CN101550830A - 采用成组蓄能器的节能型盾构刀盘闭环液压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用成组蓄能器控制的盾构刀盘液压节能控制系统。包括由第一电机通过第一联轴器与双向变量泵连接组成的变量泵系统，双向变量马达两端同二位三通插装阀的A、B连接和由蓄能器经二位二通阀、节流阀和二位三通插装阀的p口和第四单向阀连接组成的变量马达控制单元，定量泵通过第二联轴器和第二电机连接组成的定量泵系统。本发明主油路采用的是变量泵控制多组变量马达的控制系统，泵控马达闭式系统减少了溢流损失和节流损失，提高了系统的效率；通过成组蓄能器的设置以提高系统的速度响应，吸收油液的冲击震动，在刀盘受困时候提供备用的流量和压力能量用于脱困，减小了系统的装机功率。

Description

采用成组蓄能器的节能型盾构刀盘闭环液压控制系统

技术领域

本发明涉及流体压力执行机构，尤其涉及一种采用成组蓄能器的盾构刀盘闭环节能液压控制系统。

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，刀盘系统所需要能量大，在盾构机中扮演越来越重要的作用，同推进系统、螺旋输送机、管片拼装系统构成了完整的盾构机。这几部分系统同步运作、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、管片拼装系统均采用液压驱动。盾构刀盘大多采用的是大闭式控制系统，而其他的系统均采用开式的阀控系统，所以把刀盘控制系统单独来设计。

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，该控制方式从一定程度上会造成很大的节流和溢流损失，最终造成系统整体效率降低和能量的损失。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。但是相对于阀控系统而言泵控马达的闭式容积调速系统有着响应慢，存在滞后的缺点，这些问题在一些情况下可能影响了盾构的整体性能的提高，或是增加整体的装机功率，浪费能量，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和实现快速响应性是盾构掘进中的一个关键技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服盾构刀盘系统在施工过程中存在系统响应慢、装机功率大的问题兼顾系统节能的要求，提供了一种采用成组蓄能器的盾构刀盘大闭环液压节能控制系统。

采用成组蓄能器变量泵控制变量马达的盾构刀盘驱动液压节能系统包括第二电机、第二联轴器、定量泵、第一电机、第一联轴器、双向变量泵、吸油口过滤器、出油口过滤器、带油讯发生装置的进油口过滤器、带油讯发生装置的出油口过滤器、二位三通换向阀、比例溢流阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、低压蓄能器、高低压蓄能器、二位四通插装阀、第一安全阀、第二安全阀、第一压力表、第二压力表、梭阀、油箱、第一分油阀块、第二分油阀块、第一变量马达控制单元、第二变量马达控制单元、第三变量马达控制单元、第n变量马达控制单元；第一电机通过第一联轴器与双向变量泵刚性连接，双向变量泵的吸油口与带油讯发生装置的吸油口过滤器连通，变量泵的出油口与带有油讯发生装置的出油口过滤器进油口连接，出油口过滤器出油口与主油路连接，二位四通插装阀的进油口、第二单向阀、分油阀块、第一安全阀一端、第二安全阀一端、第一压力表、梭阀的一端和第一分油阀块的一端与主油路连接，第二压力表、第一安全阀另一端、第二安全阀的另一端、梭阀的另一端和第二分油阀块的一端与主回油路连接，蓄能器和二位四通插装阀的A口相连；蓄能器和二位四通插装阀的B口相连，第一分油阀块分别接通第一变量马达控制单元的一端、第二变量马达控制单元的一端、第三变量马达控制单元的一端、第n变量马达控制单元的一端；第二分油阀块分别接通第一变量马达控制单元的另一端、第二变量马达控制单元的另一端、第三变量马达控制单元的另一端、第n变量马达控制单元的另一端，定量泵通过第二联轴器和第二电机刚性连接，定量泵的吸油口和吸油口过滤器连接，定量泵的排油口分别与出油口过滤器和二位三通换向阀连接；二位三通换向阀阀的A、B油口分别和比例溢流阀和油箱连接；比例溢流阀出油口和油箱连通。

