ОБОРУДОВАНИЕ
EQUIPMENT

Настоящее изобретение относится к оборудованию с элементом, выполненным подвижным посредством по меньшей мере одного рабочего привода, при этом предусмотрен по меньшей мере один цилиндр для рекуперации энергии, который предназначен для рекуперации энергии движения подвижного элемента и который включает в себя камеру, заполненную газом. В частности, настоящее изобретение относится к передвижному оборудованию, в частности к экскаватору или машине для погрузки, разгрузки и транспортировки материалов. В частности, рабочий привод содержит рабочий гидравлический цилиндр.
В подобном оборудовании наполненная газом камера цилиндра для рекуперации энергии сжимается при опускании подвижного элемента и, таким образом, накапливает потенциальную энергию для выделения данной энергии во время перемещения подвижного элемента снова вверх для поддержания работы рабочего привода.
Из документа DE 102008034582 А1 известно оборудование, в котором наполненная газом камера цилиндра для рекуперации энергии образована газонаполненной нижней частью цилиндра для рекуперации энергии и полым поршневым штоком цилиндра для рекуперации энергии.
Задача настоящего изобретения состоит в дальнейшем улучшении функционирования оборудования с цилиндром для рекуперации энергии, имеющим камеру, наполненную газом.
В соответствии с изобретением данная задача решается посредством оборудования в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. В настоящем изобретении раскрыто оборудование, в особенности передвижное оборудование, в частности экскаватор или машина для погрузки, разгрузки и транспортировки материалов, с элементом, выполненным подвижным посредством по меньшей мере одного рабочего привода, при этом предусмотрен по меньшей мере один цилиндр для рекуперации энергии, который предназначен для рекуперации энергии движения подвижного элемента и который включает в себя камеру, заполненную газом, при этом в соответствии с изобретением предусмотрено устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии. При этом учитывается выявленное обстоятельство, заключающееся в том, что температура цилиндра для рекуперации энергии или газа, имеющегося в нем, имеет решающее значение для работы оборудования. Таким образом, в соответствии с изобретением обеспечивается возможность регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии. Таким образом, можно избежать неблагоприятных ситуаций, связанных с температурой, или исправить их.
Может быть предусмотрено то, что устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии будет обеспечивать нагрев цилиндра для рекуперации энергии. Таким образом, в частности, например, при низкой температуре окружающей среды температура цилиндра для рекуперации энергии может быть доведена до определенной рабочей температуры. Нагрев цилиндра для рекуперации энергии может быть осуществлен разными способами.
В частности, может быть предусмотрен нагревательный элемент, посредством которого осуществляется нагрев цилиндра для рекуперации энергии. Нагревательный элемент может быть расположен рядом с цилиндром для рекуперации энергии, в частности, рядом с рубашкой цилиндра. Нагревательный элемент предпочтительно представляет собой электрический нагревательный элемент.
Кроме того, нагрев может быть осуществлен посредством теплообменника. В частности, данный теплообменник представляет собой теплообменник, который ниже будет описан подробно. Теплообменник предпочтительно соединен с контуром нагрева. В частности, в контуре нагрева предусмотрен нагревательный элемент, предназначенный для нагрева текучей среды в контуре нагрева, в особенности электрический нагревательный элемент.
Нагрев также может быть осуществлен посредством фрикционного элемента. В частности, фрикционный элемент согласно изобретению обеспечивает увеличение трения во время перемещения цилиндра для рекуперации энергии. В частности, фрикционный элемент обеспечивает тепловыделение при трении между фрикционным элементом и штоком цилиндра, предусмотренным в цилиндре для рекуперации энергии, когда шток цилиндра перемещается относительно рубашки цилиндра. Фрикционный элемент предпочтительно предусмотрен с приводным элементом и, таким образом, может быть приведен в действие. В частности, регулирование давления на поверхности контакта фрикционного элемента предпочтительно может обеспечиваться посредством приводного элемента.
Кроме того, может быть предусмотрено то, что устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии будет обеспечивать охлаждение цилиндра для рекуперации энергии. В частности, тем самым можно обеспечить противодействие неконтролируемому нагреву цилиндра для рекуперации энергии во время работы.
Охлаждение предпочтительно выполняется посредством теплообменника. Данный теплообменник предпочтительно выполнен с конфигурацией, описанной выше.
Регулирование температуры цилиндра для рекуперации энергии в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно осуществляется посредством избирательного приведения в действие устройства, предназначенного для регулирования температуры, посредством управляющего устройства. Особенно предпочтительно, если устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии приводится в действие в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра оборудования.
Кроме того, датчик температуры предпочтительно предусмотрен в соответствии с изобретением, при этом приведение в действие устройства для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии осуществляется в зависимости от сигнала датчика температуры. В частности, подобный датчик температуры предпочтительно обеспечивает контроль температуры цилиндра для рекуперации энергии.
В соответствии с предпочтительным аспектом настоящего изобретения датчик температуры измеряет температуру цилиндра для рекуперации энергии и/или температуру газа в камере, наполненной газом, и/или температуру охлаждающей текучей среды. Это обеспечивает контроль или регулирование температуры цилиндра для рекуперации энергии или температуры газа в наполненной газом камере цилиндра для рекуперации энергии. В качестве альтернативного варианта или дополнительно датчик температуры также может измерять температуру наружного воздуха. Это также обеспечивает эффективное приведение в действие устройства, предназначенного для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии.
