МОБИЛЬНАЯ РАБОЧАЯ МАШИНА Российский патент 2024 года по МПК E02F9/00 E02F9/12 E02F9/20 B60L50/60 B60K1/00 

Настоящее изобретение касается мобильной рабочей машины, в частности мобильной рабочей машины с полным электрическим приводом, такой как экскаватор.

Известно, что мобильные рабочие машины могут применяться как в земляных работах, так и для целей перевалки материалов. При этом подавляющая часть этих машин оснащена традиционным двигателем внутреннего сгорания, который работает на ископаемых топливах.

Однако есть так называемые полустационарные, питаемые от сети рабочие машины. Эта технология находит применение главным образом у рабочих машин, которые применяются для перевалки материалов, так как эта деятельность осуществляется на тесно сосредоточенной площади. Так, заботятся о том, чтобы рабочая машина в ожидаемой области деятельности была постоянно соединена со стационарной электросетью. Это может реализовываться, например, посредством инсталлированного провода высокого напряжения или соответствующих эквивалентных устройств.

Недостатком является то, что при выборе между изложенными выше альтернативами всегда должно приниматься решение в пользу мобильности или электрического привода, обеспечивающего локальное отсутствие выбросов.

Рабочие машины с полным электрическим приводом до настоящего времени еще не смогли закрепиться на рынке, так как высокие и энергозатратные рабочие требования рабочих машин зачастую не могут удовлетворяться в течение достаточно долгого периода времени. Однако с прогрессирующим развитием накопителей энергии, а также с учетом регулирующих требований предполагается, что в будущем рабочие машины с полным электрическим приводом будут пользоваться спросом.

При этом целью настоящего изобретения является создание улучшенной мобильной рабочей машины, которая, во-первых, отличается наибольшим возможным снижением необходимых первичных энергозатрат, а во-вторых, допускает оптимальное расположение накопителей энергии.

Это удается с помощью мобильной рабочей машины, которая имеет все признаки п.1 формулы изобретения. При этом предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с изобретением предусмотрено, что мобильная рабочая машина, в частности экскаватор, включает в себя нижнюю тележку, имеющую гусеничный, рельсовый или колесный движитель, верхнюю тележку, имеющую закрепленную на ней рабочую оснастку, и поворотный круг, который соединяет друг с другом нижнюю тележку и верхнюю тележку с возможностью вращения. Рабочая машина отличается децентрализованным энергоснабжением и/или децентрализованной сетью снабжения, предпочтительно сетью снабжения постоянного тока (шина DC-BUS), и контактным кольцом для передачи электрической энергии между верхней тележкой и нижней тележкой.

Благодаря наличию контактного кольца, следовательно, можно не ограничивать накопители энергии и системы привода только верхней тележкой, так как при пропускании энергии через контактное кольцо теперь могут одновременно задействоваться также компоненты, расположенные в нижней тележке. Так, теперь, например, можно предусматривать децентрализованные накопители энергии, которые могут быть расположены как на верхней тележке, так и на нижней тележке.

Например, по предлагаемой изобретением идее сеть снабжения может также вестись дальше в нижней тележке, так чтобы и там различные компоненты и системы привода могли снабжаться энергией.

Так, в соответствии с изобретением может быть предусмотрено, чтобы некоторая часть сети снабжения проходила в верхней тележке, и посредством контактного кольца реализовывалось электрическое соединение с нижней тележкой, так чтобы она могла продолжаться в нижней тележке.

Предпочтительно контактное кольцо выполнено так, что оно также служит в качестве Power Distribution Box (англ. коробка распределения энергии). Это означает, что контактное кольцо служит центральным элементом, а все провода подключения к децентрализованно расположенным накопителям энергии, которые могут распределяться по верхней и нижней тележке, имеют приблизительно одинаковые сопротивления проводов (так, может быть предусмотрено, чтобы сопротивления проводов могли варьироваться в пределах 5% от наибольшего сопротивления провода). Благодаря этому балансировка между децентрализованно расположенными накопителями энергии может уменьшаться до минимума. При этом предпочтительно, что аккумуляторы могут разряжаться равномерно, что приводит к уменьшению потерь от перезарядки, а также термической нагрузки компонентов и в итоге к уменьшению первичной энергозатраты компонентов.

