CN108443242A - 搭载于隧道掘进机上的自动液压震源回路、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载于隧道掘进机上的自动液压震源回路、装置及系统，本发明利用冲击油缸可绕回转式安装柱旋转，实现冲击油缸的双自由度动作，通过液压回路的巧妙设计，能够利用高频响伺服阀较高的响应速度和控制精度结合蓄能器的补油作用和控制器的设计快速向冲击油缸无杆腔供油，加上差动回路的补油作用，实现冲击油缸的快速向前冲击；可实现自动化激震与快速击打，且打击力可调、打击强度均匀，有助于隧道掘进机施工过程中的地质超前预报。

Description

搭载于隧道掘进机上的自动液压震源回路、装置及系统

技术领域

本发明涉及隧道掘进机施工过程中的地质超前预报领域，具体涉及一种搭载于隧道掘进机上的自动液压震源回路、装置及系统。

背景技术

隧道掘进机施工在隧道建设中得到了越来越广泛地应用，但隧道掘进机对地质条件变化的适应性较差，经常遇到影响施工进程和施工安全的各种不良地质情况，如隧道掌子面前方可能出现的断层和破碎带等，极易引发隧道塌方和卡机等严重后果，轻则造成巨大经济损失，重则引起严重工期延误甚至人员伤亡。在工程应用中，最为有效的解决办法就是采用超前地质探测技术提前探明掌子面前方的地质情况，尤其是断层和破碎带等，从而预先制定合理的处理措施和应对预案。

地震波超前探测方法可在隧道施工过程中探测掌子面前方赋存的断层和破碎带等不良地质体，探测时在隧道边墙上激发地震波，地震波遇到不良地质体界面时，一部分信号反射回来被安装在边墙上的地震波检波器所接收，通过对反射信号进行处理，就可以获取隧道掌子面前方的地质情况。

目前适用于隧道施工中的地震波超前探测系统，多使用炸药、大锤或超磁致伸缩震源作为震源激发地震波信号，主要存在以下几个问题：

(1)炸药震源存在很高安全风险，操作不当极易造成人员伤亡和设备损坏，且对于炸药的储存和运输均具有很高要求；

(2)在隧道掘进机施工隧道中空间十分狭小，不便于大锤挥动，且通过人工挥动大锤敲击围岩产生的地震波强度难以保证，导致激发出的地震波质量不高，严重影响探测距离和探测效果；

(3)超磁致伸缩震源由稀土材料制作而成，满足激震强度要求的超磁致伸缩震源价格十分昂贵且极易损坏，因此在实际工程中的应用十分有限。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种搭载于隧道掘进机上的自动液压震源回路、装置及系统，本发明可实现自动化激震与快速击打，且打击力可调、打击强度均匀，有助于隧道掘进机施工过程中的地质超前预报。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激震液压控制回路，包括控制器、主油路、差动回路、溢流模块和至少一个换向模块，冲击油缸连接主油路和差动回路，所述溢流模块设置于主油路上，对主油路进行卸荷并降低溢流过程中的液压油温；

所述换向模块包括实现主油路的接通与断开的控制阀、蓄能器和压力传感器，主油路上设置有冲击向高频响伺服阀，差动回路上设置有返回向高频响伺服阀，控制器利用两个高频响伺服阀的逻辑动作控制冲击油缸动作，蓄能器对冲击油缸的补油作用向冲击油缸无杆腔供油，差动回路的补油作用实现冲击油缸的快速向前冲击，压力传感器检测冲击油缸无杆腔压力值，提供控制器的换向信号。

进一步的，当换向模块为多个时，主油路和差动回路之间并联有多个冲击油缸，且换向模块与冲击油缸一一对应，各个换向模块的油路通过三通与主油路和差动回路进行并联。

进一步的，通过调试调定冲击向高频响伺服阀和返回向高频响伺服阀的控制信号值，控制所有冲击油缸的冲击力度一致。

进一步的，所述溢流模块上设置有电磁溢流阀、压力测量单元和减压阀，压力测量单元测量主油路的油压，并与电磁溢流阀连接，电磁溢流阀与减压阀连接，以保证压力过大时情况下能够快速卸荷，并降低溢流过程中的液压油温。

一种双自由度液压快速激震装置，包括激震液压控制回路、回转式安装柱和冲击油缸，所述回转式安装柱具有回转法兰，冲击油缸通过平面法兰与回转法兰连接，所述回转法兰处设置有锁紧装置，利用回转式安装柱带动冲击油缸旋转，实现冲击油缸的双自由度激震。

