NO330016B1 - Energigjenvinning - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse omfatter et åpent (eller et åpent bygd inn et lukket) hydraulisk system særlig innrettet til å drive kraner og vinsjer. Systemet omfatter en oljetank (33), ei hydraulisk pumpe (32) drevet av en drivmotor (31) via en aksel, en manøverventil (34), en drevet komponent (36) innrettet til å drive en last, og en lastholdeventil (35) som er koblet over den drevne komponenten (36). I tillegg omfatter systemet en hydraulisk gjenvinningsmotor (310) montert på akselen fra drivmotoren (31) og pumpa (32). Når lasten slippes tilbake, vil potensiell energi og stillingsenergi frigjort av lasten drive gjenvinningsmotoren (310) som igjen vil drive drivmotoren (31) som en generator. På denne måten kan den potensielle energien i lasten gjenvinnes.

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende søknad vedrører hydrauliske systemer, spesielt på kraner og vinsjer, og nærmere bestemt et system for energi besparing i åpne og lukkede hydrauliske systemer hvor det brukes lastholdeventiler (balanseventiler) eller andre typer ventiler for å overføre potensiell energi og stillings energi til varme.

Bakgrunn

Hydrauliske systemer inndeles i åpne og lukkede typer (med åpne og lukkede kretsløp). Lukkede systemer brukes gjerne i større og mer kompliserte anlegg. Som navnet forteller, danner den hydrauliske kretsen en lukket sløyfe, med pumpeag-gregat og drevne komponenter koblet i serie. Hvis systemet for eksempel skal løfte en last med vinsj, driver pumpa olje gjennom vinsjmotoren og tilbake til andre siden av pumpa videre til vinsjmotoren igjen osv til lasten er i den ønskede høyde og bremsen i girboksen går på (vinsjtrommelen drives av en vinsjmotor via en girboks, girboksen er forsynt med en parkeringsbrems). Tilført energi lagres som potensiell energi og stillingsenergi i lasten. Når lasten skal fires ned igjen, går bremsen i girboksen av og lasten "henger" på pumpa. Deretter vinkler pumpa andre veien og slipper olja rundt tilbake motsatt vei. Posisjonen av lasten blir på denne måten styrt direkte av vinklingen til pumpa. Når lasten senkes, kan den potensielle energien drive pumpa som en motor, og denne energien kan igjen tas ut og gjenvinnes.

Lukkede systemer har imidlertid en begrensning ved at de bare kan gjenvinne energi fra hydraulikkmotorer. Energi fra sylindre kan ikke gjenvinnes ettersom det på sylindre brukes lastholdeventiler til å låse sylindre som er lastholdende. Volum-forskjellen mellom stempelside og stangside på sylindre vil også ha en innvirkning her. Sylindre må tas hånd om av et separat innebygget åpent delsystem, se neden-for.

I åpne systemer er det igjen en seriekobling av pumpe og drevne komponenter, samt en manøverventil og en lastholdeventil. Her tar pumpa olje fra en tank, og olja returneres fra komponentene direkte til tanken. Hvis en tilsvarende oppgave som nevnt ovenfor utføres i et åpent anlegg, heves lasten på samme måte ved hjelp av pumpe og vinsjmotor. Når lasten skal fires ned, åpner manøverventilen for trykk til ned siden av vinsjmotoren og fyller denne, videre går bremsen i girboksen av. Lasten "henger" nå på lastholdeventilen. Lastholdeventilen vil styre hvor mye olje som slippes ut av motorens oppside i henhold til tilført oljemengde på nedsi den. Manøverventilen åpner en returvei slik at oljen "kortsluttes" ned til tanken, utenom pumpa. Kjente systemer av denne åpne typen kan ikke gjenvinne den potensielle energien fra lasten, og den tapes som friksjonsvarme i olja over ventiler og rør.

En fordel med åpne systemer er at alle løftekomponentene kan utstyres med lastholdeventiler. Dette er ventiler som hindrer at lasten siger/dropper (ved at olje lek-ker tilbake gjennom manøverventiler/tilbakeslagsventiler, slangebrudd og lignende) og lar oss kontrollert låre/senke last ved at de styres av tilført oljemengde og trykk på motsatt side av løftekomponenten. Dette er en viktig fra et sikkerhetsmessig synspunkt.

