CN101225839A - 一种采用液压变压器的节能型盾构液压控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用液压变压器的节能型盾构液压控制系统。包括液压变压器、电机、恒压变量泵、二位三通换向阀、比例溢流阀、安全阀、蓄能器、液压缸、三位四通换向阀、液压马达、减压阀、二位二通换向阀。该系统将盾构推进、刀盘驱动、螺旋输送系统集成在一个回路中，通过恒压变量泵与蓄能器组成的恒压网络为系统提供动力能源。推进系统实行分组控制，分为若干组，通过实时调节液压变压器中变量泵/马达的排量控制推进液压缸的速度、推进力，以及液压马达转速和输出转矩。本发明中的盾构液压系统由于采用了液压变压器等节能元件和控制方式，能够实现能量的无损传递，避免了节流调速系统中的能量损失，具有明显的节能效果。

Description

一种采用液压变压器的节能型盾构液压控制系统
技术领域
本发明涉及流体压力执行机构，尤其涉及一种采用液压变压器的盾构节能液压系统。
背景技术
盾构掘进机是一种专用于地下隧道工程施工的现代化高科技掘进装备。与传统的施工方法相比，盾构法具有施工安全、快速、工程质量高、地面扰动小、劳动强度低等许多优点。由于采用了先进的开挖面稳定技术，盾构掘进尤其在各种地质条件复杂多变和施工环境恶劣的隧道工程建设中显出了独特的优势。此外，盾构在满足复杂路线掘进方面也发挥着其它掘进形式不可替代的作用。随着科技发展和社会进步，盾构掘进将逐步取代传统方法。
刀盘驱动系统、推进系统、螺旋输送系统是盾构掘进机的重要组成部分。刀盘转动负责切削前方的土体，推进系统为盾构机的前进提供推动力，螺旋输送机则将刀盘切削下来的渣土输送出隧道。三套系统同步运作、紧密配合，共同完成盾构掘进任务。由于盾构工作条件恶劣且负载很大，刀盘、推进、螺旋系统均采用液压驱动。
盾构掘进是一种典型的大功率、大负载工况，因此系统的装机功率巨大。在能耗如此大的系统中，工作效率对系统性能而言是一个极其重要的影响因素。传统盾构掘进机中大多采用阀控方式，尤其是在推进液压系统中分组阀控将会造成很大的能量损失，最终造成系统整体效率降低。系统效率低不仅浪费了能量、影响了设备寿命，而且恶化了施工环境，带来诸多不利因素。因此如何在确保盾构掘进系统正确高效完成掘进任务的情况下实现液压系统的节能控制是盾构掘进中的一个关键技术问题。
发明内容
为了克服盾构施工过程中存在的问题兼顾系统节能的要求，本发明的目的在于提供了一种采用液压变压器的节能型盾构液压控制系统，同时将推进系统、刀盘驱动和螺旋输送系统集成在一个由恒压变量泵和蓄能器组成的恒压网络中，实现了掘进动力的统一分配、统一管理。推进系统通过液压变压器实现压力、流量控制，刀盘、螺旋机转速的控制通过调节各自驱动液压变压器的排量来实现，螺旋输送机料门开口度控制由单作用液压缸完成。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
电机经联轴器与恒压变量泵刚性连接；恒压变量泵的吸油口与油箱连通，变量泵的出油口分别与安全阀和蓄能器连接，第一液压变压器中的变量泵/马达两端分别与恒压网络主油路、油箱连接，第一液压变压器中的定量泵/马达两端分别与恒压网络主油路、液压缸和另一液压缸的无杆腔连接，液压缸和另一液压缸的无杆腔进口与比例溢流阀进油口连接，二位三通换向阀A口分别液压缸和另一液压缸的有杆腔连接，二位三通换向阀B口与油箱连接，二位三通换向阀P口与恒压网络主油路连接，第二液压变压器、第三液压变压器中的变量泵/马达两端分别与恒压网络主油路、油箱连接，第二液压变压器、第三液压变压器中的定量泵/马达两端分别与恒压网络主油路、第一个三位四通换向阀P1口和第二个三位四通换向阀P2口连接，第一个三位四通换向阀T1口和第二个三位四通换向阀T2口与油箱连接，第一个三位四通换向阀A1口和第二个三位四通换向阀A2口与第一液压马达和第二液压马达一端油口相连，第一个三位四通换向阀B1口和第二个三位四通换向阀B2口与第一液压马达和第二液压马达的另一端油口相连，单作用液压缸通过液控单向阀、二位三通换向阀与恒压网络主油路连接；液控单向阀控制油口通过减压阀、二位二通换向阀与恒压网络主油路连接。
