1.本發(fā)明涉及旋挖鉆機(jī)領(lǐng)域，特別是一種純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

2.目前的純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)基本采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液壓泵來提供動(dòng)力，通過外接電網(wǎng)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵輸出液壓油通向液壓控制閥，由液壓控制閥向馬達(dá)或油缸輸入具有方向、壓力和流量的液壓油，馬達(dá)或油缸驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各項(xiàng)動(dòng)作。此種方案的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)泵組(主泵、輔泵、齒輪泵、先導(dǎo)泵等)，待機(jī)狀態(tài)時(shí)電機(jī)持續(xù)工作以維持各作業(yè)路徑管路的液壓壓力。

3.目前此種純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)存在以下缺點(diǎn)：

4.①

需配置大功率的電機(jī)以滿足不同作業(yè)負(fù)荷變化需求，作業(yè)過程隨負(fù)荷變化不斷調(diào)整工作點(diǎn)，電機(jī)效率差；

②

各作業(yè)部件均通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)傳遞路徑長(zhǎng)，管路損失多，整體傳動(dòng)效率低，造成能耗損耗高；

③

采用外接電纜供電，受不同工地配電柜的功率限制，電纜供電能力受工地場(chǎng)景因素影響大，整機(jī)的打鉆作業(yè)效果適應(yīng)性差；

④

無法實(shí)現(xiàn)能量回收。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本技術(shù)的目的在于提供一種純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)效率低的問題。同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的控制方法。

6.為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，包括：

7.直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器連接作業(yè)電機(jī)，作業(yè)電機(jī)包括主卷?yè)P(yáng)電機(jī)、動(dòng)力頭電機(jī)和主泵電機(jī)；所述直流母線并聯(lián)有兩路供電，一路包括連接有變流器，所述變流器用于通過外接電纜連接配電箱，配電箱用于連接電網(wǎng)；另一路為動(dòng)力電池，動(dòng)力電池連接所述直流母線；

8.其中，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)主卷?yè)P(yáng)；動(dòng)力頭電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)鉆頭；主泵電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)泵組，泵組連接各液壓作業(yè)部件。

9.進(jìn)一步的，所述變流器為車載整流柜，用于將外接電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電。

10.進(jìn)一步的，所述電機(jī)控制器為多合一控制器，或者是獨(dú)立的若干個(gè)電機(jī)控制器，每個(gè)電機(jī)控制器分別連接一個(gè)作業(yè)電機(jī)。

11.進(jìn)一步的，所述作業(yè)電機(jī)還包括回轉(zhuǎn)電機(jī)和行走電機(jī)。

12.進(jìn)一步的，所述每種作業(yè)電機(jī)包括一臺(tái)以上數(shù)量的電機(jī)。

13.進(jìn)一步的，所述主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)包括主卷?yè)P(yáng)電機(jī)、主卷?yè)P(yáng)和制動(dòng)器，所述主卷?yè)P(yáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述主卷?yè)P(yáng)，所述制動(dòng)器設(shè)于所述主卷?yè)P(yáng)電機(jī)和主卷?yè)P(yáng)之間。

14.本發(fā)明還提供一種控制方法，步驟包括：

15.當(dāng)整機(jī)上電正常并接收工作轉(zhuǎn)速指令后，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)執(zhí)行扭矩控制，讀取上次停機(jī)時(shí)的記憶扭矩作為目標(biāo)扭矩；

16.主卷?yè)P(yáng)電機(jī)增加扭矩，當(dāng)扭矩達(dá)到目標(biāo)扭矩后，請(qǐng)求制動(dòng)器打開；若主卷?yè)P(yáng)電機(jī)扭矩?zé)o法增加到目標(biāo)扭矩，且超過設(shè)定扭矩響應(yīng)周期，則電機(jī)停機(jī)；

17.制動(dòng)器打開后，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)正常進(jìn)行工作；

