CN104373398A - 推力和支撑力实时耦合调控的tbm推进支撑液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统。包括第一比例减压阀、第一三位四通换向阀、安全阀、溢流阀、推进液压缸、第一压力传感器、第二三位四通换向阀、第二比例减压阀、第三三位四通换向阀、第一液控单向阀、第一节流口、撑靴液压缸、第二压力传感器、第二节流口、第二液控单向阀、第三液控单向阀、第一背压阀、第二背压阀、第四液控单向阀、单向阀、第四三位四通换向阀。采用推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统能够适应复杂地质环境掘进工况，能依据施工环境实时调节掘进参数，适合于各种地质条件下硬岩掘进装备的推进支撑运动控制，大大提高TBM的掘进施工效率。

Description

推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统

技术领域

本发明涉及流体压力执行机构，尤其涉及一种推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统。

背景技术

硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM），是一种集掘进、出渣、初期支护、通风除尘为一体的大型隧道掘进机械。TBM掘进破岩时，由刀盘驱动系统驱动主机前部装有若干滚刀的刀盘旋转，并由TBM推进系统给刀盘提供推进力，撑靴系统支撑洞壁承受支反力，在推进系统作用下刀盘向岩层顶进，同时依靠刀盘上的盘形滚刀挤压破碎岩石，从而使隧洞全断面一次开挖成形。TBM掘进速度快、施工质量稳定、安全作业条件好，对生态环境影响小。

TBM推进支撑系统具备推进、支撑、换步、调向的功能。推进支撑换步机构是TBM连续掘进作业的关键部件，是影响整机掘进效率、掘进精度及动力特性的主要因素之一。由于围岩环境不确定性、强冲击、强振动，在任何围岩条件下产生稳定的大推力，高效的传递和精准的姿态控制成为推进系统的制约条件。面向复杂地质条件，实时调节TBM的推进支撑参数，提高TBM的掘进效率及掘进适应性成为TBM推进支撑系统的主要难题。

目前施工实践中应用最广的是单对水平浮动支撑的开敞式TBM。TBM向前掘进时，推进液压缸和撑靴液压缸的工作压力依据地质探测数据调定，而后在整个施工段以调定的推进压力向前推进，调定的支撑压力使撑靴撑紧洞壁。由于撑靴缸压力设定常值、推进系统保持接地比压恒定，TBM对围岩的扰动大、地质适应性差。在TBM支撑推进换步全过程中，若能对推力和支撑力进行实时耦合调控，TBM掘进效率以及对复杂地质环境的适应性将大大提高。

发明内容

为了克服现有的TBM施工过程中存在的效率低下、地质适应性差、围岩扰动大等问题，兼顾满足硬岩掘进施工要求，本发明提供了一种推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统，既可以实现推进压力和支撑压的实时耦合调节控制，增加系统在施工过程中对围岩条件的自适应性，又可以大大降低推力和支撑力不匹配从而引起TBM卡机刀盘受困的事故发生概率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统包括：第一比例减压阀、第一三位四通换向阀、安全阀、溢流阀、推进液压缸、第一压力传感器、第二三位四通换向阀、第二比例减压阀、第三三位四通换向阀、第一液控单向阀、第一节流口、撑靴液压缸、第二压力传感器、第二节流口、第二液控单向阀、第三液控单向阀、第一背压阀、第二背压阀、第四液控单向阀、单向阀、第四三位四通换向阀；高压小流量进油路与第一比例减压阀的进油口、第二比例减压阀的进油口相连；第一比例减压阀的出油口与第一三位四通换向阀的第一油口连通；第一三位四通换向阀的第二油口与安全阀的进油口、推进液压缸的进油口、第二三位四通换向阀的第二油口、第一压力传感器相连；推进液压缸的出油口与第一三位四通换向阀的第三油口、溢流阀的进油口、第二三位四通换向阀的第三油口相连；第二比例减压阀的出油口与第三三位四通换向阀的第一油口连通；第三三位四通换向阀的第二油口与第一液控单向阀的进油口连通；第一液控单向阀的出油口与第一节流口的进油口相连；第一节流口的出油口与撑靴液压缸的进油口、第二节流口的出油口、第二压力传感器相连；撑靴液压缸的第一出油口与第三液控单向阀的进油口、第一背压阀的进油口连通；撑靴液压缸的第二出油口与第四液控单向阀的进油口、第二背压阀的进油口连通；第三液控单向阀的出油口、第一背压阀的出油口、第二背压阀的出油口、第四液控单向阀的出油口、第二液控单向阀的控制油口与单向阀的进油口、第四三位四通换向阀的第二油口相连；单向阀的出油口与第三三位四通换向阀的第三油口、第一液控单向阀的控制油口相连；第二节流口的进油口与第二液控单向阀的出油口连通；第二液控单向阀的进油口、第三液控单向阀的控制油口、第四液控单向阀的控制油口与第四三位四通换向阀的第三油口连通；低压大流量进油路与第二三位四通换向阀的第一油口、第四三位四通换向阀的第一油口相连；安全阀的出油口、三位四通换向阀的第四油口、溢流阀的出油口、第二三位四通换向阀的第四油口、第三三位四通换向阀的第四油口、第四三位四通换向阀的第四油口与主回油路相连。其中，四个推进液压缸的进油口相互连通，四个推进液压缸的出油口相互连通。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1）推进缸和撑靴缸的工作压力在掘进过程中实时可调，依据系统参数、掘进速率、以及围岩参数，可以提高推进支撑系统对围岩的适应性，降低TBM对围岩的扰动。

