CN115929193A - 一种复合电源电动旋挖钻机及其动力头多模式控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了工程机械技术领域的一种复合电源电动旋挖钻机及其动力头多模式控制方法，包括动力源与电驱动系统，所述动力源为半主动式复合电源，所述电驱动系统包括主电机、卷扬电机、行走电机及与主电机连接的主液压系统，所述主电机通过驱动主液压系统实现对旋挖钻机动力头、变幅机构、回转机构及加压机构的驱动，所述卷扬电机通过驱动卷扬实现旋挖钻机的提钻及放钻，所述行走电机通过驱动履带底盘实现旋挖钻机的移动行走。本发明采用多电机的驱动方案，每个电机在工作时具有较为单一的控制目标，降低了旋挖钻机作业过程中控制的复杂程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合电源电动旋挖钻机及其动力头多模式控制方法，属于工程机械技术领域。
背景技术
随着近年来非道路国四排放标准的推出，低碳减排成为了工程机械领域关注的重点问题，“碳达峰、碳中和”目标的提出则进一步加速了工程机械行业朝新能源方向发展。在此背景下，对旋挖钻机产品环保、节能、高效等方面提出了更高的要求，电动化、智能化已然成为了旋挖钻机发展的必然趋势。
同时，现有的内燃机驱动旋挖钻机并不符合低碳减排的发展趋势，由于其功率需求大，钻进过程中容易出现不必要的能耗过多现象；因此，旋挖钻机的电动化十分重要，其电驱动系统的设计需紧密结合旋挖钻机的实际结构特点与施工特点，此外，钻进作为旋挖钻机功率需求最大的工况之一，该工况下的节能与智能控制也具有十分重要的意义。
可见，为解决以上技术问题，以实现旋挖钻机的电动化与低碳减排，亟需一种复合电源电动旋挖钻机及其动力头多模式控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种复合电源电动旋挖钻机及其动力头多模式控制方法，采用多电机的驱动方案，每个电机在工作时具有较为单一的控制目标，降低了旋挖钻机作业过程中控制的复杂程度。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种复合电源电动旋挖钻机，包括动力源与电驱动系统，所述动力源为半主动式复合电源，所述电驱动系统包括主电机、卷扬电机、行走电机及与主电机连接的主液压系统，所述主电机通过驱动主液压系统实现对旋挖钻机动力头、变幅机构、回转机构及加压机构的驱动，所述卷扬电机通过驱动卷扬实现旋挖钻机的提钻及放钻，所述行走电机通过驱动履带底盘实现旋挖钻机的移动行走。
进一步的，所述半主动式复合电源由超级电容与DC/DC变换器串联后与动力电池并联组成。
进一步的，所述主液压系统包括变量泵，且变量泵通过多路阀连接动力头马达、倾缸、动臂油缸、加压油缸及回转马达，完成旋挖钻机的加压、钻进、调节钻桅、回转平台回转动作。
进一步的，所述变量泵出口处安装有压力传感器，所述主电机处安装有转速检测器，所述旋挖钻机中钢丝绳卷筒联轴器上的增量编码器，所述动力头马达处安装有扭矩传感器，所述钻杆顶端安装有位移传感器。
第二方面，本发明提供了一种复合电源电动旋挖钻机动力头多模式控制方法，应用于上述的一种复合电源电动旋挖钻机，包括：
获取主液压系统的变量泵出口压力；
基于变量泵出口压力确定旋挖钻机作业模式；
通过电机控制器将主电机调节到旋挖钻机作业模式下的目标转速；
获取旋挖钻机作业模式下主电机实际转速；
计算主电机实际转速与目标转速的差值，得到转速差值信号；
基于转速差值信号，通过变量泵调节器调节变量泵流量，实时调整动力头输出扭矩与转速；
获取旋挖钻机的钻孔深度和动力头马达的输出扭矩；
对钻孔深度求导得到钻进速度；
以钻孔深度、钻进速度和输出扭矩为输入，结合样本数据库和LSTM神经网络预测进尺量。
进一步的，所述变量泵出口压力不小于压力阈值p1时，旋挖钻机作业模式为重载模式；所述变量泵出口压力小于压力阈值p1且大于压力阈值p2时，旋挖钻机作业模式为标准模式；所述变量泵出口压力不大于压力阈值p2时，旋挖钻机作业模式为怠速模式。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