Предпочтительно переходное сопротивление щеток контактного кольца может компенсироваться адаптацией поперечного сечения проводов или, соответственно, длин проводов.

Также в соответствии с изобретением может быть предусмотрено, чтобы расположение щеток и колец было адаптировано так, чтобы сопротивления передачи на щетках к компонентам верхней и нижней тележки были идентичны. Например, это могло бы осуществляться таким образом, чтобы со стороны верхней тележки кабель подключения высоковольтного провода «плюс» велся на щетку, а высоковольтный провод «минус» - на кольцо. Тогда со стороны нижней тележки подключение было бы обратным.

Также в соответствии с изобретением возможно, чтобы электрически соединенный с сетью снабжения накопитель энергии был выполнен децентрализованно из нескольких блоков накопления энергии. При этом каждый из блоков накопления энергии соединен с сетью снабжения, так чтобы также подключенные к ней потребители могли получать свою энергию из блоков накопления энергии. Модульная конструкция блоков накопления энергии обеспечивает возможность ее каскадирования соответственно выполняемым рабочим задачам.

По одной из опциональных модификаций изобретения может быть предусмотрено, чтобы один или несколько блоков накопления энергии были расположены в нижней тележке, и один или несколько других блоков накопления энергии в верхней тележке и, например, один блок накопления энергии в нижней тележке был закреплен на крепежном устройстве для установки отвального щита дополнительно или вместо отвального щита.

В частности, установка блока накопления энергии в области обычно имеющегося отвального щита экскаватора или мобильной рабочей машины является при этом предпочтительной, так как такой блок накопления энергии может заменяться без больших издержек. Так, можно быть бы просто ставить блок накопления энергии на землю, так как мобильная рабочая машина сама может совершать маневр приближения, и посредством переставного крепежного устройства, которое, собственно, предусмотрено для отвального щита, забирать накопитель энергии и соединять с сетью снабжения.

Также благодаря установке блоков накопления энергии между осями или впереди и сзади (например, короба лап) может соответственно повышаться емкость аккумулятора. Замена аккумулятора должна была бы тогда обеспечиваться соответствующими вспомогательными устройствами или дополнительными транспортными средствами, например, штабелером.

Также в соответствии с изобретением может быть предусмотрено, чтобы один из блоков накопления энергии был установлен на противоположной рабочей оснастке стороне на верхней тележке, чтобы служить накопителем энергии и балластом.

Экскаватор обычно на своей противоположной рабочей оснастке (стрела экскаватора) стороне имеет балластный вес для обеспечения достаточной грузоподъемности и устойчивости.

Кроме того, в соответствии с изобретением может быть предусмотрено, чтобы накопитель энергии путем подсоединения блоков накопления энергии к сети снабжения мог масштабироваться по своей емкости. Если, например, можно прогнозировать, что находящийся на верхней тележке накопитель энергии по своей емкости слишком мал для предусмотренной задачи, его можно варьируемым образом расширять, при этом с сетью снабжения соединяют дополнительные блоки накопления энергии.

По другой модификации изобретения может быть предусмотрено, чтобы механизм вращения мог приводиться в действие электрическим приводом механизма вращения, который получает свою энергию для совершения вращательного движения верхней тележки относительно нижней тележки от сети снабжения.

Также по одному из предпочтительных усовершенствований изобретения может быть предусмотрено, чтобы рабочая машина была также снабжена накопителем мощности, который соединен с сетью снабжения. Этот буфер энергии выполнен предпочтительно в виде конденсаторов, так называемых Supercaps (англ. конденсаторы большой мощности). Такой накопитель мощности предпочтителен, в частности, тогда, когда за короткое время и/или при высоком числе циклов должны буферизироваться высокие пики мощности.

