适用于旋挖钻机的纯电动直驱型旋挖钻机动力系统的制作方法

本实用新型涉及基础施工技术领域的旋挖钻机，具体说本实用新型基于传统发动机或三相异步电机联合液压驱动型旋挖钻机主作业动作及特点提出一种适用于旋挖钻机的纯电动直驱型旋挖钻机动力系统。

背景技术：

近年基建行业发展迅猛，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的发动机或三相异步电机联合液压驱动的动力输出实现，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。另外，传统旋挖钻机受限于液压系统固有特性（压力受干扰波动），复合动作相对较少，且复合动作稳定性差、功能多样性差，减少液压驱动执行元件对于提升旋挖钻机复合动作稳定性及复合动作多样性具有重要意义。

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适用于旋挖钻机的纯电动直驱型旋挖钻机动力系统。本实用新型核心是减少液压控制执行元件的数目，增加旋挖钻机复合动作的稳定性及多样性。具体说，通过多个永磁同步电机分别驱动动力头、主卷扬和主泵，使主卷扬和动力头的动作不再受限于液压驱动系统，使旋挖钻复合动作更加稳定、多样化。

本实用新型的目的可通过下述技术措施来实现：

本实用新型的适用于旋挖钻机的纯电动直驱型旋挖钻机动力系统包括采用动力电池耦合外接电缆联合供电模式的供电部分，根据各执行动作需求功率从供电部分取电，并将该部分电能转化为永磁同步电机的动能的电驱动部分，以及动作执行部分；所述电驱动部分包括分别与供电部分电连接的主泵电机控制器、主卷扬电机控制器、动力头电机控制器；所述动作执行部分包括与主泵电机控制器电连接的负责驱动液压泵实现履带行走、桅杆调幅、加压动作的主泵电机，与主卷扬电机控制器电连接的负责驱动卷扬机起重的主卷扬电机，与动力头电机控制器电连接的负责驱动动力头钻孔的动力头电机。

进一步说，所述主泵电机通过减速机以机械连接的方式与用于驱动履带行走、桅杆调幅、加压动作的液压泵构成的泵组+控制阀组相连接；主泵电机的电能由电缆+动力电池构成的复合供电电源经主泵电机控制器控制输出转化提供；所述主泵电机为永磁同步电机。

用于钻杆的提升和下放的主卷扬与主卷扬电机通过减速机以机械连接的方式结合在一起，主卷扬电机的电能由电缆+动力电池的复合供电电源经主卷扬电机控制器控制输出转化提供；主卷扬电机为旋挖钻正常打钻作业的核心部件，由其驱动钻杆的提升、下放，并实现卸土等操作；所述主卷扬电机为永磁同步电机。

所述动力头与动力头电机通过减速机以机械连接的方式结合在一起，动力头电机的电能由电缆+动力电池的复合供电电源经动力头电机控制器控制输出转化提供；动力头电机为旋挖钻正常打钻作业的核心执行功能部件，由其为动力头旋挖提供周向扭矩，驱动钻杆的周向旋转、切削，所述动力头电机为永磁同步电机。

所述供电部分是由与外接电缆连接的整流模块、动力蓄电池系统、动力蓄电池能量管理系统、旋挖钻整机控制器组成的复合供电系统；其中，外接电缆、整流模块及动力蓄电池系统为高压电能输出部件，通过高压线有序连接；动力蓄电池能量管理系统、旋挖钻整机控制器分别为动力电池、旋挖钻钻机能量管理分配控制系统，通过通讯线进行控制、监控报文数据的交互。

更具体说，本实用新型考虑到旋挖钻机多动作复合作业时需求功率较大，单独依靠动力电池供电，所需匹配动力电池较大，成本较高。单独依靠电缆供电，则电缆负载较大，对高压供电设备电压影响较大。因此本实用新型采用动力电池耦合电缆联合供电的模式，保证旋挖钻作业过程中供电正常。

本实用新型的电驱动部分的作用是根据各执行动作需求功率从供电部分取电，并将该部分电能转化为永磁同步电机的动能。

本实用新型的动作执行部分根据整机操作指令，完成各个传统动作。

为便于本实用新型功能优势描述，将专利中用到的永磁同步电机区分成三类，具体如下所述：

1）负责驱动液压泵实现履带行走/桅杆调幅/加压等动作的电机，为主泵电机；

2）负责驱动卷扬机起重的电机，命名为主卷扬电机；

3）负责驱动动力头钻孔的电机，命名为动力头电机；

以上各类电机不限于单电机形式驱动，也可以是双电机（或多电机）形式共同驱动。

本实用新型的有益效果如下：

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，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。

附图说明

图1是本实用新型的纯电动直驱型旋挖机动力系统原理图。

图中序号：1是整流变频柜，2是主泵电机控制器，3是主泵电机，4是泵组+控制阀组，5是主卷扬电机控制器，6是主卷扬电机，7是主卷扬，8是动力头电机控制器，9是动力头电机，10是动力头，11动力蓄电池系统，12是动力蓄电池能量管理系统，13是旋挖钻整机控制器,14是整流模块。

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，本实用新型的适用于旋挖钻机的纯电动直驱型旋挖钻机动力系统包括采用动力电池耦合外接电缆联合供电模式的供电部分，根据各执行动作需求功率从供电部分取电，并将该部分电能转化为永磁同步电机的动能的电驱动部分，以及动作执行部分；所述电驱动部分包括分别与供电部分电连接的主泵电机控制器2、主卷扬电机控制器5、动力头电机控制器8；所述动作执行部分包括与主泵电机控制器电连接的负责驱动液压泵实现履带行走、桅杆调幅、加压动作的主泵电机3，与主卷扬电机控制器电连接的负责驱动卷扬机起重的主卷扬电机6，与动力头电机控制器电连接的负责驱动动力头钻孔的动力头电机9。

