CN109519427A - 一种盾构掘进机液压推进系统 - Google Patents

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Abstract

一种盾构掘进机液压推进系统主要由若干个分区推进系统构成，各分区推进系统包括若干个结构相同的液压回路，每个液压回路由伺服电机、定量泵、液压油缸、安全阀和单向阀等组成，液压回路采用伺服电机与定量泵直接驱动推进液压油缸的容积调速系统，不仅能量损失小，节能显著，各液压回路相互独立，液压油缸既可独立控制，又能协调控制，增加了系统控制的灵活性，通过设计控制电路，易于实现液压油缸的同步推进；且可根据掘进施工过程中土质地层变化控制液压油缸工作数量，当遇到硬质岩层时，多个液压油缸同时工作，当遇到软质土层时，可减少同时工作的液压油缸数量，从而减少液压系统的能量消耗。

Description

一种盾构掘进机液压推进系统
技术领域
本发明涉及一种盾构掘进机液压推进系统，属液压传动技术领域。
背景技术
盾构掘进机是一种专用于地下隧道工程施工的集机、电、液等技术于一体，是一种典型的多系统复杂机电液集成装备，能够实现隧道开挖的机械化、自动化。盾构掘进机的液压推进系统为盾构前进提供推动力，通常由沿盾构周向分布的一定数量液压缸来完成，要求推进系统不仅能实现多缸精确同步推进，且各分组液压缸可单独控制以满足曲线掘进、纠偏和管片拼装时的单独回退等要求，同时推进系统的压力和流量必须实时连续可调，确保合理的推进力和速度，维持掘进过程土压平衡。
盾构推进是一种典型的大功率、大负载工况，推进系统的装机功率很大，能耗很高。现有推进液压系统采用阀控方式，不仅节流损失大，而且损失能量变为热能使掘进工况恶化。同时，由于盾构断面上不同位置所承受的负载不同( 特别是在纠偏和曲线掘进时)导致各液压缸必须从油源获得各自所需压力油，而油源却始终以最高压力向系统供油，使得工作压力较低的液压缸与油源之间产生了很大的能量损失，最终造成系统整体效率降低，不仅浪费了能量、影响了设备寿命，而且恶化了施工环境，带来诸多不利因素。另外，掘进施工过程中土质地层及其水土压力的复杂多变性，当遇到硬质岩层时，要求推进力大，需要多个液压缸同时工作；当遇到软质土层时，要求推进力小，可减少同时工作的液压缸数量，从而减少液压系统的能量消耗。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，实现液压推进系统的节能控制是盾构掘进中的一个关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中盾构掘进机推进过程中存在的问题兼顾满足盾构掘进机施工要求，提供一种采用采用伺服电机和定量泵驱动的直驱式容积调速的节能型盾构推进液压系统，该液压系统结构简单，便于安装，可大幅降低系统能量损失，非常适合盾构掘进机推进系统控制。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案：
一种盾构掘进机液压推进系统包括若干个分区推进系统，各分区推进系统包括若干个结构相同的液压回路，每个液压回路均为独立的液压回路，每个液压回路包括伺服电机、定量泵、第一单向阀、第二单向阀、液压油缸、安全阀、第三单向阀、第四单向阀、油箱等；伺服电机的输出轴与定量泵的输入轴刚性联接，定量泵的左端油口通过管路分别与液压油缸的无杆腔、第二单向阀的进油口及第一单向阀的出油口相连，定量泵右端油口分别与液压油缸的有杆腔、第三单向阀的进油口及第四单向阀的出油口相连；第二单向阀的出油口与安全阀的进油口相连；安全阀的出油口分别与第三单向阀的出油口、第一单向阀的进油口、第四单向阀的进油口及油箱相连；各液压回路采用伺服电机与定量泵直接驱动推进液压油缸的容积调速系统。
所述的一种盾构掘进机液压推进系统设置了四个分区。
本发明与现有技术相比，所产生的有益效果是：
推进系统各分区及各分区内部的液压回路相互独立，因此，推进系统液压油缸既可独立控制，又能协调控制，增加了系统控制的灵活性；各液压回路采用伺服电机与定量泵直接驱动推进液压油缸的容积调速系统，不仅能量损失小，节能显著，而且通过设计控制电路，易于实现液压油缸的同步推进；可根据掘进施工过程中土质地层变化控制液压油缸工作数量，当遇到硬质岩层时，多个液压油缸同时工作，当遇到软质土层时，可减少同时工作的液压油缸数量，从而减少液压系统的能量消耗。
附图说明
图1 是盾构掘进机推进系统的单区原理图。
图2 是盾构掘进机推进系统液压油缸分区示意图。