Накопитель мощности может быть выполнен централизованным или децентрализованным. При децентрализованном варианте осуществления в экстремальном случае для каждой способной к рекуперации системы должен предусматриваться накопитель мощности.

Когда накопитель мощности выполняется централизованным, в экстремальном случае с помощью только одного накопителя осуществляется временная буферизация всех способных к рекуперации систем. Это позволяет также использовать в экономических соображениях низкие или редко возникающие пики мощности.

Когда накопители мощности располагаются децентрализованно, пики рекуперируемой энергии отдельных систем не нагружают или, соответственно, не влияют ни на какие другие системы. Это значит, в распределительной сети со стороны прибора не возникают никакие пики мощности, тока или напряжения. Благодаря децентрализованному расположению накопителей мощности стратегия зарядки и разрядки накопителей может осуществляться оптимально. Система благодаря этому стабилизируется, и в сети снабжения возникают только очень малые колебания.

В соответствии с изобретением может быть также предусмотрено, чтобы рабочая машина была снабжена электрическим приводом движения, который получает свою энергию от сети снабжения. При этом привод движения может располагать дополнительными накопителями энергии или мощности и надлежащими устройствами для адаптации частоты вращения двигателя. Далее, может быть предусмотрено, чтобы электрический привод движения был расположен в нижней тележке.

В соответствии с изобретением может быть также предусмотрено, чтобы рабочая машина была снабжена по меньшей мере одним электрическим приводом для приведения в действие рабочего устройства, при этом указанный по меньшей мере один электрический привод получает свою энергию от сети снабжения. При этом привод гидравлических агрегатов может располагать дополнительными накопителями энергии или мощности и надлежащими устройствами для адаптации частоты вращения двигателя. При этом может быть предусмотрено, чтобы электрический привод для приведения в действие рабочего устройства был расположен в верхней тележке.

В соответствии с изобретением может быть также предусмотрено, чтобы рабочая машина была снабжена по меньшей мере одним электрическим приводом вращения, который получает свою энергию от сети снабжения. Посредством привода вращения верхняя тележка может поворачиваться относительно нижней тележки. При этом привод вращения может располагать дополнительными накопителями энергии или мощности и надлежащими устройствами для адаптации частоты вращения двигателя.

В соответствии с изобретением может быть также предусмотрено, чтобы рабочая машина была снабжена по меньшей мере одной электрической подсистемой, которая получает свою энергию от сети снабжения, при этом предпочтительно системы кондиционирования рабочего места водителя, темперирования масла, темперирования холодной воды или, соответственно, кондиционирования холодной воды и вентиляции подключаются прямо к сети снабжения. При этом эффективным образом может реализовываться использование отходящего тепла, что приводит к улучшенному термоменеджменту рабочей машины.

Для получения дополнительных потенциалов экономии, также системы для опирания, рулевого управления и торможения транспортного средства могут располагать независимыми, подключенными к сети снабжения приводами или, соответственно, актуаторами.

По экономическим и техническим причинам (размеры, доступность частей) необходимо создавать на устройстве разные уровни напряжения. Для адаптации уровня напряжения могут применяться DC/DC преобразователи.

Чтобы можно было применять дополнительные блоки накопления энергии, которые имеют другое состояние зарядки, чем базовое устройство, уровни напряжения должны адаптироваться. Это возможно, например, с помощью так называемых DC/DC преобразователей. Благодаря этому дополнительные аккумуляторы или, соответственно, источники энергии могут подключаться к базовому устройству, даже если у него истощены накопители энергии, без необходимости сначала заряжать имеющиеся накопители энергии.

Во избежание или для максимально возможного снижения токов перезарядки может быть целесообразно, отделить базовый аккумулятор, имеющий DC/DC преобразователь или устройство отключения, от сети снабжения. После того, как аккумуляторы или, соответственно, источники энергии достигли одинаковых или очень близких состояний зарядки, базовый аккумулятор может снова подключаться к сети снабжения и продолжать использоваться.