进一步的，所述回转式安装柱顶部设置有回转油缸，回转油缸上设置回转法兰，回转法兰上有定位孔，回转法兰侧面安装有行程块，安装柱侧面安装有行程开关，回转法兰所在的安装柱内安装有电动螺杆式锁紧装置，保证冲击油缸被旋转至工作角度时，锁紧其方位不变。

优选的，所述冲击油缸为单出杆双作用平面法兰安装式油缸，活塞杆端部安装有球型锤头。

搭载于隧道掘进机上的自动液压震源系统，包括隧道掘进机本体，所述隧道掘进机本体上设置有若干个上述的双自由度液压快速激震装置，所述回转式安装柱根据实际激震点数量需要阵列式安装在隧道掘进机本体两侧，隧道掘进机上的液压泵站与溢流模块连接，提供动力循环。

进一步的，还包括控制台，所述控制台与各个双自由度液压快速激震装置的控制器相互通信。

基于上述隧道掘进机系统的工作方法，根据控制信号，对应双自由度液压快速激震装置控制其冲击油缸转动，使冲击油缸位于工作位置，锁紧冲击油缸，主油路压力油和蓄能器内的高压油进入冲击油缸大腔，推动油缸向前打击，压力传感器检测冲击油缸大腔油压与控制台设定的压力值作比较，控制器根据信号值，驱动两个高频响伺服阀的快速动作切换，实现冲击油缸的快速返回，完成设定压力下的一次地震波产生，重复上述动作直到完成所有测试，利用溢流模块进行卸荷，控制回转油缸转到非使用状态位置。

进一步的，非使用状态下，各冲击油缸与隧道掘进机掘进方向基本保持平行。

工作位置处，各冲击油缸与隧道掘进机掘进方向基本保持垂直。

上述的基本垂直或基本平行，指左右相差不超过15°。

进一步的，通过调整控制器设定压力值改变所产生的地震波强度。

进一步的，通过调定各个激震点激震装置的高频响伺服阀动作电压值实现所有冲击油缸的速度一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用冲击油缸可绕回转式安装柱旋转，实现冲击油缸的双自由度动作，实现冲击油缸的工作操作角度的灵活调整，实现冲击角度的灵活调节；

(2)本发明通过液压回路的巧妙设计，能够利用高频响伺服阀较高的响应速度和控制精度结合蓄能器的补油作用和控制器的设计快速向冲击油缸无杆腔供油，加上差动回路的补油作用，实现冲击油缸的快速向前冲击；

(3)本发明体积小，可充分利用隧道掘进机上的空间，可自动完成所选激震点的快速激震动作，挺高了激震效率和安全性，避免了工人的体力消耗；

(4)通过调节冲击油缸的返回压力，可以根据不同的地质情况，设定不同的返回压力值，从而可以获得不同的激震强度，提高了系统的适应性；

(3)通过调定各个液压回路的高频响伺服阀控制电压，可以保证每个激震点的激震强度一致，提高了系统的稳定性，同时进行多激震点的同时动作，提高了工作效率；

(4)由于使用液压作为动力，成本远低于超磁致伸缩震源，可在隧道掘进机上安装多组激震装置，且液压系统相对成熟，具有很高的可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的液压系统原理示意图；

图2是本发明的溢流模块结构示意图；

图3是本发明的换向模块结构示意图；

图4是本发明的激震执行器结构示意图；

图5是本发明的整个系统结构示意图；

其中：1.单向阀，2.减压阀，3.总油路开关阀，4.总油路先导阀，5.压力表，6.电磁溢流阀，7.蓄能器，8返回向高频响伺服阀，9.冲击向高频响伺服阀，10.比例伺服阀，11.回转油缸(液压马达)，12.压力传感器，13.冲击油缸，14.安装支柱，15.电机，16.螺杆，17.插销，18.回转法兰，V1.溢流阀块，V2.换向阀块，QF1.高压球阀1，DXF1.管式单向阀1，QF2.高压球阀2，DXF2.管式单向阀2，ZJ.支架。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术中所述的，为了解决目前适用于隧道施工中的地震波超前探测系统，多使用炸药、大锤或超磁致伸缩震源作为震源激发地震波信号，存在安全风险高，操作不当极易造成人员伤亡和设备损坏，激发出的地震波质量不高，严重影响探测距离和探测效果，以及设备价格昂贵容易损坏的问题。

