Гидравлическая система с накопителем кинетической энергии - RU2621408C2
Код документа: RU2621408C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к системам накопления энергии и, в частности, к применению таких систем в грузоподъемных машинах.
Уровень техники
Известны грузоподъемные машины, например экскаваторные погрузчики, экскаваторы и телескопические погрузчики, обеспечивающие возможность перемещения материалов с одного места на другое. Такие материалы представляют собой отдельные предметы, например пакетированные материалы, перемещаемые телескопическим погрузчиком. В качестве альтернативы, такие материалы могут представлять собой сыпучие материалы, например грунт, выкапываемый посредством экскаватора. В любом случае, для перемещения материалов необходима энергия. При некоторых обстоятельствах в процессе работы грузоподъемной машины может происходить непроизводительная потеря кинетической энергии, например поступательного движения грузоподъемной машины, или потенциальной энергии, например связанной с положением центра тяжести подъемной стрелы над уровнем земли. Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы предложить средства накопления непроизводительно теряемой энергии.
Раскрытие изобретения
Таким образом, в настоящем изобретении предложена гидравлическая система, содержащая гидравлическую жидкость, гидравлическую машину для повышения давления указанной гидравлической жидкости, гидравлический контур для подачи указанной гидравлической жидкости в гидравлический исполнительный механизм, причем указанная гидравлическая машина выполнена с возможностью приема указанной гидравлической жидкости из указанного гидравлического исполнительного механизма, а также накопитель кинетической энергии для накопления энергии в кинетической форме, причем указанный накопитель кинетической энергии функционально соединен с указанной гидравлической машиной, причем указанная система выполнена таким образом, что указанная гидравлическая машина способна передавать энергию от гидравлической жидкости, полученной из указанного гидравлического исполнительного механизма, в указанный накопитель кинетической энергии.
Согласно другому аспекту в настоящем изобретении предложена гидравлическая система, содержащая гидравлическую жидкость, гидравлическую машину для повышения давления указанной гидравлической жидкости, гидравлический контур для подачи указанной гидравлической жидкости в гидравлический исполнительный механизм, причем указанная гидравлическая машина выполнена с возможностью выборочного приема указанной гидравлической жидкости из указанного гидравлического исполнительного механизма, а также накопитель кинетической энергии для накопления энергии в кинетической форме, причем указанный накопитель кинетической энергии выборочно соединен с указанной гидравлической машиной в рабочем режиме, причем указанная система выполнена таким образом, что указанная гидравлическая машина способна выборочно передавать энергию из гидравлической жидкости, полученной из указанного гидравлического исполнительного механизма, в указанный накопитель кинетической энергии.
Преимущество настоящего изобретения состоит в то, что энергия, которая в противном случае могла бы быть непроизводительно потеряна, может быть сохранена в накопителе кинетической энергии. Такая накопленная энергия может быть использована в дальнейшем. Поскольку гидравлическая машина выполнена с возможностью передачи энергии от гидравлической жидкости, полученной из гидравлического исполнительного механизма, в накопитель кинетической энергии, указанный накопитель кинетической энергии может оказывать сопротивление указанному исполнительному механизму управляемым образом. Например, если исполнительный механизм управляет положением центра тяжести подъемной стрелы над уровнем грунта, а указанный накопитель кинетической энергии представляет собой маховик, то управляемое ускорение маховика обеспечивает возможность управляемого опускания подъемной стрелы. Аналогичным образом, если исполнительный механизм управляет скоростью перемещения транспортного средства по грунту, а накопитель кинетической энергии представляет собой маховик, то управляемое ускорение маховика обеспечивает возможность управляемого уменьшения скорости перемещения транспортного средства по грунту.
Гидравлическая машина может представлять собой гидравлическую машину с переменным рабочим объемом (или переменной производительностью). Гидравлическая машина может представлять собой аксиально-кулачковый насос с переменным рабочим объемом/двигатель.
Гидравлическая машина может быть выполнена с возможностью передачи энергии из накопителя кинетической энергии в гидравлическую жидкость.
Гидравлическая машина и гидравлический контур могут быть выполнены с возможностью передачи энергии от накопителя кинетической энергии в гидравлический исполнительный механизм. Если гидравлический исполнительный механизм выполняет повторяющуюся циклическую работу, например поднимает и опускает стрелу для погрузки материалов или выгрузки материалов, то энергия, накопленная в указанном накопителе кинетической энергии на этапе опускания стрелы или другого подобного средства, может быть использована для подъема или содействия в подъеме стрелы на следующем этапе циклической работы.
Гидравлическая машина и гидравлический контур могут быть выполнены с возможностью передачи энергии от накопителя кинетической энергии в дополнительный гидравлический исполнительный механизм.
Накопитель кинетической энергии может представлять собой маховик. Указанный маховик может представлять собой сплошной маховик, то есть не гидромуфту.
Указанный маховик может быть функционально соединен с гидравлической машиной так, что скорость вращения указанного маховика превышает скорость вращения указанной гидравлической машины.
Указанный маховик может быть функционально соединен с гидравлической машиной так, что скорость вращения указанного маховика превышает скорость вращения указанной гидравлической машины по меньшей мере в пять раз или по меньшей мере в десять раз.
Скорость вращения указанного маховика может составлять по меньшей мере 20000 об/мин.
Указанный гидравлический исполнительный механизм может представлять собой линейный исполнительный механизм или вращающийся исполнительный механизм.
Указанный накопитель кинетической энергии может быть функционально соединен с гидравлической машиной посредством муфты сцепления, выборочно приводимой в действие для предотвращения передачи энергии от указанной гидравлической машины в указанный накопитель кинетической энергии.
Указанный накопитель кинетической энергии может быть функционально соединен с гидравлической машиной посредством муфты сцепления, выборочно приводимой в действие для предотвращения передачи энергии от указанного накопителя кинетической энергии в указанную гидравлическую машину.
Указанная гидравлическая машина может содержать первую гидравлическую машину для повышения давления гидравлической жидкости и вторую гидравлическую машину, выполненную с возможностью приема гидравлической жидкости из указанного исполнительного механизма, причем указанный накопитель кинетической энергии функционально соединен с указанной второй гидравлической машиной, причем указанная система выполнена так, что вторая гидравлическая машина способна передавать энергию от гидравлической жидкости, полученной из указанного гидравлического исполнительного механизма, в указанный накопитель кинетической энергии.
Указанная гидравлическая машина может содержать первую гидравлическую машину для повышения давления гидравлической жидкости и вторую гидравлическую машину, выполненную с возможностью выборочного приема гидравлической жидкости из указанного исполнительного механизма, причем указанный накопитель кинетической энергии выборочно соединен с указанной второй гидравлической машиной в рабочем режиме, причем указанная система выполнена так, что вторая гидравлическая машина способна выборочно передавать энергию от гидравлической жидкости, полученной из гидравлического исполнительного механизма, в указанный накопитель кинетической энергии.
Первая гидравлическая машина может представлять собой гидравлическую машину с переменным рабочим объемом. Указанная первая гидравлическая машина может представлять собой аксиально-кулачковый насос с переменным рабочим объемом/двигатель.
Указанная первая гидравлическая машина может быть механически приведена в действие посредством основного движителя. Указанный основной движитель может представлять собой двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может представлять собой двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Двигатель внутреннего сгорания может представлять собой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Первая гидравлическая машина может быть приведена в движение со скоростью, равной скорости вращения основного движителя. Первая гидравлическая машина может быть приведена в движение со скоростью, превышающей скорость вращения основного движителя.
Вторая гидравлическая машина может быть механически приведена в действие только посредством накопителя кинетической энергии. Вторая гидравлическая машина может представлять собой гидравлическую машину с переменным рабочим объемом. Вторая гидравлическая машина может представлять собой аксиально-кулачковый насос с переменным рабочим объемом/двигатель.
Гидравлический исполнительный механизм может быть выполнен с возможностью подъема подъемной стрелы.
Гидравлический исполнительный механизм может быть выполнен с возможностью замедления одной из частей транспортного средства относительно другой части указанного транспортного средства.