18.工作過程中，當(dāng)接到停機(jī)指令或主卷?yè)P(yáng)異常故障報(bào)警或觸發(fā)緊急制動(dòng)，則存儲(chǔ)此刻主卷?yè)P(yáng)電機(jī)的扭矩值，作為記憶扭矩，并完成制動(dòng)器鎖止。

19.本發(fā)明的有益效果包括：本發(fā)明的純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，適于使用小型電機(jī)，通過小型電機(jī)的組合來滿足作業(yè)需求，各個(gè)電機(jī)工作效率高，節(jié)約能量，避免采用大型電機(jī)導(dǎo)致工作效率低、浪費(fèi)能源的問題。本方面的控制方法基于重物狀態(tài)的判斷，實(shí)現(xiàn)了主卷?yè)P(yáng)的防溜保護(hù)。因此，本發(fā)明提升了電動(dòng)旋挖鉆機(jī)的工況適應(yīng)性、降低了能耗、提升了系統(tǒng)安全性和可靠性。

附圖說明

20.圖1是純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

21.圖2主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

22.圖3主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)安全控制流程圖；

23.其中，1、工地配電箱，2、外接電纜，3、車載整流柜，4、動(dòng)力電池，5、電池管理系統(tǒng)，6、電機(jī)控制器，7、主卷?yè)P(yáng)電機(jī)，8、動(dòng)力頭電機(jī)，9、主泵電機(jī)，10、泵組，11、控制閥組，71、制動(dòng)器，72、卷筒，73、鋼繩，74、桅桿支撐架，75、重物。

具體實(shí)施方式

24.如圖1所示，本發(fā)明的純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，包括直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器6連接作業(yè)電機(jī)，作業(yè)電機(jī)包括主卷?yè)P(yáng)電機(jī)7、動(dòng)力頭電機(jī)8和主泵電機(jī)9。

25.直流母線的電源供給包括兩路，一路是動(dòng)力電池4，動(dòng)力電池4配置有電池管理系統(tǒng)(bms)5，動(dòng)力電池4連接直流母線；另一路是外接市電，市電經(jīng)過配電箱1(設(shè)置在工地上)、車載整流柜(ac/dc)3連接直流母線，用于將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，也可以具備將直流電升壓或降壓的作用。

26.外接電纜2前端與配電箱(ac/ac)1連接，將電網(wǎng)的交流電輸送給后端連接的車載整流柜3，動(dòng)力電池4和電池管理系統(tǒng)5共同組成車載能源供應(yīng)系統(tǒng)，其與車載整流柜3并聯(lián)輸出，連接直流母線，提供電能給電機(jī)控制器6。電機(jī)控制器6為逆變?cè)O(shè)備，用于將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，以供電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)控制器6可以是集成的多合一控制器，也可以是各自獨(dú)立的單個(gè)電機(jī)控制器(例如，每個(gè)電機(jī)分別配置一個(gè)電機(jī)控制器)。

27.其中，主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)如圖2所示，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)7用于驅(qū)動(dòng)主卷?yè)P(yáng)72，主卷?yè)P(yáng)72卷繞有鋼繩73，鋼繩73通過桅桿支撐架74牽引重物75；主卷?yè)P(yáng)72還包括制動(dòng)器71，制動(dòng)器71設(shè)于主卷?yè)P(yáng)電機(jī)7和主卷?yè)P(yáng)72之間，或集成到主卷?yè)P(yáng)72上。

28.其中，動(dòng)力頭電機(jī)8用于驅(qū)動(dòng)鉆頭。

29.其中，主泵系統(tǒng)包括主泵電機(jī)9和泵組10等，主泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵組10，泵組10與控制閥組11連接，控制閥組11與各液壓系統(tǒng)作業(yè)部件相連。通過控制閥組11，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各液壓作業(yè)部件的啟動(dòng)、關(guān)閉和流量調(diào)節(jié)。本實(shí)施例中，動(dòng)力頭、主卷?yè)P(yáng)等屬于主要作業(yè)部件，因此采用獨(dú)立電機(jī)分別直接驅(qū)動(dòng)；而對(duì)于上述液壓作業(yè)部件，屬于不常作業(yè)的部件，因此采用電