Оборудование может включать в себя управляющее устройство, посредством которого устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии приводится в действие таким образом, что цилиндр для рекуперации энергии нагревается до температуры, которая ниже первой пороговой температуры. В качестве альтернативного варианта или дополнительно может быть предусмотрено то, что устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии будет приводиться в действие посредством управляющего устройства таким образом, что цилиндр для рекуперации энергии будет охлаждаться до температуры, которая выше второй пороговой температуры.
Кроме того, в качестве альтернативного варианта или дополнительно может быть предусмотрено то, что цилиндр для рекуперации энергии не будет подвергаться никакому охлаждению и/или нагреву в пределах некоторого интервала температур. За счет выключения устройства для регулирования температуры в определенном интервале температур потребление энергии для регулирования температуры может быть сохранено на как можно более низком уровне.
В соответствии с изобретением цилиндр для рекуперации энергии может содержать теплообменник, который соединен с контуром охлаждения, по которому протекает охлаждающая текучая среда. В зависимости от его конфигурации контур охлаждения может быть использован для охлаждения и/или для нагрева цилиндра для рекуперации энергии.
Контур охлаждения предпочтительно включает в себя охлаждающее устройство, предназначенное для охлаждения охлаждающей текучей среды. В качестве альтернативного варианта или дополнительно может быть предусмотрено то, что контур охлаждения будет включать в себя нагревательное устройство, предназначенное для нагрева охлаждающей текучей среды. Кроме того, может быть предусмотрено то, что контур охлаждения будет включать в себя насос для обеспечения циркуляции охлаждающей текучей среды. Таким образом, посредством приведения в действие насоса, охлаждающего устройства и/или нагревательного устройства охлаждение и/или нагрев цилиндра для рекуперации энергии могут быть осуществлены в соответствии с изобретением.
Приведение в действие устройства, предназначенного для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии, необязательно должно служить только для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии, но оно также может служить для регулирования температуры дополнительных компонентов оборудования.
Контур охлаждения, предназначенный для цилиндра для рекуперации энергии, предпочтительно соединен с контуром охлаждения, предусмотренным в дополнительном компоненте оборудования. В частности, контур охлаждения представляет собой контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания и/или гидравлической системы оборудования. Двигатели внутреннего сгорания и/или гидравлические системы обычно уже включают в себя контур охлаждения. Подобный контур обычно работает на основе циркуляции охлаждающей жидкости.
За счет соединения цилиндра для рекуперации энергии с контуром охлаждения, предусмотренным в дополнительном компоненте оборудования, даже две проблемы могут быть решены чрезвычайно недорогим и простым образом. Контур охлаждения в компоненте обычно уже имеет постоянную температуру. В результате цилиндр для рекуперации энергии может быть нагрет до определенной рабочей температуры в начале работы.
Второй момент связан с охлаждением цилиндра для рекуперации энергии посредством контура охлаждения. Тем самым может быть предотвращена ситуация, при которой существует возможность чрезмерного повышения температуры и, таким образом, приведения в действие существующих предохранительных клапанов сброса давления, которые выполнены подобно взрывным предохранителям. Однако в альтернативном варианте для охлаждения цилиндра для рекуперации энергии также может быть выбрано отдельное охлаждающее устройство, и контур охлаждения, предусмотренный в дополнительном элементе оборудования, может быть использован только для нагрева.
В частности, гарантируется то, что в цилиндре всегда будет одно и то же рабочее давление и что рабочее давление в цилиндре будет колебаться только в пределах заданного интервала. В результате обеспечивается то, что цилиндр для рекуперации энергии всегда будет иметь постоянную или схожую кривую зависимости усилия от рабочего хода независимо от температуры наружного воздуха или режима работы.
Само собой разумеется, обе проблемы могут быть решены не только посредством соединения теплообменника цилиндра для рекуперации энергии с контуром охлаждения, предусмотренным в уже существующем компоненте оборудования, но и также посредством независимого воздействия на температуру цилиндра для рекуперации энергии и/или только временного соединения с подобным контуром охлаждения.
В частности, может быть предусмотрено устройство в контуре циркуляции, которое обеспечивает соединение теплообменника цилиндра для рекуперации энергии с контуром охлаждения, предусмотренным в уже существующем компоненте оборудования, и отсоединение указанного теплообменника от данного контура в зависимости от рабочего параметра, в частности в зависимости от сигнала температуры. В частности, при управлении работой контура циркуляции могут использоваться пороговые температуры, как было указано выше.
Помимо оборудования в соответствии с изобретением, настоящее изобретение, кроме того, включает в себя способ работы подобного оборудования. В частности, посредством данного способа обеспечивается повышение и/или понижение температуры цилиндра для рекуперации энергии. В зависимости от варианта осуществления способа согласно изобретению также может быть осуществлено только повышение или только понижение температуры цилиндра для рекуперации энергии. Повышение и/или понижение температуры цилиндра для рекуперации энергии предпочтительно осуществляются в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра.
Способ предпочтительно реализуют так, как уже было описано выше в отношении оборудования.
Помимо оборудования и способа, настоящее изобретение, кроме того, включает в себя соответствующий цилиндр для рекуперации энергии. Данный цилиндр для рекуперации энергии предпочтительно включает в себя устройство для регулирования температуры или выполнен с возможностью соединения с подобным устройством.
Кроме того, настоящее изобретение включает в себя соответствующее устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии.
Кроме того, настоящее изобретение включает в себя комплект из цилиндра для рекуперации энергии и устройства, предназначенного для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии.