一、本发明提出的复合电源电动旋挖钻机，无须通过电缆从电网取点，作业灵活性得到提升，采用多电机的驱动方案，主电机控制钻进与回转，主电机带动的钻桅调整、钻进及回转平台回转动作发生在不同时段，卷扬电机与行走电机作业时也无须带动复合运动，每个电机在工作时具有较为单一的控制目标，降低了旋挖钻机作业过程中控制的复杂程度；
二、本发明提出的应用于上述复合电源电动旋挖钻机的动力头多模式控制方法，可根据负载改变主电机输出功率，并对应调整动力头的输出转速与扭矩，降低钻进过程中的能耗并提升工作效率，并且可通过检测钻进过程中的土层变化情况预测合理的进尺量，降低卡钻及埋钻事故的发生概率，提升钻进作业的可靠性，实现了旋挖钻机的低碳零排放。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的复合电源电动旋挖钻机传动系统示意图；
图2是本发明实施例一提供的复合电源电动旋挖钻机动力头多模式控制方法示意图。
图中：1、动力头马达；2、倾缸；3、动臂油缸；4、加压油缸；5、回转马达；6、多路阀；7、变量泵；8、主电机；9、卷扬；10、卷扬电机；11、履带底盘；12、行走电机；13、DC/DC变换器；14、超级电容；15、动力电池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，本发明提出的一种复合电源电动旋挖钻机，包括动力源与电驱动系统，动力源采用超级电容14与DC/DC变换器13串联后与动力电池15并联组成的半主动式复合电源，为旋挖钻机的作业及活动提供电能；电驱动系统主要包括主电机8、卷扬电机10、行走电机12及与主电机8连接的主液压系统。主电机8通过主液压系统实现对旋挖钻机动力头、变幅机构、回转机构及加压机构的驱动，主液压系统包括变量泵7，通过多路阀6连接变幅机构中的动力头马达1、倾缸2、动臂油缸3、加压油缸4及回转马达5，实现对旋挖钻机钻桅调整、回转平台回转及加压钻进动作的控制，以完成旋挖钻机的加压、钻进、调节钻桅、回转平台回转动作，其中根据旋挖钻机的吨位及型号，动力头马达1数目可为1至3个，且为液压马达。
卷扬电机10驱动卷扬9，实现旋挖钻机的提钻及放钻，行走电机12驱动旋挖钻机的履带底盘11，实现旋挖钻机的移动行走。
钻进作为旋挖钻机作业过程中功率需求最大的工况之一，在钻进过程实现合理的功率输出及智能控制能够提升整个作业过程的节能效果及效率，提出了一种应用于上述复合电源电动旋挖钻机的动力头多模式控制方法，其具体如图2所示：
1）利用压力传感器检测主液压系统中的变量泵7出口压力p，确定动力头钻进过程中的外负载情况；
2）设置变量泵7出口压力阈值p1、p2、p3，根据变量泵7出口压力阈值划分不同的钻进模式，包括重载模式、标准模式和怠速模式，其中重载模式主要针对硬岩层等负载较大的土层，标准模式主要针对软土层、沙土层等负载较为常规的工况，怠速模式主要针对空载工况，当压力传感器检测检测到的变量泵出口压力p≥ p1时为重载模式， p2<p<p1时为标准模式，pp2时为怠速模式；
3）设置重载模式、标准模式和怠速模式下主电机的目标转速值分别为n1、n2、n3；
4）主电机8以恒扭矩运行，完成主液压系统变量泵出口压力的检测后，确定作业模式，并经过电机控制器将主电机8转速调节到该模式下的转速值，其中若为重载模式则将电机目标转速设置为n1，若为标准模式则将电机目标转速设置为n2，若为怠速模式则将电机目标转速设置为n3，通过控制主电机8的转速改变其输出功率；
5）主电机8处安装有转速检测器，检测主电机8实际转速n，与实际作业模式下的目标转速进行对比，并计算实际转速与目标转速的差值，将转速差值信号传至主液压系统变量泵7的调节机构，基于转速差值信号通过变量泵调节器调节变量泵7流量，进而实现动力头输出扭矩与转速随作业模式的实时调整。
6）利用安装在钢丝绳卷筒联轴器上的增量编码器检测钻孔深度h，对钻深信号进行求导得到钻进速度v，在动力头液压马达安装扭矩传感器检测液压马达的输出扭矩T，将采集到的钻深h、钻进速度v、扭矩T数据输入至输入层，经过激励函数处理后输出计算结果，将输入层计算得到的输出结果、上一时刻的隐藏层输出以及Cell单元存储的信息输入至LSTM神经网络的节点，利用输入门、遗忘门、输出门和Cell单元进行处理将LSTM神经网络节点经过处理的信息输出至下一隐藏层及输出层神经元，结合样本数据库，对下一时刻的进尺量进行预测。