所述的变量马达控制单元包括第四单向阀、双向变量马达、二位三通插装阀、蓄能器、二位二通阀、节流阀，变量马达的进油口同二位三通插装阀的B口连接、变量马达的出油口同二位三通插装阀的A口连接，蓄能器经二位二通阀、节流阀与二位三通插装阀的P口连接，双向变量马达的出油口与分油阀块连接，第四单向阀的一端与蓄能器连接，第四单向阀的另一端同第三单向阀连接。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1)液压系统采用闭环系统，故油液循环流动，所需要的油箱较小，同时占用空间比较小，这对于地下施工的盾构掘进而言具有一定的实用价值。

2)蓄能器成组控制，集中布置，在地下布置时候可以节省空间和利于集中控制。

3)蓄能器的出油口可以根据刀盘的正反转可以及时通过控制二位四通插装阀来改变方向，始终能和高压端连接，蓄能器在关键时候可以充当辅助能源的作用，同时在遇到冲击负载的时候可以很好的吸收震动，减小装机功率

4)在模式切换的时候可以充当辅助能源，加快闭式系统的响应，提高快速性。

5)系统中采用泵控马达形式，负载敏感，同时没有节流元件，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

图1是采用成组蓄能器的盾构刀盘闭环节能液压控制系统结构示意图；

图2是本发明的变量马达控制单元的结构示意图；

图中：第二电机1、第二联轴器2、定量泵3、第一电机4、第一联轴器5、双向变量泵6、吸油口过滤器7、出油口过滤器8、带油讯发生装置的进油口过滤器9、带油讯发生装置的出油口过滤器10、二位三通换向阀11、比例溢流阀12、第一单向阀13.1、第二单向阀13.2、第三单向阀13.3、第四单向阀13.4、低压蓄能器14、高低压蓄能器15、二位四通插装阀16、双向变量马达17、二位三通插装阀18、蓄能器19、第一安全阀20.1、第二安全阀20.2、第一压力表21.1、第二压力表21.2、梭阀22、油箱23、第一分油阀块24、第二分油阀块25、二位二通阀26、节流阀27、第一变量马达控制单元T1、第二变量马达控制单元T2、第三变量马达控制单元T3、第n变量马达控制单元Tn。

具体实施方式

如图1所示，采用成组蓄能器变量泵控制变量马达的盾构刀盘驱动液压节能系统包括第二电机1、第二联轴器2、定量泵3、第一电机4、第一联轴器5、双向变量泵6、吸油口过滤器7、出油口过滤器8、带油讯发生装置的进油口过滤器9、带油讯发生装置的出油口过滤器10、二位三通换向阀11、比例溢流阀12、第一单向阀13.1、第二单向阀13.2、第三单向阀13.3、低压蓄能器14、高低压蓄能器15、二位四通插装阀16、第一安全阀20.1、第二安全阀20.2、第一压力表21.1、第二压力表21.2、梭阀22、油箱23、第一分油阀块24、第二分油阀块25、第一变量马达控制单元T1、第二变量马达控制单元T2、第三变量马达控制单元T3、第n变量马达控制单元Tn；第一电机4通过第一联轴器5与双向变量泵6刚性连接，双向变量泵6的吸油口与带油讯发生装置的吸油口过滤器9连通，变量泵6的出油口与带有油讯发生装置的出油口过滤器10进油口连接，出油口过滤器10出油口与主油路连接，二位四通插装阀16的进油口、第二单向阀13.2、分油阀块24、第一安全阀20.1一端、第二安全阀20.2一端、第一压力表21.1、梭阀22的一端和第一分油阀块24的一端与主油路连接，第二压力表21.2、第一安全阀20.1另一端、第二安全阀20.2的另一端、梭阀22的另一端和第二分油阀块24的一端与主回油路连接，蓄能器14和二位四通插装阀16的A口相连；蓄能器15和二位四通插装阀16的B口相连，第一分油阀块24分别接通第一变量马达控制单元T1的一端、第二变量马达控制单元T2的一端、第三变量马达控制单元T3的一端、第n变量马达控制单元Tn的一端；第二分油阀块25分别接通第一变量马达控制单元T1的另一端、第二变量马达控制单元T2的另一端、第三变量马达控制单元T3的另一端、第n变量马达控制单元Tn的另一端，定量泵3通过第二联轴器2和第二电机1刚性连接，定量泵3的吸油口和吸油口过滤器7连接，定量泵3的排油口分别与出油口过滤器8和二位三通换向阀11连接；二位三通换向阀阀11的A、B油口分别和比例溢流阀12和油箱23连接；比例溢流阀12出油口和油箱23连通。

