CN101109400A - 燃油电动两用特种工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明为燃油电动两用特种工程机械，包括自走式车架，该车架上设有中央回转台、动力系统、行走系统、液压泵站、液压系统、作业系统，动力系统驱动液压泵站和行走系统，液压泵站向液压系统提供压力油，液压系统驱动作业系统，车架上还设有控制电路、电缆卷筒、卷筒油马达，其中：动力系统包括燃油发动机和交流电动机；液压泵站包括燃油发动机驱动的液压泵站和交流电动机驱动的电动液压泵站，电动液压泵站和燃油发动机驱动的液压泵站通过二位三通阀与液压系统连接；电动液压泵站向卷筒油马达提供压力油；电缆卷筒用于收纳与交流电动机连接的电缆，卷筒油马达驱动电缆卷筒收放该电缆；控制电路控制特种工程机械在交流电动机驱动状态下的工作。本发明可以有效地节约燃油，减少燃油尾气对环境的污染，还可以大幅度地降低作业成本。

Description

燃油电动两用特种工程机械

技术领域

本发明涉及一种特种工程机械，尤其是一种燃油、电动两种驱动方式可交替使用的燃油电动两用特种工程机械。

背景技术

特种工程机械是车载式的工程作业车，包括打桩机、旋挖机、凿岩机、钻井机、道路摊铺机、运河护坡摊铺机、渠道摊铺机、重型履带吊车等，它可以如一般车辆一样地在道路上长距离行驶，同时，它又是可以进行工程作业的工具，即在一定大小的作用面上来回运动，进行诸如打桩、旋挖、凿岩、钻井、挖掘、筑堤坝、开沟、摊铺道路、摊铺运河护坡、摊铺渠道和重型起重等工程施工。现有技术中的特种工程机械完全是用燃油发动机驱动的，即通过柴油发动机驱动车上的液压系统使特种工程机械完成工程施工等作业。由于特种工程机械在作业过程中需要在一个不大的场地上来回运动，因此其燃油发动机的尾气和噪音污染对现场(如：室内、隧道和建筑施工现场等地方)的环境及工作人员都有很大影响。

如何能够使特种工程机械既可以在长距离行驶中用燃油发动机驱动，而在作业过程中既可以使用燃油发电机驱动又可以使用电力驱动，同时又能避免废电瓶对环境污染，现有技术中没有公开满足上述使用要求的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术中的不足，提供一种燃油和电动两种驱动方式可以交替使用的燃油电动两用特种工程机械。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种燃油电动两用特种工程机械，包括自走式车架，该车架上设有中央回转台、动力系统、行走系统、液压泵站、液压系统、作业系统，动力系统驱动液压泵站和行走系统，液压泵站向液压系统提供压力油，液压系统驱动作业系统，车架上还设有控制电路、电缆卷筒、卷筒油马达，其中：

动力系统包括燃油发动机和交流电动机；液压泵站包括燃油发动机驱动的液压泵站和交流电动机驱动的电动液压泵站，电动液压泵站和燃油发动机驱动的液压泵站通过二位三通阀与液压系统连接；电动液压泵站向卷筒油马达提供压力油；

电缆卷筒用于收纳与交流电动机连接的电缆，卷筒油马达驱动电缆卷筒收放该电缆；控制电路控制特种工程机械在交流电动机驱动状态下的工作。

电缆卷筒包括由固定在车架后部的固定盘上方的托架支撑的中空卷筒轴，该卷筒轴与卷筒油马达的转动轴对接，其两端固定左、右挡板；

电缆绕在电缆卷筒上，电缆的首端设置插头，电缆末端的各相线与设置在卷筒轴表面的O、A、B、C相电环分别连接，卷筒轴的空腔内设置分别与各O、A、B、C相电环滑动接触的O、A、B、C相电刷，各相电刷通过引出电缆与交流电动机的接线端电连接。

引出电缆与固定在回转台的固定盘上的电刷连接，该电刷与装在回转台的转动盘上的导电环滑动连接，该导电环与电源引线连接，该电源引线向交流电动机和控制电路供电。

车架尾部安装传感装置，该传感装置有一个圆盘形固定支架，固定支架上设中心孔，该中心孔中纳入一个球体，该球体的中心设电缆孔，该电缆孔中穿设电缆套管，固定支架的上下面各连接上下调整垫板，在上调整垫板上方和下调整垫板下方以固定支架的中心孔为中心各安装上层前后左右四个传感器和下层前后左右四个传感器，电缆套管的上下部各套置可触及上层传感器和下层传感器的圆锥台，各传感器的输出信号接入控制电路，控制电路根据各传感器的输出信号控制卷筒油马达和行走系统。

