CN101122137B - 燃油电动两用挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明为燃油电动两用挖掘机，包括车架，车架上装有回转台，回转台的上面设有转动底盘、燃油发动机、液压系统、控制电路，控制电路包括燃油发动机的电控系统和新增的PLC控制器；回转台的上面设交流电动机，液压系统中附加一组用交流电动机驱动的液压泵；车架上固定不转动底盘，不转动底盘的尾部装有用油马达驱动的电缆卷筒，电缆卷筒上缠绕电缆，电缆的输出端向交流电动机和控制电路供电。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

燃油电动两用挖掘机

技术领域

本发明涉及一种挖掘机，尤其是一种燃油、电动两种驱动方式可交替使用的燃油、电动两用挖掘机。

背景技术

挖掘机是一种工程作业车，它可以如一般车辆一样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，进行诸如土石方开挖、平整、削坡等作业。现有技术中的挖掘机有燃油驱动的，即通过如柴油发动机驱动挖掘机行走及驱动液压系统使铲斗等作业部件运动。燃油驱动的挖掘机是现有技术中普遍使用的挖掘机类型，它有动力大和行驶距离长的优点，但在挖掘机作业过程中，挖掘机在一个不大的场地上来回运动，燃油发动机的尾气和噪音污染对现场的工作人员有很大影响。现有技术中也有仅使用电力驱动的挖掘机，这种挖掘机是在车上设有电动机作为动力源，电机驱动挖掘机行走并驱动液压系统使挖掘机的动臂、斗杆、铲斗等作业部件运动。电驱动的挖掘机在挖掘机作业过程中，不存在尾气和噪音污染的问题，但是，它不能驱动挖掘机行驶较长的距离，只能适应在一个固定的地方作业，其机动性非常差，远不能满足现场施工的要求。

如何使挖掘机既可以在长距离行驶中用燃油驱动，而在作业过程中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、电动两用挖掘机。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种燃油电动两用挖掘机，包括车架，车架上装有回转台，回转台的上面设有转动底盘、燃油发动机、液压系统、控制电路，其特征在于：

所述控制电路包括燃油发动机的电控系统和新增的PLC控制器；

所述回转台的上面设交流电动机，所述液压系统中附加一组用该交流电动机驱动的液压泵；

所述车架上固定不转动底盘，不转动底盘的尾部装有用油马达驱动的电缆卷筒，电缆卷筒上缠绕电缆，电缆的输出端向交流电动机和控制电路供电。

所述由交流电动机驱动的液压泵包括两个附加主泵和一个附加先导齿轮泵，它们通过电磁阀分别与液压系统中的两个主泵和一个先导齿轮泵对接。

所述电缆卷筒包括：支架，由左支架和右支架构成，左、右支架的底端固定在所述不转动底盘上；卷筒轴，为中空体，安装在所述支架上，其一端与所述油马达的输出轴对接；挡板，由左挡板和右挡板构成，左、右挡板装在卷筒轴上并位于所述左、右支架的内侧；电缆，缠绕在卷筒轴上左、右挡板之间，其外端设电插头，其内端与固定在卷筒轴上的电刷连接，该电刷与装在卷筒轴内腔中的电环滑动连接，该电环与引出电缆连接，该引出电缆向交流电动机和控制电路供电。

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旋转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。

所述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。

所述不转动底盘的后端安装电缆状态传感装置，该电缆状态传感装置有一个立方体，在立方体上开设贯穿上下面中心的供所述电缆穿设的电缆孔，从立方体的前后左右面的中心各开设与电缆孔垂直的容置孔，各容置孔的内端放置传感体且外端放置弹簧和传感器，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油马达。

本发明具有以下优点：

本发明提供的燃油、电动两用挖掘机通过在原有的燃油挖掘机的系统中装置了大功率的交流电动机，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。与燃油发动机液压挖掘机对比还有一个独特的优势，那就是在高原缺氧的地方，电动液压挖掘机没有功率下降的困扰；也没有寒冷地区启动机器的困扰；这是目前燃油发动机液压挖掘机所不能比拟的绝对优势。

