CN107387081A - 混合驱动的摇臂采煤机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合驱动的摇臂采煤机，包括第Ⅰ牵引传动装置、第Ⅰ螺旋滚筒、第Ⅱ螺旋滚筒、第Ⅱ牵引传动装置、动势能储运回路与电动机复合驱动***、超级电容器组及控制器，通过电比例四象限液压泵/马达辅助主驱动电动机驱动摇臂采煤机工作。本发明公开的混合驱动的摇臂采煤机具有***的能量利用率高、降低主驱动电动机的装机功率等优点。
Description
技术领域
本发明属于采煤机械设备领域，具体涉及一种混合驱动的摇臂采煤机。
背景技术
矿山机械是直接用于矿物开采和富选等作业的机械。矿山机械主要由采掘机械、掘进机械、矿井提升运输设备等构成。摇臂采煤机是矿用采掘机械的一种，该机械是机械化采煤作业的主要机械设备，其主要功能是落煤和装煤。
摇臂采煤机的工作***主要包括机械***、电气***和液压***，液压***主要应用于辅助控制，如滚筒的调高和移动。根据摇臂采煤机的工作特点，主驱动电动机的功率要求很高，这样使得主电动机的体积很大，主电动机在采煤机内的合理布置较为不便，除此之外，摇臂采煤机工作环境、载荷特性恶劣，如果出现故障，将会导致整个生产过程的中断，造成巨大的经济损失，特别是采煤机遇到峰值载荷时，该设备的故障更容易发生，如在采煤时遇到坚硬的岩石，摇臂采煤机截割部所受外力加大，传动***承受的载荷增强，动力电机的内部电流就会增大，这时就容易发生焖车现象，对摇臂采煤机主电机造成不可逆的损害。为此，摇臂采煤机常采用液力耦合器来实现过载保护，但增设液力耦合器后，会降低机器的工作效率。
由于摇臂采煤机转动惯量大，在其启动、制动和加减速时会有较大的转矩，摇臂采煤机电机本身又不存在制动装置，在实际当中常设置制动电阻，通过将这些多余的能量消耗掉来辅助制动，这不仅会造成能量浪费还会引起电机发热，使摇臂采煤机摇臂对启动制动或负载变化的响应非常缓慢，还会造成动力***大量的能量损失与操作动作的延迟。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种混合驱动的摇臂采煤机，通过回收工作装置制动过程的动能，提高能量利用率。
混合驱动的摇臂采煤机，包括第Ⅰ牵引传动装置(11)、第Ⅰ螺旋滚筒(12)、第Ⅱ螺旋滚筒(13)、第Ⅱ牵引传动装置(14)，其特征在于：还包括动势能储运回路与电动机复合驱动***(22)、超级电容器组(18)及控制器(20)，其中：动势能储运回路与电动机复合驱动***包括：动势能储运回路(21)、第Ⅰ主驱动电动机(1)、第Ⅱ主驱动电动机(2)、第Ⅰ变频器(16.1)、双向DC-DC变换器(17)及两个电流互感器(15)。
所述的动势能储运回路(21)包括第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达(3.1)、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达(3.2)、安全阀(5)、恒压变量液压泵(7)、液压泵驱动电动机(19)、第Ⅱ变频器(16.2)、二位二通电磁阀(8)、蓄能器(9)、油箱(6)、第Ⅰ位移传感器(4.1)、第Ⅱ位移传感器(4.2)、压力传感器(10)；第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达第一油口P3、安全阀的进油口、恒压变量液压泵的出油口、二位二通电磁阀的A油口通过液压管路连通，二位二通电磁阀的B油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器；第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达第二油口P4、安全阀的出油口、恒压变量液压泵的进油口均与油箱连通；第Ⅰ、第Ⅱ位移传感器分别与第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅰ、第Ⅱ位移传感器的输出信号输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接。
第Ⅰ主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与第Ⅰ牵引传动装置的输入轴和动势能储运回路的第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅰ牵引传动装置的输出轴与第Ⅰ螺旋滚筒的驱动轴连接；第Ⅱ主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与第Ⅱ牵引传动装置的输入轴和动势能储运回路的第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅱ牵引传动装置的输出轴与第Ⅱ螺旋滚筒的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端与控制器连接，第Ⅰ变频器的输出端与第Ⅰ、第Ⅱ主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端连接到超级电容器组，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，两个电流互感器分别安装在第Ⅰ变频器与第Ⅰ主驱动电动机和第Ⅰ变频器与第Ⅱ主驱动电动机之间，其输出信号输入控制器；控制器向第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ和第Ⅱ变频器发送控制指令。
所述的恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。
所述的蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。
所述的动势能储运回路是电比例四象限液压泵/马达和恒压变量液压泵组成的二次调节回路，或电比例四象限液压泵/马达和定量液压泵/马达组成的闭式回路。
所述的动势能储运回路与电动机复合驱动***通过控制主驱动电动机的转速或主驱动电动机的输出扭矩和转角，实现对摇臂采煤机的控制。
与现有技术相比，本发明提供的混合驱动的摇臂采煤机，具有以下优点与积极效果：
1、本发明通过液压泵/马达辅助主电动机驱动摇臂采煤机执行机构，在满足摇臂采煤机瞬时大功率需求的前提下，使主驱动电动机不必附加减速器就可以实现低速大扭矩工况，减小了主电动机的体积，为电动机在摇臂采煤机中的合理布置提供了便利。
