一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置及其控制方法与流程

1.本发明属于新能源旋挖钻机（工程机械）领域，具体涉及一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置及其控制方法。


背景技术：

2.行业现有旋挖钻机作业主要依靠发动机带动液压泵来实现，磕土也是用整车液压泵驱动动力头液压马达实现，由于液压驱动本身的特点，整个系统的动力系统传动效率不够高；发动机的工作受负载变化影响，无法实现发动机的高效运转，并且排放效果不佳，不符合环保发展要求。概括来说就是存在效率低、污染严重，整机运营成本高等问题。通过开发纯电驱动的旋挖钻动力系统可以很好的解决上述问题，旋挖钻动力头磕土工况需要通过动力头快速正反转启停时钻杆与动力头平台之间的惯性撞击实现。而采用纯电机驱动时，由于电机停止后是随动状态（自由状态），就会存在钻杆撞击后电机随钻杆运动的问题，导致磕土无力现象，而传统液压系统在磕土时液压停止后是锁止状态撞击强有力，磕土效果较好。
3.磕土原理：通过控制动力头电机（或液压马达）实现快速的正反转切换，依靠惯性实现动力头与钻杆（含钻头/斗）之间的碰撞，进而实现磕土目的。钻杆圆周分布有键槽，钻杆键槽与动力头系统键条（齿轮）之间存在传动间隙（通常间隙在数厘米左右），正是利用这种间隙加上惯性实现碰撞与磕土功能。
4.行业现有旋挖钻机作业主要依靠发动机带动液压泵来实现，磕土也是用整车液压泵驱动动力头液压马达实现，暂无通过新能源电机系统实现磕土功能的研究及应用。


技术实现要素：

5.本发明要解决的是纯电机驱动的旋挖钻机磕土无力的技术问题，为解决上述问题，本发明提供一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置及其控制方法。
6.本发明的目的是以下述方式实现的：一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置，包括动力头电机，动力头电机通过动力头减速器带动钻杆转动，设置钻杆急停装置，使得动力头电机停止工作时钻杆可以快速停止转动。
7.进一步的，钻杆急停装置为至少两部动力头电机。
8.进一步的，急停装置为动力头电机与动力头液压马达串联。
9.进一步的，动力头电机与动力头液压马达串联为动力头电机与动力头液压马达共用一跟轴。
10.进一步的，动力头电机与动力头液压马达串联为动力头电机两端伸出输出轴，一端输出轴与动力头减速器连接，另一端输出轴与动力头液压马达通过联轴器连接。
11.进一步的，急停装置为在动力头电机上设置制动器。
12.进一步的，动力头电机上设置制动器为动力头电机两端伸出输出轴，一端输出轴与动力头减速器连接，另一端输出轴与制动器连接。
13.一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置的控制方法，控制方法包括以下步骤：（1）动力头电机向钻杆施加正向旋转力，直到电机系统转速达到确定的正向值；（2）撤销正向旋转力，动力头电机向钻杆施加反向旋转力，使得电机系统正向转速逐渐归零后向反方向旋转直到转速达到确定的反向值；（3）撤销反向旋转力，动力头电机向钻杆施加正向旋转力，使得电机系统反向转速逐渐归零；（4）重复上述步骤。
14.进一步的，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机进行转速控制，使转速达到确定的正向值2500rpm；步骤（2）中施加反向旋转力为第二动力头电机进入扭矩控制模式，施加-1500n.m的扭矩，使动力头电机与第二动力头电机形成对拖工况，撤销正向旋转力为动力头电机撤力至0，之后电机系统正向转速逐渐归零直到为负后使第二动力头电机进入转速控制模式，直到转速达到确定的反向值-2500rpm；步骤（3）中施加正向旋转力为动力头电机进入扭矩控制模式，施加1500n.m的扭矩，使动力头电机与第二动力头电机形成对拖工况，撤销反向旋转力为第二动力头电机撤力至0，之后电机系统反向转速逐渐归零直到为正，重复上述步骤。
15.进一步的，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机施加1500n.m的正向扭矩，直到电机系统转速达到确定的正向值3000rpm；步骤（2）中撤销正向旋转力为控制制动器制动，当电机系统转速达到50rpm时控制动力头电机施加-1500n.m的反向扭矩，直到电机系统转速达到确定的反向值-3000rpm；步骤（3）中撤销反向旋转力为控制制动器制动，当电机系统转速达到-50rpm时控制动力头电机施加1500n.m的正向扭矩，之后电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
