岩石钻机、用于岩石钻机的转移驱动的方法和速度控制器

摘要

本发明涉及一种岩石钻机、一种用于所述岩石钻机的转移驱动的方法以及一种速度控制器。岩石钻机（1）包括无内燃机驱动设备（16），无内燃机驱动设备（16）包括用于实施转移驱动的多个电气部件（K）。所述岩石钻机的控制单元（C）包括负载监控（KV），负载监控（KV）在转移驱动期间监控所述部件的负载。负载监控允许有意过载所述电驱动系统提前限定的时间段。所述控制单元的用户界面包括速度控制器（50），速度控制器（50）的控制元件（51）具有：第一控制范围（53），其中操作在额定负载范围内发生；以及第二控制范围（54），其中操作在过载范围内发生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石钻机，其包括设有凿岩机的吊臂，使得因此 能够在所选择的钻场处执行钻凿。该岩石钻机也包括无内燃机驱动设 备，通过该驱动设备岩石钻机可在钻场之间转移。岩石钻机的驱动设 备包括至少一个电动马达和电驱动系统，并且还包括控制单元，所述 控制单元包括控制电驱动系统的负载的装置。另外，控制单元包括具 有速度控制器的用户界面。

此外，本发明涉及一种用于岩石钻机的转移驱动的方法和一种速 度控制器。

在本专利申请的独立权利要求的前序中更详细地描述本发明的领 域。

背景技术

在矿山中使用岩石钻机，通过岩石钻机在计划的钻场处钻凿钻孔。 当钻凿钻孔完成时，就将采矿车辆转移至下一钻场，以钻凿新的钻凿 扇面（drilling fan）或钻凿面。具体地，在地下矿山中，通过电动马达 产生的动力执行转移驱动是有利的。转移驱动所需的能量可以存储在 电池中。在转移驱动期间，驱动传动的电气部件变得有负载并且变热。 过热可能损伤该部件。所以，通常必须限制转移驱动中的最高功率， 使得驱动传动的电气部件中的温度将保持在允许的限制范围内。由于 功率限制，所以必须降低转移驱动的速度，这就降低了岩石钻机的性 能。

发明内容

本发明的目标是提供一种新型的且改进的岩石钻机、一种用于该 岩石钻机的转移驱动的方法以及一种速度控制器。

本发明的岩石钻机特征在于：负载监控被布置成根据预定控制策 略允许有意过载电驱动系统；该过载具有有限持续时间，因此防止电 驱动系统中的部件过热；以及控制单元被布置成向操作者指示从额定 负载状态至过载状态的转换。

本发明的方法的特征在于，在转移驱动期间有意使电驱动系统过 载，并且持续有限持续时间；以及使岩石钻机的操作者知道过载情况。

本发明的速度控制器的特征在于，速度控制元件包括至少一个其 它控制范围，其中在超过额定负载的过载部分中发生在所述至少一个 其它控制范围内的控制。

想法在于，可有意地过载岩石钻机的电驱动系统，使得其暂时以 高于额定负载的负载运行。另一想法在于，例如让操作者知道该过载 情况，使得由他/她控制该情况，或者以一种方式或其它方式向他/她指 示该过载情况。

优点在于，岩石钻机可临时以比所设计的正常操作的功率高的功 率运行。因而，问题围绕一种能够在转移驱动中使用的功率放大器 （power booster），使得能够管理在转移驱动中发生并且需要大量功率 的短持续时间的特定情况。因此，不需要针对那些需要高功率的驱动 情况设计岩石钻机的电驱动系统，并且因此避免了部件的超安全标准 设计。因而，电驱动系统可使用较廉价和尺寸较小的电气部件。此外， 通过如下事实提高了系统的可操作性和安全性，即操作者知道过载情 况，并且因此其不导致惊人的情况。

实施例的基本想法在于，电驱动系统包括电驱动马达，电驱动马 达例如可以是永磁型马达。此外，电驱动系统包括能量存储器，诸如 电池或电池组，用于存储转移驱动的能量。电驱动系统也包括变频器， 可通过该变频器控制驱动马达的转数和扭矩。电驱动系统还可包括变 压器并且可选地包括其它电气部件。

实施例的基本想法在于，当操作者在用户界面中选择过载模式时， 负载监控允许电驱动系统过载。

实施例的基本想法在于，速度控制器至少包括第一控制范围和第 二控制范围。在第一控制范围中，电驱动系统可被加载成使得不超过 部件的额定负载。因而，第一控制范围覆盖正常状态。而第二控制范 围允许超过电驱动系统部件的额定负载。因而，第二控制范围覆盖过 载状态。当将负载状态分为独立的控制范围时，操作者将更易于操作。 在该情况下，操作者将不会在不知道的情况下移动成使用过载状态。

