KR20130010024A - 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계 - Google Patents

에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계 Download PDF

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KR20130010024A
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샤오쳉 지앙
루이하이 바이
항 야오
귀젠 장
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지난 젠항 에너지-세이빙 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
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Abstract

에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계는, 호이스트 작업 및 주행 작업을 위한 구동 시스템 및 제어 시스템을 포함한다. 유압 조작 기계는, 중량물의 리프팅 및 하강과 차량의 제동 및 출발 동안 취급 기계의 원래의 유압 시스템의 도움과 함께 추가된 유압 요소를 이용함으로써, 하강 전 중량물의 위치 에너지와 제동 전 차량의 운동 에너지를, 유체의 압력 에너지로 부분적으로 변환하고, 압력 에너지를 유압 에너지 어큐뮬레이터(15)에 저장하여, 동력을 소모함으로써 얻는 중량물의 위치 에너지 및 차량의 운동 에너지를 중량물의 다음 리프팅과 차량의 출발 동안 부분적으로 재생성되게 할 수 있고, 오일 펌프의 구동 및 차량 출발을 위한 동력 기계의 하중 및 동력을 감소시킬 수 있다. 장치는 높은 효율의 에너지 회수 및 재생성의 장점과, 에너지 소모 및 방출물 감소의 주목할만한 이점, 간단하고 편리한 작동, 저렴한 비용, 및 긴 서비스 수명을 갖는다. 유압 요소는 새 기계의 제작 중 구성될 수도 있고, 또는 구형 기계의 재구성 중 추가될 수도 있다.

Description

에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계{TRAVELING HYDRAULIC HANDLING MACHINE OF ENERGY-SAVING TYPE}
본 출원은 다음 3개의 중국특허출원의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 발명에 참고자료로 포함된다.
1. 2010년 9월 26일자로 중국지적재산권청에 출원한 중국특허출원 제201010297795.9호(발명의 명칭: "ENERGY-SAVING TRAVELING HYDRAULIC HANDLING MACHINE").
2. 2010년 7월 8일자로 중국지적재산권청에 출원한 중국특허출원 제201010228190.4호(발명의 명칭: "ENERGY-SAVING TRAVELING HYDRAULIC HANDLING MACHINE").
3. 2010년 5월 13일자로 중국지적재산권청에 출원한 중국특허출원 제201010174436.4호(발명의 명칭: "POTENTIAL ENERGY RECOVERING AND REGENERATION SYSTEM FOR HYDRAULIC LIFTING MACHINE").
본 출원은 유압 기계 설계의 기술 분야에 관한 것이고, 특히, 에너지-절감 주행식 유압 조작 기계에 관한 것이다.
여기서, 주행식 유압 조작 기계는 중량물(heavy object)을 들어올리고 내리기 위해 오일 실린더를 이용하는 차량을 일컫는다. 주행식 유압 조작 기계는 지게차, 컨테이너용 리치 스태커(reach stacker), 빈 컨테이너용 스태킹 기계(stacking machine), 유압 굴착기, 부분 트랙(partial track) 및 차량 크레인(vehicle crane)을 갖는 크레인과 같이, 항구 도크, 도로 및 철도의 화물 터미널, 기계 작업소, 공장 및 창고에서 수송, 로딩(loading), 언로딩(unloading)에 폭넓게 사용된다. 주행식 유압 조작 기계에서, 동력 기계(디젤 기관 또는 전기 모터)는 오일 펌프를 구동하여 중량물을 리프팅하도록 오일 실린더를 밀어내고, 기계적 전동기에 의해 차량을 구동하여, 동력 기계로부터 에너지가 중량물 및 차량의 에너지(위치 에너지 및 운동 에너지)로 변환되게 된다. 현재, 위 기계들에서, 중량물을 내릴 때, 오일 실린더의 회수 오일은 제어 밸브의 좁은 개구부를 통과하여, 중량물의 하강 속도를 제어하게 된다. 중량물의 위치 에너지로부터 변환되는 유압 스로틀에 의해 발생되는 열 에너지는, 대기로 방출된다. 기계적 마찰 제동 중 차량의 운동 에너지로부터 변환되는 열 에너지 역시 대기로 방출된다. 따라서, 다량의 에너지가 소모된다. 하강 프로세스 중 중량물의 위치 에너지와, 제동 이전 운동 에너지가 회수되어 다음 리프팅 및 출발 작업을 위해 재생성될 수 있다면, 주행식 유압 조작 기계는 에너지-절감형 기계로 변환될 수 있고, 이는 방출물 감소에 기여한다. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계는 사용자에 의해 요구되어 왔고 제작자들에 대한 연구 방향을 선도하고 있다. 이러한 경향은 중국특허출원 제200810143874.7호(발명의 명칭: "METHOD AND DEVICE FOR RECOVERING POTENTIAL ENERGY OF SWING ARM OF HYDRAULIC EXCAVATOR")과 같이, 여러 최근 정보 및 보고서에 의해 또한 반영되고 있다. 이러한 기술적 해법들의 공통적 특징은 내리기 작업 중 중량물의 위치 에너지가 배터리 또는 슈퍼 커패시터에 저장될 전기 에너지로 변환된다는 것이다. 상술한 기술적 해법들은 다음의 문제점을 가지고 있다 - 즉, 내리기 작업의 지속시간이 통상의 배터리를 충전시키기엔 너무 짧고, 따라서, 회수되는 위치 에너지가 제한되며, 수퍼 커패시터 및 높은 용량의 리튬 배터리는 경제성, 기술적 측면, 및 서비스 수명 측면에서 여러 애로점을 갖고, 따라서, 폭넓게 사용되기에는 아직 갈 길이 멀다. 중국특허출원 제200710120715.0호(발명의 명칭: "Electro-Hydraulic Energy-Saving Beam Pumper for Energy Recycle Under Power Generation State")에서, 빔을 내릴 때, 전기 발전 작업 상황에서 전기 모터의 위치 에너지의 일부분이 내려지는 오일 실린더를 통해 유압 에너지 어큐뮬레이터 내로 직접 저장된다. 그리고 저장된 위치 에너지는 리프팅 작업을 보조하기 위해 오일 실린더 내로 릴리스될 수 있다. 위 해법은 실질적으로 일정한 위치 에너지를 갖는 기계에만 사용될 수 있고, 연속적으로 변하는 위치 에너지를 갖는 통상의 유압 조작 기계에 적용될 수 없다.
기존의 주행식 유압 조작 기계는 들기 또는 내리기, 전방 또는 후방 이동, 제동 또는 출발과 같은 반복된 작업을 실행하는 장치이다. 동력 전달 작업의 변속 방식은 다음과 같이 설명된다. 오일 펌프(9)가 동력 기계(8)(디젤 기관 또는 전기 모터)에 의해 구동되고, 오일 펌프(9)에 의해 출력되는 압력 오일이 제어 밸브 그룹(KF)(20)을 통해 리프팅 실린더(19)의 하측 공동 내로 유동하여 중량물을 들어올리게 되고, 따라서, 동력이 중량물의 위치 에너지로 변환된다. 중량물을 내릴 때, 오일 펌프(9)는 언로딩 상태에 있고, 중량물의 중력의 작용 하에서, 리프팅 실린더(19)의 하측 공동 내 유압 오일은 제어 밸브 그룹(20)을 통해 오일 탱크 내로 가압된다. 중량물을 소정의 속도로 꾸준하게 내리기 위해, 오일 실린더의 회수 오일은 제어 밸브 그룹(20)의 폭좁은 개구부를 통과하고, 또는, 균형 밸브(실질적으로 자체-조정되는 스로틀 밸브)가 제공되어 중량물의 하강 속도를 제어하게 된다. 차량의 전방 또는 후방 이동 작업의 동력 전달 방식은 다음과 같이 설명된다. 동력 기계(8)(디젤 기관 또는 전기 모터)는 차량을 구동시키도록 뒷차축(6)과, 클러치를 갖는, 감속 기어박스(5)를 통해 휠(7)을 구동시키고, 제동 과정 중 기계적 마찰에 의해 운동 에너지가 소모된다.