卷筒油马达通过步进调节机构调速，该调节机构包括阀体，该阀体串接在油马达的供油管路中，其调节螺母的外周套装齿轮，阀体的下端左右分别固定两个油缸，各油缸的活塞的顶端销接可单向拨动齿轮的拨齿，所属活塞的一次往复可拨动齿轮转动一个齿的角度。

本发明具有以下优点：

1.在现有燃油特种工程机械的主体上引入380V交流电源，作为新的动力；

2.保留了原特种工程机械的燃油发动机与主体的结构，以便可以在启动燃油发动机时按常规的操作完成各项作业；

3.燃油发动机与电动机液压泵站的相互切换可以随时进行，但是必须是择一启动，不允许两种机械同时工作，其控制方法是用一把电源钥匙打开燃油发动机电源，就不能打开电动机液压泵站的电源；

4.自动控制放电缆，倒车时自动收电缆且具自动导航功能。

本发明将电动机及电动液压泵站和常规的燃油发动机并置于一个行走底盘，使相关设置互补，最大限度地减少机构重复，实现最经济的双重结构设置，同时具有电动机和燃油发动机的功能(必须是择一使用)，满足我们对于环境保护，节约能源，节约燃油，降低成本和提高机械效率的要求。

本发明提供的燃油电动两用特种工程机械通过在原有的燃油特种工程机械的系统中装置交流电动机，可以有效地节约燃油，减少燃油尾气对环境的污染。与现有电驱动的车辆比较，本发明中的电动驱动装置中没有使用蓄电池(仅保留原燃油发动机系统的蓄电池，但是在电动机液压泵站工作时停止使用。)，而是直接使用交流电，给使用者带来更大的便利，也杜绝了再增加电瓶对环境的污染。除了上述优越性之外，由于燃油的价格远远高于电能，在作业过程中使用电能，还可以大幅度地降低作业成本。另外，电动机的维修费用也要比燃油发动机的维修费低的多，维修周期长得多，维修速度也快得多，因此，本发明还可以大大提高设备的利用率。

附图说明

图1为本发明的主体部分的构成示意图；

图2为电缆卷筒结构图；

图3为内电刷总成结构示意图；

图4为导电环总成结构示意图；

图5为电动转换原理图；

图6为液压系统转换控制原理图；

图7为传感装置的结构图；

图8和图9为传感器装置的工作原理图；

图10为油马达的步进调节机构的结构图。

具体实施方式

请参见图1。本发明涉及燃油电动两用特种工程机械，它有一个自走式车架1，该车架1上设有中央回转台，中央回转台的转动盘3上设有动力系统、液压泵站、液压系统、控制电路、作业系统(未示)，中央回转台的固定盘2与行走系统连接，固定盘2的尾部固定卷筒支架8，卷筒支架8上安装电缆卷筒6和卷筒油马达7，动力系统驱动液压泵站和行走系统，液压泵站向液压系统提供压力油，液压系统驱动作业系统。其中：

动力系统包括燃油发动机4和交流电动机5；液压泵站包括燃油发动机驱动的液压泵站和交流电动机驱动的电动液压泵站，电动液压泵站和燃油发动机驱动的液压泵站通过二位三通阀与液压系统连接；电动液压泵站向卷筒油马达7提供压力油；电缆卷筒6用于收纳与交流电动机连接的电缆9，卷筒油马达7驱动电缆卷筒6收放该电缆9；交流电动机5与电缆9连接并通过插头12与电源11接通或断开。控制电路采用PLC可编程序控制器控制特种工程机械在电动机驱动状态下的工作。

图1所示仅为特种工程机械的主体部分，在主体上安装配套的作业系统就构成不同专业的特种工程机械。

当启动燃油发动机时，燃油发动机4所带动的液压泵站驱动作业系统，在常规的燃油发动机工作状态下完成各项作业。而当将电缆9与电源11接通后，交流电动机5和控制电路得电，特种工程机械便在电动工作状态下完成各项作业。

