DE102016003390A1 - Vorrichtung zur Rückgewinnung hydraulischer Energie bei einem Arbeitsgerät und ein entsprechendes Arbeitsgerät - Google Patents

Vorrichtung zur Rückgewinnung hydraulischer Energie bei einem Arbeitsgerät und ein entsprechendes Arbeitsgerät Download PDF

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DE102016003390A1
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Frank Helbling
Thomas Landmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung hydraulischer Energie bei einem Arbeitsgeräte mit einer Mooring Pumpe zum Betrieb als Pumpe oder als Motor, mit einem Hochdruckspeicher sowie mit einer Drossel-Differentialschaltung zum Verbinden der Bodenseite eines Arbeitszylinders mit der Stangenseite des Arbeitszylinders des Arbeitsgeräts sowie ein entsprechendes Arbeitsgerät.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung hydraulischer Energie bei einem Arbeitsgerät und ein entsprechendes Arbeitsgerät selbst.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Rückgewinnung hydraulischer Energie von Arbeitsmaschinen ist es bisher bekannt, Arbeitspumpen zu nutzen, die sowohl einen Ausleger des Arbeitsgeräts als auch ein Drehwerk des Arbeitsgeräts mit Hydraulikfluid versorgen. Dabei ist es zur Rückgewinnung von hydraulischer Energie bekannt, eigene Hochdruckspeicher für den Ausleger und getrennt davon für das Drehwerk oder Druckspeicher mit unterschiedlichen Arbeitsdrücken bereitzustellen. Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist, dass dabei separate Stellglieder und ein separates Management bzw. eine separate Regelung/Steuerung zum Austausch der Energie zwischen den getrennten Druckspeichern erforderlich sind. Nachteilig kann auch sein, dass zur Rekuperation von Energie keine Differentialschaltung an den entsprechenden Aktoren vorgesehen ist, so dass zwingend die Nutzung einer Pumpe zur Durchführung der Rekuperation erforderlich ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, die einfacher im Aufbau ist als die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und die flexibler und effizienter als diese genutzt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Rückgewinnung hydraulischer Energie bei einem Arbeitsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Arbeitsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Demnach ist eine Vorrichtung mit einer Mooring Pumpe vorgesehen, welche als Pumpe oder als Motor genutzt werde kann, mit einem Hochdruckspeicher sowie mit einer Drossel-Differentialschaltung zum Verbindung der Bodenseite eines Arbeitszylinders mit der Stangenseite des Arbeitszylinders des Arbeitsgeräts, wobei beim Senken eines Auslegers des Arbeitsgeräts die aus dem Arbeitszylinder fließende Hydraulikflüssigkeit in drei Bereiche fließt, wobei im ersten Bereich die Mooring Pumpe im Motorbetrieb arbeitet und weitere Verbrauche antreibt, wobei im zweiten Bereiche der Hochdruckspeicher Druckenergie speichert und wobei im dritten Bereich die aus der Bodenseite oder der Stangenseite des Arbeitszylinders strömende Hydraulikflüssigkeit wenigstens teilweise die jeweils andere Seite des Arbeitszylinders befüllt.
  • Mit der Seite des Arbeitszylinders ist dabei entweder die Stangen- oder die Bodenseite des Arbeitszylinders gemeint. Mit den weiteren Verbrauchern können alle sonstigen Verbraucher eines Arbeitsgeräts gemeint sein. Vorteilhaft wird durch den genannten Aufbau der Vorrichtung sichergestellt, dass ein einziger Hochdruckspeicher als gemeinsamer Speicher für ein Drehwerk und den Ausleger bzw. deren Aktuatoren genutzt werden kann. Das Drehwerk kann dabei über die Speicherenergie des Hochdruckspeichers und/oder von einer Drehwerkspumpe angetrieben werden. Beim Abbremsen eines Oberwagens des Arbeitsgeräts wie beispielsweise eines Baggeroberwagens kann Bremsenergie von einem Drehwerksmotor bzw. -antrieb, der beim Abbremsen als Pumpe arbeitet, zum Hochdruckspeicher geleitet werden.
