CN110436343A - 蓄电池单轨吊电液复合驱动系统及驱动轮自适应夹紧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池单轨吊电液复合驱动系统及驱动轮自适应夹紧方法，适用于单轨吊上使用。包括变频动力单元、闭式驱动单元、比例夹紧单元和测控单元，其中变频动力单元与闭式驱动单元串联，并为闭式驱动单元提供动力，比例夹紧单元并联于闭式驱动单元的高低压回路之间，并为驱动轮组提供可控的夹紧力；控制系统用于调节单轨吊的行走速度，并实现夹紧力的自适应控制。本发明还公开了驱动轮的自适应夹紧方法，可根据不同工况调节驱动轮的夹紧力，可有效提高蓄电池单轨吊的驱动能力及驱动效率，减少驱动轮的磨损，并提高驱动系统的适应性。

Description

蓄电池单轨吊电液复合驱动系统及驱动轮自适应夹紧方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池单轨吊电液复合驱动系统及驱动轮自适应夹紧方法，尤其适用于单轨吊上使用的蓄电池单轨吊电液复合驱动系统及驱动轮自适应夹紧方法。

背景技术

单轨吊车是一种高效的煤矿辅助运输设备，用于煤矿井下人员、材料、设备等的辅助运输，具有不跑车、不掉道、不受底板影响等优点，在煤矿辅助运输系统中有着广阔的应用前景。

目前，单轨吊按牵引动力不同可分为绳牵引、柴油机牵引、蓄电池牵引三种形式。绳牵引单轨吊使用牵引绞车来牵引单轨吊行走，难以应用于多道岔、长距离的运输；柴油机单轨吊及蓄电池单轨吊主要采用摩擦驱动，即依靠驱动轮与导轨间的摩擦力来驱动单轨吊行走。柴油机单轨吊是目前应用最广泛的单轨吊，其以柴油发动机为动力，采用液压驱动，经过柴油机-变量泵-液压马达-驱动轮等环节，具有爬坡能力强（爬坡倾角可达30度），驱动单元体积小、多点驱动协调的优点，但也存在噪音大、尾气排放污染环境、变量泵故障率高且成本高等缺点；蓄电池单轨吊是新型绿色煤矿辅助运输装备，其以蓄电池为动力，采用电动机驱动，经过蓄电池-电动机-传动箱-驱动轮等环节，具有噪声低、无污染、发热量小等优点。但目前蓄电池单轨吊还存在牵引力小、爬坡能力弱（一般爬坡倾角小于20度）、驱动单元体积大、多点驱动不协调等突出问题，限制了其应用范围。

单轨吊的行走驱动依靠驱动轮与导轨之间的摩擦力，而驱动轮与导轨之间的夹紧力决定了单轨吊驱动性能。目前，为使单轨吊在各种工况下均具有足够的驱动力，往往设置较大的夹紧力，其一方面导致驱动轮磨损严重，需要频繁更换驱动轮，造成较高的维护成本；另一方面造成较大的驱动力，导致系统的驱动效率低下，能耗过高；另外，驱动轮的夹紧力通常恒定设置，无法自适应轻载/装载、有水/无水、多尘/少尘等不同环境，导致驱动系统对不同工况的适应性较差。

发明内容

针对上述技术中的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，驱动能力高，工况适应性好，能耗低的蓄电池单轨吊电液复合驱动系统及驱动轮自适应夹紧方法。

为达到上述目的，本发明的蓄电池单轨吊电液复合驱动系统，它包括变频动力单元、闭式驱动单元、比例夹紧单元和测控单元，其中变频动力单元与闭式驱动单元串联，为闭式驱动单元提供动力，比例夹紧单元并联于闭式驱动单元的高低压回路之间，并为驱动轮组提供可控夹紧力；

所述的变频动力单元包括通过电缆顺序连接的蓄电池、变频器和调速电机，蓄电池提供直流电源，变频器将直流电逆变为频率可变的三相交流电以控制调速电机的转速；

所述的闭式驱动单元包括主定量泵、辅助定量泵、控制阀组以及液压驱动器，调速电机与主定量泵机械连接，主定量泵与液压驱动器通过管路连接，液压驱动器包括液压马达和受其驱动的驱动轮，且液压马达和驱动轮组成的液压驱动器成对设置，主定量泵与液压马达组成闭式回路，主定量泵的出油口与液压马达的进油口相连，主定量泵的进油口与液压马达的出油口相连，辅助定量泵与主定量泵同轴连接，为闭式回路补油，控制阀组并联于闭式回路的高低管路之间，控制阀组由溢流阀、液控换向阀组成；

