CN109083875A - 一种盾构机快速掘进油缸控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机快速掘进油缸控制系统，包括液压泵站、三位四通换向阀、油缸选择阀组、推进油缸、油箱、增速阀组和盾体，所述三位四通换向阀的第二出油口与增速阀组的进油口连接，所述增速阀组的出油口与推进油缸的有杆腔进油口连接，所述增速阀组上还设置有增速口，所述增速口与油缸选择阀组的进油口连接；所述三位四通换向阀的回油口与油箱连接；所述推进油缸分别安装在盾体的四个内壁上。本发明的油缸控制系统通过利用增速阀组将推进油缸有杆腔的液压油回流至无杆腔，大大减少了液压油的循环路径，提高了掘进效率。

Description

一种盾构机快速掘进油缸控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及隧道工程施工设备领域，具体设计一种盾构机快速掘进油缸控制系统及其控制方法。

背景技术

盾构机在隧道内的掘进动力来自于盾构机内附带的推进系统。推进系统的速度决定了盾构机的掘进速度和效率。推进油缸的伸出动作在盾构机掘进过程中和管片拼装过程中都需要，且在管片拼装的过程中，推进油缸的伸出时间基本为操作人员的等待时间，这个时间越短越好，也就是要求推进油缸的伸出速度越快越好。而推进速度的大小，一般在设计之初就已确定，其中推进油缸在设计之初会根据盾构机盾体直径、管片形状尺寸、地层深度、土压大小、推力大小等因素进行选型。在推进油缸确定了的情况下，推进速度就是由液压泵和电机的参数决定，若想增加推进速度，就是增加泵的排量和电机功率，例如推进速度增加1倍，则泵组就需要再增加一套，一般推进系统中泵和电机的成本和空间尺寸占比较大，增加难度较高。

中国专利CN201810106800.X公开了一种盾构机推进系统，其利用相邻液压缸组中相邻的一个液压缸或多个液压缸作为动态补偿液压缸，使得同组内液压缸数量可以任意改变，使得推进系统的前行轨迹的调整更灵活，但是并没有解决推进油缸伸出过程中存在大量等待时间的问题，而且推进油缸数量大大增加，相应的液压泵的数量也大大增加，提高了成本，也导致在有限空间中操作难度更大，不利于盾构机的掘进。

发明内容：

针对现有技术不足，本发明提供一种推进速度快、效率更高、更加节能的盾构机快速掘进油缸控制系统及其控制方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种盾构机快速掘进油缸控制系统，包括液压泵站、三位四通换向阀、油缸选择阀组、推进油缸、油箱、增速阀组和盾体，所述液压泵站的出油口与三位四通换向阀的进油口连接，所述三位四通换向阀的第一出油口与油缸选择阀组的进油口连接，所述油缸选择阀组的出油口与推进油缸的无杆腔进油口连接；所述三位四通换向阀的第二出油口与增速阀组的进油口连接，所述增速阀组的出油口与推进油缸的有杆腔进油口连接，所述增速阀组上还设置有增速口，所述增速口与油缸选择阀组的进油口连接；所述三位四通换向阀的回油口与油箱连接；所述推进油缸分别安装在盾体的四个内壁上。

作为本发明的一种优化，所述推进油缸的数量大于4个，所述增速阀组和油缸选择阀组的数量大于2个。

作为本发明的一种优化，所述液压泵站包括液压泵、电机和过滤器，所述液压泵的进油口与油箱连接，所述液压泵的出油口过滤器的进油口连接，所述过滤器的出油口与三位四通换向阀的进油口连接。

作为本发明的一种优化，所述液压泵的出油口还分别与压力表、安全阀进油口和加载阀进油口连接，所述安全阀出油口和加载阀出油口与油箱连接。

一种盾构机快速掘进油缸控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：液压泵站开始工作，将液压油输送到三位四通换向阀，经过三位四通换向阀第一出油口后液压油到达油缸选择阀组；

S2：根据盾构机掘进方向，控制油缸选择阀组给相应的推进油缸通油，液压油进入推进油缸的无杆腔，推进油缸有杆腔的液压油被挤出推进油缸；

S3：推进油缸有杆腔的液压油流入增速阀组，判断盾构机是否需要进行快速掘进，若不需要，则推进油缸有杆腔的液压油经增速阀组后从三位四通换向阀的回油口返回至油箱，若需要，则继续进行以下步骤；

S4：增速阀组将增速口打开，使推进油缸有杆腔的液压油流经油缸选择阀组后流入推进油缸无杆腔，实现推进油缸的快速伸出；判断盾构机是否完成掘进，若未完成掘进，则继续向推进油缸供油，若完成掘进，则进行以下步骤；

S5：三位四通换向阀切换至第二出油口，增速阀组关闭增速口，液压油经过增速阀组后进入推进油缸有杆腔，而推进油缸无杆腔内的液压油则经油缸选择阀组后从三位四通换向阀的回油口返回至油箱。

