CN105545882B - 一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统。普通电机连接双向比例变量泵，补油单向阀组、闭式回路安全阀组、冲洗阀的两端油口、换向阀、大通径开关阀和双向比例变量马达并联后经隔离开关阀连接在双向比例变量泵的两个油口之间，补油单向阀组中两个单向阀之间的进油口分别与补油系统和补油限压阀连接，冲洗阀的中间油口经冲洗限压阀连接油箱，换向阀的中间油口分别连接蓄能器和电磁比例溢流阀，电磁比例溢流阀和补油限压阀接油箱，双向比例变量马达经传动系统分别与主变频电机、从变频电机连接。本发明实现了电机系统和液压马达系统的实时同步和均载驱动，提高了隧道掘进机的脱困能力和复杂地质的适应性，降低了装机功率，提高了能量利用率。

Description

一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统
技术领域
本发明涉及电液混合驱动系统，尤其涉及了一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统。
背景技术
隧道掘进机是一种刀盘由电机或液压马达带动旋转，在液压缸的推进作用下向岩土层顶进，依靠刀盘上的刀具切削破坏岩土层，从而使隧洞全断面一次开挖成形的大型工程机械。相较于传统的钻爆法或盖挖法，隧道掘进机施工法具有快速、优质、安全、环保等施工特点，现已广泛应用于城市地铁、水源引水、交通穿山隧道等建设领域。
刀盘系统是隧道掘进机的关键系统之一，为掘进机刀具破岩提供驱动扭矩，消耗约60％的主机功率。由于变频技术的发展，变频电机凭借其高效便捷的优点，逐步取代了液压马达，但是电机功率密度小，低频脱困驱动能力弱，在地质前勘普遍不够准确的情况下，纯电机驱动的刀盘系统在突遇软岩地质时往往引起刀盘卡死，严重影响施工进度。结合电机和液压马达的优势，研究开发掘进机刀盘电液混合驱动系统，对提高掘进机适应多种地质的能力具有重要意义。
现有掘进机刀盘电液混合驱动系统，如专利CN201210590739.3中采用粘性离合器作为柔性环节协调电机和液压马达的不同机械特性，通过调节粘性离合器变速比，实现了电机和液压马达的差速协同脱困，但关键零部件液黏调速离合器尚未实现产业化，该方案也没有解决电机和马达协调驱动的同步均载问题。目前尚无一种适用于隧道掘进机的刀盘电液混合同步均载驱动系统。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统，刀盘低载工况下通过大通径开关阀短接液压马达，仅由较少的电机驱动；需要脱困时，通过分别采集主变频电机轴的转速和扭矩，结合马达实时排量设定比例变量泵的排量和比例溢流阀的限压，实现电机马达均载驱动；当刀盘仍无法脱困时，增大比例变量马达的排量，蓄能器内储存的高压油协同比例变量泵共同为马达供油。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括普通电机、双向比例变量泵、补油单向阀组、补油限压阀、闭式回路安全阀组、冲洗阀、冲洗限压阀、补油系统和混合驱动组件；普通电机连接双向比例变量泵，由两个单向阀背向安装组成的补油单向阀组、由两个反向并联安装的溢流阀组成的闭式回路安全阀组、冲洗阀的两端油口和混合驱动组件相并联连接在双向比例变量泵的两个油口之间，补油单向阀组中两个单向阀之间的进油口分别与补油系统和补油限压阀的进口连接，补油限压阀出口接油箱，冲洗阀的中间出油口经冲洗限压阀连接油箱。
所述的混合驱动组件包括换向阀、大通径开关阀、双向比例变量马达和隔离开关阀，换向阀并联连接在双向比例变量泵的两个油口之间，大通径开关阀和双向比例变量马达并联连接后经隔离开关阀连接到双向比例变量泵的两个油口之间，换向阀的中间油口分别连接蓄能器和电磁比例溢流阀的入口，电磁比例溢流阀出口接油箱，双向比例变量马达分别与主变频电机、从变频电机连接。
所述的主变频电机的旋转轴上安装有扭矩传感器和转速传感器。
本发明还包括马达调节器、泵排量控制器、压力控制器和信号开关，转速传感器和马达调节器均经泵排量控制器连接双向比例变量泵，扭矩传感器和马达调节器均连接到压力控制器，压力控制器经信号开关连接电磁比例溢流阀。
所述的主变频电机、从变频电机和双向比例变量马达经齿轮齿圈传动系统并联。
所述的主变频电机仅有一个，从变频电机和双向比例变量马达数量根据实际需求不限于一个。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明减少了低载工况下的运行电机数量，提高了电机的负载率，从而提高电机的运行效率；刀盘脱困时，按照连通隔离开关阀，启动普通电机和比例变量泵至稳定，打开换向阀连通蓄能器和电磁比例溢流阀，关闭大通径开关阀的步骤即可快速切换到混合驱动状态。
