一种混联式油电混合动力单轨吊车及控制方法与流程

1.本发明涉及煤矿单轨吊运输领域，具体涉及一种混联式油电混合动力单轨吊车及控制方法。


背景技术：

2.在我国大力建设安全、高产、高效现代化矿井的要求下，辅助运输的现代化程度成为了衡量一个煤矿现代化水平的重要指标。煤矿辅助运输系统的特点是运输线路复杂多变，中间环节多，需要运输的物料尺寸不一，这给巷道的运输带来了极大的不便。单轨吊车作为一种新型辅助运输设备，具有不受底板条件的影响，运输巷道布置方便，节省空间，运输效率高等优点，目前已经受到众多煤矿设备厂家和煤矿生产单位的重视，发展前景广阔。
3.目前井下单轨吊车大多单独以柴油机或蓄电池作为动力源。其中，柴油机单轨吊车技术成熟、动力输出充足，但能源浪费和污染排放问题一直未得到有效解决。蓄电池单轨吊车清洁无污染、但由于蓄电池容量和充放电频率限制，其动力输出及续航能力比较差。而且这两种单轨吊车在实际运行中都存在高坡度高负载动力不足等问题。
4.为解决上述问题，我国学者对单轨吊车混合动力技术方面展开了研究。公开号为cn113581221a的中国申请专利，公开了一种分布式混合动力单轨吊控制方法，根据单轨吊不同工况下转矩需求，切换电动机、柴油机独立驱动或混合驱动，解决了单一动力源存在的问题，提高了运输效率和承载能力，但其动力混合方式较为简单，难以处理复杂行驶工况。公开号为cn104228849b的中国专利，公开了一种油电混合动力单轨吊及其动力输出控制方法，将电动机作为唯一动力源，根据不同工况选择蓄电池供电驱动或者选择柴油机通过发电机供电驱动，其能量在使用时存在多级转化，损耗较大。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种混联式油电混合动力单轨吊车及控制方法，其能够满足单轨吊车在各工况下的动力需求，并在行驶过程中回收多余能量，实现节能减排。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供一种混联式油电混合动力单轨吊车及控制方法，包括依次串联连接并且在轨道上行驶的驾驶室、液压驱动系统、起吊梁以及齿轨驱动与储能系统；所述液压驱动系统包括设在第二防爆车厢内的防爆柴油机、液压泵；所述第二防爆车厢通过若干液压驱动部与轨道传动连接，所述液压驱动部通过液压泵与防爆柴油机油路连接；所述齿轨驱动与储能系统包括设有动力电池组的第一防爆车厢，所述第一防爆车厢上端通过若干齿轨驱动部与轨道传动连接；所述第一防爆车厢内设有分别与动力电池组电性连接的防爆电动机、调速电机以及防爆永磁发电机；所述防爆电动机通过变速器分别与各个齿轨驱动部机械连接；
所述调速电机输出端连接传动齿轮输入端，所述传动齿轮的电磁离合器b与储能飞轮机械连接，所述传动齿轮的电磁离合器c与齿轨驱动部机械连接，所述传动齿轮的电磁离合器a与防爆永磁发电机机械连接。
7.优选地，还包括速度自适应控制系统，所述速度自适应控制系统包括安装在起吊梁上用于获取单轨吊车负载重量的负载传感器、安装在驾驶舱顶部用于获取单轨吊车上下坡信息的倾角传感器、安装在驾驶舱顶部用于获取单轨吊车运行速度信息的速度传感器、与动力电池组电路连接用于获取储电量信息的电量传感器、与防爆柴油机电路连接的发动机控制器、用于控制动力电池组充放电的ac/dc变换器、安装在齿轨驱动部和液压驱动部中制动器的液压制动回路中的电磁控制阀以及安装在驾驶舱中的模糊pid控制器，所述模糊pid控制器包括电性连接在一起的单片机和pid调节器；所述防爆电动机、调速电机、防爆永磁发电机分别电性连接电机控制器；所述单片机分别与负载传感器、电量传感器、倾角传感器、速度传感器、电机控制器、ac/dc变换器电性连接，根据单轨吊车负载重量、储电量、上下坡、速度的运行状态信息计算出目标速度；所述pid调节器根据目标速度和当前速度差值计算控制量大小并对电性连接的电机控制器、发动机控制器、传动齿轮的离合控制器、电磁控制阀发出牵引或制动命令，直至单轨吊车达到目标速度。
