CN105485066A - 一种掘进机电液混合动力驱动系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种掘进机电液混合动力驱动系统及控制方法，属于掘进机械领域，它包括主电机，主电机通过减速器、截割臂与截割头连接并与液压泵/马达连接，补油电机与补油泵连接，补油泵与蓄能器、溢流阀、压力传感器连通；油箱经过第一单向阀后通过管路与补油泵的进油口、二位二通电磁换向阀的进油口连接，二位二通电磁换向阀与蓄能器、溢流阀及压力传感器连通，溢流阀的出油口与油箱接通；压力传感器检测蓄能器的压力，将输出的信号传递给控制器；转速传感器检测主电机的转速，将转速信号传递给控制器和变频器。本发明在掘进过程中遇到障碍物，能够顺利克服工作中的峰值载荷，提高了掘进机的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及掘进机械领域，具体是利用电机变频技术结合液压泵/马达组成的混合动力驱动系统，实现对掘进过程中峰值载荷的克服。
背景技术
掘进机主要用于矿山及地下工程中的巷道掘进，由于掘进机具有掘进速度快、巷道成型和稳定性好、利于支护、工程量小、劳动强度低、生产安全等优点，掘进机越来越多的用于城市道路交通、铁路、公路、水利、市政工程等建设事业中。
由于掘进机工作在复杂、恶劣的工作环境中，工作环境中的岩石等障碍物会使得掘进机刀盘的工作负载瞬间增大，传统的方法是此时让电机在较大的功率下工作，待克服峰值载荷后，电机重新回归低功率工作，这样的频繁切换严重影响了电机的正常工作寿命。
发明内容
为了避免掘进机工作过程中峰值载荷现象，本发明提供一种掘进机电液混合动力驱动系统及控制方法，同时该系统可实现主电机快速启停，降低主电机功率，还可实现能量回收的功能，达到节能减排的效果，靠近截割部的蓄能器还可以起到缓冲吸震的作用。
为了实现上述的目的，本发明采取如下技术方案：一种掘进机电液混合动力驱动系统及控制方法，其特征是：主电机通过第一联轴器与减速器连接，减速器与截割臂连接，截割臂通过花键将动力传递给截割头；主电机的另一轴端通过第二联轴器与液压泵/马达连接，液压泵/马达的两个进、出油口PA和PB液压换向回路的工作油口A、B连接。补油电机通过第三联轴器与补油泵连接，补油泵的出油口经过第二单向阀后，通过管路与液压换向回路的进油口P、蓄能器的进油口、溢流阀的进油口及压力传感器的进油口连通，液压换向回路的回油口接油箱；油箱经过第一单向阀后，通过管路与补油泵的进油口、二位二通电磁换向阀的进油口连接，二位二通电磁换向阀的出油口与蓄能器的进油口、溢流阀的进油口及压力传感器的进油口连通，溢流阀的出油口与油箱接通。压力传感器检测蓄能器的压力，将输出的信号传递给控制器；转速传感器检测主电机的转速，将转速信号n传递给控制器和变频器；电流传感器检测主电机的电流，将电流信号传递给控制器。控制器的输出端通过导线分别与液压换向回路的控制端、变频器的控制端、补油电机的控制端、二位二通电磁换向阀的控制端连接。
本发明采用上述系统实现克服掘进机工作过程中的峰值载荷，同时实现其他所述功能。所述控制方法如下:在截割头启动工作前，通过控制器向补油电机发出指令信号，使得补油电机启动工作，带动补油泵向蓄能器补充压力油，当压力传感器检测蓄能器压力到达设定值，控制器控制补油电机停止工作。
在截割头启动工作时，控制器向变频器发出指令信号，主电机开始启动；同时控制器向液压换向回路发出指令信号，使得蓄能器压力油与液压泵/马达的第一油口接通，通过液压泵/马达的第二油口与液压换向回路的T口连通回油箱，此时液压泵/马达处于马达工作状态，马达的输出扭矩与主电机一致，辅助主电机快速启动，驱动截割头快速启动工作；
当截割头达到稳定工作状态，转速传感器检测主电机转速达到变频器的设定值，控制器向液压换向回路发出指令信号，使得蓄能器断开与液压泵/马达的连接，蓄能器停止输出压力油，液压泵/马达的两个油口均与油箱连通，液压泵/马达不对主电机产生任何影响；
