KR101121705B1 - Apparatus And Method For Recovering Potential Energy Of Boom In A Construction Machinery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 건설기계의 붐 위치에너지 회생 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 모습에 따라, 제어신호 입력에 따라 정, 역방향으로 구동되는 전기모터; 전기모터에 의해 양방향으로 구동되는 양방향 유압펌프; 양방향 유압펌프와 붐 유압실린더의 라지챔버 사이에 형성되며 작동유가 흐르는 라지챔버라인; 양방향 유압펌프와 붐 유압실린더의 스몰챔버 사이에 형성되며 작동유가 흐르는 스몰챔버라인; 라지챔버와 스몰챔버를 포함하여 이루어지며 라지챔버와 스몰챔버 내의 작동유에 의해 신축구동되는 붐 유압실린더; 라지챔버라인 및 스몰챔버라인에서 각각 분기된 유로들과 입구포트들을 형성하고 탱크에 연결된 리턴라인과 출구포트를 형성하되, 붐 상승시 탱크로의 리턴라인을 차단하고 붐 하강 시 스몰챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시키는 방향제어밸브부; 방향제어밸브부의 출구포트로부터 탱크로 회수되는 작동유가 흐르는 리턴라인; 붐 하강시 고압의 라지챔버라인에서 저압의 스몰챔버라인으로 흐르는 작동유에 의해 역방향 구동되는 유압펌프의 구동에 의해 발전하는 발전기; 발전기에 의해 생성되는 전기에너지를 저장하는 배터리; 및 사용자의 조작신호에 따라 전기모터, 발전기, 방향제어밸브부를 구동시키도록 제어신호를 출력하는 메인컨트롤러; 를 포함하여 이루어지며, 여기에서 배터리에 저장된 전기에너지를 붐 상승시 이용하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치를 제안한다.The present invention relates to a boom potential energy regeneration device and method of construction machinery. According to one aspect of the invention, the electric motor driven in the forward, reverse direction in accordance with the control signal input; A bidirectional hydraulic pump driven in both directions by an electric motor; A large chamber line formed between the two-way hydraulic pump and the large chamber of the boom hydraulic cylinder and through which hydraulic fluid flows; A small chamber line formed between the two-way hydraulic pump and the small chamber of the boom hydraulic cylinder and through which hydraulic fluid flows; A boom hydraulic cylinder including a large chamber and a small chamber and being telescopically driven by hydraulic oil in the large chamber and the small chamber; Forming flow paths and inlet ports branched from the large chamber line and the small chamber line, respectively, and forming a return line and an outlet port connected to the tank, block the return line to the tank when the boom is raised, and the small chamber line and the return when the boom is lowered. A direction control valve unit forming a flow path between lines; A return line through which hydraulic oil is returned to the tank from the outlet port of the directional control valve; A generator that is generated by driving a hydraulic pump reversely driven by hydraulic oil flowing from the high pressure large chamber line to the low pressure small chamber line when the boom is lowered; A battery storing electrical energy generated by a generator; And a main controller for outputting a control signal to drive the electric motor, the generator, and the direction control valve unit according to a user's operation signal. It is made, including, here it proposes a boom potential energy regeneration device for a construction machine, characterized in that to use the electrical energy stored in the battery when the boom rises.
건설기계, 붐, 위치에너지, 회생, 양방향 유압펌프, 전기모터, 방향제어밸브, 굴착 Construction machinery, boom, potential energy, regeneration, two-way hydraulic pump, electric motor, directional control valve, excavation
Description
본 발명은 건설기계의 붐 위치에너지 회생 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 기존의 유압 장치의 방향 전환 밸브를 대신하여 전기모터의 정역회전 방향 및 속도를 제어하여 붐의 유압실린더를 상승 및 하강하게 하며, 붐 실린더의 하강 작동 시 위치에너지에 따른 유압에 의해 전기에너지를 발전하여 배터리로 충전이 가능한 건설기계의 붐 위치에너지 회생 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a boom potential energy regeneration device and method of construction machinery. Specifically, the hydraulic cylinder of the boom is raised and lowered by controlling the forward and reverse rotation direction and speed of the electric motor in place of the direction change valve of the existing hydraulic system, and the electric pressure is applied by the hydraulic pressure according to the position energy during the lowering operation of the boom cylinder. The present invention relates to a boom potential energy regeneration device and method for construction machinery capable of generating energy and charging energy.
일반적으로, 유압시스템은 단위면적당 출력이 크고 과부하(오버로드) 방지가 간단하고 정확하게 된다. 또한 힘 조정이 용이하고 정확하고, 진동이 적으며 작동이 원활한 특징 등으로 큰 힘이 요구되는 분야, 예컨대 굴삭기, 크레인과 같은 건설중장비 등에 많이 사용된다. 반면에 건설 중장비에서 유압시스템은 유압실린더 등의 액츄에이터에 작동유를 공급하는 유압펌프를 구동시키는 구동장치(엔진, 모터 등)에 의해 작업을 하지않는 경우에도 구동되므로 에너지 손실이 상당히 많은 것으 로 알려지고 있다. 특히 굴삭기의 경우 엔진 출력을 최대로 하여도 약 20% 정도만이 유효하게 이용되고 있어 더욱 많은 에너지 효율이 필요한 실정이다. In general, the hydraulic system has a high output per unit area and simple and accurate overload protection. In addition, the force adjustment is easy, accurate, low vibration, smooth operation, etc. are used in a field that requires a large force, for example, heavy construction equipment such as excavators, cranes. On the other hand, in the heavy construction equipment, the hydraulic system is driven even when not operated by a driving device (engine, motor, etc.) that drives a hydraulic pump that supplies hydraulic oil to an actuator such as a hydraulic cylinder. have. In the case of excavators, especially, even when the engine power is maximized, only about 20% is effectively used, which requires more energy efficiency.
근래에 다양한 분야에 에너지 절감형 액추에이터를 적용하기 위한 많은 연구와 개발이 진행되고 있다. (주)두산인프라코어의 공개특허공보 제2008-0006667호는 건설기계에서의 유압펌프 제어방법에 관한 것으로, 유압펌프에서 토출되는 유체의 압력 변화량에 따라 엔진의 목표 회전수를 설정하고, 설정한 엔진의 목표 회전수에서 실제 회전수를 뺀 차이 값에 따라 전자감압 비례밸브를 제어하며, 이와 같이, 전자감압 비례밸브가 제어되어 유압펌프의 토출 유량이 조정되고, 엔진은 정격 회전수로 구동되는 것을 개시한다. Recently, many researches and developments for applying energy-saving actuators to various fields have been conducted. Published Patent Publication No. 2008-0006667 of Doosan Infracore Co., Ltd. relates to a method of controlling a hydraulic pump in a construction machine, and sets a target rotational speed of an engine according to a pressure change amount of a fluid discharged from a hydraulic pump. The electronic pressure reduction proportional valve is controlled according to the difference value obtained by subtracting the actual rotational speed from the target rotational speed of the engine.In this way, the electronic pressure reduction proportional valve is controlled to adjust the discharge flow rate of the hydraulic pump, and the engine is driven at the rated rotational speed. To start.
코벨코 건설기계의 일본국 공개특허공보 제2002-330554호는 엔진 및 전동기를 갖춘 하이브리드 차량의 전력 제어장치 및 해당 전력 제어장치를 갖춘 하이브리드 건설기계에 관한 것으로, 발전기로부터 출력되는 전력을 직류로 변환해 직류 라인으로 출력하는 발전기 전력 변환 회로와 배터리, 콘덴서로부터 출력되는 전력을 직류로 변환해 직류 라인으로 출력하는 초퍼 회로와 직류 라인을 개입시켜 공급되는 전력에 기초하여 전동기를 구동하는 전동기 구동 회로와 전동기를 개입시켜 부하로부터 요구되는 전력에 응한 직류 전력을 직류 라인에 출력할 수 있도록, 부하로부터의 요구 전력의 변동에 관계없이 직류 라인의 전압이 거의 일정하게 유지되도록 발전기 전력 변환 회로, 초퍼 회로를 제어하는 전력 제어 회로를 구비하고 있다.Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-330554 of Kobelco Construction Equipment relates to a power control device for a hybrid vehicle equipped with an engine and an electric motor, and a hybrid construction machine with the corresponding power control device. The power output from the generator is converted into direct current. The generator power conversion circuit outputs the direct current to the DC line, the chopper circuit converts the power output from the battery and the condenser into direct current and outputs the direct current to the DC line, and the motor drive circuit drives the motor based on the power supplied through the DC line. The generator power conversion circuit and the chopper circuit are designed so that the voltage of the DC line is maintained almost constant regardless of a change in the required power from the load so that DC power corresponding to the power required from the load can be output through the motor. A power control circuit for controlling is provided.
