CN106560439B - 势能回收利用系统、控制方法及工程机械设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种势能回收利用系统、控制方法及工程机械设备，势能回收利用系统包括直流电机(6)、电能存储部件(8)和控制部件，直流电机(6)包括输入端和输出端，输入端与卷扬系统(5)中的转动部件连接，输出端与电能存储部件(8)连接，控制部件用于根据卷扬系统(5)的不同作业工况控制直流电机(6)以对应的模式工作，以实现能量转换。本发明的势能回收利用系统能够通过直流电机同时实现卷扬系统下放势能的回收与利用，在能量回收时直接将机械能转化为电能，在将存储的能量释放时也不需要增加新的部件，使得系统结构更加简单，从而以成本的成本实现能量的回收利用。

Description

势能回收利用系统、控制方法及工程机械设备

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种势能回收利用系统、控制方法及工程机械设备。

背景技术

工程机械设备如起重机、旋挖钻机、履带吊等，均需要卷扬系统提升及下放工作装置进行作业。在下放过程中，卷扬下放重力势能全部转化为液压油热能，由于工作装置及所吊重物重量均较大，因此造成了极大的能量浪费，且会使油温急剧上升，严重影响整机工作性能，因而最好对卷扬系统下放过程中的能量进行回收利用。

现有技术中存在一种液电式卷扬下放重力势能回收系统，如图1所示的原理示意图，发动机1a驱动主泵2a运转，主阀3a控制卷扬马达4a的正反转，卷扬马达4a带动卷扬系统5a进行提升或下放工作，当卷扬系统5a处于下放工作状态时，卷扬马达4a的回油通过能量回收马达6a驱动直流发电机7a进行发电，DC/DC转换器8a将直流发电机7a输出的电压及电流转换至所需规格，从而实现超级电容9a的快速充电。

该势能回收技术采用超级电容9a作为储能元件，通过液压回路将重力势能转化为机械能，再通过直流发电机7a将机械能转化为电能并存储。虽然通过图1所示的系统能够对卷扬系统5a下放过程中的能量进行回收，但是需要在原液压系统中增加能量回收马达6a及直流发电机7a实现能量转换，使得系统结构比较复杂，而且会增加成本。而且，回收的能量需要再利用时，仍需要将超级电容放电系统与卷扬系统5a进行融合，这将进一步增加系统的复杂程度以及成本。

发明内容

本发明的目的是提出一种势能回收利用系统、控制方法及工程机械设备，能够简化势能回收利用系统的结构。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种势能回收利用系统，包括直流电机6、电能存储部件8和控制部件，所述直流电机6包括输入端和输出端，所述输入端与卷扬系统5中的转动部件连接，所述输出端与所述电能存储部件8连接，所述控制部件用于根据所述卷扬系统5的不同作业工况控制所述直流电机6以对应的模式工作，以实现能量转换。

进一步地，所述控制部件用于控制所述直流电机6在所述卷扬系统5执行下放作业时以发电机模式工作，将从所述卷扬系统5中的转动部件回收的势能转化为电能存储在所述电能存储部件8中；在所述卷扬系统5执行提升作业时以电动机模式工作，将存储在所述电能存储部件8中的电能转化为机械能驱动所述卷扬系统5工作。

进一步地，所述直流电机6还包括信号端，用于接收主阀控制信号S2和卷扬转速信号S3，所述控制部件能够根据所述主阀控制信号S2判断所述卷扬系统5的作业工况，以对所述直流电机6的工作模式进行切换，且能够根据所述卷扬转速信号S3对所述直流电机6进行扭矩调节，以对所述卷扬系统5的转速进行控制。

进一步地，还包括电压测试部件，用于获取所述电能存储部件8两端的电压信号S4，所述控制部件能够根据卷扬转速信号S3和所述电压信号S4控制主泵2的排量。

进一步地，所述卷扬系统5包括卷筒52，所述直流电机6设在所述卷筒52内。

进一步地，所述直流电机6同轴设在所述卷筒52内。

进一步地，所述直流电机6包括转子63、定子62、转轴61和位置传感器64，所述转子63安装在所述卷筒52的内壁上，所述定子62同轴穿设在所述转子63内，并通过所述转轴61安装在卷筒52的侧壁上，所述位置传感器64用于检测所述定子62相对于所述转子63的转动位置。