作为本发明的一种优化，所述步骤S3中，推进油缸的推进速度函数为：

V1＝Q/A (1)

V2＝Q/(A-B) (2)

其中V1代表盾构机正常掘进时推进油缸的速度，V2代表盾构机快速掘进时推进油缸的速度，Q代表液压泵站的液压油流量，A代表推进油缸无杆腔的截面积，B代表推进油缸有杆腔的截面积。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

利用增速阀组将推进油缸有杆腔的液压油输送至推进油缸的无杆腔中，液压油不需回流到油箱后再经过液压泵站作用进入推进油缸无杆腔，而是直接从推进油缸有杆腔流入推进油缸无杆腔，大大减少了循环的路径，也无需液压泵站供应动力，直接利用自身推进油缸腔内的压力，大大减少了能源的消耗；同时提高了油缸伸出速度，从而减少了操作人员的等待时间，大大提高了盾构机整体的掘进速度，并且减少了液压泵的数量，节约了成本，保证了整体空间充裕。

附图说明

图1为本发明控制系统的结构示意图；

图2为盾构机正常掘进时本发明的液压油流向图；

图3为盾构机快速掘进时本发明的液压油流向图；

图4为本发明液压泵站的结构示意图。

附图标记：1、液压泵站；2、三位四通换向阀；3、油缸选择阀组；4、推进油缸；5、盾体；6、管片；7、增速阀组；8、油箱；9、电机；10、液压泵；11、过滤器；12、压力表；13、加载阀；14、安全阀。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

参见图1～3，一种盾构机快速掘进油缸控制系统，包括液压泵站1、三位四通换向阀2、油缸选择阀组3、推进油缸4、油箱8、增速阀组7和盾体5，所述液压泵站1的出油口与三位四通换向阀2的进油口连接，所述三位四通换向阀2的第一出油口与油缸选择阀组3的进油口连接，所述油缸选择阀组3的出油口与推进油缸4的无杆腔进油口连接；所述三位四通换向阀2的第二出油口与增速阀组7的进油口连接，所述增速阀组7的出油口与推进油缸4的有杆腔进油口连接，所述增速阀组7上还设置有增速口，所述增速口与油缸选择阀组3的进油口连接；所述三位四通换向阀2的回油口与油箱8连接；所述推进油缸4分别安装在盾体5的四个内壁上；所述推进油缸4的数量至少有4个，所述增速阀组7和油缸选择阀组3的数量至少有2个。

具体的，所述盾体5四个内壁上分别设置有1个所述推进油缸4，所述推进油缸4的有杆腔端设置有管片6，所述推进油缸4处于回缩状态，所述推进油缸4的伸缩杆与所述管片6紧贴，当伸缩杆向外伸出，顶住所述管片6，由于所述管片6是固定不动的，所述盾体5可利用反作用力向前移动，实现盾构机的掘进。由于设置有所述增速阀，所述增速阀可以将所述推进油缸4的有杆腔液压油直接引流到推进油缸4无杆腔中，减少了液压油的循环路径，直接利用所述推进油缸4内腔的压力，降低能耗，提高掘进速度。

参见图4，所述液压泵站1包括液压泵10、电机9和过滤器11，所述液压泵10的进油口与油箱8连接，所述液压泵10的出油口过滤器11的进油口连接，所述过滤器11的出油口与三位四通换向阀2的进油口连接；所述液压泵10的出油口还分别与压力表12、安全阀14进油口和加载阀13进油口连接，所述安全阀14出油口和加载阀13出油口与油箱8连接。

一种盾构机快速掘进油缸控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：液压泵站1开始工作，将液压油输送到三位四通换向阀2，经过三位四通换向阀2第一出油口后液压油到达油缸选择阀组3；

S2：根据盾构机掘进方向，控制油缸选择阀组3给相应的推进油缸4通油，液压油进入推进油缸4的无杆腔，推进油缸4有杆腔的液压油被挤出推进油缸4；

S3：推进油缸4有杆腔的液压油流入增速阀组7，判断盾构机是否需要进行快速掘进，若不需要，则推进油缸4有杆腔的液压油经增速阀组7后从三位四通换向阀2的回油口返回至油箱8，若需要，则继续进行以下步骤；

S4：增速阀组7将增速口打开，使推进油缸4有杆腔的液压油流经油缸选择阀组3后流入推进油缸4无杆腔，实现推进油缸4的快速伸出；判断盾构机是否完成掘进，若未完成掘进，则继续向推进油缸4供油，若完成掘进，则进行以下步骤；

S5：三位四通换向阀2切换至第二出油口，增速阀组7关闭增速口，液压油经过增速阀组7后进入推进油缸4有杆腔，而推进油缸4无杆腔内的液压油则经油缸选择阀组3后从三位四通换向阀2的回油口返回至油箱8。