본 출원은, 기존 유압 시스템을 변경하지 않으면서 신규 유압 시스템을 형성하기 위해 기존 유압 시스템에 여러 개의 유압 구성요소들이 추가되는, 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계를 제공하며, 신규 유압 시스템은 적어도 하나의 유압 펌프/모터 및 적어도 하나의 에너지 어큐뮬레이터를 갖는다. 상기 기계의 원래의 모든 기능 및 작동 방식을 유지함에 기초하여, 신규 유압 시스템은 중량물의 하강 또는 리프팅 과정 또는 차량의 제동 또는 출발 과정 중, 하강 전 중량물의 위치 에너지의 부분적 회수 및 재생성과, 제동 전 차량의 운동 에너지의 부분적 회수 및 재생성을 또한 달성할 수 있다.
본 출원의 기술적 해법은 다음과 같이 설명된다.
에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계는, 호이스트 작업(hoisting) 및 주행 작업(traveling)을 위한 구동 시스템 및 제어 시스템을 포함한다. 신규 유압 시스템은 기존 유압 시스템 내에 여러 개의 유압 구성요소를 추가함으로써 형성되고, 적어도 하나의 오일 펌프/오일 모터 및 적어도 하나의 에너지 어큐뮬레이터를 포함한다. 상기 에너지 어큐뮬레이터 또는 작동 실린더로 유동하기 위해 방출 오일을 제어하기 위한 리버싱 밸브(reversing valve)가, 상기 적어도 하나의 오일 펌프/오일 모터의 각각의 오일 유출 통로 상에 제공된다. 상기 오일 펌프/오일 모터의 유입구로 유동하기 위해 또는 오일 탱크로 유동하기 위해 작동 실린더로부터의 회수 오일을 제어하기 위한 리버싱 밸브가, 상기 적어도 하나의 오일 펌프/오일 모터의 각각의 오일 유입 통로 상에 제공된다. 상기 신규 유압 시스템은 중량물의 위치 에너지를 회수 및 재생성하는 기능과, 차량의 운동 에너지를 회수 및 재생성하는 기능의 일부 또는 전부를 실현할 수 있다. 상기 유압 시스템 내 오일 펌프/오일 모터는 가변 변위 오일 펌프/오일 모터 및 일정 변위 오일 펌프/오일 모터의 조합, 일정 변위 오일 펌프/오일 모터의 조합, 또는 가변 변위 오일 펌프/오일 모터의 조합의 조합일 수 있다. 상기 유압 시스템의 오일 펌프/오일 모터의 작동 조건은 오일 펌프 작동 조건, 오일 모터 작동 조건, 또는 언로딩 작동 조건일 수 있다.
중량물의 위치 에너지 회수 및 재생성은 다음과 같이 설명된다. 중량물 하강시 위치 에너지 회수 과정 동안, 상기 오일 펌프/오일 모터의 일부분은 오일 모터 작동 조건에 들어가고, 작동 실린더의 회수 압력 오일에 의해 구동되어 토크를 출력한다. 상기 오일 펌프/오일 모터의 다른 부분은 오일 펌프 작동 조건에 들어가고, 상기 오일 펌프/오일 모터의 일부분에 의해 출력되는 토크에 의해 구동되어 오일 탱크로부터 에너지 어큐뮬레이터 내로 오일을 가압한다. 더블 오일 펌프/오일 모터(도 1에 도시됨)가 일례로 주어지며, 하나의 오일 모터(27)가 단 하나의 오일 펌프(9)를 갖는 기존 유압 시스템에 병렬로 추가되고, 기존 유압 시스템의 오일 펌프(9)에 동축으로 또는 기계적으로 연동된다. 중량물이 하강할 때, 리프팅 실린더(19)의 회수 오일은 중량물의 중력 하에 오일 모터(27)의 유입구로 가압되고, 그 후 오일 모터(27)가 구동되어 에너지 어큐뮬레이터(15) 내로 오일을 가압하도록 오일 펌프(9)를 구동시키며, 따라서, 중량물의 위치 에너지의 부분적 회수를 달성한다. 중량물이 들릴 때, 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 오일은 (오일 펌프 작동 조건에서) 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)의 오일 유입구로 유동하여, 압력 오일 공급을 구현할 수 있게 하고, 이는 리프팅 과정 중 동력 기계의 실제적 출력 동력을 감소시키고, 중량물의 위치 에너지의 부분적 재생성을 실현한다.
상세한 설명은 다음과 같다. 하나의 오일 모터(27)가 기존 유압 시스템에 병렬로 제공되고, 오일 펌프(9)와 기계적으로 연동되거나 동축으로 장착된다(일반적으로, 병렬로 연결되고 동시에 작동하는 2개 이상의 오일 펌프가 빈 컨테이너용 스태킹 기계 또는 리치 스태커와 같은 일부 대형 유압 리프팅 기계에 제공되고, 일반적인 오일 모터가 오일 펌프로 사용될 수 있기 때문에, 오일 펌프 전부 또는 일부가 이러한 종류의 오일 모터(27)로 변경될 수 있으며, 따라서, 오일 모터를 추가할 필요가 없다). 본 시스템에서 오일 통로의 연결 방식은 다음과 같이 설명된다. 오일 탱크(1)가 일방향 밸브(3)를 통해 오일 펌프(9)의 유입구에 연결되고, 오일 펌프(9)의 유출구가 일방향 밸브(22)를 통해 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(H)에 연결된다. 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)는 오일 펌프(9)의 오일 유입구에 연결되는 포트(I)와, 스톱 밸브(14)를 통해 에너지 어큐뮬레이터(15)에 연결되는 포트(Z)와, 제어 밸브 그룹(20)의 압력 오일 유입구(PA)에 연결되는 포트(D)를 갖는다. 스로틀 구멍을 갖는, 작은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(10)는 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(Z)와 포트(I) 사이에서 병렬로 연결된다. 안전 밸브(12) 및 압력 검출점(3)이 에너지 어큐뮬레이터(15)의 바이패스 상에 제공된다. 기존 유압 시스템의 오일 펌프(9)와 기계적으로 연동되거나 동축으로 장착되는 오일 모터(27)의 유입구는 일방향 밸브(24)를 통해 오일 탱크(1)에 연결되고, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(25)가 오일 펌프(9)와 오일 모터(27)의 유입구 사이의 통로 상에 제공된다. 오일 모터(27)의 유출구는 일방향 밸브(30)를 통해 2-포지션 5-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(32)의 포트(F)에 연결된다. 2-포지션 5-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(32)는 오일 모터(27)의 유입구에 연결되는 포트(G)와, 제어 밸브 그룹(20)의 압력 오일 유입구(PA)에 연결되는 포트(A)와, 제어 밸브 그룹(20)의 회수 오일 포트(T)에 연결되는 포트(B)와, 회수 오일 필터(2)에 연결되는 포트(O)를 갖는다. 기존 유압 시스템 내 리프팅 실린더(19)에 제어 밸브 그룹(20)을 연결하는 오일 통로는 유지되지만, 제어 밸브 그룹(20)의 회수 오일 통로에 대한 유동 저항은 감소되어야 한다.
상기 시스템은 일정 변위 펌프 및 가변 변위 펌프에 모두 적용가능하다. 중량물의 하강 속도를 제어하기 위한 방법이 이후부터 설명된다.
