CN110284891B - 一种主动式盾构机伸缩摆动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动式盾构机伸缩摆动系统，包括刀盘、刀盘驱动模块、球轴承、反扭子系统、伸缩摆动子系统、铰盘。刀盘尾部连接在刀盘驱动模块内；刀盘驱动模块为活动结构；球轴承内圈固定在刀盘驱动模块，外圈与盾构体固定连接；反扭子系统内四支扭矩油缸一端固定在刀盘驱动模块一角，另一端固定在盾构体，内部液压控制部件置于盾构体后部，通过液压管路与扭矩油缸连接；伸缩摆动子系统包括六支伸缩摆动油缸，固定在刀盘驱动模块和铰盘之间，内部液压控制部件置于盾构体后部，通过液压管路与伸缩摆动油缸连接；铰盘与盾构体固定连接。该主动式盾构机伸缩摆动系统用于刀盘换刀和盾构体脱困，可有效提高盾构施工效率与安全性。

Description

一种主动式盾构机伸缩摆动系统

技术领域

本发明涉及一种流体压力执行系统，具体地是涉及一种主动式盾构机伸缩摆动系统。

背景技术

21世纪以来我国城市轨道交通建设迅猛发展，众多一、二线城市重视地铁隧道建设，其中盾构扮演着重要的角色。目前，盾构正朝着全面机械化、自动化、智能化方向发展，并应用于大深度、长距离、特殊断面、特殊形态的苛刻工况。严峻的使用工况对盾构的设计与制造提出了更严苛的要求。在长距离掘进过程中，盾构刀具随着挖掘距离的增加而不断磨损，直到损伤失效。我国地质复杂，土层密度多变、硬度特性不均，导致盾构体受困情况时有发生。因此，一种能够辅助盾构刀盘换刀和盾构体脱困的系统对盾构机在严苛工况下的推广使用具有极为重要的工程意义。

针对上述问题，中国国家知识产权局公告了公布号为CN 109184715 A的一种盾构机刀盘伸缩装置，伸缩驱动装置沿刀盘圆周分布，直接作用刀盘驱动部和刀盘，能够伸缩和倾斜刀盘驱动部，控制刀盘前进姿态。上述文献公开的刀盘伸缩装置通过伸缩刀盘驱动部，能在刀盘前方和周边形成一定的操作空间，给换刀提供便利。但刀盘受到工作面施加的反扭矩直接传递给伸缩驱动装置，这对伸缩驱动装置的可靠性提出更高的挑战。公布号为CN106761799 A的一种双护盾TBM扭矩梁装置，提出扭矩油缸概念，但仅适用于TBM且没有阐述液压系统工作原理。国内尚无专利阐述盾构机反扭油缸液压工作原理。

发明内容

本发明的目的在于：针对盾构可能遇到的刀具磨损和盾构体卡滞情况，提出一种主动式盾构机伸缩摆动系统，利用反扭子系统将刀盘驱动模块的反扭矩传递到盾构体，避免刀盘驱动模块在刀盘转动时相对盾构体转动；利用伸缩摆动子系统控制刀盘驱动模块、刀盘的伸缩摆动和角度调整，为换刀工作提供空间，降低换刀难度，同时在受困的情况下实现盾构体脱困。

为实现上述目的，本发明所提供一种主动式盾构机伸缩摆动系统，包括刀盘、刀盘驱动模块、球轴承、反扭子系统、伸缩摆动子系统、铰盘；刀盘尾部固定于刀盘驱动模块内；刀盘驱动模块为活动结构；球轴承内圈固定于刀盘驱动模块，外圈固定于盾构体；伸缩摆动子系统内六支伸缩摆动油缸固定在刀盘驱动模块和铰盘之间，伸缩摆动子系统的内液压控制部件置于盾构体后部，通过液压管路与伸缩摆动油缸连接；铰盘与盾构体固定连接；反扭子系统内四支扭矩油缸一端固定于刀盘驱动模块的一角，另一端呈球型固定在盾构体，可在盾构体连接处滑动，内部液压控制部件置于盾构体后部，通过液压管路与扭矩油缸连接。反扭子系统包括固定阻尼、第一溢流阀、第一可调阻尼、第一二位二通换向阀、第二二位二通换向阀、第二溢流阀、第二可调阻尼、第一二位三通换向阀、第二二位三通换向阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第一扭矩油缸、第一位移传感器、第二扭矩油缸、第二位移传感器、第三扭矩油缸、第三位移传感器、第四扭矩油缸和第四位移传感器；固定阻尼的进油口a1与供油口P连通，出油口b1与第一溢流阀的进油口p2、第一二位三通换向阀的进油口a8、第二二位三通换向阀的进油口a9连通；第一溢流阀的出油口t2与回油口T连通；第一可调阻尼的进油口a3与供油口P连通，出油口b3与第一二位二通换向阀的进油口p4连通；第一二位二通换向阀的出油口t4与第二二位二通换向阀的进油口p5、第二溢流阀的进油口p6、第一二位三通换向阀的进油口c8、第二二位三通换向阀的进油口c9连通；第二二位二通换向阀的出油口t5与第二可调阻尼的进油口a7连通；第二溢流阀的出油口t6与回油口T连通；第二可调阻尼的出油口b7与回油口T连通；第一二位三通换向阀的出油口b8与第一压力传感器、第一扭矩油缸的无杆腔、第四扭矩油缸的无杆腔连通；第二二位三通换向阀的出油口b9与第二压力传感器、第二扭矩油缸的无杆腔、第三扭矩油缸的无杆腔连通；第一扭矩油缸的有杆腔与回油口T连通，配有第一位移传感器；第二扭矩油缸的有杆腔与回油口T连通，配有第二位移传感器；第三扭矩油缸的有杆腔与回油口T连通，配有第三位移传感器；第四扭矩油缸的有杆腔与回油口T连通，配有第四位移传感器。

