CN105649639A - 一种盾构隧道掘进机混合驱动系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种盾构隧道掘进机混合驱动系统及其控制方法，属于大型工程机械控制领域，它包括辅助驱动的液压系统和多电机驱动系统；辅助驱动的液压系统和多电机驱动系统通过第一联轴器连接。本发明在盾构刀盘启动时，通过液压系统辅助驱动，降低了主驱动电机的启动功率，缩短了盾构刀盘的启动时间，改善了盾构刀盘的启动性能；在出现峰值载荷时，能够通过液压系统的辅助克服峰值载荷，降低主驱动电机的功率，防止主驱动电机因过载而损坏，缓冲峰值载荷造成的振动，延长主驱动电机寿命；在盾构刀盘制动时，能通过液压系统，辅助制动，缩短盾构刀盘制动时间，并且回收和再利用制动能量，实现节能功效。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构隧道掘进机混合驱动系统及其控制方法，具体是液压系统辅助多电机驱动盾构刀盘，实现降低主电机功率，克服峰值载荷，并且能够达到快速启停和节能的目的。
背景技术
盾构掘进机（护盾式隧道掘进机）是集机械、电器、液压、测量、控制等多学科技术于一体的、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型超大工程装备。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。
刀盘是盾构隧道掘进机的重要组成部分,是进行掘进作业的主要工作装置。虽然盾构的刀盘工作转速不高,但由于地质构造复杂、刀盘作业直径较大,要求刀盘的驱动系统需具备:大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调,在满足使用要求的前提下减小装机功率、节能降耗等工作特点。
目前盾构刀盘的驱动方式主要有液压驱动和电机驱动两大类。液压驱动起动力矩大，但是工作效率较低，发热量大，使隧道内温度较高；电机驱动，启停过程响应较慢，需要较长的时间才能完成启动和制动，并且在出现峰值载荷时，主电机功率瞬间增大，损坏主驱动电机。
发明内容
本发提供一种盾构隧道掘进机混合驱动系统及其控制方法，其目的是为了克服峰值载荷，降低主电机功率，并且缩短主电机的启停过程，降低损耗，实现节能减排。
基于上述目的，本发明所采取的措施是：一种盾构隧道掘进机混合驱动系统，其特征是包括辅助驱动的液压系统和多电机驱动系统；辅助驱动的液压系统和多电机驱动系统通过第一联轴器连接。
所述辅助驱动的液压系统包括补油泵电动机、液压泵、第一安全阀、第一电磁换向阀、第二安全阀、第二电磁换向阀、压力传感器、液压蓄能器组、四个液压回路、液压泵/马达；补油泵电动机驱动液压泵，液压泵出油口通过第一安全阀与第一电磁换向阀的进油口连通，第一电磁换向阀与液压蓄能器组的进出油口连通，液压蓄能器的出油口同时与第二电磁换向阀的进油口连通，且液压蓄能器组由压力传感器检测压力，第二电磁换向阀的出油口与液压泵的出油口连通，第二电磁换向阀通过第二安全阀分别与四个液压回路的压力油口连通，第一液压回路的两个工作油口分别与液压泵/马达的进油口、出油口连通。
所述多电机驱动系统包括主驱动电机、电流互感器、变频器、转速传感器、第二联轴器、齿轮减速装置、盾构刀盘；主驱动电机通过导线与变频器连接，电流互感器检测主驱动电机的电流变化，主驱动电机的输出轴与第二联轴器连接，转速传感器测量主驱动电机转速并由导线连接变频器，第二联轴器连接齿轮减速装置输入端，齿轮减速装置输出端与盾构刀盘连接。
所述盾构隧道掘进机混合驱动系统整体是由控制器集中控制，转速传感器的输出信号n、液力传感器的输出信号P和电流互感器的输出信号i经过导线输入到控制器，指令信号经过导线输入控制器，控制器的输出端经过导线分别与变频器、第一电磁换向阀、补油泵电动机、第二电磁换向阀和四个液压回路的控制端连接。
所述液压回路可以是开式液压回路，也可以是闭式液压回路。
