CN108331589B - 一种盾构机推进节能控制系统 - Google Patents

Abstract

一种盾构机推进节能控制系统，推进液压泵分别与液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀连接，推进液压泵与泵头压力传感器连接；油缸缩回控制电磁阀分别与油缸伸出控制电磁阀、第二油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀连接，油缸伸出控制电磁阀分别与第一油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀、单向阀、伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀连接；第一油缸逻辑阀与分区比例减压阀连接，第二油缸接通控制电磁阀与第二油缸逻辑阀、第二油缸梭阀连接。该发明液压系统泵头采用叠加有压力调节的比例排量调节器，通过控制器选出推进油缸分区压力中的最大值，降低分区比例减压阀减压的压差，提高推进系统整体效率，应用于隧道掘进设备工程技术领域中。

Description

一种盾构机推进节能控制系统

技术领域

本发明涉及隧道掘进设备工程技术领域中的一种盾构机推进节能控制系统，主要针对盾构机推进液压系统及电气控制系统。

背景技术

目前，盾构机推进系统为盾构机前进提供推动力，是盾构机的主要工作系统之一，盾构推进是典型的大功率、大负载工况，而且在盾构机掘进循环中的使用率较高，盾构机推进系统的能耗在盾构机整体的能耗中占有较大的比重。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工作完成，并要求在任何负载情况下都能精确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。

以往的控制结构中盾构周向分布的油缸分若干分区，分区由比例减压阀控制压力，泵头由比例阀控制排量以改变流量。盾构机操作室的推进控制通常为泵头流量、分区压力的复合控制以实现盾构机姿态，推进速度的调整。在这种控制系统中，由于在某些地层下操作时，通常会出现泵头压力很高，而分区压力调节很低的情况。这样电机的能量没有全部的用于执行机构，而以溢流损失、节流损失、泄漏损失的形式损失掉，造成推进系统整体效率较低。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。因此，研制开发一种盾构机推进节能控制系统一直是急待解决的新课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构机推进节能控制系统，该发明液压系统泵头采用叠加有压力调节的比例排量调节器，通过控制器选出推进油缸分区压力中的最大值，并通过比例算法及控制电路反馈到液压泵比例压力阀，使分区油缸最大压力与泵头压力自适应，使控制系统形成闭环控制，使液压泵可以根据负载的大小准确的调节泵头最大压力，降低分区比例减压阀减压的压差，智能的调节泵头的压力可以使电机的能量尽可能多的用于执行机构，而尽可能的减少能量在比例减压阀和液压泵处以溢流损失、节流损失、泄漏损失的形式损失掉，提高推进系统整体效率。

本发明的目的是这样实现的：一种盾构机推进节能控制系统，包括推进液压泵、液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀、泵头压力传感器、油缸换向控制阀块、油缸缩回控制电磁阀、油缸伸出控制电磁阀、第一油缸换向控制逻辑阀、第二油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀、第一管路泄压阀、第二管路泄压阀、单向阀、分区油缸控制阀块、第一油缸组接通控制电磁阀、第二油缸接通控制电磁阀、分区比例减压阀、分区油缸压力传感器、第一油缸逻辑阀、第一油缸梭阀、第二油缸逻辑阀、第二油缸梭阀、第一推进油缸、第二推进油缸、伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀，推进液压泵分别与液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀连接，推进液压泵与泵头压力传感器连接；在油缸换向控制阀块上设置油缸缩回控制电磁阀、油缸伸出控制电磁阀、第一油缸换向控制逻辑阀、第二油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀、单向阀、伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀，油缸缩回控制电磁阀分别与油缸伸出控制电磁阀、第二油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀连接，油缸伸出控制电磁阀分别与第一油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀、单向阀、伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀连接；在分区油缸控制阀块上设置第一油缸组接通控制电磁阀、第二油缸接通控制电磁阀、分区比例减压阀、分区油缸压力传感器、第一油缸逻辑阀、第一油缸梭阀、第二油缸逻辑阀、第二油缸梭阀，第一油缸组接通控制电磁阀与第一油缸逻辑阀、第一油缸梭阀连接，第一油缸逻辑阀与分区比例减压阀连接，第二油缸接通控制电磁阀与第二油缸逻辑阀、第二油缸梭阀连接，第二油缸逻辑阀与分区油缸压力传感器连接；第一油缸逻辑阀与第一推进油缸连接，第二油缸逻辑阀与第二推进油缸连接，第一管路泄压阀与伸出管路泄荷阀连接，第二管路泄压阀与缩回管路泄荷阀连接；