进一步地，反扭子系统在初始工况时，反扭子系统内第一二位二通换向阀、第二二位二通换向阀、第一二位三通换向阀、第二二位三通换向阀不得电；供油口P处压力经由固定阻尼调至5bar；第一二位三通换向阀的进油口a8与出油口b8导通，第二二位三通换向阀的进油口a9与出油口b9导通；四支扭矩油缸无杆腔内压力为5bar，有杆腔连通回油口T，四支扭矩油缸处于被动状态，扭矩油缸活塞杆伸出与盾构体相接触；反扭子系统在工作工况时，刀盘旋转切削岩土层并受到工作面的反作用力，该反作用力传递到刀盘驱动模块形成反扭矩信号；刀盘顺时针方向转动，而刀盘驱动模块趋向于在盾构体内逆时针旋转，第二二位三通换向阀得电，第二二位三通换向阀的进油口c9与出油口b9导通，第二扭矩油缸和第三扭矩油缸处于激活状态，第一扭矩油缸和第四扭矩油缸处于被动状态；若第一扭矩油缸和第四扭矩油缸的位移传感器显示行程比第二扭矩油缸和第三扭矩油缸大，第一二位二通换向阀得电，第一二位二通换向阀的进油口p4和出油口t4导通，供油口P高压油经过第一可调阻尼调定直达第二扭矩油缸和第三扭矩油缸的无杆腔，第二扭矩油缸和第三扭矩油缸无杆腔油液压力大于第一扭矩油缸和第四扭矩油缸无杆腔油液压力，从而形成顺时针反扭力矩，且反扭力矩形成速度由第一可调阻尼控制；若第一扭矩油缸和第四扭矩油缸的位移传感器显示行程比第二扭矩油缸和第三扭矩油缸小，第二二位二通换向阀得电，第二二位二通换向阀的进油口p5和出油口t5导通，第二扭矩油缸和第三扭矩油缸的无杆腔油液经过第二可调阻尼调定直达回油口，第二扭矩油缸和第三扭矩油缸油液压力逐渐降低，刀盘驱动模块逆时针回正，且回正速度由第二可调阻尼控制。刀盘逆时针方向转动，而刀盘驱动模块趋向于在盾构体内顺时针旋转，第一二位三通换向阀得电，第一二位三通换向阀的进油口c8与出油口b8导通，第一扭矩油缸和第四扭矩油缸处于激活状态，第二扭矩油缸和第三扭矩油缸处于被动状态；根据被动状态油缸、激活状态油缸的位移传感器信号差对激活状态油缸进行与刀盘顺时针转动时相同的液压调节。

进一步地，伸缩摆动子系统包括安全回路、第一组伸缩油缸控制回路、第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路，三组伸缩油缸控制回路相同且能被单独控制；安全回路包括第三溢流阀、第三二位二通换向阀；第一组伸缩油缸控制回路包括三位四通换向阀、第一单向节流阀、第二单向节流阀、第四溢流阀、第五溢流阀、第三压力传感器、第四压力传感器、第一组伸缩摆动油缸和第五位移传感器；第三溢流阀的进油口P1与供油口P连通，第三溢流阀的出油口T1与回油口T连通；第三二位二通换向阀的进油口P2与供油口P连通，第三二位二通换向阀的出油口T2与回油口T连通；三位四通换向阀的进油口P3与供油口P连通，三位四通换向阀的回油口T3与回油口T连通，三位四通换向阀的出油口A3与第一单向节流阀的进油口A4连通，三位四通换向阀的出油口B3与第二单向节流阀的进油口A5连通；第一单向节流阀的出油口B4与第四溢流阀的进油口P6、第三压力传感器、第一组伸缩摆动油缸的无杆腔连通；第二单向节流阀的出油口B5与第五溢流阀的进油口P7、第四压力传感器、第一组伸缩摆动油缸的有杆腔连通；第四溢流阀的出油口T6与回油口T连通；第五溢流阀的出油口T7与回油口T连通；第一组伸缩摆动油缸配有第五位移传感器；第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路与第一组伸缩油缸控制回路完全一样。