16.进一步的，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机进行转速控制，发送正转2500rpm的目标转速指令，使转速达到确定的正向值（2500
±
100）rpm；步骤（2）中撤销正向旋转力为控制动力头电机0转速停机，当电机系统转速达到50rpm时发送反转-2500rpm的目标转速指令，使转速达到确定的反向值-（2500
±
100）rpm；步骤（3）中撤销反向旋转力为控制动力头电机0转速停机，之后电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
17.进一步的，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机施加1500n.m的正向扭矩，电机系统反馈扭矩达到（1500
±
100）n.m时控制动力头电机扭矩为0，直到电机系统转速达到确定的正向值3000rpm；步骤（2）中施加反向旋转力为控制动力头电机施加-1500n.m的反向扭矩，电机系统反馈扭矩达到-（1500
±
100）n.m时控制动力头电机扭矩为0，直到电机系统转速达到确定的反向值-3000rpm；步骤（3）中撤销反向旋转力为控制动力头电机施加1500n.m的正向扭矩，之后电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
18.进一步的，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机进入0扭矩控制模式，控制动力头液压马达正向旋转目标转速为n1，直到电机系统转速达到确定的正向值n1；步骤（2）中撤销正向旋转力为控制动力头液压马达停机，当动力头液压马达转速接近0时中施加反向旋转力，控制动力头液压马达旋转目标为-n1的反向转速，直到电机系统转速达到确定的反向值-n1；步骤（3）中撤销反向旋转力为控制动力头液压马达停机，之后电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
19.进一步的，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机输出正向旋转的扭矩t1，
提前给动力头系统建立一个正向旋转的预扭矩，然后控制动力头液压马达正向旋转目标转速为n1，直到电机系统转速达到确定的正向值n1；步骤（2）中撤销正向旋转力为动力头电机进入0转矩控制，同时控制动力头液压马达停机，当动力头液压马达转速接近0时中控制动力头电机施加反向旋转力t1，提前给动力头系统建立一个反向旋转的预扭矩，然后控制动力头液压马达反向旋转目标转速为-n1，直到电机系统转速达到确定的反向值-n1；步骤（3）中撤销反向旋转力为动力头电机进入0转矩控制，同时控制动力头液压马达停机，之后动力头电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
20.相对于现有技术，本发明通过设置钻杆急停装置，使得动力头电机停止工作时钻杆可以快速停止转动，通过惯性使得磕土效果良好。
附图说明
21.图1是本发明实施例2的结构示意图；图2是本发明实施例4的结构示意图；图3是本发明实施例4的磕土控制方式的流程图；图4是本发明实施例7的结构示意图；图5是本发明实施例7纯电驱动模式下磕土的流程图（转速控制方式）；图6是本发明实施例7纯电驱动模式下磕土的流程图（转矩控制方式）；图7是本发明实施例7液压驱动模式下磕土的流程图；图8是本发明实施例7液压 电机混合驱动模式下磕土的流程图。
22.其中，动力头电机1；动力头电机输出轴11；第二动力头电机2；第二动力头电机输出轴21；动力头减速器3；钻杆4；钻头41；制动器5；动力头液压马达6。
具体实施方式
23.实施例1：一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置，包括动力头电机1，动力头电机1通过动力头减速器3带动钻杆4转动，设置钻杆急停装置，使得动力头电机1停止工作时钻杆4可以快速停止转动。
24.一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置的控制方法，控制方法包括以下步骤：（1）动力头电机向钻杆施加正向旋转力，直到电机系统转速达到确定的正向值；（2）撤销正向旋转力，动力头电机向钻杆施加反向旋转力，使得电机系统正向转速逐渐归零后向反方向旋转直到转速达到确定的反向值；（3）撤销反向旋转力，动力头电机向钻杆施加正向旋转力，使得电机系统反向转速逐渐归零；（4）重复上述步骤。
25.实施例2：本实施例是对实施例1的进一步限定，如图1所示，钻杆急停装置为至少两部动力头电机，其中一部为急停电机，需要停止的时候急停电机通过反转实现钻杆停止。
