工程机械的卷扬机构动力回收系统及动力回收方法与流程

1.本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种工程机械的卷扬机构动力回收系统及动力回收方法。


背景技术：

2.旋挖钻机是一种桩工类的工程机械，凭着在各种大型桩基础施工中的卓越表现，得到越来越广泛的应用。但是，随着市场竞争的日益激烈，其油耗高、排放差的问题日益引起人们的关注。
3.在旋挖作业过程中，主卷扬机构下放非常频繁，释放出大量的重力势能。现有技术中，主卷扬机构基本上都采用开式回路的液压驱动系统，这些能量基本上都消耗在平衡阀的节流损失上，不仅浪费了能量，增加了系统的热负荷，而且降低了液压元件的使用寿命。因此，将主卷扬机构下放过程中的能量存储起来再利用，提高发动机的燃油经济性，降低排放，有着十分重要的意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术的工程机械中，卷扬机构在下放过程中不仅存在大量的能量损失，同时也增加了系统的热负荷，影响液压元件使用寿命的技术问题，本发明提供了一种能有效回收卷扬机构下放时释放的重力势能，降低系统的热负荷，提高液压元件使用寿命的工程机械的卷扬机构动力回收系统。
5.一种工程机械的卷扬机构动力回收系统，其包括闭式回路、发动机及电机储能系统；
6.所述闭式回路包括卷扬马达及闭式泵，所述卷扬马达与所述卷扬机构的一侧连接，所述闭式泵的第一油口通过第一管路与所述卷扬马达的第一油口连接，所述闭式泵的第二油口通过第二管路与所述卷扬马达的第二油口连接；
7.所述发动机与所述闭式泵连接；
8.所述电机储能系统包括电机、电机控制器及储能单元，所述电机与所述卷扬机构的另一侧连接，所述电机控制器与所述电机连接，所述储能单元与所述电机控制器连接；
9.所述卷扬机构下放时，所述卷扬机构可带动所述卷扬马达运行，使液压油从所述卷扬马达的第二油口流入所述闭式泵的第二油口，让所述闭式泵反拖所述发动机；同时所述卷扬机构下放时，所述卷扬机构可同步带动所述电机转动储能。
10.优选的，所述电机通过联轴器与所述卷扬机构的另一侧连接。
11.优选的，所述电机与所述卷扬机构之间串联有电机减速机。
12.优选的，所述卷扬机构包括卷扬、制动器及减速机，所述制动器用以锁闭所述卷扬，所述减速机串联于所述卷扬的一侧与所述卷扬马达之间，所述电机与所述卷扬机构的另一侧连接。
13.优选的，还包括补油回路，所述补油回路包括补油泵、溢流阀、第一单向阀及第二
单向阀，所述补油泵的出油口通过管路依次与所述溢流阀、所述第一单向阀及所述第一管路连接，所述补油泵的出油口通过管路依次与所述溢流阀、所述第二单向阀及所述第二管路连接。
14.优选的，还包括冲洗阀及冲洗溢流阀，所述冲洗阀的进油口通过管路分别与所述第一管路、所述第二管路连接，所述冲洗阀的回油口通过管路与油箱连接，所述冲洗溢流阀设置于所述冲洗阀的回油口与所述油箱之间。
15.优选的，所述第一管路与所述第二管路之间连接有高压溢流阀。
16.一种工程机械的卷扬机构动力回收方法，其包括如下步骤：
17.s1、提供上述任一项所述的工程机械的卷扬机构动力回收系统；
18.s2、判断所述卷扬机构的所需运行状态：若所述卷扬机构为下放则执行步骤s31，若所述卷扬机构为上升则执行步骤s41；
19.s31、根据检测得到的信号，确定所述卷扬马达转速和所述电机转速以及方向；
20.s32、通过所述卷扬马达转速、所述发动机转速和负荷率共同决定所述闭式泵的排量以及所述闭式回路中液压油流向，使液压油从所述卷扬马达的第二油口流入所述闭式泵的第二油口，所述闭式泵运行反拖所述发动机；同时所述卷扬机构带动所述电机运行发电，并通过所述电机控制器转换后储存于所述储能单元中；
