CN104555741A - 一种旋挖钻机主卷扬控制系统及旋挖钻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程车辆的技术领域，公开了一种旋挖钻机主卷扬控制系统及旋挖钻机，该旋挖钻机主卷扬控制系统包括：主卷扬驱动液压回路、势能回收系统、转速传感器及控制装置；其中，主卷扬驱动液压系统通过驱动马达带动钻杆转动，势能回收系统包含一个变量马达及一个飞轮，控制装置通过控制驱动马达及变量马之间的连通方向来实现在钻杆下方时使得飞轮储能，在钻杆上升时使得飞轮做工。在上述技术方案中，通过采用飞轮将钻杆下降的势能存储起来，并在钻杆上升时，将飞轮存储的势能释放出来，从而降低了旋挖钻机的能耗，并节约了能量。

Description

一种旋挖钻机主卷扬控制系统及旋挖钻机

技术领域

本发明涉及工程车辆的技术领域，尤其涉及到一种旋挖钻机主卷扬控制系统及旋挖钻机。

背景技术

近年来，随着能源日渐短缺价格不断攀升的趋势，各国纷纷推出节能减耗计划，工程机械作为耗能大户首当其冲。针对工程机械中的旋挖机，其在使用时，需要将钻杆放下去进行工作，在完成工作后，需要将钻杆提升上来，由于钻杆本身重量较大，因此，在整个放下及提升的过程中，需要消耗较大的能源进行控制。

发明内容

本发明提供一种旋挖钻机主卷扬控制系统，用以解决降低旋挖钻机的能耗，进而节约能源。

本发明提供了一种旋挖钻机主卷扬控制系统，该旋挖钻机主卷扬控制系统包括：主卷扬驱动液压回路、势能回收系统及控制装置；其中，

所述主卷扬驱动液压回路包括：用于驱动所述主卷扬起升或下放的驱动马达；

所述势能回收系统包括：变量马达及与所述变量马达的转轴连接的飞轮；其中，所述变量马达与所述驱动马达之间通过带有第二换向阀的液压油路连通，在钻杆下放时，所述第二控制阀处于第一工作位，所述驱动马达带动变量马达转动；在所述钻杆下放到最低位置时，所述第二换向阀处于第二工作位，所述驱动马达与所述变量马达之间断开连接；在所述钻杆上升时，所述换向阀处于第三工作位，所述变量马达在所述飞轮的带动下驱动所述驱动马达转动，带动钻杆上升；

所述控制装置在所述钻杆下放时，控制所述第二换向阀处于第一工作位；在所述钻杆到达最低位置时，控制所述第二换向阀处于第二工作位；在所述钻杆上升时，控制所述第二换向阀处于第三工作位。

在上述技术方案中，通过采用液压油路及换向阀的设置，将飞轮储能设备与旋挖机的液压控制系统连接起来，并采用飞轮将钻杆下降的势能存储起来，并在钻杆上升时，将飞轮存储的势能释放出来，从而降低了旋挖钻机的能耗，并节约了能量。

优选的，还包括，

转速传感器，用于检测所述飞轮的转速；

通过第一换向阀与所述驱动马达的两个油口可选择性地连通的高压油路及低压油路；

在所述钻杆上升时，所述控制装置还用于在接收到的飞轮转速小于设定转速时，控制所述第二换向阀处于第一工作位，并控制所述第一换向阀将所述高压油路、低压油路与所述驱动马达连通并使所述驱动马达带动所述钻杆上升。

优选的，所述控制装置包括转速观察器，PID控制器以及扰动补偿器；其中，

所述转速观察器，用于根据检测的所述飞轮的转速以及所述变量马达与所述驱动马达的流量相等的关系计算得到所述驱动马达的实际转速；

所述PID控制器，用于根据获取的所述驱动马达的实际转速与设定的驱动马达的目标转速的差值控制所述扰动补偿器调整所述变量马达的排量。

优选的，所述势能回收系统还包括：

分别检测所述变量马达的两个油口的油压的两个压力传感器；

所述扰动补偿器，还用于根据所述两个压力传感器检测的压力的差值以及所述驱动马达的转速与时间的变化率与所述变量马达和飞轮连接转动惯量的乘积等于变量马达的两个油口的压力差与变量马达的排量的乘积的关系计算调整所述变量马达的排量。

