РАБОЧЕЕ УСТРОЙСТВО
IMPLEMENT

Настоящее изобретение относится к рабочему устройству, имеющему элемент, выполненный подвижным посредством по меньшей мере одного рабочего цилиндра, при этом предусмотрен по меньшей мере один цилиндр рекуперации энергии, предназначенный для рекуперации энергии перемещения подвижного элемента и имеющий камеру, наполненную газом. Настоящее изобретение, в этом отношении, в частности, относится к подвижному рабочему устройству, в частности, к экскаватору или машине для погрузки, разгрузки и транспортировки материала.
Камера в цилиндре рекуперации энергии, наполненная газом, сжимается при опускании подвижного элемента в таких рабочих устройствах и, таким образом, сохраняет потенциальную энергию для того, чтобы тратить ее снова при перемещении вверх подвижного элемента для поддержания рабочего гидроцилиндра.
Рабочее устройство известно из DE 102008034582 A1, в котором камера цилиндра рекуперации энергии, наполненная газом, образована стороной основания цилиндра рекуперации энергии, наполненной газом, и полым штоком поршня цилиндра рекуперации энергии. В этом отношении, предусмотрен впускной клапан для наполнения камеры, наполняемой газом, и предусмотрен выпускной клапан, с помощью которого газ может вытекать при превышении настоящего предела давления для избегания разрушения цилиндра.
Задача настоящего изобретения заключается в улучшении функционирования известного рабочего устройства, имеющего цилиндр рекуперации энергии, в частности, в отношении длительного использования и энергетической эффективности.
Эта задача решается согласно изобретению рабочим устройством по пункту 1 формулы изобретения. Это рабочее устройство согласно изобретению включает подвижный элемент, который может перемещаться посредством по меньшей мере одного рабочего гидроцилиндра. Более того, предусмотрен по меньшей мере один цилиндр рекуперации энергии для рекуперации энергии перемещения подвижного элемента. Цилиндр рекуперации энергии в этом отношении включает камеру, наполненную газом. Согласно изобретению обеспечено, что камера, наполненная газом, находится в функциональной связи с накопителем давления, который противодействует увеличению давления в камере, наполненной газом, начиная, по меньшей мере, с максимального давления.
Авторы настоящего изобретения обнаружили в экспериментах с цилиндрами рекуперации энергии, имеющими камеру, наполненную газом, что в камере, наполненной газом, может возникать нежелательно высокое увеличение давления, в частности, при быстрых перемещениях и высоком сжатии. Согласно изобретению, настоящее изобретение противодействует этому за счет того, что камера, наполненная газом, установлена в функциональной связи с дополнительным накопителем давления. Последний противодействует нежелательному увеличению давления в камере, наполненной газом, начиная, по меньшей мере, с максимального давления в камере, наполненной газом.
Накопитель давления с этой целью предпочтительно имеет заданное рабочее давление, которое определяет максимальное давление. Если накопитель давления и камера, наполненная газом, непосредственно связаны друг с другом, в частности, рабочее давление накопителя давления соответствует максимальному давлению, начиная с которого накопитель давления противодействует дополнительному увеличению давления в камере, наполненной газом.
Накопитель давления в этом отношении предпочтительным образом не имеет какого-либо влияния на давление в камере, наполненной газом, которое ниже максимального давления. Накопитель давления, в этом отношении, в частности, не расширяется дополнительно при падении давления в камере, наполненной газом, которое ниже максимального давления.
Альтернативно или дополнительно может быть обеспечено, что накопитель давления имеет характеристику, отличающуюся от камеры, наполненной газом. В этом отношении, в частности, может быть предусмотрено, что накопитель давления имеет меньшее влияние на давление в камере, наполненной газом, которое ниже максимального давления, чем на давление в камере, наполненной газом, которое выше максимального давления. Таким образом, накопитель давления больше противодействует дополнительному увеличению давления камеры, наполненной газом, которое выше упомянутого максимального давления, чем которое ниже.