21.s41、根据检测得到的信号，确定所述卷扬马达转速和所述电机转速以及方向；
22.s42、通过所述卷扬马达转速、所述发动机转速共同决定所述闭式泵的排量以及所述闭式回路中液压油流向，使液压油从所述闭式泵的第二油口流入所述卷扬马达的第二油口。
23.优选的，所述步骤s31与所述步骤s41中根据检测得到的信号均为：整车控制器根据卷扬操控手柄的开度所检测得到的信号。
24.优选的，所述步骤s42中还包括：判断所述储能单元中能源储量，若所述储能单元中能源储量充足，则启动所述电机，通过所述电机与所述卷扬马达共同带动所述卷扬机构运行。
25.与现有技术相比，本发明提供的工程机械的卷扬机构动力回收系统，创新性的用闭式回路与电机储能系统同时回收利用卷扬机构的下放势能。利用闭式回路能取消传统卷扬机构下放所需的平衡阀，节省平衡阀的耗能损失，同时闭式回路还能将卷扬机构下放时的重力势能反拖发动机，让发动机输出最小。由于卷扬机构下放势能很大，单纯闭式回路反拖发动机会造成发动机失速飞车，利用电机和储能单元能很好的回收这部分能量，让卷扬机构下放势能得到充分利用，同时电机直接与卷扬机构连接，能减少能量传递链，提高能量回收效率。本发明提供的回收系统相较于纯电动回收方式所需的储能单元也少占空间少，也更具经济性与实用性。并且电机储能系统与闭式回路直接连接卷扬机构，回收卷扬机构势能时能缩短能量传递链，提高的能量回收效率。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为一种实施例提供的工程机械的卷扬机构动力回收系统的液路图；
28.图2为图1所示卷扬下放时重物释放的势能传递路线图；
29.图3为图1工程机械的卷扬机构动力回收系统的控制流程图。
具体实施方式
30.为了使本领域的技术人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“安装于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。
32.须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
33.本发明提供了一种工程机械的卷扬机构动力回收系统，其包括闭式回路、发动机及电机储能系统；所述闭式回路包括卷扬马达及闭式泵，所述卷扬马达与所述卷扬机构的一侧连接，所述闭式泵的第一油口通过第一管路与所述卷扬马达的第一油口连接，所述闭式泵的第二油口通过第二管路与所述卷扬马达的第二油口连接；所述发动机与所述闭式泵连接；所述电机储能系统包括电机、电机控制器及储能单元，所述电机与所述卷扬机构的另一侧连接，所述电机控制器与所述电机连接，所述储能单元与所述电机控制器连接；所述卷扬机构下放时，所述卷扬机构可带动所述卷扬马达运行，使液压油从所述卷扬马达的第二油口流入所述闭式泵的第二油口，让所述闭式泵反拖所述发动机；同时所述卷扬机构下放时，所述卷扬机构可同步带动所述电机转动储能。所述工程机械的卷扬机构动力回收系统能有效回收卷扬机构下放时释放的重力势能，节能环保，并且能降低系统的热负荷，提高液压元件的使用寿命。
34.请结合参阅图1至图3。本实施例提供了一种工程机械的卷扬机构动力回收系统100，具体为一种旋挖钻机的主卷扬机构动力回收系统。所述工程机械的卷扬机构动力回收系统100包括闭式回路10、发动机20及电机储能系统30，所述闭式回路10包括卷扬马达11及闭式泵12，所述卷扬马达11与所述卷扬机构200的一侧连接，所述闭式泵12的第一油口121通过第一管路13与所述卷扬马达11的第一油口111连接，所述闭式泵12的第二油口122通过第二管路14与所述卷扬马达11的第二油口112连接。所述发动机20与所述闭式泵12连接。所述电机储能系统30包括电机31、电机控制器32及储能单元33，所述电机31与所述卷扬机构200的另一侧连接，所述电机控制器32与所述电机31连接，所述储能单元33与所述电机控制器32连接。所述卷扬机构200下放时，所述卷扬机构200可带动所述卷扬马达11运行，使液压油从所述卷扬马达的第二油口112流入所述闭式泵的第二油口122，让所述闭式泵12反拖所
