CN112435569A - 重力势能回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源回收技术领域，具体而言，涉及一种重力势能回收装置，其包括底座、安装在底座上的井架和钻台、固定在钻台上的绞车组件、可移动安装在井架上的游动组件以及固定在井架顶部的天车组件，绞车组件还连接复合电池组，复合电池组与绞车组件均与控制总成连接，从卷筒输出的钢丝绳往复穿过固定滑轮组以及游动滑轮组，通过游动滑轮组的运动可以若干倍的增加输出钢丝绳的速度以及长度，提高势能回收率；整个装置结构简单，可以有效收集和储存由于高度变化产生的势能，可以有效的节约能源，降低能耗，最大程度的利用资源。
Description
技术领域
本发明涉及能源回收技术领域，具体而言，涉及一种重力势能回收装置。
背景技术
目前，在石油钻井、起重机作业等的工业过程中，都会涉及到控制重物上下运动，产生高度方向的变化，因此，不可避免的，也会产生重力势能上面的输入和输出，在石油钻井和起重机的作业过程中，会有数百万米的累计升降高度差，由重物势能产生的能量也基本都是浪费掉的，因此，设计一种势能回收设备，可以有效的节约能源，降低能耗，除此之外，在实验研究和教学中也没有相关的设备，可以更好的研究和观察重力势能的影响因素，以便更好地回收和利用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种重力势能回收装置，以解决现有技术中在石油钻井和起重机等的领域中，由于起吊和下方重物产生的重力势能不能很好地被回收利用，能源利用率低，能耗较大等的问题，同时因其结构简单、占地面积小等的特点，将该势能回收装置制作成样机，应用在实验研究和教学相关领域，为研究势能以及其相关参数的关系提供设备支持。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种重力势能回收装置，其包括底座、安装在底座上的井架和钻台、固定在钻台上的绞车组件、可移动安装在井架上的游动组件以及固定在井架顶部的天车组件，绞车组件还连接复合电池组，复合电池组与绞车组件均与控制总成连接；井架上安装有导轨，游动组件可移动安装在导轨上；绞车组件包括电机、减速器以及连接在减速器输出端的卷筒，卷筒上缠绕有钢丝绳；游动组件包括游动滑轮组、置物框以及导向轮组，滑轮组安装在置物框顶部，导向轮组固定在置物框两侧；天车组件包括天车架以及固定在天车架上的固定滑轮组；从卷筒输出的钢丝绳往复穿过固定滑轮组以及游动滑轮组之后，末端固定在天车架上。
进一步的，底座包括两个主纵梁、连接在主纵梁之间的两个主横梁以及两个横拉梁，主横梁上安装有橡胶缓冲垫。
进一步的，井架包括两个立梁以及连接在立梁之间的横梁，导轨竖直固定在立梁上，导轨为H型钢。
进一步的，底座底部固定有气垫式隔振器。
进一步的，主纵梁上固定有销轴座，立梁底部固定有连接块，连接块上带有通孔，销轴穿过通孔与销轴座将立梁连接在主纵梁上。
进一步的，导向轮组包括固定在置物框两侧的固定板以及可转动安装在固定板上的若干滚轮，滚轮的滚动方向分为垂直于固定板和平行于固定板两个方向，沿着导轨的外表面以及两个侧面滚动。
进一步的，固定滑轮组和游动滑轮组包括若干组滑轮。
进一步的，钢丝绳末端通过钢丝绳固定器固定在天车架上。
进一步的，复合电池组包括超级电容组、磷酸锂电池组、保护电阻、电池控制单元组、电池充电接口以及电池放电接口，电池充电接口以及电池放电接口分别与电池控制单元组连接，超级电容组、磷酸锂电池组以及保护电阻并联在电池控制单元组上，电池充电接口还与电机的控制板连接。
进一步的，控制总成包括主控制器以及与主控制器连接的显示屏，主控制器与电池控制单元组连接，控制超级电容组、磷酸锂电池组、保护电阻、电池充电接口以及电池放电接口的开关。
本发明具有以下有益效果：