2）在整个掘进施工段，TBM的推进力和支撑力的相互关系可依据围岩条件实时耦合调控。在不同的撑靴接地比压、岩体抗压强度的作用下，为TBM设计相应的智能控制器，实时控制推进缸和撑靴缸的工作压力，使TBM的推力和支撑力始终保持在最优耦合关系，TBM的掘进效率达到最大化。此外，由于TBM的推力和支撑力始终得到耦合调控，掘进机对围岩的破坏扰动在可控范围内持续变化。围岩的变形得到合理控制，TBM刀盘或盾体被卡的概率大大降低。

附图说明

附图是推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统结构示意图。

图中：1. 第一比例减压阀，2. 第一三位四通换向阀，3. 安全阀，4. 溢流阀，5. 推进液压缸，6. 第一压力传感器，7. 第二三位四通换向阀，8. 第二比例减压阀，9. 第三三位四通换向阀，10. 第一液控单向阀，11. 第一节流口，12. 撑靴液压缸，13. 第二压力传感器，14. 第二节流口，15. 第二液控单向阀，16. 第三液控单向阀，17. 第一背压阀，18. 第二背压阀，19. 第四液控单向阀，20. 第四单向阀，21. 三位四通换向阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统，其特征在于包括：第一比例减压阀1、第一三位四通换向阀2、安全阀3、溢流阀4、推进液压缸5、第一压力传感器6、第二三位四通换向阀7、第二比例减压阀8、第三三位四通换向阀9、液控单向阀10、第一节流口11、撑靴液压缸12、第二压力传感器13、第二节流口14、第二液控单向阀15、第三液控单向阀16、第一背压阀17、第二背压阀18、第四液控单向阀19、单向阀20、第四三位四通换向阀21；高压小流量进油路与第一比例减压阀1的进油口P1、第二比例减压阀8的进油口P8相连；第一比例减压阀1的出油口T1与第一三位四通换向阀2的第一油口P2连通；第一三位四通换向阀2的第二油口A2与安全阀3的进油口P3、推进液压缸5的进油口P5、第二三位四通换向阀7的第二油口A7、第一压力传感器6相连；推进液压缸5的出油口T5与第一三位四通换向阀2的第三油口B2、溢流阀4的进油口P4、第二三位四通换向阀7的第三油口B7相连；第二比例减压阀8的出油口T8与第三三位四通换向阀9的第一油口P9连通；第三三位四通换向阀9的第二油口A9与第一液控单向阀10的进油口P10连通；第一液控单向阀10的出油口T10与第一节流口11的进油口P11相连；第一节流口11的出油口T11与撑靴液压缸12的进油口P12、第二节流口14的出油口T14、第二压力传感器13相连；撑靴液压缸12的第一出油口T12.1与第三液控单向阀16的进油口P16、第一背压阀17的进油口P17连通；撑靴液压缸12的第二出油口T12.2与第四液控单向阀19的进油口P19、第二背压阀18的进油口P18连通；第三液控单向阀16的出油口T16、第一背压阀17的出油口T17、第二背压阀18的出油口T18、第四液控单向阀19的出油口T19、第二液控单向阀15的控制油口X15与单向阀20的进油口P20、第四三位四通换向阀21的第二油口A21相连；单向阀20的出油口T20与第三三位四通换向阀9的第三油口B9、第一液控单向阀10的控制油口X10相连；第二节流口14的进油口P14与第二液控单向阀15的出油口T15连通；第二液控单向阀15的进油口P15、第三液控单向阀16的控制油口X16、第四液控单向阀19的控制油口X19与第四三位四通换向阀21的第三油口B21连通；低压大流量进油路与第二三位四通换向阀7的第一油口P7、第四三位四通换向阀21的第一油口P21相连；安全阀3的出油口T3、第一三位四通换向阀2的第四油口T2、溢流阀4的出油口T4、第二三位四通换向阀7的第四油口T7、第三三位四通换向阀9的第四油口T9、第四三位四通换向阀21的第四油口T21与主回油路相连。其中，四个推进液压缸的进油口相互连通P5，四个推进液压缸的出油口相互连通T5。