Независимо от описанного выше оборудования или цилиндра для рекуперации энергии с устройством для регулирования температуры, настоящее изобретение, кроме того, включает в себя оборудование, в особенности передвижное оборудование, в частности экскаватор или машину для погрузки, разгрузки и транспортировки материалов, с элементом, выполненным подвижным посредством по меньшей мере одного рабочего привода, при этом предусмотрен по меньшей мере один цилиндр для рекуперации энергии, который предназначен для рекуперации энергии движения подвижного элемента и который включает в себя камеру, заполненную газом. В соответствии с изобретением в данном случае предусмотрено, что цилиндр для рекуперации энергии включает в себя теплообменник.
Авторы настоящего изобретения в настоящее время установили, что температура газа в наполненной газом камере цилиндра для рекуперации энергии оказывает большое влияние на функционирование цилиндра для рекуперации энергии и, следовательно, на функционирование оборудования. В частности, характеристическая кривая зависимости усилия от хода для цилиндра для рекуперации энергии изменяется в зависимости от температуры газа. Посредством теплообменника колебания температуры газа и/или слишком высокие, и/или слишком низкие температуры газа в цилиндре для рекуперации энергии могут быть уменьшены или предотвращены.
В частности, было установлено, что газ в наполненной газом камере может нагреваться вследствие работы. В результате могут быть достигнуты нежелательно высокие температуры. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения цилиндр для рекуперации энергии в соответствии с изобретением снабжен теплообменником, посредством которого цилиндр для рекуперации энергии и/или газ в наполненной газом камере могут быть охлаждены или охлаждаются.
Кроме того, также при слишком низких температурах газа (например, при низких температурах наружного воздуха) может быть получена неблагоприятная характеристическая кривая или слишком малое усилие, развиваемое цилиндром для рекуперации энергии. Следовательно, в дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения цилиндр для рекуперации энергии в соответствии с изобретением снабжен теплообменником, посредством которого цилиндр для рекуперации энергии и/или газ в камере, наполненной газом, могут быть нагреты.
Таким образом, ситуации, связанные с температурой и неблагоприятные для работы оборудования, могут быть устранены или по меньшей мере могут быть исправлены.
Предпочтительно предусмотрено то, что теплообменник окружает рубашку цилиндра для рекуперации энергии. Это обеспечивает большую поверхность для теплообмена. Кроме того, при этом отсутствует необходимость «вмешательства» во внутреннюю конструкцию цилиндра для рекуперации энергии.
Настоящее изобретение предпочтительно используется в цилиндре для рекуперации энергии, который с его нижней стороны наполнен газом. Следовательно, газ, находящийся в наполненной газом камере, находится в непосредственном контакте с рубашкой цилиндра, так что размещение теплообменника рядом с рубашкой цилиндра является особенно предпочтительным.
Теплообменник предпочтительно окружает более 50% наружной поверхности рубашки цилиндра. Более предпочтительно, если теплообменник окружает более 70%, и еще более предпочтительно - более 90% наружной поверхности рубашки цилиндра. Это обеспечивает особенно хорошую теплопередачу.
Теплообменные элементы теплообменника могут быть расположены непосредственно на рубашке теплообменника. Однако в альтернативном варианте осуществления теплообменник содержит трубку цилиндра, которая с обеспечением теплопроводности размещена на наружной поверхности рубашки цилиндра для рекуперации энергии. Это позволяет упростить изготовление теплообменника, который может быть надет на цилиндр для рекуперации энергии как автономный элемент.
В зависимости от его конструкции теплообменник в соответствии с изобретением может быть использован для активного или также только для пассивного охлаждения или нагрева цилиндра для рекуперации энергии.
В первом варианте осуществления оборудования в соответствии с изобретением теплообменник включает в себя охлаждающие ребра, которые могут обтекаться наружным воздухом. Это обеспечивает эффективное охлаждение цилиндра для рекуперации энергии наружным воздухом. В частности, охлаждающие ребра обеспечивают увеличение площади поверхности цилиндра для рекуперации энергии.
Охлаждающие ребра предпочтительно выступают от рубашки цилиндра для рекуперации энергии или от трубки теплообменника наружу. Охлаждающие ребра могут проходить, например, в радиальном направлении, в продольном направлении или по спирали.
Тем не менее в дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения теплообменник может иметь проточное пространство, через которое проходит охлаждающая текучая среда. В частности, проточное пространство включает в себя впускной канал и выпускной канал, посредством которых теплообменник может быть соединен соответственно с контуром охлаждения и с контуром нагрева. Для этого в проточном пространстве, в частности, предусмотрены соединительные элементы, посредством которых могут быть подсоединены шланги для перемещения охлаждающей текучей среды.
Может быть предусмотрено то, что теплообменник будет включать в себя наружную трубку, которая образует наружную стенку проточного пространства. В частности, проточное пространство может быть образовано между наружной поверхностью рубашки цилиндра для рекуперации энергии и наружной трубкой. В альтернативном варианте осуществления, в котором теплообменник содержит трубку цилиндра, которая расположена на наружной поверхности рубашки цилиндра с обеспечением теплопроводности, проточное пространство также может быть образовано между данной трубкой цилиндра и наружной трубкой.
Кроме того, в соответствии с изобретением может быть предусмотрено то, что проточное пространство будет окружать по спирали рубашку цилиндра. Таким образом, может быть обеспечен особенно равномерный поток охлаждающей текучей среды через проточное пространство. Спиральное проточное пространство может быть образовано посредством трубопровода, который направлен по спирали соответственно вокруг рубашки цилиндра и трубки цилиндра. В альтернативном варианте между наружной трубкой и рубашкой цилиндра или трубкой цилиндра также может быть предусмотрена спиральная соединительная конструкция, посредством которой проточное пространство будет разделено по спирали. Спиральная соединительная конструкция может быть размещена на рубашке цилиндра или на трубке цилиндра. В частности, соединительная конструкция может быть заделана в материал рубашки цилиндра или трубки цилиндра. В качестве альтернативного варианта или дополнительно спиральная соединительная конструкция также может быть размещена на наружной трубке, в частности, она может быть заделана в материал наружной трубки.
