一种纯电直驱旋挖钻机的制作方法

本实用新型涉及一种适用于基础施工技术领域的旋挖钻机，具体说是涉及一种纯电直驱旋挖钻机。

背景技术：

近年国内基建行业发展迅猛，国内各工程机械制造厂商均提出了适合市场的适用于基础工程机械施工的旋挖钻机技术方案，且性能得到了市场的充分验证。现存旋挖钻机在功能层面已经能够很好地满足各类客户的使用需求，但整机驱动力来源仍停留在传统动力，各项功能也都依托于传统动力耦合液压驱动系统联合作业的工作模式实现，不符合“节能、绿色、环保”的发展主题，未挖掘、利用新能源动力技术资源，滞后于工程机械电动化发展趋势。

工程机械领域，旋挖钻机基本采用全液压控制驱动。对于动力源为发动机（柴油机）或三相异步电机的旋挖钻，通过柴油发动机（现行排放标准为国三）或三相异步电机驱动液压泵，液压油经液压泵加油流向液压控制阀组，并由液压控制阀组向马达或油缸输入具有方向、压力和流量的液压油，进而直接或间接驱动动作执行机构完成设定功能动作。该类旋挖钻机中，柴油机或三相异步电机直接驱动泵组（主泵、辅泵、齿轮泵、先导泵等），由泵组蓄压并经控制阀组控制各部件执行动作。待机状态下，柴油机或三相异步电机持续低负荷作业以维持各液压管路的液压压力，此时整机工作效率低。作业状态下，主泵连接主控制阀控制动力头、主卷扬、回转、行走、副卷扬的马达工作，辅泵连接辅助阀控制加压、变幅、展宽、桅杆等的油缸工作，存在多个动作共同执行的复合动作，但是复合动作作业时长占比较小（比如，实际打钻作业时，行走、副卷扬、变幅、展宽、桅杆作业单元基本不工作）。受液压路径及液压压力波动及控制难度大等影响，液压系统复合动作稳定性差，功能多样性差。对于旋挖钻机，动力头和主卷扬为主作业部件，两者作业时长可达总作业时长的80%以上，而对于回转、行走、副卷扬类液压马达驱动类部件以及加压、变幅、展宽、桅杆等液压油直驱类部件均工作时长占比较少，由此导致整机在单动作作业、复合动作作业以及不同动作作业时发动机的负荷率发生较大的不可控变化，发动机或三相异步电机实际工作点分布呈点状零星分布的特点。传统旋挖钻机无法实现发动机或三相异步电动机工作点的最优控制，造成不可控的能耗损失。

综上，传统发动机或三相异步电动机联合液压驱动型旋挖钻机存在下述缺点：①发动机或三相异步电机被动响应负载需求功率，实际工作点分布呈点状零星分布，无法实现最优控制；②各作业部件均通过液压系统驱动，液压传递路径长，管路损失多，整机传动效率低，能量损失大；③复合动作相对较少，且液压系统复合动作稳定性差，功能多样性差。同一时刻有多个执行部件处于待机状态，而此时各部件的驱动液压管路液压压力仍需要维持，造成较多不必要的待机能耗损失；④钻具下放和制动时的势能和动能都以液压系统发热的形式耗散，造成液压系统温度升高。该部分能量无法进行回收，且液压系统温度升高后需进行外力散热，需增加额外的耗能进行液压系统散热；⑤柴油机较电机能源利用率差，物耗成本高。

技术实现要素：

本实用新型的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种纯电直驱旋挖钻机。本实用新型摒弃传统的发动机联合液压驱动或传统的三相异步电机联合液压驱动型动力，改由主工作动力为永磁同步电机直接驱动，辅工作动力为永磁同步电机联合液压驱动的复合动力，减少动力传递路径，从根本上解决旋挖钻机作业噪声大、柴油机排放水平高、能耗高等问题。另外，本实用新型充分利用电能传递路径布置灵活，驱动电机高效作业区间覆盖范围广且可实现反向能量回收等技术优势，提出了一套完整的纯电动直驱型旋挖钻机整机技术方案。