本发明的工作原理如下：

TBM正常推进时，撑靴液压缸高压撑紧，推进液压缸高压推进。推进油路：高压小流量压力油经过第一比例减压阀1油口P1流进，从第一比例减压阀1油口T1流出，流入第一三位四通换向阀2的油口P2。第一三位四通换向阀2的先导阀电磁铁a2得电，阀2工作在左位，从第一三位四通换向阀2的油口A 2流出的压力油，流入安全阀3的油口P3、推进液压缸5的油口P5、第二三位四通换向阀7的油口A7，第二三位四通换向阀7处于中位油路截至状态。压力油经推进液压缸5油口P5进入推进液压缸5无杆腔，推动液压缸前进。回油从推进液压缸5油口T5流出，进入第一三位四通换向阀2的油口B2、溢流阀4的油口P4。最终回油经过第一三位四通换向阀2油口B2T2流入主回油路。支撑油路：高压小流量压力油经过第二比例减压阀8油口P8流进，从第二比例减压阀8油口T8流出，流入第三三位四通换向阀9的油口P9。第三三位四通换向阀9的先导阀电磁铁a9得电，从第三三位四通换向阀9的油口A 9流出的压力油，经过第一液控单向阀10和第一节流口11进入撑靴液压缸12。回油从撑靴液压缸12的左右油口T12.1、T12.2流出，经第一背压阀17、第二背压阀18流入单向阀20进入第三三位四通换向阀9油口B9T9流回主回油路。此时，第三液控单向阀16和第四液控单向阀19反向截止不通，推进液压缸的推进压力以及撑靴液压缸的支撑压力分别由第一比例减压阀1、第二比例减压阀8调节，正常推进时撑靴液压缸处于高压撑紧状态，撑靴顶住洞壁撑紧。

TBM推进缸缩回时，第一三位四通换向阀2的先导阀电磁铁b2得电，阀2工作在右位，高压小流量压力油由第一比例减压阀1流入，经第一三位四通换向阀2油口P2B2流入推进液压缸有杆腔。回油从推进液压缸5油口P5流出，经第一三位四通换向阀2油口A2T2流回主回油路。

在TBM支撑推进换步过程中，为了提高掘进效率，减短支撑推进换步时间。TBM的推进系统和支撑系统开启快速伸出和快速缩回回路。推进液压缸快速伸出时，第二三位四通换向阀7的先导阀电磁铁a7得电，阀7工作在左位，低压大流量压力油经第二三位四通换向阀7油口P7A7、推进液压缸5油口P5流入推进液压缸，推进液压缸快速伸出。回油经第二三位四通换向阀7油口B7T7流回主回油路。推进液压缸快速缩回时，第二三位四通换向阀7的先导阀电磁铁b7得电，阀7工作在右位，低压大流量压力油经第二三位四通换向阀7油口P7B7、推进液压缸5油口T5流入推进液压缸，推进液压缸快速缩回。回油经第二三位四通换向阀7油口A7T7流回主回油路。

撑靴液压缸快速伸出时，第四三位四通换向阀21的先导阀电磁铁b21得电，阀21工作在右位，第二液控单向阀15正向导通，第三液控单向阀16和第四液控单向阀19的控制油口通压力油反向导通，低压大流量液压油经第四三位四通换向阀21油口P21B21、第二液控单向阀15、第二节流口14进入撑靴液压缸无杆腔。回油经撑靴液压缸油口T12.1和T12.2、第三液控单向阀16和第四液控单向阀19、第四三位四通换向阀21油口A21T21，流回主回油路。撑靴液压缸快速退回时，第四三位四通换向阀21的先导阀电磁铁a21得电，阀21工作在左位，第三液控单向阀16和第四液控单向阀19正向导通，低压大流量液压油经第四三位四通换向阀21油口P21A21、第三液控单向阀16和第四液控单向阀19进入撑靴液压缸无杆腔。回油经撑靴液压缸油口P12、第二节流口14、第二液控单向阀15、第四三位四通换向阀21油口B21T21，流回主回油路。