본 발명은 종래의 유압 장치의 방향 전환 밸브를 대신하여 전기모터와 양방향 유압펌프 일체형 구동유닛으로 구비하고, 전기모터의 정역회전 방향 및 속도를 제어하여 붐의 유압실린더를 상승 및 하강하게 하며, 붐 하강 작동 시에 발전기가 작동되어 전기에너지를 발전하여 배터리로 충전이 가능한 건설기계의 붐 위치에너지 회생 장치 및 방법을 제공하고자 한다. The present invention is provided with an electric motor and a two-way hydraulic pump integrated driving unit in place of the conventional direction change valve of the hydraulic device, and controls the forward and reverse rotation direction and speed of the electric motor to raise and lower the hydraulic cylinder of the boom, The generator is operated during the descent operation to generate electrical energy to charge the battery boom potential energy regenerative apparatus and method of construction machinery.
또한 종래의 귀환라인 상에 별도의 유압모터를 구비하여 발전하는 대신에, 양방향 유압펌프를 통해 붐 하강시 고압라인에서 저압라인으로 흐르는 작동유에 의해 작동되는 유압펌프에 의해 유압펌프에 연결된 전기모터를 역방향으로 가속 회전시켜 발전기를 구동하도록 하는 건설기계의 붐 위치에너지 회생 장치 및 방법을 제공하고자 한다. In addition, instead of having a separate hydraulic motor on the conventional return line for power generation, an electric motor connected to the hydraulic pump by a hydraulic pump operated by a hydraulic oil flowing from a high pressure line to a low pressure line when the boom descends through a bidirectional hydraulic pump. An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for regenerating a boom potential energy of a construction machine to drive a generator by rotating in a reverse direction.
게다가, 붐 유압실린더의 수축의 경우를 붐 하강과 굴착의 경우로 구별하여 판단하도록 하여, 굴착시에는 유압펌프를 통과한 후 고압이 되도록 하고 전기모터의 역방향 회전의 경우에도 발전기가 작동되지 않아 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하고자 한다.In addition, the contraction of the boom hydraulic cylinder is judged by distinguishing the boom lowering and the excavation, and during excavation, the hydraulic pressure is passed after passing through the hydraulic pump, and the generator does not operate even in the reverse rotation of the electric motor. It is intended to improve the efficiency.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 모습에 따라, 제어신호 입력에 따라 정, 역방향으로 구동되는 전기모터; 전기모터에 의해 양방향으로 구동 되는 양방향 유압펌프; 양방향 유압펌프와 붐 유압실린더의 라지챔버 사이에 형성되며 작동유가 흐르는 라지챔버라인; 양방향 유압펌프와 붐 유압실린더의 스몰챔버 사이에 형성되며 작동유가 흐르는 스몰챔버라인; 라지챔버와 스몰챔버를 포함하여 이루어지며 라지챔버와 스몰챔버 내의 작동유에 의해 신축구동되는 붐 유압실린더; 라지챔버라인 및 스몰챔버라인에서 각각 분기된 유로들과 입구포트들을 형성하고 탱크에 연결된 리턴라인과 출구포트를 형성하되, 붐 상승시 탱크로의 리턴라인을 차단하고 붐 하강 시 스몰챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시키는 방향제어밸브부; 방향제어밸브부의 출구포트로부터 탱크로 회수되는 작동유가 흐르는 리턴라인; 붐 하강시 고압의 라지챔버라인에서 저압의 스몰챔버라인으로 흐르는 작동유에 의해 역방향 구동되는 유압펌프의 구동에 의해 발전하는 발전기; 발전기에 의해 생성되는 전기에너지를 저장하는 배터리; 및 사용자의 조작신호에 따라 전기모터 및 방향제어밸브부를 구동시키도록 제어신호를 출력하는 메인컨트롤러; 를 포함하여 이루어지며, 여기에서 배터리에 저장된 전기에너지를 붐 상승시 이용하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치를 제안한다.In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, the electric motor is driven in the reverse direction, in accordance with the control signal input; Two-way hydraulic pump driven in both directions by the electric motor; A large chamber line formed between the two-way hydraulic pump and the large chamber of the boom hydraulic cylinder and through which hydraulic fluid flows; A small chamber line formed between the two-way hydraulic pump and the small chamber of the boom hydraulic cylinder and through which hydraulic fluid flows; A boom hydraulic cylinder including a large chamber and a small chamber and being telescopically driven by hydraulic oil in the large chamber and the small chamber; Forming flow paths and inlet ports branched from the large chamber line and the small chamber line, respectively, and forming a return line and an outlet port connected to the tank, block the return line to the tank when the boom is raised, and the small chamber line and the return when the boom is lowered. A direction control valve unit forming a flow path between lines; A return line through which hydraulic oil is returned to the tank from the outlet port of the directional control valve; A generator that is generated by driving a hydraulic pump reversely driven by hydraulic oil flowing from the high pressure large chamber line to the low pressure small chamber line when the boom is lowered; A battery storing electrical energy generated by a generator; And a main controller configured to output a control signal to drive the electric motor and the direction control valve unit according to a user's operation signal. It is made, including, here it proposes a boom potential energy regeneration device for a construction machine, characterized in that to use the electrical energy stored in the battery when the boom rises.
바람직하게는, 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치는 라지챔버와 스몰챔버의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하여 이루어지고, 전술한 메인컨트롤러는 붐 유압실린더의 로드가 하강하는 경우에 압력센서로부터 수신된 신호에 따라 라지챔버의 압력이 스몰챔버의 압력보다 높은 경우 붐 하강으로 판단하고 라지챔버의 압력이 스몰챔버의 압력보다 작은 경우 굴착으로 판 단하고, 방향제어밸브부는 굴착 시 라지챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시키는 것을 특징으로 한다.Preferably, according to another aspect of the present invention, the boom potential energy regeneration device of the construction machine further comprises a pressure sensor for measuring the pressure of the large chamber and the small chamber, the above-described main controller is a boom hydraulic cylinder If the load of the lower chamber is lower than the pressure of the small chamber according to the signal received from the pressure sensor, it is determined that the boom is lowered. If the pressure of the large chamber is smaller than the pressure of the small chamber, it is judged as excavation. Directional control valve portion is characterized in that when forming the flow path between the large chamber line and the return line.
또 바람직하게는, 본 발명의 또 다른 하나의 모습에 따라, 전술한 방향제어밸브부는: 라지챔버라인 및 스몰챔버라인에서 각각 분기된 유로들과 입구포트들을 형성하는 3방향절환밸브; 및 3방향절환밸브의 출구포트 측에 연결된 입구포트와 탱크에 연결된 리턴라인과 출구포트를 형성하되, 붐 상승시 탱크로의 리턴라인을 차단하고 붐 하강 시 3방향절환밸브를 통한 스몰챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시키고 굴착 시 3방향절환밸브를 통한 라지챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시키는 가변 릴리프 밸브;를 포함하여 이루어지고, 리턴라인은 가변 릴리프 밸브의 출구포트로부터 탱크로 작동유를 회수하는 것을 특징으로 한다.Further preferably, according to another aspect of the present invention, the above-mentioned direction control valve unit: a three-way switching valve for forming the flow paths and inlet ports branched from the large chamber line and the small chamber line, respectively; And a return line and an outlet port connected to the tank and an inlet port connected to the outlet port side of the three-way switching valve, and blocking the return line to the tank when the boom is raised, and a small chamber line through the three-way switching valve when the boom is lowered. A variable relief valve that forms a flow path between the return lines and a large chamber line through the three-way switching valve and a return line between the return lines when excavating, and the return line is configured to supply hydraulic fluid from the outlet port of the variable relief valve to the tank. It is characterized by recovering.