实施例的基本想法在于，在控制单元的用户界面中向操作者显示 选择了电驱动系统的过载。由于该应用，操作者始终知道过载情况。

实施例的基本想法在于，在用户界面中向操作者显示电驱动系统 的负载监控信息，诸如过载情况的持续时间、过载情况的剩余时间、 过载所提供的性能提升、过载所提供的扭矩提升以及电驱动系统中的 最关键部件的温度。

实施例的基本想法在于，岩石钻机包括至少一个冷却系统，可通 过所述至少一个冷却系统冷却电驱动系统中的一个或更多个电气部 件。当发生到过载模式的转换时，控制系统可提高一个或更多个部件 的冷却。冷却系统可以是液体冷却系统，在该液体冷却系统中利用冷 却液体冷却电气部件。当已知将出现过载情况时，也可能提前开启冷 却系统。此外，也可能通过提前增强对一个或更多个关键部件的冷却， 对即将来临的过载做准备。通过冷却，在过载情况的控制下，可将部 件中的温度保持地更好，由此可能延长过载的持续时间。

实施例的基本想法在于，如果来自操作者的功率要求需要如此时， 控制单元自动开启过载模式。控制单元监控速度控制器或相应的控制 元件提供的功率要求，并且在其基础上评价功率要求是否符合额定负 荷，或者是否存在转换至过载模式的需要。控制单元向操作者指示从 额定模式状态至过载模式的转换，因此，操作者将知道该变化。

实施例的基本想法在于，仅当操作者有意接受时，才允许过载情 况。在该情况下，操作者将决不意外地在过载模式中使用该设备。

实施例的基本想法在于，电驱动系统包括至少一个温度传感器， 其用于监控电驱动系统中的至少一个关键部件的温度。当确定过载状 态的允许持续时间时，负载监控考虑该温度信息。

实施例的基本想法在于，负载监控被布置成当已达到以下预定限 制中的一个或更多个限制时中断过载模式：对电驱动系统的一个或更 多个关键部件设置的最高温度；对电驱动系统的任何一个部件设置的 最高温度；对过载状态计算的最长持续时间。在该实施例中，控制单 元注意的是该过载将不导致对电驱动系统的部件的损伤。由于自动监 控，在转移驱动中，操作者的责任和精神压力将降低。

实施例的基本想法在于，负载监控被布置成在过载状态中断之前 预先通知操作者。在该情况下，操作者可自己对所采用的额外功率放 大器将中断的情况做准备。因而，能够避免例如由功率突然减小导致 的危险情况。

实施例的基本想法在于，在其中需要大量扭矩和电功率的以下驱 动转移驱动情况的任何一种中允许电驱动系统的过载：驶过障碍物； 加速至转移驱动的基本速度；驶上陡坡；驶过坑洞；行驶到运输平台 上；长持续时间的下坡行驶。

实施例的基本想法在于，速度控制器中所包括的速度控制元件至 少包括第一控制范围和第二控制范围。在第二控制范围中，控制元件 的运动具有和第一控制范围的运动响应不同的响应。第二控制范围中 的控制元件的操控例如可能比在正常的第一运动区域中的操控更难。 此外，在第一和第二运动区域中，控制元件的运动尺度可以是不同的。

实施例的基本想法在于，速度控制器包括至少一个检测器，其检 测到第二控制范围的转换。当发生到过载状态的转换时，速度控制器、 控制单元或用户界面产生声音信号、视觉消息或振动警报。

实施例的基本想法在于，当执行下坡转移驱动时，电驱动马达被 切换成作为发电机运行。在该情况下，驱动马达在下坡驱动期间使岩 石钻机减速，并且同时产生主要用于对岩石钻机的能量存储器充电的 电流。可将减速中产生的过剩电能转换为电制动电阻器中的热能。除 了上述情况，借助于在减速中产生的过剩电能，还能够操作岩石钻机 中的一个或更多个液压系统，由此，不是所有的过剩电能都必须仅通 过制动电阻器消耗。这提高了电驱动系统在下坡驱动中的动态性。当 除了制动电阻器之外还存在一个或更多个系统来接收过剩能量时，能 够在下坡驱动期间使制动电阻器暂时过载。该应用使得能够使用可用 于有限持续时间的一种制动助力器。