(A) 일정 변위 오일 펌프/오일 모터를 이용하는 시스템에서, 중량물 하강시 에너지 축적 과정 동안, 회수 오일이 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(23)를 통해 오일 모터(27)의 유입구로 유동한다. 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 상승으로, 하강 속도가 감속되고, 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력이 리프팅 실린더(19)의 하측 공동 내 압력과 동일할 때 중량물의 낙하가 중지된다. 따라서, 중량물의 하강 속도가 요구값 미만일 때, 아이들 조건의 동력 기계(8)는 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)를 계속하여 회전 구동시키고, 회전하는 오일 모터(27)는 요구되는 속도로 요구되는 높이까지 중량물을 계속 하강시킬 수 있고, 이와 동시에, 에너지 어큐뮬레이터(15)에 에너지를 충전할 수 있다. 에너지 어큐뮬레이터가 충전되면, 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(23)가 역전되고, 회수 오일은 하강 속도를 제어할 수 있는 스로틀 밸브(34)를 통과하며, 회수 오일 필터(2)를 통해 오일 탱크(1)로 다시 유동할 수 있고, 이와 동시에, 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(33)가 여기되고 역전되며, 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)가 모두 언로딩 상태에 놓인다.
(B) 가변 변위 오일 펌프/오일 모터를 이용하는 시스템에서, 에너지 어큐뮬레이터에 에너지를 충전하기 위한 일정 변위 오일 펌프는 가변 변위 오일 펌프(9)로 대체될 수 있고, 오일 펌프(9)와 동축으로 또는 기계적으로 연동되는 하나의 일정 변위 오일 모터(27)는 유지되며, 또는, 리프팅 기계 내 기존 시스템이 하나의 일정 변위 오일 펌프를 가질 때, 일정 변위 오일 펌프는 가변 변위 오일 펌프(9)로 대체될 수 있고, 하나의 일정 변위 오일 모터(27)가 오일 펌프(9)에 동축으로 또는 기계적으로 연동되도록 추가된다. 에너지 어큐뮬레이터의 압력(P) 및 유량(Q), 펌프의 회전 속도(ω)와 같은 수집된 데이터를 처리한 후, 전용 컨트롤러(31)(K1)는 리프팅 작업이 종료된 후 동력 기계의 언로딩 작업 또는 하강 작업 중 중량물을 하강시키는 속도 및 매끄러움을 제어하도록, 가변 변위 오일 펌프의 변위를 적시에 조정한다. 중량물의 순간 하강 속도는 일정 변위 오일 모터(27)의 유량(Q)에 좌우되고(Q∝ω×q1), ω는 일정 변위 오일 모터(27)의 각속도이고, q1은 일정 변위 오일 모터(27)의 변위이고(일정한 양임), 따라서, 중량물의 하강 속도는 일정 변위 오일 모터(27)의 회전 속도를 단지 제어함으로써 제어될 수 있다. 일정 변위 오일 모터(27) 및 가변 변위 오일 펌프(9)의 회전 속도는 동일하고, 각속도(ω)의 증가 및 감소는 일정 변위 오일 모터(27)의 출력 토크(M1)와 가변 변위 오일 펌프(9)의 입력 토크(M2) 사이의 균형에 좌우된다. 출력 토크(M1)와 입력 토크(M2)는 다음의 수식 M1∝P1×q1 과 M2∝P2×q2에 의해 결정될 수 있고, P1은 일정 변위 오일 모터(27)의 유입구 압력(중량물의 중량에 따라 좌우되고 단일 하강 과정 중 실질적으로 일정함)이고, q1은 일정한 양이며, 따라서, M1 역시 일정한 양이고, P2는 에너지 어큐뮬레이터(15)의 압력(에너지 축적 과정 중 증가함)이고, q2는 가변 변위 오일 펌프(9)의 변위이다.
M1>M2 일 때 ω는 증가하고 하강 속도는 가속되며, M1<M2 일 때 ω는 감소하고 하강 속도는 감속된다. 각속도(ω)의 수치값이 검출되고 컨트롤러(31)(K1) 내로 입력되어 ω의 기설정값과 비교되며, 그 후 가변 변위 오일 펌프(9)의 변위(q2)가 M2를 변화시키도록 조정된다. 이론적으로, 기계적 동력 전달 및 유압 시스템의 효율을 고려하지 않을 때, 중량물의 하강 속도는 신속하고 효과적으로 제어될 수 있고, 중량물의 위치 에너지는 스로틀 열 손실이 없을 때 대부분 회수될 수 있다. 중량물이 지면까지 낙하하기 전에 감속시키거나 중간에 매다는 행위가 운전자에 의해 여전히 조작된다.
(C) 큰 유압 조작 기계에서, 일반적으로 복수의 가변 변위 플런저 오일 펌프가 사용되고(예를 들어, 리치 스태커는 큰 유동을 갖는 3개의 하중 감지 가변 변위 플런저 오일 펌프를 가짐), 이들 중 전부 또는 일부는 가변 변위 플런저 오일 모터로 대체될 수 있고, 텔레스코핑 오일 실린더 및 진폭 오일 실린더로부터의 회수 오일은 서로 다른 오일 모터로 인도될 수 있고, 회전 속도 센서(28)가 펌프 샤프트 상에 제공된다. 마찬가지로, 에너지 어큐뮬레이터의 압력(P) 및 유량(Q)과 펌프의 회전 속도(ω)와 같은, 수집된 데이터를 처리 후, 전용 컨트롤러(31)(K1) 및 전용 컨트롤러(29)(K2)는, 리프팅 작업이 종료된 후 동력 기계의 언로딩 작업 또는 하강 작업 중 중량물 하강 속도 및 매끄러움을 제어하도록, 각각 가변 변위 오일 펌프(9) 및 가변 변위 오일 모터(27)의 변위를 적시에 조정한다. 중량물의 순간 하강 속도는 가변 변위 오일 모터(27)의 유량(Q)에 좌우되고(Q∝ω×q1), ω는 가변 변위 오일 모터(27)의 각속도이고, q1은 가변 변위 오일 모터(27)의 순간 변위이며, 따라서, 중량물의 하강 속도는 가변 변위 오일 모터(27)의 회전 속도 및 변위 조정 기기를 적시에 효과적으로 조정함으로써 제어될 수 있다. 가변 변위 오일 모터(27) 및 가변 변위 오일 펌프(9)의 회전 속도는 동일하고, 각속도(ω)의 증가 및 감소는 가변 변위 오일 모터(27)의 출력 토크(M1)와 가변 변위 오일 펌프(9)의 입력 토크(M2) 사이의 균형에 좌우된다. 출력 토크(M1)와 입력 토크(M2)는 다음의 수식 M1∝P1×q1 과 M2∝P2×q2에 의해 결정될 수 있고, P1은 가변 변위 오일 모터(27)의 유입구 압력(중량물의 중량에 따라 좌우되고 단일 하강 과정 중 실질적으로 일정함)이고, q1은 가변 변위 오일 모터(27)의 변위이며, P2는 에너지 어큐뮬레이터(15)의 압력(에너지 축적 과정 중 증가함)이고, q2는 가변 변위 오일 펌프(9)의 변위이다.
M1>M2 일 때 ω는 증가하고 하강 속도는 가속되며, M1<M2 일 때 ω는 감소하고 하강 속도는 감속된다. 각속도(ω)의 수치값이 검출되고 전용 컨트롤러(31)(K1) 및 전용 컨트롤러(29)(K2) 내로 입력되어 ω의 기설정값과 비교되며, 그 후 가변 변위 오일 모터(27)의 변위(q1) 및 가변 변위 오일 펌프(9)의 변위(q2)가 각각 M1 및 M2를 동시에 변화시키도록 조정된다. 이론적으로, 기계적 동력 전달 및 유압 시스템의 효율을 고려하지 않을 때, 중량물의 하강 속도는 신속하고 효과적으로 제어될 수 있고, 중량물의 위치 에너지는 스로틀 열 손실이 없을 때 대부분 회수될 수 있다. 중량물이 지면까지 낙하하기 전에 감속시키거나 중간에 매다는 행위가 운전자에 의해 여전히 조작된다.