8.优选地，所述单轨吊车运行过程中，齿轨驱动部的驱动齿轮与轨道下方的齿轨始终啮合转动，根据动力要求在驱动和空转之间切换，空转时将能量回收给飞轮储能系统。
9.优选地，所述驾驶舱、起吊梁分别通过承载小车与轨道传动连接。
10.优选地，所述驾驶舱设有前后两个，所述驾驶舱、液压驱动部、齿轨驱动部、起吊梁之间依次通过连杆互相连接。
11.本发明还提供一种混联式油电混合动力单轨吊车的控制方法，具体方法为：单轨吊车根据其负载重量、储电量以及上下坡状况分为三种驾驶模式，包括续航模式、运输模式、爬坡模式；由单片机控制切换；当单轨吊车负载低于最高负载40%时识别为低负载，单轨吊车负载高于最高负载70%时识别为高负载；当单轨吊车处于低负载或下坡轨道时切换续航模式，此时选择纯油或者纯电驱动；当单轨吊车处于高负载或平缓轨道时切换运输模式，此时油-电混合驱动；当单轨吊车处于高负载或上坡轨道时切换爬坡模式，此时油-飞轮储能系统混合驱动。
12.优选地，续航模式工作时：纯油驱动时，单片机通过电机控制器控制防爆电动机关闭，通过离合控制器控制电磁离合器b、电磁离合器c打开，控制电磁离合器a关闭，通过发动机控制器控制防爆柴油机打开，防爆柴油机通过液压泵带动液压驱动部工作，齿轨驱动部处于非驱动状态，飞轮储能系统处于回收能量状态，回收驱动齿轮空转动能；动力电池组低电量时，离合控制器控制电磁离合器a打开、电磁离合器b打开、电磁离合器c关闭，电机控制器控制防爆永磁发电机打开、调速电机打开，储能飞轮在调速电机的调速控制下通过传动齿轮和防爆永磁发电机为动力电池组充电，飞轮储能系统处于输出
能量状态；飞轮储能系统处于储存能量状态时，离合控制器控制电磁离合器a关闭、电磁离合器c关闭、电磁离合器b打开，电机控制器控制调速电机打开，动力电池组供能，调速电机通过传动齿轮将储能飞轮维持在稳定储能状态；纯电驱动时，发动机控制器控制防爆柴油机关闭，离合控制器控制电磁离合器a关闭、电磁离合器b关闭、电磁离合器c关闭，电机控制器控制防爆电动机打开，动力电池组供能，防爆电动机通过变速器带动齿轨驱动部工作；运输模式工作时：单片机控制电磁离合器b、电磁离合器c关闭，防爆柴油机和防爆电动机打开，动力电池组供能，液压泵带动液压驱动部工作，变速器带动齿轨驱动部工作；爬坡模式工作时：电机控制器控制防爆柴油机打开、防爆电动机关闭、调速电机打开，离合控制器控制电磁离合器a关闭、电磁离合器b打开、电磁离合器c打开，防爆柴油机通过液压泵带动液压驱动部工作，储能飞轮在调速电机的调速控制下通过传动齿轮带动齿轨驱动部工作，飞轮储能系统处于输出能量状态。
13.优选地，所述齿轨驱动部爬坡时，储能飞轮通过传动齿轮提供辅助转矩；所述调速电机辅助控制传动齿轮转速，协助飞轮储能系统完成能量的回收、存储和释放。
14.优选地，动力电池组采用磷酸铁锂动力电池，当电量低于总电量的30%时识别为低电量，当电量高于总电量的70%时识别为高电量；ac/dc变换器控制动力电池组的充电与放电；当低电量时，飞轮储能系统中储能飞轮通过传动齿轮带动防爆永磁发电机为动力电池组充电。
15.本发明的有益效果在于：其能够根据不同的工况，包括上坡轨道、下坡轨道以及负载情况来实现续航模式下电动机或柴油机独立驱动，运输模式下电动机和柴油机混合驱动，爬坡模式下柴油机和飞轮储能系统混合驱动；满足单轨吊车在各工况下的动力需求，并在行驶过程中回收多余能量，实现节能减排。