本发明提供了一种液压回路模块组，液压回路模块组主要包括溢流模块和换向模块，溢流模块上设置有大流量电磁溢流阀和减压阀，以保证紧急情况下能够快速进行系统卸荷，并降低溢流过程中的液压油温；

换向模块由快速换向模块和辅助模块组成，快速换向模块中安装有球阀、蓄能器、高频响伺服阀、压力传感器，辅助模块包括小流量比例伺服阀；球阀实现换向模块组主油路的接通与断开，利用高频响伺服阀的逻辑动作控制冲击油缸动作，利用高频响伺服阀较高的响应速度和控制精度结合蓄能器的补油作用和控制器的设计快速向冲击油缸无杆腔供油，加上差动回路的补油作用，实现冲击油缸的快速向前冲击，压力传感器检测油缸无杆腔压力值，提供换向信号。

优选的，高频响伺服阀为插装式安装。

优选的，溢流元件为DN10板式安装电磁溢流阀。

优选的，辅助回路利用比例伺服阀控制回转油缸旋转。

优选的，快速换向回路由冲击向高频响伺服阀和返回向高频响伺服阀根据控制器调定程序逻辑动作换向，完成冲击油缸的快速换向，利用蓄能器和差动回路实现冲击油缸的快速打击。

还提供了一种双自由度液压快速激震装置，包括控制台、液压回路模块组和激震执行器，激震执行器主要包括冲击油缸和回转式安装柱，冲击油缸通过平面法兰利用螺栓组安装在回转式安装柱的回转法兰上，回转法兰处设置有回转油缸和电动螺杆式锁紧装置，回转式安装柱通过螺栓固定在隧道掘进机平台上。

高频响伺服阀，通过调试调定控制信号值，控制整个系统所有冲击油缸的冲击力度一致。

冲击油缸为单出杆中部水平法兰安装式，活塞杆端部安装有球型锤头。

回转油缸上面连接有回转法兰，回转法兰相邻侧面加工有锁紧销孔。

回转式安装柱顶部设置有斜盘式回转法兰，回转法兰上有两个定位孔，回转法兰侧面安装有行程块，安装柱侧面安装有行程开关，回转法兰所在的安装柱内安装有电动螺杆式锁紧装置，保证冲击油缸被旋转至工作状态时，锁紧其方位不变。

回转法兰安装在回转式安装柱顶部的回转油缸上，控制冲击油缸的旋转换位。

工程应用时，该装置中的换向模块和激震执行器可根据实际激震点数量需要阵列式安装在隧道掘进机台车平面两侧，隧道掘进机上的液压泵站与本发明装置的溢流模块连接，为本发明装置提供动力循环。

平时非使用状态下，冲击油缸与隧道掘进机掘进方向保持平行，根据控制台发来的控制信号，对应序号激震装置内的电动螺杆式锁紧装置首先拉出插销，溢流模块主油路先导阀得电将主油路开关阀打开，总油路与整个系统接通，换向模块上的比例伺服阀控制回转油缸带动回转法兰转动，使冲击油缸转动大致90°与隧道侧壁垂直，电动螺杆式锁紧装置再将冲击油缸锁紧。

主油路压力油和蓄能器内的高压油通过大流量高频响伺服阀进入冲击油缸大腔，推动油缸向前打击，压力传感器检测冲击油缸大腔油压与控制台设定的压力值作比较，控制器根据信号值，驱动两个高频响伺服阀的快速动作切换，最终实现冲击油缸的快速返回，完成设定压力下的一次地震波产生。

通过调整控制台程序内的设定压力值可以改变所产生的地震波强度，通过调定各个激震点的高频响伺服阀动作电压值实现所有冲击油缸的速度一致。

测试完毕后，根据控制台信号，电动螺杆式锁紧装置和回转油缸先后动作，使冲击油缸恢复到非工作状态。

最后，控制台发出卸荷停机信号，电磁溢流阀打开，迅速卸掉系统内部的压力油，等待卸荷完毕电动螺杆式锁紧装置向下运动，快速换向模块的比例伺服阀动作控制回转油缸转到非工作状态位置，电动螺杆式锁紧装置再次向上运动锁紧回转法兰，关机即可。

