CN105421514A - 一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置，包括与发动机连接的主轴，主轴与差速器连接，差速器的传动轴分别与两个半轴连接；每个半轴与液压油泵连接，液压油泵通过输油管与铰刀头的液压马达连接，液压马达驱动铰刀头工作；两个半轴上分别设有电子制动器，输油管内设有液压传感器和流速传感器，液压传感器和流速传感器将采集到的数据传递给电控中心，电控中心根据该数据控制两个半轴上的电子制动器，以控制两个铰刀头的转速。本发明还提供一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配方法。该装置和方法能自动协调两侧铰刀头的转速，提高绞吸船绞吸效率。

Description

一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置及方法

技术领域

本发明属于双绞刀头动力分配领域，具体涉及一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置及方法。

背景技术

铰刀头是绞吸式挖泥船的核心挖掘部件，其运转状态对切削系统乃至整船运行效率都十分重要。铰刀头是绞吸式挖泥船上专门用来绞松土壤的工具，使用双绞刀头的挖泥船相比单铰刀头绞吸船在工作效率方面有着极大的提升，同时也存在缺点。

双绞刀头的绞吸式挖泥船作业时，其工作的水域不可能全部是平整的，有些地方存在一定的坡度，而且还存在绞吸式挖泥船两侧工作水域的环境不同。这时液压马达和液压油泵之间会自主的调节油压和流速导致两侧铰刀头的转速不能达到统一，而使一侧铰刀头的磨损程度加大以及能量的过度消耗，绞吸效率低。两侧铰刀头出现的转速差也会加大船舶的震动程度，给船舶的行驶带来危险。双绞刀头的绞吸式挖泥船无法很好的适应较为复杂水底中的环境。因此，我们迫切需要一种能对绞吸船上双绞刀头进行动力分配的装置，以解决现有绞吸船双绞刀头作业的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置及方法，该装置和方法能自动协调两侧铰刀头的转速，提高绞吸船绞吸效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置，包括与发动机连接的主轴，所述主轴与差速器连接，所述差速器的传动轴分别与A、B侧铰刀头的传动装置连接；

所述传动装置包括与差速器的传动轴连接的半轴，半轴的另一端与液压油泵连接，所述液压油泵通过输油管与铰刀头的液压马达连接，液压马达驱动铰刀头工作；所述输油管与半轴垂直；

两个半轴上分别设有电子制动器，两个输油管内分别设有液压传感器和流速传感器，液压传感器和流速传感器将采集到的数据传递给电控中心，电控中心根据该数据控制两个半轴上的电子制动器，以控制两个铰刀头的转速。

更进一步的方案是，所述电子制动器为环形电子制动器，嵌套在半轴上，电子制动器可以接受来自电控中心的信号，缩小半径，对半轴进行制动。

本发明还提供一种采用上述基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置进行动力分配的方法，通过两个输油管上的液压传感器和流速传感器将实时采集的信号传递给电控中心，电控中心根据该数据进行计算和判断，根据该判断控制两个半轴上的电子制动器，从而控制两个铰刀头的转速，再通过差速器调节两个铰刀头的转速；具体为：

当A侧铰刀头遇到坚硬物体时，A侧铰刀头的转速会降低，扭矩会增大，A侧输油管内油压升高，流速降低，A侧液压传感器采集的液压油的油压升高和A侧流速传感器采集的液压油的流速降低；B侧铰刀头的转速和扭矩不变，B侧液压传感器采集的液压油的油压和B侧流速传感器采集的液压油的流速不变；电控中心接收到4个传感器传来的数据后进行计算和判断；电控中心根据判断会向B侧电子制动器发送模拟信号，使B侧电子制动器持续收紧，增大对其相应半轴的摩擦力，B侧半轴转速持续下降从而使动力由差速器向A侧半轴输出；当电控中心通过流速传感器检测到两侧的液压油的流速差值下降到合理档位范围时，电控中心使两侧的电子制动器施加恒力，保持两侧铰刀头的转速不变；当A侧坚硬物体被清除后，A侧铰刀头扭矩减小、转速增大，A侧输油管内油压降低、流速加快，电控中心检测到两侧的油压相差小于5％后，电控中心使B侧电子制动器停止制动，在电控中心和差速器的作用下，A侧铰刀头和B侧铰刀头保持同样的转速。

当B侧铰刀头遇到坚硬物体时，而A侧铰刀头没有遇到坚硬物体时，同样通过电控中心和差速器调节两侧的铰刀头的转速，调节步骤同上。

本发明中，电控中心采用单片机，单片机可以接受4个传感器的信号，并进行运算，还可以向电子制动器发送信号，驱动电子制动器；单片机也可通过设置相应的液压档位，流速档位以满足不同船舶在不同环境下的行驶要求。液压传感器、流速传感器可以分别收集其所在输油管的液压和流速并转化为电信号传送给电控中心。电子制动器为环装，可以接收信号，增大或减小对其所在半轴的摩擦力，实现对半轴转速的调整。