7）在钻杆顶端安装位移传感器，对每次进尺量进行实时监测，进一步避免进尺量不当导致卡钻及埋钻事故发生。
综上所述，本实施例提出一种复合电源电动旋挖钻机及其动力头多模式控制方法，采用动力电池与超级电容组成的半主动式复合电源及多电机驱动方案，其中卷扬由卷扬电机驱动，履带底盘由行走电机驱动，动力头、回转机构、加压机构及变幅机构由主电机通过液压系统进行驱动控制，由复合电源进行供电。在钻进过程中，该电动旋挖钻机的动力头可基于变量泵出口压力区分作业模式，调节主电机转速及变量泵排量，进而调节动力头输出转速及扭矩，达到多作业模式切换效果。同时，通过增量编码器检测钻深，结合钻进速度及液压马达输出扭矩信号，基于LSTM神经网络对进尺量进行预测，并通过在钻杆顶端安装位移传感器对进尺量进行实时监测。本实施例提出的电动旋挖钻机动力系统采用多电机方案，各电机的控制目标较为单一，降低了控制的复杂程度，采用复合电源供电使得作业灵活且活动范围大，提出的动力头多模式控制方法充分考虑了钻进工况的复杂性，根据外负载变化调整动力头的输出转速与扭矩，并针对土层变化预测进尺量，降低因土层变化导致的卡钻及埋钻风险，在降低能耗的的同时提高了施工的安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种复合电源电动旋挖钻机，其特征是，包括动力源与电驱动系统，所述动力源为半主动式复合电源，所述电驱动系统包括主电机、卷扬电机、行走电机及与主电机连接的主液压系统，所述主电机通过驱动主液压系统实现对旋挖钻机动力头、变幅机构、回转机构及加压机构的驱动，所述卷扬电机通过驱动卷扬实现旋挖钻机的提钻及放钻，所述行走电机通过驱动履带底盘实现旋挖钻机的移动行走。
2.根据权利要求1所述的复合电源电动旋挖钻机，其特征是，所述半主动式复合电源由超级电容与DC/DC变换器串联后与动力电池并联组成。
3.根据权利要求1所述的复合电源电动旋挖钻机，其特征是，所述主液压系统包括变量泵，且变量泵通过多路阀连接动力头马达、倾缸、动臂油缸、加压油缸及回转马达，完成旋挖钻机的加压、钻进、调节钻桅、回转平台回转动作。
4.根据权利要求3所述的复合电源电动旋挖钻机，其特征是，所述变量泵出口处安装有压力传感器，所述主电机处安装有转速检测器，所述旋挖钻机中钢丝绳卷筒联轴器上的增量编码器，所述动力头马达处安装有扭矩传感器，所述钻杆顶端安装有位移传感器。
5.一种复合电源电动旋挖钻机动力头多模式控制方法，应用于权利要求1-4任一所述的一种复合电源电动旋挖钻机，其特征是，包括：
获取主液压系统的变量泵出口压力；
基于变量泵出口压力确定旋挖钻机作业模式；
通过电机控制器将主电机调节到旋挖钻机作业模式下的目标转速；
获取旋挖钻机作业模式下主电机实际转速；
计算主电机实际转速与目标转速的差值，得到转速差值信号；
基于转速差值信号，通过变量泵调节器调节变量泵流量，实时调整动力头输出扭矩与转速；
获取旋挖钻机的钻孔深度和动力头马达的输出扭矩；
对钻孔深度求导得到钻进速度；
以钻孔深度、钻进速度和输出扭矩为输入，结合样本数据库和LSTM神经网络预测进尺量。
6.根据权利要求5所述的复合电源电动旋挖钻机动力头多模式控制方法，其特征是，所述变量泵出口压力不小于压力阈值p1时，旋挖钻机作业模式为重载模式；所述变量泵出口压力小于压力阈值p1且大于压力阈值p2时，旋挖钻机作业模式为标准模式；所述变量泵出口压力不大于压力阈值p2时，旋挖钻机作业模式为怠速模式。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013001319A2 (en) * | 2011-06-28 | 2013-01-03 | Nikolaos Botsis | Self adjustable continuously variable power transmission system with a real time variable flow pump. |