附图说明

图1为电动挖掘机外观示意图；

图2为电缆卷筒内电刷的结构图；

图3为导电环总成；

图4为液压和电控系统图；

图5为电缆状态传感装置的结构图；；

图6为调节阀步进调节机构图；

图7-图9为电路原理图。

具体实施方式

请参见图1。本发明是一种燃油电动两用挖掘机，它包括车架23，车架23上装有不转动底盘21和回转台11。在回转台11的上面设置转动底盘22、燃油发动机12、交流电动机8、液压泵站9和控制电路，燃油发动机12、交流电动机8和液压泵站9构成动力系统。在回转台11上还设置由驾驶室15、动臂14、动臂油缸13、斗杆油缸16、斗杆17、铲斗油缸18和铲斗19构成的作业系统。在与车架23固定成一体的不转动底盘21的尾部装有用油马达6驱动的电缆卷筒5，电缆卷筒5上缠绕电缆4，电缆4的输入端设电插头2，电缆4的输出端向交流电动机8和控制电路供电。电动挖掘机可以以燃油发动机驱动整机行进到工程现场的预备电源处，把挖掘机的尾部朝向电源1，将燃油发动机12熄火，手动拉出电缆插头2及电缆4，将电插头2插入电源插座1，电动挖掘机即获得交流电源。

图1中：7-内电刷、10-平电刷、20-驱动轮、24-履带、25-电缆压紧器。

本发明在现有燃油挖掘机的主体上引入380V交流电源(对于大功率的挖掘机，可以直接输入6000V的高压电动机电源)作为新的动力源。原设计挖掘机的燃油发动机与主体的结构保留，可以在启动燃油发动机时按常规的挖掘机完成各项作业；当交流电力引进后，以交流电动机液压泵站的液压油为动力源，以油马达驱动挖掘机完成各项作业。本发明对燃油发动机与电动机液压泵站的相互切换是可以随时进行的，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，就不能打开另一个电动机液压泵站的电源，因为限制驾驶员只允许使用一把钥匙，开了这个电源锁，就不能再开另一个电源锁，必须拔出这把钥匙才能再用这把钥匙去开另一个电源锁。在操作方法上，除切换动力启动操作的过程之外，其余的操作方法与原挖掘机的操作方法相同，以避免产生误操作造成意外事故。

请参见图2，其为图1中所示电缆卷筒5和内电刷7的结构图。本发明的电缆卷筒包括支架、卷筒轴、挡板、电缆。其中：

支架由左支架34和右支架51构成，它把卷筒轴架起来，两端用左端螺母32和右端螺母47紧固在卷筒轴35的两端，左支架34和右支架51的底端以螺丝固定在不转动底盘的底板上。

卷筒轴35为中空体，其两端通过轴承33支承在左支架34和右支架51的顶端，电缆卷筒的另一端与油马达6的输出轴48对接，油马达6的的壳体法兰盘用螺丝固定在右支架51的上端，油马达6的输出轴48通过花键与花键套49结合成一体，当液压油输入时，油马达6的输出轴48带动卷筒轴35旋转，完成收与放电缆的操作。

挡板由左挡板36和右挡板52构成，左挡板36和右挡板52装在卷筒轴35上并位于左支架34和右支架51的内侧。

电缆4缠绕在两个挡板之间卷筒轴35上。

当挖掘机向前行驶时，电缆卷筒5由油马达6驱动作顺时针方向旋转，将电缆4放出。电缆卷筒5在挖掘机倒退行驶时，由油马达6驱动作逆时针方向旋转，电缆4沿电缆卷筒5的外缘依次排列缠绕在卷筒轴上，电缆压紧器25的压紧力使电缆4有序排列，不松散，不打垛，缠绕一层再一层。

电缆外端设电插头2，电缆内端的A、B、C相及O线的抽头54分别相隔90度，用绝缘压板53以螺丝固定在卷筒轴35上，各抽头54穿过绝缘套56分别与固定在卷筒轴上的四个电刷55连接。各电刷55分别与装在卷筒轴内腔中的A相电环42、B相电环43、C相电环44、O相电环45滑动连接。各相电环42-45分别与装在卷筒轴内腔中的引出电缆的A相抽头38、B相抽头39、C相抽头40、O相抽头41连接，该引出电缆向交流电动机和控制电路供电。

引出电缆的各相抽头38-41依次相隔90度，中间用绝缘体50隔开，耐电压强度为13000V(为大功率电动机提供6000V电源准备)。各相电环42-45均为环形铜质材料，与引出电缆的各相抽头焊合为一体。其电缆的长度可以达到1500m。电缆的输出端(供电动机的一端)靠压紧螺母30和压盖31紧固着电缆绝缘层37，使其与左支架34为一体。