(1)该重力势能回收装置，结构简单，可以有效收集由于高度变化产生的势能，节约能源，降低能耗；
(2)该势能回收装置由于结构简单，体积较小，因此还可以用于实验室中，利用该装置可以研究和观察重力势能的影响因素，以便更好地回收和利用势能；
(3)该势能回收装置设置有游动组件和天车组件，从卷筒输出的钢丝绳往复穿过固定滑轮组以及游动滑轮组，通过游动滑轮组的运动可以若干倍的增加输出钢丝绳的速度以及长度，提高势能回收率；主横梁上安装有橡胶缓冲垫，提高设备运行的安全性，游动滑轮组突发状况下突然下落起到缓冲作用，防止对井架造成冲击；
(4)井架和底座之间通过销轴连接，使得井架与底座之间存在活动余量，防止游动滑轮组在井架上下活动过程中产生的应力集中破坏井架的强度，可以有效地增加零部件的使用寿命。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是底座结构示意图；
图3是井架结构示意图；
图4是钻台结构示意图；
图5是天车组件结构示意图；
图6是绞车组件结构示意图；
图7是图6中的A处放大图；
图8是导向轮组与导轨的装配示意图；
图9是图8中B处放大示意图；
图10是钢丝绳连接示意图；
图11是复合电池组连接示意图；
图12是控制总成与复合电池组连接示意图；
其中，上述附图包括以下附图标记：1、底座；11、主纵梁；12、隔振器；13、横拉梁；14、主横梁；15、橡胶缓冲垫；16、销轴座；2、井架；21、立梁；22、横梁；23、导轨；24连接块；3、钻台；4、绞车组件；5、天车组件；51、天车架；52、固定滑轮组；52a、固定滑轮Ⅰ；52b、固定滑轮Ⅱ；52c、固定滑轮Ⅲ；52d、固定滑轮Ⅳ；52e、固定滑轮Ⅴ；6、游动组件；61、置物框；62、导向轮组；621、固定板；622、滚轮；63、游动滑轮组；63a、游动滑轮Ⅰ；63b、游动滑轮Ⅱ；63c、游动滑轮Ⅲ；63d、游动滑轮Ⅳ；63e、游动滑轮Ⅴ；7、复合电池组；71、超级电容组；72、磷酸锂电池组；73、保护电阻；74、电池控制单元组；75、电池充电接口；76、电池放电接口；8、控制总成；81、主控制器；82、显示屏；9、钢丝绳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1-12所示，本发明所述的重力势能回收装置包括底座1、安装在底座上的井架2和钻台3、固定在钻台上的绞车组件4、可移动安装在井架上的游动组件6以及固定在井架顶部的天车组件5，绞车组件还连接复合电池组7，复合电池组与绞车组件均与控制总成8连接；井架上安装有导轨23，游动组件可移动安装在导轨上。
如图2所示，底座由若干型钢焊接后机械加工而成，各型钢之间通过螺栓连接。底座包括两个主纵梁11、连接在主纵梁之间的两个主横梁14以及两个横拉梁13，主横梁上安装有橡胶缓冲垫15，其中两个主纵梁通过两组横拉梁和两组主横梁通过螺栓连接组成一个框架。橡胶缓冲垫与横梁通过沉头螺钉连接。
如图3所示，井架包括两个立梁21以及连接在立梁之间的横梁22，导轨竖直固定在立梁上，导轨为H型钢。立梁与横梁使用螺栓连接。两个立梁分别由两组框架式立梁组成，两个框架式立梁之间可以拆卸，防止整个立梁的高度过高，在运输的时候，将两侧的立梁分别拆成两组框架式立梁，方便运输。框架式立梁之间通过销轴连接组成立梁；左、右侧立梁与横梁通过若干组螺栓连接，在左右侧立梁上分别竖直安装有一个轨道，轨道为H型钢，底座底部固定有气垫式隔振器12。
如图4所示，绞车组件包括电机、减速器以及连接在减速器输出端的卷筒，卷筒上缠绕有钢丝绳9；
如图6所示，游动组件包括游动滑轮组63、置物框61以及导向轮组62，滑轮组安装在置物框顶部，导向轮组固定在置物框两侧，置物框是由型材焊接而成的容器，方便加载重物。
如图5所示，天车组件包括天车架51以及固定在天车架上的固定滑轮组52；从卷筒输出的钢丝绳往复穿过固定滑轮组以及游动滑轮组之后，末端通过钢丝绳固定器固定在天车架上。