为实现上述目的，本发明二方面提供了一种工程机械设备，包括上述实施例所述的势能回收利用系统。

为实现上述目的，本发明三方面提供了一种基于上述实施例所述的势能回收利用系统的控制方法，包括：

所述控制部件判断所述卷扬系统5的作业工况；

所述控制部件根据所述卷扬系统5的作业工况控制所述直流电机6以对应的模式工作，以实现能量转换。

进一步地，其特征在于，所述控制部件根据所述卷扬系统5的作业工况控制所述直流电机6以对应的模式工作的步骤具体包括：

在所述卷扬系统5执行下放作业时，所述控制部件控制所述直流电机6以发电机模式工作，将从所述卷扬系统5中的转动部件回收的势能转化为电能存储在所述电能存储部件8中；

在所述卷扬系统5执行提升作业时，所述控制部件控制所述直流电机6以电动机模式工作，将存储在所述电能存储部件8中的电能转化为机械能驱动所述卷扬系统5工作。

进一步地，在所述控制部件控制所述直流电机6以电动机模式工作时，所述控制部件根据卷扬转速信号S3对所述直流电机6进行扭矩调节，以对所述卷扬系统5的转速进行控制。

进一步地，所述控制部件判断所述卷扬系统5的作业工况的步骤具体包括：

所述控制部件根据主阀控制信号S2判断所述卷扬系统5的作业工况。

进一步地，所述势能回收利用系统还包括电压测试部件，用于获取所述电能存储部件8两端的电压信号S4，所述势能回收利用控制方法还包括：

所述控制部件根据卷扬转速信号S3和所述电压信号S4控制主泵2的排量。

基于上述技术方案，本发明的势能回收利用系统，控制部件用于根据卷扬系统的不同作业工况控制直流电机以对应的模式工作，以实现能量转换，从而能够通过直流电机回收卷扬系统的下放势能，并将回收存储于电能存储部件中的电能通过直流电机再利用于卷扬系统的提升作业工况，进而实现势能的持续回收与再利用。此种势能回收利用系统能够通过直流电机同时实现卷扬系统下放势能的回收与利用，在能量回收时直接将机械能转化为电能，在将存储的能量释放时也不需要增加新的部件，使得系统结构更加简单，从而以较低的成本实现能量的回收利用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术卷扬下放势能回收利用系统的原理示意图；

图2为本发明卷扬下放势能回收利用系统的一个实施例的原理示意图；

图3为本发明卷扬下放势能回收利用系统的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

如图2所示，为了回收利用工程机械设备中卷扬系统5下放时的势能，本发明提供了一种改进的势能回收利用系统，为了方便后续对方案的描述和理解，此处先对控制卷扬系统5的液压系统结构进行说明。

结合图2所示的原理图和图3所示的结构示意图，发动机1接收发动机控制信号S1驱动主泵2运转，主阀3接收主阀控制信号S2控制卷扬马达4的正反转，卷扬马达4带动卷扬系统5对重物执行上升或下放动作。具体地，卷扬系统5中设有卷筒52，一般通过钢丝绳缠绕在卷筒52的外周上以实现吊重。另外，卷扬系统5中还设有位置传感器64，用于检测卷筒52的转速。

以上面给出的卷扬控制液压系统为例，下面给出本发明势能回收利用系统的实施例，但由于本发明的改进点主要在于卷扬系统5的机械能与电能存储部件8中电能进行转换，无需像现有技术一样回收液压能，因而本发明的各实施例不会受到液压系统具体结构的限制。

在本发明的一个示意性的实施例中，如图2所示，势能回收利用系统包括直流电机6、电能存储部件8和控制部件，直流电机6包括输入端和输出端，输入端与卷扬系统5中的转动部件(例如卷筒52)连接，输出端与电能存储部件8连接，控制部件用于根据卷扬系统5的不同作业工况控制直流电机6以对应的模式工作，以实现能量转换。

本发明该实施例的势能回收利用系统，控制部件能够根据卷扬系统的不同作业工况控制直流电机以对应的模式工作，以实现能量转换，从而实现通过直流电机回收卷扬系统的下放势能，并将回收存储于电能存储部件中的电能通过直流电机再利用于卷扬系统的提升作业工况，进而实现势能的持续回收与再利用。此种势能回收利用系统能够通过直流电机同时实现卷扬系统下放势能的回收与利用，在能量回收时直接将卷扬系统的机械能转化为电能，在需要将存储的能量释放进行利用时也不需要增加新的部件，使得系统结构更加简单，从而以较低的成本实现能量的回收利用。

该实施例的势能回收利用系统在工作时，控制部件用于控制直流电机6在卷扬系统5执行下放作业时以发电机模式工作，将从卷扬系统5中的转动部件回收的势能转化为电能存储在电能存储部件8中；在卷扬系统5执行提升作业时以电动机模式工作，将存储在电能存储部件8中的电能转化为机械能驱动卷扬系统5工作。