В настоящем изобретении также предложено транспортное средство, содержащее раскрытую выше гидравлическую систему, а также средства сцепления с грунтом для перемещения указанного транспортного средства, причем указанный гидравлический исполнительный механизм выполнен с возможностью приведения в действие указанных средств сцепления с грунтом.
В соответствии с еще одним аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации транспортного средства, содержащего раскрытую выше гидравлическую систему, причем указанный способ включает в себя этап, на котором приводят в действие исполнительный механизм для уменьшения потенциальной энергии указанного транспортного средства или части указанного транспортного средства и накапливают по меньшей мере часть указанной потенциальной энергии в виде кинетической энергии в указанном накопителе кинетической энергии.
В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации транспортного средства, содержащего раскрытую выше гидравлическую систему, причем указанный способ включает в себя этап, на котором приводят в действие исполнительный механизм для уменьшения кинетической энергии указанного транспортного средства или части указанного транспортного средства и накапливают по меньшей мере часть указанной кинетической энергии в виде кинетической энергии в указанном накопителе кинетической энергии.
Указанное транспортное средство может содержать первую часть, установленную с возможностью вращения относительно второй части указанного транспортного средства вокруг по существу вертикальной оси, причем указанный способ включает в себя этап, на котором приводят в действие исполнительный механизм для уменьшения кинетической энергии указанной первой части транспортного средства относительно указанной второй части транспортного средства.
В соответствии с еще одним аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации транспортного средства, содержащего раскрытую выше гидравлическую систему, причем указанный способ включает в себя этап, на котором приводят в действие основной движитель транспортного средства для выработки энергии и накапливают по меньшей мере часть энергии в виде кинетической энергии в указанном накопителе кинетической энергии.
Указанное транспортное средство может представлять собой подъемно-транспортную машину.
В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя этапы, на которых: предусматривают двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему дополнительной очистки отработавших газов, предусматривают раскрытую выше гидравлическую систему, запускают двигатель внутреннего сгорания при температуре системы дополнительной очистки отработавших газов ниже нормальной рабочей температуры и используют накопитель кинетической энергии для создания нагрузки на указанный двигатель с тем, чтобы накопить энергию в указанном накопителе кинетической энергии и повысить температуру указанной системы дополнительной очистки отработавших газов.
В соответствии с еще одним аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя этапы, на которых: предусматривают двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему дополнительной очистки отработавших газов, предусматривают накопитель кинетической энергии для накопления энергии в кинетической форме, запускают указанный двигатель внутреннего сгорания при температуре системы дополнительной очистки отработавших газов ниже нормальной рабочей температуры и используют указанный накопитель кинетической энергии для создания нагрузки на двигатель с тем, чтобы накопить энергию в указанном накопителе кинетической энергии и повысить температуру указанной системы дополнительной очистки отработавших газов.
Указанный накопитель кинетической энергии может представлять собой маховик. Маховик может представлять собой сплошной маховик, то есть не гидромуфту.
Указанный маховик может быть функционально соединен с указанным двигателем внутреннего сгорания так, что скорость вращения указанного маховика превышает скорость вращения указанного двигателя внутреннего сгорания.
Указанный маховик может быть функционально соединен с двигателем внутреннего сгорания так, что скорость вращения указанного маховика превышает скорость вращения указанного двигателя внутреннего сгорания по меньшей мере в пять раз или по меньшей мере в десять раз.
Скорость вращения указанного маховика может составлять по меньшей мере 20000 об/мин.
Указанная система дополнительной очистки отработавших газов может представлять собой по меньшей мере одну из следующих систем: окислительный нейтрализатор для дизельных двигателей, избирательный каталитический восстановитель, поглотитель NOx, уловитель NOx, тройной катализатор и сажевый фильтр для дизельных двигателей.
Указанный двигатель внутреннего сгорания может представлять собой двигатель с искровым зажиганием или двигатель с воспламенением от сжатия.
Муфта сцепления может быть выборочно приведена в действие для предотвращения передачи энергии от указанного двигателя внутреннего сгорания в указанный накопитель кинетической энергии.
Муфта сцепления может быть выборочно приведена в действие для предотвращения передачи энергии от указанного накопителя кинетической энергии в указанный двигатель внутреннего сгорания.
Непосредственно перед запуском двигателя внутреннего сгорания накопитель кинетической энергии может не содержать накопленной энергии.
Накопленная энергия может быть последовательно передана из указанного накопителя кинетической энергии в указанный двигатель внутреннего сгорания.
Накопленная энергия может быть последовательно передана из указанного накопителя кинетической энергии в гидравлическое вспомогательное устройство и/или в средства сцепления с грунтом.
Этап, на котором последовательно передают накопленную энергию из указанного накопителя кинетической энергии, может быть осуществлен без передачи энергии через двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания может быть установлен в транспортном средстве, предпочтительно представляющем собой подъемно-транспортную машину.
В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации раскрытого выше транспортного средства, причем указанный способ включает в себя этапы, на которых предусматривают двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему дополнительной очистки отработавших газов, запускают указанный двигателя внутреннего сгорания при температуре системы дополнительной очистки отработавших газов ниже нормальной рабочей температуры и используют накопитель кинетической энергии для создания нагрузки на двигатель с тем, чтобы накопить энергию в указанном накопителе кинетической энергии и повысить температуру указанной системы дополнительной очистки отработавших газов.
В соответствии с еще одним аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации транспортного средства, содержащего раскрытую выше гидравлическую систему, причем указанный способ включает в себя этапы, на которых:
a) обеспечивают посредством гидравлического исполнительного механизма подачу гидравлической жидкости под давлением,
b) приводят в действие гидравлическую машину посредством гидравлической жидкости, подаваемой под давлением,
c) передают энергию от гидравлической машины в накопитель кинетической энергии,
d) накапливают энергию в накопителе кинетической энергии в течение заданного периода времени.
В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации транспортного средства, содержащего раскрытую выше гидравлическую систему, причем указанный способ включает в себя этапы, на которых:
a) выборочно обеспечивают посредством гидравлического исполнительного механизма подачу гидравлической жидкости под давлением,
b) выборочно приводят в действие гидравлическую машину посредством гидравлической жидкости, подаваемой под давлением,
c) выборочно передают энергию от гидравлической машины в накопитель кинетической энергии,
d) накапливают энергию в накопителе кинетической энергии в течение заданного периода времени.
На вышеописанных этапе b), и/или этапе с), и/или этапе d) давление по меньшей мере части гидравлической жидкости, подаваемой под давлением исполнительным механизмом, может быть отдельно снижено. В частности, давление по меньшей мере части гидравлической жидкости, подаваемой под давлением исполнительным механизмом, может быть выборочно отдельно снижено. Преимуществом настоящего изобретения является то, что, если не вся энергия, содержащаяся в гидравлической жидкости, подаваемой под давлением исполнительным механизмом, может быть передана в накопитель кинетической энергии, часть такой энергии может быть «потеряна» путем выборочного отдельного снижения давления. Давление по меньшей мере части гидравлической жидкости, подаваемой под давлением исполнительным механизмом, может быть отдельно снижено до нуля или выборочно отдельно частично снижено (то есть снижено до давления, большего нуля).
На этапе с), если гидравлическая машина представляет собой гидравлическую машину с переменным рабочим объемом, то рабочий объем указанной гидравлической машины может быть уменьшен, в частности постепенно уменьшен в течение этапа с).
На вышеописанном этапе с) давление по меньшей мере части гидравлической жидкости, подаваемой под давлением исполнительным механизмом, может быть отдельно снижено, при этом такое отдельное снижения давления по меньшей мере части гидравлической жидкости, подаваемой под давлением, можно регулировать (изменять). Регулирование отдельного снижения давления обеспечивает возможность управления гидравлическим исполнительным механизмом и/или возможность регулирования количества энергии, передаваемого в указанный накопитель кинетической энергии.
Вышеописанный способ может включать в себя этапы, на которых последовательно передают энергию от указанного накопителя кинетической энергии в указанную гидравлическую машину, повышают посредством указанной гидравлической машины давление гидравлической жидкости и подают указанную гидравлическую жидкость под давлением в гидравлический исполнительный механизм для обеспечения возможности функционирования указанного гидравлического исполнительного механизма.