위의 여러 개의 시스템에서, 위치 에너지의 재생성 과정이 다음과 같이 실현된다. 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 오일은 스로틀 구멍을 갖는, 작은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(10)를 통과하고, 그 후, 오일 펌프(9)의 오일 유입구로 릴리스되어, 이 위치에서 압력을 증가시킨다. 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브는 유압 효과를 감소 또는 제거하도록 탈-여기되고 리셋되어 큰 유량으로 에너지를 릴리스한다. 에너지 어큐뮬레이터(15)는 오일 펌프(9)에 압력 오일 공급을 구현하고, 이는 동력 기계(8)의 출력 동력을 감소시킨다. 오일 펌프(9)의 방출 오일은 중량물을 리프팅시키도록 제어 밸브 그룹(20)을 통해 리프팅 실린더(19)로 유동한다.
제동 전 차량의 운동 에너지의 회수 및 재생성은 다음과 같이 설명된다.
위치 에너지의 회수 및 재생성을 실현할 수 있는 위 유압 시스템에 다른 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(33)가 추가된다. 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(33)는 일방향 밸브(26)를 통해 오일 펌프(9)의 유출구에 연결되는 하나의 오일 유입 통로와, 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(D)에 연결되는 다른 오일 유입 통로와, 2-포지션 5-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(32)의 포트(O)에 연결되는 하나의 유출구와, 오일 펌프(27)의 유출구에 연결되는 다른 유출구를 갖는다. 더욱이, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(4)가 원래의 기계식 제어 밸브 그룹(KF)의 압력 오일 유입구(PA)의 전방에 제공된다. 차량이 제동될 때, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(4)는 여기되고 턴-오프되며, 차량의 관성 운동 에너지의 작용 하에, 클러치를 갖는 감속 기어박스(5)는 오일 탱크(1)로부터 에너지 어큐뮬레이터(15) 내로 오일을 충전시키도록 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)를 회전 구동시킨다. 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)는 모두 부하로 작용하고, 부하에 의해 형성되는 저항 토크는 차량이 정지될 때까지 차량을 감속시키도록 기계적 브레이크와 협동하며, 따라서, 차량의 제동력이 증가한다. 차량이 출발할 때, 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)는 탈-여기되고, 2-포지션 5-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(32)는 여기되며, 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 오일에 의해 구동되는 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)(이 순간에 모두 오일 모터 작업 조건에 있음)는 클러치를 갖는 감속 기어박스(5)를 통해 차량을 출발시키도록 동력 기계와 협동하여, 차량의 출발시 기동력(starting force)이 증가한다. 차량이 전방 또는 후방으로 이동할 때, 동력 기계 및 오일 펌프의 회전 방향은 변하지 않으며, 따라서, 운동 에너지의 회수 및 재생성이 일반적으로 실행될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 시스템은 주행식 유압 리프팅 기계의 모든 원래 기능의 유지에 기초하여, 중량물의 위치 에너지와 차량의 운동 에너지의 회수 및 재생성을 달성할 수 있다.
가변 변위 오일 펌프 시스템의 전자석의 작용 및 작업 조건표
회수 하강 과정 중 위치 에너지 축적 리프팅 과정 보조를 위해 위치 에너지 재생성 제동 과정 중 운동 에너지 축적 출발 과정 보조를 위해 운동 에너지 재생성
클러치 상태 (+,-) - - + +
1DT - + 지연 - + 지연 -
5DT - + - - +
6DT - - - - +
4DT - - 최초 + - 최초 +
8DT - - - + +
지게차와 같은, 중간 크기 또는 작은 크기의 진행식 유압 조작 기계의 위치 에너지 및 운동 에너지의 회수 및 재생성은 다음과 같이 설명된다.
중간 크기 또는 작은 크기의 유압 리프팅 기계에 사용되는 유압 시스템은 간단하고, 일반적으로, 단 하나의 일정 변위 오일 펌프를 갖는다. 이러한 유압 시스템을 개선시키기 위한 기술적 해법은 일정 변위 오일 펌프를, 동일 변위를 갖는 일정 변위 오일 모터(9)로 대체하는 것이며, 일정 변위 오일 모터(9)의 유입구는 일방향 밸브(3)를 통해 오일 탱크(1)에 연결되고, 일정 변위 오일 모터(9)의 유입구의 일 방향은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(21)를 통해 회수 오일 필터(2)에 직접 연결되며, 일정 변위 오일 모터(9)의 유출구의 다른 일 방향은 일방향 밸브(22)를 통해 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(H)에 연결된다. 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)는 일정 변위 오일 펌프(9)의 오일 유입구에 연결되는 포트(I)와, 스톱 밸브(14)를 통해 에너지 어큐뮬레이터(15)에 연결되는 포트(Z)와, 제어 밸브 그룹(20)의 압력 오일 유입구(PA)에 연결되는 포트(D)를 갖는다. 스로틀 구멍을 갖는, 작은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(10)는 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(Z)와 포트(I) 사이에 병렬로 연결된다. 안전 밸브(12) 및 압력 검출점(3)이 에너지 어큐뮬레이터(15)의 바이패스 상에 제공된다. 제어 밸브 그룹(20)은 리프팅 실린더(19)에 연결되고, 리프팅 실린더(19)가 하강할 때, 회수 오일은 제어 밸브 그룹(20)의 포트(T)를 통해 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(23)의 유입구까지 유동하고, 그 후, 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(23)의 유출구의 양 방향을 통해, 회수 오일은 조정가능한 스로틀 밸브(34)를 통해 회수 오일 필터(2) 및 오일 펌프(9)의 유입구로 유동한다. 시장의 5 내지 10톤짜리 지게차의 경우에, 2개의 일정 변위 펌프가 유압 시스템에 제공되지만, 2개의 일정 변위 펌프가 동축으로 그리고 기계적으로 연동되기 때문에 위 해법이 또한 적용가능하다. 따라서, 요컨데, 위 해법의 특징은 중량물 하강시 위치 에너지 회수 과정 동안, 에너지 어큐뮬레이터에 유입되기 전에 작업 실린더의 압력 회수 오일이 통과하는 오일 펌프/오일 모터는, 오일 모터 작동 조건에 놓이지 않고, 기관에 의해 구동되는 오일 펌프 작동 조건 또는 언로딩 작동 조건에 놓이며, 위치 에너지 및 운동 에너지는 동일한 오일 펌프/오일 모터에 의해 회수 또는 재생성된다.
중량물이 너무 가벼울 때 부하 상실에 의해 야기되는 동력 기계 과속을 방지하도록, 위치 에너지가 재생성될 때 2개 이상의 펌프를 갖는 해법에 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(25)가 추가되어야 한다. 일 펌프를 갖는 해법에서, 리프팅 속도의 안정성은, 오일 통로 상에 속도 조절 밸브를 장착하거나 운전자에 의해 리프팅 밸브의 개방을 제어함으로써 유지될 수 있다.
주변 환경에 의한 오일 오염을 방지하기 위해, 오일 탱크는, 시스템의 신뢰도 및 서비스 수명을 보장하도록, 일정 압력을 갖는 다이어프램 플레이트 피스톤 밀봉 오일 탱크를 이용할 수 있다(중국특허출원 제200720068995.0호).
에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계의 유압 시스템은 다양한 표준 오일 펌프/오일 모터와, 유압 밸브와 같은 유압 구성요소에 의해 형성될 수 있다. 선택되는 유압 구성요소의 규격 및 모델은 기존 유압 시스템과 일치하여야 한다. 설계를 완성한 후, 위 시스템은 부피 및 비용을 감소시키도록 전용 일체형 밸브 제작을 위해 유압 리프팅 시스템의 전체 설계에 조합되어야 한다. 아이들 상태에서(또는 논-리프팅 작동 조건에서), 동력 기계(디젤 기관 또는 전기 모터)는 다음 리프팅 프로세스 또는 다음 출발 프로세스를 완전하게 지원하도록 준비되기 위해, 에너지 어큐뮬레이터 내에 에너지를 충전할 수 있다. 따라서, 동력 기계는 우수한 기술, 경제적인 성능, 및 에너지-절감 및 방출물 감소 측면에서의 우수한 성능을 얻도록, 작은 동력을 갖는 모델을 이용할 수 있다.