  • Da die Arbeitspumpe als Mooring Pumpe ausgebildet ist und damit auch als Energierekuperationspumpe fungieren kann ist weiterhin vorteilhaft kein Bauraum für eine ansonsten erforderliche zusätzliche Pumpe notwendig. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt ferner eine einfache Variante der Rückgewinnung hydraulischer Energie dar, welche eine Hybridisierung eines Arbeitsgeräts ohne entsprechende Rückgewinnungsvorrichtung ermöglicht, wobei die Oberwagen-Baustruktur des Arbeitsgeräts nicht wesentlich verändert werden muss und eine entsprechende Nachrüstung umstandslos möglich ist. Auch bedeutet die erfindungsgemäße Anordnung der Vorrichtung, dass eine im Vergleich zum Stand der Technik nur geringe Anzahl von Ventilen zur Rückgewinnung der Energie erforderlich ist.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Arbeitszylinder ein Auslegerzylinder des Auslegers des Arbeitsgeräts ist. Damit kann beim Absenken des Auslegers von einer erhöhten Position in eine niedrigere Position insbesondere auch bei beladenem Ausleger ein möglichst großer Betrag potenzieller Energie über die Energierückgewinnungsvorrichtung rekuperiert werden. Dies ist dadurch bedingt, dass bei Arbeitsgeräten häufig im Bereich des Auslegers und der von diesem bewegten Lasten der größte Energieeinsatz erfolgt und damit auch die größten Mengen an Energie rekuperiert werden können.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Drossel-Differentialschaltung eine Drossel zwischen der Bodenseite und der Stangenseite des Arbeitszylinders umfasst. Hierdurch kann vorteilhaft das Druckniveau zur direkten Befüllung des Hochdruckspeichers angehoben werden, wobei die Bodenseite des Zylinders mit der Stangenseite des Zylinders über die Differentialschaltung verbunden werden kann. Um Überdruck an der Zylinderbodenseite zu verhindern, kann die Verbindung von der Boden- zur Stangenseite abgedrosselt werden. Gleichzeitig wird durch diese Lösung die Ölmenge, welche zum Speicher bzw. zum Hochdruckspeicher oder zur Pumpe bzw. Mooring Pumpe fließt um ca. die Hälfte reduziert.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Hydraulikflüssigkeit im dritten Bereich von der Bodenseite in die Stangenseite strömt und in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Mooring Pumpe im offenen Kreislauf arbeitet. Weiterhin ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel denkbar, dass die Hydraulikflüssigkeit in einen, zwei oder drei der Bereiche gleichzeitig oder parallel fließt. Die Energierückgewinnung kann auf diese Art in Abhängigkeit von der anfallenden rückzugewinnenden Energie und des Energieverbrauchs an anderen Verbrauchern flexibel eingestellt werden.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass eine hydraulische Drehwerkspumpe zum Antreiben eines Drehwerks des Arbeitsgeräts vorgesehen ist. Durch eine derartige separate Pumpe zum Antreiben des Drehwerks kann der Ausleger des Arbeitsgeräts geboostet werden auch wenn noch weitere Parallelbewegungen beispielsweise des Drehwerks stattfinden. Ebenfalls kann der Hochdruckspeicher geladen werden, während gleichzeitig andere Bewegungen wie beispielsweise Bewegungen des Drehwerks parallel gesteuert werden ohne diese Bewegungen zu stören.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass Speicherenergie des Hochdruckspeichers über die Drehwerkspumpe an andere Pumpen und/oder an einen Dieselmotor übertragbar ist. Allgemein kann die im Hochdruckspeicher gespeicherte Energie im Ausleger und in einem Drehwerk des Arbeitsgeräts zum Antreiben entsprechender als Motor betriebener Pumpen genutzt werden. Hierbei kann die Drehwerkspumpe entsprechend vorteilhaft als Motor wirken und entsprechende Aggregate des Dieselmotors oder direkt andere Pumpen des Arbeitsgeräts mit Energie beaufschlagen.
  • Ferne kann vorgesehen sein, dass beim Ausfall der Vorrichtung eine Notfunktion zum Betrieb des Arbeitsgeräts vorgesehen ist.