所述的一种盾构机推进节能控制系统的工作原理是，推进液压泵采用轴向柱塞泵，推进液压泵的泵头采用叠加有压力调节的液压泵比例流量阀，在电气控制系统中将液压泵比例压力阀与分区油缸压力传感器经过运算，实现闭环控制，使推进液压泵的输出流量、压力与执行机构第一油缸逻辑阀、第一油缸梭阀的需求相匹配以实现节能控制；液压泵比例流量阀和液压泵比例压力阀的电控比例卡模块包括液压泵比例流量阀和液压泵比例压力阀；使用电控比例卡模块与泵头压力传感器关联使液压泵比例压力阀实现闭环控制；盾构机推进节能控制系统通过油缸换向控制阀块和分区油缸控制阀块选出推进油缸分区压力信号中的最大值，并通过算法及控制电路反馈到液压泵比例压力阀，使分区油缸最大压力与泵头压力自适应，使控制系统形成闭环控制，使推进液压泵根据负载的大小准确的调节泵头最大压力，降低分区比例减压阀减压的压差；智能的调节泵头的压力使电机的能量尽可能多的用于第一推进油缸、第二推进油缸，减少能量在分区比例减压阀和推进液压泵处以溢流损失、节流损失、泄漏损失的形式损失掉，提高推进系统整体效率；一种盾构机推进节能控制系统采用模拟量输入模块信号为4-20mA，模拟量输出信号为0-10V；油缸换向控制阀块和分区油缸控制阀块采集推进油缸油压信号，信号经过标定后根据比例卡输出特性曲线，编制比例卡输出信号算法，将液压缸油压信号与液压泵比例压力阀输入信号线性相关，液压泵比例压力阀输入信号经过数模转换后使0-32000的数字信号变化变为0-10V的模拟量信号；电控比例卡模块经调试后使电控比例卡模块输入信号与推进液压泵压力变化成比例线性相关，使第一推进油缸、第二推进油缸的压力变化及时准确的反馈到推进液压泵，并成比例的控制推进液压泵最大输出压力；推进液压泵的流量控制仍然采用主控室旋钮经控制器控制泵头液压泵比例流量阀，进而控制推进速度；分区压力的变化采用主控室旋钮经油缸换向控制阀块和分区油缸控制阀块控制分区比例减压阀，控制四个分区压力变化，进而调整推力及盾构机姿态；