如图2所示，变量马达控制单元包括第四单向阀13.4、双向变量马达17、二位三通插装阀18、蓄能器19、二位二通阀26、节流阀27，变量马达17的进油口同二位三通插装阀18.1的B口连接、变量马达17的出油口同二位三通插装阀18.1的A口连接，蓄能器19经二位二通阀26、节流阀27与二位三通插装阀18的P口连接，双向变量马达17的出油口与分油阀块25连接，第四单向阀13.4的一端与蓄能器19连接，第四单向阀13.4的另一端同第三单向阀13.3连接。

本发明的工作原理如下：

第一电机得电启动，驱动双向变量泵转动，变量泵的吸油口从油箱中吸油，变量泵排出的压力油通过出油口过滤器送到恒压管路中，同时有一部分油液分别进入第一安全阀、第二安全阀、梭阀和二位四通插装阀的进油口P。梭阀是把变量泵两端的高压油引入到变量泵控制口来控制排量，第一安全阀、第二安全阀是用来保证液压油在正反向流动时候，保证刀盘系统压力过高时来限制最高的压力即从高压油端进入低压油端。定量泵系统主要是为了及时向系统内补充油液来补偿泄漏。比例溢流阀用来保证压力的无级调节，使得定量泵提供的油液压力同系统相一致。第一单向阀是为了避免油液回流到定量泵和冲破过滤器的滤芯；第二单向阀、第三单向阀主要是为了避免蓄能器里的油液回流到变量泵和冲破过滤器的滤芯。刀盘变量马达控制系统共分为n组，圆周对称分布，每组均由变量马达、第四单向阀、二位二通阀、节流阀、蓄能器、二位三通插装阀组成。变量马达控制单元中加入蓄能器用以吸收脉动，作为辅助能源用以脱困，起到辅助系统模式快速切换的目的。定量泵系统根据系统的要求来及时向系统补油以补偿泄漏和满足蓄能器的要求。输出速度可以通过改变变量马达和变量泵的排量来控制，系统压力根据负载来决定。由于n组变量马达的控制方式相同，在此以第一组为例说明其工作原理。

由于盾构的工作地质环境是复杂多变的，所以我们分别以沙质地层，粘性土，硬岩地层等复合地质条件下来分析该系统原理。

首先第二电机启动，通过第二联轴器带动定量泵启动，定量泵的出油口通过出油口过滤器进入闭式油路从而向闭式油路供油以补偿泄漏，同时一部分向蓄能器供油，蓄能器内安装有压力表以及时观测压力值的大小，第四单向阀是为了避免蓄能器里的油液回流到定量泵中，二位二通阀可以通过控制其得电和失电来保证定量泵单独向蓄能器供油，二位三通换向阀分别连接油箱和比例溢流阀，当二位三通换向阀得电时候，其工作在右位，这时候定量泵卸荷，即系统不需要补油时候，以减小系统发热损失。当二位三通阀失电的时候定量泵出口端的压力通过比例溢流阀来确定，该比例溢流阀根据系统的要求来自动设定溢流压力。

