适用于电动履带式挖掘机的驱动系统、方法及挖掘机与流程

1.本发明属于工程机械领域，具体涉及一种适用于电动履带式挖掘机的驱动系统、方法及挖掘机。


背景技术：

2.近年来，在电动汽车技术的支撑下，电动化工程机械发展取得了显著的成效。然而，工程机械在结构形式、工况类型以及作业环境等方面与汽车存在显著差异，且电动工程机械同样面对电量需求大、续航时间过短、平台通用性差等问题。
3.目前的电动挖掘机主要采用电机驱动液压泵，通过液压系统实现挖掘机各个动作。挖掘机在挖掘和卸载时，需用到动作执行元件，例如动臂、斗杆、铲斗、和推土铲的动作，液压系统耦合度高，当多个动作同时执行时即为复合动作时，液压系统无法同时兼顾流量及压力的需求，导致整机作业效率低；同时液压元件效率过低，且多个液压元件串联导致，使得系统能耗增大，从而导致同等电量条件下，整机续航时间短。
4.受驱动系统功率限制，液压泵在功率一定的情况下，做复合动作时，易出现流量不足的情况，使得挖掘机整体工作效率低，各个动作不能兼顾；且回转及行走液压系统耦合，控制动作灵活性降低，不利于实现挖掘机智能控制。
5.申请号为cn202111302750.0的中国发明专利申请，提供了一种电动挖掘机，其包括履带式行走下部车身、上部车身、电驱动系统、工作装置、电源控制装置，上部车身上固定安装有副动力电池组；下部车身行走架后部设有用于安装主动力电池且位于上部车身回转半径之外的电池安装平台，主动力电池组和副动力电池组均与电源控制装置电连接；电源控制装置在电驱动系统与主动力电池组和副动力电池组之间切换，控制主动力电池组对副动力电池组充电。本发明电动挖掘机可以使用自身的吊装能力进行换电操作，解决了在狭小空间，如隧道内大型起吊设备无法使用的场所，吊装更换电池困难的问题。
6.申请号为cn202010912647.7的中国发明专利申请，提供了一种电动挖掘机的控制系统及电动挖掘机，包括：动力子系统、交流供电子系统、电池组供电子系统和控制子系统；所述交流供电子系统，通过第一继电器与所述动力子系统连接；所述电池组供电子系统，通过第二继电器与所述动力子系统连接；所述交流供电子系统供电正常时，所述第一继电器闭合，所述第二继电器断开；所述控制子系统，用于在所述交流供电子系统供电故障时，控制所述第二继电器闭合。本发明提供了一种电动挖掘机的控制系统及电动挖掘机，由于设置有电池组供电子系统，在外接电源出现故障时，可以通过电池组供电子系统供电，从而保障设备及人员安全。
7.申请号为cn201710960003.3的中国发明专利申请，提供了一种电动挖掘机，包括动力机构、回转机构、转向机构、行走机构、电池组和中控模块。采用电动控制动力机构，有效节省液压油能源。回转机构、转向机构、行走机构分别设置液压控制模式、电动控制模块，以满足不同作业环境、作业需求。在不影响挖掘机作业的情况下，合理节约液压能源。
8.申请号为cn202121725830.2的中国发明专利申请，提供了履带式电动挖掘机，包
括回转平台和电池支架，回转平台的纵梁包括两平行的主梁和分别位于主梁两侧的边梁；位于边梁与主梁之间的前横梁和后横梁均为水平边位于下部的l形结构，后横梁水平边朝向前侧，前横梁水平边朝后后侧；电池支架的左右电池支架分别位于主梁的左右两侧由边梁、主梁和横梁所围成的空间内且与横梁水平边固定连接。在本实用新型中，左右电池支架的下端下沉固定在横梁的水平边上，该安装面相对于主梁顶部位置高度要低，因此可降低覆盖件的顶部高度。
9.综上所述，以上方案主要采用电机驱动液压泵，通过液压系统实现挖掘机各个动作。挖掘机在挖掘和卸载时，需要用到动作执行元件，例如动臂、斗杆、铲斗、和推土铲的动作，且系统耦合度很高，多个动作同时执行时即为复合动作时，液压系统无法同时兼顾流量及压力的需求，导致整机作业效率低；同时液压元件效率过低，且多个液压元件串联导致，使得系统能耗增大，从而导致同等电量条件下，整机续航时间短。另外，回转及行走动作与液压系统耦合，控制动作灵活性降低，不利于实现挖掘机智能控制。
