CN102278124B - 盾构隧道掘进机节能液压推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能型盾构推进液压系统。其目的是为了提供一种盾构机推进液压系统，通过采用变频器控制变频电机的转速来调节定量泵的输出流量，使液压泵的输出流量与盾构机推进系统的需求流量相匹配，以达到节能的目的。本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统包括控制器、变频器、变频电机、定量泵、比例减压阀、电磁阀、传感器以及液压缸。通过采用压力传感器、内置式位移传感器将检测到的信号输出给控制器，由控制器控制变频器，变频器控制变频电机的转速来调节定量泵的输出流量，使液压泵的输出流量与盾构机推进系统的需求流量相匹配，不会产生多余的流量，最大限度地避免能量损失，以实现节能。

Description

盾构隧道掘进机节能液压推进系统

技术领域

本发明涉及一种隧道掘进的设备，特别是涉及一种驱动盾构机的推进液压系统。

背景技术

盾构机全名叫盾构隧道掘进机，是一种专用于地下隧道工程施工的现代化高科技掘进设备，它集机、电、液、控、测量等技术为一体，能完成挖掘、排土、管片拼装等工作，实现了隧道开挖的机械化、自动化。与传统的隧道施工方法相比，盾构法施工具有施工安全、快速高效、工程质量高、地面扰动小、机械化程度高、施工成本低等许多优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构施工。

盾构机的推进系统为盾构前进提供推动力，是盾构机的关键系统之一。盾构机的掘进工作通常由沿盾构周向分布的一定数量液压缸的协同伸出来完成，并要求在任何负载情况下都能精确及时地对盾构机的姿态和推进速度进行控制，使得盾构机能精确地沿事先设定好的路线推进，推进系统的可控性不仅直接关系到隧道施工的正确性、完整性，而且对控制地表沉降也会产生极大的影响。盾构在实际施工过程中，由于地质条件的复杂性和施工中诸多不可预见性因素的作用，对推进系统的推进速度和推力大小提出了更高的控制要求。因此，推进液压系统的压力和流量必须实时连续可调，以便选择合适的推进力和推进速度，以配合其它执行机构保持掘进过程中的土压平衡。

盾构推进是典型的大功率、大负载工况。推进系统的装机功率较大，能耗较高，为了降低控制成本、减小控制复杂性，通常对沿盾构周向分布的一定数量液压缸进行分区，采用比例控制阀实现各区压力流量的复合控制，由于比例压力阀、比例调速阀等液压阀的引入，不可避免地产生溢流损失、节流损失、泄漏损失等能量损失，造成液压系统整体效率较低。因此，如何在确保推进系统正确高效完成掘进任务的情况下实现推进液压系统的节能控制也是盾构掘进中的一个关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种盾构机推进液压系统，通过采用变频器控制变频电机的转速来调节定量泵的输出流量，使液压泵的输出流量与盾构机推进系统的需求流量相匹配，以达到节能的目的。