本发明具有的有益效果是：
液压系统采用集中油源供油，结构简单，占用空间小，这对于地下施工的盾构掘进而言具有一定的实用价值。推进系统实行分组控制，每组的推进速度和推进力通过液压变压器实现连续调节。由于系统中没有节流元件，能量传递效率高，避免了节流调速系统中的能量损失，具有明显的节能效果。
附图说明
附图是本发明的一个具体实施例的结构原理示意图。
图中：1.油箱，2.恒压变量泵，3.联轴器，4.电机，7.安全阀，10.蓄能器，14.1、14.2、14.3、14.4、26、32为液压变压器，18.1、18.2、18.3、18.4为比例溢流阀，21.1、23.1、21.2、23.2、21.3、23.3、21.4、23.4为液压缸，22.1、22.2、22.3、22.4为二位三通换向阀，27、33为三位四通换向阀，30、36为液压马达，38.液控单向阀，39.单作用液压缸，41.二位二通换向阀，43.减压阀，46.二位三通换向阀，5、6、8、9、11、12.1、12.2、12.3、12.4、13.1、13.2、13.3、13.4、15.1、15.2、15.3、15.4、16.1、16.2、16.3、16.4、17.1、17.2、17.3、17.4、19.1、19.2、19.3、19.4、20、24.1、24.2、24.3、24.4、25、28、29、31、34、35、37、40、42、44、45为管路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如附图所示，本发明中的电机4经联轴器3与恒压变量泵2刚性连接；恒压变量泵2的吸油口与油箱1连通，变量泵2的出油口分别与安全阀7和蓄能器10连接。第一液压变压器(由四组结构相同的子液压变压器14.1、14.2、14.3、14.4组成)中每个子变压器的变量泵/马达两端分别与恒压网络主油路11、油箱1连接，第一液压变压器中每个子变压器的定量泵/马达两端分别与恒压网络主油路11、液压缸(由四组结构相同的子液压缸21.1、21.2、21.3、21.4组成)和另一液压缸(由四组结构相同的子液压缸23.1、23.2、23.3、23.4组成)的无杆腔连接，液压缸(由四组结构相同的子液压缸21.1、21.2、21.3、21.4组成)和另一液压缸(由四组结构相同的子液压缸23.1、23.2、23.3、23.4组成)的无杆腔进口与比例溢流阀(由四组相同的子比例溢流阀18.1、18.2、18.3、18.4组成)进油口连接，二位三通换向阀(由四组相同的子二位三通换向阀22.1、22.2、22.3、22.4组成)A口分别液压缸(由四组结构相同的子液压缸21.1、21.2、21.3、21.4组成)和另一液压缸(由四组结构相同的子液压缸23.1、23.2、23.3、23.4组成)的有杆腔连接，二位三通换向阀(由四组相同的子二位三通换向阀22.1、22.2、22.3、22.4组成)B口与油箱1连接，二位三通换向阀(由四组相同的子二位三通换向阀22.1、22.2、22.3、22.4组成)P口与恒压网络主油路11连接，第二液压变压器26、第三液压变压器32中的变量泵/马达两端分别与恒压网络主油路11、油箱1连接，第二液压变压器26、第三液压变压器32中的定量泵/马达两端分别与恒压网络主油路11、第一个三位四通换向阀27P1口和第二个三位四通换向阀33P2口连接，第一个三位四通换向阀27T1口和第二个三位四通换向阀33T2口与油箱1连接，第一个三位四通换向阀27A1口和第二个三位四通换向阀33A2口与第一液压马达30和第二液压马达36一端油口相连，第一个三位四通换向阀27B1口和第二个三位四通换向阀33B2口与第一液压马达30和第二液压马达36的另一端油口相连，单作用液压缸39通过液控单向阀38、二位三通换向阀46与恒压网络主油路11连接；液控单向阀38控制油口通过减压阀43、二位二通换向阀41与恒压网络主油路11连接。