附图说明

将在附图中更详细解释一些实施例，其中：

图1示意性示出岩石钻机，可被转移驱动至钻场用于钻凿，

图2示意性示出驱动设备，其具有电驱动马达并且设有负载监控 和液压冷却系统，

图3示意性示出第二驱动设备，其中电动马达使液压驱动传动件 运转，

图4a至4c示意性示出一些速度控制器和与其连接的装置，所述 装置用于转换至过载情况并且检测该情况，

图5通过简图示出涉及驱动设备的转移驱动和负载监控的细节，

图6示意性示出一些可能必需过载电驱动系统的转移驱动情况， 以及

图7通过曲线图示意性示出电驱动系统或其部件的负载。

在附图中，为了清晰，以简化形式示出一些实施例。在附图中， 以相同参考标记指示类似部分。

具体实施方式

图1示出可能的岩石钻机1，其包括活动载体2，岩石钻机1中布 置了配备有岩石钻凿单元4的一个或更多个吊臂3a、3b。钻凿单元4 可包括进给梁5，向其布置可通过进给装置7在进给梁5上移动的岩石 钻机器6。岩石钻机器6可包括用于在工具9上产生冲击脉冲的冲击装 置8以及用于旋转工具9的旋转装置10。此外，岩石钻机器6可包括 冲洗装置。图中示出的吊臂3a和向其布置的钻凿单元4旨在用于在隧 道或相应钻场的钻面11中钻凿钻孔。可替换地，可设计吊臂和在其上 的钻凿单元用于在岩洞的顶板和壁体中钻凿扇面状的钻孔。此外，岩 石钻机1包括设有螺栓连接装置12的吊臂3b，吊臂3b也包括岩石钻 机器6。岩石钻机1可包括液压系统13，液压系统13包括液压泵34、 液压通道、储液器和必需的控制装置，诸如阀等等。液压系统13可以 是钻凿液压系统，移动吊臂3a、3b以及岩石钻机器6必需的致动器15 连接至该液压系统。岩石钻机1也包括一个或更多个控制单元C，布置 控制单元C以控制岩石钻机1的系统。控制单元C可为计算机或相应 的控制装置，所述计算机或相应的控制装置包括处理器、可编程逻辑 器或任何其它适用于该目的的控制装置，能够将至少一个控制策略设 定于控制单元C，控制单元C根据所述控制策略独立地或与操作者协 作地执行控制。

在钻场P处，利用岩石钻机1钻凿一个或更多个钻孔。当已完成 对钻场P的指定任务时，就转移驱动岩石钻机1离开钻场P至新钻场 或者一些别的地方，例如维修处。岩石钻机1设有驱动设备16，驱动 设备16不包括内燃机，即其无内燃机。相反，驱动设备16包括一个 或更多个电机M，其产生转移驱动中所需的动力。可将电动马达M连 接至齿轮箱17；从齿轮箱17将旋转动力通过轴或相应的传动元件18 传递至一个或更多个轮子19。可在例如可能为电池的能量存储器B中 充满转移驱动所需的能量。驱动设备16可另外包括一个或更多个控制 装置S和一个或更多个制动电阻器20。因而，驱动设备16包括多个影 响转移驱动的电气部件K。在转移驱动期间，这些部件K受载并且它 们产生热，热的程度与穿过每个部件的电能相关。众所周知，电气部 件具有不应超过的温度限制，否则结果将是部件损坏。为了保护部件K， 通常对其确定额定负载，并且正常情况下，应在低于该额定负载的更 低负载下使用部件K。控制单元C可包括负载监控KV，负载监控KV 被布置成监控驱动设备16中所包括的并且连接至电驱动系统的一个或 更多个部件K中的负载。通过负载监控KV，能够避免由负载导致的电 驱动系统的损坏和其它故障以及危险情况。

图1也示出速度控制器50，操作者可通过其向控制单元C传递驱 动速度和功率方面的要求，控制单元C基于所传递的要求控制电驱动 系统。因而，速度控制器50构成控制单元C的用户界面的部分。速度 控制器50可包括机械结构，或者其可作为显示器上的软件或以相应方 式实施。