所述的一种盾构机推进节能控制系统的使用及控制方法是，液压泵驱动电机采用55KW,400V电机，推进液压泵采用轴向柱塞泵，泵头控制方式为叠加有压力调节的液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀；泵头P口接油缸换向控制阀块压力油口P01，阀块回油口QO4接设备回油路，泄漏油口DR接设备泄漏回路；油缸换向控制阀块工作油口PO3接分区油缸控制阀块的油口PO4，油口PO2接液压油缸有杆腔；分区油缸压力传感器接入测压电PP10，两组液压油缸有杆腔分别接分区油缸控制阀块的油口PO5和PO6；推进速度控制旋钮、分区压力控制旋钮控制线分别接入盾构机推进节能控制系统模拟量输入模块，分区比例减压阀、液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀分别接入对应电控比例卡模块，各自电控比例卡模块输入信号接入盾构机推进节能控制系统模拟量输入信号；盾构机推进启动后，推进油缸伸出控制电磁阀动作，第一油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀打开，第二油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀保持闭合，第一油缸组接通控制电磁阀、第二油缸接通控制电磁阀得电动作，并通过第一油缸梭阀、第二油缸梭阀的特性控制第一油缸逻辑阀、第二油缸逻辑阀打开；调整主控室推进速度控制旋钮以及分区压力控制旋钮，使第一推进油缸、第二推进油缸以及其他分区油缸的推力及推进速度满足操作需求；此时分区油缸压力传感器与其他分区压力传感器信号比较得出最大值，经电控系统反馈到液压泵比例压力阀，使分区油缸最大压力与泵头压力自适应，形成闭环控制；推进速度信号经电控系统控制液压泵比例流量阀，控制推进液压泵的输出流量；当回油路出现负压时，通过单向阀补油；推进结束后泄压伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀得电，将管路中的压力泄荷。

本发明的要点在于它的结构、工作原理及控制方法。

一种盾构机推进节能控制系统与现有技术相比，具有液压系统泵头采用叠加有压力调节的比例排量调节器，通过控制器选出推进油缸分区压力中的最大值，并通过比例算法及控制电路反馈到液压泵比例压力阀，使分区油缸最大压力与泵头压力自适应，使控制系统形成闭环控制，使液压泵可以根据负载的大小准确的调节泵头最大压力，降低分区比例减压阀减压的压差，智能的调节泵头的压力可以使电机的能量尽可能多的用于执行机构，而尽可能的减少能量在比例减压阀和液压泵处以溢流损失、节流损失、泄漏损失的形式损失掉，提高推进系统整体效率等优点，将广泛地应用于隧道掘进设备工程技术领域中。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明的液压原理图。

具体实施方式

参照附图，一种盾构机推进节能控制系统，包括推进液压泵1、液压泵比例流量阀2、液压泵比例压力阀3、泵头压力传感器4、油缸换向控制阀块5、油缸缩回控制电磁阀6、油缸伸出控制电磁阀7、第一油缸换向控制逻辑阀8、第二油缸换向控制逻辑阀9、第三油缸换向控制逻辑阀10、第四油缸换向控制逻辑阀11、第一管路泄压阀12、第二管路泄压阀13、单向阀14、分区油缸控制阀块15、第一油缸组接通控制电磁阀16、第二油缸接通控制电磁阀17、分区比例减压阀18、分区油缸压力传感器19、第一油缸逻辑阀20、第一油缸梭阀21、第二油缸逻辑阀22、第二油缸梭阀23、第一推进油缸24、第二推进油缸25、伸出管路泄荷阀26、缩回管路泄荷阀27，推进液压泵1分别与液压泵比例流量阀2、液压泵比例压力阀3连接，推进液压泵1与泵头压力传感器4连接；在油缸换向控制阀块5上设置油缸缩回控制电磁阀6、油缸伸出控制电磁阀7、第一油缸换向控制逻辑阀8、第二油缸换向控制逻辑阀9、第三油缸换向控制逻辑阀10、第四油缸换向控制逻辑阀11、单向阀14、伸出管路泄荷阀26、缩回管路泄荷阀27，油缸缩回控制电磁阀6分别与油缸伸出控制电磁阀7、第二油缸换向控制逻辑阀9、第四油缸换向控制逻辑阀11连接，油缸伸出控制电磁阀7分别与第一油缸换向控制逻辑阀8、第三油缸换向控制逻辑阀10、单向阀14、伸出管路泄荷阀26、缩回管路泄荷阀27连接；在分区油缸控制阀块15上设置第一油缸组接通控制电磁阀16、第二油缸接通控制电磁阀17、分区比例减压阀18、分区油缸压力传感器19、第一油缸逻辑阀20、第一油缸梭阀21、第二油缸逻辑阀22、第二油缸梭阀23，第一油缸组接通控制电磁阀16与第一油缸逻辑阀20、第一油缸梭阀21连接，第一油缸逻辑阀20与分区比例减压阀18连接，第二油缸接通控制电磁阀17与第二油缸逻辑阀22、第二油缸梭阀23连接，第二油缸逻辑阀22与分区油缸压力传感器19连接；第一油缸逻辑阀20与第一推进油缸24连接，第二油缸逻辑阀22与第二推进油缸25连接，第一管路泄压阀12与伸出管路泄荷阀26连接，第二管路泄压阀13与缩回管路泄荷阀27连接。

