CN105201951A - 高效高精度流量可控的tbm支撑液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效高精度流量可控的TBM支撑液压系统。包括高压分区、低压分区、三位四通电液比例换向阀、四个液控单向阀、两个安全阀、两个两位三通电磁换向阀、两个单作用支撑缸、两个位移传感器、两位两通电磁换向阀、比例溢流阀、压力传感器和控制模块；高压分区包括高压油源、两个单向阀、蓄能器、两个截止阀、安全阀、单向节流阀、三位四通电液换向阀和节流阀；低压分区包括低压油源和三位四通电磁换向阀。本发明在快速伸出过程中，通过单作用支撑缸的差动连接，加速单作用支撑缸的伸出；控制高压进油油路和泄油油路的流量，减少液压管路和液压元件的损耗；通过三位四通电液比例换向阀控制提高TBM水平姿态的调整精度和施工质量。

Description

高效高精度流量可控的TBM支撑液压系统

技术领域

本发明涉及一种TBM支撑液压系统，尤其涉及一种高效高精度流量可控的TBM支撑液压系统。

背景技术

TBM支撑液压系统是硬岩掘进设备的关键子系统之一，承担着TBM的支撑围岩的任务，它可以完成快速伸出，高压撑紧，快速退回和调姿四大功能，从而为TBM的推进工作做好准备。现有的TBM支撑液压系统的高压回路在高压进油和泄压的过程中会因为大流量波动和冲击而损坏液压管路；在低压回路中，单作用支撑缸的伸出速度不高；调姿模块中通过三位四通电磁换向阀和可调节流阀来调节单作用支撑缸的有杆腔流量的方式具有调节精度低和承受液压冲击能力弱的缺点。

发明内容

为了克服现有TBM支撑液压系统高压回路流量不可控、单作用支撑缸快速伸出速度不高和调姿精度低的不足，本发明的目的在于提供一种高效高精度流量可控的TBM支撑液压系统，该系统采用在高压进油路和泄油油路安装单向节流阀和节流阀来控制流量，采用二位三通电磁换向阀实现单作用支撑缸的差动工作方式，并采用三位四通电液比例换向阀实现高精度调姿。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括高压分区、低压分区和调姿模块；高压分区内的三位四通电液换向阀的9A出油口与第二液控单向阀的正向油口相连，装有左侧位移传感器的的左侧单作用支撑缸和装有右侧位移传感器的的右侧单作用支撑缸的无杆腔的油口同时与第二液控单向阀的反向油口相连，左侧两位三通电磁换向阀的16A油口和16B油口分别与第二液控单向阀的反向油口和左侧单作用支撑缸的有杆腔的油口相连，右侧两位三通电磁换向阀的21A油口和21B油口分别和第二液控单向阀的反向油口和右侧单作用支撑缸的有杆腔的油口相连，两位两通电磁换向阀的进油口和出油口分别连接第二液控单向阀的反向油口和比例溢流阀的进油口，比例溢流阀的出油口连接油箱，从而形成高压进油油路；左侧两位三通电磁换向阀的16P油口和右侧两位三通电磁换向阀的21P油口分别与第二安全阀和第三安全阀的进油口相连，第二安全阀和第三安全阀的出油口相连，并与高压分区中的第二单向阀的正向油口相连，从而形成高压回油油路；低压分区中的低压油源与三位四通电磁换向阀的29P油口相连，三位四通电磁换向阀的29B油口与第三液控单向阀的正向油口相连，第三液控单向阀的反向油口和第二液控单向阀反向油口连接，形成低压油路；调姿模块中的三位四通电液比例换向阀的11P油口与高压油源相连，三位四通电液比例换向阀的11A油口与左侧两位三通电磁换向阀的16P油口相连，三位四通电液比例换向阀的11B油口和右侧两位三通电磁换向阀的21P油口相连，从而通过左侧两位三通电磁换向阀的16B油口和右侧两位三通电磁换向阀的21B油口与左侧单作用支撑缸和右侧单作用支撑缸的有杆腔的油口相连，三位四通电液比例换向阀的11T油口与油箱相连；左侧位移传感器的和右侧位移传感器的的信号口分别与各自控制模块的输入口相连，控制模块的输出口与三位四通电液比例换向阀的信号输入口相连。