进一步说，所述主泵电机3通过减速机以机械连接的方式与用于驱动履带行走、桅杆调幅、加压动作的液压泵构成的泵组+控制阀组4相连接；主泵电机的电能由电缆+动力电池构成的复合供电电源经主泵电机控制器控制输出转化提供；所述主泵电机为永磁同步电机。

用于钻杆的提升和下放的主卷扬7与主卷扬电机6通过减速机以机械连接的方式结合在一起，主卷扬电机的电能由电缆+动力电池的复合供电电源经主卷扬电机控制器控制输出转化提供；主卷扬电机为旋挖钻正常打钻作业的核心部件，由其驱动钻杆的提升、下放，并实现卸土等操作；所述主卷扬电机为永磁同步电机。

所述动力头10与动力头电机9通过减速机以机械连接的方式结合在一起，动力头电机的电能由电缆+动力电池的复合供电电源经动力头电机控制器控制输出转化提供；动力头电机为旋挖钻正常打钻作业的核心执行功能部件，由其为动力头旋挖提供周向扭矩，驱动钻杆的周向旋转、切削，所述动力头电机为永磁同步电机。

更具体说，本实用新型考虑到旋挖钻机多动作复合作业时需求功率较大，单独依靠动力电池供电，所需匹配动力电池较大，成本较高。单独依靠电缆供电，则电缆负载较大，对高压供电设备电压影响较大。因此本实用新型采用动力电池耦合电缆联合供电的模式，保证旋挖钻作业过程中供电正常。

本实用新型的电驱动部分的作用是根据各执行动作需求功率从供电部分取电，并将该部分电能转化为永磁同步电机的动能。

本实用新型的动作执行部分根据整机操作指令，完成各个传统动作。

为便于本实用新型功能优势描述，将专利中用到的永磁同步电机区分成三类，具体如下所述：

1）负责驱动液压泵实现履带行走/桅杆调幅/加压等动作的电机，为主泵电机；

2）负责驱动卷扬机起重的电机，命名为主卷扬电机；

3）负责驱动动力头钻孔的电机，命名为动力头电机；

以上各类电机不限于单电机形式驱动，也可以是双电机（或多电机）形式共同驱动。

本实用新型中所述供电部分是由与外接电缆连接的整流模块14、包含有动力蓄电池能量管理系统12的动力蓄电池系统11、旋挖钻整机控制器13组成的复合供电系统；其中，外接电缆、整流模块及动力蓄电池系统为高压电能输出部件，通过高压线有序连接；动力蓄电池能量管理系统、旋挖钻整机控制器分别为动力电池、旋挖钻钻机能量管理分配控制系统，通过通讯线进行控制、监控报文数据的交互。

更具体说：

外接电缆取电：本实用新型考虑到纯电动直驱型旋挖钻作业场地高压供电便利，因此选用外接电缆作业整机取电的一种方式，外接电缆供电部分既可用于纯电动直驱型旋挖钻机作业用电，也可用作动力电池高压补电；

动力蓄电池系统供电：本实用新型考虑到纯电动直驱型旋挖钻机小范围转场移动时电缆随动，存在触电隐患及供电不可靠等问题，因此为纯电动直驱型旋挖钻机提供动力电池系统（辅电源），使纯电动直驱型旋挖钻机在无外接电缆取电或外接电缆取电异常时通过动力蓄电池系统进行供电，保证纯电动直驱型旋挖钻机的正常作业。另外，动力电池作为辅电源在主卷扬下放过程中可通过主卷扬电机将部分制动能和重力势能转化为电能，存储至动力电池。值得注意的时，本实用新型中，动力蓄电池系统为常供电系统。

整流变频柜：通过该装置的整流模块对从外接电缆取电部分的三相电进行变频整流，并与动力电池供电部分进行整流，将两部分电能进行耦合并驱动纯电动直驱型旋挖钻机。

旋挖钻整机控制器：旋挖钻整机控制器解析驾驶员的动作指令，根据旋挖钻各动作需求功率，向动力蓄电池能量管理系统发出需求功率需求，此时动力蓄电池能量管理系统根据动力电池本体状态反馈并控制动力蓄电池总输出功率。外接电缆取电供电部分根据旋挖钻整机需求功率及动力蓄电池实际总输出功率被动响应旋挖钻机整机需求功率。同时，由旋挖钻整机控控制器与各个电机控制器进行报文交互，解析驾驶员动作指令，并将各个动作指令编译为发送给电机控制器的控制指令报文，由各个电机控制器控制各对应电机的动作，继而实现各个动作指令。

复合供电工作模式划分：

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；

外接电缆断开模式：①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，由动力蓄电池系统单独为整机高压部件供电，并供整机驱动；②当动力蓄电池电量较高，但放电功率无法满足整机动作需求功率时，则由旋挖钻整机控制器限制部分执行部件作业功率，各动作限功率执行；

外接电缆连接模式：①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；②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；③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；④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。

本实用新型中旋挖钻机控制器将整机需求功率信息通过通讯线传递给动力蓄电池能量管理系统，动力蓄电池能量管理系统采集动力蓄电池系统当前状态信息及实际可输出功率信息，并将实际可输出功率与旋挖钻整机控制器要求动力蓄电池系统输出功率进行数值处理，并根据处理结果控制动力蓄电池系统实际功率输出值。动力蓄电池系统与经整流模块处理的外接电缆高压电在整流变频柜中耦合，并共同参与纯电动直驱型旋挖钻机的整机供电。其中外接电缆取电供电部分的输出电量由旋挖钻机工作模式、动力蓄电池系统电量状态、旋挖钻整机需求功率、动力蓄电池实际供电量等共同决定。