Вышеописанный способ может включать в себя этапы, на которых последовательно выборочно передают энергию от указанного накопителя кинетической энергии в указанную гидравлическую машину, выборочно повышают посредством указанной гидравлической машины давление гидравлической жидкости и выборочно подают указанную гидравлическую жидкость под давлением в гидравлический исполнительный механизм для обеспечения возможности функционирования гидравлического исполнительного механизма.
Если гидравлическая машина представляет собой гидравлическую машину с переменным рабочим объемом, то рабочий объем указанной гидравлической машины может быть увеличен, в частности постепенно увеличен на этапе, на котором последовательно передают энергию от накопителя кинетической энергии в гидравлическую машину.
В соответствии с еще одним аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации транспортного средства, содержащего раскрытую выше гидравлическую систему, причем указанный способ включает в себя этапы, на которых: обеспечивают посредством гидравлического исполнительного механизма подачу гидравлической жидкости под давлением для приведения в действие первой гидравлической машины, передают энергию от указанной первой гидравлической машины в накопитель кинетической энергии и накапливают кинетическую энергию в указанном накопителе кинетической энергии в течение заданного периода времени.
В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации транспортного средства, содержащего раскрытую выше гидравлическую систему, причем указанный способ включает в себя этапы, на которых: обеспечивают посредством гидравлического исполнительного механизма выборочную подачу гидравлической жидкости под давлением для приведения в действие первой гидравлической машины, выборочно передают энергию от указанной первой гидравлической машины в накопитель кинетической энергии и выборочно накапливают кинетическую энергию в указанном накопителе кинетической энергии в течение заданного периода времени.
Если первая гидравлическая машина представляет собой гидравлическую машину с переменным рабочим объемом, то рабочий объем указанной первой гидравлической машины может быть уменьшен, в частности постепенно уменьшен на этапе, на котором энергию передают из указанной первой гидравлической машины в указанный накопитель кинетической энергии.
Способ может включать в себя этап, на котором последовательно передают энергию от указанного накопителя кинетической энергии в указанную первую гидравлическую машину, повышают давление гидравлической жидкости посредством указанной первой гидравлической машины и подают гидравлическую жидкость под давлением из указанной первой гидравлической машины в гидравлический исполнительный механизм для обеспечения возможности функционирования указанного гидравлического исполнительного механизма.
Если гидравлическая машина представляет собой гидравлическую машину с переменным рабочим объемом, то рабочий объем указанной гидравлической машины может быть увеличен, в частности постепенно увеличен на этапе, на котором энергию последовательно передают от указанного накопителя кинетической энергии в указанную гидравлическую машину.
Способ может включать в себя этап, на котором повышают давление гидравлической жидкости посредством второй гидравлической машины и подают гидравлическую жидкость под давлением из второй гидравлической машины в гидравлический исполнительный механизм для обеспечения возможности функционирования указанного гидравлического исполнительного механизма.
Способ может включать в себя этап, на котором одновременно подают гидравлическую жидкость под давлением из первой гидравлической машины в гидравлический исполнительный механизм и подают гидравлическую жидкость под давлением из второй гидравлической машины в гидравлический исполнительный механизм. Если первая гидравлическая машина представляет собой гидравлическую машину с переменным рабочим объемом, то рабочий объем указанной первой гидравлической машины может быть одновременно увеличен, в частности одновременно постепенно увеличен на этапе, на котором из первой гидравлической машины гидравлическую жидкость под давлением подают в гидравлический исполнительный механизм и из второй гидравлической машины гидравлическую жидкость под давлением подают в гидравлический исполнительный механизм.
Способ может включать в себя этап, на котором регулируют (или изменяют) гидравлическую жидкость, подаваемую под давлением из второй гидравлической машины. Регулирование гидравлической жидкости, подаваемой под давлением из второй гидравлической машины, обеспечивает возможность управления гидравлическим исполнительным механизмом и/или возможность регулирования количества энергии, передаваемого из накопителя кинетической энергии.
Способ может включать в себя этап, на котором регулируют гидравлическую жидкость, подаваемую под давлением из второй гидравлической машины, путем увеличения подачи гидравлической жидкости под давлением из первой гидравлической машины.
Краткое описание чертежей
Далее следует описание настоящего изобретения, которое приведено исключительно в качестве примера и содержит ссылки на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 показана машина, содержащая предлагаемую гидравлическую систему.
На фиг. 2 представлена схема машины с фиг. 1.
На фиг. 3 представлена схема машины, содержащей предлагаемую гидравлическую систему, согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4-7 представлена схема машины, содержащей предлагаемую гидравлическую систему, согласно еще одному альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 8-14 представлена схема машины, содержащей предлагаемую гидравлическую систему, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана рабочая машина 2, в данном случае представляющая собой экскаваторный погрузчик. Указанная машина содержит шасси 21, установленное на передних колесах 22А и задних колесах 22В. Машина содержит кабину 21А и органы 21B ручного управления, приводимые в действие оператором, сидящим на сиденье 10. К шасси с возможностью поворота присоединена передняя погрузочная стрела 23А, на переднем конце которой с возможностью поворота установлен погрузочный ковш 24А. В задней части машины на шасси с возможностью скольжения установлена каретка 30. Указанная каретка может быть приведена в скользящее движение в поперечном направлении относительно шасси, то есть к наблюдателю, смотрящему на фиг. 1, и от него. На указанной каретке с возможностью поворота установлена экскаваторная стрела 23В. На конце экскаваторной стрелы 23B с возможностью поворота установлена рукоять 31 стрелы. На конце указанной рукояти 31 стрелы с возможностью поворота установлен экскаваторный ковш 24В. В конструкции машины предусмотрены опорные ноги 32, выполненные с возможностью выдвижения в направлении грунта 33 и зацепления с грунтом для стабилизации шасси во время использования экскаватора 18. Указанные опорные ноги выполнены с возможностью отведения от грунта 33, например, на время использования колес для перемещения рабочей машины по грунту.
Рабочая машина содержит двигатель 12. Двигатель 12 приводит в действие трансмиссию 40 (см. фиг. 2), которая, в свою очередь, приводит в действие задние колеса 22B для обеспечения требуемого перемещения машины по грунту.
Двигатель также приводит в действие гидравлический насос 42, который выборочно подает гидравлическую жидкость под давлением в исполнительные механизмы 3А, 3В, 3С, 3D и 3Е посредством системы управления и гидравлического контура.
Исполнительный механизм 3А представляет собой гидравлический силовой цилиндр, обеспечивающий поворот погрузочного ковша 24А относительно передней погрузочной стрелы 23А.
Исполнительный механизм 3В представляет собой гидравлический силовой цилиндр, обеспечивающий поворот передней погрузочной стрелы 23А относительно шасси 21.
Исполнительный механизм 3С представляет собой гидравлический силовой цилиндр, обеспечивающий поворот экскаваторной стрелы 23В относительно каретки 30 вокруг по существу горизонтальной оси.
Исполнительный механизм 3D представляет собой гидравлический силовой цилиндр, обеспечивающий поворот рукояти 31 стрелы относительно экскаваторной стрелы 23В.
Исполнительный механизм 3Е представляет собой гидравлический силовой цилиндр, обеспечивающий поворот экскаваторного ковша 24В относительно рукояти 31 стрелы.
Дополнительные исполнительные механизмы (не показаны) обеспечивают выдвижение и/или отведение опорных ног.
Дополнительный исполнительный механизм (не показан) обеспечивает движение каретки 30 в поперечном направлении относительно шасси 21.
Дополнительный исполнительный механизм (не показан) обеспечивает «разворот» задней части 30А каретки 30 относительно шасси 21, то есть ее поворот вокруг по существу вертикальной оси относительно шасси 21.
Исполнительные механизмы, показанные на фиг. 1 и описанные выше, известны как «гидравлические вспомогательные устройства», причем на указанные исполнительные механизмы подают гидравлическую жидкость под давлением от гидравлического насоса 42. Специалисту в данной области техники должны быть хорошо известны и другие типы гидравлических вспомогательных устройств.