Другие признаки, подробности и преимущества изобретения становятся очевидными из последующего описания фигур. При этом показано:

фиг.1: схематичная основная конструкция предлагаемого изобретением рабочего устройства;

фиг.2a и b: схематичный вид верхней или, соответственно, нижней тележки, у которой контактное кольцо применяется в качестве Power Distribution Unit (англ. узла распределения энергии);

фиг.3: верхняя тележка предлагаемой изобретением рабочей машины, и

фиг.4a и b: нижняя тележка предлагаемой изобретением рабочей машины.

На фиг.1 показана схематичная основная конструкция предлагаемой изобретением рабочей машины 1. При этом расположенное посредине пересечение относится к контактному кольцу 5, то есть вращающемуся электрическому соединению верхней тележки и нижней тележки. Отходящая от него сеть 6 снабжения характеризована практически сплошной линией, которая изображает конфигурацию сети 6 снабжения в верхней тележке. При этом отходящая от контактного кольца пунктирная линия относится к конфигурации сети 6 снабжения в нижней тележке. Видно, что с сетью 6 снабжения соединены как компоненты в нижней тележке, так и в верхней тележке, и сеть 6 снабжения распространяется через контактное кольцо 5.

В настоящем случае в нижней тележке предусмотрен блок 7 накопления энергии, а также привод 10 движения в нижней тележке, которые соединены каждый с сетью 6 снабжения. Однако расположенный в нижней тележке привод 10 движения получает свою энергию не только из блока 7 накопления энергии, который расположен в нижней тележке (при его наличии), но и от блока 7 накопления энергии (при его наличии), расположенного в верхней тележке.

Помимо этого, в верхней тележке расположен также, например, электрический привод 8 механизма вращения для вращения верхней тележки 5, который получает свою энергию от сети 6 снабжения.

Наряду с этим, в верхней тележке есть другие электрические потребители, которые подключены к сети 6 снабжения. Так, с сетью 6 снабжения соединен также один или несколько электрических приводов 11 для рабочей гидравлики оснастки рабочей машины 1, например, стрела экскаватора или тому подобное. В качестве других потребителей возможны электрический тормоз, рулевое управление, лифт кабины, опирание рабочей машины (посредством лап и/или отвального щита) или же масляный радиатор и при необходимости водяной радиатор.

Устройства для отопления и кондиционирования рабочего места водителя тоже могут снабжаться энергией от сети 6 снабжения. В предпочтительной модификации отопление может осуществляться за счет использования отходящего тепла компонентов привода или накопителей энергии. При применении теплового насоса мог бы дополнительно повышаться коэффициент полезного действия системы кондиционирования и таким образом дополнительно снижаться потребление первичной энергии.

Предпочтительно расположенный в верхней тележке блок накопления энергии расположен на противоположной рабочей оснастке стороне верхней тележки, чтобы он также одновременно действовал в качестве балласта, и обычно имеющийся балласт не был необходим или был необходим только в меньшей степени.

Также из фиг.1 можно видеть, что в верхней тележке имеется накопитель 9 мощности, так называемый конденсатор большой мощности, который рассчитан на то, чтобы за короткое время поглощать большое количество энергии и накапливать ее на короткий период времени (например, прибл. от 30 секунд до 2 минут). В предпочтительной модификации он может устанавливаться в качестве центрального накопителя для всех систем.

Например, накопитель 9 мощности может привязываться не только к сети 6 снабжения, но и, помимо этого, имеет также еще по одному другому соединению 14 с приводом 8 механизма вращения и приводом или приводами 11 для рабочей оснастки.

На фиг.2a и 2b показан слегка измененный вариант схематичной конструкции рабочей машины 1, у которой электрические компоненты (например, преобразователи частоты) и накопители энергии соединяются с сетью снабжения посредством контактного кольца. Контактное кольцо имеет соединение по меньшей мере с одним блоком 7 накопления энергии. Эта система гарантирует возможность удержания сопротивлений проводов между блоками накопления энергии в приемлемых пределах.