为了能够确定出直流电机6的工作模式，应当对卷扬系统5的作业工况进行判断。在一个实施例中，直流电机6还包括信号端，用于接收主阀控制信号S2和卷扬转速信号S3，控制部件能够根据主阀控制信号S2判断卷扬系统5的作业工况，以对直流电机6的工作模式进行切换，具体地，可以通过主阀控制信号S2判断出主阀3是处于左位还是右位，从而判断出卷扬马达4的转向，进而确定出卷扬系统5的作业工况，具体是处于下放作业工况还是提升作业工况，这样就可以选择直流电机6的工作模式，一旦主阀控制信号S2发生改变，就需要随之改变直流电机6的工作模式。

进一步地，在卷扬系统5执行提升作业工况时，电能存储部件8中存储的电能进行释放，直流电机6以发电机模式工作，将电能存储部件8中存储的电能转化为卷扬系统5中转动部件的机械能，此时卷扬马达4和直流电机6共同驱动卷扬系统5中转动部件运动，以提升重物。为了控制重物的提升速度，控制部件还能够根据卷扬转速信号S3对直流电机6进行扭矩调节，以对卷扬系统5的转速进行控制。例如：根据卷扬转速信号S3给直流电机6输入合适的电流以对输出扭矩进行调节。

在另一个实施例中，势能回收利用系统还包括电压测试部件，用于获取电能存储部件8两端的电压信号S4，控制部件能够根据卷扬转速信号S3和电压信号S4控制主泵2的排量，通过调整主泵2的排量可以与直流电机6共同控制卷扬系统5的提升及下放速度。

优选地，电能存储部件8可以选择超级电容，其突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等。进一步地，在直流电机6与电能存储部件8之间还可以设置电压转换部件，例如DC/DC转换器7，用于将直流电机6输出的电压及电流转换至所需规格，以实现电能存储部件8的快速充电。

针对图2所示的液压系统，下面将详细说明该实施例中势能回收利用系统的工作原理。发动机1接收发动机控制信号S1驱动主泵2运转，当卷扬系统5需要执行下放作业时，主阀3接收主阀控制信号S2切换至左位，卷扬马达4反转，同时直流电机6以发电机模式工作，将卷扬系统5下放时的势能转换为电能，再经过DC/DC转换器7将直流电机6输出的电压及电流转换至所需规格，实现电能存储部件8的快速充电。当卷扬系统5需要执行提升作业时，主阀3接收主阀控制信号S2切换至右位，卷扬马达4正转，同时存储于电能存储部件8的电能通过DC/DC转换器7转换至所需规格，驱动直流电机6以电动机模式辅助卷扬系统5执行提升作业。在执行上述两种作业的过程中，主泵2接收卷扬转速信号S3和电能存储部件8两端的电压信号S4，通过调整主泵2的排量与直流电机6共同控制卷扬系统5的提升及下放速度；直流电机6接收主阀控制信号S2和卷扬转速信号S3，通过主阀控制信号S2可以选择直流电机6的工作模式，通过卷扬转速信号S3可以对直流电机6进行扭矩调节，以对卷扬系统5的转速进行控制。

从上述各实施例中给出的势能回收利用系统的实现原理，可以看出直流电机6是势能回收利用系统中的核心部件，为了使本领域技术人员能够更好地实施本发明，下面将给出直流电机6的安装方式和具体结构。

在一种实施例中，参考图3所示的结构示意图，卷扬系统5包括卷筒52，卷筒52内设有减速机53，减速机53固定在卷筒支架51上，且能通过齿轮与将动力传递至卷筒52，以驱动卷筒52转动。由于卷筒52为空心结构，内部除了减速机53以外还剩余一部分空间，可以将直流电机6设在卷筒52内，这样可以使直流电机6融合在卷扬系统5中，充分利用卷筒52内的空间，使得结构更加紧凑，不会占用额外的空间。当然，为了维护方便，本领域技术人员也可以根据实际情况将直流电机6设在卷筒52之外，并设置传动机构传递动力。

优选地，直流电机6同轴设在卷筒52内。这种设置形式可以通过卷筒52的转动直接带动直流电机6工作，不需要额外设置传动部件，而且整个卷筒52及内部部件的质量分布较为均衡。除此之外，直流电机6也可以设置在卷筒52内除减速机53以外的任意位置，并通过传动部件将卷筒52转动的动力传递至直流电机。