На фиг. 2 представлена схема рабочей машины, содержащей двигатель согласно настоящему изобретению. Двигатель содержит систему 44 дополнительной очистки отработавших газов и систему 46 впуска. Основные принципы работы двигателя с системой впуска и системой дополнительной очистки отработавших газов известны, но в общих чертах атмосферный воздух проходит через систему впуска и поступает в двигатель. Впрыск топлива осуществляют либо непосредственно в двигатель, либо в систему впуска, из которой оно поступает в двигатель вместе с воздухом. Топливно-воздушную смесь сжигают для приведения во вращение коленчатого вала или аналогичного ему элемента, при этом продукты сгорания выводят наружу после их прохождения через систему дополнительной очистки отработавших газов. Система 44 дополнительной очистки отработавших газов выполнена с возможностью предотвращения попадания в атмосферу токсичных выхлопных газов в зависимости от типа двигателя (в частности, в зависимости от того, является ли указанный двигатель двигателем с воспламенением от сжатия или двигателем с искровым зажиганием). К системам дополнительной очистки отработавших газов относятся окислительный нейтрализатор для дизельных двигателей, избирательный каталитический восстановитель, поглотитель NOx, уловитель NOx, тройной катализатор или сажевый фильтр для дизельных двигателей.
Рабочая машина также содержит редуктор 48 и накопитель 50 кинетической энергии. В данном случае накопитель кинетической энергии представляет собой маховик и, соответственно, обеспечивает возможность накопления энергии в кинетической форме, то есть при вращении маховика вращающаяся масса маховика накапливает кинетическую энергию (в отличие, например, от гальванического элемента аккумуляторной батареи, который накапливает химическую энергию). Муфта 52 сцепления обеспечивает возможность выборочного соединения выходного вала (например, коленчатого вала) двигателя с входным валом повышающего редуктора 48. Редуктор 48 содержит выходной вал, способный привести в движение указанный маховик. Рабочая машина 2 функционирует следующим образом.
Рассмотрим ситуацию, когда рабочую машину 2 оставили на ночь в выключенном состоянии, а утром оператору необходимо использовать машину. Так как машина находилась в выключенном состоянии в течение нескольких часов, ее температура равна температуре окружающей ее атмосферы, в частности температура системы дополнительной очистки отработавших газов равна температуре окружающей атмосферы. Кроме того, маховик 50 неподвижен.
Для эксплуатации машины оператор входит в кабину, садится на сиденье 10 и запускает двигатель. Отработавшие газы проходят из двигателя через систему дополнительной очистки отработавших газов и начинают нагревать систему дополнительной очистки отработавших газов. При этом в соответствии с настоящим изобретением система 54 управления вызывает зацепление указанной муфты 52 с двигателем, создавая тем самым дополнительную нагрузку на двигатель, так как при зацеплении с муфтой 52 двигатель приводит в движение редуктор 54, который, в свою очередь, приводит во вращение маховик 50. Очевидно, что для приведения маховика во вращение необходимо передать маховику заданное количество энергии, причем такая энергия поступает непосредственно от двигателя. Поскольку двигатель при этом должен вырабатывать больше мощности, чем обычно, он также вырабатывает больше тепла, причем такое дополнительное тепло поступает вместе с отработавшими газами в систему дополнительной очистки отработавших газов, в результате чего происходит более быстрое нагревание системы дополнительной очистки отработавших газов. В конечном итоге двигатель и система дополнительной очистки отработавших газов достигают нормальной рабочей температуры, причем маховик 50 к этому моменту находится во вращении и накапливает кинетическую энергию. Указанная кинетическая энергия может быть использована, когда возникнет такая потребность.
Как показано на фиг. 2, муфта 52 сцепления может быть разомкнута, при этом маховик 50 продолжит вращаться с относительно высокой скоростью, в то время как скорость вращения двигателя может быть уменьшена. При возникновении впоследствии необходимости в увеличении скорости вращения двигателя для выработки большего количества мощности указанная система 54 управления может обеспечить выборочное замыкание указанной муфты 52 сцепления, что приведет к уменьшению скорости вращения маховика и передаче энергии от маховика к двигателю, в результате чего скорость вращения двигателя возрастет. Таким образом, в зависимости от конкретных обстоятельств кинетическая энергия маховика может быть передана через двигатель и трансмиссию 14 на задние колеса 22B для содействия в обеспечении перемещения машины 2 по грунту. В качестве альтернативного варианта, энергия, накопленная маховиком 50, может быть передана двигателем на гидравлический насос 42 для содействия в обеспечении функционирования гидравлического вспомогательного устройства.
Как показано на фиг. 2, двигатель может передавать энергию маховику, а маховик может передавать энергию двигателю. В других вариантах осуществления настоящего изобретения помимо того, что маховик может быть приведен в движение двигателем, движение маховика также может быть обеспечено другими источниками энергии. Кроме того, в других вариантах осуществления настоящего изобретения маховик может передавать энергию на альтернативные поглотители энергии, при этом указанная энергия не проходит через двигатель. Так, на фиг. 3 показана рабочая машина 102 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, причем элементы, выполняющие те же функции, что и элементы рабочей машины 2, обозначены соответствующими номерами позиций с увеличением на 100. При сравнении фиг. 2 и 3 видно, что единственное различие между рабочей машиной 2 и рабочей машиной 102 состоит в том, что рабочая машина 102 дополнительно содержит редуктор 149 и муфту 153 сцепления, а также связанные с ними механические приводные элементы 70, 71 и 72. Таким образом, после того как двигатель 112 запущен, двигатель и система дополнительной очистки отработавших газов достигли рабочей температуры, а маховик 150 вращается при разомкнутой муфте 152 сцепления и разомкнутой муфте 153 сцепления, энергия может быть передана от маховика 150 через редуктор 149 и муфту 153 сцепления на гидравлический насос для подачи питания на гидравлический насос 142 или содействия (совместно с механической приводной линией 162, идущей от двигателя 112) в приведении в действие гидравлического насоса, который, в свою очередь, может подавать гидравлическую жидкость под давлением в гидравлические вспомогательные устройства (лишь два из них показаны на фиг. 3).
Отметим, что энергия может быть передана от гидравлического насоса 142 через муфту 153 сцепления и редуктор 149 в накопитель 150 кинетической энергии для накопления энергии в указанном накопителе кинетической энергии.
Редуктор 148 выполнен таким образом, что, когда муфта 152 замкнута, скорость вращения маховика превышает скорость вращения двигателя. Таким образом, редуктор 148, с точки зрения передачи энергии от двигателя к маховику, представляет собой повышающий редуктор. Редуктор 48 может быть выполнен с возможностью обеспечения вращения маховика со скоростью, по меньшей мере в 10 раз превышающей скорость вращения двигателя.
Редуктор 149 может быть выполнен с возможностью обеспечения работы гидравлического насоса со скоростью, меньшей скорости вращения маховика 150. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения редуктор 149 может представлять собой понижающий редуктор с точки зрения передачи энергии от маховика 150 к гидравлическому насосу 142.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрено обратное расположение муфты 152 сцепления и редуктора 148 рабочей машины 102, то есть двигатель 112 может приводить в действие редуктор 148, который, в свою очередь, приводит в действие муфту 152 сцепления, которая, в свою очередь, приводит в действие маховик 150. Аналогичным образом, может быть предусмотрено обратное расположение муфты 153 сцепления и редуктора 149 рабочей машины 102, то есть маховик 150 может приводить в действие муфту 153 сцепления, которая приводит в действие редуктор 149, приводящий в действие гидравлический насос 142.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрено обратное расположение муфты 52 сцепления и редуктора 48 рабочей машины 2.
Как было указано выше, накопитель кинетической энергии может представлять собой маховик. Маховик может работать внутри вакуумной камеры или камеры пониженного давления, обеспечивающей снижение потерь на трение и сопротивление воздуха. При использовании маховик может вращаться со скоростью более 20000 об/мин. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения при использовании указанный маховик может вращаться со скоростью более 40000 об/мин или, альтернативно, более 60000 об/мин.
Один или несколько из редукторов 48, 148 и 149 могут представлять собой редуктор типа бесступенчатой трансмиссии БТ (CVT). Такой редуктор типа БТ (CVT) может содержать делитель, установленный последовательно с блоком БТ (CVT), для расширения рабочего диапазона скоростей вращения маховика накопителя кинетической энергии.