本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统，包括控制器、变频器、变频电机、定量泵、油箱、第一单向阀、三位四通电磁换向阀、第二两位三通电磁换向阀、比例减压阀、第三单向阀、插装阀、第三两位三通电磁换向阀、梭阀、液控单向阀、第二单向阀、第一液压缸、第二液压缸、压力传感器和安装在第二液压缸内的内置式位移传感器。其中变频器连接变频电机，变频电机经联轴器与定量泵刚性联接，定量泵的吸油口与油箱连通，定量泵的供油口A与第一单向阀的进油口A1连通；第一单向阀的出油口B1分别与三位四通电磁换向阀的进油口P2和第二两位三通电磁换向阀的进油口P3相连；第二两位三通电磁换向阀的回油口T3、三位四通电磁换向阀的回油口T2均与油箱连通；三位四通电磁换向阀的工作油口A2分别与比例减压阀的进油口P7、第三单向阀的出油口B10相连；三位四通电磁换向阀的工作油口B2分别与第一液压缸和第二液压缸的有杆腔以及推进系统其他组液压缸的控制阀QT2相连；第二两位三通电磁换向阀的工作油口A3与液控单向阀的控制口A12相连；第三两位三通电磁换向阀的回油口T5、比例减压阀的泄油口T8、液控单向阀的泄油口T10均与油箱连通；比例减压阀的工作油口A11、第三单向阀的进油口A10均与插装阀的工作油口A6和梭阀的进油口B9相连；比例减压阀的工作油口A11也与推进系统其他组液压缸的控制阀QT3相连；第三两位三通电磁换向阀的工作油口A5与插装阀的控制口X相连；插装阀的工作油口B6与液控单向阀的进油口A7、梭阀的进油口A9相连；梭阀的出油口C1与第三两位三通电磁换向阀的进油口P5相连；第二单向阀的出油口B8、液控单向阀的出油口B7、压力传感器均与第一液压缸和第二液压缸的无杆腔相连；压力传感器、内置式位移传感器均与控制器的输入端相连；控制器的输出端分别与变频器、比例减压阀的控制端相连。本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统与现有技术不同之处在于本发明采用压力传感器、内置式位移传感器将检测到的信号输出给控制器，由控制器控制变频器，变频器控制变频电机的转速来调节定量泵的输出流量，使液压泵的输出流量与盾构机推进系统的需求流量相匹配，不会产生多余的流量，最大限度地避免能量损失，以实现节能。本发明通过控制器控制变频器和比例减压阀，来实现输出流量和工作压力的连续可调，从而使盾构机能够适应各种复杂地层的变化，满足不同地质条件下对推进系统的需要。由于采用变频电机及定量泵作为动力源，省去了节流元件，使系统结构相对简单，可靠性更高；由于该系统采用定量泵，定量泵的效率要高于变量泵的效率，所以液压系统回路效率高。

本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其中该液压系统还包括两位两通电磁换向阀，两位两通电磁换向阀的进油口P与第一单向阀的出油口B1相连；两位两通电磁换向阀的回油口T与油箱连通。

本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其中该液压系统还包括定差减压阀和第一两位三通电磁换向阀；定差减压阀的进油口P8与三位四通电磁换向阀的工作油口A2相连，定差减压阀的出油口P9与第一两位三通电磁换向阀的进油口P4相连，定差减压阀的泄油口与油箱相连；第一两位三通电磁换向阀的工作油口A4与第二单向阀的进油口A8相连，第一两位三通电磁换向阀的回油口T4与油箱相连；第一两位三通电磁换向阀的工作油口A4还与推进系统其他组液压缸的制阀QT1相连。

本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其中该液压系统还包括比例溢流阀，比例溢流阀的进油口P1与第一单向阀的出油口B1相连，比例溢流阀的回油口T1与油箱连通，比例溢流阀的控制端与控制器的输出端相连。通过控制器控制比例溢流阀，能够实时控制第一单向阀出油口B1位置液压油的压力。

本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其中该液压系统还包括安全阀，安全阀的进油口P6与第一液压缸和第二液压缸的无杆腔相连，安全阀的回油口T6与油箱相连。

本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其中该液压系统还包括调速阀，调速阀的进油口P10与第一单向阀的出油口B1相连，调速阀的回油口T7与油箱相连。当盾构机安装完成后准备施工时，对各个元器件的工作状态进行调节，打开调速阀，防止管路中流量过大(定量泵最低转速时)；当盾构机正常工作时，关闭调速阀。

本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其中该液压系统还包括球阀，球阀的进油口P11与三位四通电磁换向阀的工作油口A2相连，球阀的回油口T9与插装阀的工作油口A6和梭阀的进油口B9相连。在盾构机正常工作时，球阀关闭，当系统需要维修时，打开球阀进行卸压。

下面结合附图对本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统作进一步说明。

附图说明

图1为本发明盾构隧道掘进机节能液压推进系统的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括控制器5、变频器1、变频电机2、定量泵3、油箱26、第一单向阀4、两位两通电磁换向阀6、比例溢流阀7、调速阀8、三位四通电磁换向阀9、定差减压阀10、第一两位三通电磁换向阀11、第二两位三通电磁换向阀12、比例减压阀13、第三单向阀24、球阀25、插装阀20、第三两位三通电磁换向阀21、梭阀19、安全阀18、液控单向阀17、第二单向阀22、第一液压缸16、第二液压缸23、压力传感器15和安装在第二液压缸23内的内置式位移传感器14。