下面介绍与电动工作相关的各主要机构。

请参见图2所示的电缆卷筒6的结构图。电缆卷筒包括中空的卷筒轴14，卷筒轴14以轴承15支承于卷筒支架8上，卷筒轴14与卷筒油马达7的转动轴对接，其两端固定左挡板16和右挡板18，电缆9绕在所述卷筒轴14上，并由电缆压紧器17随时压紧，防止其松散，并且能够整齐地卷绕在卷筒轴上。电缆9的首端设置插头，电缆9的末端经内电刷总成13与引出电缆12电连接，引出电缆12与交流电动机5的接线端电连接。

请参见图3所示的内电刷总成13的构成图。卷筒轴14的内腔设有与卷筒轴14紧配合的绝缘筒26，绝缘筒26内沿轴向设置O相电环22、A相电环23、B相电环24、C相电环25，各相电环之间以绝缘环21间隔。电缆9末端的各相线与卷筒轴14内的O、A、B、C相电环分别连接。引出电缆12穿设于卷筒轴14的空腔内，其各相抽头分别焊接O、A、B、C相电刷20，各相电刷20分别与各相电环滑动接触。卷筒轴14带动绝缘筒26、各相电环22-25、绝缘环21同步旋转，引出电缆12和电刷则固定不动。电缆卷筒的电源在旋转过程中通过该内电刷总成把电力输送给电动机及控制电路。

电缆卷筒6的工作原理是：电动液压泵站的压力油通过液压系统的三位四通电液控制阀的开启，向卷筒油马达7供应压力油来实现电缆卷筒6向前或向后转动，卷筒油马达7驱动电缆卷筒6旋转，完成放电缆或收电缆的功能。电缆卷筒6转动的速度通过调节阀来控制。电缆卷筒6在旋转过程中，通过电环22-25与电刷20的滑动接触，把电缆9从电源获取的电力源源不断地输送给电动机5及PLC可编程序控制器。PLC可编程序控制器在得到电源后可以完成电动特种工程机械的自动控制功能。

请参见图4所示的导电环总成：由于电缆卷筒是安装在固定盘2上而交流电动机5是装在转动盘3上的，需要采用滑动接触的方式才能将电源从电缆卷筒引到交流电动机5上，为此，本发明采用图4所示的导电环总成：在回转台的固定盘2上固定电刷座29，在电刷座29上设各相电刷30，在回转台的转动盘3上设置与各相电刷30滑动接触的导电环32。将引出电缆12的各相抽头分别与各相电刷30连接后，交流电源便经各相导电环32再通过电源引线向交流电动机和控制电路供电。

图中的控制电刷33和小电环35用来把传感器发来的信号送到PLC控制器，以及把PLC控制器发出的控制信号传输到被控机构(如油马达和制动器)。其它标号分别表示：27-回转台接头28-回转轴承31和34-电刷弹簧。

电缆卷筒的功能有：

1把电源(380V/220V)的电能传输给特种工程机械的电动机和控制电路。

电缆为三相四线橡胶电缆，当电缆与电源接通时，其主电路把380V三相电力输送到星角启动器的输入端；同时把220V电力输入到控制变压器的输入端，控制变压器把输出的24V交流电通过原特种工程机械的发电机输出端进入主控制系统(指原特种工程机械的控制系统)，实现原特种工程机械的全部操作功能；

控制电路中的PLC控制器在电源接通时进入工作状态，它完成由燃油发动机停止工作向电动液压泵站启动工作的转换功能，同时要承担新的电动特种工程机械所设计配置的功能如：

(1)把原发动机的动力扭矩切断，使油马达替代驱动挖掘机的行走功能；控制行走的方向和速度；

(2)控制电缆卷筒的工作状态。

2把电缆放出或收回。电缆卷筒有三种工作状态：

浮动状态：电缆卷筒的油马达进出油路互相沟通，电缆卷筒可以自由转动；

放出电缆：当特种工程机械向前运动，需要把电缆按照行进的速度把电缆同步放出，油马达将驱动电缆卷筒向后转，放出电缆线；

收回电缆：当特种工程机械向后运动，需要把电缆按照后退的速度把电缆同步收回，油马达将驱动电缆卷筒向前转，将自由放出的电缆收回。

请参见图5所示的电动转换原理图。在发动机熄火的状态下，将卷筒电缆与电源接通，电动特种工程机械系统便得电(380V/220V三相四线制)，PLC控制器发出以下信号：