10.申请号为cn202010843828.9的中国发明专利申请，提供了一种电动挖掘机的复合驱动系统及控制方法，包括：第一电机，被配置为驱动电动挖掘机的回转装置；第二电机，被配置为驱动液压泵，从而为电动挖掘机的多个动作执行元件提供液压油；负载敏感阀，连通于液压泵和多个动作执行元件之间，并能根据多个动作执行元件的压力和流量需求，调整供油压力和流量；压力传感器，被配置为测量负载敏感阀的负载敏感油口的压力；整车控制器，通讯连接于压力传感器，并被配置为根据压力传感器的压力测量值，使第一电机选择性地工作在单一动作模式或复合动作模式。本公开实施例能够兼顾电动挖掘机在单一动作模式和复合动作模式下的驱动需求，提高电动挖掘机各个动作间的协调性，进而提高电动挖掘机的操控性及工作效率。可见，该方案未阐述回转系统驱动形式及制动行驶，未涉及回转系统驱动及制动控制以及行走系统驱动及制动控制。


技术实现要素：

11.针对上述问题，本发明提出一种适用于电动履带式挖掘机的驱动系统、方法及挖掘机，采用电磁制动器、电机及减速机组成的回转驱动系统，能够提升回转系统效率，降低能量损失。
12.为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
13.第一方面，本发明提供了一种适用于电动履带式挖掘机的驱动系统，包括：电源模块、控制器、第一分线盒、中心回转体滑环、第二分线盒、回转驱动模块和行走驱动模块；
14.所述电源模块和控制器的输出端分别与所述第一分线盒相连，所述第一分线盒的第一输出端与所述回转驱动模块相连，其第二输出端与所述中心回转体滑环的一端相连；
15.所述中心回转体滑环设于挖掘机的回转体上，其另一端与所述第二分线盒的输入端相连；
16.所述第二分线盒的输出端与所述行走驱动模块相连；
17.所述回转驱动模块的输出端用于与挖掘机的回转体相连；
18.所述行走驱动模块的输出端用于与挖掘机的行走单元相连。
19.可选地，所述回转驱动模块包括回转电机驱动器、回转电机、回转减速机和回转电磁制动器；
20.所述回转减速机、回转电磁制动器和回转电机共同构成回转子机构；
21.所述回转电机驱动器的一端与所述第一分线盒相连，另一端与所述回转子机构的其中一端相连，所述回转子机构的另一端用于与挖掘机的回转体相连。
22.可选地，所述回转减速机和回转电磁制动器分别与所述回转电机两端的轴相连，构成回转子机构；或者，所述回转减速机和回转电磁制动器均与所述回转电机同一端的轴相连，构成回转子机构。
23.可选地，所述行走驱动模块包括两组并联设置的行走驱动机构；所述行走驱动机构包括行走电机驱动器、行走电机、行走减速器和行走电磁制动器；
24.所述行走电机、行走减速器和行走电磁制动器共同构成行走子机构；
25.所述行走电机驱动器一端与所述第二分线盒相连，另一端与所述行走子机构的一端相连，所述行走子机构的另一端用于与挖掘机的行走单元相连。
26.可选地，所述行走减速机和行走电磁制动器分别与所述行走电机两端的轴相连，构成行走子机构；或者，所述行走减速机和行走电磁制动器均与所述行走电机同一端的轴相连，构成行走子机构。
27.可选地，所述控制器通过中心回转体滑环传递控制信号至行走电机驱动器，所述行走电机控制器控制所述行走电磁制动器接触制动，并驱动行走电机正转或反转。
28.第二方面，本发明提供了一种挖掘机，包括第一方面中任一项所述的适用于电动履带式挖掘机的驱动系统。
29.第三方面，本发明提供了一种基于第一方面中任一项所述的适用于电动履带式挖掘机的驱动系统的回转驱动方法，其特征在于，包括：
30.实时采集操作器的手柄开度数值k，并计算出手柄开度变化率h；
31.根据手柄开度值k，利用线性插值法从曲线f中求得回转电机目标转速n；所述曲线f为手柄开度值与回转电机目标转速的对应曲线；
32.根据手柄开度变化率h，求解出回转电机目标转速的基础值n1，n1＝h*n；
33.根据回转体的实际回转速度和回转体的目标回转速度的差值，通过模糊控制算法求解出附加转速值n2；
34.求解出回转电机的最终目标转速值n，n＝n1+n2。
35.可选地，所述手柄开度值k定义为k∈[-1 1]，根据手柄所处的物理位置进行线性比例转换；
[0036]
当k＝0时，手柄处于中位，代表回转体不进行任何运动；
[0037]
定义手柄从中位向某一指定方向运动代表进行向左角度操作，此时k》0，运动到极限位置时k＝1；
[0038]