在一种具体的结构形式中，直流电机6包括转子63、定子62、转轴61和位置传感器64，转子63安装在卷筒52的内壁上且能够随卷筒52转动，定子62同轴穿设在转子63内，并通过转轴61安装在卷筒52的侧壁上，定子62和转子63之间设有磁隙。具体地转轴61的两端分别通过轴承65安装在卷筒52的侧壁上，为了方便轴承65的安装，在卷筒52内与转轴61两端对应的位置设有垂直于轴线的支撑板，用于安装轴承65的外环。同时位于卷筒52内的支撑板将减速机53与直流电机6隔开，能够尽量避免直流电机6在工作时受到减速机53中润滑油的污染，从而提高直流电机6的使用寿命。另外，位置传感器64可以设置在卷筒52与转轴61之间，用于检测定子62相对于转子63的转动位置。例如位置传感器64可以为霍尔传感器或者旋转变压器等。

其次，本发明还提供了一种工程机械设备，包括上述各实施例所述的势能回收利用系统。工程机械设备可以是任何需要通过卷扬系统5起吊或下放重物的设备，例如起重机、旋挖钻机或履带吊等。由于这类工程机械设备在卷扬系统5执行下放作业的过程中，下放的重力势能会转化为液压油热能，为了防止能量浪费，在卷扬系统5对应的液压系统中设置本发明的势能回收利用系统，不仅可以对下放势能进行回收，提高能量的利用率，而且还能尽量防止液压油温度急剧上升，从而影响整机的工作性能。最关键的是此种势能回收利用系统结构简单，基本不会对整机的布局和重量带来影响，而且该势能回收利用系统直接将机械能与电能互相转换，无需对卷扬对应的液压系统进行改造，从而节约了成本。

另外，本发明还提供了一种基于上述各实施例所述势能回收利用系统的控制方法，在一个示意性的实施例中，包括如下步骤：

步骤101、控制部件判断卷扬系统5的作业工况；

步骤102、控制部件根据卷扬系统5的作业工况控制直流电机6以对应的模式工作，以实现能量转换。

在步骤101中，卷扬系统5的作业工况主要是指处于下放作业工况还是提升作业工况。在步骤102中，控制部件通过控制直流电机6工作以实现能量转换，能量的转换涉及机械能与电能之间的转换，转换路径是可逆的，构成了一种机电式势能回收利用系统，而现有技术的能量转换路径为液压能－机械能－电能，需要对能量回收马达6a和直流发电机7a进行控制。从能量转换过程来看，本发明的势能回收利用系统对应的控制方法涉及的控制环节较少，只需要对直流电机6进行控制，能够提高势能回收利用系统工作的可靠性。

在另一个实施例中，步骤102具体包括：

步骤102a、在卷扬系统5执行下放作业时，控制部件控制直流电机6以发电机模式工作，将从卷扬系统5中的转动部件回收的势能转化为电能存储在电能存储部件8中；

步骤102b、在卷扬系统5执行提升作业时，控制部件控制直流电机6以电动机模式工作，将存储在电能存储部件8中的电能转化为机械能驱动卷扬系统5工作。

该实施例给出了卷扬系统5在处于不同的作业工况时，直流电机6对应的工作模式，直流电机6的工作模式决定了能量转换的方向。那么为了判断卷扬系统5所处的作业工况，具体地，在步骤101中，控制部件根据主阀控制信号S2判断卷扬系统5的作业工况，这样对卷扬系统5作业工况的判断直接与主阀3的动作相关联，能够使工况判断更加准确，不容易使直流电机6在势能回收利用过程中出现误动作。

在步骤102b中，控制部件控制直流电机6以电动机模式工作时，控制部件根据卷扬转速信号S3对直流电机6进行扭矩调节，以对卷扬系统5的转速进行控制。该步骤可使卷扬系统5在提升重物时，能够根据情况以特定的速度提升重物，例如：重物的质量较大时，可以使直流电机6工作在低速大扭矩的特性下；重物的质量较小时，可以使直流电机6工作在高速小扭矩的特性下。

在本发明的再一个实施例中，势能回收利用系统还包括电压测试部件，用于获取电能存储部件8两端的电压信号S4，势能回收利用控制方法还包括：

步骤103、控制部件根据卷扬转速信号S3和电压信号S4控制主泵2的排量。

该实施例可以在卷扬系统5处于提升或下放作业工况时，通过步骤103调整主泵2的排量可以与直流电机6共同控制卷扬系统5的提升及下放速度。

对于其它一些更具体的控制方法已在势能回收利用系统的主题中进行了详细阐述，各个主题的方案之间包括相应的技术特征和能够达到的有益技术效果都可以相互借鉴，因而此处在控制方法的主题中就不再赘述。