述发动机20；同时所述卷扬机构200下放时，所述卷扬机构200可同步带动所述电机31转动储能。即所述卷扬机构200下放时，重物300下放的重力势能带动所述卷扬马达11运行，从而转换为液压能。使得液压油从所述卷扬马达的第二油口112流入所述闭式泵的第二油口122，带动所述闭式泵12运行，形成一定的反拖扭矩，反作用于所述发动机20的输出轴，从而能减小所述发动机20的负荷率。同时多余的能量能通过所述卷扬机构200同步带动所述电机31转动发电，通过所述电机控制器32转换后储存在所述储能单元33中。
35.可以理解的是，现有技术中，旋挖钻机的主卷扬机构基本上都采用开式回路的液压驱动系统，这些能量基本上都消耗在平衡阀的节流损失上，不仅浪费了能量，增加了系统的热负荷，而且降低了液压元件的使用寿命。
36.而若采用卷扬马达用于驱动卷扬机构下放及上升，卷扬马达的回油路再设有能量回收马达，将工作装置的下放势能回收且通过发电机转换为电能，并通过超级电容进行存储，回收能量通过电风扇用于液压油散热器的方案。则能量传递链较长，比电机储能系统与卷扬机构直接相连能量回收效率低。
37.而若采用系统包括：发动机、分动箱、总控制器、储能单元、电机驱动子系统和液压驱动子系统等部件的方案。其中，电机驱动子系统与分动箱第一输出轴连接，用于为主卷扬机构提供动力，包括发电机、电机控制单元、电动机和减速机；液压驱动子系统与分动箱第二输出轴连接，用于为其它工作装置提供动力，包括主泵、副泵、主液压系统和副液压系统。该动力系统能够在钻杆下放时，反向拖动电动机发电，将电能回馈至发电机和储能单元，为发动机辅助提供一部分动力；同时在发动机轻载运行时，利用发电机发电，使发动机工作在燃油经济区，起到节能的目的。在主卷扬机构上升速度较快时，功率需求较大，发电机和储能单元一起为电动机供电；在主卷扬机构上升速度较慢时，功率需求较小，发电机其中一部分电能供至电动机，另一部分电能为储能单元充电；在钻杆下放时，主卷扬反向拖动电动机发电，将电能回馈至发电机和储能单元，为发动机辅助提供一部分动力。这种方案回收的电能无法独立提供卷扬机构上升所需全部能量，需要发动机再带动一个电机发电补充电能，由于全部回收储能装置体积较大、成本较高，实用性不强。
38.采用单独闭式回路的方案无法完全回收卷扬机构下放势能，而采用单独纯电回收势能无法独立提供卷扬机构上提所需全部能量，需要发动机再带动一个电机发电补充电能，由于全部回收储能装置体积较大、成本较高实用性不强。而本实施例提供的所述工程机械的卷扬机构动力回收系统100，相较于其他的卷扬机构节能技术，创新性的将所述闭式回路10与所述电机31相结合回收利用所述卷扬机构200下放的势能。利用所述闭式回路10能取消传统卷扬机构下放所需的平衡阀，节省平衡阀的耗能损失，同时所述闭式回路10还能将所述卷扬机构200下放时的重力势能反拖所述发动机20，让所述发动机20输出最小。同时由于所述卷扬机构200下放势能很大，单纯闭式回路反拖所述发动机20会造成所述发动机20失速飞车，而本实施例利用所述电机31和所述储能单元33能很好的回收这部分能量，让所述卷扬机构200下放势能得到充分利用。并且该方案相较于利用蓄能器收能的纯液压方案，能更充分利用所述卷扬机构200下放势能且节能效果更佳，同时所述闭式回路10有更好的操控平顺性和安全性。该方案相较于纯电动回收方式回收能量少，所需的储能单元也少占空间少，也更具经济性。同时所述电机储能系统30与闭式回路10分别直接连接所述卷扬机构200，回收所述卷扬机构200势能时能缩短能量传递链，提高的能量回收效率。