当A侧的铰刀头遇到坚硬物体时，A侧的扭矩会上升，转速会下降。扭矩上升造成液压变大，转速下降造成流速下降。当电控中心通过收集两侧传感器的信号监测到A侧转速比B侧转速相差所设定的档位时，会启动B侧的电子制动器来降低B侧半轴的转速，在差速器的作用下，B侧的动力会传递给A侧，A侧的流速会增加，转速会增加。当电控中心监测到两侧的流速差距在误差范围内时，此时电子制动器施加恒力不再变化。此时两侧转速大致相同，效率最大。

本发明的有益效果在于：

电控中心根据4个传感器传来的数据，控制两个半轴上的电子制动器，从而控制半轴的转速，并通过差速器调节两绞刀头之间的扭矩和转速比，从而调整两铰刀头的转速，以增加绞吸船的环境适应性和灵活性，可以大大提高船舶的机动性；

采用本装置后，双铰刀头的转速可以相互调节，在输入功率一定的情况下，提高绞吸效率，不会出现一侧铰刀头空转而另一侧缺少动力的情况，节约了能源；

减少了船舶轴系的震动，挺高了船舶乘坐的舒适性和安全性；

本装置结构简单，安装拆卸方便，制作成本低，便于推广应用；

本方法通过向电控中心的单片机输入相应程序就可实现控制转速的控制，方法简单实用。

附图说明

图1是基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置的结构示意图；

图2是差速器的结构示意图；

图3是基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配方法的流程图。

图中，1、主轴，2、差速器，3、电子制动器，4、半轴，5、液压油泵，6、输油管，7、液压传感器和流速传感器，8、液压马达，9、铰刀头；10、输入轴，11、主动锥形齿轮，12、齿圈，13、第一传动轴，14、外壳，15、差速器框，16、行星齿轮轴，17、侧齿轮，18、第二传动轴，19、小行星齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1，一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置，包括主轴1、差速器2、电控中心、2个电子制动器3(A侧环形电子制动器和B侧环形电子制动器)、2个半轴4(A侧半轴和B侧半轴)、2个液压油泵5(A侧液压油泵和B侧液压油泵)、2个输油管6(A侧输油管和B侧输油管)、2个液压马达(A侧液压马达和B侧液压马达)、2个液压传感器和流速传感器7(A侧液压传感器、A侧流速传感器、B侧液压传感器和B侧流速传感器)，主轴1的一端与发动机连接，主轴1的另一端与差速器2连接，差速器2的第一传动轴与A侧半轴连接，A侧半轴的另一端与A侧液压油泵连接，A侧液压油泵通过A侧输油管与A侧铰刀头的A侧液压马达连接，A侧液压马达驱动A侧铰刀头工作，A侧输油管与A侧半轴垂直；差速器2的第二传动轴与B侧半轴连接，B侧半轴的另一端与B侧液压油泵连接，B侧液压油泵通过B侧输油管与B侧铰刀头的B侧液压马达连接，B侧液压马达驱动B侧铰刀头工作，B侧输油管与B侧半轴垂直；A侧环形电子制动器嵌套在A侧半轴上，B侧环形电子制动器嵌套在B侧半轴上；A侧液压传感器、A侧流速传感器设置在A侧输油管内，B侧液压传感器、B侧流速传感器设置在B侧输油管内，4个传感器(A侧液压传感器、A侧流速传感器、B侧液压传感器和B侧流速传感器)将采集到的实时数据传递给电控中心，电控中心根据该数据控制两个半轴4上的电子制动器3，以控制两个铰刀头9的转速。

参见图2，差速器包括输入轴10、主动锥形齿轮11、齿圈12、第一传动轴13、外壳14、差速器框15、行星齿轮轴16、侧齿轮17、第二传动轴18和小行星齿轮19。差速器2内部存在小行星齿轮19可以协调两边半轴4的转速使其能以不同转速工作。

主轴1向差速器2输入动力后带动两侧半轴4转动，两侧半轴4上都安装着电子制动器3，电子制动器3受电控中心控制，可接受模拟信号，通过控制施加力的大小来改变相应半轴4的转速；两侧半轴4连接液压油泵5，液压油泵5在半轴4的驱动下给液压油一个恒定的油压和流速，液压油通过输油管6驱动液压马达8转动。两侧液压马达8分别驱动铰刀头9转动，使船舶作业。