1新的电动控制系统得电，使电动特种工程机械进入电动控制状态；

2打开与燃油发动机的互锁机构，可以启动液压泵站；

3打开三个二位三通阀，关闭原特种工程机械液压系统油路，打开电动液压系统油路；

4接通电缆卷筒油马达的液压油路，使其进入液压控制状态，可以实现反、正转，速度可以自动调整；

5原发动机配置发电机的B、I输出端被切断，使24V直流电源进入原机主控制电路系统，使该系统在电动机工作状态运行，完成原特种工程机械的全部功能；

6可以随时启动主电机工作；

7可以随时停止主电机工作；

8可以恢复原发动机启动前的状态，随时可以启动发动机工作。

请参见图6所示的液压系统转换控制原理图。在发动机熄火的状态下，按下电动机启动按钮，启动电动液压泵站，电动液压泵站开始工作，其泵站的压力油分别通过三个二位三通阀向原特种工程机械的液压系统统供压力油(此时原发动机的泵站处于停止状态，其油路被三个二位三通阀断开)，原特种工程机械的液压系统即进入工作状态，可以顺利完成应有的功能。

本发明在车架的尾部安装传感装置10(图1)，该传感装置用于：反馈电缆卷筒转动的速度，以便随时调整卷筒油马达7的旋转速度，使之与电动特种工程机械的行进速度相同，达到适时放出或回收电缆的目的；当电动特种工程机械向后倒退时，它将起导航的作用，自动控制操纵杆，沿原来的道路返回，不需要人工控制。

如图7所示：传感装置10有一个圆盘形固定支架45，固定支架45上设中心孔，该中心孔中纳入一个球体40，该球体40的中心设电缆孔，该电缆孔中穿设钢质电缆套管36，电缆9可在电缆套管36中滑动，固定支架45的上面和下面用螺栓44各连接上调整垫板38和下调整垫板42，在上调整垫板38的上方和下调整垫板42的下方以固定支架45的中心孔为中心各安装上层前后左右四个作制动传感的传感器37和下层前后左右四个作转向传感的传感器43，电缆套管36的上下部各套置一个可触及上层传感器和下层传感器的圆锥台48。套在电缆套管36下部的限位环46起保护传感器的作用，47为传感器导线，39和41分别是上球盖和下球座。各传感器的输出信号接入控制电路，控制电路根据各传感器的输出信号控制卷筒油马达和行走系统。

下面结合图8和图9说明该传感器装置的工作原理(图中各标号：49-步进调节机构50-行走底盘51-履带52-中央回转台)。

1向前行驶时调整电缆卷筒快慢

当特种工程机械向前行驶的时候，电缆卷筒的油马达向顺时针方向旋转，随着车辆的行驶，电缆线将在卷筒的下方自由释放。如果行驶速度快，电缆线被拉紧，这时圆锥台48必然要触及下层传感器中的后传感器432，后传感器便发出信号，控制电路根据该信号使电缆卷筒的油马达提高转速；如果行驶速度慢，电缆线被放松，这时圆锥台48会触及下层传感器中的前传感器431，前传感器发出信号，电缆卷筒的油马达降低转速。

2向后行驶时调整电缆卷筒快慢

当特种工程机械向后行驶的时候，电缆卷筒的油马达向逆时针方向旋转，随着车辆的行驶，电缆线将收回到卷筒上。如果行驶速度快，电缆线被放松，这时圆锥台48必然要触及前传感器431，前传感器发出信号，电动卷筒的油马达提高转速；如果行驶速度慢，电缆线被拉紧，这时电缆线的表面必然要触及所述的后传感器432，后传感器发出信号，电动卷筒的油马达降低转速。

3向后行驶时自动导航

当特种工程机械向后行驶的时候，若车辆向左偏转，圆锥台48必然触及下层传感器中的右传感器433，右传感器便发出信号，控制电路根据该信号使5C得电，右行走油马达53降低速度，特种工程机械向右倒退；

当特种工程机械向后行驶的时候，若车辆向右偏转，圆锥台48必然触及下层传感器中的左传感器434，左传感器发出信号，控制电路根据该信号使6C得电，左行走油马达54降低速度，特种工程机械向左倒退。

4制动与缓冲调整

当特种工程机械行驶速度太快时，圆锥台48将触及上层传感器，上层传感器便发出信号，控制电路根据该信号发出制动信号。履带式行走底盘的转向行驶，是通过操纵杆实现对油马达的减速，并且伴随制动来实现的，减速行驶是通过改变油马达的供油调节阀实现的。