优选的，所述变量马达的两个油口分别通过单向导通阀与油箱连通。提高了整个装置的稳定性。

优选的，所述变量马达与所述第二换向阀之间的液压油路上还设置有溢流油路。提高了整个装置的稳定性。

优选的，所述第一换向阀为O型三位四通电磁阀，且所述O型三位四通电磁阀的第一油口和第二油口分别与所述驱动马达的两个油口连通，第三油口及第四油口分别与所述高压油路及低压油路连通；

所述第二换向阀为M型三位四通电磁换阀，所述M型三位四通电磁阀的第一油口及第二油口分别与所述变量马达的两个油口连通，第三油口和第四油口分别与所述所述驱动马达的两个油口连通，且在所述M型三位四通电磁阀位于中位时，所述第一油口及第二油口在所述M型三位四通阀的内部连通。

优选的，所述变量马达的转轴通过离合器与所述飞轮连接。降低了飞轮的能耗。

优选的，所述控制装置与所述离合器信号连接，并在所述第二控制阀断开所述变量马达与所述驱动马达的连接时，控制所述离合器断开所述飞轮与所述转轴之间的连接。降低了飞轮的能耗。

本发明还提供了一种旋挖钻机，该旋挖钻机包括上述任一种所述的旋挖钻机主卷扬控制系统。在上述技术方案中，通过采用飞轮将钻杆下降的势能存储起来，并在钻杆上升时，将飞轮存储的势能释放出来，从而降低了旋挖钻机的能耗，并节约了能量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的旋挖钻机主卷扬控制系统的系统图；

图2为本发明实施例提供的旋挖钻机主卷扬控制系统的控制流程图；

图3为钻杆及钻具势能同飞轮动能能量相互转换图；

图4为本发明实施例提供的另一种旋挖钻机主卷扬控制系统的系统图；

图5为本发明实施例提供的另一种旋挖钻机主卷扬控制系统的控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，图1示出了本发明实施例提供的旋挖钻机主卷扬控制系统的系统图。

本发明实施例提供了一种旋挖钻机主卷扬控制系统，该旋挖钻机主卷扬控制系统包括：主卷扬驱动液压回路、势能回收系统及控制装置10；其中，

主卷扬驱动液压回路包括：用于驱动所述主卷扬起升或下放的驱动马达2；

势能回收系统包括：变量马达7及与变量马达7的转轴连接的飞轮9；其中，变量马达7与驱动马达2之间通过带有第二换向阀3的液压油路连通，在钻杆下放时，第二控制阀处于第一工作位，驱动马达2带动变量马达7转动；在钻杆下放到最低位置时，第二换向阀3处于第二工作位，驱动马达2与变量马达7之间断开连接，且变量马达7连接的油路通过第二换向阀3形成回路；在钻杆上升时，换向阀处于第三工作位，变量马达7在飞轮9的带动下驱动驱动马达2转动，带动钻杆上升；

控制装置10在钻杆下放时，控制第二换向阀3处于第一工作位；在钻杆到达最低位置时，控制第二换向阀3处于第二工作位；在钻杆上升且控制装置10接收到的转速传感器8检测的飞轮9的转速大于设定转速时，控制第二换向阀3处于第三工作位。