2、本发明通过采用液电混合驱动方式，结合电气驱动大功率和液压驱动高功率密度的优点，可显著降低该***的重量和体积。
3、本发明采用电比例四象限液压泵/马达和蓄能器辅助主电动机驱动摇臂采煤机执行机构，能在摇臂采煤机遭遇峰值载荷时提供额外动力，提高摇臂采煤机的瞬时开采功率，使摇臂采煤机平稳度过峰值载荷，防止电机发生焖车现象，降低主电动机装机功率，降低能量损耗。
4、本发明通过电比例四象限液压泵/马达将采煤机机执行机构制动过程的动能存储到液压蓄能器中，可以取消原有的制动电阻，因而可以提高能效并降低***的发热，
5、本发明采用超级电容器组存储摇臂采煤机减速制动时主电动机发出的电能，辅助摇臂采煤机减速制动的同时，还能提高能量利用率，减小对电网的冲击，降低能量损耗，减少电机***发热，延长电动机的使用寿命，并且在摇臂采煤机启动过程补充峰值电流，减小了主驱动电动机直接启动时过大的启动电流对电网的冲击影响。
附图说明
图1为本发明混合驱动的摇臂采煤机的混合驱动控制原理图。
图中：1-第Ⅰ主驱动电动机；2-第Ⅱ主驱动电动机；3.1-第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达；3.2-第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达；4.1-第Ⅰ位移传感器；4.2-第Ⅱ位移传感器；5-安全阀；6-油箱；7-恒压变量液压泵；8-二位二通电磁阀；9-蓄能器；10-压力传感器；11-第Ⅰ牵引传动装置；12-第Ⅰ螺旋滚筒；13-第Ⅱ螺旋滚筒；14-第Ⅱ牵引传动装置；15-电流互感器；16.1-第Ⅰ变频器；16.2-第Ⅱ变频器；17-双向DC-DC变换器；18-超级电容器组；19-液压泵驱动电动机；20-控制器；21-动势能储运回路；22-动势能储运回路与电动机复合驱动***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如附图1所示，混合驱动的摇臂采煤机，包括第Ⅰ牵引传动装置11、第Ⅰ螺旋滚筒12、第Ⅱ螺旋滚筒13、第Ⅱ牵引传动装置14，其特征在于：还包括动势能储运回路与电动机复合驱动***22、超级电容器组18及控制器20，其中：动势能储运回路与电动机复合驱动***包括：动势能储运回路21、第Ⅰ主驱动电动机1、第Ⅱ主驱动电动机2、第Ⅰ变频器16.1、双向DC-DC变换器17及电流互感器15。
所述的动势能储运回路21包括第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达3.1、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达3.2、安全阀5、恒压变量液压泵7、液压泵驱动电动机19、第Ⅱ变频器16.2、二位二通电磁阀8、蓄能器9、油箱6、第Ⅰ位移传感器4.1、第Ⅱ位移传感器4.2、压力传感器10，第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达第一油口P3、安全阀的进油口、恒压变量液压泵的出油口、二位二通电磁阀的A油口通过液压管路连通，二位二通电磁阀的B油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器；第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达第二油口P4、安全阀的出油口、恒压变量液压泵的进油口均与油箱连通；第Ⅰ、第Ⅱ位移传感器分别与第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅰ、第Ⅱ位移传感器的输出信号输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接。
第Ⅰ主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与第Ⅰ牵引传动装置的输入轴和动势能储运回路的第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅰ牵引传动装置的输出轴与第Ⅰ螺旋滚筒的驱动轴连接；第Ⅱ主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与第Ⅱ牵引传动装置的输入轴和动势能储运回路的第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅱ牵引传动装置的输出轴与第Ⅱ螺旋滚筒的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端与控制器连接，第Ⅰ变频器的输出端与第Ⅰ、第Ⅱ主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端连接到超级电容器组，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，两个电流互感器分别安装在第Ⅰ变频器与第Ⅰ主驱动电动机和第Ⅰ变频器与第Ⅱ主驱动电动机之间，其输出信号输入控制器；控制器向第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ和第Ⅱ变频器发送控制指令H和E。
摇臂采煤机启动之前，控制器发出控制指令E到第Ⅱ变频器，控制液压泵驱动电动机启动，恒压变量液压泵开始工作，打开二位二通电磁阀，，恒压变量液压泵为蓄能器补充油液，当压力传感器检测到蓄能器组压力达到预设值时，控制器控制二位二通电磁阀关闭。
当摇臂采煤机启动加速、或在工作过程中遭遇峰值载荷时，电流互感器检测到第Ⅰ、第Ⅱ主驱动电动机中的电流突然升高，控制器控制第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压马达工况，同时，控制器控制二位二通电磁阀打开，液压蓄能器组释放液压能，与恒压变量液压泵同时驱动第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达；同时，控制器发出指令E到双向DC-DC变换器，控制超级电容器组释放电能，补充第Ⅰ、第Ⅱ主驱动电动机启动过程、或克服峰值载荷所需的峰值电流，主驱动电动机与电比例四象限液压泵/马达共同驱动采煤机启动加速或克服峰值载荷。完成启动加速过程或度过峰值载荷后，控制器发出控制指令E，控制二位二通电磁阀关闭，同时将第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角归零，并控制双向DC-DC变换器使超级电容器组停止释放电能。