바람직하게는, 또한, 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치는 라지챔버라인 상에 로직밸브를 더 포함하여 이루어지고, 로직밸브는 메인컨트롤러에 의해 제어되며, 붐 상승 시 오프되어 라지챔버라인에서 상승 유로가 유지되도록 하며, 붐 하강 및 굴착 시 작동되어 라지챔버라인에서 하강 유로가 유지되도록 하며 작동유의 일부를 탱크로 회수하는 것을 특징으로 한다.Preferably, also according to another aspect of the present invention, the boom potential energy regeneration device of the construction machine further comprises a logic valve on the large chamber line, the logic valve is controlled by the main controller, the boom It is turned off when it is raised to maintain the up flow path in the large chamber line, and is operated when the boom is lowered and excavated so that the down flow path is maintained in the large chamber line and recovers a part of the working oil to the tank.
게다가, 바람직하게는, 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치는: 라지챔버라인 및 스몰챔버라인 각각에서 분기되어 탱크로 연 결되는 유로 상에 붐의 상승, 붐의 하강 및 굴착 시 역류방지를 위해 설치된 체크밸브들; 및 라지챔버라인 및 스몰챔버라인 각각의 설정된 압력 이상의 경우에 회로의 안정을 위해 작동하도록 설치된 릴리프 밸브;를 더 포함하여 이루어진다.Further preferably, according to another aspect of the present invention, the boom potential energy regenerative device of the construction machine includes: a boom lift, a boom on a flow path branched from each of the large chamber line and the small chamber line to a tank; Check valves installed to prevent backflow during lowering and digging; And a relief valve installed to operate to stabilize the circuit in a case where the pressure is larger than each of the large chamber line and the small chamber line.
바람직하게는, 게다가, 본 발명의 또 다른 하나의 모습에 따라, 전술한 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치들의 전기모터와 발전기는 일체형 유닛으로 이루어지고, 일체형 유닛은 모터 겸용 발전기인 것을 특징으로 한다. Preferably, in addition, according to another aspect of the present invention, the electric motor and the generator of the boom potential energy regenerative devices of the construction machine described above is formed as an integrated unit, characterized in that the integrated unit is a motor combined generator. .
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 하나의 모습에 따라, (a) 사용자의 붐 조작신호를 입력받는 단계; (b) 입력받은 조작신호에 따라 붐 유압실린더의 신장 또는 수축 신호여부를 판단하는 단계; (c) 전술한 (b)단계에서 붐 유압실린더의 신장 신호로 판단된 경우, 전기모터를 정방향 구동시켜 양방향 유압펌프가 구동되게 하고, 양방향 유압펌프에 연결된 라지챔버라인을 통해 붐 유압실린더의 라지챔버로 작동유를 공급하며 동시에 붐 유압실린더의 스몰챔버와 탱크로부터의 작동유를 스몰챔버라인을 통해 양방향 유압펌프로 흡입시킴으로써 붐 유압실린더를 신장시켜 붐을 상승시키는 단계; (d) 전술한 (b)단계에서 붐 유압실린더의 수축 신호로 판단된 경우, 붐 유압실린더의 라지챔버와 스몰챔버의 계측된 압력신호를 받아, 라지챔버의 압력이 스몰챔버의 압력보다 큰 경우 붐 하강으로 판단하고 라지챔버의 압력이 스몰챔버의 압력보다 작은 경우 굴착으로 판단하는 단계; (e) 전술한 (d)단계에서 굴착으로 판단된 경우, 전기모터를 역방향 구동시켜 양방향 유 압펌프가 역방향 구동되게 하고, 양방향 유압펌프에 연결된 스몰챔버라인을 통해 붐 유압실린더의 스몰챔버로 고압의 작동유를 공급하며 동시에 붐 유압실린더의 라지챔버로부터 회수되는 작동유의 일부를 라지챔버라인을 통해 양방향 유압펌프로 흡입하고 나머지 일부는 라지챔버라인에서 분기된 유로를 통해 탱크로 회수함으로써 붐 유압실린더를 수축시키는 단계; (f) 전술한 (d)단계에서 붐 하강으로 판단된 경우, 전기모터의 작동을 차단시켜 붐 위치에너지에 의해 양방향 유압펌프가 역방향 구동되게 하거나 전기모터의 역방향 구동과 붐 위치에너지에 의해 상기 유압펌프가 역방향 구동되게 하고, 붐 유압실린더의 라지챔버로부터 회수되는 고압의 작동유를 라지챔버라인을 통해 양방향 유압펌프로 흡입하여 양방향 유압펌프에 연결된 스몰챔버라인을 통해 작동유의 일부를 붐 유압실린더의 스몰챔버로 공급하고 나머지 작동유의 일부는 스몰챔버라인에서 분기된 유로를 통해 탱크로 회수함으로써 붐 유압실린더를 수축시키고 붐을 하강시키는 단계; (g) 전술한 (f)단계에서 붐 하강시 붐 위치에너지에 의한 양방향 유압펌프의 역방향 구동에 따라 발전기가 구동되어 발전하고 발전된 전기에너지를 배터리에 저장하는 단계; 및 (h) 전술한 (g)단계에서 저장된 에너지를 사용하여 전술한 (c), (e) 또는 (f)단계에서 전기모터를 구동시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 건설기계의 붐 위치에너지 회생 방법을 제안한다.In order to achieve the above object, according to another aspect of the invention, (a) receiving a boom operation signal of the user; (b) determining whether the boom hydraulic cylinder is extended or retracted according to the received operation signal; (c) If it is determined in the above step (b) that the extension signal of the boom hydraulic cylinder, the electric motor is driven forward to drive the two-way hydraulic pump, the large boom hydraulic cylinder through a large chamber line connected to the two-way hydraulic pump Supplying the hydraulic oil to the chamber and simultaneously sucking the small chamber of the boom hydraulic cylinder and the hydraulic oil from the tank with the bidirectional hydraulic pump through the small chamber line to extend the boom hydraulic cylinder to raise the boom; (d) When it is determined that the contraction signal of the boom hydraulic cylinder is determined in step (b), the measured pressure signal of the large chamber and the small chamber of the boom hydraulic cylinder is received, and the pressure of the large chamber is larger than the pressure of the small chamber. Determining that the boom is lowered and determining that the pressure of the large chamber is smaller than the pressure of the small chamber is excavation; (e) If it is determined that the excavation in step (d) described above, the bidirectional hydraulic pump is driven in the reverse direction by driving the electric motor in the reverse direction, the high pressure into the small chamber of the boom hydraulic cylinder through the small chamber line connected to the bidirectional hydraulic pump To supply hydraulic fluid to the boom hydraulic cylinder, and at the same time, a part of the hydraulic oil recovered from the large chamber of the boom hydraulic cylinder is sucked into the bidirectional hydraulic pump through the large chamber line, and the other part is returned to the tank through the branch branched from the large chamber line. Shrinking; (f) If it is determined in step (d) that the boom is lowered, the operation of the electric motor is interrupted and the bidirectional hydraulic pump is driven in reverse by the boom position energy, or the hydraulic pressure is reversed by the reverse driving of the electric motor and the boom position energy. The pump is driven in the reverse direction, and the high pressure hydraulic oil recovered from the large chamber of the boom hydraulic cylinder is sucked into the bidirectional hydraulic pump through the large chamber line, and a part of the hydraulic oil is transferred to the small portion of the boom hydraulic cylinder through the small chamber line connected to the bidirectional hydraulic pump. Contracting the boom hydraulic cylinder and lowering the boom by supplying the chamber and recovering a part of the remaining working oil to the tank through a flow path branched from the small chamber line; (g) generating power by driving the generator according to the reverse driving of the bidirectional hydraulic pump by the boom position energy when the boom lowers in the above-mentioned step (f) and storing the generated electrical energy in the battery; And (h) using the energy stored in step (g) to drive the electric motor in step (c), (e) or (f). It proposes a boom potential energy regeneration method for a construction machine comprising a.
본 발명의 바람직한 실시예는 앞서 언급된 기술적 특징의 가능한 다양한 조합에 따른 실시예들을 포함하고 있다.Preferred embodiments of the invention include embodiments according to various possible combinations of the above mentioned technical features.
본 발명의 모습에 따라 전기모터와 양방형 유압펌프 일체형 구동유닛으로 구비하고, 전기모터의 정역회전 방향 및 속도를 제어하여 붐의 유압실린더를 상승 및 하강하게 하며, 붐 하강 작동 시에 발전기가 작동되어 전기에너지를 발전하여 배터리로 충전이 가능하게 되었다. In accordance with the aspect of the present invention is provided with an electric motor and a two-way hydraulic pump integrated drive unit, controlling the forward and reverse rotation direction and speed of the electric motor to raise and lower the hydraulic cylinder of the boom, the generator is operated during the boom lowering operation As a result, electric energy is generated and can be charged by a battery.