本实用新型的目的可通过下述技术措施来实现：

本实用新型的纯电直驱旋挖钻机包括高压供电系统、控制信号通讯系统、机械动力传动系统；所述高压供电系统包括经高压配电盒连接至整流设备的动力蓄电池系统、分别与高压配电盒、整流设备、动力蓄电池系统相应端口相连接的蓄电池管理系统，以及与整流设备相应接口相连接的用于进行电能耦合输出的外接电缆；电能经整流设备以直流高压电的形式输出，分别接入动力头电机ⅰ控制器、动力头电机ⅱ控制器、主泵电机控制器和主卷扬电机控制器，将直流高压电转化为三向高压电并分别与机械动力传动系统的动力头电机ⅰ、动力头电机ⅱ、主泵电机以及主卷扬电机电连接；所述控制信号通讯系统包括接收并识别驾驶员指令及来自泵组的油压状态信息的底盘控制器，底盘控制器的动作信息或整机状态信息输出端接入hmi人机交互界面的相应信号输入端，底盘控制器的控制指令信号（回转、行走、副卷扬的马达工作指令以及动力头加压、变幅、展宽、桅杆等的油缸工作指令）输出端接入控制阀组的相应信号输入端，底盘控制器）的油压信号输出端经新能源控制器、整流设备相应接口分别接入主卷扬电机控制器、动力头电机ⅱ控制器、主泵电机控制器和动力头电机ⅰ控制器。

本实用新型中所述的机械动力传动系统中的动力头电机ⅰ动力输出轴和动力头电机ⅱ动力输出轴分别通过相应的动力头减速机同步传递给钻杆，并由钻杆带动钻斗进行打钻作业；机械动力传动系统中的主卷扬电机动力输出端与主卷扬减速机常啮合，主卷扬电机动力经主卷扬减速机传输给主卷扬，由主卷扬通过钢丝绳提升或下放钻杆；机械动力传动系统中的主泵电机动力由主泵电机动力输出轴输出，经过渡齿轮及泵组动力输入轴驱动泵组，由泵组完成液压管路蓄压；控制阀组通过控制各液压油路的通断，控制各个液压执行零部件工作。

所述动力头电机ⅰ、动力头电机ⅱ、主泵电机以及主卷扬电机均为永磁同步电机。

进一步说，本实用新型的高压供电系统包含两部分，外接电缆供电部分（外接高压供电）和动力蓄电池供电部分（该部分电能具有双向，可根据整机工作模式及新能源控制器控制指令进行电池充电蓄能或放电驱动）。两部分电量经整流柜进行电能汇流，由新能源控制器智能控制两部分的电能流向，并为整机的高压器件供电。联合供电模式划分如下：

①电能回收模式：在主卷下放工作过程中，部分动能和势能以驱动电机反向拖动发电的模式进行能量转化，被回收的电能传递至动力蓄电池进行存储；②外接电缆断开模式：a当动力蓄电池电量较高且电池放电功率可满足整机动作需求功率时，由动力蓄电池单独为整机高压部件供电，并供整机驱动；b当动力蓄电池电量较高，但电池放电功率无法满足整机动作需求功率时，由新能源控制器限制部分执行部件作业功率，限功率作业；③外接电缆连接模式：a外接电缆供电能力超出整机动作需求功率时，如动力蓄电池电量超过补电阈值，则外接电缆仅输出电能供整机驱动；b外接电缆供电能力超出整机动作需求功率时，如动力蓄电池电量低于补电阈值，则外接电缆不仅输出电能供整机驱动，还有一部分电能输出为动力蓄电池补电；c当整机需求电功率超出外接电缆供电能力时，动力蓄电池进行补电，同外接电缆一起为整机高压部件供电，供整机驱动；d动力电池电量超过充电阈值上限时，外接电缆不为动力电池补电，此时仅由动力电池为整机供电。整机控制系统包含两部分，底盘控制器和新能源控制器部分部分。底盘控制器，即传统旋挖钻机整机控制器，其将驾驶员驾驶指令为进行解析，并转化为整机动作指令，将对各执行部件的动作需求发送给整机各个执行部件（含新能源控制器），并由各个执行部件共同参与完成整机指令动作。在该发明中，回转、行走、副卷扬的马达工作以及动力头加压、变幅、展宽、桅杆等的油缸工作等传统液压部分均由底盘控制器控制执行；新能源控制器指被控对象为新能源相关部件的控制器，其主要作用为接收底盘控制器功能指令，控制动力蓄电池、电机控制器（电机由电机控制器进行控制）共同参与整机动作的执行。