当截割头在工作过程中遇到障碍物，产生峰值载荷，电流传感器检测到主电机的电流超过设定值，控制器向液压换向回路发出指令信号，使得蓄能器压力油与液压泵/马达的第一油口接通，通过液压泵/马达的第二油口与液压换向回路的T口连通回油箱，此时液压泵/马达处于马达工作状态，马达的输出扭矩与主电机一致，辅助掘进机克服峰值载荷；
在掘进机渡过峰值载荷，电流传感器检测到主电机的电流小于设定值，控制器向液压换向回路发出指令信号，使得蓄能器断开与液压泵/马达的连接，蓄能器停止输出压力油，液压泵/马达的两个油口均与T口油箱连通，液压泵/马达不对主电机产生任何影响；
当截割头制动时，控制器向变频器发出指令信号，控制主电机制动减速；同时控制器向液压换向回路发出指令信号，使得液压泵/马达的第二油口与蓄能器接通，液压泵/马达的第一油口与油箱接通，此时液压泵/马达处于液压泵工作状态，在主电机的带动下，将油箱的油液泵入到蓄能器中，蓄能器成为主电机的负载，实现辅助主电机快速制动，截割头快速制动；
在制动结束后，控制器向液压换向回路发出指令信号，使得蓄能器断开与液压泵/马达的连接，停止向蓄能器补充压力油，液压泵/马达的两个油口均与油箱连通；通过控制器向补油电机发出指令信号，使得补油电机启动工作；
由于能量损失的存在，截割头制动过程中主电机向蓄能器补充的压力油总是少于启动时消耗的压力油。故在制动结束后，同时控制器向二位二通电磁换向阀发出指令，使二位电磁换向阀连通，蓄能器的高压油通过管路与补油泵的进油口连通，辅助补油泵快速启动，减小补油电机的启动功率；补油泵向蓄能器补充压力油，当压力传感器检测蓄能器压力到达设定值，控制器控制补油电机停止工作，蓄能器为下次截割头启动工作做好准备。
本发明可以增加专用的补油电机和补油泵，也可以利用原有的液压系统的电机、液压泵来起到为蓄能器补油的效果。
所述蓄能器可以为一个蓄能器，也可使用蓄能器组。
所述系统由控制器集中控制。
本发明采用电机、液压泵/马达混合驱动的方法。较传统单一的电机驱动，在掘进过程中，当遇到岩石等障碍物，主电机和液压泵/马达同时驱动截割头，可使掘进机顺利克服工作中的峰值载荷，提高了掘进机的可靠性；在截割头开始启动时，蓄能器驱动液压马达，配合主电机可以使截割头快速启动，同时降低了主电机的功率；当截割头制动时，控制器向变频器发送指令使主电机制动，此时蓄能器做主电机的负载，使截割头快速制动；在制动过程中，液压泵/马达为液压泵工作状态，主电机带动液压泵为蓄能器充能，回收制动能量，同时这部分能量用于下次截割头启动时，起到了节能的效果；蓄能器在靠近截割头的位置，起到了吸震功效。
附图说明
图1是本发明一种掘进机电液混合动力驱动系统及控制方法原理示意图；
图中：1：控制器；2：变频器；3：补油电机；4：第三联轴器；5：油箱；6：第一单向阀；7：补油泵；8：第二单向阀；9：二位二通电磁换向阀；10：溢流阀；11：液压控制系统；12：压力传感器；13：蓄能器；14：液压换向回路；15：液压泵/马达；16：第二联轴器；17：电流传感器；18：主电机；19：转速传感器；20：第一联轴器；21：减速器；22：截割臂；23：截割头。
A：液压换向回路14的第一工作油口；B：液压换向回路14的第二工作油口；P：液压换向回路14的进油口；T：液压换向回路14的回油口；PA：液压泵/马达15的第一油口；PB：液压泵/马达15的第二油口；n：主电机18的转速（转速传感器19的输出信号）；PX：蓄能器13的压力值（压力传感器12的输出信号）；i：主电机18的内部电流（电流传感器17的输出信号）。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明：