所述高压分区中的高压油源与第一单向阀的正向油口相连，第一单向阀的反向油口与第二截止阀的进油口相连，第二截止阀的出油口同时与连接蓄能器和第一安全阀的进油口相连，第一截止阀并联于第一安全阀的进油口和出油口，第一截止阀和第一安全阀的出油口连接油箱，单向节流阀的进油口与第一单向阀的反向油口相连，单向节流阀的出油口与三位四通电液换向阀的9P油口相连，第二单向阀的反向油口与三位四通电液换向阀的9B油口相连，三位四通电液换向阀的9T油口与节流阀的进油口相连，节流阀的出油口连接油箱。

所述控制模块的两个输入端输入的信号经过第一比较器比较后与第二比较器的一个输入端相连，第二比较器的另一个输入端与设定值模块相连,第二比较器的输出端与PID控制器的输入端相连，PID控制器的输出端是控制器模块的输出端。

左侧二位三通电磁换向阀和右侧的二位三通电磁换向阀同时动作，信号均来源于压力传感器；低压进油油路中，左侧二位三通电磁换向阀和右侧的二位三通电磁换向阀均失电，高压进油油路时，左侧二位三通电磁换向阀和右侧的二位三通电磁换向阀均得电。

本发明具有的有益效果是：

本发明的TBM支撑系统在快速伸出过程中，通过单作用支撑缸的差动连接，加速单作用支撑缸的伸出，提高工作效率；通过控制高压进油油路和泄油油路的流量，减少液压管路和液压元件的损耗；通过三位四通电液比例换向阀的高精度控制来提高TBM水平姿态的调整精度，提高TBM的施工质量。

附图说明

图1是本发明的液压系统原理图。

图中：1、高压油源，2、第一单向阀，3、油箱，4、第一截止阀，5、第二截止阀，6、第一安全阀，7、蓄能器，8、单向节流阀，9、三位四通电液换向阀，10、节流阀，11、三位四通电液比例换向阀，12、第二单向阀，13、第一液控单向阀，14、第二安全阀，15、第二液控单向阀，16、左侧二位三通电磁换向阀，17、左侧单作用支撑缸，18、左侧位移传感器，19、右侧位移传感器，20、右侧单作用支撑缸，21、右侧二位三通电磁换向阀，22、二位二通电磁换向阀，23、比例溢流阀，24、控制模块，25、压力传感器，26、第三液控单向阀，27、第四液控单向阀，28、第三安全阀，29、三位四通电磁换向阀，30、低压油源，31、设定值模块，Ⅰ、高压分区，Ⅱ、低压分区，Ⅲ、调姿模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括高压分区Ⅰ、低压分区Ⅱ和调姿模块Ⅲ；高压分区Ⅰ内的三位四通电液换向阀9的9A出油口与第二液控单向阀15的正向油口相连，装有左侧位移传感器的18的左侧单作用支撑缸17和装有右侧位移传感器的19的右侧单作用支撑缸20的无杆腔的油口同时与第二液控单向阀15的反向油口相连，左侧两位三通电磁换向阀16的16A油口和16B油口分别与第二液控单向阀15的反向油口和左侧单作用支撑缸17的有杆腔的油口相连，右侧两位三通电磁换向阀21的21A油口和21B油口分别和第二液控单向阀15的反向油口和右侧单作用支撑缸20的有杆腔的油口相连，两位两通电磁换向阀22的进油口和出油口分别连接第二液控单向阀15的反向油口和比例溢流阀23的进油口，比例溢流阀23的出油口连接油箱3，从而形成高压进油油路；左侧两位三通电磁换向阀16的16P油口和右侧两位三通电磁换向阀21的21P油口分别与第二安全阀14和第三安全阀28的进油口相连，第二安全阀14和第三安全阀28的出油口相连，并与高压分区Ⅰ中的第二单向阀12的正向油口相连，从而形成高压回油油路；低压分区Ⅱ中的低压油源30与三位四通电磁换向阀29的29P油口相连，三位四通电磁换向阀29的29B油口与第三液控单向阀26的正向油口相连，第三液控单向阀26的反向油口和第二液控单向阀15反向油口连接，形成低压油路；调姿模块Ⅲ中的三位四通电液比例换向阀11的11P油口与高压油源1相连，三位四通电液比例换向阀11的11A油口与左侧两位三通电磁换向阀16的16P油口相连，三位四通电液比例换向阀11的11B油口和右侧两位三通电磁换向阀21的21P油口相连，从而通过左侧两位三通电磁换向阀16的16B油口和右侧两位三通电磁换向阀21的21B油口与左侧单作用支撑缸17和右侧单作用支撑缸20的有杆腔的油口相连，三位四通电液比例换向阀11的11T油口与油箱3相连；左侧位移传感器的18和右侧位移传感器的19的信号口分别与各自控制模块24的输入口相连，控制模块24的输出口与三位四通电液比例换向阀11的信号输入口相连。