위 시스템의 유리한 효과는 다음과 같이 설명된다.
1. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계의 유압 시스템에서, 기존 유압 시스템의 기능이 이용되고 발전되어, 중량물의 위치 에너지 및 차량의 운동 에너지를 회수 및 재생성할 수 있고, 유압 시스템의 온도 상승이 또한 감소한다.
2. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계에서, 위치 에너지 및 운동 에너지의 회수 및 재생성은 간단한 물리적 프로세스이고, 전기화학적 프로세스가 아니며, 따라서, 위치 에너지 및 운동 에너지의 고속, 고효율 회수 및 재생성이 달성될 수 있다.
3. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계에서, 아이들링 상태에서(또는 논-리프팅 작동 조건에서), 동력 기계(디젤 기관 또는 전기 모터)는 다음 리프팅 과정을 완전하게 지원하도록 준비되기 위해, 에너지 어큐뮬레이터 내에 에너지를 충전할 수 있다. 따라서, 새 모델을 설계할 때, 동력 기계는 작은 동력을 갖는 모델을 이용할 수 있고, 따라서, 에너지-절감 및 방출물 감소 효과를 더욱 개선시킬 수 있다.
4. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계에 사용되는 기술은 고급 유압 기술이고, 원래의 기계적 전동 시스템 및 작동 방법은 변경되지 않는다. 따라서, 중고 기계로부터 변형되거나 새롭게 제작됨이 없이, 위 기게는 간단하고, 실용적이며, 우수한 신뢰도, 긴 서비스 수명, 및 우수한 경제적 효율을 갖는다.
5. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계에서, 유압 시스템 내 솔레노이드 리버싱 밸브들이 모두 탈-여기될 때, 기존 기계적 유압 시스템의 에너지-절감 기능이 없는 작동 모드가, 어떤 변화없이 복원될 수 있다.
6. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계의 유압 시스템은 기존 기계식 브레이크와 협동하여, 제동 효과를 개선시킬 수 있고 기계적 제동 구성요소의 서비스 수명을 연장시킬 수 있다.
7. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계의 유압 시스템은 위치 에너지 및 운동 에너지를 동시에 회수할 수 있고 지게차의 다양한 조합 작용을 지원할 수 있다.
8. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계에서, 유압 시스템의 2개, 또는 복수의 펌프가 조합되어 제동 또는 출발 과정을 도울 수 있고, 따라서, 차량의 제동 또는 출발 기동력을 증가시킬 수 있고, 차량의 작동 효율을 개선시킬 수 있다.
도 1은 (가변 변위 펌프 및 일정 변위 모터의 조합을 이용하는) 에너지-절감형 진행식 유압 조작 기계의 유압 개략도,
도 2는 (일정 변위 펌프 및 일정 변위 모터의 조합을 이용하는) 에너지-절감형 진행식 유압 조작 기계의 유압 개략도,
도 3은 (가변 변위 펌프 및 가변 변위 모터의 조합을 이용하는) 에너지-절감형 진행식 유압 조작 기계의 유압 개략도,
도 4는 (단일한 일정 변위 펌프/모터를 이용하는) 에너지-절감형 진행식 유압 조작 기계의 유압 개략도,
도 5는 에너지-절감형 일반 지게차의 유압 개략도,
도 6은 에너지-절감형 리치 스태커의 유압 개략도,
도 7은 (더블 펌프/모터를 이용하는 다른 해법인) 에너지-절감형 진행식 유압 조작 기계의 유압 개략도,
도 8은 에너지-절감형 일반 지게차의 위치 에너지 및 운동 에너지를 조합하는 해법의 유압 개략도.
본 출원의 실시예들이 첨부 도면과 연계하여 여기서 제시된다. 가변 변위 펌프 및 일정 변위 모터의 조합을 이용하는 시스템이 도 1에 도시되며, 이는 양호한 적응성 해법으로서, 다양한 작업 조건 하에서 위치 에너지를 회수하는 데 이용될 수 있다. 사용자에 의해 작동되는 동력 기계(디젤 기관 또는 전기 모터)(8)에 의해 구동되는 가변 변위 오일 펌프(9)가 중량물을 들기 위해 리프팅 실린더(19)를 구동한 후, 기계가 내리기 작업을 실행하려고 작동할 경우, 중량물의 중력 영향 하에, 리프팅 실린더(19)의 하측 공동(로드없는(rodless) 공동) 내 오일이 중량물의 하강 작업 중 제어 밸브 그룹(20)의 방해받지 않은 오일 회수 통로(T)(유동 저항이 최소값으로 조정됨) 내로 가압된다. 이와 동시에, 1DT 및 5DT가 여기되고, 리버싱 밸브(11, 32)가 역전되며, 회수 압력 오일이 포트(B)로부터 포트(G)로 리버싱 밸브(32)를 통해 이동하고, 그 후 일정 변위 오일 모터(27)의 유입구로 유동하고, 그 후 일정 변위 오일 모터(27)로부터 나온 오일이 일-방향 밸브(30)를 통과하고, 리버싱 밸브(32)의 포트(O)를 통해 회수 오일 필터(2)로 유동하며, 그 후 오일 탱크(1) 내로 유동한다. 이 순간, 동축으로 또는 기계적으로 연동된 가변 변위 오일 펌프(9)가 중량물의 위치 에너지에 의해 야기되는 오일 회수 압력에 의해 형성되는 일정 변위 오일 모터(27)에 의해 구동되어, 오일 탱크(1)로부터 일방향 밸브(3)를 통해 오일을 배출하고, 그 후 오일이 일방향 밸브(22) 및 일방향 밸브(11)를 통해 포트(H)로부터 포트(Z)로 유동하고, 그 후 스위칭 온 되는(유지 중 스위치 오프됨) 스톱 밸브(14)를 통해 에너지 어큐뮬레이터(15) 내로 유동한다. 이러한 방식으로, 중량물의 위치 에너지가 중량물의 내리기 작업 중 에너지 어큐뮬레이터(15)에 저장될 유체의 압력 에너지로 변환되고, 안전 밸브(12)는 압력 제한 보호를 제공한다.
새로운 들기 작업이 요구될 때, 제어 밸브 그룹(20)이 작동될 때 4DT가 처음에 여기되고, 에너지 어큐뮬레이터(15) 내 압력 오일이 스로틀 효과를 갖는 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(10)를 통해 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(I)로 유동하고, 가변 변위 오일 펌프(9)의 오일 유입구로 유동하며, 이는 이 위치에서 압력을 증가시킨다. 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)는 탈-여기되고 리셋되어 큰 유동으로 에너지를 릴리스하고, 따라서, 유압 영향을 감소시키거나 제거한다. 소정의 지연 후, 1DT 및 5DT가 모두 탈-여기되고, 리버싱 밸브(11) 및 리버싱 밸브(32)가 리셋되며, 그 후 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 오일이 가변 변위 오일 펌프(9)의 유입구로 인도되고, 따라서, 압력 오일 공급원을 구현한다. 가변 변위 오일 펌프(9) 및 일정 변위 오일 모터(27)(이 순간에 펌프 작동 조건에 있음)는 동력 기계(8)에 의해 구동되고, 가변 변위 오일 펌프(9) 및 일정 변위 오일 모터(27)의 유출구로부터 흘러나오는 압력 오일은 각각 일방향 밸브(22) 및 일방향 밸브(30)를 통과하고, 각각 솔레노이드 리버싱 밸브(11) 및 솔레노이드 리버싱 밸브(32)를 통해 모두 제어 밸브 그룹(20)의 압력 오일 유입구(PA)로 유동하며, 압력 오일은 제어 밸브 그룹(20)을 통해 리프팅 실린더(19) 내로 유입된다.