Настоящее изобретение, в частности, может быть использовано в таких рабочих устройствах, в которых для камеры, наполненной газом, предусмотрен клапан сброса давления. В этом отношении, максимальное давление предпочтительно ниже запускающего давления клапана сброса давления. Таким образом, накопителем давления может быть предотвращен выпуск газа из камеры, наполненной газом, через клапан сброса давления при кратковременном превышении максимального давления.
Накопитель давления согласно изобретению, в этом отношении, в частности, выравнивает пики давления, которые могут возникать во время сжатия камеры, наполненной газом. Таким образом, утечка газа в камере, наполненной газом, больше не возникает благодаря накопителю давления согласно изобретению. Более того, энергия также больше не теряется.
Максимальное давление согласно изобретению предпочтительно выше давлений, которые имеются в статическом рабочем устройстве и при максимальной нагрузке подвижного элемента в камере, наполненной газом. Далее, накопитель давления выполнен с возможностью выравнивания только динамических пиков давления при быстрых перемещениях и/или при по существу полном сжатии камеры, наполненной газом.
Далее, различные варианты выполнения накопителя давления или функциональной связи с камерой, наполненной газом, будут рассмотрены более подробно.
В этом отношении, в частности, настоящее изобретение может быть использовано в цилиндре рекуперации энергии, который наполнен газом на стороне основания и имеет полый шток поршня. В этом отношении, накопитель давления может быть присоединен либо к такому цилиндру рекуперации энергии, либо интегрирован в такой цилиндр рекуперации энергии.
В варианте выполнения настоящего изобретения, в этом отношении, поршень установлен с возможностью смещения в полом штоке поршня цилиндра рекуперации энергии, при этом сторона основания, наполненная газом, находится в функциональной связи с накопителем давления за счет этого поршня.
Функциональная связь между накопителем давления и камерой, наполненной газом, в этом отношении, может иметь место либо непосредственно, либо опосредованно. Опосредованная связь может иметь место, например, посредством гидравлической связи между камерой, наполненной газом, и накопителем гидравлического давления.
В первом варианте выполнения накопитель давления находится в сообщении по текучей среде с камерой, наполненной газом, по линии (трубопроводу). В частности, здесь используется внешний накопитель давления, который размещен снаружи цилиндра рекуперации энергии. В предпочтительном варианте выполнения, в этом отношении, накопитель давления может быть размещен на цилиндре рекуперации энергии. Альтернативно, накопитель давления также может быть объединен с цилиндром рекуперации энергии.
Область внутри полого штока поршня, отделенного от стороны основания поршнем, может, например, находиться в гидравлической связи с накопителем энергии. В этом предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, однако, область внутри полого штока поршня, отделенная от стороны основания поршнем, наполнена газом. Таким образом, в частности, весь накопитель давления размещен внутри полого штока поршня.
Предпочтительным образом накопитель давления согласно изобретению имеет рабочее давление и не продолжает расширяться, когда оно опускается, и, таким образом, больше не имеет какого-либо влияния на давление в камере, наполненной газом. В частности, это может иметь место, когда поршень поршневой камеры останавливается упором в положении, которое соответствует рабочему давлению.
Дополнительно предпочтительным образом накопитель давления постоянно находится в функциональной связи с камерой, наполненной газом, по меньшей мере, во время рабочего режима рабочего устройства. Тем самым, может быть обеспечено надежное преодоление пиков давления. Таким образом, в частности, может быть предотвращена активация защиты от разрушения при возникновении коротких пиков давления. В этом отношении, в частности, накопитель давления находится в функциональной связи с камерой, наполненной газом, без промежуточного размещения элементов управления. В частности, может быть обеспечено, что газ из камеры, наполненной газом, действует непосредственно на подвижную поверхность накопителя давления.
Предпочтительным образом накопитель давления согласно изобретению выполнен в виде газовой камеры. Дополнительно предпочтительно, в этом отношении, она имеет впускной клапан для впуска газа. Более того, накопитель давления также может иметь клапан сброса давления во избежание разрушения накопителя давления. В этом отношении, запускающее давление клапана сброса давления накопителя давления предпочтительно больше запускающего давления клапана сброса давления, обеспеченного для камеры, наполненной газом.