当双向变量泵正转时候，油液顺时针流动，二位四通插装阀里的二位四通阀在弹簧力的作用下工作在左位，这时候系统里的高压端和高压蓄能器连接，变量泵的吸油口同低压蓄能器连接，这两个蓄能器采用囊式蓄能器，容积较小，主要是吸收各个封闭容腔内的冲击震动。当泵反转时候，即刀盘反转的时候，变量泵的吸油区和排油区互换，二位三通插装阀内的二位四通阀的电磁铁得电克服弹簧力工作在右位，变量泵的吸油区和低压蓄能器连接，排油区和高压蓄能器连接。

当盾构机在沙质地层工作的时候，第一电机通过第一联轴器带动双向变量泵顺时针运动，变量马达也工作在顺时针运动，这时候盾构刀盘正转向前运动。在沙质地层中由于含水量比较低，故其土质粘性比较低，同时运动对周围土体扰动较大，这种工况下刀盘所受扭矩比较低，同时转速中等，这时候通过控制变量泵和双向变量马达的排量来控制转速，这时刀盘顺时针转动，二位三通插装阀里二位四通阀在弹簧力的作用下工作在左位，二位二通阀得电，这时候蓄能器经二位二通阀和节流阀连接后与变量马达的进油区相连，起到吸收震动的作用，当转速方向变化时候，二位三通插装阀内的二位四通阀得电，使得二位四通阀工作在右位，使得蓄能器仍和变量马达的进油口相连，因此可以控制二位三通插装阀内的二位四通阀来使蓄能器始终和变量马达的进油口相连。

当预先要知道进入硬岩区时候，二位二通阀失电，定量泵预先向蓄能器供油，压力达到一定值的时候保压。进入硬岩区时候，转速提高，推进位移减小，扭矩减小，由于容积调速反应慢和滞后现象比较严重，这时候，通过调节二位二通阀使之得电，这时候蓄能器开始向变量马达供油，充当辅助能源，在变量泵变量马达未响应前或是未切换到理想状态时候，先给它提供辅助能源，增加流量和辅助力，这时候速度增加，帮助系统尽快的提高切换速度，节流阀在这时候充当液阻的作用，使得变化过程比较平稳，避免冲击，从而提高响应，当变量泵和马达调整好以后，该状态稳定。

同时在刀盘受困时候，传统的刀盘都采用功率限制阀，避免功率升高，从而限制了功率的进步提高，但我们可以采用以蓄能器作为辅助能源的方法来辅助刀盘系统脱困。通过向蓄能器内供油，当刀盘受困时候，二位二通阀得电，蓄能器通过二位二通阀、节流阀来推动变量马达运转，从一定程度上提高了输入功率，提高转速和压力，辅助系统脱困，但没有增加系统的装机功率，从一定程度上反应了节能的思想。

当盾构刀盘工作在粘土层时候，该地层的工作特点是转速较低，扭矩较大，而且刀盘的转动对周围土体扰动比较大，当从硬岩工作转到粘土层工作时候，要降低刀盘的转速，但考虑到泵控马达容积调速存在一定的滞后性和响应慢的缺点，我们提出一种新思路。为了降低转速，提高响应的快速性，可以把蓄能器当作辅助制动装置，促进马达的转速降低，而后再通过变量泵和变量马达的排量改变来变速。即当刀盘正转时候，油液顺时针流动时候，二位三通插装阀内的二位四通阀得电，蓄能器经二位二通阀和节流阀，最后和变量马达的排油区相连。节流阀在这里充当着液阻的作用，稳定流量缓和冲击，避免流量冲击大，这时候蓄能器向变量马达排油区供油，起到制动作用，阻碍了变量马达转动，辅助起到降速的作用，同时调节变量泵和变量马达的排量来改变流量和转速，当转速和压力恢复正常以后，二位三通插装阀里的二位四通阀失电，在弹簧的作用下工作在左位，使得蓄能器和变量马达的进油区相连，同样，当刀盘转速方向发生变化的时候，通过调整二位三通插装阀里的二位四通阀来使得蓄能器的出口始终和变量马达的进油口相连。