根据主电机转速、马达排量加上泵的泄露设定比例变量泵的排量，确保了液压马达转速可以同步跟随电机系统，减少了系统溢流损失；结合主电机轴扭矩和马达排量设定比例溢流阀压力可实现电机系统和液压系统的主从均载，使得液压马达与从电机相当；蓄能器可以吸收启动冲击和泵的部分多余流量，并在负载扭矩过大时，一次性反供给排量进一步增大的变量马达，提高刀盘的最大脱困能力，同时降低液压系统装机功率，提高系统效率。
附图说明
图1是本发明的刀盘同步均载电液混合系统。
图中：普通电机1、双向比例变量泵2、补油单向阀组3、补油限压阀4、闭式回路安全阀组5、冲洗阀6、冲洗限压阀7、换向阀8、蓄能器9、电磁比例溢流阀10、大通径开关阀11、双向比例变量马达12、主变频电机13.1、从变频电机13.2、隔离开关阀14、补油系统15、齿轮齿圈传动系统16、扭矩传感器17、转速传感器18、马达调节器19、泵排量控制器20、压力控制器21、信号开关22。
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。
如图1所示，本发明包括普通电机1、双向比例变量泵2、补油单向阀组3、补油限压阀4、闭式回路安全阀组5、冲洗阀6、冲洗限压阀7、换向阀8、蓄能器9、电磁比例溢流阀10、大通径开关阀11、双向比例变量马达12、主变频电机13.1、从变频电机13.2、扭矩传感器17和转速传感器18。
普通电机1连接双向比例变量泵2，由两个单向阀背向安装组成的补油单向阀组3、由两个反向并联安装的溢流阀组成的闭式回路安全阀组5、冲洗阀6的两端油口和混合驱动组件相并联连接在双向比例变量泵2的两个油口之间，补油单向阀组3中两个单向阀之间的进油口P3分别与补油系统15和补油限压阀4的进口连接，补油限压阀4出口接油箱，冲洗阀6的出口T6连通冲洗限压阀7的入口，冲洗限压阀7出口接油箱。
混合驱动组件包括换向阀8、大通径开关阀11、双向比例变量马达12、隔离开关阀14，换向阀8并联连接在双向比例变量泵2的两个油口之间，大通径开关阀11和双向比例变量马达12并联连接后经隔离开关阀14连接到双向比例变量泵2的两个油口之间，即隔离开关阀14的一个油口B14分别连通并联连接的大通径开关阀11和双向比例变量马达12的油口A11和A12，隔离开关阀14的另一个油口A14和并联连接的连接大通径开关阀11和双向比例变量马达12的油口B11和B12各连通双向比例变量泵2的两个油口。换向阀8的中间油口分别连接蓄能器9和电磁比例溢流阀10的入口，电磁比例溢流阀10出口接油箱，双向比例变量马达12经齿轮齿圈传动系统16分别与主变频电机13.1、从变频电机13.2连接。
具体来说，其中的双向比例变量泵2的一个油口A2分别连接由两个单向阀背向安装组成的补油单向阀组3的一个进油口A3、由两个反向并联安装的溢流阀组成的闭式回路安全阀组5的一个油口A5、冲洗阀6的一个油口A6、换向阀8的一个油口A8、隔离开关阀14的一个油口A14，隔离开关阀的另一个油口B14连接双向比例变量马达12的一个油口A12和大通径开关阀11的一个油口A11。双向比例变量泵2的另一个油口B2分别连接由两个单向阀背向安装组成的补油单向阀组3的另一个进油口B3、由两个反向并联安装的溢流阀组成的闭式回路安全阀组5的另一个油口B5、冲洗阀6的另一个油口B6、换向阀8的另一个出油口B8、大通径开关阀11的另一个油口B11和双向比例变量马达12的另一个油口B12。
还包括马达调节器19、泵排量控制器20、压力控制器21和信号开关22，双向比例变量马达12连接马达调节器19，排量由马达调节器19控制排量；转速传感器18和马达调节器19均经泵排量控制器20连接双向比例变量泵2，转速传感器18和马达调节器19的输出信号传输到泵排量控制器20调节双向比例变量泵2的排量，扭矩传感器17和马达调节器19均连接到压力控制器21，压力控制器21经信号开关22连接电磁比例溢流阀10，扭矩传感器17和马达调节器19的输出信号传输到压力控制器21，压力控制器21和压力设定阈值的输出信号经信号开关22选择后传输到电磁比例溢流阀10。
主变频电机13.1仅有一个，但从变频电机13.2和双向比例变量马达12数量根据实际需求可以不止一个，多个电机或者马达形成并联连接。
本发明的工作原理如下：
如图1所示，刀盘启动前而蓄能器9未充能时，隔离开关阀14得电断开，普通电机1带动双向比例变量泵2经换向阀8对蓄能器9充能，预设的充能压力经信号开关22作用于电磁比例溢流阀10控制，变量泵2入口油液由补油系统15经补油单向阀组3提供，冲洗阀6出口压力由冲洗限压阀7控制实现油液循环，直至蓄能器9达到压力设定的预设值。
当刀盘负载较小时，仅由主变频电机13.1和从变频电机13.2在转矩主从策略下驱动刀盘，此时大通径开关阀11短接，隔离开关阀14在刀盘工作时保持失电连通，闭式系统的补油和冲洗系统正常工作，换向阀8位于中位，普通电机1不工作，双向比例变量马达12在最小排量下由齿轮齿圈传动系统16带动空转，出口油经开关阀11返回入口。混合驱动方案相对于传统纯电机方案，电机系统装机功率较小，低载工况下电机的负载率较高，电机系统的效率较高。