  • Die Erfindung richtet sich auch auf ein Arbeitsgerät insbesondere auf einen Hydraulikbagger, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind Anhand der Figuren aufgezeigt. Dabei zeigen:
  • 1: Schematische Darstellungen bei der eine Drehwerkspumpe im geschlossenen Kreislauf betrieben ist;
  • 2: Schematische Darstellungen bei der eine Drehwerkspumpe im offenen Kreislauf als Mooring Pumpe betrieben ist; und
  • 3: Schematische Darstellungen bei der eine Drehwerkspumpe im offenen Kreislauf als Standard-Pumpe betrieben ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird beim Senken des Auslegers eines Arbeitsgeräts die potenzielle Energie des Auslegers in Form eines entsprechend druckbeaufschlagten Ölstroms durch die an drei Stellen bzw. Bereichen erfolgende Drei-Wege-Rekuperation verwertet. Dieses ist den Ausführungsformen der drei Figuren gleich. Die Vorrichtung der 2 unterscheidet sich von den beiden anderen Vorrichtungen, dass hierbei die Hydraulik des Arbeitsgeräts beim Arbeiten ohne Drehwerk (z. B. Graben eines Baggers ohne Nutzung eines Drehwerks) in drei unabhängigen Kreisläufen betrieben werden kann. Die Vorrichtung der 3 unterscheidet sich von den beiden anderen Vorrichtungen, indem die Drehwerkspumpe eine Standard-Pumpe ist. Dies ist einfacher zu betreiben und kostengünstiger als eine Drehwerkspumpe im geschlossenen Kreislauf oder eine Mooring Pumpe, hat aber den Nachteil, dass sie nur als Pumpe genutzt werden kann.
  • Anhand von 1 soll nun das genauere Funktionieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert werden.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der der Ölstrom von der Bodenseite eines Arbeitszylinders 100 über die Steuerachse 10 zur Stangenseite des Arbeitszylinders 100 geleitet wird. Das überschüssige Öl wird in die Pumpenleitung 60 eingespeist. Die Einspeisung auf der Stangenseite führt zur Druckerhöhung auf der Bodenseite, welche der direkten Speicherbefüllung des Hochdruckspeichers 40 dienlich ist. Um Überdruck auf der Bodenseite zu verhindern, kann die Verbindung zur Stangenseite in der Steuerachse 10 gedrosselt werden. Die Steuerung hierzu kann elektronisch erfolgen. Es ergibt sich somit eine Energierekuperation in der Stangenseite des Arbeitszylinders 100 durch die beschriebene Drossel-Differentialschaltung.
  • Eine Energierekuperation kann erfindungsgemäß auch durch direkte Befüllung des Hochdruckspeichers 40 erfolgen. Dabei kann über die Ventilachse 30 ein Teilölstrom aus der Pumpenleitung 60 direkt zur Speicherbefüllung des Hochdruckspeichers 40 abgezweigt werden.
  • Die Energierekuperation kann erfindungsgemäß auch über die Mooring Pumpe 21 erfolgen, wobei der gesamte oder ein Teil des Ölstroms aus der Pumpenleitung 60 die Mooring Pumpe 21 antreibt, welche zu diesem Zeitpunkt als Motor arbeitet. Die dabei frei werdende Energie wird über ein Getriebe an andere Pumpen und/oder an einen Dieselmotor des Arbeitsgeräts weitergegeben, wo sie entsprechend weiter zum Antrieb anderer Verbraucher, zur Befüllung von Speichern oder zur Kompensation einer Schlepplast verwertet wird. Die Ansteuerung der Standard-Auslegerachse 11 ermöglicht einen Boost beim Senken oder einen Normalbetrieb bei einem Ausfall des erfindungsgemäßen Rekuperationssystems. Im Boost wird der Ölstrom von der Bodenseite des Arbeitszylinders 100 über die Steuerachse 11 zum Tank geleitet. Der Ausleger ist im freien Fall. Im Normalbetrieb dient die Steuerachse 11 zur Steuerung der Hubzylinder. Der Ölstrom wird aus der Pumpenleitung 60 über die Steuerachse 11 zum Hubzylinder geleitet und der rückführende Ölstrom aus dem Hubzylinder wird über die Steuerachse 11 zum Tank geleitet.