機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的方式提供動(dòng)力。

30.其中，作業(yè)電機(jī)除了包含主卷?yè)P(yáng)電機(jī)7、動(dòng)力頭電機(jī)8、主泵電機(jī)9，還可以根據(jù)具體情況增加其他類型的作業(yè)電機(jī)，比如回轉(zhuǎn)電機(jī)、行走電機(jī)等。另外，對(duì)于某種類型的作業(yè)電機(jī)，其可以是單一電機(jī)，也可以包括多個(gè)電機(jī)，也就是說，可以選擇不同電機(jī)數(shù)量及布置方式等。比如，為提升動(dòng)力頭的打鉆效果，采用并列雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭；為保證主卷?yè)P(yáng)的提升和制動(dòng)重物效果，采用串聯(lián)雙電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例中，電機(jī)優(yōu)選為永磁同步電機(jī)。

31.其中，本實(shí)施例中動(dòng)力電池作為車載供電裝置，作為其他實(shí)施方式，也可以是超級(jí)電容或其它電能存儲(chǔ)裝置。

32.本實(shí)施例的純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，完全依靠電能驅(qū)動(dòng)，不借助化石燃料等其他能源形式；而電能供給包括市電和電池兩種途徑，相對(duì)于單一途徑，系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性更強(qiáng)，也提高了旋挖鉆機(jī)的適應(yīng)性。例如，當(dāng)連接電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)為主供電途徑；當(dāng)未連接電網(wǎng)或電網(wǎng)可提供功率較小時(shí)，電池為主供電途徑。另外，動(dòng)力電池還能夠?qū)﹄姍C(jī)制動(dòng)過程的能量進(jìn)行回收(主卷?yè)P(yáng)電機(jī)提升和下放鉆桿、鉆斗等重物，對(duì)重物下放的過程中的能量可以進(jìn)行回收利用)，以節(jié)約能源。

33.本實(shí)施例的純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種控制策略，下面介紹主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)安全控制方法。

34.主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)如圖2所示，其中制動(dòng)器71設(shè)于主卷?yè)P(yáng)電機(jī)7和主卷?yè)P(yáng)72之間，用于限制鋼繩73。不同于主泵提供加壓動(dòng)力、動(dòng)力頭提供打鉆驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)需提供重物在提升、下放過程中的及時(shí)響應(yīng)動(dòng)作，尤其是在急停狀態(tài)下，卷?yè)P(yáng)電機(jī)需在機(jī)械制動(dòng)器實(shí)施鎖止前保持短時(shí)間停止?fàn)顟B(tài)。旋挖鉆機(jī)運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)故障或者緊急情況需要緊急制動(dòng)，而后再進(jìn)行重啟。而重啟后鋼繩可能仍負(fù)擔(dān)著重物，對(duì)于非電動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)，機(jī)械或液壓系統(tǒng)本身有限位能力，使重啟后鋼繩仍能保持張力。而電機(jī)在重啟后沒有相關(guān)控制指令，若鋼繩仍然負(fù)重則可能導(dǎo)致一定的安全隱患。

35.為了解決該問題，本發(fā)明的思路是在停機(jī)時(shí)記憶此時(shí)的扭矩，在電機(jī)啟動(dòng)后維持制動(dòng)器鎖止，并且給予電機(jī)的扭矩指令等于該記憶的扭矩，從而保持鋼繩張力，保證安全。