Если накопитель давления интегрирован в цилиндр рекуперации энергии, как было представлено выше, предпочтительно со стороны основания предусмотрен впускной клапан и клапан сброса давления для стороны основания, заполненной газом. Дополнительно, предпочтительным образом впускной клапан и/или клапан сброса давления предпочтительно предусмотрен(ы) для области внутри полого штока поршня, отделенного от стороны основания поршнем.
В дополнение к рабочему устройству, более того, настоящее изобретение включает цилиндр рекуперации энергии для рабочего устройства, которое описано выше. В этом отношении, в частности, цилиндр рекуперации энергии согласно изобретению имеет камеру, которая наполнена газом и которая находится в функциональной связи с накопителем давления так, что увеличение давления в камере, наполненной газом, по меньшей мере, уменьшается посредством накопителя давления, начиная с максимального давления.
В этом отношении, в частности, цилиндр рекуперации энергии согласно изобретению имеет сторону основания, наполненную газом, и полый шток поршня. В этом отношении, цилиндр рекуперации энергии предпочтительно выполнен, как было описано выше.
Далее будут кратко описаны особенно предпочтительные возможности использования настоящего изобретения.
Рабочее устройство согласно изобретению является, в частности, подвижным рабочим устройством, в частности, экскаватором или машиной для погрузки, разгрузки и транспортировки материалов.
Оно имеет элемент, подвижный посредством по меньшей мере одного рабочего гидроцилиндра, при этом предусмотрен по меньшей мере один цилиндр рекуперации энергии, предназначенный для рекуперации энергии перемещения подвижного элемента.
В этом отношении, цилиндр рекуперации энергии с камерой, наполненной газом, служит в качестве накопителя энергии для восстановления энергии перемещения подвижного элемента. В этом отношении, пространство, образованное стороной основания гидроцилиндра рекуперации энергии, предпочтительно наполнено сжатым газом, который сжимается при перемещении штока поршня к основанию. Энергия, сохраненная в этом процессе, далее снова может быть использована при перемещении вверх штока поршня для поддержания рабочего гидроцилиндра. Дополнительно, предпочтительным образом шток поршня цилиндра рекуперации энергии является полым и открытым по направлению к стороне основания так, что внутренняя область штока поршня образует часть камеры, наполненной газом.
Подвижный элемент рабочего устройства согласно изобретению предпочтительно шарнирно соединен с рабочим устройством, поворотным вокруг вертикальной оси поворота, и является поворотным в вертикальной плоскости поворота за счет рабочего(их) гидроцилиндра(ов). В этом отношении, в частности, подвижный элемент представляет собой рычаг экскаватора или стрелу машины для погрузки, разгрузки и транспортировки материалов. Дополнительно предпочтительно, в этом отношении, мобильное рабочее устройство имеет ходовую часть с ходовым механизмом и верхнюю часть конструкции, размещенную с возможностью поворота вокруг вертикальной оси поворота на ней, к которой подвижный элемент шарнирно присоединен.
В этом отношении, местоположение рабочего оборудования, например ковша или захвата, может быть расположено на подвижном элементе. При опускании подвижного элемента потенциальная энергия подвижного элемента и местоположение рабочего оборудования сохраняются за счет гидроцилиндра рекуперации энергии для того, чтобы снова, по меньшей мере, частично компенсировать вес оборудования при перемещении вверх подвижного элемента. Тем самым необходимо затрачивать меньше энергии за счет рабочего гидроцилиндра, чтобы перемещать подвижный элемент вверх. Баланс энергии рабочего устройства тем самым улучшается, так как требуется меньше установленной мощности двигателя, при этом снижается расход топлива.
Таким образом, в этом отношении, гидроцилиндр рекуперации энергии согласно изобретению предпочтительно размещен как рабочий гидроцилиндр или цилиндры между верхней частью конструкции рабочего устройства и подвижным элементом. Таким образом, гидроцилиндр рекуперации энергии перемещается одновременно с рабочим гидроцилиндром при перемещении подвижного элемента.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на варианты выполнения и чертежи.
