CN112549937A - 矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元及多模式驱动车 - Google Patents

Abstract

本发明矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元及多模式驱动车，属于煤矿井下运输设备技术领域，本驱动车包括牵引电机、轮边减速器和车轮，轮边减速器包括一级减速机构、二级减速机构和湿式制动器，相互联接的前承载架和后U型架，前承载架的双侧设置有上述的驱动单元，后U型架的双侧分别设置上述驱动单元、第一电控箱和第二电控箱。本驱动车车驱动系统采用6套“牵引电机+轮边减速器”分布式模式，通过多电机协调控制实现全6轮驱动、2轮前驱及4轮后驱等多种驱动模式，根据实际工况精确调节驱动轮的动力输出，达到节能增效的目的。本发明为煤矿井下低矮空间作业搬运车辆构型难的问题提供行之有效的解决方案。

Description

矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元及多模式驱动车

技术领域

本发明矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元及多模式驱动车，属于煤矿井下运输设备技术领域。

背景技术

对于防爆蓄电池车辆而言，防爆蓄电池容量的大小不仅影响整车的生产成本， 又影响防爆蓄电池车辆的行驶里程。在没有电池革命及相关标准发生改变的情况下，为了平衡两者之间的矛盾，提高防爆蓄电池车辆的能量利用率成为解决这一矛盾的技术路径。提高能量利用率的途径主要有两种：首先是在传统单电机单减速比驱动结构基础上的改进：主要措施有通过优化整车参数匹配和控制策略、车辆轻量化设计、低阻轮胎技术和制动能量回收技术。其次是防爆蓄电池车辆新构型的研究：主要的构型有单电机多速比驱动、双电机双轴驱动、多电机轮边驱动和轮毂电机驱动。常规的蓄电池防爆车辆通常为单电机驱动，一旦电机出现故障， 整个车辆将无法行驶，严重会直接影响煤矿生产；同时防爆蓄电池车辆的电机在匹配设计时为了适应煤矿各种不同的运行条件，电机功率通常选的比较大，容易出现“大马拉小车”的现象。

同时，随着煤矿资源的不断开采，矿藏正向深部和难开采资源延伸，现有的各种支架搬运车均无法解决薄煤层支架的装载及低矮巷道内的通行问题，研究分布式电驱动技术迫在眉睫。鉴于防爆蓄电池车辆面临的系统复杂性与工况的多样性问题，对整机的可靠性和通过性均有较高要求。因此，围绕车辆节能与安全两大目标，研究符合煤矿井下工况，实现车辆的多种驱动力输出模式，确保电机长期工作于高效区间，提高车辆的能量利用率及对矿井多种工况的适用性，解决目前矿用电驱动车辆不能高效满足煤矿井下复杂变化工况需求的问题。

现有公布号为CN 111890905 A的中国专利申请公开一种矮型双电机驱动框架式支架搬运车，它的驱动系统采用集中式电机驱动、电动桥驱动等技术，电动桥将电机、驱动桥、轮边减速器、差速器等集成设计为一体式驱动桥，其结构复杂，传动链长，尺寸较大，给整车布置带来较大难度，尤其是整车高度控制难，不能有效解决薄煤层及低矮巷道内的通行问题；同时其控制也相对复杂，需要综合考虑电机控制及换档规律、换档平顺性等问题，在使用过程中一旦发生故障，排查维修较为困难，整体更换配件又会给用户带来一定的经济负担。

发明内容

本发明的目的就是针对背景技术的不足，提供一种适用于矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元及多模式驱动车，实现薄煤层等难开采工况液压支架的安全高效运输。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元，包括牵引电机、轮边减速器和车轮，轮边减速器包括一级减速机构、二级减速机构和湿式制动器，一级减速机构为NGW型行星减速器，二级减速机构为NW型行星减速器，牵引电机转子的输出轴依序经过一级减速机构、二级减速机构和湿式制动器后与车轮轴联接形成传动配合。

进一步的，，一级减速机构设有一档离合器，二级减速机构设有二档离合器，一档离合器和二档离合器均为防爆型电磁湿式离合器。

一种矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车，包括相互联接的前承载架和后U型架，前承载架的双侧设置有上述的驱动单元，后U型架的双侧安装有摆动架，摆动架的前后两端分别设置一个上述的驱动单元。