Теплообменник в соответствии с изобретением может служить для охлаждения цилиндра для рекуперации энергии или газа, имеющегося в данном цилиндре. Следовательно, теплообменник предпочтительно соединен с контуром охлаждения, предусмотренным в оборудовании.
Кроме того, теплообменник может служить для нагрева цилиндра для рекуперации энергии. Следовательно, теплообменник предпочтительно соединен с контуром нагрева, предусмотренным в оборудовании. В частности, это осуществляется так, как подробно описано выше в отношении устройства, предназначенного для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии.
В частности, теплообменник может быть соединен с комбинированным контуром охлаждения и нагрева, предусмотренным в оборудовании.
Помимо оборудования, настоящее изобретение, кроме того, включает в себя цилиндр для рекуперации энергии, предназначенный для оборудования, подобного описанному выше. Цилиндр для рекуперации энергии в соответствии с изобретением, в частности, содержит теплообменник. Цилиндр для рекуперации энергии предпочтительно имеет конструкцию, подобную описанной выше.
Особо предпочтительные применения настоящего изобретения далее будут кратко описаны еще раз.
Оборудование в соответствии с изобретением представляет собой в особенности передвижное оборудование, в частности экскаватор или машину для погрузки, разгрузки и транспортировки материалов.
Данное оборудование включает в себя элемент, выполненный подвижным посредством по меньшей мере одного рабочего привода, при этом предусмотрен по меньшей мере один цилиндр для рекуперации энергии, который предназначен для рекуперации энергии движения подвижного элемента. В качестве рабочего привода может быть использован, в частности, рабочий гидравлический цилиндр.
Цилиндр для рекуперации энергии с наполненной газом камерой сам служит в качестве накопителя энергии, предназначенного для рекуперации энергии движения подвижного элемента. Пространство, образованное нижней частью цилиндра для рекуперации энергии, предпочтительно заполнено газом под давлением, который сжимается во время перемещения поршневого штока к нижней части. В этом случае накопленная энергии будет снова доступна во время перемещения вверх поршневого штока для поддержания работы рабочего привода, в частности рабочего гидравлического цилиндра. Кроме того, предпочтительно, чтобы поршневой шток цилиндра для рекуперации энергии был полым и был открыт по направлению к нижней части, так что внутренняя часть поршневого штока образует часть камеры, наполненной газом.
Подвижный элемент оборудования в соответствии с изобретением предпочтительно прикреплен к оборудованию с возможностью поворота вокруг вертикальной оси поворота и может поворачиваться в вертикальной плоскости поворота посредством одного или нескольких рабочих приводов. В частности, подвижный элемент представляет собой стрелу экскаватора или стрелу машины для погрузки и разгрузки материалов. Кроме того, передвижное оборудование предпочтительно включает в себя ходовую тележку с ходовым механизмом и верхние салазки, установленные на ходовой тележке с возможностью поворота вокруг вертикальной оси поворота, к которой шарнирно присоединен подвижный элемент.
На подвижном элементе может быть установлен рабочий инструмент, например лопата или черпак. При опускании подвижного элемента потенциальная энергия подвижного элемента или рабочего инструмента накапливается посредством цилиндра для рекуперации энергии для того, чтобы по меньшей мере частично компенсировать массу оборудования снова во время перемещения подвижного элемента вверх. В результате меньше энергии должно затрачиваться посредством рабочего привода для перемещения подвижного элемента вверх. В результате энергетический баланс оборудования улучшается, поскольку требуется меньшая установленная мощность двигателя, и уменьшается потребление топлива.
Подобно одному или нескольким рабочим гидравлическим цилиндрам, цилиндр для рекуперации энергии в соответствии с изобретением предпочтительно расположен между верхними салазками оборудования и подвижным элементом. Таким образом, во время перемещения подвижного элемента цилиндр для рекуперации энергии перемещается одновременно с рабочим гидравлическим цилиндром.
Далее настоящее изобретение будет разъяснено подробно со ссылкой на приведенные в качестве примера варианты осуществления и чертежи.
На чертежах:
фиг.1 показывает приведенный в качестве примера вариант осуществления оборудования в соответствии с изобретением с двумя рабочими гидравлическими цилиндрами и одним цилиндром для рекуперации энергии;
фиг.2а показывает схематическое изображение первого варианта цилиндра для рекуперации энергии в соответствии с изобретением;
фиг.2b показывает схематическое изображение второго варианта цилиндра для рекуперации энергии в соответствии с изобретением;
фиг.3 показывает приведенный в качестве примера вариант осуществления цилиндра для рекуперации энергии в соответствии с изобретением с теплообменником, который включает в себя проточное пространство, через которое может проходить охлаждающая текучая среда;
фиг.4а-4d показывают сечения четырех вариантов теплообменника, подобного показанному на фиг.3, при этом теплообменник размещен непосредственно на рубашке цилиндра для рекуперации энергии;
фиг.5а-5d показывают сечения четырех вариантов цилиндра для рекуперации энергии с теплообменником, подобного показанному на фиг.3, при этом теплообменник содержит трубку цилиндра, расположенную на рубашке цилиндра для рекуперации энергии;
фиг.6а-6с показывают три разновидности приведенного в качестве примера варианта осуществления цилиндра для рекуперации энергии, выполненного с охлаждающими ребрами;
фиг.7 показывает приведенный в качестве примера вариант осуществления устройства в соответствии с изобретением, предназначенного для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии, при этом обеспечивается только охлаждение;
фиг.8а-8с показывают три разновидности приведенного в качестве примера варианта осуществления, предназначенного для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии, при этом показаны разные варианты нагревательного устройства;
фиг.9 показывает дополнительный приведенный в качестве примера вариант осуществления устройства в соответствии с изобретением, предназначенного для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии, в двух разновидностях.