이 순간에 2개의 상황이 존재할 수 있다. 제 1 상황에서는, 에너지 어큐뮬레이터(15) 내 압력이 펌프 그룹의 유출구 압력(PA)보다 작다. 이 상황 하에서, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(25)가 여기되어 열리고, 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 오일은 포트(Z)로부터 포트(I)까지 리버싱 밸브(11)를 통과한 후 가변 변위 오일 펌프(9)의 유입구로 유동하고, 그 후 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(25)를 통과한 후 펌프 작동 조건에서 일정 변위 오일 모터(27)의 유입구로 유동하여, 2개의 펌프에 대한 압력 오일 공급을 구현하게 되며, 이는 오일 펌프 그룹의 유입구와 유출구 사이에서 압력차를 상당히 감소시킨다. 유동이 일정할 때, 오일 펌프의 동력은 유입구와 유출구 사이의 압력차에 직접 비례하고(N∝ΔP), 따라서, 동력 기계의 에너지 소모가 현저하게 감소하며, 동력 기계는 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 오일이 완전히 방출될 때 작동하도록 오일 펌프 그룹을 완전히 구동하기 시작한다. 제 2 상황에서는 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력이 펌프 그룹의 유출구 압력(PA)보다 크다. 이러한 상황 하에서, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(25)가 닫히고, 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 오일은 가변 변위 오일 펌프(9)의 유입구 내로만 유동할 수 있어서, 가변 변위 펌프(9)에만 압력 오일 공급을 구현할 수 있다. 펌프 작동 조건에서 일정 변위 오일 모터(27)는 동력 기계에 의해 완전히 구동되고, 이는 부하 상실에 의해 야기되는 동력 기계의 과속을 방지할 수 있다. 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력이 펌프 그룹의 유출구 압력(PA) 미만으로 감소할 때, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(25)가 열려서, 동력 기계의 에너지 소모를 동시에 감소시키도록 2개의 펌프에 대한 압력 오일 공급이 구현된다.
에너지 어큐뮬레이터의 압력(P) 및 유량(Q), 펌프의 회전 속도(ω)와 같은 수집된 데이터를 처리한 후, 컨트롤러(31)(K1)는 리프팅 작업이 종료된 후 동력 기계의 언로딩 작업 또는 내리기 작업 중 중량물을 내리는 속도 및 매끄러움을 제어하도록, 가변 변위 오일 펌프의 변위를 적시에 조정한다. 중량물의 순간 하강 속도는 일정 변위 오일 모터(27)의 유량(Q)에 좌우되고(Q∝ω×q1), ω는 일정 변위 오일 모터(27)의 각속도이고, q1은 일정 변위 오일 모터(27)의 변위이고 일정한 양이며, 따라서, 중량물의 하강 속도는 일정 변위 오일 모터(27)의 회전 속도를 단지 제어함으로써 제어될 수 있다. 일정 변위 오일 모터(27) 및 가변 변위 오일 펌프(9)의 회전 속도는 동일하고, 각속도(ω)의 증가 및 감소는 일정 변위 오일 모터(27)의 출력 토크(M1)와 가변 변위 오일 펌프(9)의 입력 토크(M2) 사이의 균형에 좌우된다. 출력 토크(M1)와 입력 토크(M2)는 다음의 수식 M1∝P1×q1 과 M2∝P2×q2에 의해 결정될 수 있고, P1은 일정 변위 오일 모터(27)의 유입구 압력(중량물의 중량에 따라 좌우되고 단일 하강 과정 중 실질적으로 일정함)이고, q1은 일정한 양이며, 따라서, M1 역시 일정한 양이고, P2는 에너지 어큐뮬레이터(15)의 압력(에너지 축적 과정 중 증가함)이고, q2는 가변 변위 오일 펌프(9)의 변위이다.
M1>M2 일 때 ω는 증가하고 하강 속도는 가속되며, M1<M2 일 때 ω는 감소하고 하강 속도는 감속된다. 각속도(ω)의 수치값이 검출되고 컨트롤러(31)(K1) 내로 입력되어 ω의 기설정값과 비교되며, 그 후 가변 변위 오일 펌프(9)의 변위(q2)가 M2를 변화시키도록 조정된다. 이론적으로, 기계적 동력 전달 및 유압 시스템의 효율을 고려하지 않을 때, 중량물의 하강 속도는 신속하고 효과적으로 제어될 수 있고, 중량물의 위치 에너지는 스로틀 열 손실이 없을 때 대부분 회수될 수 있다. 중량물이 지면까지 낙하하기 전에 감속시키거나 중간에 매다는 행위가 운전자에 의해 여전히 조작된다.
일정 변위 펌프 및 일정 변위 오일 모터의 조합을 이용하는 시스템이 도 2에 도시되며, 위치 에너지 회수 및 재생성 과정은 도 1에 도시되는 것과 정확하게 동일하다. 중량물을 하강시킬 때 에너지 축적 과정 중 에너지 어큐뮬레이터(15) 내 압력이 상승하면서 하강 속도가 느려지고, 중량물이 비교적 가볍고 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력이 리프팅 실린더(19)의 하측 공동 내 압력과 동일할 때, 중량물의 낙하가 중지될 수 있다. 따라서, 중량물의 하강 속도가 요구값보다 낮을 때, 아이들 조건에서의 동력 기계(8)는 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)를 계속하여 회전시키고, 회전하는 오일 모터(27)는, 이와 동시에, 요구되는 높이까지 중량물을 계속하여 하강시키고 에너지를 에너지 어큐뮬레이터(15)에 충전시킨다. 에너지 어큐뮬레이터가 충전될 때, 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(23)가 역전되고, 회수 오일이 (하강 속도를 제어할 수 있는) 조정가능한 스로틀 밸브(34)를 통과하여, 회수 오일 필터(2)를 통해 오일 탱크(1)로 다시 유동하며, 이와 동시에, 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(33)가 여기되고 역전되며, 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)가 모두 언로딩 상태에 놓인다.
가변 변위 펌프 및 가변 변위 오일 모터의 조합을 이용하는 시스템이 도 3에 도시되며, 위치 에너지 회수 및 재생성 과정이 도 1의 경우와 정확히 동일하다. 회전 속도 센서(28)가 펌프 샤프트 상에 제공될 수 있다. 에너지 어큐뮬레이터의 압력(P) 및 유량(Q)과 펌프의 회전 속도(ω)와 같은, 수집된 데이터를 처리 후, 컨트롤러(31)(K1) 및 컨트롤러(29)(K2)는, 리프팅 작업이 종료된 후 동력 기계의 언로딩 작업 또는 하강 작업 중 중량물 하강 속도 및 매끄러움을 제어하도록, 각각 가변 변위 오일 펌프(9) 및 가변 변위 오일 모터(27)의 변위를 적시에 조정한다. 중량물의 순간 하강 속도는 가변 변위 오일 모터(27)의 유량(Q)에 좌우되고(Q∝ω×q1), ω는 가변 변위 오일 모터(27)의 각속도이고, q1은 가변 변위 오일 모터(27)의 순간 변위이며, 따라서, 중량물의 하강 속도는 가변 변위 오일 모터(27)의 회전 속도 및 변위 조정 기기를 적시에 효과적으로 조정함으로써 제어될 수 있다. 가변 변위 오일 모터(27) 및 가변 변위 오일 펌프(9)의 회전 속도는 동일하고, 각속도(ω)의 증가 및 감소는 가변 변위 오일 모터(27)의 출력 토크(M1)와 가변 변위 오일 펌프(9)의 입력 토크(M2) 사이의 균형에 좌우된다. 출력 토크(M1)와 입력 토크(M2)는 다음의 수식 M1∝PA×q1 과 M2∝P×q2에 의해 결정될 수 있고, PA는 가변 변위 오일 모터(27)의 유입구 압력(중량물의 중량에 따라 좌우되고 단일 하강 과정 중 실질적으로 일정함)이고, q1은 가변 변위 오일 모터(27)의 변위이며, P는 에너지 어큐뮬레이터(15)의 압력(에너지 축적 과정 중 증가함)이고, q2는 가변 변위 오일 펌프(9)의 변위이다.