定义手柄从中位向相反的方向运动代表进行向右回转操作，此时k《0，运动到极限位置时k＝-1。
[0039]
可选地，所述附加转速值n2的求解方法包括：
[0040]
根据回转电机当前实际转速值，经回转减速机传动比换算，得到回转体的实际回转速度v1；
[0041]
将回转电机目标转速n，经回转减速机传动比换算，得到回转体的目标回转速度v2；
[0042]
所述模糊控制算法的输入变量为回转体的实际回转速度v1与目标回转速度v2的差值e，以及差值的变化率e'，输出变量为附加转速值n2；
[0043]
所述模糊控制算法采用的模糊控制规则通过以下步骤建立：
[0044]
将差值e的模糊子集定义为{-0.2,-0.1,0,0.1,0.2}，对应的语言变量为{vs1,s1,z1,b1,vb1}；
[0045]
将变化率e'的模糊子集定义为{-2,-1,0,1,2}，对应的语言变量为{vs2,s2,z2,b2,vb2}；
[0046]
将附加转速值n2的模糊子集定义为{-100,-50,0,50,100}，对应的语言变量为{vs3,s3,z3,b3,vb3}。
[0047]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0048]
本发明采用电磁制动器、电机及减速机组成的电动回转驱动模块，由于液压系统固有特性能量效率低，采用电动回转系统，实现能量效率提升，从而提升回转系统效率，减少能量损失。
[0049]
本发明采用电磁制动器、电机及减速机组成的电动行走驱动模块，提升行走系统效率，降低能量损失。
[0050]
本发明将挖掘机的回转系统和行走系统，分别用独立电驱动系统，实现行走和回转控制系统独立，近而实现回转系统和行走系统从整机液压系统中解耦；由于液压系统动力源液压油泵无法同时满足大流量和高压力需求，采用本方案解决液压系统压力与流量的矛盾，同时，电动回转及电动行走系统，能够实现将回转、行走及坡道产生的惯性动能；另外由于便于实现能量回收及智能控制等功能。
附图说明
[0051]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
[0052]
图1为本发明一种实施例的适用于电动履带式挖掘机的驱动系统的结构示意图；
[0053]
图2为本发明一种实施例的行走驱动系统控制信号传输路径。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
[0055]
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0056]
实施例1
[0057]
本发明实施例中提供了一种适用于电动履带式挖掘机的驱动系统，如图1-2所示，包括：电源模块、控制器、第一分线盒、中心回转体滑环、第二分线盒、回转驱动模块和行走驱动模块；
[0058]
所述电源模块和控制器的输出端分别与所述第一分线盒相连，所述第一分线盒的第一输出端与所述回转驱动模块相连，其第二输出端与所述中心回转体滑环的一端相连；在具体实施过程中，所述控制器为挖掘机的整车控制器；
[0059]
所述中心回转体滑环设于挖掘机的回转体上，其另一端与所述第二分线盒的输入端相连；在实际应用过程中，所述电源模块可以选用动力电池；所述动力电池装配在上装系统内，行走驱动系统的供电需经过中心回转体滑环，将电源接入行走驱动模块；
[0060]
所述第二分线盒的输出端与所述行走驱动模块相连；
[0061]
所述回转驱动模块的输出端用于与挖掘机的回转体相连；
[0062]
所述行走驱动模块的输出端用于与挖掘机的行走单元相连。
[0063]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述回转驱动模块包括回转电机驱动器、回转电机、回转减速机和回转电磁制动器；
[0064]
所述回转减速机、回转电磁制动器和回转电机共同构成回转子机构；在具体实施过程中，所述回转减速机和回转电磁制动器分别与所述回转电机两端的轴相连，构成回转子机构；或者，所述回转减速机和回转电磁制动器均与所述回转电机同一端的轴相连，构成回转子机构；在具体实施过程中，所述回转减速机与挖掘机上的中心回传体啮合，实现传动；