Сначала со ссылкой на фиг.1 и 2 будет в целом показан приведенный в качестве примера вариант осуществления оборудования с цилиндром для рекуперации энергии, в котором может быть применено настоящее изобретение.
Оборудование содержит подвижный элемент 2, который шарнирно присоединен к сварной конструкции 4 оборудования через посредство проходящей горизонтально оси 5 поворота. Оборудование представляет собой гидравлический экскаватор, в котором подвижный элемент 2 смонтирован вокруг стрелы экскаватора, которая шарнирно присоединена к верхним салазкам экскаватора. Сами верхние салазки присоединены к ходовой тележке с шасси с возможностью поворота вокруг вертикальной оси поворота.
Для перемещения подвижного элемента 2 предусмотрены два рабочих гидравлических цилиндра 1, которые посредством соответствующих точек сочленения шарнирно присоединены к подвижному элементу 2 и к сварной конструкции 4 верхних салазок. Кроме того, предусмотрен приведенный в качестве примера вариант осуществления цилиндра 3 для рекуперации энергии в соответствии с изобретением, который, подобно рабочим гидравлическим цилиндрам 1, расположен между подвижным элементом 2 и верхними салазками оборудования 4 и служит для рекуперации энергии движения подвижного элемента. Цилиндр 3 для рекуперации энергии расположен между двумя рабочими гидравлическими цилиндрами 1.
На подвижном элементе 2, в данном случае на стреле экскаватора, обычно расположено рабочее оборудование, например лопата экскаватора. В данном случае при опускании подвижного элемента 2 потенциальная энергия подвижного элемента и рабочего оборудования должна рекуперироваться (восстанавливаться) и накапливаться, чтобы по меньшей мере частично компенсировать статические усилия, которые в противном случае воздействовали бы на рабочие гидравлические цилиндры вследствие веса подвижного элемента и рабочего оборудования во время перемещения подвижного элемента вверх, и, таким образом, уменьшить количество энергии, которое необходимо будет подавать посредством рабочих гидравлических цилиндров 1. Для этого гидравлический цилиндр в соответствии с изобретением предпочтительно включает в себя камеру, наполненную газом. При опускании подвижного элемента газ, находящийся в наполненной газом камере цилиндра для рекуперации энергии, сжимается, в то время как он расширяется при подъеме подвижного элемента и тем самым обеспечивает поддержание работы рабочих гидравлических цилиндров 1. Для этого цилиндр для рекуперации энергии в соответствии с изобретением предпочтительно наполнен газом с его нижней стороны и, кроме того, предпочтительно включает в себя полый поршневой шток, открытый по направлению к нижней стороне.
Далее рассматриваются фиг.2а и 2b, которые показывают схематические изображения двух вариантов цилиндра 3 для рекуперации энергии. Оба приведенных в качестве примера варианта осуществления включают цилиндр 10, в котором поршневой шток 11 смонтирован с возможностью перемещения в аксиальном направлении. Поршневой шток 11 имеет форму полого цилиндра, так что во внутренней части поршневого штока 11 образована полость 13, которая открыта по направлению к нижней части 12 цилиндра. Нижняя часть 12 цилиндра 3 для рекуперации энергии и полость 13 во внутренней части поршневого штока 11 образуют когерентную камеру, которая наполнена газом под давлением. Во время перемещения поршневого штока 11 в цилиндре 10 размер нижней части 12 изменяется, так что при полностью втянутом поршневом штоке 11 объем, заполненный газом, по существу соответствует полости 13 во внутренней части полого поршневого штока, в то время как при полностью выдвинутом поршневом штоке он соответствует сумме объема данной полости 13 и объема цилиндра 10.
Цилиндр для рекуперации энергии включает в себя точку 15 опоры с нижней стороны и точку 16 опору со стороны поршневого штока, посредством которых он шарнирно присоединен к оборудованию и подвижному элементу. Цилиндр для рекуперации энергии шарнирно присоединен между подвижным элементом и оборудованием так, что поршневой шток 11 перемещается вниз к днищу цилиндра для рекуперации энергии под действием веса подвижного элемента и рабочего оборудования, так что газ сжимается с уменьшением объема. Благодаря конструкции цилиндра для рекуперации энергии в соответствии с изобретением, выполненного с полым поршневым штоком 11, достаточный объем газа также имеется при втянутом цилиндре для обеспечения пологого увеличения давления при опускании рабочего оборудования. С другой стороны, во время перемещения подвижного элемента вверх часть веса «опирается» на объем газа в цилиндре для рекуперации энергии, так что рабочие гидравлические цилиндры больше не должны обеспечивать приложение полной статической нагрузки.
Цилиндр для рекуперации энергии включает в себя наполнительный клапан 17, предназначенный для наполнения камеры газом, и клапан 18 ограничения давления, предназначенный для ограничения давления газа. В первом приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.2а, наполнительный клапан 17 и клапан 18 ограничения давления расположены со стороны нижней части. Однако во втором приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.2b, наполнительный клапан 17 и клапан 18 ограничения давления расположены со стороны поршневого штока.
Цилиндры для рекуперации энергии, показанные на фиг.2а и 2b, представляют собой двусторонние гидравлические цилиндры, так что образуется кольцевое пространство 14, которое может быть соединено с гидравлической системой оборудования посредством канала 12. Нижняя часть также может включать в себя канал, посредством которого она может быть соединена с гидравлической системой оборудования.