图3为图1中所示平电刷10的结构图，图中：61-中央回转接头、64-回转轴承。从电缆卷筒输送过来的引出电缆，分别抽出电缆引线A相65、电缆引线B相66、电缆引线C相67、电缆引线O相68，然后穿过固定电刷座孔80，与固定在回转台的固定盘63上的各相的主电源电刷71连接，靠弹簧72的推力，使主电源电刷71与固定在旋转盘62下面的各相导电环70摩擦相接。各相电源引线73分别穿过绝缘套69与各相导电环70焊接。此外，在图的右侧还有8条传感器引线79，它们穿过固定电刷座80的孔，分别与控制线电刷77焊接，依靠小弹簧78的推力分别与各控制线导电环76摩擦接触。各控制电路引线74分别穿过各小绝缘套75与各控制导线电环76焊接。通过以上机构把电缆4导入的电源输送给主控制柜及电动机，同时也把传感器3反馈的导航信号传输给主控制柜的PLC控制器，及时向各执行元件发出控制信号，实施各项自动化控制。

本发明的液压系统中附加一组用交流电动机驱动的液压泵，控制电路则包括燃油发动机的电控系统和新增的PLC控制器。

请参看图4所示的液压和电控系统图：本发明在原液压系统中附加一组用电动机驱动的三联液压泵(图中的附加主泵1、附加主泵2和附加先导齿轮泵)，它们分别通过电磁阀6C、7C、8C与原系统对接。电动机液压泵站中的先导油泵的主供油路与燃油发动机液压泵站的先导油泵并联连接在两个液压泵站之间，无论哪一个液压油泵站启动，它的先导液压油都对液压控制油路供给先导液压油，可以顺利地完成各项液压控制功能。

在燃油发动机驱动液压泵组工作时，电磁阀6C处于关闭状态，电磁阀7C则是打开的状态，因此主泵1与主泵2可以直接向系统供给压力油，先导齿轮泵的液压油，通过电磁阀8C可以直接向液压控制系统供液压油，驱动挖掘机完成各项功能。

当燃油发动机停止工作时，将电缆插头2插入电源时，电动挖掘机系统得电，电磁阀6C、7C、8C得电，关闭原发动机的主泵1、主泵2和先导齿轮泵的油路，接通附加主泵1、附加主泵2和附加先导齿轮泵向系统供油，实现电动机液压泵站转换的操作，进入电动机液压挖掘机工作状态。

本发明使用油马达6驱动电缆卷筒5，油马达6的主油路直接与电动机液压泵站的主油路接通，只要电动机液压泵站工作，电缆卷筒5就处于可以工作的状态。电缆卷筒的上线与浮动是通过电磁阀3C来控制，3C通电，电缆卷筒处于浮动状态，3C断电，电缆卷筒处于工作状态；电缆卷筒的转向由电磁阀1C和2C控制：1C通电为电缆卷筒正转，2C通电为电缆卷筒反转；电缆卷筒的旋转速度，是靠所设计的调节阀步进调节机构的电磁阀4C、5C来实现的，当4C通电，流量减少，电缆卷筒旋转速度降低，当5C通电，流量加大，电缆卷筒旋转速度加快；所设计的传感器SQ5、SQ6，使电缆卷筒的前进放电缆及倒退收电缆得到同步控制。

因为采用电缆传输电力，故有一个放、收电缆的问题。在我们的设计方案中，当电动挖掘机前进时采用了随机放电缆的自动控制，当电动挖掘机倒退行驶时，同步收回电缆。同时，本发明为了减轻驾驶员的负担，当电动挖掘机倒退行驶的时候，驾驶员不用打方向盘或拉动操纵杆，就可以沿电缆释放的轨迹自动倒退并同步回收电缆到电源的起始点。为此，本发明在不转动底盘21的后端安装电缆状态传感装置3。

请参阅图5：电缆状态传感装置3有一个立方体81为支撑，在立方体81上开设贯穿上下面中心的供电缆4穿设的电缆孔85，从立方体81的前后左右面的中心共开设与电缆孔85垂直的四个容置孔，各容置孔的内端放置圆柱形的传感体82，传感体82为金属体，可以在容置孔内自由滑动，四个传感体82分别为前传感体、后传感体、左传感体和右传感体。在每个传感体82的后面分别有一个弹簧84，依靠弹簧84的推力把传感体82压在电缆4的表面。在弹簧84的中间设置传感器83。传感器83为电子接近开关，其前端面与传感体82间保持间隙。四个传感器83(即SQ1-SQ4)的导线在立方体81的外围收拢后，通过传感器引线79接入控制电路的PLC可编程序控制器的信号输入端。附加PLC的程序根据前、右、左、后各传感器83的输出信号控制油马达6的各项功能动作。