所述高压分区Ⅰ中的高压油源1与第一单向阀2的正向油口相连，第一单向阀2的反向油口与第二截止阀5的进油口相连，第二截止阀5的出油口同时与连接蓄能器7和第一安全阀6的进油口相连，第一截止阀4并联于第一安全阀6的进油口和出油口，第一截止阀4和第一安全阀6的出油口连接油箱3，单向节流阀8的进油口与第一单向阀2的反向油口相连，单向节流阀8的出油口与三位四通电液换向阀9的9P油口相连，第二单向阀12的反向油口与三位四通电液换向阀9的9B油口相连，三位四通电液换向阀9的9T油口与节流阀10的进油口相连，节流阀10的出油口连接油箱3。

所述控制模块24的两个输入端输入的信号经过第一比较器比较后与第二比较器的一个输入端相连，第二比较器的另一个输入端与设定值模块31相连,第二比较器的输出端与PID控制器的输入端相连，PID控制器的输出端是控制器模块24的输出端。

左侧二位三通电磁换向阀16和右侧的二位三通电磁换向阀21同时动作，信号均来源于压力传感器25；低压进油油路中，左侧二位三通电磁换向阀16和右侧的二位三通电磁换向阀21均失电，高压进油油路时，左侧二位三通电磁换向阀16和右侧的二位三通电磁换向阀21均得电。

本发明的工作原理如下：

第一，低压分区执行工作，实现左侧单作用支撑缸17和右侧单作用支撑缸20的快速伸出；第二，高压分区执行工作，实现进油路的压力流量控制；第三，调姿模块执行工作，实现左侧单作用支撑缸17和右侧单作用支撑缸20的有杆腔流量的高精度调节；第四，高压分区执行泄油工作，实现泄油路的流量控制；第五，低压分区执行工作，实现左侧单作用支撑缸17和右侧单作用支撑缸20的回退。

TBM支撑过程中，低压分区的工作原理：左侧两位三通电磁换向阀16和右侧两位三通电磁换向阀21失电，低压油源30供油，三位四通电磁换向阀29的左位得电，并通过三位四通电磁换向阀29B油口向第三液控单向阀26的正向油口供油，此时由于第三液控单向阀26的控制油路通向油箱3，所以反向截止，油液从第三液控单向阀26的反向油口分别流向左侧单作用支撑缸17的无杆腔油口和右侧单作用支撑缸20的无杆腔油口，左侧单作用支撑缸17的有杆腔中的油液和右侧单作用支撑缸20的有杆腔中的油液分别流入左侧两位三通电磁换向阀16的16B油口和右侧两位三通电磁换向阀21的21B油口，接着从左侧两位三通电磁换向阀16的16A油口和右侧两位三通电磁换向阀21的21A油口流入左侧单作用支撑缸17的有杆腔油口和右侧单作用支撑缸20的有杆腔油口，从而使左侧单作用支撑缸17和右侧单作用支撑缸20呈差动工作状态，快速伸出。