本实用新型的控制信号通讯系统、机械动力传动系统中的电机控制器的作用是接收新能源控制器的控制指令，并将指令下发给驱动电机执行。驱动电机响应电机控制器的指令，输出目标转速或扭矩。驱动电机为新能源驱动部分的最终执行元件，与旋挖钻整机的最终动作执行机构机械连接。

液压驱动部分中液压泵的主要作用为为液压系统蓄压，而液压阀组作用为响应底盘控制器的控制指令，对各执行液压部件的液压油路进行通断控制，驱动液压马达或液压油缸工作，完成整机液压部分的动作指令。

本实用新型的有益效果如下：

①整机纯电动化，可实现无污染作业；

②由驱动电机代替液压马达直接驱动各执行部件作业，并通过智能控制外接电缆和动力蓄电池系统的联合供电的工作模式保证各驱动电机供电正常，提升整机传动效率；

③通过驱动电机驱动主卷扬进行钻杆提升、下放等动作，在主卷下放过程中通过驱动电机回收部分或全部重力势能和动能，进一步降低整机能耗；

④选择性地保留部分液压驱动系统，并对现行液压驱动系统进行整合，通过主泵、主控制阀实现整机液压驱动系统的控制，减少液压驱动系统的传递路径，提升系统可靠性；

⑤通过驱动电机直接驱动主卷扬、动力头及主泵的驱动模式，有效提升液压系统复合动作的多样性和稳定性；

⑥减少柴油机、旋挖钻机维保项目和频次，整机维保内容大幅度下降。

附图说明

图1本实用新型的整机系统原理图。

图中序号：1、动力头电机ⅰ；2、钻杆；3、动力头减速机；4、动力头电机ⅱ；5、桅杆；6、驾驶员指令；7、hmi人机交互界面；8、整流设备；9、高压配电盒；10、动力蓄电池系统；11、蓄电池管理系统；12、钢丝绳；13、主卷扬；14、主卷扬减速机；15、主卷扬电机；16、控制阀组；17、动力头电机ⅰ动力输出轴；18、钻斗；19、外接电缆；20、动力头电机ⅱ动力输出轴；21、底盘控制器；22、新能源控制器；23、主卷扬电机控制器；24、动力头电机ⅱ控制器；25、主泵电机控制器；26、动力头电机ⅰ控制器；27、主泵电机；28、主泵电机动力输出轴；29、过渡齿轮；30、泵组动力输入轴；31、泵组。

具体实施方式

本实用新型以下将结合实施例（附图）作进一步描述。

如图1所示，本实用新型的纯电直驱旋挖钻机包括高压供电系统、控制信号通讯系统、机械动力传动系统；所述高压供电系统包括经高压配电盒9连接至整流设备8的动力蓄电池系统10、分别与高压配电盒9、整流设备8、动力蓄电池系统10相应端口相连接的蓄电池管理系统11，以及与整流设备8相应接口相连接的用于进行电能耦合输出的外接电缆19；电能经整流设备8以直流高压电的形式输出，分别接入动力头电机ⅰ控制器26、动力头电机ⅱ控制器24、主泵电机控制器25和主卷扬电机控制器23，将直流高压电转化为三向高压电并分别与机械动力传动系统的动力头电机ⅰ1、动力头电机ⅱ4、主泵电机27以及主卷扬电机15电连接；所述控制信号通讯系统包括接收并识别驾驶员指令6及来自泵组31的油压状态信息的底盘控制器21，底盘控制器21的动作信息或整机状态信息输出端接入hmi人机交互界面7的相应信号输入端，底盘控制器21的控制指令信号（回转、行走、副卷扬的马达工作指令以及动力头加压、变幅、展宽、桅杆等的油缸工作指令）输出端接入控制阀组16的相应信号输入端，底盘控制器21的油压信号输出端经新能源控制器22、整流设备8相应接口分别接入主卷扬电机控制器23、动力头电机ⅱ控制器24、主泵电机控制器25和动力头电机ⅰ控制器26。