进一步的，一种矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车，所述后U型架的一侧设有第一电控箱，所述后U型架的另一侧设有第二电控箱，第一电控箱内设有第一PLC控制器，第二电控箱内设有第二PLC控制器，第一PLC控制器的输出端通过电机控制器与前承载架双侧的驱动单元的牵引电机相连，第二PLC控制器的输出端通过电机控制器与后U型架双侧的驱动单元的牵引电机相连。

进一步的，第一PLC控制器或第二PLC控制器的输出端通过电机控制器与油泵电机相连，油泵电机的输出轴与液压泵的输入轴相连。

一种矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车的控制方法，基于上述的矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车完成，包括以下步骤：

路况良好且车辆空载行驶时，第一电控箱发出控制信号使前承载架双侧的牵引电机处于工作状态，后U型架双侧的牵引电机空转不加载，通过轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合；

车辆重载行驶时，第二电控箱发出控制信号使后U型架双侧的牵引电机处于工作状态，增大输出扭矩，前承载架双侧的牵引电机空转不加载，通过 轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合；

路况恶劣或车辆重载爬坡行驶时，第一电控箱、第二电控箱发出协同控制信号，使前承载架双侧的牵引电机和后U型架双侧的牵引电机均处于工作状态，通过轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车的动力系统和行驶、液压系统之间采用电传动进行功率传递，去掉了驱动桥，有效实现了牵引电机、行驶系统以及液压工作系统三者之间的机械解耦，可大幅压缩了车辆高度，不仅实现了薄煤层液压支架的装载需求，而且解决了因车身高度过高导致通过性差及司机视野遮档问题；针对支架搬运车在复杂作业工况下，前后桥载荷变化剧烈，易出现打滑等问题，该构型采用分布式驱动转矩的动态协调控制，六轮驱动的每个驱动轮独立控制，不受机械差速器固有特性的限制，能更精确调节驱动轮的动力输出，有效提高工作效率，通过多电机协调控制实现电子差速控制、驱动防滑控制和横摆力矩控制等，缩小整车传动链，在各种复杂工况下达到更好的整车控制效果，提升整车能效，为蓄电池式薄煤层支架搬运车在井下恶劣环境中运行提供了充足的牵引能力，为煤矿井下低矮空间作业搬运车辆构型难的问题提供行之有效的解决方案。

附图说明

图1为本发明一实施例的矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元的剖视图。

图2为本发明一实施例的矿用低矮型分布式支架搬运车的俯视图。

图3为本发明一实施例的驱动系统构型图。

图中，8-第三轴承，9-第二轴承，10-第一轴承，18-第五轴承，19-轴承座，23-牵引电机，24-油泵电机，27-轮边减速器，28-车轮，29-摆动架， 42-液压泵，44-左前驱动单元，45-右前驱动单元，46-后驱动单元，61-第一电控箱，62-第二电控箱，271-一级减速机构，272-二级减速机构，273-湿式制动器，2711-一档离合器，2722-二档离合器，2733-行星架，2734-第一行星轮，2735-Ⅰ档齿圈，2736-第二行星轮，2737-Ⅱ档齿圈，2738-太阳轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明一种矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元，包括牵引电机23、轮边减速器27和车轮28，轮边减速器27包括一级减速机构271、二级减速机构272和湿式制动器273，一级减速机构271为NGW型行星减速器，二级减速机构272为NW型行星减速器，牵引电机转子的输出轴依序经过一级减速机构271、二级减速机构272和湿式制动器273后与车轮28轴联接形成传动配合，一级减速机构设有一档离合器2711，二级减速机构272设有二档离合器2722。依照行星齿轮传动分类，N表示内啮合，W表示外啮合，G表示公用行星轮。

其中，一档离合器2711和二档离合器2722均为防爆型电磁湿式离合器。牵引电机23转子的输出轴穿过第一轴承10、第二轴承9与一级减速机构271联接，二级减速机构272的输出轴穿过第三轴承8与湿式制动器273联接。