如图7-图9所示，导向轮组包括固定在置物框两侧的固定板621以及可转动安装在固定板上的若干滚轮622，滚轮的滚动方向分为垂直于固定板和平行于固定板两个方向，沿着导轨的外表面以及两个侧面滚动。
固定滑轮组和游动滑轮组包括若干组滑轮，从卷筒输出的钢丝绳9往复穿过固定滑轮组52以及游动滑轮组63中的若干滑轮之后，末端固定在天车架51上。
如图11、图12所示，复合电池组7由超级电容组71、磷酸锂电池组72、保护电阻73、电池控制单元组74、电池充电接口75、电池放电接口76组成，电池充电接口以及电池放电接口分别与电池控制单元组连接，超级电容组、磷酸锂电池组以及保护电阻并联在电池控制单元组上，电池充电接口还与电机的控制板连接。具体过程为：充电时可以控制磷酸锂电池组和保护电阻的断开，瞬时电流直接充入超级电容组；电量平衡阶段时，超级电容组和磷酸锂电池通过控制单元连接，电阻断开，超级电容组向磷酸锂电池组充电；放电时，超级电容组和电阻断开，磷酸锂电池组供电；当磷酸锂电池组充满时，超级电容组和磷酸锂电池组通过控制单元与电池充电接口断开，电阻通过控制单元与电磁充电口连接，将多余的重量势能以热量的形式消耗。
控制总成包括主控制器81以及与主控制器连接的显示屏82，主控制器与电池控制单元组连接，控制超级电容组、磷酸锂电池组、保护电阻、电池充电接口以及电池放电接口的开关。
电机控制板与复合电池组中的电池充电接口连接，主控制器与复合电池组中的电池控制单元组连接。主控制器还与显示屏连接，显示屏做输入和输出显示用：当作为输入用时，作用类似于按钮，负责信号的通断电；输出用时，显示超级电容组的瞬时电压、电流参数、磷酸锂电池组的电量百分比以及复合电池组中超级电容组、磷酸锂电池组、保护电阻组与电池充电口的接通或断开状态；显示屏上显示复合电池组中储存的电量以及接口的开关状态，且设置有紧急制动按钮。上述复合电池组以及控制总成的具体控制以及充电过程为现有技术，并非本发明的主要创新点，在此不做赘述。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，井架通过立梁固定在底座上，底座的主纵梁上固定有销轴座16，井架的立梁底部固定有连接块24，连接块上带有通孔，销轴穿过通孔与销轴座将井架连接在主纵梁；销轴底座与主纵梁通过螺栓连接；井架和底座之间通过销轴连接，使得井架与底座之间存在活动余量，防止游动滑轮组在井架上下活动过程中发生晃动，损伤井架与底座之间的连接处。其他部分与实施例1一致。
本发明的使用过程如下所述：
如图10所示，以固定滑轮组和游动滑轮组上的滑轮数量分别为5个为例，进行使用过程的说明，绞车的卷筒上缠绕有钢丝绳若干米，钢丝绳固定端首先穿过天车组件上固定滑轮组中的第一组固定滑轮Ⅰ52a，然后穿过游动滑轮组上第一组游动滑轮Ⅰ63a，之后依次穿过固定滑轮Ⅱ52b、游动滑轮Ⅱ63b、固定滑轮Ⅲ52c、游动滑轮Ⅲ63c、固定滑轮Ⅳ52d、游动滑轮Ⅳ63d、固定滑轮Ⅴ52e、游动滑轮Ⅴ63e，最后钢丝绳固定端通过钢丝绳固定器固定在天车架上，重物放置在置物框内，随着游动组件沿着导轨上下运动，当起重机或者钻井作业中需要将重物下放的时候，重物在重力的作用下带动游动组件沿着导轨向下移动，此时，在固定滑轮组和游动滑轮组中多重滑轮的作用下，卷筒以10倍的速度释放钢丝绳，产生的能量通过电池充电接口给复合电池组充电，复合电池组中储存的电能可以为钻井和起重机等重物上升阶段供电，因此可以极大的利用能源，节省资源。
