工作马达5之间。

上述实施例中的第一换向阀3至少具有三个工作位：当工作装置4处于下放状态，第一换向阀3切换至第一工作位，第一换向阀3控制液压油进入工作马达5的右腔，工作马达5的左腔回油进入能量回收马达7进行势能回收，部分回油通过第一换向阀3回油箱；当工作装置4处于提升状态，第一换向阀3切换至第二工作位，第一换向阀3控制液压油进入工作马达5的左腔，工作马达5的右腔回油通过第一换向阀3回油箱；其他状态，第一换向阀3处于中位，第一换向阀3的进油口进入的液压油通过第一换向阀3的回油口回油箱。

势能回收单元的工作过程为：发动机1驱动第一泵2，当工作装置4需要下放作业时，第一换向阀3切换至第一工作位，工作马达5反转，使工作马达5的回油通过能量回收马达7，进而驱动发电机8进行发电，第一DC/DC转换器9将发电机8输出的电压及电流转换至所需规格，实现超级电容10的快速充电。

上述实施例中，工作装置4下放所释放的势能转换为电能，并通过超级电容10进行存储回收，具有节能减排效果，回收的势能转化为电能后再利用方式多样化，能量释放过程能够连续稳定的控制，且工作装置4的下放速度，可以通过调整能量回收马达7的排量及发电机8的扭矩进行反馈控制。

本发明通过势能回收单元将势能转化为电能并存储，比现有技术中的液压式势能回收方法更加适用于旋挖钻机的大能量连续回收，且使能量再利用方式更加灵活多样。

电能再利用单元中的用电装置包括电风扇，还包括液压油散热器16，电风扇包括电动机12和风扇15，超级电容10可以通过第二DC/DC转换器11电连接电风扇的电动机12，为风扇15转动提供动力，同时，发电机8可以通过第一DC/DC转换器9和第二DC/DC转换器11电连接电风扇的电动机12，为风扇15转动提供动力。风扇15设于液压油散热器16附近，用于为液压油散热器16提供冷风，液压油散热器16用于为工作马达5所在的液压油路中的液压油进行散热。进一步的，液压油散热器16的进油口可以连通第一换向阀3的回油油路，液压油散热器16的出油口连通油箱。

在一优选或可选实施例中，液压油散热器16的进油口处设有温度传感器14，温度传感器14用于采集液压油散热器16的进油口处的温度信号。温度传感器14电连接控制器13，控制器13电连接电风扇的电动机12，控制器13接收温度传感器14采集的温度信号，并能够根据温度传感器14发送的温度信号控制风扇15的转速，使风扇15的转速随液压油散热器16的进油口温度变化，从而实现液压油冷却系统的智能控制。

本发明通过液压油散热器16的进油口温度信号控制电动机12驱动风扇15转动，实现液压油冷却系统的智能控制，提升液压系统的热管理能力。

上述实施例汇中，电风扇可以为吸风式，驱动冷却空气吹过液压油散热器16。液压油散热器16可以为风冷板翅式，内部介质为高温液压油，外部介质为冷空气。

电能再利用单元的工作过程为：当超级电容10处于充电状态时，第二DC/DC转换器11将第一DC/DC转换器9输出的电压及电流进行转换，以驱动电动机12，从而驱动风扇15转动；当超级电容10处于放电状态时，第二DC/DC转换器11将超级电容10输出的电压及电流进行转换，以驱动电动机12，从而驱动风扇15转动。同时控制器13接收温度传感器14采集的温度信号，并输出控制信号给电动机12，使风扇15转速随液压油散热器16的进油口温度变化，实现液压油冷却系统的智能控制。

上述实施例中，通过液电方式实现连续循环作业工况下的势能回收，并将回收的能量用于驱动液压油散热器16的冷却风扇15，能够实现势能的持续回收与再利用。本发明将回收存储于超级电容10的能量进行同步再利用，能够避免超级电容10因为充满电而无法继存储的问题，从而能够使能量回收持续进行，进而提高能量回收率。

本发明通过电能再利用单元将回收存储的电能用于驱动液压油冷却风扇，取代一般的液压泵马达驱动方式，实现了电能再利用，并有利于控制成本，且在旋挖钻机一个作业循环内回收的能量与液压油冷却风扇消耗能量基本相当，能够使超级电容充电与释放过程合理化，实现节能效果最大化。

充电单元包括第二换向阀6，第二换向阀6设于第二支路，第二换向阀6位于能量回收马达7与工作马达5之间。第二换向阀6还连通第二泵18，第二泵18可以通过发动机1提供动力，驱动液压油进入第二换向阀6。

第二换向阀6至少具有三个工作位：

若工作装置4处于下放状态，则第二换向阀6切换至第一工作位，切换至势能回收单元，工作马达5的回油通过第二换向阀6进入能量回收马达7，以将势能回收进而转为电能存储于超级电容10。

若工作装置4处于非下放状态，且超级电容10内的电压在最低工作值之下，则第二换向阀6切换至第二工作位，切换至充电单元，第二泵18通过第二换向阀6向能量回收马达7供油，以向超级电容10补充电能。

若工作装置4处于非下放状态，且超级电容10内的电压在最低工作值之上，则第二换向阀6切换至中位，工作马达5与能量回收马达7之间的油路断开，第二泵18与能量回收马达7之间的油路断开。

第二换向阀6与第二泵18之间的油路还可以设有第三换向阀17，第三换向阀17至少具有两个工作位：

若工作装置4处于非下放状态，且超级电容10内的电压在最低工作值之下，则第三换向阀17切换至第二工作位，第二换向阀6切换至第二工作位，第二泵18泵入的液压油通过第三换向阀17进入第二换向阀6，充电单元开始工作；否则，第三换向阀17处于第一工作位，第二泵18泵入的液压油通过第三换向阀17回油箱，进行卸荷。