M1>M2 일 때 ω는 증가하고 하강 속도는 가속되며, M1<M2 일 때 ω는 감소하고 하강 속도는 감속된다. 각속도(ω)의 수치값이 검출되고 컨트롤러(31)(K1) 및 컨트롤러(29)(K2) 내로 입력되어 ω의 기설정값과 비교되며, 그 후 가변 변위 오일 모터(27)의 변위(q1) 및 가변 변위 오일 펌프(9)의 변위(q2)가 각각 M1 및 M2를 동시에 변화시키도록 조정된다. 이론적으로, 기계적 동력 전달 및 유압 시스템의 효율을 고려하지 않을 때, 중량물의 하강 속도는 신속하고 효과적으로 제어될 수 있고, 중량물의 위치 에너지는 스로틀 열 손실이 없을 때 대부분 회수될 수 있다. 중량물이 지면까지 낙하하기 전에 감속시키거나 중간에 매다는 행위가 운전자에 의해 여전히 조작된다.
차량의 운동 에너지의 회수 및 재생성은 위치 에너지의 회수 및 재생성을 실현할 수 있는 상기 유압 시스템 내에 다른 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(33)를 추가함으로써 실현될 수 있다. 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(33)는 일방향 밸브(26)를 통해 오일 펌프(9)의 유출구에 연결되는 하나의 오일 유입 통로와, 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(D)에 연결되는 다른 오일 유입 통로와, 2-포지션 5-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(32)의 포트(O)에 연결되는 하나의 유출구와, 오일 펌프(27)의 유출구에 연결되는 다른 유출구를 갖는다. 더욱이, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(4)가 원래의 기계식 제어 밸브 그룹(KF)의 압력 오일 유입구(PA)의 전방에 제공된다. 차량이 제동될 때, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(4)는 여기되고 턴-오프되며, 차량의 관성 운동 에너지의 작용 하에, 클러치를 갖는 감속 기어박스(5)는 오일 탱크(1)로부터 에너지 어큐뮬레이터(15) 내로 오일을 충전시키도록 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)를 회전 구동시킨다. 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)는 모두 부하로 작용하고, 부하에 의해 형성되는 저항 토크는 차량이 정지될 때까지 차량을 감속시키도록 기계적 브레이크와 협동하며, 따라서, 차량의 제동력이 증가한다. 차량이 출발할 때, 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)는 탈-여기되고, 2-포지션 5-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(32)는 여기되며, 에너지 어큐뮬레이터(15) 내의 압력 오일에 의해 구동되는 오일 펌프(9) 및 오일 모터(27)(이 순간에 모두 오일 모터 작업 조건에 있음)는 클러치를 갖는 감속 기어박스(5)를 통해 차량을 출발시키도록 동력 기계와 협동하여, 차량의 출발시 기동력(starting force)이 증가한다. 차량이 전방 또는 후방으로 이동할 때, 동력 기계 및 오일 펌프의 회전 방향은 변하지 않으며, 따라서, 운동 에너지의 회수 및 재생성이 일반적으로 실행될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 시스템은 주행식 유압 리프팅 기계의 모든 원래 기능의 유지에 기초하여, 중량물의 위치 에너지와 차량의 운동 에너지의 회수 및 재생성을 달성할 수 있다.
도 4는 단일한 일정 변위 펌프/모터를 이용하는 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계의 유압 시스템의 개략도이다. 상기 유압 시스템은 간단한 종류의 유압 시스템이고, 중간 크기 또는 작은 크기의 유압 리프팅 기계에 일반적으로 사용된다. 이러한 유압 시스템은 간단하고, 일반적으로, 단 하나의 일정 변위 오일 펌프를 갖는다. 이러한 유압 시스템을 개선시키기 위한 기술적 해법은 일정 변위 오일 펌프를 동일 변위를 갖는 일정 변위 오일 모터(9)로 대체하는 것이며, 오일 모터(9)의 유입구는 일방향 밸브(3)를 통해 오일 탱크(1)에 연결되고, 오일 모터(9)의 유입구의 일 방향은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(21)를 통해 회수 오일 필터(2)에 직접 연결되며, 오일 모터(9)의 유출구의 다른 일 방향은 일방향 밸브(22)를 통해 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(H)에 연결된다. 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)는 일방향 밸브(4)를 통해 오일 펌프(9)의 오일 유입구에 연결되는 포트(I)와, 스톱 밸브(14)를 통해 에너지 어큐뮬레이터(15)에 연결되는 포트(Z)와, 제어 밸브 그룹(20)의 압력 오일 유입구(PA)에 연결되는 포트(D)를 갖는다. 스로틀 구멍을 갖는, 작은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(10)는 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(Z)와 포트(I) 사이에 병렬로 연결된다. 안전 밸브(12) 및 압력 검출점(3)이 에너지 어큐뮬레이터(15)의 바이패스 상에 제공된다. 제어 밸브 그룹(20)은 리프팅 실린더(19)에 연결되고, 리프팅 실린더(19)가 하강할 때, 회수 오일은 제어 밸브 그룹(20)의 포트(T)를 통해 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(23)의 유입구까지 유동하고, 그 후, 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(23)의 유출구의 양 방향을 통해, 회수 오일은 조정가능한 스로틀 밸브(34)를 통해 회수 오일 필터(2) 및 오일 펌프(9)의 유입구로 유동한다.
중량물의 하강 과정 중, 에너지 어큐뮬레이터가 이미 충전되어 있을 경우, 1DT(밸브(11)) 및 2DT(밸브(21))가 여기된다. 이 시점에서, 디젤 기관은 아이들 조건에 있고, 오일 펌프(9)는 언로딩 상태이며, 오일 펌프(9)로부터의 방출 오일은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(21)를 통해 오일 탱크로 다시 유동하고, 리프팅 실린더로부터의 회수 오일은 밸브(23) 및 스로틀 밸브(34)를 통과하여 회수 오일 필터(2)를 통해 오일 탱크(1)로 다시 유동하여, 중량물의 하강 속도를 계속 제어할 수 있게 한다.
도 5는 변형되는 통상의 지게차의 유압 개략도이다. 기존 지게차의 서보 조향 시스템이 도면부호(16)로 표시되는 점선 프레임 내에 도시되고, 기존 지게차의 제어 밸브 그룹은 도면부호(20)로 표시되는 점선 프레임 내에 도시되며, 도면부호(20-2)는 리프팅 오일 실린더, 틸트 오일 실린더, 및 조향 메커니즘에 비례하여 오일 펌프(9)의 유동을 분배하는 유동 분할기 밸브를 표시하고, 도면부호(20-1)는 리프팅 오일 통로 및 틸트 오일 통로에 대한 압력 조절 밸브를 표시하며, 도면부호(20-3)는 조향 오일 통로에 대한 압력 조절 밸브를 표시하고, 도면부호(20-4)는 리프팅 오일 실린더에 대한 작동 밸브를 표시하며, 도면부호(20-5)는 틸트 오일 실린더에 대한 작동 밸브를 표시한다. 제어 밸브 그룹(20)의 유동 분할기 밸브(20-2)에 의해 분할된 후, 오일 펌프(9)로부터의 방출 오일은 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)의 포트(H)로 유동하고, 그 후 2-포지션 4-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(11)를 통해 제어 밸브 그룹(20)의 작동 밸브로 유동한다. 도면부호(17)는 중량물의 급속한 낙하를 방지하기 위한 컷-오프 밸브를 표시한다. 이러한 지게차의 작동 원리는 도 3에 도시되는 시스템의 원리와 동일하다.