Фиг.1 показывает вариант выполнения рабочего устройства согласно изобретению с двумя рабочими гидроцилиндрами и с одним гидроцилиндром рекуперации энергии;
фиг.2а показывает схематическое изображение первого варианта цилиндра рекуперации энергии согласно изобретению;
фиг.2b показывает схематическое изображение второго варианта цилиндра рекуперации энергии согласно изобретению;
фиг.3 показывает первый вариант выполнения цилиндра рекуперации энергии согласно изобретению с внешним накопителем давления; и
фиг.4 показывает второй вариант выполнения цилиндра рекуперации энергии согласно изобретению с внешним накопителем давления.
Вариант выполнения рабочего устройства, имеющего цилиндр рекуперации энергии, в котором может быть использовано настоящее изобретение, далее сначала будет описан в общем со ссылкой на фиг.1 и 2.
В этом отношении, рабочее устройство включает подвижный элемент 2, который шарнирно соединен за счет горизонтальной оси 5 со сварной конструкцией 4 рабочего устройства. В этом отношении, рабочее устройство представляет собой гидравлический экскаватор, подвижный элемент 2 представляет собой стрелу экскаватора, которая шарнирно присоединена к верхней части конструкции экскаватора. В этом отношении, сама верхняя часть конструкции присоединена с возможностью вращения вокруг вертикальной оси вращения к ходовой части рамой.
В этом отношении, для перемещения подвижного элемента 2 предусмотрено два рабочих гидроцилиндра 1, которые шарнирно соединены за счет соответствующих точек шарнирного соединения с подвижным элементом 2, а также со сварной конструкцией 4 верхней части конструкции. Более того, предусмотрен вариант выполнения цилиндра 3 рекуперации энергии согласно изобретению, который, подобно рабочим гидроцилиндрам 1, размещен между подвижным элементом 2 и верхней частью конструкции 4 рабочего устройства и который служит для рекуперации энергии перемещения подвижного элемента. В этом отношении, цилиндр 3 рекуперации энергии размещен между двумя рабочими гидравлическими цилиндрами 1.
В этом отношении, рабочий инструмент, например ковш экскаватора, размещен на подвижном элементе 2, в этом случае стрела экскаватора. При опускании подвижного элемента 2 потенциальная энергия подвижного элемента, а также рабочего инструмента далее будет рекуперироваться (восстанавливаться) и сохраняться для, по меньшей мере, частичной компенсации статических сил, которые иначе будут вызывать напряжение на рабочих гидроцилиндрах за счет веса подвижного элемента и рабочего инструмента при перемещении вверх подвижного элемента и таким образом для затраты меньшей энергии посредством рабочего гидроцилиндра 1. С этой целью, гидроцилиндр согласно изобретению предпочтительно имеет камеру, наполненную газом. При опускании подвижного элемента газ в камере цилиндра рекуперации энергии, наполненного газом, сжимается, тогда как при поднятии подвижного элемента он расширяется и таким образом поддерживает рабочий гидроцилиндр 1. С этой целью, цилиндр рекуперации энергии согласно изобретению наполняется газом на стороне основания и, более того, имеет полый шток поршня, открытый по направлению к стороне основания.
Далее, схематические чертежи двух вариантов цилиндра 3 рекуперации энергии показаны на фиг.2а и 2b. Оба варианта выполнения, в этом отношении, имеют цилиндр 10, в котором шток 11 поршня соосно установлен с возможностью смещения. В этом отношении, шток 11 поршня имеет форму полого цилиндра, так что полое пространство 13 образует внутреннюю область штока 11 поршня и открыто по направлению к стороне 12 основания цилиндра. Сторона 12 основания цилиндра 3 рекуперации энергии и полое пространство 13 внутри штока 11 поршня, в этом отношении, образуют соединенную камеру, которая наполняется сжатым газом. При перемещении штока 11 поршня в цилиндре 10 размер стороны 12 основания изменяется так, что объем, наполненный газом, по существу соответствует полому пространству 13 внутри полого штока поршня с полностью вдвинутом штоком 11 поршня и, напротив, соответствует объему этого полого пространства 13 плюс объем цилиндра 10 с полностью выдвинутым штоком поршня.