一种盾构隧道掘进机混合驱动系统的控制方法：
当盾构刀盘启动前，通过控制器给出控制指令连通第一电磁换向阀，断开第二电磁换向阀并启动补油泵电动机驱动液压泵给液压蓄能器组充液，达到充液压力的预定值，此时，液压回路处于中位，进出油口同时与油箱连通。
当盾构刀盘启动时，通过控制器给出指令信号，变频器控制主驱动电机启动，第二电磁换向阀连通，通过控制液压回路使液压泵/马达处于液压马达工况，液压蓄能器组驱动液压泵/马达辅助主驱动电机启动。转速传感器检测主驱动点转速，达到预设值后，转速传感器输出信号输入控制器，控制器给出指令信号，液压回路回中位，液压泵/马达停止工作，第二电磁换向阀断开，液压蓄能器组停止工作，液压控制回路对主电动机的运行无影响，主电动机正常运行。此过程，降低了主驱动电机的启动功率，缩短启动时间。
当出现峰值载荷时，电流互感器检测主驱动电机电流升高，输出信号到控制器，控制器发出指令信号，第二电磁换向阀连通，通过控制液压回路使液压泵/马达处于液压马达工况，液压蓄能器组驱动液压泵/马达辅助主驱动电机驱动盾构刀盘。峰值载荷过后，电流互感器输出信号到控制器，控制器发出指令信号，液压回路回中位，液压泵/马达停止工作，第二电磁换向阀断开，液压蓄能器组停止工作，液压控制回路对主电动机的运行无影响，主电动机正常运行。此过程，液压辅助驱动系统辅助主驱动电机克服峰值载荷，降低主电机功率，避免因峰值载荷对主驱动电机造成损坏。
当盾构刀盘制动时，控制器发出指令信号，变频器控制主驱动电机减速，第二电磁换向阀连通，通过控制液压回路使液压泵/马达处于液压泵工况，液压蓄能器组成为主电动机负载，驱动液压泵/马达给液压蓄能器组充液。此过程，液压辅助驱动系统辅助主驱动电机制动，缩短制动时间，并且回收制动能量，达到节能效果。
当液压蓄能器组能量不足时，1、在主驱动电机启动时，压力传感器检测液压蓄能器组压力不足，输出信号给控制器，控制器发出指令，启动补油泵电动机驱动液压泵，与液压蓄能器组同时辅助主驱动电机启动，主驱动电机正常运行后，液压回路回到中位，第二电磁换向阀断开，第一电磁换向阀连通，给液压蓄能器充液达到预定值。
2、在出现峰值载荷时，压力传感器检测液压蓄能器组压力不足，输出信号给控制器，控制器发出指令，启动补油泵电动机驱动液压泵，与液压蓄能器组同时辅助主驱动电机驱动盾构刀盘，主驱动电机正常运行后，液压回路回到中位，第二电磁换向阀断开，第一电磁换向阀连通，给液压蓄能器充液达到预定值。
本发明具有如下优点：
本发明在盾构刀盘启动时，通过液压系统辅助驱动，降低了主驱动电机的启动功率，缩短了盾构刀盘的启动时间，改善了盾构刀盘的启动性能；在出现峰值载荷时，能够通过液压系统的辅助克服峰值载荷，降低主驱动电机的功率，防止主驱动电机因过载而损坏，缓冲峰值载荷造成的振动，延长主驱动电机寿命；在盾构刀盘制动时，能通过液压系统，辅助制动，缩短盾构刀盘制动时间，并且回收和再利用制动能量，实现节能功效。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1是盾构刀盘驱动系统的原理结构示意图
图中：1：补油泵电动机；2：液压泵；3：第一安全阀；4：第一电磁换向阀；5：第二安全阀；6：第二电磁换向阀；7：压力传感器；8：液压蓄能器组；9：第四液压回路；10：第三液压回路；11：第二液压回路；12：第一液压回路；13：液压泵/马达；14第一联轴器；15：主驱动电机；16：电流互感器；17：变频器；18：转速传感器；19：第二联轴器；20：齿轮减速装置；21：盾构刀盘。
A：第一工作油口；B：第二工作油口；P：压力油口；T：油箱口。
n：主驱动电机15的转速（转速传感器18的输出信号）；P：液压蓄能器组8的压力（压力传感器7的输出信号）；i：主驱动电机15的内部电流（电流互感器16的输出信号）。
具体实施方式
图1所示，一种盾构隧道掘进机混合驱动系统，其特征是包括辅助驱动的液压系统和多电机驱动系统；辅助驱动的液压系统和多电机驱动系统通过第一联轴器14连接。