摇臂采煤机制动时，控制器控制电网停止向第Ⅰ变频器供电，采煤机执行机构的动能带动第Ⅰ、第Ⅱ主驱动电动机处于发电状态，控制器发出指令到双向DC-DC变换器，将主电机发出的电能存储到超级电容器组内，同时控制器发出控制指令通过控制第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角方向使其处于液压泵工况，二位二通电磁阀打开，第Ⅰ、第Ⅱ主驱动电动机分别带动第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达将油箱中的液压油泵入液压蓄能器组中，液压蓄能器组成为负载，辅助主驱动电动机制动。当压力传感器检测液压蓄能器组中的油液压力达到设定限值时，控制器发出指令使二位二通电磁阀关闭，油液通过安全阀流回油箱。制动过程结束后，控制器发出控制指令，控制二位二通电磁阀关闭，改变第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角为零，同时控制器控制双向DC-DC变换器使超级电容器组停止储存电能。
所述的恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。
所述的蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。
所述的动势能储运回路是电比例四象限液压泵/马达和恒压变量液压泵组成的二次调节回路，或电比例四象限液压泵/马达和定量液压泵/马达组成的闭式回路。
所述的动势能储运回路与电动机复合驱动***通过控制主驱动电动机的转速或主驱动电动机的输出扭矩和转角，实现对摇臂采煤机的控制。
Claims (5)
1.混合驱动的摇臂采煤机，包括第Ⅰ牵引传动装置(11)、第Ⅰ螺旋滚筒(12)、第Ⅱ螺旋滚筒(13)、第Ⅱ牵引传动装置(14)，其特征在于：还包括动势能储运回路与电动机复合驱动***(22)、超级电容器组(18)及控制器(20)，其中：动势能储运回路与电动机复合驱动***包括：动势能储运回路(21)、第Ⅰ主驱动电动机(1)、第Ⅱ主驱动电动机(2)、第Ⅰ变频器(16.1)、双向DC-DC变换器(17)及两个电流互感器(15)；
所述的动势能储运回路(21)包括第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达(3.1)、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达(3.2)、安全阀(5)、恒压变量液压泵(7)、液压泵驱动电动机(19)、第Ⅱ变频器(16.2)、二位二通电磁阀(8)、蓄能器(9)、油箱(6)、第Ⅰ位移传感器(4.1)、第Ⅱ位移传感器(4.2)、压力传感器(10)；第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达第一油口P3、安全阀的进油口、恒压变量液压泵的出油口、二位二通电磁阀的A油口通过液压管路连通，二位二通电磁阀的B油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器；第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达第二油口P4、安全阀的出油口、恒压变量液压泵的进油口均与油箱连通；第Ⅰ、第Ⅱ位移传感器分别与第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅰ、第Ⅱ位移传感器的输出信号输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接；
第Ⅰ主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与第Ⅰ牵引传动装置的输入轴和动势能储运回路的第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅰ牵引传动装置的输出轴与第Ⅰ螺旋滚筒的驱动轴连接；第Ⅱ主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与第Ⅱ牵引传动装置的输入轴和动势能储运回路的第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅱ牵引传动装置的输出轴与第Ⅱ螺旋滚筒的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端与控制器连接，第Ⅰ变频器的输出端与第Ⅰ、第Ⅱ主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端连接到超级电容器组，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，两个电流互感器分别安装在第Ⅰ变频器与第Ⅰ主驱动电动机和第Ⅰ变频器与第Ⅱ主驱动电动机之间，其输出信号输入控制器；控制器向第Ⅰ、第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ和第Ⅱ变频器发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的混合驱动的摇臂采煤机，其特征在于：所述的恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。
3.根据权利要求1所述的混合驱动的摇臂采煤机，其特征在于：所述的蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。
4.根据权利要求1所述的混合驱动的摇臂采煤机，其特征在于：所述的动势能储运回路是电比例四象限液压泵/马达和恒压变量液压泵组成的二次调节回路，或电比例四象限液压泵/马达和定量液压泵/马达组成的闭式回路。
5.根据权利要求1所述的混合驱动的摇臂采煤机，其特征在于：所述的动势能储运回路与电动机复合驱动***通过控制主驱动电动机的转速或主驱动电动机的输出扭矩和转角，实现对摇臂采煤机的控制。
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