Как показано на фиг.2b, объем газа в цилиндре для рекуперации энергии можно изменять посредством подачи масла в цилиндр для рекуперации энергии или выпуска масла из цилиндра для рекуперации энергии. Следовательно, во втором приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.2b, предусмотрен канал 20 для подачи масла, посредством которого нижнее пространство цилиндра для рекуперации энергии может быть соединено с гидравлической системой оборудования.
Авторы настоящего изобретения установили, что при работе цилиндра для рекуперации энергии тепло выделяется за счет сжатия газа, вследствие чего цилиндр для рекуперации энергии может нагреваться неконтролируемым образом. Кроме того, характеристическая кривая для цилиндра для рекуперации энергии изменяется в зависимости от температуры газа в камере, наполненной газом.
Следовательно, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения разработан цилиндр для рекуперации энергии с теплообменником. Теплообменник предпочтительно обеспечивает по меньшей мере охлаждение цилиндра для рекуперации энергии. Охлаждение может осуществляться активно или пассивно. Тем не менее в качестве альтернативного варианта или дополнительно теплообменник может также служить для нагрева цилиндра для рекуперации энергии.
Первый приведенный в качестве примера вариант осуществления подобного цилиндра для рекуперации энергии показан на фиг.3. Цилиндр для рекуперации энергии включает в себя теплообменник 30 с проточным пространством, которое может быть соединено с контуром охлаждения и через которое может проходить охлаждающая текучая среда. Для этого теплообменник 30 включает в себя каналы 31 и 32, посредством которых он может быть соединен с контуром охлаждения, в частности посредством гибких трубопроводов.
Теплообменник 30 расположен на рубашке 10 цилиндра для рекуперации энергии и в приведенном в качестве примера варианте осуществления по существу проходит вдоль всей длины рубашки цилиндра для того, чтобы, таким образом, обеспечить как можно лучшую теплопередачу между газом во внутреннем пространстве цилиндра для рекуперации энергии и охлаждающей текучей средой.
Фиг.4а-4d показывают четыре варианта подобного теплообменника, в которых теплообменник расположен непосредственно на рубашке 10 цилиндра. На фиг.4а-4с рубашка 10 цилиндра для рекуперации энергии образует граничную стенку проточного пространства теплообменника. Предусмотрена наружная трубка 35, которая надета на рубашку 10 цилиндра и образует наружную стенку проточного пространства цилиндра для рекуперации энергии.
В приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.4а, простая цилиндрическая гильза 35 предусмотрена в качестве наружной трубки, которая расположена непосредственно на рубашке 10 цилиндра, так что проточное пространство образовано в виде полого цилиндрического пространства между рубашкой 10 цилиндра и наружной трубкой 35.
В приведенных в качестве примера вариантах осуществления, показанных на фиг.4b и 4с, проточное пространство 41, с другой стороны, проходит по спирали вокруг цилиндра для рекуперации энергии. Таким образом, обеспечивается более равномерное распределение тепла в проточном пространстве. Для этого в проточном пространстве может быть предусмотрена спираль, которая разделяет проточное пространство с образованием спирального канала.
На фиг.4b спиральное проточное пространство 41 образовано за счет того, что рубашка 10 цилиндра включает в себя спираль 36, которая образует спиральное проточное пространство 41. В приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.4с, это реализовано посредством наружной трубки 35, которая включает в себя спираль 37.
Следовательно, проточное пространство 41 образовано посредством спирали или соответствующих спиральных углублений в рубашке 10 цилиндра или в наружной трубке 35, которые расположены соответственно между спиралями 36 и 37. Данные углубления могут быть образованы в материале соответственно рубашки 10 цилиндра и наружной трубки 35. В альтернативном варианте спираль также может быть размещена в виде отдельного элемента между рубашкой 10 цилиндра и наружной трубкой 35.
С другой стороны, на фиг.4d теплообменник включает в себя трубчатый элемент 38, который намотан по спирали вокруг цилиндра для рекуперации энергии и, таким образом, обеспечивает образование проточного пространства.
В приведенных в качестве примера вариантах осуществления, показанных на фиг.4а-4d, и наружная трубка 35, и трубчатый элемент 38 расположены непосредственно на рубашке 10 цилиндра. С другой стороны, в приведенных в качестве примера вариантах осуществления, показанных на фиг.5а-5d, предусмотрена трубка цилиндра 45, которая расположена непосредственно на рубашке 10 цилиндра с обеспечением теплопроводности. На фиг.5а-5d данная трубка цилиндра 45 выполняет ту же функцию, что и рубашка 10 цилиндра в приведенных в качестве примера вариантах осуществления по фиг.4а-4d. Благодаря трубке цилиндра теплообменник образует отдельный функциональный элемент, который может быть насажен на цилиндр для рекуперации энергии как одно целое. В других отношениях конструкция теплообменников на фиг.5а-5d соответствует конструкции, показанной на фиг.4а-4d.
Фиг.6а-6с показывают три варианта теплообменника, который базируется на принципе воздушного охлаждения. Для этого теплообменник включает в себя охлаждающие ребра 50, 51, 52, которые обтекает наружный воздух и которые, таким образом, обеспечивают отвод тепла от цилиндра для рекуперации энергии. Охлаждающие ребра расположены на рубашке 10 цилиндра. Однако в данном случае таким же образом, как уже описано выше, на рубашке 10 цилиндра может быть размещена дополнительная трубка цилиндра, на которой расположены охлаждающие ребра.