所述的一种盾构机推进节能控制系统的工作原理是，推进液压泵1采用轴向柱塞泵，推进液压泵1的泵头采用叠加有压力调节的液压泵比例流量阀2，在电气控制系统中将液压泵比例压力阀3与分区油缸压力传感器19经过运算，实现闭环控制，使推进液压泵1的输出流量、压力与执行机构第一油缸逻辑阀20、第一油缸梭阀21的需求相匹配以实现节能控制；液压泵比例流量阀2和液压泵比例压力阀3的电控比例卡模块包括液压泵比例流量阀2和液压泵比例压力阀3；使用电控比例卡模块与泵头压力传感器4关联使液压泵比例压力阀3实现闭环控制；盾构机推进节能控制系统通过油缸换向控制阀块5和分区油缸控制阀块15选出推进油缸分区压力信号中的最大值，并通过算法及控制电路反馈到液压泵比例压力阀3，使分区油缸最大压力与泵头压力自适应，使控制系统形成闭环控制，使推进液压泵1根据负载的大小准确的调节泵头最大压力，降低分区比例减压阀减压的压差；智能的调节泵头的压力使电机的能量尽可能多的用于第一推进油缸24、第二推进油缸25，减少能量在分区比例减压阀18和推进液压泵1处以溢流损失、节流损失、泄漏损失的形式损失掉，提高推进系统整体效率；一种盾构机推进节能控制系统采用模拟量输入模块信号为4-20mA，模拟量输出信号为0-10V；油缸换向控制阀块5和分区油缸控制阀块15采集推进油缸油压信号，信号经过标定后根据比例卡输出特性曲线，编制比例卡输出信号算法，将液压缸油压信号与液压泵比例压力阀3输入信号线性相关，液压泵比例压力阀3输入信号经过数模转换后使0-32000的数字信号变化变为0-10V的模拟量信号；电控比例卡模块经调试后使电控比例卡模块输入信号与推进液压泵1压力变化成比例线性相关，使第一推进油缸24、第二推进油缸25的压力变化及时准确的反馈到推进液压泵1，并成比例的控制推进液压泵1最大输出压力；推进液压泵1的流量控制仍然采用主控室旋钮经控制器控制泵头液压泵比例流量阀2，进而控制推进速度；分区压力的变化采用主控室旋钮经油缸换向控制阀块5和分区油缸控制阀块15控制分区比例减压阀18，控制四个分区压力变化，进而调整推力及盾构机姿态。