16.附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的一种混联式油电混合动力单轨吊车的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种混联式油电混合动力单轨吊车的动力原理图；图3为本发明实施例提供的速度自适应控制的系统原理图；图4为本发明实施例提供的模式切换系统图。
19.附图标记说明：1、驾驶舱，5、承载小车，6、起吊梁，7、轨道，8、连杆，9、制动器，201、齿轨驱动部，202、防爆电动机，203、变速器，204、传动齿轮，205、储能飞轮，206、调速电机，207、电机控制器，208、防爆永磁发电机，209、动力电池组，210、第一防爆车厢，301、液压驱动部，302、防爆柴油机，303、液压泵，304、发动机控制器，305、第二防爆车厢，401、模糊pid控制器，402、负
载传感器，403、电量传感器，404、倾角传感器，405、速度传感器。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1至图4所示，一种混联式油电混合动力单轨吊车及控制方法，，包括依次串联连接并且在轨道7上行驶的驾驶室1、液压驱动系统、起吊梁6以及齿轨驱动与储能系统；还包括速度自适应控制系统；所述液压驱动系统包括设在第二防爆车厢305内的防爆柴油机302、液压泵303；所述第二防爆车厢305通过若干液压驱动部301与轨道7传动连接，所述液压驱动部301通过液压泵303与防爆柴油机302油路连接，其中液压驱动部301为现有技术；所述齿轨驱动与储能系统包括设有动力电池组209的第一防爆车厢210，所述第一防爆车厢210上端通过若干齿轨驱动部201与轨道7传动连接，齿轨驱动部201为现有技术；所述第一防爆车厢210内设有分别与动力电池组209电性连接的防爆电动机202、调速电机206以及防爆永磁发电机208；所述防爆电动机202通过变速器203分别与各个齿轨驱动部201机械连接；所述调速电机206输出端连接传动齿轮204输入端，所述传动齿轮204的电磁离合器b与储能飞轮205机械连接，所述传动齿轮204的电磁离合器c与齿轨驱动部201机械连接，所述传动齿轮204的电磁离合器a与防爆永磁发电机208机械连接。
22.所述速度自适应控制系统包括安装在起吊梁6上用于获取单轨吊车负载重量的负载传感器402、安装在驾驶舱1顶部用于获取单轨吊车上下坡信息的倾角传感器404、安装在驾驶舱1顶部用于获取单轨吊车运行速度信息的速度传感器405、与动力电池组209电路连接用于获取储电量信息的电量传感器403、与防爆柴油机302电路连接的发动机控制器304、用于控制动力电池组209充放电的ac/dc变换器、安装在齿轨驱动部201和液压驱动部301中制动器9的液压制动回路中的电磁控制阀以及安装在驾驶舱1中的模糊pid控制器401，所述模糊pid控制器401包括电性连接在一起的单片机和pid调节器；单片机选用msp430单片机；模糊pid调节器401为比例积分微分模糊控制器，pid调节器为比例积分微分控制器。
23.所述防爆电动机202、调速电机206、防爆永磁发电机208分别电性连接电机控制器207；发动机控制器304设在第二防爆车厢305内，电机控制器207、电量传感器403、ac/dc变换器设在第一防爆车厢210内。
24.所述单片机分别与负载传感器402、电量传感器403、倾角传感器404、速度传感器405、电机控制器207、ac/dc变换器电性连接，根据单轨吊车负载重量、储电量、上下坡、速度的运行状态信息计算出目标速度；ac/dc变换器为直流/交流双向变换器；所述pid调节器根据目标速度和当前速度差值计算控制量大小并对电性连接的电机控制器207、发动机控制器304、传动齿轮204的离合控制器、电磁控制阀发出牵引或制动命令，直至单轨吊车达到目标速度。