具体地，一级减速机构271、二级减速机构272为复合型行星齿轮传动机构，包括分别可转动设置的行星架2733、绕自身轴线转动设置在行星架2733上的第一行星轮2734、与第一行星轮2734啮合并可绕自身轴线转动的Ⅰ档齿圈2735、可绕自身轴线转动地安装在行星架2733上的第二行星轮2736、与第二行星轮2736啮合并可绕自身轴线转动的Ⅱ档齿圈2737、用于对Ⅰ档齿圈2735进行制动的一档离合器2711、用于对Ⅱ档齿圈2737进行制动的二档离合器2722以及其他附属装置。牵引电机23传动轴的输出端与轮边减速器27中的一级减速机构271上的太阳轮2738同轴固定联接；行星架2733与车轮28同轴联接，行星架2733分别通过第一轴承10和第二轴承9支承在牵引电机23的轴颈和Ⅰ档齿圈2735的内孔中；其中，第一行星轮2734的直径大于第二行星轮2736；Ⅰ档齿圈2735的直径大于Ⅱ档齿圈2737的直径。Ⅰ档齿圈2735通过第二轴承9支承在行星架2733一端的轴颈上，Ⅰ档齿圈2735、Ⅱ档齿圈2737和行星架2733同心设置并可相对转动，Ⅱ档齿圈2737通过第五轴承18支承在轴承座19的孔中，行星架2733通过第三轴承8支承在Ⅱ档齿圈2737的中心孔中。

如图2所示，本发明还提供一种矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车，包括相互联接的前承载架和后U型架，前承载架的双侧设置有上述的驱动单元，整体组成了前轮驱动总成，左前轮的位置安装的是左前驱动单元44，右前轮的位置安装的是右前驱动单元45。后U型架的双侧安装有摆动架29，摆动架29的前后两端分别设置一个上述的驱动单元，也就是后驱动单元46。后U型架的一侧设有第一电控箱61，后U型架的另一侧设有第二电控箱62，第一电控箱61内设有第一PLC控制器，第二电控箱62内设有第二PLC控制器。如图3所示，第一PLC控制器的输出端通过电机控制器与前承载架双侧的左前驱动单元44和右前驱动单元45中的牵引电机23相连，第二PLC控制器的输出端通过电机控制器与后U型架双侧的后驱动单元46的牵引电机23相连。

第一PLC控制器或第二PLC控制器的输出端通过电机控制器与油泵电机24相连，油泵电机24的输出轴与液压泵42的输入轴相连，液压泵为本多模式驱动车上的液压系统提供压力油。其中，油泵电机24和液压泵42都设置在前承载架上。

本发明还提供一种矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车的控制方法，基于上述的矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车完成，包括以下步骤：

路况良好且车辆空载行驶时，第一电控箱发出控制信号使前承载架双侧的牵引电机处于工作状态，后U型架双侧的牵引电机空转不加载，通过轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合；

车辆重载行驶时，第二电控箱发出控制信号使后U型架双侧的牵引电机处于工作状态，增大输出扭矩，前承载架双侧的牵引电机空转不加载，通过 轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合；

路况恶劣或车辆重载爬坡行驶时，第一电控箱、第二电控箱发出协同控制信号，使前承载架双侧的牵引电机和后U型架双侧的牵引电机均处于工作状态，通过轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合。

此外，一旦该车辆的驱动系统出现故障，第一电控箱可单独控制前轮，第二电控箱可单独控制后四轮，分布独立双回路安全控制，大大增强了车辆的安全系数和适应能力。

左前驱动单元44、右前驱动单元45和后驱动单元46组成分布式电机驱动系统，动力经过轮边减速器27传至车轮28，满足整车动力需求，且每个驱动单元均设置牵引电机23对单个车轮28进行独立驱动。该驱动系统采用6套“牵引电机+轮边减速器”分布式模式，通过多电机协调控制实现全6轮驱动、2轮前驱及4轮后驱等多种驱动模式，根据实际工况精确调节驱动轮的动力输出，达到节能增效的目的。

分布式电机驱动系统共6条传动路线：蓄电池→牵引电机→轮边减速器→车轮，可实现：①全6轮驱动；②2轮前驱；③4轮后驱等多种驱动模式。针对该类装备在复杂作业工况下，前后轮载荷变化剧烈，易出现打滑等问题，该构型可进行前后轮驱动转矩的动态协调控制，降低电机的转矩容量，很好的适应中低速大扭矩、中低速中小扭矩的工况。有效提高工作效率。具体模式见表１。