变频器1驱动变频电机2，经联轴器与定量泵3刚性联接，定量泵3的吸油口与油箱26连通，定量泵3的供油口A与第一单向阀4进油口A1连通；第一单向阀4的出油口B1分别与两位两通电磁换向阀6的进油口P、比例溢流阀7的进油口P1、调速阀8的进油口P10、三位四通电磁换向阀9的进油口P2和第二两位三通电磁换向阀12的进油口P3相连；调速阀8的回油口T7、第二两位三通电磁换向阀12的回油口T3、三位四通电磁换向阀9的回油口T2均与油箱26连通；两位两通电磁换向阀6的回油口T、比例溢流阀7的回油口T1与油箱26连通。三位四通电磁换向阀9的工作油口A2分别与定差减压阀10的进油口P8、比例减压阀13的进油口P7、球阀25的进油口P11、第三单向阀24的出油口B10相连；三位四通电磁换向阀9的工作油口B2分别与第一液压缸16和第二液压缸23的有杆腔以及推进系统其他组液压缸的控制阀QT2相连。

第二两位三通电磁换向阀12的工作油口A3与液控单向阀17的控制口A12相连；定差减压阀10的出油口P9与第一两位三通电磁换向阀11的进油口P4相连；第一两位三通电磁换向阀11的工作油口A4与第二单向阀22的进油口A8相连；定差减压阀10的泄油口、第一两位三通电磁换向阀11的回油口T4、第三两位三通电磁换向阀21的回油口T5、比例减压阀13的泄油口T8、安全阀18的回油口T6、液控单向阀17的泄油口T10均与油箱26连通；比例减压阀13的工作油口A11、第三单向阀24的进油口A10、球阀25的出油口T9均与插装阀20的工作油口A6和梭阀19的进油口B9相连；第三两位三通电磁换向阀21的工作油口A5与插装阀20的控制口X相连；插装阀20的工作油口B6与液控单向阀17的进油口A7、梭阀19的进油口A9相连；梭阀19的出油口C1与第三两位三通电磁换向阀21的进油口P5相连；第二单向阀22的出油口B8、液控单向阀17的出油口B7、安全阀18的进油口P6、压力传感器15均与第一液压缸16和第二液压缸23的无杆腔相连。比例减压阀13的工作油口A11与推进系统其他组液压缸的控制阀QT3相连，第一两位三通电磁换向阀11的工作油口A4与推进系统其他组液压缸的控制阀QT1相连。

其中压力传感器15、内置式位移传感器14均通过信号线与控制器5的输入端相连；控制器5的输出端分别通过信号线与变频器1、比例溢流阀7、比例减压阀13的控制端相连。

本发明的工作原理如下：

盾构机向前推进时，三位四通电磁换向阀9电磁铁d得电，主油路压力油经三位四通电磁换向阀9的P2口进入，A2口流出，至比例减压阀13的P7口，通过比例减压阀13的A11口至插装阀20的A6口、梭阀19的进油口B9以及推进系统其他组液压缸控制阀QT3。当第三两位三通电磁换向阀21的电磁铁得电时，插装阀20的控制口X经第三两位三通电磁换向阀21与油箱26连通，阀芯开启，由比例减压阀13流出的压力油经插装阀20、液控单向阀17进入第一液压缸16和第二液压缸23的无杆腔，推动液压缸活塞杆伸出，盾构机在高压下作用下向前推进，在推进的过程中，通过压力传感器15和内置式位移传感器14的反馈信息，可以由控制器5实时调整变频器1、比例溢流阀7及比例减压阀13的电流大小，从而改变推进系统的推进速度和工作压力，使盾构机能够按照设计路线向前推进。

在不改变比例减压阀13的输入电流的情况下，也可使第一两位三通电磁换向阀11电磁铁得电，且第三两位三通电磁换向阀21电磁铁失电，主油路压力油经定差减压阀10、第一两位三通电磁换向阀11、第二单向阀22进入第一液压缸16和第二液压缸23的无杆腔，让第一液压缸16和第二液压缸23的活塞杆低压随动伸出(此时三位四通电磁换向阀9电磁铁d得电、其他组液压缸控制阀QT3断开)；同时，通过第一两位三通电磁换向阀11的工作油口A4连接到推进系统其他组液压缸控制阀QT1，实现他组液压缸的随动伸出；通过低压随动控制，使液压缸的输出力减小，以平衡各分区压力分布不均的差异，达到调整盾构机姿态的目的。