[0065]
所述回转电机驱动器的一端与所述第一分线盒相连，另一端与所述回转子机构的其中一端相连，所述回转子机构的另一端用于与挖掘机的回转体相连。
[0066]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述行走驱动模块包括两组并联设置的行走驱动机构；所述行走驱动机构包括行走电机驱动器、行走电机、行走减速器和行走电磁制动器；
[0067]
所述行走电机、行走减速器和行走电磁制动器共同构成行走子机构；在具体实施过程中，所述行走减速机和行走电磁制动器分别与所述行走电机两端的轴相连，构成行走子机构；或者，所述行走减速机和行走电磁制动器均与所述行走电机同一端的轴相连，构成行走子机构；
[0068]
所述行走电机驱动器一端与所述第二分线盒相连，另一端与所述行走子机构的其中一端相连，所述行走子机构的另一端用于与挖掘机的行走单元相连。
[0069]
当驾驶员操作手柄实现前进或后退动作时，所述控制器检测到前进或后退信号输入，通过硬线信号或总线信号，经过所述中心回转体滑环传递控制信号至行走电机驱动器，所述行走电机控制器控制所述行走电磁制动器接触制动，并驱动行走电机正传或反转，从而实现前进或后退。
[0070]
实施例2
[0071]
本发明实施例中提供了一种挖掘机，包括实施例1中任一项所述的适用于电动履带式挖掘机的驱动系统。
[0072]
实施例3
[0073]
本发明实施例中提供了一种基于实施例1中任一项所述的适用于电动履带式挖掘机的驱动系统的回转驱动方法，包括：
[0074]
实时采集操作器的手柄开度数值k，并计算出手柄开度变化率h；
[0075]
根据手柄开度值k，利用线性插值法从曲线f中求得回转电机目标转速n；所述曲线f为手柄开度值与回转电机目标转速值的对应曲线；
[0076]
根据手柄开度变化率h，求解出回转电机目标转速的基础值n1，n1＝h*n；
[0077]
根据回转体的实际回转速度和回转体的目标回转速度的差值，通过模糊控制算法
求解出附加转速值n2；
[0078]
求解出回转电机的最终目标转速值n，n＝n1+n2。所述回转电机旋转方向和回转体(即回转平台)运动方向应根据实际的运动特性确定，在这里不再定义。但回转平台向左和向右回转时，电机转动方向相反。
[0079]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述手柄开度值k定义为k∈[-1 1]，根据手柄所处的物理位置进行线性比例转换；
[0080]
当k＝0时，手柄处于中位，代表回转体不进行任何运动；
[0081]
定义手柄从中位向某一指定方向运动代表进行向左角度操作，此时k》0，运动到极限位置时k＝1；
[0082]
定义手柄从中位向相反的方向运动代表进行向右回转操作，此时k《0，运动到极限位置时k＝-1。
[0083]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述附加转速值n2的求解方法包括：
[0084]
根据回转电机当前实际转速值，经回转减速机传动比换算，得到回转体的实际回转速度v1；
[0085]
将回转电机目标转速n，经回转减速机传动比换算，得到回转体的目标回转速度v2；
[0086]
所述模糊控制算法的输入变量为回转体的实际回转速度v1与目标回转速度v2的差值e，以及差值的变化率e'，输出变量为附加转速值n2；
[0087]
所述模糊控制算法采用的模糊控制规则通过以下步骤建立：
[0088]
将差值e的模糊子集定义为{-0.2,-0.1,0,0.1,0.2}，对应的语言变量为{vs1,s1,z1,b1,vb1}；
[0089]
将变化率e'的模糊子集定义为{-2,-1,0,1,2}，对应的语言变量为{vs2,s2,z2,b2,vb2}；
[0090]
将附加转速值n2的模糊子集定义为{-100,-50,0,50,100}，对应的语言变量为{vs3,s3,z3,b3,vb3}，具体参见表1。
[0091]
表1
[0092][0093][0094]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。