以上对本发明所提供的一种势能回收利用系统、控制方法及工程机械设备进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种势能回收利用系统，其特征在于，包括直流电机(6)、电能存储部件(8)和控制部件，卷扬系统(5)包括卷筒(52)和减速机(53)，所述减速机(53)固定在卷筒支架(51)上且能通过齿轮将动力传递至所述卷筒(52)，所述直流电机(6)同轴设在所述卷筒(52)内且包括转子(63)、定子(62)和转轴(61)，所述转子(63)安装在所述卷筒(52)的内壁上，所述定子(62)同轴穿设在所述转子(63)内，并通过所述转轴(61)安装在卷筒(52)的侧壁上，所述转轴(61)的两端分别通过轴承(65)安装在卷筒(52)的侧壁上，所述卷筒(52)内与所述转轴(61)两端对应的位置设有垂直于轴线的支撑板，用于安装所述轴承(65)的外环，且所述支撑板将所述减速机(53)与所述直流电机(6)隔开；且所述直流电机(6)与所述电能存储部件(8)连接；

所述控制部件用于根据所述卷扬系统(5)的不同作业工况控制所述直流电机(6)以对应的模式工作，以实现能量转换，从而通过所述直流电机(6)回收所述卷扬系统(5)的下放势能，并将回收存储于所述电能存储部件(8)中的电能通过所述直流电机(6)再利用于所述卷扬系统(5)的提升作业工况；

所述直流电机(6)还包括信号端，用于接收主阀控制信号(S2)和卷扬转速信号(S3)，所述控制部件能够根据所述主阀控制信号(S2)判断所述卷扬系统(5)的作业工况，以对所述直流电机(6)的工作模式进行切换，且能够根据所述卷扬转速信号(S3)对所述直流电机(6)进行扭矩调节，以对所述卷扬系统(5)的转速进行控制；

所述势能回收利用系统还包括电压测试部件，用于获取所述电能存储部件(8)两端的电压信号(S4)，所述控制部件能够根据卷扬转速信号(S3)和所述电压信号(S4)控制主泵(2)的排量。

2.根据权利要求1所述的势能回收利用系统，其特征在于，所述控制部件用于控制所述直流电机(6)在所述卷扬系统(5)执行下放作业时以发电机模式工作，将从所述卷扬系统(5)中的转动部件回收的势能转化为电能存储在所述电能存储部件(8)中；在所述卷扬系统(5)执行提升作业时以电动机模式工作，将存储在所述电能存储部件(8)中的电能转化为机械能驱动所述卷扬系统(5)工作。

3.根据权利要求1所述的势能回收利用系统，其特征在于，所述直流电机(6)还包括位置传感器(64)，所述位置传感器(64)用于检测所述定子(62)相对于所述转子(63)的转动位置。

4.一种工程机械设备，其特征在于，包括权利要求1～3任一所述的势能回收利用系统。

5.一种基于权利要求1～3任一所述势能回收利用系统的控制方法，其特征在于，包括：

所述控制部件判断所述卷扬系统(5)的作业工况；

所述控制部件根据所述卷扬系统(5)的作业工况控制所述直流电机(6)以对应的模式工作，以实现能量转换。

6.根据权利要求5所述的势能回收利用系统的控制方法，其特征在于，所述控制部件根据所述卷扬系统(5)的作业工况控制所述直流电机(6)以对应的模式工作的步骤具体包括：

在所述卷扬系统(5)执行下放作业时，所述控制部件控制所述直流电机(6)以发电机模式工作，将从所述卷扬系统(5)中的转动部件回收的势能转化为电能存储在所述电能存储部件(8)中；

在所述卷扬系统(5)执行提升作业时，所述控制部件控制所述直流电机(6)以电动机模式工作，将存储在所述电能存储部件(8)中的电能转化为机械能驱动所述卷扬系统(5)工作。

7.根据权利要求6所述的势能回收利用系统的控制方法，其特征在于，在所述控制部件控制所述直流电机(6)以电动机模式工作时，所述控制部件根据卷扬转速信号(S3)对所述直流电机(6)进行扭矩调节，以对所述卷扬系统(5)的转速进行控制。

8.根据权利要求5所述的势能回收利用系统的控制方法，其特征在于，所述控制部件判断所述卷扬系统(5)的作业工况的步骤具体包括：

所述控制部件根据主阀控制信号(S2)判断所述卷扬系统(5)的作业工况。

9.根据权利要求5所述的势能回收利用系统的控制方法，其特征在于，所述势能回收利用系统还包括电压测试部件，用于获取所述电能存储部件(8)两端的电压信号(S4)，所述势能回收利用控制方法还包括：

所述控制部件根据卷扬转速信号(S3)和所述电压信号(S4)控制主泵(2)的排量。

Images