一种掘进机电液混合动力驱动系统及控制方法，主电机18通过第一联轴器20与减速器21连接，减速器21与截割臂22连接，截割臂22通过花键将动力传递给截割头23；主电机18的另一轴端通过第二联轴器16与液压泵/马达15连接，液压泵/马达15的进、出油口（PA和PB）与液压换向回路的工作油口A、B连接。补油电机3通过第三联轴器4与补油泵7连接，补油泵7的出油口经过第二单向阀8后，通过管路与液压换向回路14的进油口P、蓄能器13的进油口、溢流阀10的进油口及压力传感器12的进油口连通，液压换向回路14的回油口接油箱5；油箱5经过第一单向阀6后，通过管路与补油泵7的进油口、二位二通电磁换向阀9的进油口连接，二位二通电磁换向阀9的出油口与蓄能器13的进油口、溢流阀10的进油口及压力传感器12的进油口连通，溢流阀10的出油口与油箱5接通。压力传感器12检测蓄能器的压力，将输出的信号PX传递给控制器1；转速传感器19检测主电机的转速，将转速信号n传递给控制器1和变频器2；电流传感器17检测主电机的电流，将电流信号传递给控制器1。控制器1的输出端通过导线分别与液压换向回路的控制端、变频器的控制端、补油电机的控制端、二位二通电磁换向阀的控制端连接。
在截割头23启动工作前，通过控制器1向补油电机3发出指令信号，使得补油电机3启动工作，带动补油泵7向蓄能器13补充压力油，当压力传感器12检测蓄能器13压力到达设定值，控制器1控制补油电机3停止工作。
在截割头23启动工作时，控制器1向变频器2发出指令信号，主电机18开始启动；同时控制器1向液压换向回路14发出指令信号，使得蓄能器13压力油与液压泵/马达15的PA口接通，通过液压泵/马达15的PB口与液压换向回路14的T口连通回油箱，此时液压泵/马达15处于马达工作状态，马达的输出扭矩与主电机18一致，辅助主电机18快速启动，即驱动截割头23快速启动工作，同时由于液压马达的辅助工作，也降低了主电机18的启动功率。当截割头23达到稳定工作状态，转速传感器19检测主电机18转速达到变频器2的设定值，控制器1向液压换向回路14发出指令信号，使得蓄能器13断开与液压泵/马达15的连接，蓄能器13停止输出压力油，液压泵/马达15的进出油口PA、PB均与T口油箱连通，此时液压泵/马达15将不会对主电机18产生任何影响。
当截割头23在工作过程中遇到岩石等障碍物，产生峰值载荷，电流传感器17检测到主电机18的电流超过设定值，控制器1向液压换向回路14发出指令信号，使得蓄能器13压力油与液压泵/马达15的PA口接通，通过液压泵/马达15的PB口与液压换向回路14的T口连通回油箱，此时液压泵/马达15处于马达工作状态，马达的输出扭矩与主电机18一致，辅助掘进机克服峰值载荷。在掘进机渡过峰值载荷，电流传感器17检测到主电机18的电流小于设定值，控制器向液压换向回路14发出指令信号，使得蓄能器13断开与液压泵/马达15的连接，蓄能器13停止输出压力油，液压泵/马达15的进出油口PA、PB均与T口油箱连通，此时液压泵/马达15将不会对主电机18产生任何影响。
当截割头23制动时，控制器1向变频器2发出指令信号，控制主电机18制动减速；同时控制器1向液压换向回路14发出指令信号，使得液压泵/马达15的PB口与蓄能器13接通，液压泵/马达的PA口与油箱接通，此时液压泵/马达15处于液压泵工作状态，在主电机18的带动下，将油箱的油液泵入到蓄能器13中，蓄能器13成为主电机的负载，实现辅助主电机18快速制动，即截割头23快速制动。在制动结束后，控制器1向液压换向回路14发出指令信号，使得蓄能器13断开与液压泵/马达15的连接，停止向蓄能器13补充压力油，液压泵/马达15的进出油口PA、PB均与T口油箱连通。
由于能量损失的存在，截割头23制动过程中主电机18向蓄能器13补充的压力油总是少于启动时消耗的压力油。故在制动结束后，通过控制器1向补油电机3发出指令信号，使得补油电机3启动工作；同时控制器1向二位二通电磁换向阀9发出指令，使二位电磁换向阀9连通，此时蓄能器12的高压油通过管路与补油泵7的进油口连通，辅助补油泵7快速启动，减小补油电机3的启动功率。补油泵7向蓄能器13补充压力油，当压力传感器12检测蓄能器13压力到达设定值，控制器1控制补油电机3停止工作，蓄能器13为下次截割头23启动工作做好准备。