当铰刀头工作时，电控中心可以同过收集两侧液压流速信号来判断出哪侧所需的动力多，电控中心根据计算结果来控制相应的电子制动器，在差速器的协调下，降低一侧半轴的转速来提高另一侧半轴的转速从而使两侧转速大致相同。该装置适用于复杂的地形，无论坚硬程度如何不均匀，总可以保持两侧转速大致相同，从而提高绞吸船工作效率，节约能源。

参见图3，一种采用上述基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置进行动力分配的方法，具体为：

首先要在电控中心选择相应的转速档位，一档是保持两侧铰刀头管路内流速百分之五，二挡是保持两侧铰刀头管路内流速相差百分之十，三挡是保持两侧铰刀头管路内流速相差百分之二十；不同的档位对应着不同的工作目标，档位越高对应着绞吸船工作速度的增加，但会导致工作效果变差，反之亦然；

装置运转后，主轴开始恒速转动；正常情况下，A、B两侧铰刀头都以相同的转速进行工作，与此同时电控中心通过液压传感器和流速传感器持续监测两侧的油压信号与流速信号。

当A侧铰刀头遇到坚硬环境时，A侧铰刀头转速会降低同时扭矩会增大，进而输油管油压升高，流速降低，而B侧铰刀转速扭矩不变；电控中心接收两侧流速传感器监测到的信号后经过计算判断其是否满足程序所设定的档位，当满足时，电控中心会向B侧的电子制动器发送模拟信号，使电子制动器持续收紧、增大对其相应半轴的摩擦力，造成B侧半轴转速持续下降而使动力由差速器向A侧半轴输出；当电控中心通过流速传感器监测到两侧的流速差值下降到合理的档位范围之内时，电控中心向电子制动器传输信号，让电子制动器施加恒力，保持铰刀头转速不变，实现工作效率最大化；

当A侧坚硬物体被清除后，铰刀头扭矩减小，转速增加，进而液压降低，流速加快；电控中心监测到两侧油压相差小于5％后，电控中心向电子制动器传输信号，停止电子制动器的制动作用；使B侧转速恢复，最后通过差速器的调节作用使两个半轴转速相同，继续高效工作。

当B侧铰刀头遇到坚硬环境时，B侧铰刀头转速会降低同时扭矩会增大，进而输油管油压升高，流速降低，而A侧铰刀转速扭矩不变；电控中心接收两侧流速传感器监测到的信号后经过计算判断其是否满足程序所设定的档位，当满足时，电控中心会向A侧的电子制动器发送模拟信号，使电子制动器持续收紧、增大对其相应半轴的摩擦力，造成A侧半轴转速持续下降而使动力由差速器向B侧半轴输出；当电控中心通过流速传感器监测到两侧的流速差值下降到合理的档位范围之内时，电控中心向电子制动器传输信号，让电子制动器施加恒力，保持铰刀头转速不变，实现工作效率最大化；

当B侧坚硬物体被清除后，铰刀头扭矩减小，转速增加，进而液压降低，流速加快；电控中心监测到两侧油压相差小于5％后，电控中心向电子制动器传输信号，停止电子制动器的制动作用；使A侧转速恢复，最后通过差速器的调节作用使两个半轴转速相同，继续高效工作。

本发明中，流速传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件组成，一般放在入水口，当水流过转子组件时，水流带动转子转动，转子转速随着流速成线性变化。转子在转的过程中会切割磁感线产生高低电平，然后霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给电控中心。电控中心中设置相应的定时/计数器中断，计时器设置为1s，计数器记录在这1s内的脉冲数，算出频率f＝n/t。由于n与f成正比，f与转子转速w成正比，转子转速与流速成正比，即可算出流速。(具体频率流速转换公式视传感器而定)

液压传感器的工作原理是压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化；用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准电压信号。由于电压信号是模拟信号，所以需要将输入的电压信号进行A/D转换得到数字信号送到电控中心，电控中心再将输入的数字信号转换成十进制的电压V。计算出的电压值V按照公式Va/Vb＝Fa/Fb转换成相应的压力Fa，其中，Va为液压传感器实时采集的压力输出的电压值，Fa为液压传感器输出信号Va转换后的压力值，Fb、Vb为标准对照值。

计算流速差时，由于转子频率与流速成正比，频率f与脉冲数n成正比，直接比较脉冲数就可以算出流速的差值，同理计算液压差直接比较电压信号V。单片机接收信号并计算出V0＝|(V1-V2)/V1|和n0＝|(n1-n2)/n1|的大小来分别代表液压差和流速差，其中V1为A侧液压传感器输出的电压值，V2为B侧液压传感器输出的电压值，n2为B侧流速传感器转子的脉冲数，n1为A侧流速传感器转子的脉冲数。