Fra US 7249457, WO 2008/082463 og US 2007/01175209 er det kjent åpne systemer med energigjenvinning. Her er det imidlertid ikke benyttet noen lastholdeventiler. Slike løsninger er meget tvilsomme fra et sikkerhetsmessig synspunkt. Ved retur vil lasten løpe mer eller mindre fritt, og kan ikke tas kontrollert ned. Oljen vil ruse tilbake til tanken gjennom gjenvinningsmotoren. Utgaven i US 7 249 457 inneholder riktignok en pilotoperert 2-2 ventil (20) som vil åpne og lukke hele tiden ihht det tilførte trykket på stangsiden av sylinderen. Det vil føre til at lasten låres i hopp ettersom det ikke er restriksjoner på oljen på lastsiden. Innføres en slik rest-riksjon vil det tapes energi som friksjon/varme. Det er også verdt å merke seg at alle løsningene er begrenset til lastbærende sylindre ettersom de ikke vil virke på en vinsjmotor.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et hydraulisk system som kombinerer de sikkerhetsmessige fordelene forbundet med et åpent system og evnen til å gjenvinne energi fra vinsjer og lastholdende sylindere.

Dette oppnås med et system ifølge oppfinnelsen slik den fremgår av de etterfølgen-de patentkrav.

Fordelene med et system ifølge oppfinnelsen er lavere energiforbruk, mindre stillingsenergi og potensiell energi som blir omgjort til varme, som igjen medfører

mindre behov for kjøling av systemet med oppnåelse av besparelser i kjøleinstalla-sjonen, sikkerheten med ingen kritiske slanger innforbi lastholdeventiler kan ivare-tas, pilotforholdet på lastholdeventilene kan gjerne være lavere for å gi bedre stabi-

litet, systemet kan kontrolleres rent hydraulisk uten kontrollsystem, motoren som resirkulerer energien kan også brukes for oppvarming av oljereservoaret med små ekstra kostnader, enklere enn lukkede systemer med mange av de samme fordelene, systemet kan ha forskjellig volum på tilført olje og resirkulert olje, som er for-delaktig ved kjøring av sylindre (denne fordelen har ingen av dagens systemer), gjenvinner energi også fra sylindre.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen skal nå beskrives i detalj ved henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er en skjematisk kretstegning av et åpent hydraulisk system uten energigjenvinning (kjent teknikk) under løfting av en last,

fig. 2 viser systemet i Fig. 1 når lasten senkes,

fig. 3 viser et åpent system ifølge oppfinnelsen, i en tilsvarende situasjon som i Fig. 2, dvs. når lasten senkes ned,

fig. 4 er en skjematisk tegning av et tilsvarende system hvor lasten er en vinsj.

Detaljert beskrivelse

Fig. 1 viser et vanlig kjent åpent system ved løfting av en last. Lasten løftes av en sylinder 6, og nødvendig trykk for å løfte lasten er 200 bar. Dette trykket genereres av ei pumpe 2 som henter olje fra tanken 3. Pumpa er drevet av en elektrisk drivmotor 1. Olja går fra pumpa 2 via en manøverventil 4 til sylinderen 6. Over sylinderen er det plassert en vanlig kjent lastholdeventil 5 som hindrer at lasten går ned om for eksempel motorkraften faller ut. Fig. 2 viser det samme systemet når lasten fires ned. Manøverventilen er kastet om slik at pumpa gir et trykk på utgangen B, her på 50 bar, for å utløse lastholdeventilen 5. Dette gir et tilleggstrykk på utgangen av sylinderen, p.g.a. omsetningsfor-holdet i sylinderen. Olja på undersiden av stempelet i løftesylinderen 6 vil da passere gjennom lastholdeventilen til utgang A på manøverventilen 4, passere ventilen til utgang T og videre til tanken 3. Dette vil resultere i et trykktap på til sammen 225 bar (200 bar fra lasten på løftesylinderen + 25 bar fra utløsningstrykket fra pumpa ved et omsetningsforhold på 1:2 i sylinderen) som i det alt vesentlige tapes over lastholdeventilen 5. Energien fra lasten (og pumpa) vil da tapes som varme i olja over lastholdeventilen.