作为一种优选的实施方式，图1给出了本发明双自由度液压快速激震装置的液压系统原理示意图。液压泵站提供的动力油连接到高压球阀1QF1处，压力油先通过单向阀1，通过调节减压阀2可以调定系统的总压力，此时总油路先导阀4使得总油路开关阀3处于关闭总油路状态，总油路先导阀4得电后动作换向，总油路开关阀3被压力油推动换向接打开总油路，压力油一部分流向高压球阀QF2，另一部分通过电磁溢流阀6溢流到管式单向阀DXF1流回泵站油箱；经过高压球阀QF2的压力油进入阀块V2先给蓄能器7充油，当主控室的控制台发出相应的激震信号后，比例伺服阀10得电动作，液压油路驱动回转油缸(液压马达)11旋转90°后，比例伺服阀10失电复位，此时冲击向高频响伺服阀9得电迅速换向，根据控制台程序内设定的驱动电压信号，冲击向高频响伺服阀9打开一定的开口大小，一定流量和压力的油液到达冲击油缸13无杆腔，利用差动回路和蓄能器7的双重补油效果，冲击油缸13迅速向前运动，同时压力传感器12实时监测该腔压力，当无杆腔压力达到控制台设定的压力值后，冲击向高频响伺服阀9失电复位，同时在极短时间内返回向高频伺服阀8得电迅速换向，此时冲击油缸13无杆腔与回油回路连通，则冲击油缸13迅速反向，经过一定延时之后反向冲击向高频响伺服阀9返回向高频响伺服阀8同时失电，确保冲击油缸13返回到极限位置，便完成一次激震。

当系统使用完毕后，根据控制台的卸荷指令，总油路先导阀4先失电复位，总油路开关阀3被关闭，总油路被切断，同时电磁溢流阀6得电，蓄能器7和系统内的高压油迅速通过管式单向阀2DXF2和管式单向阀1DXF1卸荷至泵站油箱；电动螺杆式锁紧装置再和比例伺服阀10配合控制回转油缸11归位与锁紧，最终关闭系统总电源即可。

作为另一种实施方式，根据实际工程应用中需要的激震点数量，可以将图1中的右半部分所代表的换向模块和激震执行器部分阵列地布置在所需的地方，油路仅仅通过三通进行并联即可。这种情况下，随着距离溢流模块越远，由于系统的压力和流量损失不同点位激振器的激震效果会有一定下降，为了保证多个点位的激震强度一致便于后面的信号识别，可以通过调试调节各个激震点的高频响伺服阀的控制电压解决该问题。

图2给出了溢流模块结构示意图。包括单向阀1、减压阀2、总油路逻辑单元3、总油路先导阀4、压力表5、电磁溢流阀6、管式单向阀1DXF1和支架ZJ。这些元件被集成或连接到所设计的溢流阀块V1上，溢流阀块V1内部是根据图1中左侧的液压原理图设计加工的油路，整个溢流模块利用螺栓安装到支架ZJ上，安装使用时，仅需将支架ZJ四脚焊接至安装位即可，提高了阀块固定的效率，同时也便于阀块的拆卸。

图3给出了本发明的换向模块结构示意图。包括蓄能器7、返回向高频伺服阀8、冲击高频伺服阀9、比例伺服阀10、压力传感器12、高压球阀2QF2、管式单向阀2DXF2、支架ZJ。类似于溢流模块，这些元件也是集成或连接到换向阀块V2上面，最终通过螺栓连接到支架ZJ上，并焊接固定到安装位，需要注意的是，为了保证冲击强度，该换向模块必须紧挨着激震执行器布置。另外，为了节约空间和延长蓄能器7的使用寿命，换向部分必须保证蓄能器7垂直地面，图2仅仅为了满足视角最大化。

图4是本发明的激震执行器结构示意图。主要包括回转油缸11、冲击油缸13、安装支柱14、电机15、螺杆16、插销17、回转法兰18。平时非工作状态下，冲击油缸13处于垂直于电机15所在安装侧的状态，插销17插在冲击油缸13正下面回转法兰18的前部销孔内，当系统工作过程中，接受到控制台的相应激震点序号激震命令后，对应激震点序号的激震执行器处的电机15顺时针旋转，带动螺杆16旋转，同时插销17向下运动，回转法兰18被解锁；然后，回转油缸11带动回转法兰18和冲击油缸13旋转，旋转90°后回转油缸11停止不动，此时电机15逆时针旋转，同时带动插销17向上插入回转法兰18的侧面销孔内，完成冲击油缸13激震工作前的锁紧准备。该激震锁紧装置主要是为了避免冲击油缸13在快速激震时，因为回转法兰18的转动而出现打滑、卡死等有害事件的发生。本激振执行器部分需要安装在隧道掘进机台车的两侧边缘部位，回转法兰18与水平面呈一定夹角主要是为了保证冲击油缸13能尽可能沿着隧道径向进行激震，获得最佳激震效果，并保证激振器安全。