在上述实施例中，通过采用飞轮9将钻杆下降的势能存储起来，并在钻杆上升时，将飞轮9存储的势能释放出来，从而降低了旋挖钻机的能耗，并节约了能量，具体的，在钻杆下放时，控制装置10控制第二换向阀3将驱动马达2与变量马达7连接起来，钻杆在下放时，带动驱动马达2转动，此时，驱动马达2作为泵来使用，驱动马达2带动变量马达7转动，变量马达7带动飞轮9转动，在钻杆下放到最低高度时，控制装置10切断驱动马达2与变量马达7之间的油路，此时，飞轮9在自身惯性的作用下继续转动并带动变量马达7转动，从而将钻杆下放时的能量储存起来。在钻杆上升时，控制装置10控制第二换向阀3将变量马达7与驱动马达2之间的液压油路连通，在飞轮9的带动下液变量马达7作为泵来带动驱动马达2转动，使得钻杆被提升。

此外，为了避免钻杆上升时，飞轮能量消耗完后，钻杆还未能回到初始位置，较佳的，该系统还包括：

转速传感器8，转速传感器8用于检测飞轮9的转速；

通过第一换向阀1与驱动马达2的两个油口可选择性地连通的高压油路及低压油路；

在所述钻杆上升时，控制装置10还用于在接收到的飞轮9转速小于设定转速时，控制第二换向阀3处于第一工作位，并控制第一换向阀1将高压油路、低压油路与驱动马达2连通并使驱动马达2带动钻杆上升。

通过控制装置10用来控制整个液压油路的变换，从而实现变量马达7及驱动马达2分别作为泵或马达来使用，以实现对飞轮9的储能以及将飞轮9的储能释放出去进行做工。

此外，为了避免变量马达7连接的油路在变化时，为了避免油路出现过压等情况的出现。在变量马达7的两个油口分别通过单向导通阀与油箱连通，且变量马达7的其中一个油口与第二换向阀3之间的液压油路上还设置有溢流油路。一并参考图1，在图1中，可以看出，单向阀6的流向为油箱流向液压油路，从而使得液压油路可以得到油箱内补充的油，从而避免液压油路内的油压的变化影响到变量马达7的转动，此外，在液压油路的油压过大时，可以通过溢流油路来进行卸载，该溢流油路包含一条设置有溢流阀4的卸载油路。从而能够卸载油压，避免液压油路内的油压过高。

在上述具体实施例中，飞轮9的储能及储存能量用于作用是依靠变量马达7及驱动马达2的连同方向的改变来实现的，具体的，通过第二换向阀3来控制变量马达7及驱动马达2之间连通方向，并通过第一换向阀1来控制驱动马达2与高压油路及低压油路的控制，其中的高压油路及低压油路作为在飞轮9储存的能量释放后给驱动马达2提供后续的动力，从而保证钻杆在上升时能够有足够的动力来提升到初始位置。

在具体设置时，其中的第一换向阀1为O型三位四通电磁阀，且O型三位四通电磁阀的第一油口和第二油口分别与驱动马达2的两个油口连通，第三油口及第四油口分别与高压油路及低压油路连通；O型三位四通阀的左位为第一油口与第三油口连通，第二油口与第四油口连通，中位为第一油口与第三油口断开、第二油口与第四油口断开，右位为第一油口与第四油口连通，第二油口与第三油口连通。并可以根据实际的需要改变高压油路及低压油路与驱动马达2的连通方式，使得高压油路能够驱动驱动马达2转动并带动钻杆上升。其中的高压油路可以连通泵的油路，低压油路可以为连通油箱的油路。在变量马达7对钻杆做工时，第一换向阀1位于中位，从而避免高压油路及低压油路影响飞轮9做工。