收电缆导航电液控制原理如下：

1.当电缆卷筒收电缆转速过快时，电缆4被拉紧，电缆必然触动上传感器SQ3，SQ3发出信号，通过附加PLC程序使中间继电器KA3得电，电磁阀1C得电，向油马达6供压力油，同时，5C得电，驱动调节阀步进调节机构缩小供油口，油马达转速降低，使得收电缆的速度与倒退行驶速度基本相同，处于平衡状态；

2.当电缆卷筒收电缆转速过慢时，电缆4松弛，电缆必然触动下传感器SQ1，SQ1发出信号，通过附加PLC程序使中间继电器KA1得电，电磁阀1C得电，向油马达供压力油，同时，4C得电，驱动调节阀步进调节机构开大供油口，油马达转速加快，使得收电缆的速度与倒退行驶速度基本相同，再处于平衡状态；

3.当倒退行驶向左偏离时，电缆必然触及左传感器SQ2，SQ2发出信号，通过附加PLC程序使中间继电器KA2得电，左行走执行器动作，使行走向右倒退，电动挖掘机回到电缆轨迹的方向上来；

4.当倒退行驶向右偏离时，电缆必然触及右传感器SQ4，SQ4发出信号，通过附加PLC程序使中间继电器KA4得电，右行走执行器动作，使行走向左倒退，电动挖掘机回到电缆轨迹的方向上来。

以上的导航过程在倒退行驶的过程中，将会不断地出现，每出现一次，即修正一次，它的频率越高，说明反馈控制量过大。因此可以通过调整调节阀步进机构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6所示调节油马达6的步进调节机构的结构图，该调节机构包括阀体139，该阀体139串接在油马达6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135，在阀体139的下端左右分别固定两个单向作用的油缸132，各油缸的活塞133的顶端以销柱136销接可单向拨动齿轮135的拨齿137。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141将活塞133推向油缸132的顶端，拨齿137被油缸132压缩收回，使拨齿137与调节阀附加齿轮135分离，如图中1号缸所示位置状态；当通过油管接口131向2号油缸132供油时，液压油推动活塞133向下移动，当拨齿137超过油缸132的开口之后，在小弹簧138的推力作用下，拨齿137嵌入到调节阀附加齿轮135的齿间，推动调节阀附加齿轮135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140变小，即供油量变小，油马达6的旋转速度下降。一次推动完成后，油缸132的上端泻油，弹簧141推动活塞133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135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140变大，即供油量变大，油马达6的旋转速度提高。

本发明的控制电路可以在传感器SQ1、SQ3发出信号时启动上述的调整，使液压油通路140按照传感器的指令进行不断地调整，直到达到理想的平衡状态。

请参看图7所示的电路原理图-1。本发明直接引入380V交流电源(三相四线制)给主电动机Y280M-4(90KW)。其中，接在1号线(A相)与4号线(O线)间的中间继电器KA1得电，KA1的常闭点断开，切断发电机的输出线路，同时把输入电源通过KA1常开点输送到附加PLC及原燃油发动机的电控制系统。附加PLC可编程序控制系统在得到电源后可以完成电动挖掘机的自动控制功能。主电动机Y280M-4(90KW)的启动是星角启动。

请参看图8所示的电路原理图-2。本发明所设计的方案为：电动机液压泵站工作模式选择开关SA1(钥匙旋钮开关)只能在两种模式中选择其一，起到互锁的作用。SB0为启动按钮，SB1为总停止按钮，FR1为热继电器保护，SB3为主阀开通按钮，SB4为先导阀开通输出先导控制液压油，SB5为卷筒放电缆按钮，SB6卷筒收电缆按钮，SB10为卷筒浮动按钮，SQ1为卷筒加速传感器信号，SQ3为卷筒减速传感器信号，SQ2为导航向右传感器信号，SQ4为导航向左传感器信号，SQ5为导航上线传感器信号，SQ6为导航下线传感器信号。