当第三两位三通电磁换向阀21电磁铁失电时，插装阀20的控制口X经梭阀19、第三两位三通电磁换向阀21与比例减压阀13的A11口压力油连通，A11口的液压油将流到插装阀芯顶部，由于阀芯上下面积差，阀芯处于关闭状态，此时第一液压缸16和第二液压缸23不动作，而三位四通电磁换向阀9的A2口的压力油全部流至推进系统其他组液压缸控制阀QT3中，从而实现了推进液压缸的单组控制(此时第一两位三通电磁换向阀11电磁铁失电、三位四通电磁换向阀9电磁铁d得电、其他组液压缸控制阀QT3接通)。

在盾构推进过程中，当负载突然增大，导致第一液压缸16和第二液压缸23无杆腔压力突然升高时，安全阀18打开，第一液压缸16和第二液压缸23无杆腔中的高压油经安全阀18流回油箱，实现了突变负荷工况下对元件的保护功能。

在盾构机向前推进的过程中，通过将位移传感器14、压力传感器15的信号传送到控制器5，由控制器5向变频器1、比例溢流阀7、比例减压阀13发出信号，实时调整推进系统的速度和压力，以满足不同地质环境下推进系统的施工需要。

当盾构机处于管片拼装模式时，推进液压缸需要分批缩回，此时三位四通电磁换向阀9电磁铁c得电，主油路压力油经三位四通电磁换向阀9的P2进入，B2口流出至第一液压缸16和第二液压缸23的有杆腔及推进系统其他组液压缸的控制阀QT2。此时第二两位三通电磁换向阀12电磁铁e得电，主油路压力油经第二两位三通电磁换向阀12的P3口进入，A3口流出至液控单向阀17控制口A12。第一液压缸16和第二液压缸23无杆腔的液压油经液控单向阀17的B7口进入，A7口流出至插装阀20的B6口及梭阀19的A9口。若第三两位三通电磁换向阀21电磁铁得电，插装阀20的控制口X经第二两位三通电磁换向阀12与油箱26连通，阀芯开启，第一液压缸16和第二液压缸23无杆腔液压油经插装阀20、第三单向阀24流回油箱。此时第一液压缸16和第二液压缸23回退；若第三两位三通电磁换向阀21电磁铁失电，插装阀20的控制口X经第三两位三通电磁换向阀21、梭阀19、液控单向阀17与第一液压缸16和第二液压缸23无杆腔连通，无杆腔液压油将流至插装阀芯顶部，由于阀芯上下存在面积差，阀芯处于关闭状态，此时第一液压缸16和第二液压缸23不动作，从而使三位四通电磁换向阀9的B2口流出的压力油流到推进系统其他组液压缸中，实现了推进液压缸的分组回退控制，满足了管片拼装工况下的需要，同时，还可通过调节变频器1的工作频率，实现液压缸的回缩速度的快慢。

当盾构机停止掘进时，为了保持开挖面的稳定，要求推进系统能够保压。此时，三位四通电磁换向阀9电磁铁失电，工作在中位，两位两通电磁换向阀6电磁铁a得电，工作在右位，主油路压力油经两位两通电磁换向阀6的供油口P流进、T口流出回到油箱，使系统卸荷。同时调整变频器1的频率，使变频电机2的转速恰好满足定量泵3最低转速要求，减少定量泵3的输出流量，避免不必要的能量浪费。第二两位三通电磁换向阀12电磁铁e失电，使液控单向阀17控制口A12与油箱26连通，保证液控单向阀17反向可靠截止，在第二单向阀22和液控单向阀17的共同作用下，第一液压缸16和第二液压缸23无杆腔实现可靠保压。同时，推进系统其他组液压缸的无杆腔也实现可靠保压。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其特征在于：包括控制器（5）、变频器（1）、变频电机（2）、定量泵（3）、油箱（26）、第一单向阀（4）、三位四通电磁换向阀（9）、第二两位三通电磁换向阀（12）、比例减压阀（13）、第三单向阀（24）、插装阀（20）、第三两位三通电磁换向阀（21）、梭阀（19）、液控单向阀（17）、第二单向阀（22）、第一液压缸（16）、第二液压缸（23）、压力传感器（15）和安装在第二液压缸（23）内的内置式位移传感器（14）；