26.基于实施例1中的一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置的控制方法，动力头电机采用多电机耦合方式，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机1进行转速控制，使转速达到确定的正向值2500rpm；步骤（2）中施加反向旋转力为第二动力头电机2进入扭矩控制模式，施加-1500n.m的扭矩，使动力头电机1与第二动力头电机2形成对拖工况，撤销正
向旋转力为动力头电机1撤力至0，之后电机系统正向转速逐渐归零直到为负后使第二动力头电机2进入转速控制模式，直到转速达到确定的反向值-2500rpm；步骤（3）中施加正向旋转力为动力头电机1进入扭矩控制模式，施加1500n.m的扭矩，使动力头电机1与第二动力头电机2形成对拖工况，撤销反向旋转力为第二动力头电机2撤力至0，之后电机系统反向转速逐渐归零直到为正，重复上述步骤。
27.更具体的，控制方法如下：步骤
①
：动力头电机1转速控制，转速稳定至2500rpm（正转）；步骤
②
：第二动力头电机2扭矩控制模式，控制动力头电机1与第二动力头电机2形成对拖工况（动力头电机1正转驱动扭矩、第二动力头电机2正转制动扭矩）；步骤
③
：动力头电机1突然撤力至0（关管或主动短路控制）；步骤
④
：第二动力头电机2持续-1500n.m，直至转速从原来的2500rpm（正转）变为100rpm（反转），此时第二动力头电机2进入转速控制模式，控制电机转速稳定在2500rpm（反转）；步骤
⑤
：动力头电机1扭矩控制模式，控制动力头电机1与第二动力头电机2形成对拖工况（第二动力头电机2反转驱动扭矩、动力头电机1反转制动扭矩）；步骤
⑥
：第二动力头电机2突然撤力至0（关管或主动短路控制）；步骤
⑦
：动力头电机1持续1500n.m，直至转速从原来的2500rpm（反转）变为100rpm（正转），此时动力头电机1进入转速控制模式，控制电机转速稳定在2500rpm（正转）；重复步骤
②
~
⑦
。
28.可以通过多电机之间相互配合改善磕土效果。以双电机为例，磕土时可以由一个电机驱动、另一个电机制动，双电机交替配合实现快速正转-停止-反转-停止的动作循环，可以解决单个电机加、减速慢，无法完全制动的问题；且在钻头（斗）钻进施工过程，多电机耦合系统还可以使得驱动力矩加倍，增大功率、提升施工效率，该过程动力头电机高速旋转通过减速机减速以后，减速机的动力输入给减速箱中的小齿轮轴，小齿轮轴通过与大齿圈啮合形成减速，与内键套固定在一起的大齿轮固定圈在回转支承的支撑下被驱动旋转，内键套通过固定其上的键条驱动钻杆旋转，实现钻机钻孔工作的旋转运动。
29.实施例3：本实施例是对实施例1的进一步限定，急停装置为在动力头电机上设置制动器5。
30.实施例4：本实施例是对实施例3的进一步限定，如图2所示，动力头电机上设置制动器为动力头电机两端伸出输出轴，两端输出轴为同一根，一端输出轴与动力头减速器3连接，另一端输出轴与制动器5连接。
31.基于实施例1中的一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置的控制方法，采用动力头电机 制动器方式，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机施加1500n.m的正向扭矩，直到电机系统转速达到确定的正向值3000rpm；步骤（2）中撤销正向旋转力为控制制动器5制动，当电机系统转速达到50rpm时控制动力头电机施加-1500n.m的反向扭矩，直到电机系统转速达到确定的反向值-3000rpm；步骤（3）中撤销反向旋转力为控制制动器5制动，当电机系统转速达到-50rpm时控制动力头电机施加1500n.m的正向扭矩，之后电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
32.更具体的，控制方法如下：如图3所示，当机手操作动力头进入磕土模式后，vcu（整
车控制器）给动力头电机控制器发送正向1500n.m的目标扭矩指令，电机系统会快速旋转起来，当电机系统转速≥3000rpm后vcu控制制动器制动，电机转速达到50rpm以内时vcu再给动力头电机控制器发送反向1500n.m的目标扭矩指令，电机系统转速达到3000rpm后vcu重新控制制动器制动，电机转速≤50rpm时vcu再给动力头电机控制器发送正向1500n.m的目标扭矩指令，按照上述动作实现钻杆的正转-停止-反转-停止动作循环进行磕土，上述转速、转矩值也可以结合系统实际情况标定确定。