39.优选的，所述电机31通过联轴器40与所述卷扬机构200的另一侧连接。当然，在其他实施例中，所述电机储能系统30、所述闭式回路10与所述卷扬机构200的具体连接结构还可根据实际需求进行选择，如在所述卷扬200一侧加装减速机，通过分动箱等机械传动方式分别连接所述电机储能系统30和闭式回路10。而本实施例中，所述电机31通过联轴器40与所述卷扬机构200的另一侧连接，使得所述电机31能直接与所述卷扬机构200连接，从而在回收所述卷扬机构200势能时能进一步的缩短能量传递链，提高的能量回收效率，同时所述电机31也能更好在所述卷扬机构200上升时提供动力。
40.优选的，所述电机31与所述卷扬机构200之间串联有电机减速机34。当然，在其他实施例中，所述电机31也可采用大扭矩电机，从而将所述电机31与所述卷扬机构200直接连接中间不要设置减速机。
41.优选的，所述卷扬机构200包括卷扬210、制动器220及减速机230，所述制动器220用以锁闭所述卷扬210，所述减速机230串联于所述卷扬210与所述卷扬马达11之间。从而可以更好的保障所述卷扬机构200的安全性，同时也能更好的保障所述卷扬210上升和下放时的稳定性。
42.优选的，所述工程机械的卷扬机构动力回收系统100还包括补油回路50，所述补油回路50包括补油泵51、溢流阀52、第一单向阀53及第二单向阀54，所述补油泵51的出油口通过管路依次与所述溢流阀52、所述第一单向阀53及所述第一管路13连接，所述补油泵51的出油口通过管路依次与所述溢流阀52、所述第二单向阀54及所述第二管路14连接。从而通过所述补油泵51能为所述工程机械的卷扬机构动力回收系统100补充泄漏流量，通过所述溢流阀52能限制最高补油压力，通过所述第一单向阀53/第二单向阀54可以依据两侧管路液压油压力的高低选择补油方向，更好的保障了所述工程机械的卷扬机构动力回收系统100的稳定运行。
43.优选的，所述工程机械的卷扬机构动力回收系统100还包括冲洗阀60及冲洗溢流阀70，所述冲洗阀60的进油口通过管路分别与所述第一管路13、所述第二管路14连接，所述冲洗阀60的回油口通过管路与油箱连接，所述冲洗溢流阀70设置于所述冲洗阀60的回油口与所述油箱之间。从而通过所述冲洗阀60和所述冲洗溢流阀70能将系统中的热油经过低压侧一部分回油箱，提高系统散热性能。
44.优选的，所述第一管路13与所述第二管路14之间连接有高压溢流阀80，从而通过高压溢流阀80可以防止所述闭式泵12和所述卷扬马达11超载。
45.当所述卷扬机构200下放时，整车控制器400通过卷扬操控手柄开度确定所述卷扬210转速，从而确定所述卷扬马达11转速和所述电机31转速以及方向，所述卷扬马达11转速、所述发动机20转速和负荷率共同决定所述闭式泵12的排量和液压油流向，此时所述电机控制器32控制所述电机31回收多余势能到所述储能单元33。具体的，当所述卷扬机构200下放时，所述制动器220解锁，所述重物300下放的重力势能通过钢丝绳作用到所述卷扬210，从而通过所述卷扬210同时传递给所述减速机230和所述电机减速机34，所述减速机230带动所述卷扬马达11将机械能转换为液压能。液压油从所述卷扬马达的第二油口112流来，流入所述闭式泵的第二油口122，在此过程中将所述卷扬马达11液压能传递给所述闭式泵12，所述闭式泵12反拖所述发动机20，能减小所述发动机20负荷率。然后液压油从所述闭式泵的第一油口121流回所述卷扬马达的第一油口111，实现循环。而剩下的势能由所述电