TBM支撑过程中，高压分区的进油工作原理：压力传感器25达到一定数值时，左侧两位三通电磁换向阀16和右侧两位三通电磁换向阀21得电，三位四通电液换向阀9的右位得电，高压油源1通过第一单向阀2向单向节流阀8的进油口供油，通过调节单向节流阀8的开口来控制流向三位四通电液换向阀9的9P油口的流量，从而控制高压分区进油流量的大小，油液从三位四通电液换向阀9的9A油口经过第二液控单向阀15流向左侧单作用支撑缸17的无杆腔油口和右侧单作用支撑缸20的无杆腔油口，开始高压撑紧，同时油液从左侧单作用支撑缸17的有杆腔油口和右侧单作用支撑缸20的有杆腔油口流出，经左侧两位三通电磁换向阀16的16P油口、右侧两位三通电磁换向阀21的21P油口，第二安全阀14、第三个安全阀28和第二普通单向阀12流向三位四通电磁换向阀29的29A油口，最后从三位四通电磁换向阀29的29T油口流向油箱3，同时二位二通电磁换向阀22和比例溢流阀23可自动调节油路中的最高压力。

TBM支撑过程中，调姿模块的工作原理：高压撑紧结束后，左侧两位三通电磁换向阀16和右侧两位三通电磁换向阀21仍处于得电状态，若TBM水平偏左，左侧位移传感器18和右侧位移传感器19的信号差值经过控制模块24的控制计算后输出的电压信号传输给三位四通电液比例换向阀11，使三位四通电液比例换向阀11的阀芯以高精度向左移动相应的位移量，从高压油源1流向三位四通电液比例换向阀11的11P油口的流量通过三位四通电液比例换向阀11的高精度控制后，从三位四通电液比例换向阀11的11A油口流向左侧两位三通电磁换向阀16的16P油口，接着从左侧两位三通电磁换向阀16的16B油口流入左侧单作用支撑缸17的有杆腔，同时右侧单作用支撑缸20的有杆腔中的油液流入右侧两位三通电磁换向阀21的21B油口，并从右侧两位三通电磁换向阀21的21A油口流向三位四通电液比例换向阀11的11B油口，接着油液从三位四通电液比例换向阀11的11T油口流回油箱3，完成水平向右调姿，反之，则水平向左调姿。

TBM支撑过程中，高压分区的泄油工作原理：左侧两位三通电磁换向阀16和右侧两位三通电磁换向阀21仍处于得电状态，三位四通电液换向阀9的左位得电，高压油源1经过第一单向阀2和单向节流阀8后，从三位四通电液换向阀9的9B油口流向第二单向阀12的反向油口，液流通道被截止，此时，第二液控单向阀15的控制油口连接到第二单向阀12的反向油口，第二液控单向阀15反向打开，左侧单作用支撑缸17和右侧单作用支撑缸20的无杆腔中的油液均流向第二液控单向阀15的反向油口，然后从第二液控单向阀15的正向油口流向三位四通电液换向阀9的9A油口，接着油液从三位四通电液换向阀9的9T油口流向节流阀10的进油口，经过节流阀10的节流作用流入油箱3，节流阀10使高压泄油时的流量得到控制。

TBM支撑过程中，低压分区的支撑缸回退工作原理：左侧两位三通电磁换向阀16和右侧两位三通电磁换向阀21得电，低压油源30供油，三位四通电磁换向阀29的右位得电，并通过三位四通电磁换向阀29A油口向第一液控单向阀13和第三液控单向阀27的正向油口供油，油液从第一液控单向阀13和第三液控单向阀27的反向油口分别流向左侧两位三通电磁换向阀16的16P油口和右侧两位三通电磁换向阀21的21P油口，接着从左侧两位三通电磁换向阀16的16B油口和右侧两位三通电磁换向阀21的21B油口流向左侧单作用支撑缸17和右侧单作用支撑缸20的有杆腔的油口；左侧单作用支撑缸17和右侧单作用支撑缸20的无杆腔中的油液从无杆腔的油口均流向第三液控单向阀26的反向油口，此时，第三液控单向阀26的控制油口与三位四通电磁换向阀29的29A油口相连而反向打开，油液从第三液控单向阀26的正向油口流向三位四通电磁换向阀29的29B油口，最后从三位四通电磁换向阀29的29T油口流向油箱3。

Claims (4)