33.可以通过电机驱动 制动器抱死的组合方式实现钻杆系统快速正转-停止-反转-停止的动作循环，制动效果（磕土效果）比多电机耦合方式更优，但是当动力头电机功率较大时制动器体积重量也较大，而且在钻头（斗）钻进施工过程中动力性不如多电机耦合的构型。
34.实施例5：本实施例是对实施例1的进一步限定，急停装置为动力头电机与动力头液压马达6串联。
35.实施例6：本实施例是对实施例5的进一步限定，动力头电机与动力头液压马达6串联为动力头电机两端伸出输出轴，一端输出轴与动力头减速器3连接，另一端输出轴与动力头液压马达6通过联轴器连接。
36.实施例7：本实施例是对实施例5的进一步限定，如图4所示，动力头电机与动力头液压马达6串联为动力头电机与动力头液压马达6共用一跟轴，该轴从动力头液压马达6伸出贯穿动力头电机后与动力头减速器3连接。
37.基于实施例1中的一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置的控制方法，采用纯电驱动模式下磕土（转速控制方式），步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机进行转速控制，发送正转2500rpm的目标转速指令，使转速达到确定的正向值（2500
±
100）rpm；步骤（2）中撤销正向旋转力为控制动力头电机0转速停机，当电机系统转速达到50rpm时发送反转-2500rpm的目标转速指令，使转速达到确定的反向值-（2500
±
100）rpm；步骤（3）中撤销反向旋转力为控制动力头电机0转速停机，之后电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
38.更具体的，控制方法如下：如图5所示，当机手操作动力头进入磕土模式后，动力头液压马达6进入随动状态（关闭输出）后vcu给动力头电机控制器发送正转2500rpm的目标转速指令，电机系统会快速旋转起来，当电机系统反馈转速达到（2500
±
100）rpm后vcu给动力头电机控制器发送0转速停机指令，电机转速达到50rpm以内时vcu再给动力头电机控制器发送反转2500rpm的目标转速指令，当电机系统反馈转速达到（2500
±
100）rpm后vcu给动力头电机控制器发送0转速停机指令，电机转速≤50rpm时vcu再给动力头电机控制器发送正转2500rpm的目标转速指令，按照上述动作实现钻杆的正转-停止-反转-停止动作循环进行磕土，上述转速、转矩值需要结合系统实际情况标定确定。
39.基于实施例1中的一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置的控制方法，采用纯电驱动模式下磕土（转矩控制方式），步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机施加1500n.m的正向扭矩，电机系统反馈扭矩达到（1500
±
100）n.m时控制动力头电机扭矩为0，直到电机系统转速达到确定的正向值3000rpm；步骤（2）中施加反向旋转力为控制动力头电机施加-1500n.m的反向扭矩，电机系统反馈扭矩达到-（1500
±
100）n.m时控制动力头电机扭矩为0，直到电机系统转速达到确定的反向值-3000rpm；步骤（3）中撤销反向旋转力为控制动力头电机施加1500n.m的正向扭矩，之后电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
40.更具体的，控制方法如下：如图6所示，当机手操作动力头进入磕土模式后，动力头液压马达6进入随动状态（关闭输出）后vcu给动力头电机控制器发送正向1500n.m的目标扭矩指令，电机系统反馈扭矩达到（1500
±
100）n.m后vcu给电机控制器发送0扭矩目标指令；当电机系统转速≥3000rpm后vcu再给动力头电机控制器发送反向1500n.m的目标扭矩指令，电机系统反馈扭矩达到（1500
±
100）n.m后vcu给电机控制器发送0扭矩目标指令，当电机系统转速≥3000rpm后vcu再给动力头电机控制器发送正向1500n.m的目标扭矩指令，按照上述动作实现钻杆的正转-停止-反转-停止动作循环进行磕土，上述转速值、转矩值需要结合系统实际情况标定确定。
41.基于实施例1中的一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置的控制方法，采用液压驱动模式下磕土，步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机进入0扭矩控制模式，控制动力头液压马达正向旋转目标转速为n1，直到电机系统转速达到确定的正向值n1；步骤（2）中撤销正向旋转力为控制动力头液压马达停机，当动力头液压马达转速接近0时中施加反向旋转力，控制动力头液压马达旋转目标为-n1的反向转速，直到电机系统转速达到确定的反向值-n1；步骤（3）中撤销反向旋转力为控制动力头液压马达停机，之后电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