В зависимости от конструкции охлаждающие ребра могут быть выполнены с разной формой. Цель состоит в обеспечении большой площади поверхности и хорошего обтекания охлаждающих ребер.
В приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.6а, выполнены радиальные охлаждающие ребра 50, которые, как может видеть в сечении вдоль продольной оси цилиндра для рекуперации энергии, проходят в плоскостях, вертикальных по отношению к продольной оси цилиндра для рекуперации энергии, и вокруг цилиндра для рекуперации энергии.
С другой стороны, в приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.6b, выполнены охлаждающие ребра 51, которые проходят в продольном направлении цилиндра для рекуперации энергии. Это становится особенно понятным из сечения, вертикального по отношению к продольной оси цилиндра для рекуперации энергии, которое показано справа.
С другой стороны, в приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.6с, показаны спиральные охлаждающие ребра, которые проходят по спирали вокруг цилиндра для рекуперации энергии.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения разработано устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии. Устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии может служить для охлаждения цилиндра для рекуперации энергии. В качестве альтернативного варианта или дополнительно устройство также может служить для нагрева цилиндра для рекуперации энергии.
Устройство предпочтительно служит для регулирования рабочей температуры цилиндра для рекуперации энергии или газа, находящегося в нем. Регулирование температуры предпочтительно осуществляется в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра оборудования, который вводится в качестве входной величины в управляющее устройство для приведения в действие устройства, предназначенного для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии.
Кроме того, предпочтительно предусмотрен датчик температуры, при этом приведение в действие устройства для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии осуществляется в зависимости от сигнала датчика температуры.
Устройство для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии предпочтительно содержит теплообменник с проточным пространством, подобный описанному выше. В частности, когда устройство используется для охлаждения цилиндра для рекуперации энергии, подобный теплообменник обеспечивает соединение цилиндра для рекуперации энергии с контуром охлаждения.
Далее, фиг.7 показывает подобный приведенный в качестве примера вариант осуществления устройства для регулирования температуры цилиндра 3 для рекуперации энергии. Цилиндр 3 для рекуперации энергии включает в себя теплообменник 30 с проточным пространством, который соединен с контуром 65 охлаждения соответственно посредством впускного канала и выпускного канала 31 и 32. Нагнетание охлаждающей текучей среды через контур 65 охлаждения осуществляется посредством насоса 66. В контуре 65 охлаждения расположено охлаждающее устройство 60, посредством которого может быть охлаждена охлаждающая текучая среда. Охлаждающее устройство 60 содержит дополнительный теплообменник 61 и вентилятор 62, посредством которого осуществляется охлаждение теплообменника 61.
Таким образом, в данном приведенном в качестве примера варианте осуществления охлаждающая текучая среда проходит через наружный теплообменник 61 посредством циркуляционного насоса 66. В данном теплообменнике 61 текучая среда охлаждается посредством вентилятора, соединенного последовательно, и снова закачивается в контур охлаждения. Таким образом, избыточное тепло, которое выделяется во время работы цилиндра 3 для рекуперации энергии, может быть рассеяно. Приведение в действие контура охлаждения и его компонентов предпочтительно осуществляется посредством управляющего устройства. Данное приведение в действие предпочтительно осуществляется в зависимости от рабочего параметра, в частности в зависимости от сигнала датчика температуры.
В приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.7, активный нагрев цилиндра для рекуперации энергии невозможен. Однако в любом случае цилиндр для рекуперации энергии нагревается во время работы вследствие сжатия газа.
Тем не менее на фиг.8а-8с показаны три варианта устройства для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии, которые обеспечивают активный нагрев цилиндра для рекуперации энергии. В приведенных в качестве примера вариантах осуществления данные устройства, предназначенные для нагрева цилиндра для рекуперации энергии, показаны в комбинации с устройством для охлаждения цилиндра для рекуперации энергии. Тем не менее устройства для нагрева цилиндра для рекуперации энергии также могут быть предусмотрены сами по себе и без устройства для охлаждения. В частности, устройство для нагрева цилиндра для рекуперации энергии может быть использовано в холодных регионах или в том случае, когда устройство приводится в действие электрически.
В конструкции, показанной на фиг.8а, нагрев цилиндра для рекуперации энергии осуществляется за счет того, что нагревательный элемент 70, предназначенный для нагрева охлаждающей текучей среды, встроен в контур охлаждения, показанный на фиг.7. Следовательно, контур охлаждения служит в качестве нагревательного контура для цилиндра для рекуперации энергии. Соответственно, нагрев цилиндра для рекуперации энергии осуществляется в соответствии с принципом нагрева в стационарных условиях. В данном случае охлаждающая текучая среда в контуре охлаждения нагревается посредством электронагревательной спирали в нагревательном элементе 70 и прокачивается через теплообменник 30 посредством циркуляционного насоса 66. Данная концепция также может быть реализована без активного охлаждения за счет того, что исключено охлаждающее устройство 60.
Однако в приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.8b, предусмотрен нагревательный элемент, расположенный непосредственно на цилиндре 3 для рекуперации энергии. В частности, может быть предусмотрен электронагревательный мат, который расположен вокруг цилиндра для рекуперации энергии.
Тем не менее в приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.8с, нагрев цилиндра для рекуперации энергии осуществляется посредством фрикционных элементов 72, которые могут быть поданы к штоку 11 цилиндра, будучи управляемыми посредством приводного элемента 75, и, таким образом, могут избирательно создавать трение для нагрева цилиндра для рекуперации энергии. Нагревательные устройства, показанные на фиг.8b и 8с, также могут быть использованы или в комбинации с охлаждающим устройством, или независимо.