또한 양방향 유압펌프를 통해 붐 하강시 고압라인에서 저압라인으로 흐르는 작동유에 의해 작동되는 유압펌프에 의해 유압펌프에 연결된 전기모터를 역방향으로 가속 회전시켜 발전기를 구동하도록 하는 건설기계의 붐 위치에너지 회생 장치 및 방법을 구현하게 되었다.In addition, the boom position energy regeneration device of construction machinery that drives the generator by rotating the electric motor connected to the hydraulic pump in the reverse direction by the hydraulic pump operated by the hydraulic oil flowing from the high pressure line to the low pressure line when the boom is lowered through the bidirectional hydraulic pump. And methods.
게다가, 붐 유압실린더의 수축의 경우를 붐 하강과 굴착의 경우로 구별 판단하여, 굴착시에는 유압펌프를 통과한 후 고압이 되도록 하고 전기모터의 역방향 회전의 경우에도 발전기가 작동되지 않아 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 되었다.In addition, the contraction of the boom hydraulic cylinder is judged to be divided into the boom lowering and the excavation, and during excavation, the hydraulic pressure is passed after passing through the hydraulic pump, and the generator does not operate even in the case of reverse rotation of the electric motor. I can improve it.
또한, 본 발명에 의한 에너지 절감 전기유압회로는 다음과 같은 이점을 갖는다. 필요 작업 시에만 전기모터를 구동하여 양방향 유압펌프를 구동하여 에너지 절감을 획기적으로 줄일 수 있다. 위치에너지가 부하로 작용 시에 전기모터와 발전기를 사용하여 유압 실린더의 위치에너지를 전기에너지로 회생할 수 있다. 따라서 기존의 유압 기기에 대해 많은 에너지가 절감/재생 될 수 있다.In addition, the energy saving electric hydraulic circuit according to the present invention has the following advantages. The electric motor can be driven only when necessary to drive the two-way hydraulic pump, which can dramatically reduce energy savings. When potential energy acts as a load, electric motor and generator can be used to regenerate the potential energy of hydraulic cylinder into electric energy. Therefore, a lot of energy can be saved / recycled for the existing hydraulic equipment.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.It is apparent that various effects not directly mentioned in accordance with various embodiments of the present invention may be derived by those skilled in the art from various configurations according to embodiments of the present invention.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 중복되거나 발명의 의미를 한정적으로 해석되게 할 수 있는 부가적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 생략될 수 있다.Embodiments of the present invention for achieving the above object are described with reference to the accompanying drawings. In describing the embodiments, the same reference numerals refer to the same configuration, and additional descriptions that may overlap or limit the meaning of the invention may be omitted in describing the embodiments of the present invention.
본 발명은 전기모터와 양방향 유압펌프 일체형 구동유닛으로 건설기계, 예컨대 굴삭기의 붐 유압실린더의 하강 작업으로 회수되는 유량으로 발전기를 구동하여 유압에너지를 전기에너지로 변환하여 에너지를 회생하고 붐 유압실린더의 상승 작업시 회생된 에너지를 사용하는 에너지 회생 시스템으로써, 건설기계 중장비의 중량물을 싣고 상하운동을 하는 굴삭기, 휠로더, 크레인과 같은 장비에 사용할 수 있다.The present invention is a drive unit integrated with an electric motor and a two-way hydraulic pump drive the generator at a flow rate recovered by the lowering operation of the construction machine, for example, the boom hydraulic cylinder of the excavator to convert the hydraulic energy into electrical energy to regenerate the energy of the boom hydraulic cylinder It is an energy regeneration system that uses the regenerated energy in the ascending operation, and can be used for equipment such as excavators, wheel loaders, and cranes that load heavy materials of construction machinery heavy equipment and move up and down.
우선, 본 발명의 하나의 모습에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치를 도면을 참조하여 살펴본다.First, the boom potential energy regeneration device for a construction machine according to an aspect of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치 의 개략적인 회로도이다. 도 2 내지 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 붐 상승 시, 붐 슬로우 하강 시 및 붐 빠른 하강 시를 나타내는 개략적인 회로도이다.1 is a schematic circuit diagram of a boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an embodiment of the present invention. 2 to 4 is a schematic circuit diagram showing when the boom rises, the boom slows down and the booms rapidly lowered in the boom potential energy regeneration device of the construction machine according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예는 전기모터(10), 양방향 유압펌프(20), 라지챔버라인, 스몰챔버라인, 붐 유압실린더(30), 방향제어밸브부(40), 리턴라인, 발전기(60) 및 배터리(70)를 포함하고 있다. 또한 도시되지 않았으나, 본 발명의 실시예는 메인컨트롤러를 더 포함하여 이루어진다. 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Referring to FIG. 1, one embodiment of the present invention includes an
전기모터(10)는 메인컨트롤러(도시되지 않음)로부터의 제어신호 입력에 따라 정, 역방향으로 구동된다. 바람직하게, 전기모터(10)의 메인컨트롤러에 의한 제어는 전기모터(10)로 전력을 공급하는 메인전원(파워서플라이)(77)에 의한 전력공급을 제어함으로써 이루어질 수 있다. 제어신호에 따라 회전방향 및 회전속도가 결정된다. 전기모터(10)는 메인전원(파워서플라이)(77)으로부터 전력을 공급받아 작동된다. 메인컨트롤러에 의해 메인전원(파워서플라이)(77)가 제어되어 구동되면 전기모터(10)로 전력을 공급하여 전기모터(10)가 작동되게 된다. 전기모터(10)가 정방향으로 구동되는 경우 양방향 유압펌프(20)에 의해 라지챔버(31)로 작동유를 유입시키게 되므로 붐 유압실린더(30)의 로드(35)가 상승하며 유압실린더(30)가 신장되어 붐이 상승하게 되고, 전기모터(10)가 역방향으로 구동되는 경우에는 양방향 유압펌프(20)에 의해 스몰챔버(33)로 작동유를 유입시키게 되므로 붐 유압실린더(30)의 로드(35)가 하강하며 유압실린더(30)가 수축되어 붐이 하강하게 된다.The