当刀盘需要脱困时，以双向比例变量马达A12口需要高压油为例，启动普通电机1，补油系统15低压油在补油限压阀4设定下经B3口到B2口向双向比例变量泵2补油，通过转速传感器18和马达调节器19采集主变频电机13.1实时转速和双向比例变量马达12实时排量到泵排量控制器20，同时考虑双向比例变量泵2的泄露和电磁比例溢流阀10建立稳定压力的溢流量，由泵排量控制器20设定双向比例变量泵2的排量，待双向比例变量泵2排量和转速稳定时，换向阀8上位得电，A8油口连通T8口，切断大通径开关阀11，双向比例变量泵2加载，瞬时冲击流量由蓄能器9吸收再利用，多余流量经电磁比例溢流阀10溢流建立压力，A12口压力由电磁比例溢流阀10设定低于安全阀组5的限压，其压力的控制是通过扭矩传感器17和马达调节器19采集主变频电机13.1实时转矩和双向比例变量马达12实时排量到压力控制器21，经压力控制器21计算后输入到信号开关22后选择控制电磁比例溢流阀10，此时主变频电机13.1和从变频电机13.2仍工作在在转矩主从策略下，从而使双向比例变量马达12、主变频电机13.1和从变频电机13.2的输出扭矩均载。蓄能器9吸收双向比例变量泵2的流量脉动，提高系统稳定性和系统效率。
当刀盘仍然无法脱困时，进一步增大双向比例变量马达12的排量，当马达12所需流量超过双向比例变量泵2最大可提供流量时，蓄能器9中储存的高压油液经由T8油口到A8油口提供给双向比例变量马达12，此时电磁比例溢流阀10的压力经信号开关22选择控制为恒定值，使得马达12可以输出高于主变频电机13.1的爆发扭矩，实现瞬时一次性超大扭矩脱困。
由此可见，本发明技术效果显著突出，实现了电机系统和液压马达系统的实时同步和均载驱动，能提高隧道掘进机的脱困能力和复杂地质的适应性，并降低装机功率，提高能量利用率。

Claims (5)

1.一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统，其特征在于：包括普通电机(1)、双向比例变量泵(2)、补油单向阀组(3)、补油限压阀(4)、闭式回路安全阀组(5)、冲洗阀(6)、冲洗限压阀(7)、补油系统(15)和混合驱动组件；普通电机(1)连接双向比例变量泵(2)，由两个单向阀背向安装组成的补油单向阀组(3)、由两个反向并联安装的溢流阀组成的闭式回路安全阀组(5)、冲洗阀(6)的两端油口和混合驱动组件相并联连接在双向比例变量泵(2)的两个油口之间，补油单向阀组(3)中两个单向阀之间的进油口(P3)分别与补油系统(15)和补油限压阀(4)的进口连接，补油限压阀(4)出口接油箱，冲洗阀(6)的中间出油口经冲洗限压阀(7)连接油箱；
所述的混合驱动组件包括换向阀(8)、大通径开关阀(11)、双向比例变量马达(12)和隔离开关阀(14)，换向阀(8)并联连接在双向比例变量泵(2)的两个油口之间，大通径开关阀(11)和双向比例变量马达(12)并联连接后经隔离开关阀(14)连接到双向比例变量泵(2)的两个油口之间，换向阀(8)的中间油口分别连接蓄能器(9)和电磁比例溢流阀(10)的入口，电磁比例溢流阀(10)出口接油箱，双向比例变量马达(12)分别与主变频电机(13.1)、从变频电机(13.2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统，其特征在于：所述的主变频电机(13.1)的旋转轴上安装有扭矩传感器(17)和转速传感器(18)。
3.根据权利要求2所述的一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统，其特征在于：还包括马达调节器(19)、泵排量控制器(20)、压力控制器(21)和信号开关(22)，转速传感器(18)和马达调节器(19)均经泵排量控制器(20)连接双向比例变量泵(2)，扭矩传感器(17)和马达调节器(19)均连接到压力控制器(21)，压力控制器(21)经信号开关(22)连接电磁比例溢流阀(10)。
4.根据权利要求1所述的一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统，其特征在于：所述的主变频电机(13.1)、从变频电机(13.2)和双向比例变量马达(12)经齿轮齿圈传动系统(16)并联。
5.根据权利要求1所述的一种掘进机刀盘电液混合同步均载驱动系统，其特征在于：所述的主变频电机(13.1)仅有一个，从变频电机(13.2)和双向比例变量马达(12)数量根据实际需求不限于一个。
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