В этом отношении, цилиндр рекуперации энергии имеет опорную точку 15 на стороне основания и опорную точку 16 на стороне штока поршня, которыми он шарнирно соединен с рабочим устройством и с подвижным элементом. В этом отношении, цилиндр рекуперации энергии шарнирно соединен между подвижным элементом и рабочим устройством, так что шток 11 поршня перемещается вниз по направлению к основанию цилиндра рекуперации энергии под весом подвижного элемента и рабочего инструмента так, что объем газа сжимается. В этом отношении, за счет варианта выполнения согласно изобретению цилиндра рекуперации энергии с полым штоком 11 поршня достаточный объем газа также представлен втянутым цилиндром для позволения небольшого увеличения давления при опускании рабочего инструмента. Наоборот, при перемещении вверх подвижного элемента часть веса возлагается на объем газа в цилиндре рекуперации энергии так, что рабочие гидроцилиндры больше не вынуждены прикладывать полную статическую нагрузку.
Цилиндр рекуперации энергии согласно изобретению имеет впускной клапан 17 для наполнения камеры газом и клапан сброса давления 18 для ограничения давления газа. В этом отношении, в первом варианте выполнения на фиг.2а впускной клапан 17 и клапан сброса давления 18 размещены на стороне основания. Во втором варианте выполнения, показанном на фиг.2b, впускной клапан 17 и клапан сброса давления 18, напротив, размещены на стороне штока поршня.
Цилиндры рекуперации энергии, показанные на фиг.2а и 2b, представляют собой двусторонний гидроцилиндр, при этом предусмотрено кольцевое пространство 14, которое может быть присоединено посредством соединителя 12 с гидравлической системой рабочего устройства. Сторона основания также может иметь соединитель, за счет которого она может быть соединена с гидравлической системой рабочего устройства.
Как показано на фиг.2b, объем газа в цилиндре рекуперации энергии может быть изменен подачей масла или выведением масла из цилиндра рекуперации энергии. С этой целью, соединитель 20 показан во втором варианте выполнения на фиг.2b для подачи масла, за счет которого пространство основания цилиндра рекуперации энергии может быть соединено с гидравлической системой рабочего устройства.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что короткие пики давления, в частности, появляются в цилиндре при быстром втягивании и/или при полном сжатии камеры цилиндра рекуперации энергии, наполненной газом. Эти пики давления возникают только на очень короткое время, но без контрмер могут активировать клапан сброса давления 18, который был установлен в качестве защиты от разрушения. Это, напротив, приведет к утечке газа в пики давления при работе цилиндра рекуперации энергии. В дополнение, тем самым энергия теряется выпуском сжатого газа.
Согласно изобретению, камера, наполненная газом, находится в функциональной связи с накопителем давления, который противодействует увеличению давления в камере, наполненной газом, начиная, по меньшей мере, с максимального давления. Дополнительный накопитель давления согласно изобретению таким образом может преодолевать пики давления и предотвращать активацию клапана сброса давления.
Пики давления, возникающие на очень короткое время во время сжатия, таким образом могут быть преодолены за счет накопителя давления так, что, с одной стороны, газ не утекает из камеры, наполненной газом, и, с другой стороны, энергия пиков давления может быть сохранена и возвращена за счет накопителя давления.
В этом отношении, накопитель давления согласно изобретению имеет рабочее давление, которое больше или равно рабочему давлению в цилиндре с газом. В этом отношении, в частности, это рабочее давление ниже давления, при котором запускается клапан сброса давления 18 камеры, наполненной газом. В этом отношении, рабочее давление накопителя давления, однако, должно быть таким высоким, чтобы несущественно влиять на работу камеры, наполненной газом, в статическом состоянии или только при низких скоростях.