所述的比例夹紧单元包括梭阀、比例减压阀和夹紧油缸，其中梭阀的输入端分别连接闭式回路的高低管路之间，梭阀与管低压管路的两个油口并联设置，中间油口取两个油口中的高压，梭阀的中间油口作为输出端与比例减压阀的进口相连接，夹紧油缸为单作用油缸，夹紧油缸的有杆腔内设有弹簧，通过夹紧油缸使驱动轮挤压导轨（106）从而产生驱动单轨吊行走的摩擦力，比例减压阀的输出端与夹紧油缸的无杆腔相连接。

所述的测控单元包括控制器、转速编码器、拉力传感器、线速度传感器；控制器的输入端分别与转速编码器、拉力传感器和线速度传感器的输出端相连接，控制器的输出端与比例减压阀相连接，控制器还通过CAN 总线与变频器连接；

转速编码器设置在液压马达与驱动轮之间的输出轴上用以测量驱动轮的旋转速度；拉力传感器串联在单轨吊的驱动部与拉杆之间用以测量驱动部的的牵引力；线速度传感器设置在单轨吊驱动部上用以测量单轨吊的行驶速度；控制器通过CAN 总线与变频器连接控制变频器的输出频，控制器通过电缆与比例减压阀连接；控制器根据收到的操作指令调节单轨吊的运行速度，控制器根据负载大小调节夹紧油缸的夹紧力，控制器型号为 PLC1200。

一种蓄电池单轨吊电液复合驱动系统的驱动轮自适应夹紧方法，其包括以下步骤：

1）调速运行：收到根据单轨吊运行速度指令，变频器改变输出频率控制调速电机和主定量泵的转速，从而改变主定量泵的输出流量，最终调节液压马达转速和驱动轮的转速控制单轨吊的运行速度；

2）确定基本夹紧力：利用拉力传感器测量驱动部的牵引力，然后将测量到的牵引力输入牵引力与夹紧力关系的函数模型，以确定基本夹紧力；

3）测量速度误差：通过线速度传感器测量单轨吊的实际运行速度，通过转速编码器测量驱动轮的转速，再根据驱动轮直径换算成单轨吊的理论运行速度，将单轨吊的理论运行速度和单轨吊的实际运行速度进行比较最终得出运行速度误差值；

4）微调夹紧力：运行速度误差值经过运算PID后由控制器输出控制信号至比例减压阀，其中P为比例、I为积分、D为微分，控制信号随误差指的增大而增大，减小而减小，在基本夹紧力的基础上进一步调节夹紧油缸210的夹紧力，若速度误差超过设定误差则增大夹紧力，如果速度误差在设定误差之内，则保持现有夹紧力不变，从而实现驱动轮105（）夹紧力的自适应调节。

有益效果

本发明提供的蓄电池单轨吊的电液复合驱动系统，将柴油机单轨吊的液压驱动系统和蓄电池单轨吊的电驱动系统的优势结合，既具有液压驱动系统的驱动能力大、体积小、多点协同驱动的优势，又具有电驱动系统的无尾气排放、环保清洁的优势；利用调速电机+定量泵代替变量泵，提高了泵控的可靠性；通过比例减压阀控制夹紧力，实现了驱动轮夹紧力的连续调节；采用自适应控制方法将夹紧力控制在合理范围内，减少了驱动轮的磨损，提高了驱动效率，并使驱动系统可适应不同的工况，同时粗调与微调相结合的控制策略，可提高夹紧力调节的响应速度，减少夹紧力的超调。

附图说明

图1是本发明的电动单轨吊系统示意图

图2是本发明的驱动部示意图

图3是本发明的蓄电池牵引单轨吊的电液复合驱动系统的液压原理图

图4是本发明的测控单元结构示意图

图5是本发明的驱动轮自适应夹紧的流程

图中：101-驾驶室，102-动力机组，103-驱动部，104-拉杆，105-驱动轮，106-导轨，201-蓄电池，202-变频器，203-调速电机，204-主定量泵，205-辅助定量泵，206-控制阀组，207-梭阀，208-液压马达，209-比例减压阀，210-夹紧油缸，211-控制器，212-转速编码器，213-拉力传感器，214-线速度传感器

具体实施方案：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1和2所示，柴油机单轨吊主要包括驾驶室101，动力机组102，驱动部103，驱动部之间通过拉杆104连接，而驱动部103主要包括液压马达208、驱动轮105、夹紧油缸210，其中驱动轮105由液压马达208驱动，在加紧油缸210加紧力的作用下，驱动轮105压紧导轨106并产生摩擦力，以牵引整个单轨吊沿导轨106运行。

在柴油机单轨吊液压驱动系统的基础上，以蓄电池为动力，采用变频液压技术及比例控制技术，本发明提供一种蓄电池单轨吊的电液复合驱动系统，其具有柴油机单轨吊的液压驱动系统和蓄电池单轨吊的电驱动系统的优势。