第二换向阀3为M型三位四通电磁换阀，M型三位四通电磁阀的第一油口及第二油口分别与变量马达7的两个油口连通，第三油口和第四油口分别与驱动马达2的两个油口连通，且在M型三位四通电磁阀位于中位时，第一油口及第二油口在M型三位四通阀的内部连通。该M型三位四通电磁阀的左位为第一油口与第三油口连通，第二油口与第四油口连通；中位为第一油口与第二油口连通，右位为第一油口与第四油口连通，第二油口与第三油口连通。在具体使用时，在驱动马达2驱动变量马达7做工及在变量马达7驱动驱动马达2做工时，第二换向阀3的连通方向改变，即在驱动马达2驱动变量马达7时，若第二换向阀3位于右位，则在变量马达7驱动驱动马达2时，第二换向阀3位于左位；在驱动马达2驱动变量马达7时，若第二换向阀3位于左位，则在变量马达7驱动驱动马达2时，第二换向阀3位于右位。具体的连通方式可以根据不同情况选择。唯一的区别在于飞轮9转动的方向发生改变。

为了方便对上述液压油路的控制，同时，为了保证在飞轮9的储能消耗完后，高压油路能够持续的驱动钻杆运动，该装置通过控制装置10来实现对整个液压系统的控制，同时，通过转速传感器8来实现对飞轮9钻速的检测。为了方便对整个技术方案的理解，下面结合附图2对其进行详细的说明。

一并参考图1及图2，其中控制装置10与先导手柄11连接，并通过先导手柄11来控制整个钻杆的下放及上升。具体的，操作者通过先导手柄11输入控制的信号，控制装置10根据设定的先导手柄11的位置对应的控制信号来判断先导手柄11输入的信息具体是为停止、下降或者上升。其中的控制装置10包括转速观察器，与转速观察器信号连接的PID控制器以及与PID控制器信号连接的扰动补偿器；其中，转速观察器与转速传感器8信号连接，扰动补偿器与变量马达7信号连接；转速观察器根据检测的飞轮9的转速以及变量马达7与所述驱动马达2的流量相等的关系计算得到驱动马达2的实际转速；PID控制器根据获取的驱动马达2的实际转速与设定的驱动马达2的目标转速的差值控制扰动补偿器调整变量马达7的排量。

为了方便对本实施例提供的控制系统的理解，以钻杆的整个运动过程为例进行详细说明。

1)首先，先导手柄11输入下降钻杆的命令。控制装置10控制第一换向阀1位于中位，将驱动马达2与高压油路及低压油路断开，并使得第二换向阀3位于左位(或者为右位)，此时，在钻杆的重力势能做工的情况下带动驱动马达2转动，驱动马达2通过液压油路带动变量马达7运动，变量马达7带动飞轮9转动，从而将钻杆的重力势能转换成飞轮9的转动势能，并通过飞轮9的转动将能量储存下来。并且在整个过程中，通过转速传感器8检测飞轮9转动的转速，并通过转速观察器来获取驱动马达2的转速，具体的，转速观察器内存有设定的变量马达7的流量与驱动马达2的流量的对应关系，该关系具体为：D₁n₁＝D₂n₂；其中，n₁为驱动马达2的实际转速；n₂为变量马达7的实际转速；D₁为驱动马达2的排量；D₂为变量马达7的排量。通过变量马达7与驱动马达2的排量相等的关系来判断处驱动马达2的实际转速，PID控制器根据获取的驱动马达2实际转速与设定的转速的比较结果来通过扰动补偿器控制变量马达7的排量，以保证驱动马达2的转速，即控制钻杆的下降转速。

此外，为了保证驱动马达2的转动转速保持一致，避免钻杆在下降过程中越来越快，势能回收系统还包括分别检测变量马达7的两个油口的油压的两个压力传感器5；扰动补偿器与两个压力传感器5信号连接，并还用于根据所述两个压力传感器5检测的压力的差值以及所述驱动马达2的转速与时间的变化率与所述变量马达7和飞轮9连接转动惯量的乘积等于变量马达7的两个油口的压力差与变量马达7的排量的乘积的关系计算调整所述变量马达的排量。具体的，设定的对应关系为：其中，n₂为变量马达7的实际转速；D₂为变量马达7的排量；△P为两个压力传感器5检测的压力的差值，如图1所示，P1与P2分别为两个压力传感器5检测的变量马达7的两个油口的油差；J₂为变量马达7和飞轮9连接转动惯量，为驱动马达2的转速与时间t的变化率。从而实现了钻杆在下降时能够保证稳定的转速。