此外，岩石钻机1可设有液体冷却系统21，如下文将描述的，能 够通过该冷却系统冷却驱动设备16中所包括的电气部件K。

图2示出驱动设备16，在驱动设备16中可将电动马达M通过防 滑动力传动路径22直接联接至齿轮箱17，齿轮箱17可在驱动方向上 和相应地在反方向上包括一个、两个或更多个齿轮。可通过轴23将旋 转扭矩从齿轮箱17传递至轮轴24。在轴23和24之间，可存在角驱动 器25等等。在该情况下，在轮19和电动马达M之间存在机械的防滑 的传动器。电动马达M也用于减速，例如当在矿山中驱动下驱动斜坡 时，于是马达M起发电机的作用并且将载体2的动能转化为电能。可 将所产生的电能充到能量存储器B中，并且因而回收。可将不能利用 的过剩电能转化为制动电阻器20中的热能。驱动设备16还包括控制 装置S，控制装置S可包括变频器，在驱动和减速期间都能够通过该变 频器无级地控制电动马达M的旋转。控制装置S还可包括用于控制电 驱动系统中的电流的其它必需的电动控制装置。控制装置S可包括， 例如用于将能量存储器B和制动电阻器20耦合至电驱动系统的控制装 置。通过控制单元C来控制控制装置S的运行。

在本申请中，变频器指的是控制装置，可以通过该控制装置以无 级方式控制电驱动马达的转速。变频器可以是换流器或可以是DC/AC 转换器，其控制电动马达的运行。

在图2中以虚线示出另一可替换应用，其中以防滑方式将电驱动 马达联接至传动装置。与左侧的轴24连接的是轮子专用的电动轮毂马 达M1，与轮子专用的电动轮毂马达M1连接的可以是所需的齿轮箱。 此外，可以通过一个共用电驱动马达M2将旋转扭矩提供给轴24。

驱动设备16的部件K可设有温度传感器L，并且可将从温度传感 器L获得的信息传送到控制单元C和负载控制KV。

通过图2应明白，控制单元C也可控制液体冷却系统21的运行。 液体冷却系统21可包括多个冷却回路26a至26d，该多个冷却回路26a 至26d中的每一个连接有驱动设备中的一个或更多个电气部件K。冷 却回路26可设有一个或更多个阀或相应的控制元件27，可以通过所述 阀或相应的控制元件27影响冷却回路26中的液体流量。控制单元C 可控制这些控制元件27，使得将实现根据冷却策略的冷却。还能够的 是控制液体冷却系统21的泵28，由此在该系统中可以提高或降低冷却 液体的流量。控制单元C也可控制冷却单元29的运行，使得可影响冷 却液体的温度。当必要时，可以预先冷却该冷却液体。

图3示出驱动设备16的应用，其中将电动马达M布置成运行液 压泵30，并且所产生的液压动力驱动被连接至齿轮箱17的液压马达 31。因而，关注液压驱动传动。可通过控制装置S控制驱动设备中所 包括的电动马达M。可通过负载监控KV监控驱动设备16的部件K中 的负载。图3以虚线示出作为液压马达31和齿轮箱替换方式的液压轮 毂马达H1，以及驱动轴24的液压马达H2。

图4a至4c以高度简化方式示出具有速度控制元件51的一些速度 控制器50，操作者可通过该速度控制元件51向控制单元C发送请求， 以影响驱动速度和性能。

在图4a和4c中，速度控制元件51为可相对于框架52手动转动 的操纵杆。速度控制元件51具有第一控制范围53和第二控制范围54。 在第一控制范围53中，速度控制器50被布置成控制驱动设备16，使 得电驱动系统及耦合到电驱动系统的部件K的负载不超过它们的额定 负载。在将速度控制元件51从第一控制范围53转换至第二控制范围 54后，允许在电驱动系统中使用更高功率且允许超过部件K的额定负 载。

图4a示出在第一控制范围53和第二控制范围54中，速度控制元 件51可具有不同的运动阻力。速度控制元件51的该运动阻力可受弹 簧构件55和56的影响，或者可替换地，能够使用电气致动器或压力 介质操作致动器以便提供运动阻力。当速度控制元件51在第一控制范 围53内运动时，仅由第一弹簧构件53抵抗其运动。当速度控制元件 51进一步移动并且发生到第二控制范围54的转换时，第二弹簧构件 54也就开始影响速度控制元件51。与第一控制范围53中的运动阻力 F1相比，第二控制范围54具有明显更高的运动阻力F2，并且因此操 作者将不会无意移动至允许过载部件K的控制模式。

在图4b中，例如通过传感器58检测速度控制元件51的运动。当 在控制中存在临时转换至过载模式的需求时，就移动速度控制元件51， 使其超过第一控制范围53的运动区域，这由传感器58检测。可通过 一个或更多个指示器59向操作者指示至第二控制范围54的转换。例 如，指示器59可以为指示灯。可替换地，指示器59产生声音信号。 由于指示器59产生的消息或警报，操作者将不会无意从第一控制范围 53移开。