При этом на фиг.2a показана структурная конструкция в верхней тележке мобильной рабочей машины, в отличие от чего на фиг.2b показана структурная конструкция в нижней тележке мобильной рабочей машины. На фиг.3 показана верхняя тележка 4 электрической рабочей машины, например, работающий на батареях экскаватор. На ней схематично показаны отдельные электрические потребители верхней тележки.

Видна кабина 20 водителя, из которой оператор может управлять рабочей машиной. Наряду с этим, ссылочным обозначением 21 обозначен соединительный участок для стрелы экскаватора или другой рабочей оснастки рабочей машины, который выступает с одной стороны верхней тележки.

Противоположно той самой стороне, на которой установлена рабочая оснастка рабочей машины, может быть расположен накопитель 7 энергии, который, благодаря своему весу, одновременно служит также частью балласта для рабочей машины.

Кроме того, в верхней тележке 4 имеется электрический привод 8 механизма вращения, приводы 11 для рабочей оснастки, блоки 15 преобразования частоты для электрических приводов, блоки 16 преобразования напряжения для создания бортовых сетевых напряжений 24 В, 48 В или AC 230/400 В и система охлаждения и отопления 17. Под ссылочным обозначением 18 имеется дополнительная плоскость инсталляции для других потребителей.

На фиг.4a показан вид в перспективе нижней тележки 2, центрально встроен гидравлический ввод вращения и контактное кольцо для передачи управляющих сигналов 5. Далее, видны расположенные на нижней тележке 2 модули удлинения пробега, зарядные модули или Plug-In-модули, например, блоки 7 накопления энергии, а также расположенный впереди в направлении движения отвальный щит 19.

На фиг.4b показана нижняя тележка 2, которая вместо отвального щита 19 теперь содержит дополнительный блок 7 накопления энергии, повышающий имеющуюся в распоряжении энергоемкость. Поэтому он может иметь выборочно подключаемые накопители 7 энергии. При этом может быть предусмотрено, чтобы захват этого блока накопления энергии происходил посредством движущего устройства, которое предназначено также для приведения в действие отвального щита. Так, нет необходимости поднимать блок накопления энергии для удлинения пробега посредством крана или тому подобного, так как необходимый процесс подъема с земли может осуществляться с помощью уже имеющегося на рабочей машине (или, соответственно, на экскаваторе) устройства для приведения в действие отвального щита.

Изобретение относится к мобильной рабочей машины с полным электрическим приводом. Технический результат – обеспечение снижения необходимых первичных энергозатрат и обеспечение оптимального расположения накопителей энергии. Мобильная рабочая машина включает в себя нижнюю тележку, имеющую гусеничный, рельсовый или колесный движитель, верхнюю тележку, имеющую закрепленную на ней рабочую оснастку, поворотный круг, который соединяет друг с другом нижнюю тележку и верхнюю тележку с возможностью вращения, децентрализованную сеть энергоснабжения для снабжения энергией для приведения в действие мобильной рабочей машины, и контактное кольцо для передачи электрической энергии между верхней тележкой и нижней тележкой. Предусмотрен электрически соединенный с контактным кольцом накопитель энергии, выполненный децентрализованно из нескольких блоков накопления энергии. При этом все провода подключения к децентрализованно расположенным накопителям энергии имеют приблизительно одинаковые сопротивления проводов. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Мобильная рабочая машина (1), включающая в себя:

нижнюю тележку (2), имеющую гусеничный, рельсовый или колесный движитель (3),

верхнюю тележку (4), имеющую закрепленную на ней рабочую оснастку,

поворотный круг (8), который соединяет друг с другом нижнюю тележку (2) и верхнюю тележку (4) с возможностью вращения,

децентрализованную сеть (6) энергоснабжения для снабжения энергией для приведения в действие мобильной рабочей машины (1), и

контактное кольцо (5) для передачи электрической энергии между верхней тележкой (4) и нижней тележкой (2),

отличающаяся тем, что предусмотрен электрически соединенный с контактным кольцом (5) накопитель (7) энергии, выполненный децентрализованно из нескольких блоков (7) накопления энергии, при этом все провода подключения к децентрализованно расположенным накопителям энергии (7) имеют приблизительно одинаковые сопротивления проводов.