附图中电机4与恒压变量泵2通过联轴器3刚性连接，恒压变量泵2的吸油口与油箱1连通，恒压变量泵2的出油口通过管路5、6与安全阀7的进油口连接，恒变量泵2的出油口通过管路5、9与蓄能器10的进油口连接，安全阀7的出油口通过管路8与油箱1接通，液压变压器14.1、14.2、14.3、14.4中变量泵/马达进油口通过管路15.1、15.2、15.3、15.4与油箱1连接，出油口通过管路12.1、12.2、12.3、12.4与管路11连接，液压变压器14.1、14.2、14.3、14.4中定量泵/马达一端通过管路16.1、16.2、16.3、16.4与液压缸21.1、23.1、21.2、23.2、21.3、23.3、21.4、23.4无杆腔连接，另一端通过管路13.1、13.2、13.3、13.4与管路11连接，比例溢流阀18.1、18.2、18.3、18.4进油口通过管路17.1、17.2、17.3、17.4与液压缸21.1、23.1、21.2、23.2、21.3、23.3、21.4、23.4无杆腔连接，出油口通过管路19.1、19.2、19.3、19.4与回油管路20连接，液压缸21.1、23.1、21.2、23.2、21.3、23.3、21.4、23.4回油口通过管路24.1、24.2、24.3、24.4与二位三通换向阀22.1、22.2、22.3、22.4油口A1、A2、A3、A4连接，二位三通换向阀22.1、22.2、22.3、22.4油口P1、P2、P3、P4与管路11相连，二位三通换向阀22.1、22.2、22.3、22.4油口B1、B2、B3、B4与回油管路20相连，液压变压器26、32中变量泵/马达一端油口通过管路25、31与回油管20连接，另一端油口与管路11相连，液压变压器26、32中定量泵/马达一端油口与管路11连接，另一端口与三位四通换向阀27、33油口P1、P2连接，三位四通换向阀27、33油口T1、T2通过管路25、31与回油管20连接，油口A1、A2通过管路29、35与液压马达30、36一端相连，油口B1、B2通过管路28、34与液压马达30、36另一端相连，液控单向阀38一端通过管路37、二位三通换向阀46与管路11连接，另一端通过管路45与单作用液压缸39无杆腔连接，二位三通换向阀41一端通过管路40与管路11连接，另一端通过管路42与减压阀43进油口连接，减压阀43出油口通过管路44与液控单向阀38控制油口连接。
本发明的工作原理如下：
电机4得电启动，驱动变量泵2转动，变量泵2吸油口从油箱1中吸油，变量泵2打出的压力油通过管路5送到恒压管路11，同时有一部分油液进入安全阀7和蓄能器10的进油口。推进系统共分为四组，每组均由液压变压器、比例溢流阀、推进液压缸、二位三通换向阀组成。每组液压缸有若干对，各对液压缸可以实现单独进退，输出力和速度由所在组液压变压器控制。由于四组控制方式相同，在此以第一组为例说明其工作原理。
盾构向前推进时，调节液压变压器14.1中变量泵/马达排量，使得变量泵/马达处于“泵”状态，从油箱吸油，定量泵/马达处于“马达”状态，通过管路13.1从恒压网络取得压力油，再经过管路16.1送给推进液压缸无杆腔，通过实时调节液压变压器中变量泵/马达斜盘倾角即可实现推进液压缸速度和压力控制，液压缸回油口通过管路24.1与二位三通换向阀22.1的A1口相连，此时二位三通换向阀22.1的电磁铁失电，在弹簧作用下，二位二通换向阀22.1的A1口与B1口连接，二位三通换向阀22.1的B1口经管路20与油箱1连接。当推进液压缸实现回退动作时，二位三通换向阀22.1的电磁铁得电，二位三通换向阀进油口P1和出油口A1连通，来自恒压管路11的压力油经管路24.1进入液压缸有杆腔，比例溢流阀18.1比例电磁铁得到相应的电信号，使液压缸无杆腔油液经管路17.1从溢流阀溢流回油箱1，此时溢流阀18.1作背压阀用，实现液压缸平稳回退。