梭阀的作用主要是为了提取进油路和回油路的高压油来调节变量泵的排量，实现负载敏感和恒压控制。第二单向阀和第三单向阀起到防止油液倒流同时起到防吸空作用。

Claims (2)

1、一种采用成组蓄能器变量泵控制变量马达的盾构刀盘驱动液压节能系统，其特征在于包括第二电机(1)、第二联轴器(2)、定量泵(3)、第一电机(4)、第一联轴器(5)、双向变量泵(6)、吸油口过滤器(7)、出油口过滤器(8)、带油讯发生装置的进油口过滤器(9)、带油讯发生装置的出油口过滤器(10)、二位三通换向阀(11)、比例溢流阀(12)、第一单向阀(13.1)、第二单向阀(13.2)、第三单向阀(13.3)、低压蓄能器(14)、高低压蓄能器(15)、二位四通插装阀(16)、第一安全阀(20.1)、第二安全阀(20.2)、第一压力表(21.1)、第二压力表(21.2)、梭阀(22)、油箱(23)、第一分油阀块(24)、第二分油阀块(25)、第一变量马达控制单元(T1)、第二变量马达控制单元(T2)、第三变量马达控制单元(T3)、第n变量马达控制单元(Tn)；第一电机(4)通过第一联轴器(5)与双向变量泵(6)刚性连接，双向变量泵(6)的吸油口与带油讯发生装置的吸油口过滤器(9)连通，变量泵(6)的出油口与带有油讯发生装置的出油口过滤器(10)进油口连接，出油口过滤器(10)出油口与主油路连接，二位四通插装阀(16)的进油口、第二单向阀(13.2)、分油阀块(24)、第一安全阀(20.1)一端、第二安全阀(20.2)一端、第一压力表(21.1)、梭阀(22)的一端和第一分油阀块(24)的一端与主油路连接，第二压力表(21.2)、第一安全阀(20.1)另一端、第二安全阀(20.2)的另一端、梭阀(22)的另一端和第二分油阀块(24)的一端与主回油路连接，蓄能器(14)和二位四通插装阀(16)的A口相连；蓄能器(15)和二位四通插装阀(16)的B口相连，第一分油阀块(24)分别接通第一变量马达控制单元(T1)的一端、第二变量马达控制单元(T2)的一端、第三变量马达控制单元(T3)的一端、第n变量马达控制单元(Tn)的一端；第二分油阀块(25)分别接通第一变量马达控制单元(T1)的另一端、第二变量马达控制单元(T2)的另一端、第三变量马达控制单元(T3)的另一端、第n变量马达控制单元(Tn)的另一端，定量泵(3)通过第二联轴器(2)和第二电机(1)刚性连接，定量泵(3)的吸油口和吸油口过滤器(7)连接，定量泵(3)的排油口分别与出油口过滤器(8)和二位三通换向阀(11)连接；二位三通换向阀阀(11)的A、B油口分别和比例溢流阀(12)和油箱(23)连接；比例溢流阀(12)出油口和油箱(23)连通。

2.根据权利要求1所述的一种采用成组蓄能器变量泵控制变量马达的盾构刀盘驱动液压节能系统，其特征在于所述的变量马达控制单元包括第四单向阀(13.4)、双向变量马达(17)、二位三通插装阀(18)、蓄能器(19)、二位二通阀(26)、节流阀(27)，变量马达(17)的进油口同二位三通插装阀(18.1)的B口连接、变量马达(17)的出油口同二位三通插装阀(18.1)的A口连接，蓄能器(19)经二位二通阀(26)、节流阀(27)与二位三通插装阀(18)的P口连接，双向变量马达(17)的出油口与分油阀块(25)连接，第四单向阀(13.4)的一端与蓄能器(19)连接，第四单向阀(13.4)的另一端同第三单向阀(13.3)连接。

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