I Fig. 3 er det vist et tilsvarende åpent hydraulisk system modifisert med et energigjenvinnende opplegg ifølge foreliggende oppfinnelse. Systemet i Fig. 3 er vist når lasten skal fires ned. Systemet omfatter igjen en sylinder 36 som mates fra ei pumpe 31 via en manøverventil 34 og med en lastholdeventil 35 over sylinderen 36.

Det energigjenvinnende opplegget omfatter en hydraulisk gjenvinningsmotor 310 koblet på samme aksel som drivmotoren 31 og pumpa 32. Dette kan være en variabel aksialstempelmotor eller lignende. Gjenvinningsmotoren 310 er koblet direkte til lastholdeventilen 35 utenom manøverventilen 34, og leverer oljen til tanken 33. For å styre strømmen av olje gjennom gjenvinningsmotoren 310 er det innført førs-te og andre tilbakeslagsventiler 311 og 312, henholdsvis i linjen fra manøverventi-lens utgang A til lastholdeventilen 35 og i linjen fra lastholdeventilen til gjenvinningsmotoren. I tillegg er det innført en tredje pilotstyrt tilbakeslagsventil 313 i serie med den andre tilbakeslagsventilen 312, men motsatt rettet. Den siste ventilen styres av trykket på manøverventilens utgang B. Alternativt kan det her benyt-tes en pilotstyrt 2-2 ventil for å unngå pilotforhold. Systemet kan betjene flere drevne komponenter, vist ved utgangene 314 og 315. De drevne komponentene behøver ikke nødvendigvis være i form av sylindere, slik som vist på figuren, men kan for eksempel være vinsjmotorer.

Lasten som ligger på sylinderen 36 i Fig. 3 er også her 200 bar. Igjen utløses lastholdeventilen 35 med et trykk på 50 bar levert på manøverventilens utgang B. På grunn av sylinderens omsetningsforhold gir dette et tilleggstrykk på 25 bar på sylinderens utgang. Utløsningstrykket har også utløst den tredje tilbakeslagsventilen 313 slik at oljen passerer gjennom andre og tredje tilbakeslagsventil 312 og 313 til gjenvinningsmotoren 310, og driver denne. Gjenvinningsmotoren 310 driver igjen drivmotoren 31, dvs. at den nå virker som en elektrisk generator og leverer kraft. Den første tilbakeslagsventilen 311 hindrer oljen fra lastholdeventilen fra å gå direkte til tanken 33 utenom gjenvinningsmotoren 310. Over gjenvinningsmotoren 310 er det plassert en fjerde tilbakeslagsventil 316 for å unngå kavitering når systemet går på "tomgang". Denne kan for eksempel ha en fjær på 0,1 bar. Ved dette opplegget oppnås det at energien i oljen som returneres fra sylinderen 36 gjenvinnes i gjenvinningsmotoren 310 og drivmotoren 31. I lastholdeventilen 35 må man regne med et visst trykktap avhengig av energigjennomgangen. Her kan den anslås til ca. 25 bar, dvs. at det blir 200 bar til rådelighet for å drive gjenvinningsmotoren 310.

Lastholdeventiler har et pilotforhold, dvs. et forhold mellom internpilot og ekstern-pilot på kraften som trengs for å åpne ventilen. Er dette 1:3 vil det si at eksternpiloten trenger lx trykket (innstilt fjærtrykk) for å åpne den, mens internpiloten trenger 3x trykket for å åpne den. Normalt er begge pilotene med på å åpne ventilen. Normalt stilles fjæra sterkere enn trykket som kan oppnås i eksternpiloten ale-ne ved maks last på systemet.

Lastholdeventilene som blir brukt i dette systemet må ha ekstern drenering av fjærkammeret for at baktrykket ikke skal påvirke ventilen. Fjærkammeret kan også være ventilert til atmosfæren.