1.一种高效高精度流量可控的TBM支撑液压系统，其特征在于：包括高压分区（Ⅰ）、低压分区（Ⅱ）和调姿模块（Ⅲ）；高压分区（Ⅰ）内的三位四通电液换向阀（9）的9A出油口与第二液控单向阀（15）的正向油口相连，装有左侧位移传感器的（18）的左侧单作用支撑缸（17）和装有右侧位移传感器的（19）的右侧单作用支撑缸（20）的无杆腔的油口同时与第二液控单向阀（15）的反向油口相连，左侧两位三通电磁换向阀（16）的16A油口和16B油口分别与第二液控单向阀（15）的反向油口和左侧单作用支撑缸（17）的有杆腔的油口相连，右侧两位三通电磁换向阀（21）的21A油口和21B油口分别和第二液控单向阀（15）的反向油口和右侧单作用支撑缸（20）的有杆腔的油口相连，两位两通电磁换向阀（22）的进油口和出油口分别连接第二液控单向阀（15）的反向油口和比例溢流阀（23）的进油口，比例溢流阀（23）的出油口连接油箱（3），从而形成高压进油油路；左侧两位三通电磁换向阀（16）的16P油口和右侧两位三通电磁换向阀（21）的21P油口分别与第二安全阀(14)和第三安全阀（28）的进油口相连，第二安全阀（14）和第三安全阀（28）的出油口相连，并与高压分区（Ⅰ）中的第二单向阀（12）的正向油口相连，从而形成高压回油油路；低压分区（Ⅱ）中的低压油源（30）与三位四通电磁换向阀（29）的29P油口相连，三位四通电磁换向阀（29）的29B油口与第三液控单向阀（26）的正向油口相连，第三液控单向阀（26）的反向油口和第二液控单向阀（15）反向油口连接，形成低压油路；调姿模块（Ⅲ）中的三位四通电液比例换向阀（11）的11P油口与高压油源（1）相连，三位四通电液比例换向阀（11）的11A油口与左侧两位三通电磁换向阀（16）的16P油口相连，三位四通电液比例换向阀（11）的11B油口和右侧两位三通电磁换向阀（21）的21P油口相连，从而通过左侧两位三通电磁换向阀（16）的16B油口和右侧两位三通电磁换向阀（21）的21B油口与左侧单作用支撑缸（17）和右侧单作用支撑缸（20）的有杆腔的油口相连，三位四通电液比例换向阀（11）的11T油口与油箱（3）相连；左侧位移传感器的（18）和右侧位移传感器的（19）的信号口分别与各自控制模块（24）的输入口相连，控制模块（24）的输出口与三位四通电液比例换向阀（11）的信号输入口相连。

2.根据权利要求1所述的一种高效高精度流量可控的TBM支撑液压系统，其特征在于：所述高压分区（Ⅰ）中的高压油源（1）与第一单向阀（2）的正向油口相连，第一单向阀（2）的反向油口与第二截止阀（5）的进油口相连，第二截止阀（5）的出油口同时与连接蓄能器（7）和第一安全阀（6）的进油口相连，第一截止阀（4）并联于第一安全阀（6）的进油口和出油口，第一截止阀（4）和第一安全阀（6）的出油口连接油箱（3），单向节流阀（8）的进油口与第一单向阀（2）的反向油口相连，单向节流阀（8）的出油口与三位四通电液换向阀（9）的9P油口相连，第二单向阀（12）的反向油口与三位四通电液换向阀（9）的9B油口相连，三位四通电液换向阀（9）的9T油口与节流阀（10）的进油口相连，节流阀（10）的出油口连接油箱（3）。

3.根据权利要求1所述的一种高效高精度流量可控的TBM支撑液压系统，其特征在于：所述控制模块（24）的两个输入端输入的信号经过第一比较器比较后与第二比较器的一个输入端相连，第二比较器的另一个输入端与设定值模块（31）相连,第二比较器的输出端与PID控制器的输入端相连，PID控制器的输出端是控制器模块（24）的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种高效高精度流量可控的TBM支撑液压系统，其特征在于：左侧二位三通电磁换向阀（16）和右侧的二位三通电磁换向阀（21）同时动作，信号均来源于压力传感器（25）；低压进油油路中，左侧二位三通电磁换向阀（16）和右侧的二位三通电磁换向阀（21）均失电，高压进油油路时，左侧二位三通电磁换向阀（16）和右侧的二位三通电磁换向阀（21）均得电。