图中：1.伺服电机，2.定量泵，3.第一单向阀，4.第二单向阀，5.液压油缸，6.安全阀，7.第三单向阀，8.第四单向阀，9.油箱。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括若干个分区推进系统，各分区推进系统包括若干个结构相同的液压回路，各液压回路相互独立，每个液压回路包括伺服电机1、定量泵2、第一单向阀3、第二单向阀4、液压油缸5、安全阀6、第三单向阀7、第四单向阀8等；伺服电机1的输出轴与定量泵2的输入轴刚性联接，定量泵2的左端油口通过管路分别与液压油缸5的无杆腔、第二单向阀4的进油口及第一单向阀3的出油口相连，定量泵2的右端油口分别与液压油缸5的有杆腔、第三单向阀7的进油口及第四单向阀8的出油口相连；第二单向阀4的出油口与安全阀6的进油口相连；安全阀6的出油口分别与第三单向阀7的出油口、第一单向阀3的进油口、第四单向阀8的进油口及油箱9相连。
如图 2 所示，本实施例设置了A、B、C、D四个分区推进系统，在圆周方向共设置16个液压油缸，其中，A区3个液压油缸，B区4个液压油缸，C区5个液压油缸，D区4个液压油缸。
本发明的工作原理如下：
以A区为例说明其工作原理，其它各分区工作原理类同。
当盾构掘进机向前推进时，各分区推进系统的伺服电机1得电启动，驱动定量泵2正向转动，定量泵2通过油管从液压油缸5的有杆腔吸油，增压后，定量泵2输出的压力油通过油管进入液压油缸5的无杆腔，由于液压油缸5有杆腔液压油减少，在无杆腔高压油的作用下活塞杆向右伸出。此时，第四单向阀8开启，油箱9中的液压油经第四单向阀8流至定量泵2进行补油。第一单向阀3的进油口与油箱连接，出油口与定量泵2的左端油口输出的高压油连接，阀口不打开，无油液流过。此时，第二单向阀4开启，定量泵2左端油口输出的高压油一部分经第二单向阀4流至安全阀6的进油口。第三单向阀7的进油口与定量泵2的右端油口连接，处于低压状态，出油口与油箱连接，阀口不打开，无油液流过。正常推进情况下，盾构掘进机推进液压系统工作压力不超过安全阀6设定的压力值，安全阀6不开启；当盾构掘进机推进过程中出现异常情况导致系统压力高于安全阀6设定压力值时，安全阀6开启，定量泵2左端油口流出的油液经安全阀6流回油箱9，实现卸荷。
在盾构掘进机掘进施工过程中，当遇到硬质岩土层时，要求推进力大，可给多个或全部伺服电机同时通电，从而控制多个或全部液压缸同时工作；当遇到软质岩土层时，要求推进力小，可减少同时工作的伺服电机和液压油缸的数量，从而减少液压系统的能量消耗，实现节能降耗。
由于各分区推进系统液压回路采用伺服电机控制，通过设计控制电路，易于实现推进系统液压油缸的同步推进。
在盾构掘进机推进过程中，只需同步独立调节各分区每个液压回路伺服电机1的输入电流大小就可改变定量泵的流量，从而控制本区液压油缸的推进速度即可实现盾构掘进机转弯或姿态调整。
当推进液压油缸回退时，伺服电机1反向旋转，驱动定量泵2反向转动，定量泵2通过油管从液压油缸5无杆腔中吸油，经增压后输送至液压油缸5的有杆腔。 由于液压油缸5无杆腔液压油在减少，在有杆腔高压油的作用下活塞杆缩回。由于液压油缸5有杆腔与无杆腔工作面积大小不一致，此时第三单向阀7开启，定量泵2右端油口流出的高压油一部分至液压油缸5有杆腔，多余部分从第三单向阀7流回油箱9。此时，第二单向阀4处于吸油低压状态，阀口不打开，无油液流过。第一单向阀3进油口与油箱9连接，出油口与定量泵2左端油口连接，阀口不打开，无油液流过。第四单向阀8出油口与定量泵2右端油口输出的高压油连接，进油口与油箱连接，阀口不打开，无油液流过。
当各分区推进液压油缸需单独回退时，只需独立调节各液压回路伺服电机1输入电流的大小即可，将不回退液压油缸所对应伺服电机的输入电流设定为零即可实现。
当盾构掘进机推进系统停止工作时，将伺服电机1输入电流设置为零，定量泵2输出流量为零，液压油缸停止运动。此外，由于第一单向阀3出油口与液压油缸5无杆腔相连，进油口连接油箱9，反向截止，且第二单向阀4与安全阀6连接，安全阀6不开启，推进液压缸活塞杆不会在外负载作用下缩回。
本发明采用液压泵控制液压油缸的直驱式容积调速系统，没有节流损失，系统节能显著；各分区推进系统液压回路采用单独液压泵提供油源动力，用小排量泵替代大排量泵，系统更加节能。

Claims (1)

1.一种盾构掘进机液压推进系统，包括若干个分区推进系统，各分区推进系统包括若干个结构相同的液压回路，每个液压回路均为独立的液压回路，每个液压回路包括伺服电机（1）、定量泵（2）、第一单向阀（3）、第二单向阀（4）、液压油缸（5）、安全阀（6）、第三单向阀（7）、第四单向阀（8）、油箱（9）；其特征在于：伺服电机（1）的输出轴与定量泵（2）的输入轴刚性联接，定量泵（2）的左端油口通过管路分别与液压油缸（5）的无杆腔、第二单向阀（4）的进油口及第一单向阀（3）的出油口相连，定量泵（2）右端油口分别与液压油缸（5）的有杆腔、第三单向阀（7）的进油口及第四单向阀（8）的出油口相连；第二单向阀（4）的出油口与安全阀（6）的进油口相连；安全阀（6）的出油口分别与第三单向阀（7）的出油口、第一单向阀（3）的进油口、第四单向阀（8）的进油口及油箱（9）相连；各液压回路采用伺服电机与定量泵直接驱动推进液压油缸的容积调速系统。
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