调节液压变压器26中变量泵/马达排量，使得变量泵/马达处于“泵”状态，通过管路25从油箱吸油，定量泵/马达处于“马达”状态，从恒压网络取得压力油，送到三位四通换向阀27的油口P1，当三位四通换向阀27左端电磁铁通电时，来自液压变压器26的压力油经三位四通换向阀27、管路29进入液压马达30高压油口，驱动马达及盾构刀盘转动，液压马达30出油口低压油经管路28、阀27、管路25回到油箱1，当三位四通换向阀27右端电磁铁通电时，来自液压变压器26的压力油经三位四通换向阀27、管路28进入液压马达30高压油口，驱动马达及盾构刀盘反向转动，液压马达30出油口低压油经管路29、阀27、管路25回到油箱1。当三位四通换向阀27两端电磁铁均断电时，盾构刀盘停止转动。盾构刀盘转速可以通过调节液压变压器26中变量泵/马达排量来控制。
调节液压变压器32中变量泵/马达排量，使得变量泵/马达处于“泵”状态，通过管路31从油箱吸油，定量泵/马达处于“马达”状态，从恒压网络取得压力油，送到三位四通换向阀33的油口P2，当三位四通换向阀33左端电磁铁通电时，来自液压变压器32的压力油经三位四通换向阀33、管路35进入液压马达36高压油口，驱动马达及螺旋机转动，液压马达36出油口低压油经管路34、阀33、管路31回到油箱1，当三位四通换向阀33右端电磁铁通电时，来自液压变压器32的压力油经三位四通换向阀33、管路34进入液压马达36高压油口，驱动马达及螺旋机反向转动，液压马达36出油口低压油经管路35、阀33、管路31回到油箱1。当三位四通换向阀33两端电磁铁均断电时，螺旋机停止转动。螺旋机的转速可以通过调节液压变压器32中变量泵/马达排量来控制。
螺旋输送机料门开口度通过液压缸39控制，当二位二通换向阀41电磁铁通电、二位三通换向阀46电磁铁断电时，来自管路11的压力油经管路40、二位二通换向阀41、管路42进入减压阀43进油口，经减压阀减压后通过管路44与液控单向阀38控制油口连接，液控单向阀打开，管路11中的高压油经二位三通换向阀46、管路37、液控单向阀38、管路45，进入液压缸39无杆腔，压缩弹簧，活塞杆伸出使料门开口减小，当位移检测元件检测到料门开口大小正好为期望值时发出电信号使二位二通换向阀41电磁铁断电，液控单向阀38控制油被切断，单向阀关闭，在来自管路11的高压油作用下，液控单向阀38被反向锁闭，液压缸38无杆腔压力油保压与弹簧力平衡使料门保持在一定的位置。当二位三通换向阀46电磁铁通电时，液控单向阀38一端通过回油管20与油箱1连接，另一端与液压缸39无杆腔连接，在弹簧作用下，液压缸39无杆腔中的油液被排出，经过二位三通换向阀46，流回到油箱1，料门复位。

Claims (1)

1.一种采用液压变压器的节能型盾构液压控制系统，其特征在于：电机经联轴器与恒压变量泵刚性连接；恒压变量泵的吸油口与油箱连通，变量泵的出油口分别与安全阀和蓄能器连接，第一液压变压器中的变量泵/马达两端分别与恒压网络主油路、油箱连接，第一液压变压器中的定量泵/马达两端分别与恒压网络主油路、液压缸和另一液压缸的无杆腔连接，液压缸和另一液压缸的无杆腔进口与比例溢流阀进油口连接，二位三通换向阀A口分别与液压缸和另一液压缸的有杆腔连接，二位三通换向阀B口与油箱连接，二位三通换向阀P口与恒压网络主油路连接，第二液压变压器、第三液压变压器中的变量泵/马达两端分别与恒压网络主油路、油箱连接，第二液压变压器、第三液压变压器中的定量泵/马达两端分别与恒压网络主油路、第一个三位四通换向阀P1口和第二个三位四通换向阀P2口连接，第一个三位四通换向阀T1口和第二个三位四通换向阀T2口与油箱连接，第一个三位四通换向阀A1口和第二个三位四通换向阀A2口与第一液压马达和第二液压马达一端油口相连，第一个三位四通换向阀B1口和第二个三位四通换向阀B2口与第一液压马达和第二液压马达的另一端油口相连，单作用液压缸通过液控单向阀、二位三通换向阀与恒压网络主油路连接；液控单向阀控制油口通过减压阀、二位二通换向阀与恒压网络主油路连接。
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