36.具體來說，如圖3所示，安全控制方法步驟如下：

37.1)電機(jī)啟動(dòng)；

38.2)制動(dòng)器保持鎖止?fàn)顟B(tài)；

39.3)判斷整機(jī)上電是否正常并接收到工作轉(zhuǎn)速指令；

40.4)若否，則等待；若是，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)執(zhí)行扭矩控制，讀取上次停機(jī)時(shí)的記憶扭矩作為目標(biāo)扭矩；所謂記憶扭矩就是停機(jī)時(shí)存儲(chǔ)的扭矩值；

41.5)主卷?yè)P(yáng)電機(jī)實(shí)際扭矩開始提升，判斷主卷?yè)P(yáng)電機(jī)實(shí)際扭矩是否提升到目標(biāo)扭矩；

42.若否，即主卷?yè)P(yáng)電機(jī)扭矩始終無法提升到目標(biāo)扭矩(可能由于電機(jī)故障或者其他設(shè)備故障導(dǎo)致)，且超過設(shè)定扭矩響應(yīng)周期，則電機(jī)停機(jī)；所謂設(shè)定扭矩響應(yīng)周期，由工程設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況確定；

43.6)若是，即在設(shè)定扭矩響應(yīng)周期內(nèi)實(shí)際扭矩提升到目標(biāo)扭矩；此時(shí)則請(qǐng)求制動(dòng)器打開；

44.7)判斷制動(dòng)器是否打開，即對(duì)制動(dòng)器狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。若在設(shè)定請(qǐng)求周期內(nèi)，制動(dòng)器

未打開，則繼續(xù)請(qǐng)求制動(dòng)器打開；所述設(shè)定請(qǐng)求周期，是給予確認(rèn)的時(shí)間，由工程設(shè)計(jì)人員確定。

45.8)完成確認(rèn)，即在設(shè)定請(qǐng)求周期內(nèi)制動(dòng)器打開。由于卷?yè)P(yáng)電機(jī)的扭矩存在，可保證制動(dòng)器打開的瞬間重物不向下滑溜，從而保證了安全。在制動(dòng)器打開后，，卷?yè)P(yáng)電機(jī)切換至轉(zhuǎn)速控制，響應(yīng)正常的目標(biāo)轉(zhuǎn)速指令，正常進(jìn)行工作；

46.9)在正常工作過程中，當(dāng)接到停機(jī)指令、卷?yè)P(yáng)異常故障報(bào)警或觸發(fā)緊急制動(dòng)，則發(fā)送制動(dòng)器鎖止請(qǐng)求，存儲(chǔ)此刻卷?yè)P(yáng)電機(jī)扭矩值，作為記憶扭矩，并完成制動(dòng)器鎖止。主卷?yè)P(yáng)電機(jī)執(zhí)行目標(biāo)指令的過程中，持續(xù)進(jìn)行停機(jī)執(zhí)行、故障報(bào)警、緊急制動(dòng)燈觸發(fā)信號(hào)的判斷(例如，通過中斷機(jī)制)，保證制動(dòng)需求的及時(shí)響應(yīng)；在請(qǐng)求執(zhí)行目標(biāo)指令的過程中，分別設(shè)定了響應(yīng)檢測(cè)周期，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)處理過程，并對(duì)超期或無指令動(dòng)作回歸制動(dòng)器鎖止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行執(zhí)行；

47.10)電機(jī)重啟，從步驟1)再次開始。

48.在每次啟動(dòng)時(shí)，由于執(zhí)行了步驟3)-6)，可保證制動(dòng)器打開的瞬間重物不向下滑溜，避免了安全事故的發(fā)生。

49.綜上，本發(fā)明的純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，適于使用小型電機(jī)，通過小型電機(jī)的組合來滿足作業(yè)需求，各個(gè)電機(jī)工作效率高，節(jié)約能量，避免采用大型電機(jī)導(dǎo)致工作效率低、浪費(fèi)能源的問題。本方面的控制方法基于重物狀態(tài)的判斷，實(shí)現(xiàn)了主卷?yè)P(yáng)的防溜保護(hù)。因此，本發(fā)明提升了電動(dòng)旋挖鉆機(jī)的工況適應(yīng)性、降低了能耗、提升了系統(tǒng)安全性和可靠性。技術(shù)特征：