2)在钻杆下降到设定位置时，控制装置10控制第二换向阀3位于中位，此时，飞轮9及变量马达7为一个封闭的系统，即飞轮9带动变量马达7转动。整个系统与驱动马达2隔离开来。

3)在钻杆开始上升时，此时为飞轮9做工的阶段。在此阶段中，第二换向阀3位于右位(或者左位)，变量马达7左位泵对驱动马达2开始做工，其中的控制装置10在控制整个液压系统时，首先判断飞轮9的转速是否满足要求，以保证飞轮9储存的能量能够带动钻杆上升。具体的，在飞轮9的转速大于设定的转速时，控制装置10控制第二换向阀3将变量马达7与驱动马达2连通，以使得变量马达7驱动驱动马达2带动钻杆上升，在钻杆不断消耗飞轮9储存的能量时，飞轮9的转速逐渐降低，当转速低于设定的转速时，表明飞轮9存储的能量已经无法满足钻杆上升所需的能量了，此时，控制装置10控制第二换向阀3位于中位，并控制第一换向阀1位于左位或右位(具体的位置根据实际情况而定)，以保证高压油路继续作用作为提供钻杆上升的动力。保证钻杆能够顺利的提升到初始位置。在上述控制过程中，在飞轮9的转速满足要求时，控制装置10的其他控制方式与步骤1)中的变量马达7的控制方式相类似，在此不再一一赘述。由图3可以看出，在钻杆上升时，飞轮9存储的能量转换成钻杆上升的动能，从而降低了钻杆在上升时消耗的能量，节约了能量。

其中的设定转速为300rec/min。对于该速度，应当依据不同直径的飞轮9而进行设定。本实施例仅给出一个具体的转速限定，其他转速也可应用到本实施例中。

在上述实施例中，飞轮9在存储能量时，需要克服自身的摩擦力以及变量马达7在转动所需的能量，因此，造成能量的不断消耗。从而降低本实施例提供的装置的节能效果。

如图4所示，作为一种优选的实施例，较佳的，变量马达7的转轴通过离合器12与飞轮9连接。该实施例使得在飞轮9存储能量后，可以通过离合器12将飞轮9与变量马达7分开，在飞轮9做工时，再将飞轮9与变量马达7连通，从而降低飞轮9在空转时消耗的能量。

更佳的，控制装置10与离合器12信号连接，并在第二控制阀断开变量马达7与驱动马达2的连接时，控制离合器12断开飞轮9与转轴之间的连接。

一并参考图5，图5示出了带离合器12的控制系统的控制流程图，该流程图与图2示出的流程图相近似，唯一的区别在于在第二换向阀3位于中位时，即飞轮9开始空转时，控制装置10将飞轮9与变量马达7分开，从而降低了飞轮9的能耗，进一步的提高了飞轮9存储的能量的利用率，进而更进一步的降低了整个装置的能耗。

本发明实施例还提供了一种旋挖钻机，该旋挖钻机包括上述任一种的旋挖钻机主卷扬控制系统。

在上述实施例中，通过采用飞轮9将钻杆下降的势能存储起来，并在钻杆上升时，将飞轮9存储的势能释放出来，从而降低了旋挖钻机的能耗，并节约了能量，具体的，在钻杆下放时，控制装置10控制第二换向阀3将驱动马达2与变量马达7连接起来，钻杆在下放时，带动驱动马达2转动，此时，驱动马达2作为泵来使用，驱动马达2带动变量马达7转动，变量马达7带动飞轮9转动，在钻杆下放到最低高度时，控制装置10切断驱动马达2与变量马达7之间的油路，此时，飞轮9在自身惯性的作用下继续转动并带动变量马达7转动，从而将钻杆下放时的能量储存起来。在钻杆上升时，控制装置10控制第二换向阀3将变量马达7与驱动马达2之间的液压油路连通，在飞轮9的带动下液变量马达7作为泵来带动驱动马达2转动，使得钻杆被提升。