上述油马达的转速可以通过调整调节阀步进机构49的流量来实现调整与速度的平衡，以降低调整频率，达到最佳状态。

请参阅图10所示调节油马达的步进调节机构的结构图，该调节机构包括阀体63，该阀体63串接在油马达7的供油管路中，其调节阀的调节螺母的外周套装一个调节附加齿轮59，在阀体63的下端左右分别固定两个单向作用的油缸56，各油缸的活塞57的顶端以销柱60销接可单向拨动齿轮59的拨齿61。活塞的一次往复可拨动所述齿轮转动一个齿的角度。

其动作原理是：当没有供液压油时，弹簧65将活塞57推向油缸56的顶端，拨齿61被油缸56压缩收回，使拨齿61与调节阀附加齿轮59分离，如图中1号缸所示位置状态；当通过油管接口55向2号油缸56供油时，液压油推动活塞57向下移动，当拨齿61超过油缸56的开口之后，在小弹簧62的推力作用下，拨齿61嵌入到调节阀附加齿轮59的齿间，推动调节阀附加齿轮59向顺时针方向转动一个齿的角度(如图中2号缸显示的状态)，使通过调节阀的液压油通路64变小，即供油量变小，油马达7的旋转速度下降。一次推动完成后，油缸56的上端泻油，弹簧65推动活塞57向上回位到开始的状态(如图中1号缸显示的状态)。

同理，1号油缸动作时，将会推动调节阀附加齿轮59向逆时针方向转动一个齿的角度，使通过调节阀的液压油通路64变大，即供油量变大，油马达7的旋转速度提高。

Claims (5)

1.一种燃油电动两用特种工程机械，包括自走式车架，该车架上设有中央回转台、动力系统、行走系统、液压泵站、液压系统、作业系统，动力系统驱动液压泵站和行走系统，液压泵站向液压系统提供压力油，液压系统驱动作业系统，其特征在于：

车架上还设有控制电路、电缆卷筒、卷筒油马达，其中：

所述动力系统包括燃油发动机和交流电动机；

所述液压泵站包括燃油发动机驱动的液压泵站和交流电动机驱动的电动液压泵站，电动液压泵站和燃油发动机驱动的液压泵站通过二位三通阀与所述液压系统连接；

所述电动液压泵站向所述卷筒油马达提供压力油；

所述电缆卷筒用于收纳与交流电动机连接的电缆，所述卷筒油马达驱动电缆卷筒收放该电缆；

所述控制电路控制特种工程机械在交流电动机驱动状态下的工作。

2.如权利要求1所述的燃油电动两用特种工程机械，其特征在于：

所述电缆卷筒包括由固定在车架后部的固定盘上方的托架支撑的中空卷筒轴，该卷筒轴与所述卷筒油马达的转动轴对接，其两端固定左、右挡板；

所述电缆绕在所述电缆卷筒上，电缆的首端设置插头，电缆末端的各相线与设置在卷筒轴表面的O、A、B、C相电环分别连接，卷筒轴的空腔内设置分别与所述各O、A、B、C相电环滑动接触的O、A、B、C相电刷，所述各相电刷通过引出电缆与所述交流电动机的接线端电连接。

3.如权利要求2所述的燃油电动两用特种工程机械，其特征在于：

所述引出电缆与固定在回转台的固定盘上的电刷连接，该电刷与装在回转台的转动盘上的导电环滑动连接，该导电环与电源引线连接，该电源引线向交流电动机和控制电路供电。

4.如权利要求1或2所述的燃油电动两用特种工程机械，其特征在于：

所述车架尾部安装传感装置，该传感装置有一个圆盘形固定支架，固定支架上设中心孔，该中心孔中纳入一个球体，该球体的中心设电缆孔，该电缆孔中穿设电缆套管，固定支架的上下面各连接上下调整垫板，在上调整垫板上方和下调整垫板下方以固定支架的中心孔为中心各安装上层前后左右四个传感器和下层前后左右四个传感器，电缆套管的上下部各套置可触及上层传感器和下层传感器的圆锥台，各传感器的输出信号接入所述控制电路，控制电路根据各传感器的输出信号控制所述卷筒油马达和行走系统。

5.如权利要求1或2所述的燃油电动两用特种工程机械，其特征在于：

所述卷筒油马达通过步进调节机构调速，该调节机构包括阀体，该阀体串接在油马达的供油管路中，其调节螺母的外周套装齿轮，阀体的下端左右分别固定两个油缸，各油缸的活塞的顶端销接可单向拨动所述齿轮的拨齿，所属活塞的一次往复可拨动所述齿轮转动一个齿的角度。

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