도 5의 지게차의 전자석의 작용 및 작업 조건표
회수 하강 과정 중 위치 에너지 축적 (에너지 어큐뮬레이터가 충전되어 있을 때) 하강 과정 중 위치 에너지 축적 리프팅 과정 보조를 위해 위치 에너지 재생성 제동 과정 중 운동 에너지 축적 출발 과정 보조를 위해 운동 에너지 재생성
클러치 상태 (+,-) - - - + +
1DT - + + 지연 - + 지연 -
2DT - - + - - +
3DT - + - - -
4DT - - - 최초 + - 최초 +
도 6은 에너지-절감형 리치 스태커의 유압 개략도이다. 기존 리치 스태커의 유압 제어 밸브 그룹은 도면부호(B6, B7, B12, B23, B25)로 표시된 점선 프레임 내에 도시된다. 위치 에너지를 회수할 때, 서로 다른 압력을 갖는, 텔레스코핑 실린더 및 진폭 실린더의 하측 공동 내 오일은, 2개의 가변 변위 오일 모터의 유입구로 유동하여 결과적인 토크를 형성한다. 그 후 오일 펌프는 결과적인 토크에 의해 구동되어 에너지 어큐뮬레이터 내로 에너지를 충전한다. 이러한 리치 스태커의 작동 원리는 도 3의 시스템의 원리와 동일하다.
도 7은 더블 펌프/모터를 이용하는 다른 해법이다. 특히, 일방향 밸브(26) 및 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(4)가 생략되어 있고, 2-포지션 3-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(33)는 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브로 대체되며, 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(25)는 유압 제어 리버싱 밸브로 대체된다. 이 시스템이 도 1, 2, 3의 해법보다 간단하지만, 2개의 펌프가 동시에 제동 기능 또는 출발 기능을 수행하는 것은 어렵다.
도 8은 에너지-절감형 지게차의 위치 에너지 및 운동 에너지를 조합하는 해법이다. 특히, 일정 변위를 갖는 듀플렉스 펌프(9)가 일방향 오버러닝 클러치(41)를 통해 디젤 기관(8)의 출력 샤프트에 연결되고, 일정 변위 펌프(37)가 기어박스(5)의 출력 샤프트 상에 장착되어, 위치 에너지 및 운동 에너지의 회수 및 재생성이 서로 다른 오일 펌프 또는 오일 모터에 의해 달성될 수 있게 된다. 제동 과정 중 운동 에너지가 회수될 때, 디젤 기관의 클러치(42)는 분리될 수 있고, 오버러닝 클러치(41)로 인해, 하강 과정 중 위치 에너지 축적시 하강 속도는 아이들 조건에서 디젤 기관의 회전 속도에 독립적이다. 지게차의 정규 리버싱 작동에 적응하기 위해, 유압-구동식 2-포지션 4-웨이 리버싱 밸브(38)가, 큰 유동 직경을 갖는 오일 펌프(37)의 오일 유입구 및 유출구 상에 장착되고, 이는 지게차가 전방 또는 후방으로 이동하고 있을 때 오일 펌프(37)의 출력의 일정 유동 방향을 유지시킬 수 있다. 운동 에너지 재생성 작업은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(39)가 스위치-온될 때 구현되고, 위치 에너지 재생성 작업은 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브(39)가 스위치-오프될 때 구현될 수 있다. 이러한 시스템에서, 클러치(42)가 결합될 때, 2 세트의 펌프(9, 37)가 운동 에너지의 회수 또는 재생성을 위해 조합되고, 따라서, 차량의 제동 토크 또는 출발 토크를 증가시키고, 취급 기계의 작동 효율을 개선시킬 수 있다. 시스템 내 다른 부분의 작동 원리는 도 5의 시스템의 원리와 동일하다.
본 출원은 주행식 유압 조작 기계에만 사용될 수 있는 것이 아니고, 그 위치 에너지 회수 및 재생성 원리는 고정 유압 리프팅 기계에 또한 사용될 수 있다. 상술한 실시예는 단지 몇 가지 에에 불과하고, 따라서, 본 출원의 보호 범위는 위 설명에 제한되지 않는다.

Claims (12)

  1. 에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계에 있어서,
    호이스트 작업 및 주행 작업을 위한 구동 시스템 및 제어 시스템과, 기존 유압 시스템 내에 여러 개의 유압 구성요소를 추가함으로써 형성되는 신규 유압 시스템을 포함하며,
    상기 신규 유압 시스템은 또한 적어도 하나의 오일 펌프/오일 모터 및 적어도 하나의 유압 에너지 어큐뮬레이터를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 오일 펌프/오일 모터의 각각의 오일 유출 통로 상에는, 상기 에너지 어큐뮬레이터 또는 작동 실린더로 유동하도록 방출 오일을 제어하기 위한 리버싱 밸브가 제공되고,
    상기 적어도 하나의 오일 펌프/오일 모터의 각각의 오일 유입 통로 상에는, 상기 적어도 하나의 오일 펌프/오일 모터의 유입구로 유동하도록 또는 오일 탱크로 유동하도록 작동 실린더로부터의 회수 오일을 제어하기 위한 리버싱 밸브가 제공되며,
    상기 신규 유압 시스템은 상기 유압 조작 기계의 모든 원래 기능 및 작동 방식을 유지하는 것에 근거하여 중량물의 위치 에너지를 회수 및 재생성하는 기능과, 차량의 운동 에너지를 회수 및 재생성하는 기능의 일부 또는 전부를 실현할 수 있는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 시스템의 오일 펌프/오일 모터는 가변 변위 오일 펌프/오일 모터 및 일정 변위 오일 펌프/오일 모터의 조합, 일정 변위 오일 펌프/오일 모터의 조합, 또는 가변 변위 오일 펌프/오일 모터의 조합일 수 있는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유압 시스템의 오일 펌프/오일 모터의 작동 조건은 오일 펌프 작동 조건, 오일 모터 작동 조건, 또는 언로딩 작동 조건일 수 있는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중량물 하강시 위치 에너지 회수 과정 동안, 상기 오일 펌프/오일 모터의 일부분은 오일 모터 작동 조건에 들어가고, 작동 실린더의 회수 압력 오일에 의해 구동되어 토크를 출력하며,
    상기 오일 펌프/오일 모터의 다른 부분은 오일 펌프 작동 조건에 들어가고, 상기 오일 펌프/오일 모터의 일부분에 의해 출력되는 토크에 의해 구동되어 오일 탱크로부터 에너지 어큐뮬레이터 내로 오일을 가압하는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중량물 하강시 위치 에너지 회수 과정 동안, 상기 에너지 어큐뮬레이터에 유입되기 전에 작동 실린더의 압력 회수 오일이 통과하는 상기 오일 펌프/오일 모터는, 오일 모터 작동 조건에 놓이지 않고, 기관에 의해 구동되는 오일 펌프 작동 조건 또는 언로딩 작동 조건에 놓이는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    위치 에너지 및 운동 에너지는 서로 다른 오일 펌프/오일 모터에 의해 각각 회수 또는 재생성되고, 상기 서로 다른 오일 펌프/오일 모터는 조합되어 기능할 수 있는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    위치 에너지 및 운동 에너지는 동일한 오일 펌프/오일 모터에 의해 회수 또는 재생성되는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    부하 상실에 의해 야기되는 디젤 기관 과속을 방지하기 위한 제어 밸브가 상기 유압 시스템 내에 제공되는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개 이상의 일정 변위 오일 펌프/오일 모터의 조합을 이용하는 유압 시스템과, 단일 오일 펌프/오일 모터를 이용하는 유압 시스템에는, 중량물의 하강 속도를 제어하기 위한 조정가능한 스로틀 밸브가 제공되는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  10. 제 3 항에 있어서,
    가변 변위 오일 펌프 및 가변 변위 오일 모터를 갖는 조합에는, 전용 컨트롤러가 제공되는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    스로틀 구멍을 갖는 2-포지션 2-웨이 솔레노이드 리버싱 밸브는 에너지 재생성 과정 중 버퍼 기능을 수행하기 위해 상기 유압 시스템 내에 제공되는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 시스템은 다양한 표준 오일 펌프/오일 모터와, 유압 밸브와 같은 유압 구성요소에 의해 형성될 수 있거나, 또는 전용 일체형 밸브를 설계 및 제작함으로써 형성될 수 있는
    에너지-절감형 주행식 유압 조작 기계.
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