本发明的三大模块需要根据液压系统原理图结合现场使用情况利用管接头和橡胶管等标准件完成油路的连接。

上文中未详细说明的部件均使用成品器件。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种激震液压控制回路，其特征是：包括控制器、主油路、差动回路、溢流模块和至少一个换向模块，冲击油缸连接主油路和差动回路，所述溢流模块设置于主油路上，对主油路进行卸荷并降低溢流过程中的液压油温；

所述换向模块包括实现主油路的接通与断开的控制阀、蓄能器和压力传感器，主油路上设置有冲击向高频响伺服阀，差动回路上设置有返回向高频响伺服阀，控制器利用两个高频响伺服阀的逻辑动作控制冲击油缸动作，蓄能器对冲击油缸的补油作用向冲击油缸无杆腔供油，差动回路的补油作用实现冲击油缸的快速向前冲击，压力传感器检测冲击油缸无杆腔压力值，提供控制器的换向信号。

2.如权利要求1所述的一种激震液压控制回路，其特征是：当换向模块为多个时，主油路和差动回路之间并联有多个冲击油缸，且换向模块与冲击油缸一一对应，各个换向模块的油路通过三通与主油路和差动回路进行并联。

3.如权利要求1所述的一种激震液压控制回路，其特征是：通过调试调定冲击向高频响伺服阀和返回向高频响伺服阀的控制信号值，控制所有冲击油缸的冲击力度一致。

4.如权利要求1所述的一种激震液压控制回路，其特征是：所述溢流模块上设置有电磁溢流阀、压力测量单元和减压阀，压力测量单元测量主油路的油压，并与电磁溢流阀连接，电磁溢流阀与减压阀连接，以保证压力过大时情况下能够快速卸荷，并降低溢流过程中的液压油温。

5.一种双自由度液压快速激震装置，其特征是：包括如权利要求1-4中任一项所述的激震液压控制回路、回转式安装柱和冲击油缸，所述回转式安装柱具有回转法兰，冲击油缸通过平面法兰与回转法兰连接，所述回转法兰处设置有锁紧装置，利用回转式安装柱带动冲击油缸旋转，实现冲击油缸的双自由度激震。

6.如权利要求5所述的一种双自由度液压快速激震装置，其特征是：所述回转式安装柱顶部设置有回转油缸，回转油缸上设置回转法兰，回转法兰上有定位孔，回转法兰侧面安装有行程块，安装柱侧面安装有行程开关。

7.如权利要求5所述的一种双自由度液压快速激震装置，其特征是：回转法兰所在的安装柱内安装有电动螺杆式锁紧装置，保证冲击油缸被旋转至工作角度时，锁紧其方位不变。

8.搭载于隧道掘进机上的自动液压震源系统，包括隧道掘进机本体，其特征是：所述隧道掘进机本体上设置有若干个如权利要求5-7中任一项所述的双自由度液压快速激震装置，所述回转式安装柱根据实际激震点数量需要阵列式安装在隧道掘进机本体两侧，隧道掘进机上的液压泵站与溢流模块连接，提供动力循环。

9.如权利要求8所述的一种搭载于隧道掘进机上的自动液压震源系统，其特征是：还包括控制台，所述控制台与各个双自由度液压快速激震装置的控制器相互通信。

10.基于如权利要求8或9所述的隧道掘进机系统的工作方法，其特征是：根据控制信号，对应双自由度液压快速激震装置控制其冲击油缸转动，使冲击油缸位于工作位置，锁紧冲击油缸，主油路压力油和蓄能器内的高压油进入冲击油缸大腔，推动油缸向前打击，压力传感器检测冲击油缸大腔油压与控制台设定的压力值作比较，控制器根据信号值，驱动两个高频响伺服阀的快速动作切换，实现冲击油缸的快速返回，完成设定压力下的一次地震波产生，重复上述动作直到完成所有测试，利用溢流模块进行卸荷，控制回转油缸转到非使用状态位置；非使用状态下，各冲击油缸与隧道掘进机掘进方向基本保持平行，工作位置处，各冲击油缸与隧道掘进机掘进方向基本保持垂直；通过调整控制器设定压力值改变所产生的地震波强度；通过调定各个激震点激震装置的高频响伺服阀动作电压值实现所有冲击油缸的速度一致。