该申请所涉及的技术方案除了应用在钻井、起重机等实际作业中之外，本发明所涉及的重力势能回收装置因其简单的结构以及比较小的占地面积可以应用在实验室研究中，用于研究重力势能的变化与瞬时速度、加速度、载重量、下落高度等参数之间的关系，填补了势能回收研究中试验器具的空白，通过改变固定滑轮组和游动滑轮组上的滑轮组数以及重物在不同下落瞬间的瞬时速度、制动时的加速度、载重量、下落高度等参数，研究收集到的电能量多少，以便后期更好地利用重力势能。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前端”、“后端”、“左右”“上”、“下”、“水平”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的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种重力势能回收装置，其特征在于，包括底座(1)、安装在底座(1)上的井架(2)和钻台(3)、固定在钻台(3)上的绞车组件(4)、可移动安装在井架(2)上的游动组件(6)以及固定在井架(2)顶部的天车组件(5)，绞车组件(4)还连接复合电池组(7)，复合电池组(7)与绞车组件(4)均与控制总成(8)连接；井架(2)上安装有导轨(23)，游动组件(6)可移动安装在导轨(23)上；绞车组件(4)包括电机、减速器以及连接在减速器输出端的卷筒，卷筒上缠绕有钢丝绳(9)；游动组件(6)包括游动滑轮组(63)、置物框(61)以及导向轮组(62)，滑轮组安装在置物框(61)顶部，导向轮组(62)固定在置物框(61)两侧；天车组件(5)包括天车架(51)以及固定在天车架(51)上的固定滑轮组(52)；从卷筒输出的钢丝绳(9)往复穿过固定滑轮组(52)以及游动滑轮组(63)之后，末端固定在天车架(51)上。
2.根据权利要求1所述的重力势能回收装置，其特征在于，底座(1)包括两个主纵梁(11)、连接在主纵梁(11)之间的两个主横梁(14)以及两个横拉梁(13)，主横梁(14)上安装有橡胶缓冲垫(15)。
3.根据权利要求2所述的重力势能回收装置，其特征在于，井架(2)包括两个立梁(21)以及连接在立梁(21)之间的横梁(22)，导轨(23)竖直固定在立梁(21)上，导轨(23)为H型钢。
4.根据权利要求1所述的重力势能回收装置，其特征在于，底座(1)底部固定有气垫式隔振器(12)。
5.根据权利要求3所述的重力势能回收装置，其特征在于，主纵梁(11)上固定有销轴座(16)，立梁(21)底部固定有连接块(24)，连接块(24)上带有通孔，销轴穿过通孔与销轴座(16)将立梁(21)连接在主纵梁(11)上。
6.根据权利要求3所述的重力势能回收装置，其特征在于，导向轮组(62)包括固定在置物框(61)两侧的固定板(621)以及可转动安装在固定板(621)上的若干滚轮(622)，滚轮(622)的滚动方向分为垂直于固定板(621)和平行于固定板(621)两个方向，沿着导轨(23)的外表面以及两个侧面滚动。
7.根据权利要求1所述的重力势能回收装置，其特征在于，固定滑轮组(52)和游动滑轮组(63)包括若干组滑轮。
8.根据权利要求1所述的重力势能回收装置，其特征在于，钢丝绳(9)末端通过钢丝绳(9)固定器固定在天车架(51)上。
9.根据权利要求1所述的重力势能回收装置，其特征在于，复合电池组(7)包括超级电容组(71)、磷酸锂电池组(72)、保护电阻(73)、电池控制单元组(74)、电池充电接口(75)以及电池放电接口(76)，电池充电接口(75)以及电池放电接口(76)分别与电池控制单元组(74)连接，超级电容组(71)、磷酸锂电池组(72)以及保护电阻(73)并联在电池控制单元组(74)上，电池充电接口(75)还与电机的控制板连接。
10.根据权利要求1所述的重力势能回收装置，其特征在于，控制总成(8)包括主控制器(81)以及与主控制器(81)连接的显示屏(82)，主控制器(81)与电池控制单元组(74)连接，控制超级电容组(71)、磷酸锂电池组(72)、保护电阻(73)、电池充电接口(75)以及电池放电接口(76)的开关。
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