바람직하게는, 하나의 실시예에서, 도시되지 않았으나, 전기모터(10)는 발전기(60)와 일체형으로 이루어질 수 있고, 예컨대 모터 겸용 발전기일 수 있다.Preferably, in one embodiment, although not shown, the
양방향 유압펌프(20)는 전기모터(10)에 결합되며, 전기모터(10)의 회전방향에 따라 양방향으로 구동된다. 또한 바람직하게는 전기모터(10)의 회전속도에 따라 펌프 용량이 가변되게 된다. 양방향 유압펌프(20)를 구비하여 전기모터(10)에 접속시킴으로써 전기모터(10)의 회전방향 및 속도를 제어함으로써 간단하게 제어할 수 있다.The bidirectional
건설기계의 붐 유압실린더(30)는 라지챔버(31)와 스몰챔버(33)를 포함하여 이루어지며, 라지챔버(31)와 스몰챔버(33) 내의 작동유의 유압에 의해 신축구동된다. 라지챔버(31)는 실린더 로드(35)의 하측 챔버이고, 스몰챔버(33)는 로드(35)의 일부가 포함된 챔버를 말한다. 라지챔버(31)와 스몰챔버(33) 내의 작동유는 양방향 유압펌프(20)의 구동에 따라 붐 유압실린더(30)를 신축구동하게 된다.The boom
라지챔버라인은 양방향 유압펌프(20)와 붐 유압실린더(30)의 라지챔버(31) 사이에 형성되며, 스몰챔버라인은 양방향 유압펌프(20)와 붐 유압실린더(30)의 스몰챔버(33) 사이에 형성된다. 라지챔버라인과 스몰챔버라인은 전기모터(10)의 회전에 따른 양방향 유압펌프(20)의 구동에 의해 작동유가 흐른다. 또한 붐의 하강시에는 붐의 위치에너지에 의해서도 작동유가 스몰챔버라인에서는 스몰챔버(33)로 유입되고 라지챔버라인에서는 라지챔버(31)에서 유출된다. The large chamber line is formed between the two-way
도 1을 참조하면, 방향제어밸브부(40)는 라지챔버라인 및 스몰챔버라인에서 각각 분기된 유로들과 입구포트들을 형성하고, 탱크(50)에 연결된 리턴라인과 출구 포트를 형성하고 있다. 방향제어밸브부(40)의 동작은 메인컨트롤러에 의해 제어된다. 도 2를 참조하면, 방향제어밸브부(40)는 붐 상승시, 즉 붐 유압실린더(30)의 신장시에는 탱크(50)로의 리턴라인을 차단한다. 또한 도 3 및 4를 참조하면, 붐 하강 시, 즉 붐 유압실린더(30)의 수축시에는 스몰챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시킨다. Referring to FIG. 1, the direction
바람직하게는, 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이 방향제어밸브부(40)는 3방향절환밸브(41)와 가변 릴리프 밸브(43)를 포함하여 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 3방향절환밸브(41)는 라지챔버라인 및 스몰챔버라인에서 각각 분기된 유로들과 입구포트들을 형성한다. 3방향절환밸브(41)의 출구포트 측에 가변 릴리프 밸브(43)의 입구포트가 연결되며, 가변 릴리프 밸브(43)의 출구포트 측에 탱크(50)에 연결된 리턴라인이 연결되게 된다. 그에 따라, 3방향절환밸브(41)와 가변 릴리프 밸브(43)의 작동에 의해 붐 상승시 탱크(50)로의 리턴라인을 차단하고, 붐 하강 시 3방향절환밸브(41) 및 가변 릴리프 밸브(43)를 통한 스몰챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시킨다.Preferably, as shown in FIGS. 1 to 4, the direction
리턴라인은 방향제어밸브부(40)의 출구포트로부터 탱크(50) 사이에 형성되며, 탱크(50)로 작동유를 회수하는 유로이다. The return line is formed between the
발전기(60)는 붐 하강 시 붐의 위치에너지를 이용하여 발전한다. 구체적으로 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 붐 하강시 고압의 라지챔버라인에서 저압의 스몰챔버라인으로 흐르는 작동유에 의해 유압펌프(20)가 역방향으로 구동된다. 유압펌프(20)의 역방향 구동에 의해 발전기(60)가 구동되어 발전한다. 바람직하게는, 이 때 유압펌프(20)에 연결된 전기모터(10)가 전원공급이 차단된 채로 축 구동하여 전기모터(10)에 연결된 발전기(60)가 발전할 수 있으며, 또는 유압펌프(20)에 연결된 전기모터(10)가 작동유의 흐름에 의해 유압펌프(20)의 역방향 구동에 의해 전원에 의한 역방향 구동력을 초과하여 가속 구동됨으로써 발전기(60)가 발전할 수 있다. 도 3은 붐 하강시 전원에 의한 전기모터(10)의 역방향 구동이 없이 붐 하중에 의한 위치에너지에 의해 유압펌프(20)가 역방향 구동됨에 따라 전기모터(10)의 축이 역방향으로 구동되어 발전기(60)가 발전하는 것으로, 위치에너지의 회생이 큰 것을 나타내고, 도 4는 붐 하강시 전원에 의한 전기모터(10)의 역방향 구동에 더하여 붐 위치 에너지에 의한 유압펌프(20)의 역방향향 구동에 따라 전기모터(10)가 역방향으로 가속 구동되어 발전기(60)가 발전하는 것을 나타낸다. 도 3 및 4에서 발전기(60)의 구동과 전기모터(10)의 구동여부는 메인컨트롤러에 의해 결정된다.The
바람직하게는, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도시도지 않았으나, 전기모터(10)와 발전기(60)는 일체형 유닛으로 이루어질 수 있고, 이 경우 일체형 유닛은 모터 겸용 발전기일 수 있다.Preferably, according to one embodiment of the present invention, although not shown, the
배터리(70)는 발전기(60)에 의해 생성되는 전기에너지를 저장한다. 도 1에 도시된 바를 참조하면, 발전기(60)에 의해 생성된 전기에너지를 AC/DC 컨버터(73)에 의해 직류로 변환하여 배터리(70)에 저장하게 된다. 배터리(70)에 저장된 전기에너지는 인버터(75)를 통해 메인전원(77)에 공급되어 예컨대 붐 상승 시 이용될 수 있다. 도 1과 달리, 직류발전기를 사용함으로써 발전된 전기를 컨버터(73)없이 바로 배터리(70)에 충전되도록 할 수도 있다. 또한 전기모터(10)로 직류 모터를 사 용하는 경우에는 도 1과 달리 인버터(75)없이 배터리(70)에 저장된 전기에너지를 메인전원(파워서플라이)(77)에 바로 공급할 수도 있다. The
도시되지 않았으나, 메인컨트롤러는 사용자의 조작신호, 예컨대 조이스틱 조작신호 입력에 따라 전기모터(10), 발전기(60) 및 방향제어밸브부(40)를 구동시키도록 제어신호를 출력한다.Although not shown, the main controller outputs a control signal to drive the
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 굴착 시를 나타내는 개략적인 회로도이고, 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 작동방법을 나타내는 흐름도이다.5 is a schematic circuit diagram illustrating an excavation of a boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is a boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an embodiment of the present invention Flow chart showing how to operate.
도 5 및 6을 참조하여, 바람직한 본 발명의 또 하나의 실시예를 살펴본다. 도시되지 않았으나, 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치는 라지챔버(31)와 스몰챔버(33)의 압력을 측정하는 압력센서(도시되지 않음)를 더 포함한다. 메인컨트롤러(도시되지 않음)는 압력센서(도시되지 않음)로부터 신호를 수신한다. 붐 유압실린더(30)의 로드(35)가 하강하는 경우, 즉 유압실린더(30)의 수축시에 메인컨트롤러(도시되지 않음)는 유압실린더(30)의 수축이 붐 하강에 따른 것인지 굴착(digging)에 따른 것인지를 판단하기 위해, 수신된 압력신호를 비교 판단한다. 이 경우, 라지챔버(31)의 압력이 스몰챔버(33)의 압력보다 높은 경우 붐 하강으로 판단하고, 라지챔버(31)의 압력이 스몰챔버(33)의 압력보다 작은 경우 굴착(digging)으로 판단한다. 5 and 6, another preferred embodiment of the present invention will be described. Although not shown, the boom potential energy regeneration device of the construction machine further includes a pressure sensor (not shown) for measuring the pressure of the
본 발명에서 유압실린더 로드(35)의 상승은 유압실린더(30)의 신장과 동일하 고 유압실린더 로드(35)의 하강은 유압실린더(30)의 수축과 동일한 의미로 사용된다. 반면에, 붐 하강은 유압실린더 로드(35)의 하강, 즉 유압실린더(30)의 수축이나, 유압실린더(30)의 모든 수축이 본 발명에서의 용어 '붐 하강'에 해당되지 않으며, '굴착' 시에도 유압실린더(30)가 수축하게 됨에 주의해야 한다. 도 6에서 붐 다운은 유압실린더 로드(35)의 하강을 의미하고, 붐 업은 유압실린더 로드(35)의 상승을 의미한다. The rise of the
또한 본 실시예에서, 방향제어밸브부(40)는 굴착 시 라지챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시킨다. 그리하여 탱크(50)로 작동유의 일부가 회수되도록 하여 라지챔버라인의 압력을 낮추게 된다.In addition, in the present embodiment, the direction
도 1 내지 6을 참조하여 본 발명의 또 다른 하나의 실시예를 살펴본다. With reference to Figures 1 to 6 look at another embodiment of the present invention.