2. Рабочая машина (1) по п. 1, при этом часть сети (6) снабжения проходит в верхней тележке (4), и посредством контактного кольца (5) реализуется электрическое соединение с нижней тележкой (2), так что сеть (6) снабжения может продолжаться в нижней тележке (2).

3. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, при этом один из блоков (7) накопления энергии расположен в нижней тележке (2), а другой из блоков (7) накопления энергии расположен в верхней тележке (4), и предпочтительно один блок (7) накопления энергии в нижней тележке (2) закреплен на крепежном устройстве для установки отвального щита и/или вместо отвального щита.

4. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, при этом один из блоков (7) накопления энергии установлен на противоположной рабочей оснастке стороне на верхней тележке (4), чтобы служить балластом.

5. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, при этом накопитель (7) энергии выполнен с возможностью масштабирования по своей емкости путем подсоединения блоков (7) накопления энергии к сети (6) снабжения.

6. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, при этом механизм (5) вращения мобильной рабочей машины выполнен с возможностью приведения в действие электрическим приводом (8) механизма вращения, который получает свою энергию для совершения вращательного движения верхней тележки (4) относительно нижней тележки (2) от сети (6) снабжения.

7. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, имеющая также накопитель (9) мощности, который соединен с сетью (6) снабжения и выполнен предпочтительно в виде конденсаторов, так называемых конденсаторов большой мощности.

8. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, при этом накопитель (9) мощности выполнен децентрализованным, предпочтительно при этом для множества или для каждой способной к рекуперации системы предусмотрен собственный накопитель (9) мощности.

9. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, имеющая также предпочтительно расположенный в нижней тележке (2) электрический привод (10) движения, который получает свою энергию от сети (6) снабжения.

10. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, имеющая также по меньшей мере один электрический привод (11) для приведения в действие рабочего устройства, при этом указанный по меньшей мере один электрический привод (11) получает свою энергию от сети (6) снабжения.

11. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пунктов, имеющая также по меньшей мере одну электрическую подсистему (12), которая получает свою энергию от сети (6) снабжения, при этом предпочтительно указанная по меньшей мере одна электрическая подсистема представляет собой радиатор гидравлического масла, устройство отопления и кондиционирования, стояночный и рабочий тормоз, систему опирания нижней тележки, рулевое управление и/или лифт кабины.

12. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пп. 1-8, имеющая также расположенный в нижней тележке (2) привод (10) движения, который получает свою энергию от блока (13) распределения энергии, соединенного с накопителем (7) энергии, предпочтительно расположенным в нижней тележке (2) блоком (7) накопления энергии.

13. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пп. 1-8 или 12, имеющая также по меньшей мере один электрический привод (11) для приведения в действие рабочего устройства, при этом указанный по меньшей мере один электрический привод (11) получает свою энергию от блока (13) распределения энергии, соединенного с накопителем (7) энергии, предпочтительно расположенным в верхней тележке (4) блоком (7) накопления энергии.

14. Рабочая машина (1) по одному из предыдущих пп. 1-8, 12 или 13, имеющая также по меньшей мере одну электрическую подсистему (12), которая получает свою энергию от блока (13) распределения энергии, соединенного с накопителем (7) энергии, предпочтительно расположенным в верхней тележке (4) блоком (7) накопления энергии, при этом предпочтительно указанная по меньшей мере одна электрическая подсистема (12) представляет собой радиатор гидравлического масла, устройство отопления и кондиционирования, стояночный и рабочий тормоз, систему опирания нижней тележки, рулевое управление и/или лифт кабины.