撑靴缸欲收回时，由于高压撑紧状态撑靴液压缸系统压力很高，必须先进行泄压操作，此时第三三位四通换向阀9的先导阀电磁铁b9得电，阀9工作在右位，压力油经第二比例减压阀8、第三三位四通换向阀9油口P9B9与第一液控单向阀10的控制油口X10相通，第一液控单向阀10反向导通。撑靴液压缸无杆腔油液经推进液压缸12油口P12、第一节流口11、第一液控单向阀10、第三三位四通换向阀9油口A9T9与主回油路接通。撑靴液压缸无杆腔泄压，缸杆与撑靴一起脱离洞壁。

TBM推进系统在推进过程中因推进缸卡住或遭遇极端地质条件推进系统压力超过设定安全压力时，安全阀3开启，系统油液经过安全阀3进油口P3流进安全阀3，从安全阀3的回油口T3回油，实现保护卸荷。

Claims (1)

1.一种推力和支撑力实时耦合调控的TBM推进支撑液压系统，其特征在于包括：第一比例减压阀（1）、第一三位四通换向阀（2）、安全阀（3）、溢流阀（4）、推进液压缸（5）、第一压力传感器（6）、第二三位四通换向阀（7）、第二比例减压阀（8）、第三三位四通换向阀（9）、第一液控单向阀（10）、第一节流口（11）、撑靴液压缸（12）、第二压力传感器（13）、第二节流口（14）、第二液控单向阀（15）、第三液控单向阀（16）、第一背压阀（17）、第二背压阀（18）、第四液控单向阀（19）、单向阀（20）、第四三位四通换向阀（21）；高压小流量进油路与第一比例减压阀（1）的进油口（P1）、第二比例减压阀（8）的进油口（P8）相连；第一比例减压阀（1）的出油口（T1）与第一三位四通换向阀（2）的第一油口（P2）连通；第一三位四通换向阀（2）的第二油口（A2）与安全阀（3）的进油口（P3）、推进液压缸（5）的进油口（P5）、第二三位四通换向阀（7）的第二油口（A7）、第一压力传感器（6）相连；推进液压缸（5）的出油口（T5）与第一三位四通换向阀（2）的第三油口（B2）、溢流阀（4）的进油口（P4）、第二三位四通换向阀（7）的第三油口（B7）相连；第二比例减压阀（8）的出油口（T8）与第三三位四通换向阀（9）的第一油口（P9）连通；第三三位四通换向阀（9）的第二油口（A9）与第一液控单向阀（10）的进油口（P10）连通；第一液控单向阀（10）的出油口（T10）与第一节流口（11）的进油口（P11）相连；第一节流口（11）的出油口（T11）与撑靴液压缸（12）的进油口（P12）、第二节流口（14）的出油口（T14）、第二压力传感器（13）相连；撑靴液压缸（12）的第一出油口（T12.1）与第三液控单向阀（16）的进油口（P16）、第一背压阀（17）的进油口（P17）连通；撑靴液压缸（12）的第二出油口（T12.2）与第四液控单向阀（19）的进油口（P19）、第二背压阀（18）的进油口（P18）连通；第三液控单向阀（16）的出油口（T16）、第一背压阀（17）的出油口（T17）、第二背压阀（18）的出油口（T18）、第四液控单向阀（19）的出油口（T19）、第二液控单向阀（15）的控制油口（X15）与单向阀（20）的进油口（P20）、第四三位四通换向阀（21）的第二油口（A21）相连；单向阀（20）的出油口（T20）与第三三位四通换向阀（9）的第三油口（B9）、第一液控单向阀（10）的控制油口（X10）相连；第二节流口（14）的进油口（P14）与第二液控单向阀（15）的出油口（T15）连通；第二液控单向阀（15）的进油口（P15）、第三液控单向阀（16）的控制油口（X16）、第四液控单向阀（19）的控制油口（X19）与第四三位四通换向阀（21）的第三油口（B21）连通；低压大流量进油路与第二三位四通换向阀（7）的第一油口（P7）、第四三位四通换向阀（21）的第一油口（P21）相连；安全阀（3）的出油口（T3）、三位四通换向阀（2）的第四油口（T2）、溢流阀（4）的出油口（T4）、第二三位四通换向阀（7）的第四油口（T7）、第三三位四通换向阀（9）的第四油口（T9）、第四三位四通换向阀（21）的第四油口（T21）与主回油路相连,其中，四个推进液压缸的进油口相互连通（P5），四个推进液压缸的出油口相互连通（T5）。