所述辅助驱动的液压系统包括补油泵电动机1、液压泵2、第一安全阀3、第一电磁换向阀4、第二安全阀5、第二电磁换向阀6、压力传感器7、液压蓄能器组8、四个液压回路（第一液压回路12、第二液压回路11、第三液压回路10和第四液压回路9）、液压泵/马达13；
补油泵电动机1驱动液压泵2，液压泵出油口通过第一安全阀3与第一电磁换向阀4的进油口连通，第一电磁换向阀4与液压蓄能器组8的进出油口连通，液压蓄能器组8的出油口与第二电磁换向阀6的进油口连通，压力传感器7检测液压蓄能器组8的压力，第二电磁换向阀的出油口与液压泵的出油口连通，第二电磁换向阀通过第二安全阀分别与四个液压回路的压力油口连通，第一液压回路的两个工作油口分别与液压泵/马达的进油口、出油口连通。
所述多电机驱动系统包括主驱动电机15、电流互感器16、变频器7、转速传感器18、第二联轴器19、齿轮减速装置20、盾构刀盘21；主驱动电机15通过导线与变频器7连接，电流互感器16检测主驱动电机15的电流变化，主驱动电机15的输出轴与第二联轴器19连接，转速传感器18测量主驱动电机的转速并由导线连接变频器7，第二联轴器19连接齿轮减速装置20输入端，齿轮减速装置20输出端与盾构刀盘21连接。主驱动电机15与液压泵/马达13通过第一联轴器14连接。
当盾构刀盘启动前，通过控制器22给出控制指令连通第一电磁换向阀4，断开第二电磁换向阀6并启动补油泵电动机1驱动液压泵2给液压蓄能器组8充液，达到充液压力的预定值，此时，液压回路12处于中位，进出油口同时与油箱T连通。
当盾构刀盘启动时，通过控制器22给出指令信号，变频器17控制主驱动电机15启动，第二电磁换向阀6连通，通过控制液压回路12使液压泵/马达13处于液压马达工况，液压蓄能器组8驱动液压泵/马达13辅助主驱动电机15启动。转速传感器18检测主驱动点转速，达到预设值后，转速传感器18输出信号输入控制器22，控制器22给出指令信号，液压回路12回中位，液压泵/马达13停止工作，第二电磁换向阀6断开，液压蓄能器组8停止工作，液压回路12对主驱动电机15的运行无影响，主驱动电机15正常运行。此过程，降低了主驱动电机15的启动功率，缩短启动时间。
当出现峰值载荷时，电流互感器16检测主驱动电机15电流升高，输出信号到控制器22，控制器22发出指令信号，第二电磁换向阀6连通，通过控制液压回路12使液压泵/马达13处于液压马达工况，液压蓄能器组8驱动液压泵/马达13辅助主驱动电机15驱动盾构刀盘21。峰值载荷过后，电流互感器16输出信号到控制器22，控制器22发出指令信号，液压回路12回中位，液压泵/马达13停止工作，第二电磁换向阀6断开，液压蓄能器组8停止工作，液压回路12对主驱动电机15的运行无影响，主驱动电机15正常运行。此过程，液压系统辅助主驱动电机15克服峰值载荷，降低主电机功率，避免因峰值载荷对主驱动电机15造成损坏。
当盾构刀盘制动时，控制器22发出指令信号，变频器17控制主驱动电机15减速，第二电磁换向阀6连通，通过控制液压回路12使液压泵/马达13处于液压泵工况，液压蓄能器组8成为主驱动电机15负载，驱动液压泵/马达13给液压蓄能器组8充液。此过程，液压辅助驱动系统辅助主驱动电机15制动，缩短制动时间，并且回收制动能量，达到节能效果。
当液压蓄能器组能量不足时，1、在主驱动电机15启动时，压力传感器7检测液压蓄能器组8压力不足，输出信号给控制器22，控制器22发出指令，启动补油泵电动机1驱动液压泵2，与液压蓄能器组8同时辅助主驱动电机15启动，主驱动电机15正常运行后，液压回路12回到中位，第二电磁换向阀6断开，第一电磁换向阀4连通，给液压蓄能器组8充液达到预定值。2、在出现峰值载荷时，压力传感器7检测液压蓄能器组8压力不足，输出信号给控制器22，控制器22发出指令，启动补油泵电动机1驱动液压泵2，与液压蓄能器组8同时辅助主驱动电机15驱动盾构刀盘21，主驱动电机15正常运行后，液压回路12回到中位，第二电磁换向阀6断开，第一电磁换向阀4连通，给液压蓄能器组8充液达到预定值。