Питание цилиндра для рекуперации энергии необязательно должно осуществляться посредством отдельного контура охлаждения. Напротив, в особо предпочтительном варианте осуществления цилиндр для рекуперации энергии соединен с контуром охлаждения, предусмотренным в дополнительном компоненте оборудования, в частности с контуром охлаждения, предусмотренным в двигателе внутреннего сгорания или в гидравлической системе оборудования.
Охлаждающая текучая среда может постоянно проходить через теплообменник из контура охлаждения, предусмотренного в оборудовании, или теплообменник может соединяться с указанным контуром охлаждения под управлением устройства в контуре. Охлаждающая текучая среда из контура охлаждения, предусмотренного в оборудовании, всегда имеет постоянную температуру. Таким образом, две проблемы решаются одновременно. В начале рабочего цикла контур охлаждения может обеспечить доведение температуры цилиндра для рекуперации энергии до постоянной рабочей температуры. Таким образом, гарантируется то, что в цилиндре всегда будет одно и то же рабочее давление. В результате будет обеспечено то, что цилиндр с газом всегда будет характеризоваться постоянной кривой зависимости усилия от рабочего хода независимо от температуры наружного воздуха. Второй момент связан с охлаждением цилиндра для рекуперации энергии. Таким образом, может быть предотвращена ситуация, при которой температура цилиндра для рекуперации энергии чрезмерно повышается и взрывные предохранители приводятся в действие.
Температура цилиндра для рекуперации энергии предпочтительно регулируется посредством управляющего устройства и, кроме того, предпочтительно регулируется посредством сигнала датчика температуры. Фиг.9 показывает приведенный в качестве примера вариант осуществления подобной системы. На цилиндре для рекуперации энергии предусмотрен датчик 95 температуры, который измеряет температуру газа в камере, наполненной газом. В альтернативном варианте датчик температуры также может измерять температуру цилиндра для рекуперации энергии или температуру охлаждающей текучей среды.
В данном случае устройство, предназначенное для регулирования температуры цилиндра для рекуперации энергии, приводится в действие посредством управляющего устройства в зависимости от температуры, определенной датчиком 95 температуры. В частности, в зависимости от температуры устройство для нагрева и/или устройство для охлаждения цилиндра для рекуперации энергии включается или выключается.
В предпочтительном варианте устройство для регулирования температуры работает таким образом, что цилиндр с газом функционирует в заданном интервале температур газа, границы которого определяются минимальной и максимальной рабочими температурами. Это означает, что при температурах, которые ниже минимальной рабочей температуры, температура газа доводится до минимальной рабочей температуры посредством контура 80 в двигателе или внешнего источника. Когда минимальная рабочая температура будет достигнута, осуществляется выключение нагревательного контура и цилиндр с газом теперь будет работать автономно. При превышении максимальной рабочей температуры приводится в действие контур охлаждения. В данном случае, например, охлаждающая жидкость можетпрокачиваться через теплообменник только в контуре циркуляции без охлаждающего устройства. В альтернативном варианте может быть предусмотрен дополнительный охладитель с вентилятором, посредством которого охлаждается охлаждающая жидкость.
Интервал рабочих температур предпочтительно выбран таким, что схема управления нагревом и охлаждением требуется только в незначительной степени. В данном случае основная цель заключается в том, чтобы поддерживать потребление энергии для регулирования температуры на как можно более низком уровне. В данном случае, например, рабочий интервал от 25°С до 40°С может быть выбран в качестве интервала температур.
В приведенном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.9, предусмотрен переключающий клапан 85 для приведения в действие контура охлаждения, посредством чего теплообменник 30 может быть попеременно соединен с устройством 80 для нагрева и с устройством 60 для охлаждения. В приведенном в качестве примера варианте осуществления устройство 80 представляет собой контур охлаждения, предусмотренный в дополнительном элементе оборудования, в частности экскаватора, который в данном случае выполняет функцию нагрева цилиндра для рекуперации энергии. В альтернативном варианте может быть использован отдельный источник тепла. Для охлаждения предусмотрен отдельный контур охлаждения с охлаждающим элементом 60 и циркуляционным насосом 66, при этом контур охлаждения предпочтительно имеет мощность, превышающую один киловатт, предпочтительно превышающую три киловатта и еще более предпочтительно составляющую приблизительно 5 киловатт.
Приведение в действие, разъясненное выше, осуществляется таким образом, что при температурах ниже минимальной рабочей температуры обеспечивается соединение теплообменника с источником 80 тепла, а при температурах выше максимальной рабочей температуры обеспечивается соединение теплообменника с контуром охлаждения. В интервале между минимальной и максимальной рабочими температурами контур охлаждения может быть соединен с охлаждающим устройством 60 без приведения в действие охлаждающего устройства.
В альтернативном случае в качестве варианта может быть выбрано устройство управления контуром, обозначенное ссылочной позицией 90 на фиг.9, посредством которого теплообменник цилиндра для рекуперации энергии может быть отсоединен как от нагревательного устройства 80, так и от охлаждающего устройства 60.
Соответствующее приведение в действие, само собой разумеется, также может быть осуществлено в приведенных в качестве примера вариантах осуществления, показанных на фиг.8, посредством соответствующего включения и выключения соответственно нагревательного устройства и охлаждающего устройства.
В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения обеспечивается работа цилиндра для рекуперации энергии при довольно постоянной рабочей температуре. С одной стороны, таким образом, в соответствии с изобретением может быть предотвращена ситуация, когда цилиндр с газом нагревается неопределенным образом. Кроме того, газ может быть нагрет при необходимости, так что оборудование может работать при довольно постоянной характеристической кривой зависимости усилия от рабочего хода, обеспечиваемой цилиндром для рекуперации энергии.