所述的一种盾构机推进节能控制系统的使用及控制方法是，液压泵驱动电机采用55KW,400V电机，推进液压泵1采用轴向柱塞泵，泵头控制方式为叠加有压力调节的液压泵比例流量阀2、液压泵比例压力阀3；泵头P口接油缸换向控制阀块5压力油口P01，阀块回油口QO4接设备回油路，泄漏油口DR接设备泄漏回路；油缸换向控制阀块5工作油口PO3接分区油缸控制阀块15的油口PO4，油口PO2接液压油缸有杆腔；分区油缸压力传感器19接入测压电PP10，两组液压油缸有杆腔分别接分区油缸控制阀块15的油口PO5和PO6；推进速度控制旋钮、分区压力控制旋钮控制线分别接入盾构机推进节能控制系统模拟量输入模块，分区比例减压阀18、液压泵比例流量阀2、液压泵比例压力阀3分别接入对应电控比例卡模块，各自电控比例卡模块输入信号接入盾构机推进节能控制系统模拟量输入信号；盾构机推进启动后，推进油缸伸出控制电磁阀7动作，第一油缸换向控制逻辑阀8、第三油缸换向控制逻辑阀10打开，第二油缸换向控制逻辑阀9、第四油缸换向控制逻辑阀11保持闭合，第一油缸组接通控制电磁阀16、第二油缸接通控制电磁阀17得电动作，并通过第一油缸梭阀21、第二油缸梭阀23的特性控制第一油缸逻辑阀20、第二油缸逻辑阀22打开；调整主控室推进速度控制旋钮以及分区压力控制旋钮，使第一推进油缸24、第二推进油缸25以及其他分区油缸的推力及推进速度满足操作需求；此时分区油缸压力传感器19与其他分区压力传感器信号比较得出最大值，经电控系统反馈到液压泵比例压力阀3，使分区油缸最大压力与泵头压力自适应，形成闭环控制；推进速度信号经电控系统控制液压泵比例流量阀2，控制推进液压泵1的输出流量；当回油路出现负压时，通过单向阀14补油；推进结束后泄压伸出管路泄荷阀26、缩回管路泄荷阀27得电，将管路中的压力泄荷。

Claims (3)

1.一种盾构机推进节能控制系统，包括推进液压泵、液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀、泵头压力传感器、油缸换向控制阀块、油缸缩回控制电磁阀、油缸伸出控制电磁阀、第一油缸换向控制逻辑阀、第二油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀、第一管路泄压阀、第二管路泄压阀、单向阀、分区油缸控制阀块、第一油缸组接通控制电磁阀、第二油缸接通控制电磁阀、分区比例减压阀、分区油缸压力传感器、第一油缸逻辑阀、第一油缸梭阀、第二油缸逻辑阀、第二油缸梭阀、第一推进油缸、第二推进油缸、伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀，其特征在于：推进液压泵分别与液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀连接，推进液压泵与泵头压力传感器连接；在油缸换向控制阀块上设置油缸缩回控制电磁阀、油缸伸出控制电磁阀、第一油缸换向控制逻辑阀、第二油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀、单向阀、伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀，油缸缩回控制电磁阀分别与油缸伸出控制电磁阀、第二油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀连接，油缸伸出控制电磁阀分别与第一油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀、单向阀、伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀连接；在分区油缸控制阀块上设置第一油缸组接通控制电磁阀、第二油缸接通控制电磁阀、分区比例减压阀、分区油缸压力传感器、第一油缸逻辑阀、第一油缸梭阀、第二油缸逻辑阀、第二油缸梭阀，第一油缸组接通控制电磁阀与第一油缸逻辑阀、第一油缸梭阀连接，第一油缸逻辑阀与分区比例减压阀连接，第二油缸接通控制电磁阀与第二油缸逻辑阀、第二油缸梭阀连接，第二油缸逻辑阀与分区油缸压力传感器连接；第一油缸逻辑阀与第一推进油缸连接，第二油缸逻辑阀与第二推进油缸连接，第一管路泄压阀与伸出管路泄荷阀连接，第二管路泄压阀与缩回管路泄荷阀连接；推进液压泵驱动电机采用55KW,400V电机，推进液压泵采用轴向柱塞泵，推进液压泵的泵头采用液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀；泵头压力油出口接油缸换向控制阀块压力油口，油缸换向控制阀块回油口接设备回油路，油缸换向控制阀块的泄漏油口接设备泄漏回路；油缸换向控制阀块工作油口接分区油缸控制阀块的油口。