  • Die Ansteuerung der Standard-Auslegerachse 11 ermöglicht einen Boost beim Senken oder einen Normalbetrieb bei einem Ausfall des erfindungsgemäßen Rekuperationssystems. Die Mooring Pumpe 21 arbeitet im normalen Pumpenbetrieb, wenn der Ausleger nicht gesenkt wird. Ein Algorithmus kann je nach Druck am Hubzylinder bzw. am Arbeitszylinder und nach gewünschter Senkgeschwindigkeit des Auslegers den Weg der Rekuperation bestimmen bzw. bestimmen, in welche Bereiche die Hydraulikflüssigkeit zur Durchführung einer Rekuperation geleitet wird. Es können dabei mehrere oder auch alle drei Wege bzw. Bereiche gleichzeitig gewählt werden.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ihren drei unterschiedlichen Rekuperationsbereichen ist, dass nur ein einziger Hochdruckspeicher 40 genutzt werden muss bzw. kann und keine verlustreiche Energieübertragung zwischen unterschiedlichen Speichern erfolgen muss. Die Hochdruckspeicherung kann auch zu jedem Zeitpunkt erfolgen und bedingt durch die separate Drehwerkspumpe 22, 25 auch parallel zu anderen Arbeits- oder Drehwerksbewegungen durchgeführt werden. Die Arbeitspumpe bzw. Mooring Pumpe 21 kann dabei alle Verbraucher und insbesondere den Ausleger, den Stiel oder auch den Fahrantrieb des Arbeitsgeräts versorgen. Die Drehwerkspumpe 22, 25 kann dabei als Mooring Pumpe 21 ausgebildet sein.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei besonders effizient, da der Ölfluss bei der Drei-Wege-Rekuperation in drei Wege geteilt werden kann. Der Ölfluss kann dabei zur Mooring Pumpe 21, zum Hochdruckspeicher 40 und zur Stangenseite des Arbeitszylinders 100 fließen. Der komplette Ölstrom muss nicht durch die Pumpe fließen, sodass die zur Rekuperation erforderlichen Komponenten, insbesondere die Pumpe bzw. Mooring Pumpe 21, kleiner bzw. kompakter und preisgünstiger dimensioniert werden können und dadurch geringere Druckverluste in der Vorrichtung entstehen. Durch die in drei unabhängigen hydraulischen Kreisläufen ausgebildeten Bereiche zur Rekuperation ist eine Druckanpassung bei der Rekuperation entbehrlich, wodurch keine Druckverluste in Kaufgenommen werden müssen.
  • Insgesamt ergeben sich die Vorteile, dass der Hochdruckspeicher 40 geladen werden kann, auch wenn andere Bewegungen des Arbeitsgeräts parallel gesteuert sind. Diese Bewegungen werden dabei durch das Laden des Hochdruckspeichers 40 nicht beeinflusst. Ferner kann der Ausleger über einen Standard-Kolben beschleunigt werden. Auch kann das Arbeitsgerät, welches insbesondere als Bagger ausgebildet sein kann, bei Funktionsstörungen des Rekuperationssystems weiter betrieben werden, da das dargestellte Rekuperationssystem eine Add-On-Lösung darstellt.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Rückgewinnung hydraulischer Energie bei einem Arbeitsgerät mit einer Mooring Pumpe (21) zum Betrieb als Pumpe oder als Motor, mit einem Hochdruckspeicher (40) sowie mit einer Drossel-Differentialschaltung zum Verbinden der Bodenseite eines Arbeitszylinders (100) mit der Stangenseite des Arbeitszylinders (100) des Arbeitsgeräts, wobei beim Senken eines Auslegers des Arbeitsgeräts die aus dem Arbeitszylinder (100) fließende Hydraulikflüssigkeit in drei Bereiche fließt, wobei im ersten Bereich die Mooring Pumpe (21) im Motorbetrieb arbeitet und weitere Verbraucher antreibt, wobei im zweiten Bereich der Hochdruckspeicher (40) Druckenergie speichert und wobei im dritten Bereich die aus der Bodenseite oder der Stangenseite des Arbeitszylinders (100) strömende Hydraulikflüssigkeit wenigstens teilweise die jeweils andere Seite des Arbeitszylinders (100) befüllt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (100) ein Auslegerzylinder des Auslegers des Arbeitsgeräts ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel-Differentialschaltung eine Drossel zwischen der Bodenseite und der Stangenseite des Arbeitszylinders (100) umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikflüssigkeit im dritten Bereich von der Bodenseite in die Stangenseite des Arbeitszylinders (100) strömt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mooring Pumpe (21) im offenen Kreislauf arbeitet.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikflüssigkeit in einen, zwei oder drei der Bereiche gleichzeitig oder parallel fließt.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Drehwerkspumpe (22, 25) zum Antreiben eines Drehwerks des Arbeitsgeräts vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Speicherenergie des Hochdruckspeichers (40) über die Drehwerkspumpe (22, 25) an andere Pumpen und/oder an einen Dieselmotor übertragbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausfall der Vorrichtung eine Notfunktion zum Betrieb des Arbeitsgeräts vorgesehen ist.
  10. Arbeitsgerät, insbesondere Hydraulikbagger, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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