进一步地，伸缩摆动子系统的工作方式为：第三二位二通换向阀得电，第三二位二通换向阀的进油口P2和出油口T2阻断，禁止快速卸荷；若刀盘和刀盘驱动模块需要前移，第一组伸缩油缸控制回路内三位四通换向阀阀芯置于右位，三位四通换向阀的进油口P3和出油口A3导通、回油口T3和出油口B3导通，供油口P高压油经过三位四通换向阀的P3-A3路径、第一单向节流阀直达第一组伸缩摆动油缸的无杆腔，第一组伸缩摆动油缸的有杆腔油液经过第二单向节流阀、三位四通换向阀的B3-T3路径回流至回油口T，第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路与第一组伸缩油缸控制回路同步操作，六支活塞同步伸出，推动刀盘驱动模块和刀盘前移；若刀盘和刀盘驱动模块需要后缩，伸缩摆动子系统内三组伸缩摆动油缸液压回路中的三位四通换向阀同步置于左位，伸缩摆动油缸有杆腔同时充满高压油，六支活塞同步缩回，带动刀盘驱动模块和刀盘回缩；若刀盘需要进行倾斜工作，伸缩摆动子系统的三组伸缩摆动油缸将被单独控制，三组伸缩摆动油缸的伸缩量由目标扩挖量计算得到，并由位移传感器反馈调节；各组伸缩摆动油缸的压力传感器监视伸缩摆动油缸两腔的压力值，超过设定值350bar时进行提示与报警。

本发明具有的有益效果是：

1)采用反扭子系统将刀盘驱动模块的反扭矩传递到盾构体，可有效避免刀盘驱动模块在刀盘转动时相对盾体转动，提高了刀盘运动稳定性；

2)采用被动状态、激活状态扭矩油缸的位移传感器信号差异，控制第一二位二通换向阀与第二二位二通换向阀得失电，实现激活状态油缸无杆腔充放油动作，生成与工作面反作用力相适应的可调反扭矩，提高了主动式盾构机伸缩摆动系统的适应性；

3)采用设计成熟、结构简单的换向阀、溢流阀、阻尼组成液压控制回路，可有效降低故障发生概率，提高了反扭子系统可靠性；

4)采用伸缩摆动子系统控制刀盘驱动模块、刀盘的伸缩滑动和角度调整，为换刀工作提供空间，降低换刀难度，同时在受困的情况下实现盾构体脱困，提高了盾构施工效率和安全性。

附图说明

图1是本发明所提供的一种主动式盾构机伸缩摆动系统结构示意图。

图2是本发明所提供的一种主动式盾构机伸缩摆动系统的机械部件爆炸示意图。

图3是本发明所提供的一种主动式盾构机伸缩摆动系统的扭矩油缸结构示意图。

图4是本发明所提供的一种主动式盾构机伸缩摆动系统的反扭子系统液压原理图。

图5是本发明所提供的一种主动式盾构机伸缩摆动系统的伸缩摆动油缸示意图。

图6是本发明所提供的一种主动式盾构机伸缩摆动系统的伸缩摆动子系统液压原理图。

图中：1-刀盘，2-刀盘驱动模块，3-球轴承，4-反扭子系统，5-伸缩摆动子系统，6-铰盘，401-第一扭矩油缸，402-第二扭矩油缸，403-第三扭矩油缸，404-第四扭矩油缸，405-第一位移传感器，406-第二位移传感器，407-第三位移传感器，408-第四位移传感器，41-固定阻尼，42-第一溢流阀，43-第一可调阻尼，44-第一二位二通换向阀，45-第二二位二通换向阀，46-第二溢流阀，47-第二可调阻尼，48-第一二位三通换向阀，49-第二二位三通换向阀，410-第一压力传感器，411-第二压力传感器，510-第一组伸缩摆动油缸，512-第二组伸缩摆动油缸，514-第三组伸缩摆动油缸，51-第三溢流阀，52-第三二位二通换向阀，53-三位四通换向阀，54-第一单向节流阀，55-第二单向节流阀，56-第四溢流阀，57-第五溢流阀，58-第三压力传感器，59-第四压力传感器和511-第五位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括：刀盘1、刀盘驱动模块2、球轴承3、反扭子系统4、伸缩摆动子系统5、铰盘6。刀盘1尾部固定连接在刀盘驱动模块2内；刀盘驱动模块2为活动结构；球轴承3内圈固定在刀盘驱动模块2，外圈固定在盾构体；伸缩摆动子系统5内包括六支伸缩摆动油缸，固定在刀盘驱动模块2和铰盘6之间。伸缩摆动子系统5内液压控制部件置于盾构体后部，通过液压管路连接伸缩摆动油缸。通过伸缩摆动子系统5控制刀盘驱动模块2和刀盘1的伸缩滑动和角度调整。铰盘6与盾构体固定连接。反扭子系统4内四支扭矩油缸一端固定在刀盘驱动模块2的一角，另一端呈球型固定于盾构体，并可在盾构体连接处滑动。反扭子系统4内液压控制部件置于盾构体后部，通过液压管路与扭矩油缸连接。通过反扭子系统4的主动调节将刀盘驱动模块2的反扭矩信号传递到盾构体。各部件的空间位置如图2所示。