На фиг. 4-7 показана рабочая машина 202 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, причем элементы, выполняющие те же функции, что и элементы рабочей машины 102, обозначены соответствующими номерами позиций с увеличением на 100. Рабочая машина 202 содержит гидравлические резервуары 280, 281 и 282, регулирующий клапан 283 и гидравлические линии 284, 285, 286, 287, 288, 289, 290, 291, 292, 293, 294, 295, 296, 297 и 298. В данном случае предусмотрено два гидравлических насоса (или гидравлические машины) 242А и 242В.
Гидравлические соединения/клапаны 273, 274, 275, 276, 277, 278 и 279 обеспечивают соединение различных компонентов. Система 254 управления соединена с регулирующим клапаном, а также имеет соединения (не показаны) с другими частями системы, которые обеспечивают нормальное функционирование гидравлической системы.
Для облегчения понимания на фиг. 4-7 показано только одно вспомогательное устройство 203В.
Гидравлический насос 242В представляет собой насос с переменным рабочим объемом. Редуктор 248 выполнен таким образом, что накопитель 250 кинетической энергии вращается со скоростью, превышающей скорость вращения насоса 242В.
Накопитель 250 кинетической энергии выполнен с возможностью получения от вспомогательного устройства 203В (и любого другого вспомогательного устройства, с которым он может быть соединен) энергии, которая в противном случае была бы утеряна.
Так, из фиг. 1 видно, что вспомогательное устройство 203В является аналогом силового цилиндра 3В, который вызывает поворот передней погрузочной стрелы 23А относительно шасси 21. Выдвижение силового цилиндра 3В приводит к подъему передней погрузочной стрелы 23А, а втягивание силового цилиндра 3В приводит к опусканию погрузочной стрелы 23А. Очевидно, что подъем погрузочной стрелы 23А требует подвода энергии от двигателя 12, а опускание погрузочной стрелы 23А, как правило, энергии не требует, поскольку при переходе погрузочной стрелы из поднятого положения в опущенное положение на нее действует сила тяжести.
Аналогичным образом, наполнение погрузочного ковша 24А требует подвода энергии во вспомогательное устройство 23А, а опорожнение погрузочного ковша, как правило, энергии не требует, так как опорожнение погрузочного ковша происходит под действием силы тяжести.
Подъем экскаваторной стрелы 23В требует подвода энергии, а опускание, как правило, энергии не требует. Подъем рукояти 31 стрелы требует подвода энергии, а опускание рукояти стрелы, как правило, энергии не требует. Наполнение экскаваторного ковша 24В требует подвода энергии, а опорожнение экскаваторного ковша 24В, как правило, энергии не требует. Опускание опорных ног 32 требует подвода энергии, но, например, в случае когда задние колеса подняты над грунтом, подъем опорных ног 32 до момента переноса веса машины на задние колеса энергии не требует.
Таким образом, действие некоторых из исполнительных механизмов в некоторых направлениях требует подвода энергии, в то время как их действие в противоположном направлении во многих случаях не требует подвода энергии, так как движению соответствующего элемента способствует сила тяжести. В частности, при опускании передней погрузочной стрелы из относительно высокого положения в относительно низкое положение происходит движение центра тяжести такой стрелы из относительно высокого положения в относительно низкое положение. В известных рабочих машинах данная энергия рассеивается в гидравлической системе в виде тепла. Однако в соответствии с настоящим изобретением данная потенциальная энергия может быть сохранена.
Как было указано выше, в системе предусмотрен исполнительный механизм (не показан), обеспечивающий разворот задней части 30А каретки 32 относительно шасси 21. Поскольку экскаваторная стрела, рукоять стрелы и экскаваторный ковш прикреплены к задней части 30А каретки, все эти элементы также выполняют разворот относительно шасси. Для начала разворачивающего движения необходима энергия, позволяющая преодолеть инерцию разворачиваемых элементов. Однако для контролируемого прекращения разворачивающего движения в известных технических решениях происходит рассеяние кинетической энергии в гидравлической системе в виде тепла. Настоящее изобретение обеспечивает возможность накопления кинетической энергии разворота.
Некоторые рабочие машины содержат гидростатическую трансмиссию, предназначенную для перемещения указанных машин по грунту, причем при необходимости замедления транспортного средства кинетическая энергия указанного транспортного средства рассеивается во фрикционных тормозах в виде тепла. Настоящее изобретение обеспечивает возможность сохранения данной кинетической энергии.
На фиг. 4 проиллюстрирована ситуация, в которой вспомогательному устройству (в данном случае - вспомогательному устройству 203В) необходима энергия, в данном случае - для подъема передней погрузочной стрелы. Система 254 управления функционирует таким образом, что двигатель 212 приводит в действие гидравлический насос 242А, в результате чего гидравлическая жидкость поступает из гидравлического резервуара 280 по линии 284, через гидравлический насос 242А, по линии 285, через регулирующий клапан 283, по линии 287 и по линии 288 во вспомогательное устройство 203В, что приводит к подъему передней погрузочной стрелы. Как видно из фиг. 4, передачи энергии от накопителя 250 кинетической энергии к указанному вспомогательному устройству не происходит, так как в данном примере накопитель кинетической энергии не содержит накопленной энергии (например, если накопитель кинетической энергии представляет собой маховик, такой маховик неподвижен).
Однако если в накопителе 250 кинетической энергии присутствует накопленная энергия, такая энергия может быть передана во вспомогательное устройство, как показано на фиг. 5. Таким образом, накопитель 250 кинетической энергии приводит в действие гидравлический насос 242B через редуктор 248. В данном случае система 254 управления функционирует таким образом, чтобы обеспечить поступление гидравлической жидкости из гидравлического резервуара 282 по линии 296, по линии 295, по линии 290, по линии 291, через гидравлический насос 242В, по линии 292, по линии 298 и по линии 288 в гидравлическое вспомогательное устройство 203В. Следует понимать, что в данном случае указанное вспомогательное устройство приводят в действие с использованием только той энергии, которая поступает из накопителя 250 кинетической энергии.
При других обстоятельствах накопитель кинетической энергии и двигатель могут совместно обеспечивать подвод энергии к вспомогательному устройству. Сравнивая фиг. 4 и 5, можно видеть, что в таком случае система 254 управления функционирует таким образом, чтобы обеспечить поступление гидравлической жидкости через гидравлический насос 242В, по линии 292 и по линии 298 в линию 288, в которой происходит ее объединение с гидравлической жидкостью, поступающей от гидравлического насоса 242А по линии 285 и по линии 287 в линию 288.
На фиг. 6 проиллюстрирована ситуация, в которой энергия может быть передана от вспомогательного устройства 203В в накопитель 250 кинетической энергии.
Так, например, когда передняя погрузочная стрела находится в поднятом положении, а оператору необходимо опустить переднюю погрузочную стрелу, система 254 управления функционирует таким образом, чтобы обеспечить поступление гидравлической жидкости от вспомогательного устройства 203B по линии 298, по линии 291, через насос 242В, по линии 292, по линии 294 и по линии 296 в гидравлический резервуар 282. В таких условиях гидравлический насос выполняет функцию гидравлического двигателя, то есть гидравлическая жидкость приводит в действие гидравлический насос 242В и вызывает его вращение. Такое вращение передается через редуктор 248 на накопитель 250 кинетической энергии. Таким образом, при опускании погрузочной стрелы в требуемое положение потенциальная энергия, теряемая погрузочной стрелой, преобразуется в кинетическую энергию и сохраняется в накопителе 250 кинетической энергии.
Следует иметь в виду, что накопитель кинетической энергии обладает лишь ограниченной способностью сохранения кинетической энергии, причем в наиболее распространенном случае, в котором накопитель кинетической энергии представляет собой маховик, такое ограничение задано максимальной скоростью вращения маховика. Так, при конкретных обстоятельствах оператору может потребоваться опустить переднюю погрузочную стрелу в тот момент, когда накопитель кинетической энергии не имеет возможности сохранения дополнительной энергии. В таком случае, как показано на фиг. 7, система 254 управления функционирует таким образом, чтобы обеспечить поступление гидравлической жидкости от вспомогательного устройства по линии 288, по линии 287, через регулирующий клапан 283 и по линии 286 в гидравлический резервуар 281. Поскольку оператору требуется опустить переднюю погрузочную стрелу управляемым образом, регулирующий клапан обеспечивает корректное управляемое движение передней погрузочной стрелы. Как видно из фиг. 7, потенциальная энергия, теряемая передней погрузочной стрелой, полностью преобразуется в тепловую энергию в гидравлической жидкости (в соответствии с известными техническими решениями), так как в данном случае накопитель 250 кинетической энергии не способен сохранить данную дополнительную энергию.