42.更具体的，控制方法如下：如图7所示，当机手操作动力头进入液压磕土模式后，vcu先控制动力头电机控制器进入0扭矩控制模式，当电机系统反馈进入0扭矩控制模式后，vcu控制液压系统控制器使得动力头液压泵正向旋转目标转速为n1，当液压泵反馈实际转速达到n1(可以考虑转速控制精度设置一个偏差范围)后vcu控制液压控制器使得动力头液压泵停机，当液压泵实际转速达到一定值（比如＜30rpm）后vcu再控制液压泵反向旋转目标转速为n1，当液压泵反馈实际转速达到n1(可以考虑转速控制精度设置一个偏差范围)后vcu控制液压控制器使得动力头液压泵停机，当液压泵实际转速达到一定值（比如＜30rpm）后vcu再控制液压泵正向旋转目标转速为n1，依次循环通过动力头液压马达驱动钻杆实现快速正反旋转与停止实现磕土功能。图中转速值、转矩值需要结合系统实际情况标定确定。
43.基于实施例1中的一种新能源电动旋挖钻动力头磕土装置的控制方法，采用液压 电机混合驱动模式下磕土，加快动态变换过程转速变化率，提高磕土效率。步骤（1）中施加正向旋转力为控制动力头电机输出正向旋转的扭矩t1，提前给动力头系统建立一个正向旋转的预扭矩，然后控制动力头液压马达正向旋转目标转速为n1，直到电机系统转速达到确定的正向值n1；步骤（2）中撤销正向旋转力为动力头电机进入0转矩控制，同时控制动力头液压马达停机，当动力头液压马达转速接近0时中控制动力头电机施加反向旋转力t1，提前给动力头系统建立一个反向旋转的预扭矩，然后控制动力头液压马达反向旋转目标转速为-n1，直到电机系统转速达到确定的反向值-n1；步骤（3）中撤销反向旋转力为动力头电机进入0转矩控制，同时控制动力头液压马达停机，之后动力头电机系统转速逐渐归零，重复上述步骤。
44.更具体的，控制方法如下：如图8所示，当机手操作动力头进入液压 电机混合驱动磕土模式后，vcu先控制动力头电机控制器输出正向扭矩t1，提前给动力头系统建立一个正向旋转的预扭矩，当电机系统反馈输出正向扭矩t1后，vcu控制液压系统控制器使得动力头液压泵正向旋转目标转速为n1，当液压泵反馈实际转速达到n1(可以考虑转速控制精度设置一个偏差范围)后vcu控制动力头电机撤扭矩进入0转矩控制状态同时vcu控制液压控制
器使得动力头液压泵停机，当液压泵实际转速达到一定值（比如＜30rpm）后vcu再控制动力头电机控制器输出反向扭矩t1，提前给动力头系统建立一个反向旋转的预扭矩，当电机系统反馈输出反向扭矩t1后，vcu控制液压系统控制器使得动力头液压泵反向旋转目标转速为n1，当液压泵反馈实际转速达到n1(可以考虑转速控制精度设置一个偏差范围)后vcu控制动力头电机撤扭矩进入0转矩控制状态同时vcu控制液压控制器使得动力头液压泵停机，当液压泵实际转速达到一定值（比如＜30rpm）后vcu再控制动力头电机控制器输出正向扭矩t1，提前给动力头系统建立一个正向旋转的预扭矩，依次循环通过动力头液压马达与电机混合驱动钻杆实现快速正反旋转与停止实现磕土功能。图中转速值、转矩值需要结合系统实际情况标定确定。
45.钻头（斗）钻进施工过程，仍采用纯电驱动模式，动力头电机高速旋转通过减速机减速以后，减速机的动力输入给减速箱中的小齿轮轴，小齿轮轴通过与大齿圈啮合形成减速，与内键套固定在一起的大齿轮固定圈在回转支承的支撑下被驱动旋转，内键套通过固定其上的键条驱动钻杆旋转，实现钻机钻孔工作的旋转运动。该过程动力头液压马达6处于随动状态（无动力输出）。
46.普通磕土模式（如干孔施工）时也采用纯电驱动，动力传动过程同上，该过程动力头液压马达6处于随动状态（无动力输出）。过程中动力头电机系统可采用转速控制模式，此时由vcu（整车控制器）给电机控制器发送转速控制模式及对应目标转速实现正反转及停止；还可以采用转矩控制模式，此时由vcu给电机控制器发送转矩控制模式及对应目标转矩进而驱动传动系统实现正反转及停机。
47.需要高效磕土时（如黏土层），由动力头液压马达6驱动钻杆实现快速正反旋转与停止，动力头液压马达6由整车液压主泵提供液压动力，而液压主泵由纯电动旋挖钻主泵电机驱动。该过程需要控制动力头电机输出0转矩，也可以控制动力头电机输出驱动力与动力头液压马达6驱动力叠加，加快动态变换过程转速变化率。
48.液压 电机混合驱动模式下磕土，通过动力头电机在动力头液压系统开启前施加一个与下一时刻目标旋转方向相同的预扭矩，在液压开启时该扭矩会叠加到液压输出动力中，可保证在液压开启瞬间速度变化率更大，带来的速度冲击更明显，有助于磕土效果的提升。
49.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。