Claims (2)
1.一种掘进机电液混合动力驱动系统，其特征是：主电机的一轴端通过第一联轴器与减速器连接，减速器与截割臂连接，截割臂通过花键将动力传递给截割头；主电机的另一轴端通过第二联轴器与液压泵/马达连接，液压泵/马达的进、出油口分别和液压换向回路的工作油口连接，补油电机通过第三联轴器与补油泵连接，补油泵的出油口经过第二单向阀后通过管路与液压换向回路的进油口、蓄能器的进油口、溢流阀的进油口及压力传感器的进油口连通，液压换向回路的回油口接油箱；油箱经过第一单向阀后通过管路与补油泵的进油口、二位二通电磁换向阀的进油口连接，二位二通电磁换向阀的出油口与蓄能器的进油口、溢流阀的进油口及压力传感器的进油口连通，溢流阀的出油口与油箱接通；压力传感器检测蓄能器的压力，将输出的信号传递给控制器；转速传感器检测主电机的转速，将转速信号传递给控制器和变频器；电流传感器检测主电机的电流，将电流信号传递给控制器；控制器的输出端通过导线分别与液压换向回路的控制端、变频器的控制端、补油电机的控制端、二位二通电磁换向阀的控制端连接。
2.根据权利要求1所述一种掘进机电液混合动力驱动系统，其特征是：它的控制方法是在截割头启动工作前，通过控制器向补油电机发出指令信号，使得补油电机启动工作，带动补油泵向蓄能器补充压力油，当压力传感器检测蓄能器压力到达设定值，控制器控制补油电机停止工作；
在截割头启动工作时，控制器向变频器发出指令信号，主电机开始启动；同时控制器向液压换向回路发出指令信号，使得蓄能器压力油与液压泵/马达的第一油口接通，通过液压泵/马达的第二油口与液压换向回路的回油口连通回油箱，此时液压泵/马达处于马达工作状态，马达的输出扭矩与主电机一致，辅助主电机快速启动，即驱动截割头快速启动工作；
当截割头达到稳定工作状态，转速传感器检测主电机转速达到变频器的设定值，控制器向液压换向回路发出指令信号，使得蓄能器断开与液压泵/马达的连接，蓄能器停止输出压力油，液压泵/马达的两个油口均与回油箱连通，液压泵/马达不对主电机产生任何影响；
当截割头在工作过程中遇到障碍物，产生峰值载荷，电流传感器检测到主电机的电流超过设定值，控制器向液压换向回路发出指令信号，使蓄能器压力油与液压泵/马达的第一油口接通，通过液压泵/马达的第二油口与液压换向回路的回油口连通到回油箱，液压泵/马达处于马达工作状态，马达的输出扭矩与主电机一致，辅助掘进机克服峰值载荷；
在掘进机渡过峰值载荷，电流传感器检测到主电机的电流小于设定值，控制器向液压换向回路发出指令信号，使蓄能器断开与液压泵/马达的连接，蓄能器停止输出压力油，液压泵/马达的两个油口均与回油箱连通，液压泵/马达不对主电机产生任何影响；
当截割头制动时，控制器向变频器发出指令信号，控制主电机制动减速；同时控制器向液压换向回路发出指令信号，使得液压泵/马达的第二油口与蓄能器接通，液压泵/马达的第一油口与油箱接通，液压泵/马达处于液压泵工作状态，在主电机的带动下，将油箱的油液泵入到蓄能器中，蓄能器成为主电机的负载，实现辅助主电机快速制动，截割头快速制动；在制动结束后，控制器向液压换向回路发出指令信号，使蓄能器断开与液压泵/马达的连接，停止向蓄能器补充压力油，液压泵/马达的两个油口均与回油箱连通；
通过控制器向补油电机发出指令信号，使补油电机启动工作；同时控制器向二位二通电磁换向阀发出指令，使二位电磁换向阀连通，蓄能器的高压油通过管路与补油泵的进油口连通，辅助补油泵快速启动，减小补油电机的启动功率；补油泵向蓄能器补充压力油，当压力传感器检测蓄能器压力到达设定值，控制器控制补油电机停止工作，蓄能器为下次截割头启动工作做好准备。
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