机减速机34带动所述电机31转动发电，通过所述电机控制器32转换后储存在所述储能单元33中。
46.当所述卷扬机构200上升时，所述整车控制器400通过手柄开度确定所述卷扬210转速，从而确定所述卷扬马达11转速和所述电机31转速和方向，所述卷扬马达11转速、所述发动机20转速共同决定所述闭式泵12的排量和液压油流向，此时所述电机控制器32控制所述电机31将所述储能单元3中储存的电能转化为机械能与所述卷扬马达11一起为所述卷扬210提供动力。具体的，当所述卷扬机构200上升时，根据所述储能单元33储能情况，所述电机31由所述电机控制器32控制通过所述电机减速机34给所述卷扬210提供动力。与此同时所述发动机20带动所述闭式泵12提供液压能，液压油从所述闭式泵的第二油口122到所述卷扬马达的第二油口112，推动所述卷扬马达11旋转，通过所述减速机230给所述卷扬210提供动力，将所述重物300往上提。液压油从所述卷扬马达的第一油口111流出，流回所述闭式泵的第一油口121，实现循环。
47.本实施例提供的所述工程机械的卷扬机构动力回收系统100中所述电机储能系统30与所述闭式回路10直接连接所述卷扬210，回收所述卷扬210势能时能缩短能量传递链，提高的能量回收以及利用效率。
48.优选的，其他实施例中，可以在所述发动机20与所述闭式泵12连接的轴上再并一个开式泵，所述开式泵用于散热等其他用途，进一步减少电回收势能的比例。
49.优选的，在其他实施例中，所述电机储能系统30中可采用双电机结构，一个电机收能另一个电机放能。
50.优选的，在其他实施例中，所述电机储能系统30回收的能源也可用于散热等其他用途。
51.同时，本实施例还提供了一种工程机械的卷扬机构动力回收方法，其包括如下步骤：
52.s1、提供所述工程机械的卷扬机构动力回收系统100；
53.s2、判断所述卷扬机构200的所需运行状态：若所述卷扬机构为下放则执行步骤s31，若所述卷扬机构为上升则执行步骤s41；
54.s31、根据检测得到的信号，确定所述卷扬马达11转速和所述电机31转速以及方向；
55.s32、通过所述卷扬马达11转速、所述发动机20转速和负荷率共同决定所述闭式泵12的排量以及所述闭式回路10中液压油流向，使液压油从所述卷扬马达的第二油口112流入所述闭式泵的第二油口122，所述闭式泵12运行反拖所述发动机20；同时所述卷扬机构200带动所述电机31运行发电，并通过所述电机控制器32转换后储存于所述储能单元33中；
56.s41、根据检测得到的信号，确定所述卷扬马达11转速和所述电机31转速以及方向；
57.s42、通过所述卷扬马达11转速、所述发动机20转速共同决定所述闭式泵12的排量以及所述闭式回路10中液压油流向，使液压油从所述闭式泵的第二油口122流入所述卷扬马达的第二油口112。
58.优选的，所述步骤s31与所述步骤s41中根据检测得到的信号均为：整车控制器400根据卷扬操控手柄的开度所检测得到的信号，具体的，通过所述整车控制器400根据卷扬操
控手柄的开度确定所述卷扬210转速。从而可以更好的确保信号检测控制的准确性。
59.优选的，所述步骤s42中还包括：判断所述储能单元33中能源储量，若所述储能单元33中能源储量充足，则启动所述电机31，通过所述电机31与所述卷扬马达11共同带动所述卷扬机构200运行。从而可以更好的利用所述储能单元33中储存的能源。
60.以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。