1.一種純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，包括：直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器連接作業(yè)電機(jī)，作業(yè)電機(jī)包括主卷?yè)P(yáng)電機(jī)、動(dòng)力頭電機(jī)和主泵電機(jī)；所述直流母線并聯(lián)有兩路供電，一路包括連接有變流器，所述變流器用于通過外接電纜連接配電箱，配電箱用于連接電網(wǎng)；另一路為動(dòng)力電池，動(dòng)力電池連接所述直流母線；其中，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)主卷?yè)P(yáng)；動(dòng)力頭電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)鉆頭；主泵電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)泵組，泵組連接各液壓作業(yè)部件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述變流器為車載整流柜，用于將外接電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)控制器為多合一控制器，或者是獨(dú)立的若干個(gè)電機(jī)控制器，每個(gè)電機(jī)控制器分別連接一個(gè)作業(yè)電機(jī)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述作業(yè)電機(jī)還包括回轉(zhuǎn)電機(jī)、行走電機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述每種作業(yè)電機(jī)包括一臺(tái)以上的電機(jī)數(shù)量。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)包括主卷?yè)P(yáng)電機(jī)、主卷?yè)P(yáng)和制動(dòng)器，所述主卷?yè)P(yáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述主卷?yè)P(yáng)，所述制動(dòng)器設(shè)于所述主卷?yè)P(yáng)電機(jī)和主卷?yè)P(yáng)之間或集成到主卷?yè)P(yáng)上。7.基于權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，步驟包括：當(dāng)整機(jī)上電正常并接收工作指令后，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)執(zhí)行扭矩控制，讀取上次停機(jī)時(shí)的記憶扭矩作為目標(biāo)扭矩；主卷?yè)P(yáng)電機(jī)增加扭矩，當(dāng)扭矩達(dá)到目標(biāo)扭矩后，請(qǐng)求制動(dòng)器打開；若主卷?yè)P(yáng)電機(jī)扭矩?zé)o法增加到目標(biāo)扭矩，且超過設(shè)定扭矩響應(yīng)周期，則電機(jī)停機(jī)；制動(dòng)器打開后，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)響應(yīng)工作指令，正常工作；工作過程中，當(dāng)接到停機(jī)指令、主卷?yè)P(yáng)異常故障報(bào)警或觸發(fā)緊急制動(dòng)，則存儲(chǔ)此刻主卷?yè)P(yáng)電機(jī)的扭矩值作為記憶扭矩，并完成制動(dòng)器鎖止。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種純電動(dòng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)及其控制方法，動(dòng)力系統(tǒng)包括：動(dòng)力電池，電池管理系統(tǒng)和直流母線，直流母線通過電機(jī)控制器連接作業(yè)電機(jī)，作業(yè)電機(jī)包括主卷?yè)P(yáng)電機(jī)、動(dòng)力頭電機(jī)和主泵電機(jī)；所述直流母線連接有變流器，所述變流器用于通過外接電纜連接配電箱，配電箱用于連接電網(wǎng)；其中，主卷?yè)P(yáng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)主卷?yè)P(yáng)；動(dòng)力頭電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)鉆頭；主泵電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)泵組，泵組連接各液壓作業(yè)部件。本發(fā)明提升了電動(dòng)旋挖鉆機(jī)的工況適應(yīng)性、降低作業(yè)電耗、提升系統(tǒng)安全可靠性。提升系統(tǒng)安全可靠性。提升系統(tǒng)安全可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：李兵兵 陳慧勇 劉小偉 鄧偉 劉東方 王爍 吳勝濤

受保護(hù)的技術(shù)使用者：鄭州宇通客車股份有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.11.19

技術(shù)公布日：2022/5/20