25.所述单轨吊车运行过程中，齿轨驱动部201的驱动齿轮与轨道7下方的齿轨始终啮合转动，根据动力要求在驱动和空转之间切换，空转时将能量回收给飞轮储能系统。
26.所述驾驶舱1、起吊梁6分别通过承载小车5与轨道7传动连接。
27.所述驾驶舱1设有前后两个，所述驾驶舱1、液压驱动部301、齿轨驱动部201、起吊梁6之间依次通过连杆8互相连接。
28.本发明还提供一种混联式油电混合动力单轨吊车的控制方法，具体方法为：单轨吊车根据其负载重量、储电量以及上下坡状况分为三种驾驶模式，包括续航模式、运输模式、爬坡模式；当单轨吊车负载低于最高负载40%时识别为低负载，单轨吊车负载高于最高负载70%时识别为高负载；当单轨吊车处于低负载或下坡轨道时切换续航模式，此时选择纯油或者纯电驱动；当单轨吊车处于高负载或平缓轨道时切换运输模式，此时油-电混合驱动；当单轨吊车处于高负载或上坡轨道时切换爬坡模式，此时油-飞轮储能系统混合驱动。
29.续航模式工作时：纯油驱动时，单片机通过电机控制器207控制防爆电动机202关闭，通过离合控制器控制电磁离合器b、电磁离合器c打开，控制电磁离合器a关闭，通过发动机控制器304控制防爆柴油机302打开，防爆柴油机302通过液压泵303带动液压驱动部301工作，齿轨驱动部201处于非驱动状态，飞轮储能系统处于回收能量状态，回收驱动齿轮空转动能；动力电池组209低电量时，离合控制器控制电磁离合器a打开、电磁离合器b打开、电磁离合器c关闭，电机控制器207控制防爆永磁发电机208打开、调速电机206打开，储能飞轮在调速电机206的调速控制下通过传动齿轮204和防爆永磁发电机208为动力电池组209充电，飞轮储能系统处于输出能量状态；飞轮储能系统处于储存能量状态时，离合控制器控制电磁离合器a关闭、电磁离合器c关闭、电磁离合器b打开，电机控制器207控制调速电机206打开，动力电池组209供能，调速电机207通过传动齿轮204将储能飞轮维持在稳定储能状态；纯电驱动时，发动机控制器304控制防爆柴油机302关闭，离合控制器控制电磁离合器a关闭、电磁离合器b关闭、电磁离合器c关闭，电机控制器207控制防爆电动机202打开，动力电池组209供能，防爆电动机202通过变速器203带动齿轨驱动部201工作；运输模式工作时：单片机控制电磁离合器b、电磁离合器c关闭，防爆柴油机302和防爆电动机202打开，动力电池组209供能，液压泵303带动液压驱动部301工作，变速器203带动齿轨驱动部201工作；爬坡模式工作时：电机控制器207控制防爆柴油机302打开、防爆电动机202关闭、调速电机206打开，离合控制器控制电磁离合器a关闭、电磁离合器b打开、电磁离合器c打开，防爆柴油机302通过液压泵303带动液压驱动部301工作，储能飞轮在调速电机206的调速控制下通过传动齿轮204带动齿轨驱动部201工作，飞轮储能系统处于输出能量状态。
30.所述齿轨驱动部201爬坡时，储能飞轮205通过传动齿轮204提供辅助转矩；所述调速电机206辅助控制传动齿轮204转速，协助飞轮储能系统完成能量的回收、存储和释放。
31.动力电池组209采用磷酸铁锂动力电池，当电量低于总电量的30%时识别为低电量，当电量高于总电量的70%时识别为高电量；ac/dc变换器控制动力电池组209的充电与放电；当低电量时，飞轮储能系统中储能飞轮通过传动齿轮带动防爆永磁发电机208为动力电池组209充电。
32.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。