Двигатель 212 содержит систему 246 впуска и систему 244 дополнительной очистки отработавших газов. После того как машина 202 находилась в неиспользуемом состоянии, например, в течение ночи, система 244 дополнительной очистки отработавших газов имеет относительно низкую температуру, а накопитель кинетической энергии может не содержать накопленную энергию: например, если накопитель кинетической энергии представляет собой маховик, такой маховик может быть неподвижен. В процессе запуска накопитель 250 кинетической энергии может быть использован для создания нагрузки на двигатель 212 так, чтобы обеспечить накопление энергии в накопителе кинетической энергии и повысить температуру системы дополнительной очистки отработавших газов, следующим образом. При запуске двигателя 212 система 254 управления функционирует таким образом, чтобы обеспечить поступление гидравлической жидкости из гидравлического резервуара 280 по линии 284, через гидравлический насос 242А, по линии 285, через регулирующий клапан 283, по линии 287, по линии 288, по линии 289 (в обход вспомогательного устройства 203В), по линии 291, через гидравлический насос 242B, по линии 292, по линии 294 и по линии 296 в гидравлический резервуар 282. При прокачивании гидравлической жидкости через гидравлический насос 242В указанный насос 242B выполняет функцию гидравлического двигателя, приводя в действие редуктор 248, который, в свою очередь, приводит в действие накопитель 250 кинетической энергии.
Следует отметить, что, как показано на фиг. 4, насос 242В и накопитель 250 кинетической энергии гидравлически соединены по меньшей мере в рабочем режиме с основным движителем (двигателем 212), то есть в отсутствие гидравлических элементов системы насос 242В и накопитель кинетической энергии не могут быть функционально соединены с двигателем. Как показано на фиг. 3, между двигателем 112 и накопителем 150 кинетической энергии не предусмотрено гидравлического соединения, так как соединение через муфту 152 сцепления и редуктор 148 представляет собой механическое соединение, а соединение через гидравлический насос 142, механический силовой поток 72, муфту 153 сцепления, механический силовой поток 71, редуктор 149 и механический силовой поток 70 также представляет собой механическое соединение.
Редуктор 248 может представлять собой редуктор типа бесступенчатой трансмиссии БТ (CVT). Такой редуктор типа БТ (CVT) может содержать делитель, установленный последовательно с блоком БТ (CVT), для расширения рабочего диапазона скоростей вращения маховика накопителя кинетической энергии.
Для облегчения понимания, гидравлические резервуары 280, 281, 282 представлены в виде отдельных резервуаров. На практике, как правило, используют один общий резервуар.
Как показано на фиг. 4, гидравлическая машина содержит первую и вторую гидравлические машины. В других вариантах осуществления настоящего изобретения гидравлическая машина может представлять собой одну гидравлическую машину, например один насос/двигатель.
На фиг. 8-14 показана рабочая машина 302 согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Указанная рабочая машина содержит двигатель 312 (также называемый основным движителем) и насос 314, приводимый в действие двигателем. Машина 302 содержит гидравлические резервуары 316 и 318. Гидравлическая машина 320, представляющая собой гидравлический насос с регулируемой производительностью/двигатель (в одном из вариантов осуществления - аксиально-кулачковый насос с регулируемой производительностью/двигатель), выполнена с возможностью выборочного соединения с накопителем 322 кинетической энергии, представляющим собой маховик, посредством муфты 324 сцепления и редуктора 325. Гидравлическое вспомогательное устройство 303 представляет собой гидравлический силовой цилиндр 326, который содержит основную гидравлическую камеру 328 и штоковую гидравлическую камеру 330. Также предусмотрены перепускной клапан 332, всасывающий обратный клапан 336 и противокавитационный клапан 338. Блок 334 клапанов содержит регулируемый клапан 334В и обратный клапан 334А, что наиболее подробно показано на фиг. 14. Также предусмотрены клапаны 340, 342 и 344, а также запорный клапан 346 насоса. Гидравлические линии 350, 351, 352, 353, 354, 355, 356, 357, 358, 359, 360, 361, 362, 363, 364, 365, 366, 367, 368, 369 и 370 обеспечивают соединение между собой различных компонентов, как будет более подробно описано ниже. Система 348 управления (показана только на фиг. 8) обеспечивает управление различными клапанами, как будет более подробно раскрыто ниже. Для облегчения понимания чертежей соединения между системой 348 управления и различными клапанами на фиг. 8 не показаны.
Рабочая машина в разных эксплуатационных условиях функционирует следующим образом.
Запуск системы
После того как рабочая машина 302 находилась в неиспользуемом состоянии в течение заданного периода времени (например, ночи), гидравлическое давление во всех гидравлических линиях, как правило, падает до нуля, маховик 322 неподвижен, и двигатель 312 неподвижен. Перед запуском двигателя система управления обеспечивает закрытие клапанов 334В, 342 и 344. Система управления открывает клапан 340. Система управления управляет перепускным клапаном 332 так, что гидравлические линии 367 и 363 соединены, а линия 368 изолирована от линий 367 и 363. Система управления открывает клапан 346 и клапан 338.
После запуска двигатель 312 приводит в действие насос 314, который подает гидравлическую жидкость из резервуара 316 через гидравлическую линию 350 и повышает давление в гидравлических линиях 351, 352, 353, 354, 370, 366, 365, 362, 364.
Как было указано выше, всасывающий обратный клапан 336 предотвращает попадание жидкости, находящейся под давлением в линии 362, в линию 361. Поскольку клапан 342 закрыт, давление в гидравлической линии 357 отсутствует. Поскольку клапан 334В закрыт, жидкость, находящаяся под давлением в линии 366, не попадает в линии 368 и 369.
Соответственно, гидравлическая жидкость поступает в гидравлическую машину 320 из насоса 314, приводимого в действие двигателем. Гидравлическая машина 320 выполнена с возможностью функционирования в качестве двигателя, и, поскольку система управления замыкает муфту 324 сцепления, вращение гидравлической машины 320 вызывает последовательную передачу энергии в накопитель 322 кинетической энергии, который вследствие этого ускоряется, выходя из исходного состояния покоя.
В процессе передачи энергии от гидравлической машины в накопитель кинетической энергии система управления изменяет рабочий объем гидравлической машины 320. Так, на начальном этапе скорость вращения маховика накопителя кинетической энергии относительно мала, и система управления устанавливает рабочий объем гидравлической машины на относительно высокое значение (например, путем установки наклонной шайбы аксиально-наклонного насоса/двигателя под относительно большим углом). По мере передачи энергии в накопитель кинетической энергии скорость вращения маховика постепенно возрастает, и система управления постепенно уменьшает рабочий объем гидравлической машины. Таким образом, скорость вращения гидравлической машины постепенно возрастает по мере увеличения скорости вращения маховика.
После прохождения гидравлической жидкости через гидравлическую машину 320 она последовательно проходит через гидравлические линии 367, 363 и 359, после чего она проходит через противокавитационный клапан 338 (предварительно открытый системой управления) в линию 360 и, наконец, в резервуар 318. Поскольку клапан 344 закрыт, такой возвратный поток жидкости не проходит в линию 356.
На фиг. 9 проиллюстрирован поток гидравлической жидкости во время запуска системы, а в таблице 1 кратко сформулированы различные состояния клапанов.