图4c的速度控制器50是一种油门踏板，其中通过按压速度控制 元件51影响驱动设备及其部件的功率。从检测器60获得关于速度控 制元件51的位置信息，信息从检测器60传输至控制单元C。当速度控 制元件51相对于框架52移动更长行程时，发生从第一控制范围53到 第二控制范围54的转换，这例如可以由限位开关61检测。将来自限 位开关61的检测信息传输至负载监控KV，负载监控KV允许超过被 耦合至电驱动系统的一个或更多个部件K的额定负载，并且允许使用 更高功率。速度控制器50可设有振动警报器62，当已发生到过载区域 的转换时，该警报器通过振动向操作者指示。还能够在控制单元C的 用户界面中所包括的显示装置63上显示转换到过载方面的信息。限制 装置63还可显示其它的负载监控KV信息，诸如过载情况的持续时间 和过载仍将持续多久，直到负载监控迫使控制移回到第一控制范围。 显示装置63还可显示部件K的温度和过载所提供的功率和扭矩的增 加。

一种可选的速度控制应用可以是这样的，即仅在通过开关或显示 装置选择过载模式后，才能够将速度控制元件51移动至第二控制范围 54。

图5通过简图示出涉及转移驱动和驱动设备的负载监控的细节和 控制操作。在钻凿之后，从钻凿位置移走岩石钻机，即将其转移驱动。 因而，驱动设备及其电气部件受载。控制系统尤其是包括在控制系统 中的负载监控监控电驱动系统的负载。负载监控可监控部件中的温度、 速度控制器的使用和在每种具体驱动情况下穿过每个部件的电功率。 将执行转移驱动，使得电驱动系统及耦合到电驱动系统的部件的负载 将保持在预定额定负载以下。然而，在驱动期间，可能存在以高于额 定负载的更大功率使用驱动设备的需求。负载监控包括控制策略，根 据该策略允许临时过载，即过载为有限持续时间。速度控制器被布置 成具有其中能够有过载的独立控制范围。另外，可向操作者发出关于 转换至过载状态的警告。此外，当转换至过载模式发生时，可通过冷 却系统开始冷却系统中的部件。可优先进行特殊关键部件的冷却。负 载监控监控电驱动系统并且可在以下情况下将自动控制从过载模式转 换回正常模式，即如果预定、允许的持续时间终止；如果部件中的温 度高于允许范围；或者如果负载监控另外检测出部件中的任何一个由 于过载而处于变坏的风险中。可替换地，可通过操作者手动地使从过 载模式到正常模式的转换发生。在该情况下，负载监控可指示操作者 将终止过载。这也可通过适当的警告装置执行。

图6示出其中可能有必要暂时过载电驱动系统的一些驱动情况。 可通过使用比正常功率更高的功率使岩石钻机1加速64。上坡驱动65 也可能必需使用更高功率。在下坡驱动66中，可通过驱动设备使岩石 钻机1减速。在该情况下，可将至少一些动能转化为电能，并且进而 转化为制动电阻器中的热能。如果可使被耦合至电驱动系统的部件过 载有限时间段，就能改善下坡驱动的动态。其中可能需要过载的另一 可能情况是驶过障碍物67。当然，除了上述情况外，也可在任何其它 驱动情况下应用过载的选项。

图7示出作为时间的函数的负载曲线68。正常驱动情况69发生在 预定额定负载N以下，并且过载情况70出现在限制N以上。通过负载 监控，过载始于时刻t1并且在时刻t2结束。在该情况下，负载监控已 允许使用过载时段ty。过载是临时的，并且因此其具有通常基于部件 的热功率确定的有限持续时间。不必预先确定持续时间，但是负载监 控可考虑下列可能存在的条件确定允许的持续时间，即部件的热阻、 驱动任务、引导通过部件的电流、周围条件和其它因素。在图7中， 虚线示出第二负载曲线68'，其示出通过逐渐降低过载，所允许的持续 时间ty'变得更长。控制单元也可具有以预定方式降低过载的控制策略。

虽然岩石钻机的驱动设备完全无内燃机，但是岩石钻机的载体可 具有备用动力单元，该备用动力单元可能包括内燃机。该内燃机驱动 用于产生电能的发电机。然而，备用动力单元不包括在驱动设备中， 并且仅旨在特殊情况下使用该备用动力单元，例如当电池电量用尽或 受损时。

在一些情况下，不管其它特征如何，可使用本申请中公开的特征。 另一方面，可视需要组合本申请中公开的特征，以形成各种组合。

附图和相关说明仅旨在于阐明本发明的想法。本发明的细节可在 权利要求的范围内变化。