本实用新型中所述的机械动力传动系统中的动力头电机ⅰ动力输出轴17和动力头电机ⅱ动力输出轴20分别通过相应的动力头减速机同步传递给钻杆2，并由钻杆2带动钻斗18进行打钻作业；机械动力传动系统中的主卷扬电机15动力输出端与主卷扬减速机14常啮合，主卷扬电机15动力经主卷扬减速机14传输给主卷扬13，由主卷扬13通过钢丝绳12提升或下放钻杆5；机械动力传动系统中的主泵电机27动力由主泵电机动力输出轴28输出，经过渡齿轮29及泵组动力输入轴30驱动泵组31，由泵组31完成液压管路蓄压；控制阀组16通过控制各液压油路的通断，控制各个液压执行零部件工作。

所述动力头电机ⅰ1、动力头电机ⅱ4、主泵电机27以及主卷扬电机15均为永磁同步电机。

本实用新型的工作原理如下：

底盘控制器21接收并识别驾驶员指令6及当前整机的状态信息，对驾驶员指令6信息进行解析，转化为对各部件（控制器）的控制指令，同时根据整机工作或客户需要将必要的动作信息或整机状态信息转发给hmi人机交互界面7进行显示处理。对于回转、行走、副卷扬的马达工作指令以及动力头加压、变幅、展宽、桅杆等的油缸工作指令等均是通过底盘控制器21将对应指令发送给控制阀组16，由控制阀组16对液压油的通断进行判断。与此同时，底盘控制器21接收来自泵组31的油压状态信息，并根据泵组31反馈的油压信号，控制主泵电机27工作状态。待机工况下，主泵电机27处于工作状态，为液压管路蓄压。底盘控制器21控制主泵电机27工作状态的指令信号经新能源控制器22、主泵电机控制器25处理，将具体的动作指令（目标转速、扭矩等）发送给主泵电机27，由主泵电机完成动力输出。类似地，当底盘控制器21响应驾驶员指令6执行主卷扬13提升、下放等动作时，需将主卷扬电机15动作指令信号发送给新能源控制器22，由新能源控制器22向主卷扬电机控制器23发电机动作指令，并由主卷扬电机控制器23直接控主卷扬电机15。同理，当底盘控制器21响应驾驶员指令6执行打钻等作业动作时，需将对动力头电机ⅰ1和动力头电机ⅱ4的动作指令信号发送给新能源控制器22，由新能源控制器22向动力头电机ⅰ控制器26和动力头电机ⅱ控制器24发电机动作指令，并由动力头电机ⅰ控制器24和动力头电机ⅱ控制器26分别直接控动力头电机ⅰ1和动力头电机ⅱ4的动作。另外，新能源动力部件从动力蓄电池系统10的取电需求均由新能源控制器22根据底盘控制器21目标指令需求，将功率需求指令发给蓄电池管理系统11，蓄电池管理系统11基于动力蓄电池系统10状态将输出能量信息同步给高压配电盒9，并由高压配电盒9控制动力蓄电池系统10电能输出。

机械动力传动部分：①动力头传动部分，动力头电机ⅰ1和动力头电机ⅱ4动力经同时与动力头电机ⅰ动力输出轴17和动力头电机ⅱ动力输出轴20机械常连的动力头减速机3传递给钻杆2，并由钻杆2带动钻斗18进行打钻作业。②主卷扬传动部分，主卷扬电机15动力输出端与主卷扬减速机14常啮合，主卷扬电机15动力经主卷扬减速机14传输给主卷扬13，由主卷扬13通过钢丝绳12提升或下放钻杆5。③主泵传动部分：主泵电机27动力由主泵电机动力输出轴28输出，经过渡齿轮29及泵组动力输入轴30驱动泵组31，由泵组31完成液压管路蓄压。控制阀组16通过控制各液压油路的通断，控制各个液压执行零部件工作。