所述变频器（1）连接变频电机（2），变频电机（2）经联轴器与定量泵（3）刚性联接，定量泵（3）的吸油口与油箱（26）连通，定量泵（3）的供油口A与第一单向阀（4）的进油口A1连通；第一单向阀（4）的出油口B1分别与三位四通电磁换向阀（9）的进油口P2和第二两位三通电磁换向阀（12）的进油口P3相连；第二两位三通电磁换向阀（12）的回油口T3、三位四通电磁换向阀（9）的回油口T2均与油箱（26）连通；三位四通电磁换向阀（9）的工作油口A2分别与比例减压阀（13）的进油口P7、第三单向阀（24）的出油口B10相连；三位四通电磁换向阀（9）的工作油口B2分别与第一液压缸（16）和第二液压缸（23）的有杆腔以及推进系统其他组液压缸的控制阀QT2相连；

所述第二两位三通电磁换向阀（12）的工作油口A3与液控单向阀（17）的控制口A12相连；第三两位三通电磁换向阀（21）的回油口T5、比例减压阀（13）的泄油口T8、液控单向阀（17）的泄油口T10均与油箱（26）连通；比例减压阀（13）的工作油口A11、第三单向阀（24）的进油口A10均与插装阀（20）的工作油口A6和梭阀（19）的进油口B9相连；比例减压阀（13）的工作油口A11也与推进系统其他组液压缸的控制阀QT3相连；

所述第三两位三通电磁换向阀（21）的工作油口A5与插装阀（20）的控制口X相连；插装阀（20）的工作油口B6与液控单向阀（17）的进油口A7、梭阀（19）的进油口A9相连；梭阀（19）的出油口C1与第三两位三通电磁换向阀（21）的进油口P5相连；第二单向阀（22）的出油口B8、液控单向阀（17）的出油口B7、压力传感器（15）均与第一液压缸（16）和第二液压缸（23）的无杆腔相连；

所述压力传感器（15）、内置式位移传感器（14）均与控制器（5）的输入端相连；控制器（5）的输出端分别与变频器（1）、比例减压阀（13）的控制端相连，

该液压系统还包括定差减压阀（10）和第一两位三通电磁换向阀（11）；所述定差减压阀（10）的进油口P8与三位四通电磁换向阀（9）的工作油口A2相连，定差减压阀（10）的出油口P9与第一两位三通电磁换向阀（11）的进油口P4相连，定差减压阀（10）的泄油口与油箱（26）相连；第一两位三通电磁换向阀（11）的工作油口A4与第二单向阀（22）的进油口A8相连，第一两位三通电磁换向阀（11）的回油口T4与油箱（26）相连；第一两位三通电磁换向阀（11）的工作油口A4还与推进系统其他组液压缸的控制阀QT1相连，

该液压系统还包括球阀（25），所述球阀（25）的进油口P11与三位四通电磁换向阀（9）的工作油口A2相连，球阀（25）的回油口T9与插装阀（20）的工作油口A6和梭阀（19）的进油口B9相连。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其特征在于：该液压系统还包括两位两通电磁换向阀（6），所述两位两通电磁换向阀（6）的进油口P与第一单向阀（4）的出油口B1相连；两位两通电磁换向阀（6）的回油口T与油箱（26）连通。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其特征在于：该液压系统还包括比例溢流阀（7），所述比例溢流阀（7）的进油口P1与第一单向阀（4）的出油口B1相连，比例溢流阀（7）的回油口T1与油箱（26）连通，比例溢流阀（7）的控制端与控制器（5）的输出端相连。

4.根据权利要求3所述的盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其特征在于：该液压系统还包括安全阀（18），所述安全阀（18）的进油口P6与第一液压缸（16）和第二液压缸（23）的无杆腔相连，安全阀（18）的回油口T6与油箱（26）相连。

5.根据权利要求4所述的盾构隧道掘进机节能液压推进系统，其特征在于：该液压系统还包括调速阀（8），所述调速阀（8）的进油口P10与第一单向阀（4）的出油口B1相连，调速阀（8）的回油口T7与油箱（26）相连。

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