바람직하게는, 도 1을 참조하면 방향제어밸브부(40)는 3방향절환밸브(41) 및 가변 릴리프 밸브(43)를 포함하여 이루어진다. 3방향절환밸브(41)는 바람직하게는 3포트 3위치 솔레노이드 밸브이다. 3방향절환밸브(41)는 라지챔버라인 및 스몰챔버라인에서 각각 분기된 유로들과 입구포트들을 형성하고, 출구포트 측에 가변 릴리프 밸브(43)가 연결된다. 가변 릴리프 밸브(43)의 출구포트는 탱크(50)에 연결된 리턴라인과 연결된다. 리턴라인을 통해 가변 릴리프 밸브(43)의 출구포트로부터 탱크(50)로 작동유가 회수된다.Preferably, referring to FIG. 1, the direction
본 실시예에서의 가변 릴리프 밸브(43)는 붐 상승시 탱크(50)로의 리턴라인을 차단하고, 붐 하강 시에는 3방향절환밸브(41)와 연계하여 스몰챔버라인과 리턴 라인 간 유로를 형성시킨다. 그리고 굴착 시에는 3방향절환밸브(41)와 연계하여 라지챔버라인과 리턴라인 간 유로를 형성시킨다.The
바람직하게는, 또한, 본 발명의 또 하나의 실시예를 살펴본다. 도 1 내지 5를 참조하면, 본 실시예의 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치는 라지챔버라인 상에 로직밸브(80)를 더 포함하여 이루어진다. 로직밸브(80)는 메인컨트롤러(도시되지 않음)에 의해 제어되며, 붐 상승 시 오프되어 라지챔버라인에서 상승 유로가 유지되도록 하고, 붐 하강 및 굴착 시 작동되어 라지챔버라인에서 하강 유로가 유지되도록 하한다. 붐 하강 및 굴착 시 로직밸브(80)를 통해 작동유의 일부가 탱크(50)로 회수된다.Preferably, also looks at another embodiment of the present invention. 1 to 5, the boom potential energy regeneration device of the construction machine of the present embodiment further comprises a
게다가, 본 발명의 또 하나의 실시예를 도 1 내지 5를 참조하여 살펴보면, 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치는 체크밸브들(90) 및 설정된 압력 이상의 경우에 회로의 안정을 위해 작동하는 릴리프 밸브(95)를 더 포함하여 이루어진다. 라지챔버라인 및 스몰챔버라인 각각에서 분기되어 탱크(50)로 연결되는 유로 상에 붐의 상승, 붐의 하강 및 굴착 시 역류방지를 위해 체크밸브들(90)이 설치된다. 릴리프 밸브(95)는 라지챔버라인 및 스몰챔버라인 각각의 설정된 압력 이상의 경우에 회로의 안정을 위해 작동하도록 설치된다. 도 1 내지 5에 도시된 바와 같이, 라지챔버라인 및 스몰챔버라인에서 분기되어 릴리프 밸브(95)로 연결된 유로 상에도 서로 다른 라인으로 역류방지를 위해 체크밸브들(90)이 설치된다.Furthermore, referring to another embodiment of the present invention with reference to Figs. 1 to 5, the boom potential energy regenerative device of a construction machine is a
다음으로, 본 발명의 다른 하나의 모습에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생 방법을 도면을 참조하여 살펴본다. 본 발명의 구체적인 실시예를 설명함에 있어서 앞선 건설기계의 붐 위치에너지 회생 장치의 실시예에서 참조된 부호와 동일한 부호는 동일구성을 의미하고, 그에 대한 구체적인 설명은 앞선 실시예들을 참조한다.Next, a look at the boom potential energy regeneration method of the construction machine according to another aspect of the present invention with reference to the drawings. In describing the specific embodiment of the present invention, the same reference numerals as the reference numerals in the embodiment of the boom potential energy regeneration device of the construction machine refer to the same configuration, and the detailed description thereof refers to the above embodiments.
도 7은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 작동방법을 나타내고 또는 건설기계의 붐 위치에너지 회생 방법을 나타낸다.7 is a flowchart showing a boom potential energy regeneration method of a construction machine according to another embodiment of the present invention, Figure 6 is a method of operating a boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an embodiment of the present invention Or a boom potential energy regeneration method for a construction machine.
도 6 및 7을 참조하면, 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생 방법은 다음의 (a) 내지 (h)단계(S100 내지 S800)를 포함하여 이루어진다.6 and 7, the method for regenerating boom potential energy of a construction machine according to an embodiment includes the following steps (a) to (h) (S100 to S800).
먼저, (a)단계(S100)에서는 사용자의 붐 조작신호를 입력받는다. 예컨대 붐 조작레버의 조작신호를 메인컨트롤러(도시되지 않음)에서 수신한다. First, in step (a) (S100), the user receives a boom operation signal. For example, the operation signal of the boom operation lever is received by the main controller (not shown).
(b)단계(S200)에서는 (a)단계(S100)에서 입력받은 조작신호에 따라 붐 유압실린더(30)의 신장 또는 수축 신호여부를 판단한다.In step (S200), it is determined whether the boom
그리고 (c)단계(S300)에서는 (b)단계(S200)에서 붐 유압실린더(30)의 신장 신호로 판단된 경우, 전기모터(10)를 정방향 구동시켜 양방향 유압펌프(20)가 구동되게 한다. 그에 따라, 양방향 유압펌프(20)에 연결된 라지챔버라인을 통해 붐 유압실린더(30)의 라지챔버(31)로 작동유가 공급되며 동시에 붐 유압실린더(30)의 스 몰챔버(33)와 탱크(50)로부터의 작동유가 스몰챔버라인을 통해 양방향 유압펌프(20)로 흡입된다. 그리하여, (c)단계(S300)에서 붐 유압실린더(30)를 신장시켜 붐을 상승시키게 된다. 여기에서 양방향 유압펌프(20)는 바람직하게는 가변형이다.And in step (c) (S300), if it is determined that the extension signal of the boom
바람직하게는 붐 상승의 경우 라지챔버라인과 스몰챔버라인으로부터 각각 분기된 유로와 입구포트로 연결되는 방향제어밸브부(40)에 의해 탱크(50)로의 리턴유로가 차단된다. 더 바람직하게는 라지챔버라인과 스몰챔버라인으로부터 각각 분기된 유로와 입구포트로 연결되는 3방향 절환밸브(41)의 출구포트에 연결되는 가변형 릴리프 밸브(43)를 구비하여 가변형 릴리프 밸브(43)를 제어하여 탱크(50)로의 리턴유로를 차단시킨다.Preferably, the return flow path to the
한편, (d)단계(S400)에서는 (b)단계(S200)에서 붐 유압실린더(30)의 수축 신호로 판단된 경우, 붐 유압실린더(30)의 라지챔버(31)와 스몰챔버(33)의 계측된 압력신호를 받아, 라지챔버(31)의 압력이 스몰챔버(33)의 압력보다 큰 경우 붐 하강으로 판단하고 라지챔버(31)의 압력이 스몰챔버(33)의 압력보다 작은 경우 굴착으로 판단한다.On the other hand, in step (d) (S400), when it is determined that the contraction signal of the boom
그리고 (e)단계(S500)에서는 (d)단계(S400)에서 굴착으로 판단된 경우, 전기모터(10)를 역방향 구동시켜 양방향 유압펌프(20)가 역방향 구동되게 한다. 그에 따라, 양방향 유압펌프(20)에 연결된 스몰챔버라인을 통해 붐 유압실린더(30)의 스몰챔버(33)로 고압의 작동유가 공급되며 동시에 붐 유압실린더(30)의 라지챔버(31)로부터 회수되는 작동유의 일부가 라지챔버라인을 통해 양방향 유압펌프(20)로 흡입되고 나머지 일부는 라지챔버라인에서 분기된 유로를 통해 탱크(50)로 회수된다. 그리하여 붐 유압실린더(30)를 수축시킨다.And in step (e) (S500), if it is determined that the excavation in step (d) (S400), the
바람직한 하나의 실시예에서, 라지챔버라인에서 분기된 유로를 통해 탱크(50)로 회수되는 작동유와 라지챔버라인을 통해 양방향 유압펌프(20)로 흡입되는 작동유의 양을 라지챔버라인과 스몰챔버라인으로부터 각각 분기된 유로와 입구포트로 연결되는 방향제어밸브부(40)를 제어함으로써 조절할 수 있고, 더 바람직하게는 라지챔버라인과 스몰챔버라인으로부터 각각 분기된 유로와 입구포트로 연결되는 3방향 절환밸브(41)의 출구포트에 연결되는 가변형 릴리프 밸브(43)를 구비하여 3방향 절환밸브(41) 및 가변형 릴리프 밸브(43)를 제어하여 탱크(50)로 회수되는 작동유와 유압펌프(20)로 흡입되는 작동유의 유량을 조절한다.In one preferred embodiment, the amount of hydraulic oil recovered to the
또한 (f)단계(S600)에서는 전술한 (d)단계(S400)에서 붐 하강으로 판단된 경우, 전기모터(10)의 작동을 차단시켜 붐 위치에너지에 의해 양방향 유압펌프(20)가 역방향 구동되게 하거나 전기모터(10)의 역방향 구동과 붐 위치에너지에 의해 상기 유압펌프(20)가 역방향 구동되게 한다. 또한 붐 유압실린더(30)의 라지챔버(31)로부터 회수되는 고압의 작동유를 라지챔버라인을 통해 양방향 유압펌프(20)로 흡입하여 양방향 유압펌프(20)에 연결된 스몰챔버라인을 통해 작동유의 일부를 붐 유압실린더(30)의 스몰챔버(33)로 공급하고 나머지 작동유의 일부는 스몰챔버라인에서 분기된 유로를 통해 탱크(50)로 회수한다. 그리하여 붐 유압실린더(30)를 수축시키고 붐을 하강시킨다.In addition, in step (f) (S600), when it is determined that the boom lowers in step (d) (S400) described above, the bidirectional
