下一代全电动挖掘机

下一代全电动挖掘机

苏帅

北京理工大学机械与车辆学院北京102488

摘要：面向城市内建设与施工的环保机械需求，以使用电力驱动来达到节能减排的理念，本装置设计了一种全电动挖掘机，以锥形齿轮传动与二级行星齿轮减速为主要机械元件，以真空管集热器为主要热力学元件属于太阳能高温集热以及环保能源利用领域。其主要结构包括低转速高扭矩的电机、锥形齿轮、二级行星齿轮、电动推杆和其他传统挖掘机通用零件。其中，电动推杆负责大臂的驱动。本装置的发明是为了满足城市内施工与建设的需要，用户使用本挖掘机时，将全电动挖掘机接入城市电网取电，也可携带电池安装于挖掘机底盘部分。挖掘机获得电能之后，即可驱动电机与电动推杆工作，最终经过减速系统减速及放大扭矩，达到工作要求的性能。通过采用通用的齿轮减速机构，使整机简单可靠，极大程度上提升了挖掘机的可靠性与经济性。

1.项目研究背景

在保护环境的呼声日益高涨的现代，全电动可以使得主要在城市内工作的小型挖掘机真正实现“零排放”，对环境有益。而且全电动挖掘机在工作时不再有柴油机的轰鸣声，噪声污染也将不复存在，不再扰民。而现有的传统挖掘机以柴油机驱动液压装置为主。柴油机驱动液压缸的方式不仅噪声大、效率低，而且维修保养繁琐，液压装置易出现故障从而导致危险事故的发生。即便是近几年推出的全电动挖掘机也是靠电动机驱动液压装置，工作原理并没有太大改变。液压装置自身的不便性依然存在。

在能源问题与排放问题日趋严峻的大趋势下，电能因其使用零排放无污染且容易获得的特点成为了如今广泛使用的新能源。电力驱动的技术已经非常成熟，电路的控制系统也非常可靠，众多的电动汽车已经证实了使用电能进行驱动的优越性。用卡车后桥所采用的减速机构来为电机减速，以此来达到减速放大扭矩的作用，这就将电能与工程机械结合在了一起。设计一种能够高效利用电能的“下一代全电动挖掘机”，将传统的柴油机驱动液压装置转换为零排放的新型施工方式，无疑为城市建设提供了工程机械采用的新思路。

2.项目研究意义

全电动挖掘机概念的提出并非史无前例，但目前市场全电动挖掘机均为电动机驱动液压装置的原理，其在使用过程中仍然会需要液压装置，这就给使用者带来了液压系统方面的使额外顾虑；且市场上电动挖掘机大多直接在传统柴油挖掘机上改进而来，当太阳高度角与方位角变化时，需不断调节整个装置以追踪太阳光线，在食物烹饪前后也需要在其他装置上进行加工处理，难以实现家庭厨房的多功能化的特点，不符合真正意义的“全电动”。而使用锥形齿轮和二级行星齿轮减速为核心构件来设计全电动挖掘机，一改传统液压驱动方式，提出齿轮减速在挖掘机上应用的新原理，能够有效地解决现有传统柴油挖掘机和部分含液压机构的电动挖掘机的缺点，提高电能利用率。此外，我们希望能够通过使用通用的齿轮减速机构代替液压机构，同时设置力矩控制系统以检测挖掘机的工作强度，杜绝因为过度使用而带来的安全事故，实现真正意义上的智能化与人性化。考虑到施工场地的复杂性，整个装置的控制通过电信号传递，更容易实现遥控驾驶与无人驾驶，确保施工人员尤其是挖掘机驾驶员的安全。

3.设计方案

3.1机械原理

3.1.1行星齿轮减速装置

行星减速机（planetaryreducer）是一种用途广泛的工业产品，可以降低电机的转速，同时增大输出转矩。行星减速机可作为配套部件用于起重、挖掘、运输、建筑等行业。工作原理为由一个内齿环（A）紧密结合於齿箱壳体上，环齿中心有一个自外部动力所驱动之太阳齿轮（B），介于两者之间有一组由三颗齿轮等分组合于托盘上之行星齿轮组（C）该组行星齿轮依靠著出力轴、内齿环及太阳齿支撑浮游于其间；行星减速机当入力侧动力驱动太阳齿时，可带动行星齿轮自转，并依循著内齿环之轨迹沿著中心公转，游星之旋转带动连结于托盘之出力轴输出动力。

3.1.2本装置驱动原理

挖掘机工作时，电机转动输出动力，锥形齿轮处装置转速获得第一次降低、力矩获得第一次放大，且力的方向得到改变。之后，对称置于斗杆两侧的二级行星齿轮减速机构对装置进行进一步的减速与放大扭矩。最终得到足够的驱动力来驱动挖掘机的斗杆。

3.2整体结构

本装置主要由低转速高扭矩的电机、锥形齿轮、二级行星齿轮、电动推杆和其他传统挖掘机通用零件构成。

3.2.1使用状态

用户在使用本挖掘机时，先将挖掘机接入城市电网或接好蓄电池电源。待挖掘机整体系统自检正常后，即可进行使用，从而完成施工任务。

由于本装置面向的是城市内施工的需求，在城市内施工可以较为容易的获得电源，而挖掘机的工作情况决定了他不会像电动汽车那样需要移动很远的距离。因此在很多工况下可以不使用蓄电池，进一步降低了挖掘机的整机成本，突出了节能减排的优势。

4.实验论证及性能分析

4.1基于三维模型的结构设计

基于卡车后桥的传动特点与整个挖掘机的工作原理，设计三维结构以完成整个装置的可行性验证。

图1电动挖掘机整体

4.2性能理论计算及性能分析

对比市面上主流的某品牌小型挖掘机，其最大挖掘力（铲斗）为15.2千牛顿，结合挖掘机整体尺寸及工作状态计算得斗杆处需要的最大力矩为12000牛米，铲斗处所需的最大力矩为8000牛米。而采用电动机及减速机构可获得最大15000牛米的力矩，完全能够满足使用需求，而且各部分工作时的转动速度符合实际要求。

同时，此传统柴油挖掘机发动机率为9.6Kw。而经过我们计算匹配得来的全电动挖掘机整体在极限状态下的总功率为6Kw，在实际工作的情况下的总功率为4Kw以内。大大降低了能耗。同时由于柴油机与电动机自身的效率差别，我们的全电动挖掘机拥有了传统柴油挖掘机不可能达到的高效率。

5.创新点及应用

1）符合“节能减排”的理念，使用电能作为唯一能源，减少了能源的消耗，同时消除了传统柴油挖掘机造成的噪声污染与有害气体的排放；

2）代替了液压装置，同时具有工作状态监测系统，更加安全；

3）可以更加方便地搭载遥控驾驶与无人驾驶系统，保证在危险工况下施工人员的安全；

4）购买与使用成本更低，整机可靠性好，使用范围广，具有良好的市场前景；

5）顺应政策法规的要求，在政策方面具有独特的优越性；

参考文献：

[1]肖心远，李怀俊，黄剑.农业装备与车辆工程[A].广东：广东交通职业技术学院，2018.

[2]吕洪磊.辽宁曙光汽车集团股份有限公司[A].辽宁：辽宁曙光汽车集团股份有限公司，2018.