For å redusere energibehovet ved frigjøring av lasten, kan pilotforholdet på lastholdeventilene endres til for eksempel 1:10. Erfaringsmessig blir systemet da ustabilt, og kommer lett i svingninger. Pilotforhold på 1:2 og 1:3 gir mye bedre stabilitet og kontroll over stillingsenergien.

Gjenvinningsmotoren kan være en variabel aksial stempelmotor for forskjellige trykk og volumer i henhold til stillingsenergien som skal gjenvinnes. Dette oppnås med en regulator på motoren som styrer fortrengningsvolumet i henhold til ønsket trykk i gjenvinningsporten (den porten som får hydraulikkmotoren til å gå samme vei som pumpa og el motoren). Regulatoren er innstilt slik at motoren ligger med lite fortreng ni ngsvolum (tilnærmet null) på "tomgang", og når trykket fra stillingsenergien øker til ønsket gjenvinningstrykk styrer regulatoren (trykkavskjæringen) fortrengningsvolumet til gjenvinningsmotoren for å kontrollere gjenvinningstrykket. Med betegnelsen trykkavskjæring ("cut off") menes ved hvilket trykk i arbeidspor-tene motoren skal øke fortrengningsvolumet, dvs. ved hvilke laster på en motor momentet skal øke. Her blir trykkavskjæringen brukt til å bestemme trykkfallet over gjenvinningsmotoren ved å variere fortrengningsvolumet. Hvis det er fare for at gjenvinningsmotoren når den ligger til maks fortrengningsvolum ikke klarer til-ført mengde, kan systemet sikres med en sikkerhetsventil som slipper til tank.

For å kunne gjenvinne mest mulig av den potensielle energien kan trykkavskjæringen på gjenvinningsmotoren varieres i henhold til det aktuelle trykket som er over lastholdeventilene ved hjelp av en PLS og trykktransmittere (ikke vist). Trykk- transmitterne måler da trykket på hver side av lastholdeventilene og sender måle-verdiene til en PLS, som igjen kontrollerer trykkavskjæringen på gjenvinningsmotoren. Trykkavskjæringen bør ligge noe under det trykket den potensielle energien genererer for at lastholdeventilen fremdeles skal kontrollere lasten godt. Med denne løsningen vil systemet bli mer optimalisert og oppnå tilnærmet samme "reverse power" potensiale som et lukket system ved låring av last med vinsj. Og når stillingsenergien på sylindrene varierer kan trykkavskjæringen reguleres for å gjenvinne mest mulig av den potensielle energien.

For fullstendighets skyld er det i Fig. 4 vist en utførelse av et åpent system med energigjenvinning ifølge oppfinnelsen, og hvor lasten løftes av en vinsjmotor. Vi vil her bare kort omtale de enkelte komponentene i systemet: Lasten 46.5 henger i en vinsjtrommel 46.4 med vaier, og utgjør den potensielle energien i systemet.

Vinsjtrommelen 46.4 drives av en hydraulikkmotor 46.1 via en girboks 46.2, som reduserer turtallet fra hydraulikkmotoren 46.1 og øker momentet til vinsjen.

Girboksen omfatter en parkeringsbrems 46.3. Denne er fjærbelastet til på og den løftes av ved trykk (ca. 15-20 bar). Bremsepakken inneholder en spragclutch slik at bremsen virker kun ned. Det vil si at bremsen av sikkerhetsmessige årsaker kun må løses ut ved låring og ligger på ved heising.

Hydraulikkmotoren 46.1 er en variabel aksialstempelmotor for forskjellige hastighe-ter og momenter i henhold til lasten på vinsjen, som forklart ovenfor.

Lastholdeventilen 45 kontrollerer oljetrykket som stillingsenergien lager i opp porten til vinsjmotoren 46.1 og hindrer lasten i å ruse tilbake, for eksempel ved sjal-ting av manøverventilen 44. Dette er i og for seg en lignende oppgave som for par-keringsbremsen 46.3. Men brukes ikke som parkeringsbrems pga at det vil normalt være en viss intern lekkasje i hydraulikkmotoren som vil medføre at lasten siger sakte til motoren går tom for olje og vil da kavitere. Dette vil medføre fritt fall av lasten.