所述步骤S3中，推进油缸4的推进速度函数为：

V1＝Q/A (1)

V2＝Q/(A-B) (2)

其中V1代表盾构机正常掘进时推进油缸4的速度，V2代表盾构机快速掘进时推进油缸4的速度，Q代表液压泵站1的液压油流量，A代表推进油缸4无杆腔的截面积，B代表推进油缸4有杆腔的截面积；由上可以得出，Q流量不变的情况下A远远大于A-B，这样V2就远远大于V1，即大大提高了推进油缸4的推进速度。

值得说明的是，本发明实施例所述的推进油缸4，因为力的平衡关系，假设有杆腔压力是Pb，无杆腔的压力是Pa。当油缸无负载时两个腔的压力相等，即Pa x A＝Pb x B。因为截面积A比截面积B大，所以Pb会大于Pa。即有杆腔的压力会大于无杆腔内的压力，所以不用担心推进油缸4有杆腔内油的流不过推进油缸4无杆腔。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

利用增速阀组7将推进油缸4有杆腔的液压油输送至推进油缸4的无杆腔中，液压油不需回流到油箱8后再经过液压泵站1作用进入推进油缸4无杆腔，而是直接从推进油缸4有杆腔流入推进油缸4无杆腔，大大减少了循环的路径，也无需液压泵站1供应动力，直接利用自身推进油缸4腔内的压力，大大减少了能源的消耗；同时提高了油缸伸出速度，从而减少了操作人员的等待时间，大大提高了盾构机整体的掘进速度，并且减少了液压泵10的数量，节约了成本，保证了整体空间充裕。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种盾构机快速掘进油缸控制系统，其特征在于：包括液压泵站、三位四通换向阀、油缸选择阀组、推进油缸、油箱、增速阀组和盾体，所述液压泵站的出油口与三位四通换向阀的进油口连接，所述三位四通换向阀的第一出油口与油缸选择阀组的进油口连接，所述油缸选择阀组的出油口与推进油缸的无杆腔进油口连接；所述三位四通换向阀的第二出油口与增速阀组的进油口连接，所述增速阀组的出油口与推进油缸的有杆腔进油口连接，所述增速阀组上还设置有增速口，所述增速口与油缸选择阀组的进油口连接；所述三位四通换向阀的回油口与油箱连接；所述推进油缸分别安装在盾体的四个内壁上。

2.根据权利要求1所述的盾构机快速掘进油缸控制系统，其特征在于：所述推进油缸的数量大于4个，所述增速阀组和油缸选择阀组的数量大于2个。

3.根据权利要求1所述的盾构机快速掘进油缸控制系统，其特征在于：所述液压泵站包括液压泵、电机和过滤器，所述液压泵的进油口与油箱连接，所述液压泵的出油口过滤器的进油口连接，所述过滤器的出油口与三位四通换向阀的进油口连接。

4.根据权利要求3所述的盾构机快速掘进油缸控制系统，其特征在于：所述液压泵的出油口还分别与压力表、安全阀进油口和加载阀进油口连接，所述安全阀出油口和加载阀出油口与油箱连接。

5.一种根据权利要求1所述的盾构机快速掘进油缸控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：液压泵站开始工作，将液压油输送到三位四通换向阀，经过三位四通换向阀第一出油口后液压油到达油缸选择阀组；

S2：根据盾构机掘进方向，控制油缸选择阀组给相应的推进油缸通油，液压油进入推进油缸的无杆腔，推进油缸有杆腔的液压油被挤出推进油缸；

S3：推进油缸有杆腔的液压油流入增速阀组，判断盾构机是否需要进行快速掘进，若不需要，则推进油缸有杆腔的液压油经增速阀组后从三位四通换向阀的回油口返回至油箱，若需要，则继续进行以下步骤；

S4：增速阀组将增速口打开，使推进油缸有杆腔的液压油流经油缸选择阀组后流入推进油缸无杆腔，实现推进油缸的快速伸出；判断盾构机是否完成掘进，若未完成掘进，则继续向推进油缸供油，若完成掘进，则进行以下步骤；

S5：三位四通换向阀切换至第二出油口，增速阀组关闭增速口，液压油经过增速阀组后进入推进油缸有杆腔，而推进油缸无杆腔内的液压油则经油缸选择阀组后从三位四通换向阀的回油口返回至油箱。

6.根据权利要求5所述的一种盾构机快速掘进油缸控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，推进油缸的推进速度函数为：

V1＝Q/A (1)

V2＝Q/(A-B) (2)

其中V1代表盾构机正常掘进时推进油缸的速度，V2代表盾构机快速掘进时推进油缸的速度，Q代表液压泵站的液压油流量，A代表推进油缸无杆腔的截面积，B代表推进油缸有杆腔的截面积。