请参看图9所示的电路原理图-3。本发明所设计的方案为：

主阀开通，KA1得电，其常开点闭合，电磁阀线圈6C、7C得电，电磁阀7C关闭燃油发动机液压油泵的主油路，同时电磁阀6C打开电动机液泵站的主油路。

液压输出，KA2得电，其常开点闭合，电磁阀线圈12C得电，切断燃油发动机三联泵的先导齿轮泵的通路，同时打开附加先导齿轮泵向液压控制系统供给先导液压油的通路，实现向电动挖掘机功能转变的开始。

卷筒放电缆，KA3得电，其常开点闭合，电磁阀线圈2C得电，使电缆卷筒油马达向顺时针方向旋转，实现放电缆功能。

卷筒收电缆，KA4得电，其常开点闭合，电磁阀线圈1C得电，使电缆卷筒油马达向逆时针方向旋转，实现收电缆功能。

卷筒加速，KA5得电，其常开点闭合，使调节阀步进调节机构电磁阀4C得电，使调节阀流量加大，电缆卷筒油马达旋转速度加快。

卷筒减速，KA6得电，其常开点闭合，使调节阀步进调节机构电磁阀5C得电，使调节阀流量减小，电缆卷筒油马达旋转速度减速。

卷筒浮动，KA7得电，其常开触点闭合，使二位二通电磁阀3C得电，使电缆卷筒处于浮动状态。

导航上线，行走操纵阀SQ5发出信号，KA8得电，其常开触点闭合，使传感器处于导航上线状态(即倒退行驶状态)。

导航下线，行走操纵阀SQ6发出信号，KA11得电，其常开触点闭合，使传感器处于导航下线状态(即前进行驶状态)。

导航向右，倒退行驶中，向左偏移，触及SQ2传感器发出信号，中间继电器KA9得电，其常开点闭合，8C得电，液压缸推动操纵杆向左；

导航向左，倒退行驶中，向右偏移，触及SQ4传感器发出信号，中间继电器KA10得电，其常开点闭合，9C得电，液压缸推动操纵杆向右。

Claims (6)

1.一种燃油电动两用挖掘机，包括车架，车架上装有回转台，回转台的上面设有转动底盘、燃油发动机、液压系统、控制电路，其特征在于：

所述控制电路包括燃油发动机的电控系统和新增的PLC控制器；

所述回转台的上面设交流电动机，所述液压系统中附加一组用该交流电动机驱动的液压泵；

所述车架上固定不转动底盘，不转动底盘的尾部装有用油马达驱动的电缆卷筒，电缆卷筒上缠绕电缆，电缆的输出端向交流电动机和控制电路供电；

所述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，阀体的调节阀的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，所述活塞的一次往复可拨动所述齿轮转动一个齿的角度。

2.如权利要求1所述的燃油电动两用挖掘机，其特征在于：

所述由交流电动机驱动的液压泵包括两个附加主泵和一个附加先导齿轮泵，它们通过电磁阀分别与液压系统中的两个主泵和一个先导齿轮泵对接。

3.如权利要求1或2所述的燃油电动两用挖掘机，其特征在于所述电缆卷筒包括：

支架，由左支架和右支架构成，左、右支架的底端固定在所述不转动底盘上；

卷筒轴，为中空体，安装在所述支架上，其一端与所述油马达的输出轴对接；

挡板，由左挡板和右挡板构成，左、右挡板装在卷筒轴上并位于所述左、右支架的内侧；

电缆，缠绕在卷筒轴上左、右挡板之间，其外端设电插头，其内端与固定在卷筒轴上的电刷连接，该电刷与装在卷筒轴内腔中的电环滑动连接，该电环与引出电缆连接，该引出电缆向交流电动机和控制电路供电。

4.如权利要求3所述的燃油电动两用挖掘机，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旋转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。

5.如权利要求3所述的燃油电动两用挖掘机，其特征在于：

所述不转动底盘的后端安装电缆状态传感装置，该电缆状态传感装置有一个立方体，在立方体上开设贯穿上下面中心的供所述电缆穿设的电缆孔，从立方体的前后左右面的中心各开设与电缆孔垂直的容置孔，各容置孔的内端放置传感体且外端放置弹簧和传感器，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油马达。

6.如权利要求5所述的燃油电动两用挖掘机，其特征在于：

所述传感体为金属体，所述传感器为电子接近开关。

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