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。

Claims (10)

1.一种旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，包括：主卷扬驱动液压回路、势能回收系统及控制装置；其中，

所述主卷扬驱动液压回路包括：用于驱动所述主卷扬起升或下放的驱动马达；

所述势能回收系统包括：变量马达及与所述变量马达的转轴连接的飞轮；其中，所述变量马达与所述驱动马达之间通过带有第二换向阀的液压油路连通，在钻杆下放时，所述第二控制阀处于第一工作位，所述驱动马达带动变量马达转动；在所述钻杆下放到最低位置时，所述第二换向阀处于第二工作位，所述驱动马达与所述变量马达之间断开连接；在所述钻杆上升时，所述换向阀处于第三工作位，所述变量马达在所述飞轮的带动下驱动所述驱动马达转动，带动钻杆上升；

所述控制装置在所述钻杆下放时，控制所述第二换向阀处于第一工作位；在所述钻杆到达最低位置时，控制所述第二换向阀处于第二工作位；在所述钻杆上升时，控制所述第二换向阀处于第三工作位。

2.如权利要求1所述的旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，还包括，

转速传感器，用于检测所述飞轮的转速；

通过第一换向阀与所述驱动马达的两个油口可选择性地连通的高压油路及低压油路；

在所述钻杆上升时，所述控制装置还用于在接收到的飞轮转速小于设定转速时，控制所述第二换向阀处于第一工作位，并控制所述第一换向阀将所述高压油路、低压油路与所述驱动马达连通并使所述驱动马达带动所述钻杆上升。

3.如权利要求2所述的旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，所述控制装置包括转速观察器，PID控制器以及扰动补偿器；其中，

所述转速观察器，用于根据检测的所述飞轮的转速以及所述变量马达与所述驱动马达的流量相等的关系计算得到所述驱动马达的实际转速；

所述PID控制器，用于根据获取的所述驱动马达的实际转速与设定的驱动马达的目标转速的差值控制所述扰动补偿器调整所述变量马达的排量。

4.如权利要求3所述的旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，所述势能回收系统还包括：

分别检测所述变量马达的两个油口的油压的两个压力传感器；

所述扰动补偿器，还用于根据所述两个压力传感器检测的压力的差值、以及根据所述驱动马达的转速与时间的变化率与所述变量马达和飞轮连接转动惯量的乘积等于所述变量马达的两个油口的压力差与变量马达的排量的乘积的关系调整所述变量马达的排量。

5.如权利要求1所述的旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，所述变量马达的两个油口分别通过单向导通阀与油箱连通。

6.如权利要求4所述的旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，所述变量马达与所述第二换向阀之间的液压油路上还设置有溢流油路。

7.如权利要求2所述的旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，所述第一换向阀为O型三位四通电磁阀，且所述O型三位四通电磁阀的第一油口和第二油口分别与所述驱动马达的两个油口连通，第三油口及第四油口分别与所述高压油路及低压油路连通；

所述第二换向阀为M型三位四通电磁换阀，所述M型三位四通电磁阀的第一油口及第二油口分别与所述变量马达的两个油口连通，第三油口和第四油口分别与所述所述驱动马达的两个油口连通，且在所述M型三位四通电磁阀位于中位时，所述第一油口及第二油口在所述M型三位四通阀的内部连通。

8.如权利要求1～7任一项所述的旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，所述变量马达的转轴通过离合器与所述飞轮连接。

9.如权利要求8所述的旋挖钻机主卷扬控制系统，其特征在于，所述控制装置，在所述第二控制阀断开所述变量马达与所述驱动马达的连接时，控制所述离合器断开所述飞轮与所述转轴之间的连接。

10.一种旋挖钻机，其特征在于，包括如权利要求1～10任一种所述的旋挖钻机主卷扬控制系统。