表1 不同模式下的驱动元件状态

不同模式下，传动元件状态所采取的控制策略满足以下7种重要工况下的控制目标：

1、车辆起步时，前后驱动单元转矩分配比例为0.5:0.5；

2、车辆正常行驶时，前后驱动单元转矩分配比例为0:1；

3、车辆加速时，前后驱动单元转矩分配比例从0:1变化为0.5:0.5；

4、车辆在光滑路面转弯时，前后驱动单元转矩分配比例从0:1变化为0.5:0.5；

5、车辆在干燥路面转弯时，前后驱动单元转矩分配比例从0:1变化为0.5:0.5；

6、车辆制动时，前后驱动单元转矩分配比例从0:1变化为0.5:0.5；

7、车辆加速爬坡时，前后驱动单元转矩分配比例为0.5:0.5。

第一电控箱61和第二电控箱62可实现工作模式的定义与跳转、驾驶员输入采集、整车状态监测、人机交互界面和整车安全设计。其工作模式共7种：上电初始化、唤醒模式、待机模式、行驶模式、充电模式、故障模式与驻车模式。一旦车辆驱动系统出现故障，第一电控箱61可单独控制左前、右前驱动单元，驱动牵引电机、油泵电机和液压泵，使车辆具有行驶、转向、制动等基本功能；同理，也可使用第二电控箱62单独控制后驱动单元，实现行驶、转向、制动等基本功能。这种分布独立双回路安全控制系统，大大增强了车辆的安全系数和适应能力。

本发明是以蓄电池为动力源，由分布式轮边电机牵引的多模式驱动系统，牵引电机与轮边减速器、车轮轮集成为驱动单元，每个驱动车轮独立控制，模块化设计布置灵活方便，缩小整车传动链，通过多电机协调控制，在各种复杂工况下达到更好的整车控制效果，解决了薄煤层液压支架的井下运输车辆构型难以及能量利用率提高难题，扩大支架搬运车的应用范围。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (4)

1.一种矿用低矮型分布式支架搬运车用驱动单元，其特征在于：包括牵引电机（23）、轮边减速器（27）和车轮（28），轮边减速器（27）包括一级减速机构（271）、二级减速机构（272）和湿式制动器（273），一级减速机构（271）为NGW型行星减速器，二级减速机构（272）为NW型行星减速器，牵引电机转子的输出轴依序经过一级减速机构（271）、二级减速机构（272）和湿式制动器（273）后与车轮（28）轴联接形成传动配合。

2.一种矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车，其特征在于：包括相互联接的前承载架和后U型架，前承载架的双侧设置有如权利要求1所述的驱动单元，后U型架的双侧安装有摆动架（29），摆动架（29）的前后两端分别设置一个如权利要求1所述的驱动单元。

3.根据权利要求2所述的一种矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车，其特征在于：所述后U型架的一侧设有第一电控箱（61），所述后U型架的另一侧设有第二电控箱（62），第一电控箱（61）内设有第一PLC控制器，第二电控箱（62）内设有第二PLC控制器，第一PLC控制器的输出端通过电机控制器与所述前承载架双侧的驱动单元的牵引电机（23）相连，第二PLC控制器的输出端通过电机控制器与所述后U型架双侧的驱动单元的牵引电机（23）相连。

4.一种矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车的控制方法，其特征在于：基于权利要求3所述的矿用低矮型分布式支架搬运多模式驱动车完成，包括以下步骤：

路况良好且车辆空载行驶时，第一电控箱发出控制信号使前承载架双侧的牵引电机处于工作状态，后U型架双侧的牵引电机空转不加载，通过轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合；

车辆重载行驶时，第二电控箱发出控制信号使后U型架双侧的牵引电机处于工作状态，增大输出扭矩，前承载架双侧的牵引电机空转不加载，通过 轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合；

路况恶劣或车辆重载爬坡行驶时，第一电控箱、第二电控箱发出协同控制信号，使前承载架双侧的牵引电机和后U型架双侧的牵引电机均处于工作状态，通过轮边减速器和离合器实现高低双档转矩耦合。

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