바람직한 하나의 실시예에서, 라지챔버라인을 통해 양방향 유압펌프(20)로 흡입되어 스몰챔버라인 측으로 토출되는 작동유 중 스몰챔버라인에서 분기된 유로 를 통해 탱크(50)로 회수되는 작동유와 스몰챔버라인을 통해 스몰챔버(33)로 공급되는 작동유의 양을 라지챔버라인과 스몰챔버라인으로부터 각각 분기된 유로와 입구포트로 연결되는 방향제어밸브부(40)를 제어함으로써 조절할 수 있고, 더 바람직하게는 라지챔버라인과 스몰챔버라인으로부터 각각 분기된 유로와 입구포트로 연결되는 3방향 절환밸브(41)의 출구포트에 연결되는 가변형 릴리프 밸브(43)를 구비하여 3방향 절환밸브(41) 및 가변형 릴리프 밸브(43)를 제어하여 탱크(50)로 회수되는 작동유와 스몰챔버(33)로 공급되는 작동유의 유량을 조절한다. In one preferred embodiment, the hydraulic oil and the small chamber line of the hydraulic oil sucked into the bi-directional
그리고 (g)단계(S700)에서는 (f)단계(S600)에서 붐 하강시 붐 위치에너지에 의한 양방향 유압펌프(20)의 역방향 구동에 따라 발전기(60)가 구동되어 발전하고 발전된 전기에너지를 배터리(70)에 저장한다. 바람직한 실시예에서 전기모터(10)와 발전기(60)는 하나의 일체형 유닛으로 이루어질 수 있고, 이 경우 모터 겸용 발전기일 수 있다.And in step (g) (S700) in accordance with the reverse drive of the two-way
마지막으로 (h)단계(S800)에서는 (g)단계(S700)에서 저장된 에너지를 사용하여 전술한 (c), (e) 또는 (f)단계(S300, S500 또는 S600)에서 전기모터(10)를 구동시킴으로써 회생된 붐 위치에너지를 재사용한다.Finally, in step (h) (S800), the
바람직한 실시예들로, 건설기계의 붐 위치에너지 회생 방법은 전술한 건설기계의 붐 위치에너지 회생 장치의 실시예들의 구성들의 각 작동에 따른 특징을 포함하여 이루어질 수 있다.In a preferred embodiment, the boom potential energy regeneration method of the construction machine may comprise a feature according to each operation of the components of the embodiments of the boom potential energy regeneration device of the construction machine described above.
본 발명의 도면에 개시된 실시예를 구체적으로 설명한다.Embodiments disclosed in the drawings of the present invention will be described in detail.
도 1은 붐 에너지 회생을 위한 전기유압 회로로써 기존의 유압 장치의 방향 전환 밸브를 대신하여 전기모터(10)의 정역회전 방향 및 속도를 제어하여 붐의 유압실린더(30)를 상승 및 하강하게 하며, 붐 하강 작동 시에 발전기(60)가 작동되어 전기에너지를 발전하여 배터리(70)로 충전이 가능한 전기 유압회로이다. 1 is an electrohydraulic circuit for boom energy regeneration, in which the
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 붐 상승 시를 나타내는 개략적인 회로도이고, 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 붐 슬로우 하강 시를 나타내는 개략적인 회로도이고, 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 붐 빠른 하강 시를 나타내는 개략적인 회로도이다.2 is a schematic circuit diagram illustrating a boom raising time of a boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a boom potential energy regeneration of a construction machine according to an embodiment of the present invention. 4 is a schematic circuit diagram illustrating a boom slow lowering time of the apparatus, and FIG. 4 is a schematic circuit diagram illustrating a boom fast lowering time of the boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명은 건설기계 중장비나 유압을 사용하는 기기에 적용되는 에너지 절감 및 회생 시스템으로써, 본 실시예에서, 유량을 공급할 양방향 유압펌프(20), 바람직하게는 가변형 양방향 유압펌프(20)와 이를 구동할 전기모터(10)가 하나의 구동 유닛을 이룬다. 유압펌프(20)가 오른쪽 방향(정방향)으로 구동시 붐 유압실린더(30)는 신장한다. 도 1에서 붐 상승 및 하강시 역류방지를 위해 라지챔버라인과 스몰챔버라인 사이에서 분기되어 탱크(50)로 흐르거나 탱크(50)에서 흘러나오는 유로 사이에 체크밸브(90)를 설치한다. 붐이 상승 또는 하강시 라지챔버(Large Chamber)라인과 스몰챔버(Samll Chmaber)라인의 일정한 압력 이상일 경우 전체회로의 안전을 위해 릴리프 밸브(95)를 설치한다. 유압펌프(20)가 오른쪽 방향으로 구동시 붐 유압실린더(30)는 신장하고 왼쪽 방향으로 구동시 붐 유압실린더(30)는 수 축한다. 붐 유압실린더(30)의 신장 및 수축에 따라 붐 상승 및 하강이 이루어진다. 붐 유압실린더(30)의 수축의 경우 붐 하강 또는 굴착을 위한 유압실린더(30)의 수축이 이루어진다. 이러한 붐의 상승 및 하강을 위해 로직밸브(80)를 설치한다. 붐의 상승시는 로직밸브(80)를 오프(off)시키고 붐 하강 또는 굴착 시는 로직밸브(80)를 온(on)시킨다. 건설기계, 예컨대 굴삭기의 굴착(digging) 및 붐의 상승/하강을 위해 3/3방향 솔레노이드 밸브(41)를 설치한다. 붐 하강과 굴착 시를 위해 가변 릴리프 밸브(43)를 설치한다. 가변 릴리프 밸브(43)는 압력에 따라 가변적으로 밸브를 열고 닫는 역할을 한다. 붐 상승시는 모터(10)를 사용하고, 붐 하강시에 위치에너지를 통한 회생을 한다.The present invention is an energy saving and regenerative system applied to construction equipment heavy equipment or hydraulic equipment, in this embodiment, the bidirectional
도 1의 '붐 위치에너지 회생장치(시스템)'의 기능과 작동을 도 1 내지 6을 참조하여 설명한다.The function and operation of the 'boom potential energy regenerative apparatus (system)' of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
파워서플라이(메인전원)(77)에서 공급되는 전원으로 메인컨트롤러(도시되지 않음)에서 전기모터(10)로 신호를 인가하면, 양방향 유압펌프(20)는 전기모터(10)의 정/역 회전의 신호에 따라 작동한다. 바람직하게는, 전기모터(10) 작동 이전에 조이스틱 레버(도시되지 않음)의 압력을 계측하여 그 계측된 압력량을 비례적으로 계산하여 전기모터(10)에 신호를 인가한다. 붐의 상승과 하강의 기준을 0으로 초기화 시킨다.When a signal is applied from the main controller (not shown) to the
붐 조작 조이스틱 레버(도시되지 않음)의 압력이 0보다 크면 상승, 작으면 하강을 한다. 상승의 경우 도 2에서와 같이 s1=on, s2 & s3=off 시키고 s4(가변 릴 리프밸브)는 닫아준다. s1과 s2는 3/3 솔레노이드밸브(41)에서 반대방향으로 작동하도록 가해지는 신호이고, s3는 로직밸브(80)에 가해지는 작동신호이고, s4는 가변 릴리프 밸브(43)에 가해지는 작동신호이다. 그렇게 함으로써 라지챔버라인으로 고압의 작동유가 흐르고 스몰챔버라인에서 저압의 작동유가 흐르며, 라지챔버라인의 고압 상태를 유지하기 위해 스몰챔버라인 측과 연결되는 유로를 통해 탱크(50)로부터 체크밸브(90)를 거쳐 작동유를 흡입하여 유압펌프(20)로 공급하게 된다. 붐 상승을 위한 게인값을 설정하고 조이스틱 레버의 신호에 따라 전기모터(10)의 속도를 제어 한다. 붐 상승시 라지챔버(31)의 압력이 커져야 되므로 전기모터(10)의 속도를 올려주어야 한다. 높은 압력을 가진 라지챔버라인에서 낮은 압력을 가진 스몰챔버라인으로 유량이 흐르지 않게 하기 위해서, 바람직하게 도 1의 체크밸브(90) 상태, s1의 on, 로직밸브(80)의 off 상태를 유지한다. 붐 상승시 라지챔버(31)는 많은 유량이 필요함으로 스몰챔버라인에서는 가변릴리프 밸브(43)를 닫아준다. If the pressure of the boom operation joystick lever (not shown) is greater than zero, it rises, if it is small, it descends. In the case of rising, as shown in Figure 2, s1 = on, s2 & s3 = off and s4 (variable reel valve) is closed. s1 and s2 are signals applied to operate in the opposite direction from the 3/3
붐의 하강과 굴착을 판별하기 위하여 스몰챔버(Small Chamber)(33)와 라지챔버(Large Chamber)(31)의 압력을 계측하여 라지챔버(31)의 압력이 높을 경우는 하강으로, 압력이 낮은 경우는 굴삭기의 굴착작업으로 판단한다. In order to determine the lowering and digging of the boom, the pressure of the