如图3所示，本发明的蓄电池单轨吊的电液复合驱动系统，包括变频动力单元、闭式驱动单元、比例夹紧单元和测控单元，其中变频动力单元与闭式驱动单元串联，为闭式驱动单元提供动力，比例夹紧单元并联于闭式驱动单元的高低压回路之间，并为驱动轮组提供可控夹紧力；

所述的变频动力单元包括通过电缆顺序连接的蓄电池201、变频器202和调速电机203，蓄电池201提供直流电源，变频器202将直流电逆变为频率可变的三相交流电以控制调速电机203的转速；

所述的闭式驱动单元包括主定量泵204、辅助定量泵205、控制阀组206以及液压驱动器，调速电机203与主定量泵204机械连接，主定量泵204与液压驱动器通过管路连接，液压驱动器包括液压马达208和受其驱动的驱动轮105，且液压马达208和驱动轮105组成的液压驱动器成对设置，主定量泵204与液压马达208组成闭式回路，主定量泵204的出油口与液压马达208的进油口相连，主定量泵204的进油口与液压马达208的出油口相连，通过调速电机203控制主定量泵204的转速改变主定量泵204的流量，从而调节液压马达208转速和驱动轮105的转速，进而调节单轨吊的行走速度；辅助定量泵205与主定量泵204同轴连接，为闭式回路补油，控制阀组206并联于闭式回路的高低管路之间，具有安全保护、热交换的作用，以保证该闭式回路能够正常运行，控制阀组206由溢流阀、液控换向阀组成；

如图4所示，所述的比例夹紧单元包括梭阀207、比例减压阀209和夹紧油缸210，其中梭阀207的输入端分别连接闭式回路的高低管路之间，梭阀207与管低压管路的两个油口并联设置，中间油口取两个油口中的高压，梭阀207的中间油口作为输出端与比例减压阀209的进口相连接，夹紧油缸210为单作用油缸，夹紧油缸210的有杆腔内设有弹簧，通过夹紧油缸210使驱动轮105挤压导轨106从而产生驱动单轨吊行走的摩擦力，比例减压阀209的输出端与夹紧油缸210的无杆腔相连接，利用比例减压阀209控制进入夹紧油缸210的油压，从而调节驱动轮105的夹紧力，以适应不同的负载和工况。所述的测控单元包括控制器211、转速编码器212、拉力传感器213、线速度传感器214；其中控制器211的输入端分别与转速编码器212、拉力传感器213和线速度传感器214的输出端相连接，控制器211的输出端与比例减压阀209相连接，控制器211还通过CAN 总线与变频器202连接；转速编码器212设置在液压马达208与驱动轮105之间的输出轴上，用以测量驱动轮105的旋转速度；拉力传感器213串联在单轨吊的驱动部103与拉杆104之间用以测量驱动部103的的牵引力；线速度传感器214设置在单轨吊驱动部103上用以测量单轨吊的行驶速度；控制器211通过CAN 总线与变频器202连接控制变频器的输出频，控制器211通过电缆与比例减压阀209连接；控制器211根据收到的操作指令调节单轨吊的运行速度，控制器211根据负载大小调节夹紧油缸210的夹紧力，控制器型号为 PLC1200。

如图5所示，一种蓄电池单轨吊的驱动轮自适应夹紧方法，其包括以下步骤：

1）调速运行：收到根据单轨吊运行速度指令，变频器202改变输出频率控制调速电机203和主定量泵204的转速，从而改变主定量泵204的输出流量，最终调节液压马达208转速和驱动轮105的转速控制单轨吊的运行速度；

2）确定基本夹紧力：利用拉力传感器213测量驱动部103的牵引力，然后将测量到的牵引力输入牵引力与夹紧力关系的函数模型，以确定基本夹紧力；

3）测量速度误差：通过线速度传感器214测量单轨吊的实际运行速度，通过转速编码器212测量驱动轮105的转速，再根据驱动轮105直径换算成单轨吊的理论运行速度，将单轨吊的理论运行速度和单轨吊的实际运行速度进行比较最终得出运行速度误差值；

4）微调夹紧力：运行速度误差值经过运算PID后由控制器211输出控制信号至比例减压阀209，其中P为比例、I为积分、D为微分，控制信号随误差指的增大而增大，减小而减小，在基本夹紧力的基础上进一步调节夹紧油缸210的夹紧力，若速度误差超过设定误差则增大夹紧力，如果速度误差在设定误差之内，则保持现有夹紧力不变，从而实现驱动轮105夹紧力的自适应调节。

Claims (4)