充电单元的工作过程为：若超级电容10内的电压处在最低工作值之下，且工作装置4处于非下放状态，则第三换向阀17切换至第二工作位，第二换向阀6切换至第二工作位，发动机1驱动第二泵18，第二泵1泵入的液压油通过第二换向阀6进入能量回收马达7，驱动能量回收马达7，进而驱动发电机8进行发电，第一DC/DC转换器9将发电机8输出的电压及电流转换至所需规格，实现超级电容10的快速充电。

由于车辆上没有可供持续使用的电源，本发明将充电单元与势能回收单元一体化设计，用于确保钻杆系统非下放且超级电容无法正常工作情况下液压油冷却风扇能够正常工作，且使系统最简化。

上述实施例中，第一换向阀3可以采用三位三通电磁换向阀；第二换向阀6可以采用三位三通电磁换向阀；第三换向阀17可以采用二位三通电磁换向阀。

在一优选或可选实施例中，第一泵2与第一换向阀3之间的油路还可以旁接支路，支路上可以设置溢流阀，溢流阀的出油口连通油箱，通过溢流阀对液压系统进行压力保护。

本发明还提供了一种旋挖钻机，其包括上述任一实施例中的势能回收与再利用系统。在旋挖钻机的示意性实施例中，工作马达5为卷扬马达，工作装置4为钻杆系统。

本发明提供的势能回收与再利用系统能够实现卷扬及钻杆系统下放速度的控制，取代溢流阀溢流背压下放方式，避免因为溢流方式产生大量热而使油温升高。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (11)

1.一种势能回收与再利用系统，其特征在于：包括第一泵(2)、第一换向阀(3)和工作马达(5)；所述第一泵(2)用于向所述工作马达(5)提供液压油，所述第一换向阀(3)用于控制液压油换向进入所述工作马达(5)的左腔或右腔，所述工作马达(5)用于驱动工作装置(4)下放及提升；所述工作装置(4)下放过程中，所述工作马达(5)的回油路设有能量回收马达(7)，所述能量回收马达(7)将所述工作装置(4)的下放势能回收且通过发电机(8)转换为电能，并通过超级电容(10)进行存储。

2.如权利要求1所述的势能回收与再利用系统，其特征在于：所述超级电容(10)电连接电风扇，所述电风扇设于液压油散热器(16)附近，用于为液压油散热器(16)提供冷风，所述液压油散热器(16)用于为所述工作马达(5)所在的液压油路中的液压油进行散热。

3.如权利要求2所述的势能回收与再利用系统，其特征在于：所述液压油散热器(16)的进油口处设有温度传感器(14)，所述温度传感器(14)电连接控制器(13)，所述控制器(13)电连接所述电风扇，所述控制器(13)能够根据所述温度传感器(14)发送的温度信号控制所述电风扇的转速。

4.如权利要求1所述的势能回收与再利用系统，其特征在于：所述第一换向阀(3)的进油口连通所述第一泵(2)，所述第一换向阀(3)的回油口连通油箱，所述第一换向阀(3)的第一工作油口并联连通第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路均连通所述工作马达(5)的左腔，所述第一换向阀(3)的第二工作油口连通所述工作马达(5)的右腔，所述第一支路设有第一单向阀(19)，所述第一单向阀(19)的进油口连通所述第一换向阀(3)，所述第一单向阀(19)的出油口连通所述工作马达(5)的左腔，所述第二支路设有第二单向阀(20)，所述第二单向阀(20)的进油口连通所述工作马达(5)的左腔，所述第二单向阀(20)的出油口连通所述第一换向阀(3)。

5.如权利要求4所述的势能回收与再利用系统，其特征在于：所述能量回收马达(7)设于所述第二支路，且位于所述第二单向阀(20)与所述工作马达(5)之间。

6.如权利要求5所述的势能回收与再利用系统，其特征在于：所述第二支路设有第二换向阀(6)，所述第二换向阀(6)位于所述能量回收马达(7)与所述工作马达(5)之间，所述第二换向阀(6)处于第一工作位时，所述工作马达(5)的回油通过所述第二换向阀(6)进入所述能量回收马达(7)，以将势能回收进而转为电能存储于所述超级电容(10)。

7.如权利要求6所述的势能回收与再利用系统，其特征在于：所述第二换向阀(6)还连通第二泵(18)，所述第二换向阀(6)处于第二工作位时，所述第二泵(18)通过所述第二换向阀(6)向所述能量回收马达(7)供油，以向所述超级电容(10)补充电能。

8.如权利要求7所述的势能回收与再利用系统，其特征在于：所述第二换向阀(6)处于中位时，所述工作马达(5)与所述能量回收马达(7)之间的油路断开，所述第二泵(18)与所述能量回收马达(7)之间的油路断开。

9.如权利要求7所述的势能回收与再利用系统，其特征在于：所述第二换向阀(6)与所述第二泵(18)之间的油路设有第三换向阀(17)，所述第三换向阀(17)处于第一工作位，所述第二泵(18)泵入的液压油通过所述第三换向阀(17)回油箱，所述第三换向阀(17)处于第二工作位时，所述第二泵(18)泵入的液压油通过所述第三换向阀(17)进入所述第二换向阀(6)。

10.一种旋挖钻机，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的势能回收与再利用系统。

11.如权利要求10所述的旋挖钻机，其特征在于：所述工作马达(5)为卷扬马达，所述工作装置(4)为钻杆系统。