På samme måte som i foregående utgave, er det også her første 411 og andre 412 tilbakeslagsventiler eller enveis ventiler, samt en tredje pilotstyrt tilbakeslagsventil 413. Denne siste er plassert for å stenge gjenvinningsmotoren 410 under heising og åpne når det låres.

Før oljen returnerer til tanken 43 går den gjennom et filter 47.

Videre er det en elektrisk drivmotor 41, ei hydraulisk pumpe 42 samt en gjenvinningsmotor 410 overkoblet av en fjerde tilbakeslagsventil 416.

Ved låring av last kastes manøverventilen om til stillingen som er vist på figuren. Oljen går da ned til motoren og fyller denne for å hindre kavitering. Trykket på utgangen av pumpa 42 øker nå til 15-20 bar og bremsen 46.3 løsner. Nå henger lasten 46.5 på hydraulikken. Lasten lager et trykk mot lastholdeventilen 45. Nå øker trykket på nedsiden av motoren 42 videre - kraften på intern- og eksternpiloten i lastholdeventilen 45 overvinner fjærkraften - olja som ligger mellom motor og lastholdeventil slipper ut - lastholdeventilen balanserer hvor mye olje som slipper ut i henhold til trykket på nedsiden av motoren. Det vil si at frigjøringen av stillingsenergien styres av tilført trykk og mengde olje på nedsiden av motoren.

Gjenvinningsmotoren står i utgangspunktet (tomgang) innstilt på minimum fortrengningsvolum. Når returoljen fra lastholdeventilen kommer inn i gjenvinningsmotoren øker trykket til motoren går i trykkavskjæring og gjenvinner energien som lastholdeventilen normalt ville overført til varme. Trykkforskjellen over gjenvinningsmotoren justeres med trykkavskjæringen.

Claims (6)

1. Hydraulisk system med åpent kretsløp eller hvor et åpent kretsløp er bygd inn i et lukket kretsløp, omfattende en oljetank (33), ei hydraulisk pumpe (32) drevet av en drivmotor (31) via en aksel, en manøverventil (34), en drevet komponent (36) innrettet til å drive en last, og en lastholdeventil (35) med ventilert fjærkam-mer som er koblet over den drevne komponenten (36), videre omfattende en hydraulisk gjenvinningsmotor (310) montert på akselen fra drivmotoren (31) og pumpa (32), idet gjenvinningsmotoren (310) er koblet mellom lastholdeventilen (35) til tanken (33) utenom manøverventilen (34), en første tilbakeslagsventil (311) koblet mellom en første utgang på manøverventilen (34) og lastholdeventilen (35), en andre tilbakeslagsventil (312) koblet mellom lastholdeventilen (35) og gjenvinningsmotoren (310), en tredje pilotstyrt ventil (313) koblet i serie med den andre tilbakeslagsventilen (312), hvor den tredje ventilen (313) styres av trykket på en andre utgang på manøverventilen (34).

2. Hydraulisk system ifølge krav 1, hvor den tredje ventilen (313) er en tilbakeslagsventil som er motsatt rettet den andre tilbakeslagsventilen (312).

3. Hydraulisk system ifølge krav 1, hvor den tredje ventilen (313) er en 2-2 ventil.

4. Hydraulisk system ifølge krav 1, idet systemet videre omfatter en fjerde tilbakeslagsventil (316) koblet over gjenvinningsmotoren (310).

5. Hydraulisk system ifølge krav 1, idet systemet videre omfatter en PLS koblet til et antall trykktransmittere som avføler trykket over lastholdeventilen (35), idet PLS'en er innrettet til å styre trykkavskjæringen på gjenvinningsmotoren (310) for å oppnå best mulig energigjenvinning.

6. Hydraulisk system ifølge krav 1, idet den hydrauliske gjenvinningsmotoren er en variabel aksialstempelmotor.