Холостой ход маховика
В процессе запуска системы скорость вращения маховика постепенно возрастает, а по достижении ею предварительно заданного максимального значения скорости холостого хода происходит размыкание муфты 324 сцепления и закрытие клапана 346. После этого скорость вращения маховика постепенно падает в результате внутреннего трения механизма маховика. По достижении скоростью маховика предварительно заданного минимального значения скорости холостого хода происходит открытие клапана 346 и замыкание муфты 324 сцепления, причем система управления регулирует рабочий объем гидравлической машины (как описано выше) так, чтобы обеспечить увеличение скорости вращения маховика и достижения им предварительно заданного максимального значения скорости холостого хода, после чего снова происходит закрытие клапана 346 и размыкание муфты 324 сцепления. Таким образом, скорость вращения маховика поддерживают в диапазоне между максимальной скоростью холостого хода и минимальной скоростью холостого хода до момента приведения в действие вспомогательного устройства 303.
Получение энергии от гидравлического вспомогательного устройства
Для получения энергии от гидравлического вспомогательного устройства 303 гидравлическую жидкость под давлением, находящуюся в основной гидравлической камере 328, подают в гидравлическую машину 320, которая выполняет функцию гидравлического двигателя, увеличивая скорость вращения маховика 322.
В частности, система управления открывает клапан 334В, тем самым соединяя гидравлическую линию 369 с гидравлической линией 366. При этом клапан 340, клапан 346 и клапан 342 закрыты, а клапан 344 открыт.
В таких условиях гидравлическая жидкость проходит из основной гидравлической камеры 328 в гидравлическую линию 369, через клапан 334В, в гидравлическую линию 366, в гидравлическую линию 365, в гидравлическую линию 364 и через гидравлическую машину 320, выполняющую функцию двигателя. Муфта 324 замкнута, и, соответственно, двигатель передает энергию в накопитель 322 кинетической энергии, скорость которого возрастает (до скорости, превышающей максимальную скорость холостого хода) и сохраняет энергию в кинетической форме. В процессе передачи энергии от гидравлической машины в накопитель кинетической энергии система управления изменяет рабочий объем гидравлической машины 320. Таким образом, исходная скорость вращения накопителя кинетической энергии находится примерно в диапазоне между минимальной скоростью холостого хода и максимальной скоростью холостого хода. Система управления устанавливает соответствующий рабочий объем гидравлической машины (например, путем установки наклонной шайбы аксиально-кулачкового насоса/двигателя под соответствующим углом). По мере передачи энергии в накопитель кинетической энергии скорость вращения маховика постепенно возрастает, и система управления постепенно уменьшает рабочий объем гидравлической машины (например, путем уменьшения угла наклона наклонной шайбы аксиально-кулачкового насоса/двигателя). Таким образом, скорость вращения гидравлической машины постепенно возрастает по мере увеличения скорости вращения маховика.
Затем гидравлическая жидкость проходит в линию 367 через перепускной клапан 332 и в линию 363. Часть этой гидравлической жидкости проходит в линию 355, через открытый клапан 344, в линию 356 и в линию 358 для восполнения объема жидкости в штоковой гидравлической камере 330. Оставшаяся часть гидравлической жидкости, проходящая через линию 363, поступает в линию 359, через открытый противокавитационный клапан 338, через линию 360 и в резервуар 318.
На фиг. 10 проиллюстрирован поток гидравлической жидкости в системе во время получения энергии от гидравлического вспомогательного устройства 303.
Рассеяние избыточной энергии в процессе получения энергии от гидравлического вспомогательного устройства
В конкретных условиях количество энергии, получаемое из гидравлической системы, может превосходить количество энергии, которое может быть подано в накопитель кинетической энергии.
В результате, максимальный крутящий момент, прикладываемый к входному валу накопителя кинетической энергии, может быть ограничен. Например, приложение избыточного крутящего момента к входному валу накопителя кинетической энергии может вызвать повреждение механизма. Соответственно, существуют конкретные обстоятельства, при которых не вся энергия, которую можно потенциально получить от вспомогательного устройства 303, может быть передана в накопитель 322 кинетической энергии. В частности, если гидравлическое вспомогательное устройство 303 представляет собой гидравлический силовой цилиндр, поднимающий и опускающий экскаваторную стрелу 23В, как показано на фиг. 1, то возможно возникновение ситуации, когда оператору рабочей машины необходимо опустить указанную экскаваторную стрелу быстрее, чем энергия опускаемой экскаваторной стрелы может быть передана в накопитель 322 кинетической энергии. В таком случае клапаны 340 и 342 могут быть частично открыты для отвода гидравлической жидкости из основной гидравлической камеры 328 и от гидравлической машины 320. Как показано на фиг. 11, часть гидравлической жидкости из линии 366 проходит в линию 370, через клапан 340, в линию 354, в линию 353, через клапан 342, в линию 357, а затем через линию 358 в штоковую гидравлическую камеру 330. Оставшаяся часть гидравлической жидкости из основной гидравлической камеры 328 проходит через гидравлическую машину 320 (рабочий объем которой регулирует система управления, как описано выше), перепускной клапан 322 и клапан 334 так же, как это происходит на фиг. 10, для получения энергии от гидравлической жидкости.
Повторное использование накопленной энергии
Для повторного использования накопленной энергии накопитель кинетической энергии приводит в действие гидравлическую машину, которая выполняет функцию гидравлического насоса и подает гидравлическую жидкость под давлением в основную гидравлическую камеру 328 гидравлического вспомогательного устройства 303.
В частности, клапаны 340, 342 и 346 закрыты, а клапан 344 открыт. Клапан 344В закрыт. Перепускной клапан 332 соединяет линию 367 с линией 368, тем самым изолируя линию 363 от линий 367 и 368.
Кинетическую энергию, предварительно накопленную в накопителе 322 кинетической энергии, передают через муфту 324 сцепления и редуктор 325 в гидравлическую машину 320, которая выполняет функцию насоса и подает гидравлическую жидкость из резервуара 318 через линию 361, через обратный клапан 336 и линии 362 и 364. Затем, гидравлическая жидкость, давление которой было повышено в гидравлической машине 320, выполняющей функцию насоса, проходит в линию 367, через перепускной клапан 322, в линию 368, через обратный клапан 334А, в линию 369 и в основную гидравлическую камеру 328, тем самым приводя в действие гидравлическое вспомогательное устройство 303. По мере движения поршня 304 внутри гидравлического силового цилиндра 326 объем основной гидравлической камеры 328 возрастает, что приводит к уменьшению объема штоковой камеры 330, в результате чего гидравлическая жидкость поступает в гидравлическую линию 358, через гидравлическую линию 356, через открытый клапан 344, через гидравлическую линию 355, через гидравлическую линию 359, через открытый противокавитационный клапан 344, через линию 356 и попадает в резервуар 318.
В процессе передачи энергии от накопителя кинетической энергии в гидравлическую машину система управления изменяет рабочий объем гидравлической машины. Так, на начальном этапе скорость вращения маховика накопителя кинетической энергии является относительно высокой. Система управления устанавливает относительно низкий рабочий объем гидравлической машины (например, путем установки наклонной шайбы аксиально-кулачкового насоса/двигателя под относительно небольшим углом). По мере передачи энергии от накопителя кинетической энергии в гидравлическую машину скорость вращения маховика накопителя кинетической энергии постепенно падает, и система управления постепенно увеличивает рабочий объем гидравлической машины. Таким образом, скорость вращения гидравлической машины постепенно падает по мере уменьшения скорости вращения маховика.
На фиг. 12 проиллюстрирован поток гидравлической жидкости в данных условиях.
Использование только мощности двигателя для приведения в действие гидравлического вспомогательного устройства
Существуют конкретные обстоятельства, при которых суммарное количество энергии, необходимое для работы гидравлического вспомогательного устройства, превышает количество энергии, накопленное в накопителе кинетической энергии. Например, оператору может потребоваться поднять стрелу или другое подобное средство на максимальную высоту, в то время как кинетическая энергия, накопленная в накопителе кинетической энергии, достаточна лишь для подъема стрелы или другого подобного средства на половину максимальной высоты. В таком случае энергию, необходимую для подъема стрелы на половину максимальной высоты, получают от указанного накопителя кинетической энергии, а энергию, необходимую для подъема стрелы от половины максимальной высоты до максимальной высоты, получают от указанного двигателя.