1.一种蓄电池单轨吊电液复合驱动系统，其特征在于：它包括变频动力单元、闭式驱动单元、比例夹紧单元和测控单元，其中变频动力单元与闭式驱动单元串联，为闭式驱动单元提供动力，比例夹紧单元并联于闭式驱动单元的高低压回路之间，并为驱动轮组提供可控夹紧力；

所述的变频动力单元包括通过电缆顺序连接的蓄电池（201）、变频器（202）和调速电机（203），蓄电池（201）提供直流电源，变频器（202）将直流电逆变为频率可变的三相交流电以控制调速电机（203）的转速；

所述的闭式驱动单元包括主定量泵（204）、辅助定量泵（205）、控制阀组（206）以及液压驱动器，调速电机（203）与主定量泵（204）机械连接，主定量泵（204）与液压驱动器通过管路连接，液压驱动器包括液压马达（208）和受其驱动的驱动轮（105），且液压马达（208）和驱动轮（105）组成的液压驱动器成对设置，主定量泵（204）与液压马达（208）组成闭式回路，主定量泵（204）的出油口与液压马达（208）的进油口相连，主定量泵（204）的进油口与液压马达（208）的出油口相连，辅助定量泵（205）与主定量泵（204）同轴连接，为闭式回路补油，控制阀组（206）并联于闭式回路的高低管路之间，控制阀组（206）由溢流阀、液控换向阀组成；

所述的比例夹紧单元包括梭阀（207）、比例减压阀（209）和夹紧油缸（210），其中梭阀（207）的输入端分别连接闭式回路的高低管路之间，梭阀（207）与管低压管路的两个油口并联设置，中间油口取两个油口中的高压，梭阀（207）的中间油口作为输出端与比例减压阀（209）的进口相连接，夹紧油缸（210）为单作用油缸，夹紧油缸（210）的有杆腔内设有弹簧，通过夹紧油缸（210）使驱动轮（105）挤压导轨（106）从而产生驱动单轨吊行走的摩擦力，比例减压阀（209）的输出端与夹紧油缸（210）的无杆腔相连接。

2.根据权利要求1所述的蓄电池单轨吊电液复合驱动系统，其特征在于：所述的测控单元包括控制器（211）、转速编码器（212）、拉力传感器（213）、线速度传感器（214）；控制器（211）的输入端分别与转速编码器（212）、拉力传感器（213）和线速度传感器（214）的输出端相连接，控制器（211）的输出端与比例减压阀（209）相连接，控制器（211）还通过CAN 总线与变频器（202）连接。

3.根据权利要求1所述的蓄电池单轨吊电液复合驱动系统，其特征在于：转速编码器（212）设置在液压马达（208）与驱动轮（105）之间的输出轴上用以测量驱动轮（105）的旋转速度；拉力传感器（213）串联在单轨吊的驱动部（103）与拉杆（104）之间用以测量驱动部（103）的的牵引力；线速度传感器（214）设置在单轨吊驱动部（103）上用以测量单轨吊的行驶速度；控制器（211）通过CAN 总线与变频器（202）连接控制变频器的输出频，控制器（211）通过电缆与比例减压阀（209）连接；控制器（211）根据收到的操作指令调节单轨吊的运行速度，控制器（211）根据负载大小调节夹紧油缸（210）的夹紧力，控制器型号为 PLC1200。

4.一种使用权利要求1所述蓄电池单轨吊电液复合驱动系统的驱动轮自适应夹紧方法，其特征在于包括以下步骤：

1）调速运行：收到根据单轨吊运行速度指令，变频器（202）改变输出频率控制调速电机（203）和主定量泵（204）的转速，从而改变主定量泵（204）的输出流量，最终调节液压马达（208）转速和驱动轮（105）的转速控制单轨吊的运行速度；

2）确定基本夹紧力：利用拉力传感器（213）测量驱动部（103）的牵引力，然后将测量到的牵引力输入牵引力与夹紧力关系的函数模型，以确定基本夹紧力；

3）测量速度误差：通过线速度传感器（214）测量单轨吊的实际运行速度，通过转速编码器（212）测量驱动轮（105）的转速，再根据驱动轮（105）直径换算成单轨吊的理论运行速度，将单轨吊的理论运行速度和单轨吊的实际运行速度进行比较最终得出运行速度误差值；

4）微调夹紧力：运行速度误差值经过运算PID后由控制器（211）输出控制信号至比例减压阀（209），其中P为比例、I为积分、D为微分，控制信号随误差指的增大而增大，减小而减小，在基本夹紧力的基础上进一步调节夹紧油缸（210）的夹紧力，若速度误差超过设定误差则增大夹紧力，如果速度误差在设定误差之内，则保持现有夹紧力不变，从而实现驱动轮（105）夹紧力的自适应调节。