所述第一电磁换向阀、第二电磁换向阀均是二位二通电磁换向阀。
Claims (6)
1.一种盾构隧道掘进机混合驱动系统，其特征是包括辅助驱动的液压系统和多电机驱动系统；辅助驱动的液压系统和多电机驱动系统通过第一联轴器连接。
2.根据权利要求1所述一种盾构隧道掘进机混合驱动系统，其特征是所述辅助驱动的液压系统包括补油泵电动机、液压泵、第一安全阀、第一电磁换向阀、第二安全阀、第二电磁换向阀、压力传感器、液压蓄能器组、四个液压回路、液压泵/马达；补油泵电动机驱动液压泵，液压泵出油口通过第一安全阀与第一电磁换向阀的进油口连通，第一电磁换向阀与液压蓄能器组的进出油口连通，液压蓄能器的出油口同时与第二电磁换向阀的进油口连通，且液压蓄能器组由压力传感器检测压力，第二电磁换向阀的出油口与液压泵的出油口连通，
第二电磁换向阀通过第二安全阀分别与四个液压回路的压力油口连通，第一液压回路的两个工作油口分别与液压泵/马达的进油口、出油口连通。
3.根据权利要求1所述一种盾构隧道掘进机混合驱动系统，其特征是所述多电机驱动系统包括主驱动电机、电流互感器、变频器、转速传感器、第二联轴器、齿轮减速装置、盾构刀盘；主驱动电机通过导线与变频器连接，电流互感器检测主驱动电机的电流变化，主驱动电机的输出轴与第二联轴器连接，转速传感器测量主驱动电机转速并由导线连接变频器，第二联轴器连接齿轮减速装置输入端，齿轮减速装置输出端与盾构刀盘连接。
4.根据权利要求1所述一种盾构隧道掘进机混合驱动系统，其特征是它的控制方法包括下述内容：
盾构刀盘启动前，通过控制器给出控制指令连通第一电磁换向阀，断开第二电磁换向阀并启动补油泵电动机驱动液压泵给液压蓄能器组充液，达到充液压力的预定值，液压回路处于中位，进出油口同时与油箱连通；
当盾构刀盘启动时，通过控制器给出指令信号，变频器控制主驱动电机启动，第二电磁换向阀连通，通过控制液压回路使液压泵/马达处于液压马达工况，液压蓄能器组驱动液压泵/马达辅助主驱动电机启动。
5.转速传感器检测主驱动点转速，达到预设值后，转速传感器输出信号输入控制器，控制器给出指令信号，液压回路回中位，液压泵/马达停止工作，第二电磁换向阀断开，液压蓄能器组停止工作，液压控制回路对主电动机运行无影响，主电动机正常运行；
当出现峰值载荷时，电流互感器检测主驱动电机电流升高，输出信号到控制器，控制器发出指令信号，第二电磁换向阀连通，通过控制液压回路使液压泵/马达处于液压马达工况，液压蓄能器组驱动液压泵/马达辅助主驱动电机驱动盾构刀盘；
峰值载荷过后，电流互感器输出信号到控制器，控制器发出指令信号，液压回路回中位，液压泵/马达停止工作，第二电磁换向阀断开，液压蓄能器组停止工作，液压控制回路对主电动机的运行无影响，主电动机正常运行；
当盾构刀盘制动时，控制器发出指令信号，变频器控制主驱动电机减速，第二电磁换向阀连通，通过控制液压回路使液压泵/马达处于液压泵工况，液压蓄能器组成为主电动机负载，驱动液压泵/马达给液压蓄能器组充液；
根据权利要求4所述一种盾构隧道掘进机混合驱动系统，其特征是所述液压蓄能器组能量不足时，在主驱动电机启动时，压力传感器检测液压蓄能器组压力不足，输出信号给控制器，控制器发出指令，启动补油泵电动机驱动液压泵，与液压蓄能器组同时辅助主驱动电机启动，主驱动电机正常运行后，液压回路回到中位，第二电磁换向阀断开，第一电磁换向阀连通，给液压蓄能器充液达到预定值。
6.根据权利要求4所述一种盾构隧道掘进机混合驱动系统，其特征是所述液压蓄能器组能量不足时，在出现峰值载荷时，压力传感器检测液压蓄能器组压力不足，输出信号给控制器，控制器发出指令，启动补油泵电动机驱动液压泵，与液压蓄能器组同时辅助主驱动电机驱动盾构刀盘，主驱动电机正常运行后，液压回路回到中位，第二电磁换向阀断开，第一电磁换向阀连通，给液压蓄能器充液达到预定值。
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