表1

电控中心根据计算结果会对流速大液压小一侧的电子制动器持续输出脉冲信号，具体操作参见表1，表1为电子制动器工作状态表。当前档位是启动装置时在电控中心选择档位(1\2\3)，一档是保持两侧铰刀头管路内流速相差5％，二挡是保持两侧铰刀头管路内流速相差10％，三挡是保持两侧铰刀头管路内流速相差20％；不同的档位对应着不同的工作目标，档位越高对应着绞吸船工作速度的增加，但会导致工作效果变差，反之亦然；

在实际工作过程中，首先要选择合适的档位(档位越高表示工作速度快，但工作效果变差)。如对工作的效果要求较高则选择一档(A、B两侧铰刀头管路内流速差为5％)。当选择一档时：工作开始后电控中心实时检测A、B两侧的流速和液压参数并计算出两侧的流速差和液压差，如计算到A侧的流速比B侧低10％(高于5％的设定值)，同时A侧液压比B侧高8％(高于5％的设定值)，说明A侧铰刀头遇见坚硬物体；此时电控中心会启动B侧(液压小转速大一侧)的电子制动器，使其一直增加作用力直到流速差符合设置的档位，这里是一档，保证两侧流速差小于5％(当设定的是二档和三档时，选择二档时，保证两侧流速差小于10％；选择三档时，保证两侧流速差小于20％)；在这一过程中B侧动力会通过差速器向A侧输送。之后当检测到A、B两侧液压差小于5％时，说明A侧坚硬物体已被清除，此时电控中心会关闭B侧的电子制动器。恢复正常的工作状态。

值得说明的是：档位选择后只有当电控中心检测到A、B两侧的流速差和液压差同时满足条件时，电子制动器才会进入工作状态(在选择一档时，如A、B两侧流速相差6％，但是液压只相差4％，此时电子制动器不工作)；电子制动器在施加恒力的过程中，只要电控中心检测到A、B两侧液压差小于5％，电子制动器就会停止工作。

二档和三档与一档的差别在于启动电子制动器工作时的条件不同。一档是在两侧流速差大于5％，同时液压差大于5％；二档是两侧流速差大于10％，同时液压差大于5％；三档是两侧流速差大于20％，同时液压差大于5％。三种档位下电子制动器结束工作时的条件相同，都为两侧液压差小于5％。

以上所述是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理前提下，对本发明的技术方案可以做若干适合情况的改进。因此，本发明的保护范围不限于此，本领域中的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性的变更包括在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置，其特征在于：包括与发动机连接的主轴，所述主轴与差速器连接，所述差速器的传动轴分别与A、B侧铰刀头的传动装置连接；

所述传动装置包括与差速器的传动轴连接的半轴，半轴的另一端与液压油泵连接，所述液压油泵通过输油管与铰刀头的液压马达连接，液压马达驱动铰刀头工作；所述输油管与半轴垂直；

两个半轴上分别设有电子制动器，两个输油管内分别设有液压传感器和流速传感器，液压传感器和流速传感器将采集到的数据传递给电控中心，电控中心根据该数据控制两个半轴上的电子制动器，以控制两个铰刀头的转速。

2.如权利要求1所述的基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置，其特征在于：所述电子制动器为环形电子制动器。

3.一种采用权利要求1-2中任一所述的基于差速器的绞吸船双绞刀头动力分配装置进行动力分配的方法，其特征在于：通过两个输油管上的液压传感器和流速传感器将实时采集的数据传递给电控中心，电控中心根据该数据进行计算和判断，根据该判断控制两个半轴上的电子制动器，从而控制两个铰刀头的转速，再通过差速器调节两个铰刀头的转速；具体为：

当A侧铰刀头遇到坚硬物体时，A侧铰刀头的转速会降低，扭矩会增大，A侧输油管内油压升高，流速降低，A侧液压传感器采集的液压油的油压升高和A侧流速传感器采集的液压油的流速降低；B侧铰刀头的转速和扭矩不变，B侧液压传感器采集的液压油的油压和B侧流速传感器采集的液压油的流速不变；电控中心接收到4个传感器传来的数据后进行计算和判断；电控中心根据判断会向B侧电子制动器发送模拟信号，使B侧电子制动器持续收紧，增大对其相应半轴的摩擦力，B侧半轴转速持续下降从而使动力由差速器向A侧半轴输出；当电控中心通过流速传感器检测到两侧的液压油的流速差值下降到合理档位范围时，电控中心使两侧的电子制动器施加恒力，保持两侧铰刀头的转速不变；当A侧坚硬物体被清除后，A侧铰刀头扭矩减小、转速增大，A侧输油管内油压降低、流速加快，电控中心检测到两侧的油压相差小于5％后，电控中心使B侧电子制动器停止制动，在电控中心和差速器的作用下，A侧铰刀头和B侧铰刀头保持同样的转速。