2.根据权利要求1所述的一种盾构机推进节能控制系统，其特征在于：所述的一种盾构机推进节能控制系统的工作原理是，推进液压泵采用轴向柱塞泵，推进液压泵的泵头采用液压泵比例流量阀、液压泵比例压力阀液，在电气控制系统中将液压泵比例压力阀与分区油缸压力传感器实现闭环控制，使推进液压泵的输出流量、压力与执行机构第一油缸逻辑阀、第一油缸梭阀的需求相匹配以实现节能控制；电控比例卡模块包括液压泵比例流量阀和液压泵比例压力阀；使用液压泵比例流量阀和液压泵比例压力阀与泵头压力传感器关联实现闭环控制；盾构机推进节能控制系统通过油缸换向控制阀块和分区油缸控制阀块选出推进油缸分区压力信号中的最大值，并通过算法及控制电路反馈到液压泵比例压力阀，使分区油缸最大压力与泵头压力自适应，使控制系统形成闭环控制，使推进液压泵根据负载的大小准确的调节泵头最大压力，降低分区比例减压阀减压的压差；智能的调节泵头的压力使电机的能量尽可能多的用于第一推进油缸、第二推进油缸，减少能量在分区比例减压阀和推进液压泵处以溢流损失、节流损失、泄漏损失的形式损失掉，提高推进系统整体效率；一种盾构机推进节能控制系统采用模拟量输入模块信号为4-20mA，模拟量输出信号为0-10V；油缸换向控制阀块和分区油缸控制阀块采集推进油缸油压信号，信号经过标定后根据比例卡输出特性曲线，编制比例卡输出信号算法，将液压缸油压信号与液压泵比例压力阀输入信号线性相关，液压泵比例压力阀输入信号经过数模转换后使0-32000的数字信号变化变为0-10V的模拟量信号；电控比例卡模块经调试后使电控比例卡模块输入信号与推进液压泵压力变化成比例线性相关，使第一推进油缸、第二推进油缸的压力变化及时准确的反馈到推进液压泵，并成比例的控制推进液压泵最大输出压力；推进液压泵的流量控制仍然采用主控室旋钮经控制器控制泵头液压泵比例流量阀，进而控制推进速度；分区压力的变化采用主控室旋钮经油缸换向控制阀块和分区油缸控制阀块控制分区比例减压阀，控制四个分区压力变化，进而调整推力及盾构机姿态。

3.根据权利要求1所述的一种盾构机推进节能控制系统，其特征在于：所述的一种盾构机推进节能控制系统的使用及控制方法是，油缸换向控制阀块的油口接第一推进油缸和第二推进油缸有杆腔；分区油缸压力传感器接入分区油缸控制阀块的测压点，第一推进油缸和第二推进油缸有杆腔分别接分区油缸控制阀块的油口；推进速度控制旋钮、分区压力控制旋钮控制线分别接入盾构机推进节能控制系统模拟量输入模块，电控比例卡模块输入信号接入盾构机推进节能控制系统模拟量输入信号；盾构机推进启动后，推进油缸伸出控制电磁阀动作，第一油缸换向控制逻辑阀、第三油缸换向控制逻辑阀打开，第二油缸换向控制逻辑阀、第四油缸换向控制逻辑阀保持闭合，第一油缸组接通控制电磁阀、第二油缸接通控制电磁阀得电动作，并通过第一油缸梭阀、第二油缸梭阀控制第一油缸逻辑阀、第二油缸逻辑阀打开；调整主控室推进速度控制旋钮以及分区压力控制旋钮，使第一推进油缸、第二推进油缸以及其他分区油缸的推力及推进速度满足操作需求；此时分区油缸压力传感器与其他分区压力传感器信号比较得出最大值，电控比例卡模块反馈到液压泵比例压力阀，使分区油缸最大压力与泵头压力自适应，形成闭环控制；推进速度信号经电控系统控制液压泵比例流量阀，控制推进液压泵的输出流量；当回油路出现负压时，通过单向阀补油；推进结束后泄压伸出管路泄荷阀、缩回管路泄荷阀得电，将管路中的压力泄荷。