도 5 및 6을 참조하면, 굴착 시는 s1=off, s2 & s3=on 시키고 s4(가변 릴리프밸브)는 열어준다. 도 5는 굴착 작업시의 유량 흐름을 보여준다. 라지챔버(31)는 많은 양의 유량이 토출되므로, 남는 유량은 스몰챔버(33)와 탱크(50)로 흘러간다. 즉, 라짐챔버(31)로부터 빠져나온 유량의 일부는 유압펌프(20)를 거쳐 스몰챔버라인을 통해 흐르고, 나머지 일부는 라지챔버라인 측에서 분기된 유로를 통해 3/3 솔 레노이드밸브(41)를 거쳐 가변 릴리프밸브(43)를 통하여 탱크(50)로 회수된다. 이때 s4(가변 릴리프밸브)를 조절함으로써 스몰챔버(33)와 탱크(50)로 흐르는 양을 적절히 조절하는 기능을 한다. 이 경우 메인컨트롤러(도시되지 않음)에 의해 가변 릴리프 밸브(43)가 조절되도록 제어된다. 5 and 6, when excavating s1 = off, s2 & s3 = on and s4 (variable relief valve) is opened. 5 shows the flow rate in the excavation operation. Since the
도 5를 참조하면, 굴착 시에는 스몰챔버라인의 작동유의 압력이 높고, 전기모터(10)의 역방향 구동에 의해 스몰챔버라인의 압력을 높게 유지하도록 하며, 발전기(60)는 구동되지 않는다.Referring to FIG. 5, when the excavation is performed, the pressure of the hydraulic fluid of the small chamber line is high, and the pressure of the small chamber line is kept high by the reverse driving of the
도 3 및 4, 그리고 도 6을 참조하여 붐 하강 시를 구체적으로 살펴본다. 붐의 하강시 속도는 조이스틱 레버의 압력에 따라 달라진다. '붐의 하강시 속도 = 모터속도 + 위치에너지에 의한 속도'로 나타내어질 수 있다. 빠르게 붐을 하강하고자 할 경우 전기모터(10)의 속도를 상승시키게 되므로 위치에너지 회생부분이 적어지고, 느리게 붐을 하강하고자 할 경우 전기모터(10)의 속도가 느려지거나 없어지므로 위치에너지 회생부분이 많아진다. 붐 하강시는 s1 & s3=on, s2=off, s4(가변릴리프밸브)를 조금만 열어주고 붐 하강 게인값을 설정한다. 라지챔버(31)는 토출되는 많은 양의 유량은 라지챔버라인을 거쳐 스몰챔버라인 측으로 전달되며 스몰챔버라인측에서 스몰챔버(33)와 탱크(50)로 흘러간다. 즉, 유압펌프(20)로부터 토출된 유량의 일부는 스몰챔버라인을 통해 스몰챔버(33)로 공급되고 나머지 일부는 스몰챔버라인 측에서 분기된 유로를 통해 3/3 솔레노이드밸브(41)를 거쳐 가변 릴리프밸브(43)를 통하여 탱크(50)로 회수된다. 이경우에도 가변 릴리프밸브(43)를 조절함으로써 스몰챔버(33)와 탱크(50)로 흐르는 양을 적절히 조절할 수 있다. With reference to FIGS. 3 and 4 and 6 will be described in detail when the boom is lowered. The speed at which the boom is lowered depends on the pressure on the joystick lever. It can be expressed as 'speed when the boom descends = motor speed + speed due to potential energy'. If you want to lower the boom quickly increase the speed of the
도 3은 붐 다운 시에 붐을 느리게 하강하는 경우를 나타내고, 도 4는 붐을 빠르게 하강하는 경우를 나타낸다. 도 3에서는 붐이 느리게 하강하는 것으로 전기모터(10)에 의한 부분이 거의 없거나 적고, 붐의 위치에너지에 의해 라지챔버라인에서 유압펌프(20)를 거켜 스몰챔버라인으로 순환하고, 이 때 유압펌프(20)의 역방향 구동에 의해 발전기(60)가 구동되므로, 발전량이 크다. 도 4에서는 붐이 빠르게 하강하기 위하여 전기모터(10)에 의한 역방향 구동이 요구되고, 그에 따라 이 때 유압펌프(20)의 역방향 구동에 의해 발전기(60)가 구동되어 발전되는 발전량이 도 3의 경우보다 작게 된다. 3 shows a case of slowly lowering the boom at the time of boom down, and FIG. 4 shows a case of rapidly lowering the boom. In FIG. 3, the boom slowly descends and there is little or no portion by the
이상에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예들을 중심으로 설명되었다. 첨부된 도면 및 전술한 실시예들은 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이다. 그러므로, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있고, 전술한 실시예들은 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예들이 아니라 첨부된 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물들이 전술한 발명의 범위에 포함되어 있음은 자명하다.In the above, the present invention has been described with reference to the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. The accompanying drawings and the foregoing embodiments are described by way of example to help those skilled in the art to understand the present invention. Therefore, various embodiments of the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention, the foregoing embodiments are to be considered as illustrative and not restrictive. Therefore, the scope of the present invention should be interpreted according to the invention described in the appended claims rather than the above-described embodiments, and various modifications, alternatives, and equivalents described by those skilled in the art are described above. It is obvious that it is included in the scope of the.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 개략적인 회로도이다.1 is a schematic circuit diagram of a boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 붐 상승 시를 나타내는 개략적인 회로도이다.2 is a schematic circuit diagram illustrating a boom raising time of a boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 붐 슬로우 하강 시를 나타내는 개략적인 회로도이다.Figure 3 is a schematic circuit diagram showing the boom slow down time of the boom potential energy regeneration device of the construction machine according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 붐 빠른 하강 시를 나타내는 개략적인 회로도이다.Figure 4 is a schematic circuit diagram showing the boom rapid lowering time of the boom potential energy regeneration device of the construction machine according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 굴착 시를 나타내는 개략적인 회로도이다.5 is a schematic circuit diagram illustrating an excavation of a boom potential energy regeneration device of a construction machine according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생장치의 작동방법을 나타내는 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a method of operating a boom potential energy regeneration device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 건설기계의 붐 위치에너지 회생 방법을 나타내는 흐름도이다.7 is a flow chart showing a boom potential energy regeneration method of a construction machine according to another embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10 : 전기모터 20 : 양방향 유압펌프10: electric motor 20: bidirectional hydraulic pump
30 : 붐 유압실린더 31 : 라지챔버30: boom hydraulic cylinder 31: large chamber
33 : 스몰챔버 35 : 로드33: small chamber 35: rod
40 : 방향제어밸브부 41 : 3방향절환밸브40: direction control valve 41: three-way switching valve
43 : 가변 릴리프 밸브 50 : 탱크43: variable relief valve 50: tank
60 : 발전기 70 : 배터리60: generator 70: battery
73 : 컨버터 75 : 인버터73: converter 75: inverter
77 : 메인전원 80 : 로직밸브77: main power supply 80: logic valve
90 : 체크밸브 95 : 릴리프 밸브90: check valve 95: relief valve
Claims (7)
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KR1020090087401A KR101121705B1 (en) | 2009-09-16 | 2009-09-16 | Apparatus And Method For Recovering Potential Energy Of Boom In A Construction Machinery |
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