В описанных обстоятельствах двигатель 312 приводит в действие насос 314, приводимый в действие двигателем, причем указанный насос отбирает гидравлическую жидкость из резервуара 316 по линии 350 и подает гидравлическую жидкость под давлением через линию 351, через открытый клапан 346, через открытый клапан 340, через линию 370, через линию 366 и через открытый клапан 344В, тем самым обеспечивая подачу гидравлической жидкости в основную гидравлическую камеру 328 для подъема стрелы, в данном случае - от половины максимальной высоты до максимальной высоты. В вариантах осуществления настоящего изобретения, в которых гидравлическая машина 320 представляет собой аксиально-кулачковый насос, наклонная шайба может быть установлена под нулевым углом для предотвращения прохождения гидравлической жидкости через гидравлическую машину. В качестве альтернативы или дополнительно может быть предусмотрен отдельный клапан, предотвращающий прохождение гидравлической жидкости через гидравлическую машину, при этом такой клапан может быть установлен, например, в гидравлической линии 365 или в гидравлической линии 364.
На фиг. 13 проиллюстрирован поток гидравлической жидкости в данных условиях. Возвратный поток из штоковой гидравлической камеры 330 проходит через гидравлические линии 358 и 356, открытый клапан 344, гидравлические линии 355 и 359, открытый противокавитационный клапан 338 и линию 360 в резервуар 318 аналогично тому, как это происходит на фиг. 12.
Использование мощности двигателя и накопленной энергии для приведения в действие гидравлического вспомогательного устройства
При конкретных обстоятельствах количество энергии, необходимое для приведения в действие гидравлического вспомогательного устройства, может превосходить количество энергии, которое может быть получено от накопителя кинетической энергии. Например, если гидравлическое вспомогательное устройство представляет собой гидравлический силовой цилиндр, который поднимает и опускает экскаваторную стрелу, такую как экскаваторная стрела 23В с фиг. 1, то может возникнуть ситуация, когда оператору рабочей машины будет необходимо поднять экскаваторную стрелу со скоростью, требующей большей мощности, чем можно получить от накопителя кинетической энергии. В таком случае поток находящейся под давлением гидравлической жидкости от гидравлической машины 320 к блоку 334 клапанов, представленный на фиг. 12, комбинируют с потоком находящейся под давлением гидравлической жидкости, идущим из насоса 314, приводимого в действие двигателем, и поступающим в блок 334 клапанов, как показано на фиг. 13. В таких условиях, как особенно ясно видно из фиг. 14, поток от гидравлической машины 320 проходит через линию 368, через открытый обратный клапан 334А и в линию 369, а поток от насоса 314, приводимого в действие двигателем, проходит через линию 366, через открытый клапан 334 и в линию 369.
Рабочая машина 302 может представлять собой рабочую машину любого типа и, в частности, не ограничивается экскаваторным погрузчиком (пример которого показан на фиг. 1). Гидравлическое вспомогательное устройство 303 не ограничивается гидравлическим силовым цилиндром. Гидравлическое вспомогательное устройство 303 может обеспечивать разворот одной части рабочей машины относительно другой части рабочей машины. Если гидравлическое вспомогательное устройство 303 представляет собой гидравлический силовой цилиндр, то такой гидравлический силовой цилиндр может обеспечивать поворот ковша относительно передней погрузочной стрелы, или обеспечивать поворот передней погрузочной стрелы относительно шасси, или обеспечивать поворот экскаваторной стрелы относительно каретки вокруг по существу горизонтальной оси, или обеспечивать поворот рукояти стрелы относительно экскаваторной стрелы, или обеспечивать поворот ковша относительно рукояти стрелы, или обеспечивать выдвижение и/или отведение опорных ног относительно шасси рабочей машины, или обеспечивать движение каретки в поперечном направлении относительно шасси. Однако если гидравлическое вспомогательное устройство 303 представляет собой гидравлический цилиндр, оно не ограничивается вышеописанными вариантами управления и функционирования, и специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что существуют другие типы гидравлических вспомогательных устройств, которые могут быть применены в качестве гидравлического вспомогательного устройства 303.
Двигатель 312 может представлять собой двигатель внутреннего сгорания, в частности двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, например дизельный двигатель, или двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, например бензиновый двигатель. Однако в настоящем изобретении могут быть применены и другие типы двигателей. Насос 14, приводимый в действие двигателем, может представлять собой насос с постоянным рабочим объемом или насос с переменным рабочим объемом. Указанный насос 314, приводимый в действие двигателем, может быть соединен с двигателем напрямую, то есть может быть приведен в движение со скоростью вращения двигателя, или, в альтернативном варианте, может быть соединен с двигателем через зубчатую передачу и, соответственно, может быть приведен в движение со скоростью вращения двигателя или с другой скоростью.
Для облегчения понимания, резервуары 316 и 318 показаны в виде отдельных резервуаров, хотя, как правило, они могут представлять собой один общий резервуар.
Накопитель 322 кинетической энергии в одном из примеров представляет собой маховик, в частности сплошной маховик (то есть не гидромуфту). Указанный накопитель 322 соединен с гидравлической машиной 320 через муфту 324 сцепления и редуктор 325. Накопитель 322 кинетической энергии может быть соединен с муфтой 324 сцепления, которая, в свою очередь, соединена с редуктором 325, в свою очередь, соединенным с гидравлической машиной 320. В альтернативном варианте накопитель 322 кинетической энергии может быть соединен с редуктором 325, который, в свою очередь, соединен с муфтой 324 сцепления, в свою очередь, соединенной с гидравлической машиной 320. Редуктор может представлять собой планетарный редуктор. Если редуктор представляет собой планетарный редуктор, то муфта сцепления может быть выборочно замкнута для предотвращения движения одной из частей планетарного редуктора, движущейся относительно другой части планетарного редуктора, и может быть выборочно разомкнута для обеспечения возможности движения одной из частей планетарного редуктора относительно другой части планетарного редуктора. В частности, муфта сцепления может быть замкнута для предотвращения вращения коронной шестерни планетарного редуктора относительно корпуса планетарного редуктора. Для передачи энергии от гидравлической машины в накопитель кинетической энергии гидравлическая машина может приводить в движение сателлиты планетарного редуктора, которые, в свою очередь, приводят в движение солнечную шестерню планетарного редуктора, которая, в свою очередь, приводит в движение накопитель кинетической энергии. Для передачи энергии от накопителя кинетической энергии в гидравлическую машину накопитель кинетической энергии может приводить в движение солнечную шестерню планетарного редуктора, которая, в свою очередь, приводит в движение сателлиты планетарного редуктора, которые, в свою очередь, приводят в движение гидравлическую машину.
Для управления перепускным клапаном 332 может быть использован гидравлический сигнал управления или соленоид. Клапан 334B, показанный на фиг. 14, представляет собой регулируемый дроссельный клапан с электромагнитным управлением, хотя в других вариантах осуществления настоящего изобретения может быть использован клапан, приводимый в действие давлением, или регулируемый клапан другого типа. Клапан 338 может представлять собой клапан с электромагнитным управлением и может представлять собой пропорциональный клапан. Клапаны 340, 342 и 344 могут представлять собой клапаны с электромагнитным управлением. Рабочая машина 302 может содержать систему дополнительной очистки отработавших газов. В таком случае возможна эксплуатация рабочей машины 302 с запуском системы дополнительной очистки отработавших газов при температуре ниже нормальной рабочей температуры, причем двигатель 312 может быть запущен, а накопитель 322 кинетической энергии может создавать нагрузку на двигатель так, чтобы обеспечить накопление энергии в накопителе 322 кинетической энергии и повышение температуры системы дополнительной очистки отработавших газов.
Реферат
Изобретение относится к системам накопления энергии и к применению таких систем в гидравлической системе грузоподъемных машин. Гидравлическая система содержит гидравлическую жидкость, гидравлическую машину (142), гидравлический контур для подачи жидкости в гидравлический исполнительный механизм (103А, 103В). Гидравлическая машина (142) выполнена с возможностью приема гидравлической жидкости из гидравлического исполнительного механизма (103А, 103В). Гидравлическая система также содержит накопитель (150) кинетической энергии – маховик, соединенный с указанной гидравлической машиной (142). Гидравлическая машина (142) способна передавать энергию от гидравлической жидкости, полученной из гидравлического исполнительного механизма (103А, 103В), в маховик. Достигается повышение КПД гидравлической системы. 6 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