| CN105221278A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-01-06 | 长安大学 | 基于全局功率匹配的旋挖钻机控制系统 |
| CN106427615A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-02-22 | 江苏大学 | 一种复合电源控制系统及其在不同工况时的切换方法 |
| CN107193055A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-09-22 | 中国地质大学（武汉） | 一种复杂地质钻进过程双层智能钻速建模系统 |
| CN111176113A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-19 | 长安大学 | 一种基于长短时记忆神经网络的钻具受力优化控制方法 |
| CN112412330A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-02-26 | 郑州郑宇重工有限公司 | 纯电动直驱型旋挖钻机动力系统及多电机协同控制算法 |
| CN114358434A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-04-15 | 西南石油大学 | 基于lstm循环神经网络模型的钻井机械钻速预测方法 |
| CN114517638A (zh) * | 2020-11-19 | 2022-05-20 | 郑州宇通客车股份有限公司 | 一种纯电动旋挖钻机动力系统及其控制方法 |
-
2022
- 2022-10-21 CN CN202211297178.8A patent/CN115929193A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013001319A2 (en) * | 2011-06-28 | 2013-01-03 | Nikolaos Botsis | Self adjustable continuously variable power transmission system with a real time variable flow pump. |
| CN105221278A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-01-06 | 长安大学 | 基于全局功率匹配的旋挖钻机控制系统 |
| CN106427615A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-02-22 | 江苏大学 | 一种复合电源控制系统及其在不同工况时的切换方法 |
| CN107193055A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-09-22 | 中国地质大学（武汉） | 一种复杂地质钻进过程双层智能钻速建模系统 |
| CN111176113A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-19 | 长安大学 | 一种基于长短时记忆神经网络的钻具受力优化控制方法 |
| CN114517638A (zh) * | 2020-11-19 | 2022-05-20 | 郑州宇通客车股份有限公司 | 一种纯电动旋挖钻机动力系统及其控制方法 |
| CN112412330A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-02-26 | 郑州郑宇重工有限公司 | 纯电动直驱型旋挖钻机动力系统及多电机协同控制算法 |
| CN114358434A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-04-15 | 西南石油大学 | 基于lstm循环神经网络模型的钻井机械钻速预测方法 |
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