В частности, такой накопитель давления может быть выполнен так, что подвижная поверхность накопителя давления, которыйнаходится в функциональной связи с камерой, наполненной газом, является подвижной только до точки, которая соответствует требуемому максимальному давлению в камере, наполненной газом. Если дополнительный накопитель давления выполнен в виде поршневой камеры, может быть обеспечен упор для поршня, например, который предотвращает дополнительное расширение поршневой камеры при падении ниже максимального давления в камере, наполненной газом. В этом отношении, другие накопители давления также являются возможными при условии, что их характеристики соответственно опускаются ниже максимального давления.
На фиг.3 показан первый вариант выполнения цилиндра рекуперации энергии согласно изобретению. В этом отношении, цилиндр 3 рекуперации энергии может быть выполнен, как было показано выше в отношении фиг.1 и 2. Камера, наполненная газом, внутри цилиндра рекуперации энергии, в этом отношении, находится в функциональной связи посредством трубопровода 31 с внешним накопителем 30 давления. В этом отношении, газ в камере, наполненной газом, в частности, находится в прямом сообщении по текучей среде за счет этого трубопровода 31 изменяющимся объемом внутри накопителя 30 давления. В этом отношении, накопитель 30 давления предпочтительно присоединен к цилиндру рекуперации энергии снаружи.
На фиг.4 показан второй вариант выполнения настоящего изобретения, в котором предусмотрен внутренний накопитель 40 давления. В этом отношении, цилиндр 3 рекуперации энергии, в свою очередь, выполнен, как было уже показано более подробно в отношении фиг.1 и 2а. В этом отношении, в частности, он имеет сторону 12 основания, наполненную газом, и шток 11 поршня, который изготовлен полым. В этом отношении, поршень 41 размещен с возможностью перемещения во внутренней области 13 штока 11 поршня. Область 42 внутри штока 11 поршня, отделенная от стороны 12 основания за счет поршня 41, в этом отношении, также заполнена газом. Внутренний дополнительный накопитель давления тем самым обеспечен с возможностью преодоления пиков давления. В этом отношении, предпочтительно обеспечен упор, посредством которого перемещение поршня 41 в направлении стороны 12 основания ограничено. Тем самым, дополнительный накопитель давления не имеет влияния на условия давления в камере 12, наполненной газом, которое ниже максимального давления, которое соответствует давлению внутри камеры 42 с максимально продолжающимся поршнем 41. Достаточно высокое давление в стороне 12 основания, наполненного газом, тем самым может быть достигнуто при нормальной работе.
Напротив, при превышении максимального значения давления поршень 41 смещается, и в цилиндре рекуперации энергии с газом, тем самым, возникает больший объем пространства. Кривая увеличения давления выравнивается за счет этого увеличения объема, и реакция клапана сброса давления предотвращается.
В этом отношении, клапан сброса давления 18 предпочтительно размещен на стороне основания, как показано на фиг.2а. Дополнительно, предпочтительным образом, как показано на фиг.2а, предусмотрен впускной клапан для наполнения стороны основания.
Дополнительно, предпочтительным образом второй клапан сброса давления, более того, предусмотрен на стороне поршня, и/или предусмотрен второй впускной клапан для камеры 42 накопителя 40 давления. Они могут быть размещены, как показано на фиг.2b. Таким образом, рабочее давление накопителя 40 давления может быть установлено установкой количества газа в камере 42.
Таким образом, досрочное освобождение защиты от разрушения за счет коротких пиков давления может быть предотвращено простым образом с помощью настоящего изобретения. Тем самым улучшаются длительная работоспособность цилиндра рекуперации энергии и баланс энергии.
Настоящее изобретение было показано в вариантах выполнения со ссылкой на рабочее устройство, в котором подвижный элемент шарнирно соединен с горизонтальной осью, при этом и рабочий цилиндр, и цилиндр рекуперации энергии размещены на подвижном элементе.
Однако цилиндр рекуперации энергии согласно изобретению также может предпочтительно быть использован в любых других требуемых рабочих устройствах, в которых энергия должна быть восстановлена от перемещения подвижного элемента.