如图3、4所示，反扭子系统4包括固定阻尼41、第一溢流阀42、第一可调阻尼43、第一二位二通换向阀44、第二二位二通换向阀45、第二溢流阀46、第二可调阻尼47、第一二位三通换向阀48、第二二位三通换向阀49、第一压力传感器410、第二压力传感器411、第一扭矩油缸401、第一位移传感器405、第二扭矩油缸402、第二位移传感器406、第三扭矩油缸403、第三位移传感器407、第四扭矩油缸404和第四位移传感器408。固定阻尼41的进油口a1与供油口P连通，出油口b1与第一溢流阀42的进油口p2、第一二位三通换向阀48的进油口a8、第二二位三通换向阀49的进油口a9连通。第一溢流阀42的出油口t2与回油口T连通。第一可调阻尼43的进油口a3与供油口P连通，出油口b3与第一二位二通换向阀44的进油口p4连通。第一二位二通换向阀44的出油口t4与第二二位二通换向阀45的进油口p5、第二溢流阀46的进油口p6、第一二位三通换向阀48的进油口c8、第二二位三通换向阀49的进油口c9连通。第二二位二通换向阀45的出油口t5与第二可调阻尼47的进油口a7连通。第二溢流阀46的出油口t6与回油口T连通。第二可调阻尼47的出油口b7与回油口T连通。第一二位三通换向阀48的出油口b8与第一压力传感器410、第一扭矩油缸401的无杆腔、第四扭矩油缸404的无杆腔连通。第二二位三通换向阀49的出油口b9与第二压力传感器411、第二扭矩油缸402的无杆腔、第三扭矩油缸403的无杆腔连通。第一扭矩油缸401的有杆腔与回油口T连通，配有第一位移传感器405。第二扭矩油缸402的有杆腔与回油口T连通，配有第二位移传感器406；第三扭矩油缸403的有杆腔与回油口T连通，配有第三位移传感器407；第四扭矩油缸404的有杆腔与回油口T连通，配有第四位移传感器408。

如图5、6所示，伸缩摆动子系统5包括安全回路500、第一组伸缩油缸控制回路501、第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路，三组伸缩油缸控制回路相同且能被单独控制。安全回路500包括第三溢流阀51、第三二位二通换向阀52。第一组伸缩油缸控制回路501包括三位四通换向阀53、第一单向节流阀54、第二单向节流阀55、第四溢流阀56、第五溢流阀57、第三压力传感器58、第四压力传感器59、第一组伸缩摆动油缸510和第五位移传感器511。第三溢流阀51的进油口P1与供油口P连通，出油口T1与回油口T连通。第三二位二通换向阀52的进油口P2与供油口P连通，出油口T2与回油口T连通。三位四通换向阀53的进油口P3与供油口P连通，回油口T3与回油口T连通，三位四通换向阀53的出油口A3与第一单向节流阀54的进油口A4连通，出油口B3与第二单向节流阀55的进油口A5连通。第一单向节流阀54的出油口B4与第四溢流阀56的进油口P6、第三压力传感器58、第一组伸缩摆动油缸510的无杆腔连通。第二单向节流阀55的出油口B5与第五溢流阀57的进油口P7、第四压力传感器59、第一组伸缩摆动油缸510的有杆腔连通。第四溢流阀56的出油口T6与回油口T连通。第五溢流阀57的出油口T7与回油口T连通。第一组伸缩摆动油缸510配有第五位移传感器511。第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路与第一组伸缩油缸控制回路501完全一样。

本发明所提供的一种主动式盾构机伸缩摆动系统的工作方式如下：

反扭子系统4内第一溢流阀42确保第一二位三通换向阀48的进油口a8和第二二位三通换向阀49的进油口a9压力不超过设定值5bar。第二溢流阀46确保第一二位三通换向阀48的进油口c8和第二二位三通换向阀49的进油口c9压力不超过设定值315bar。第一压力传感器410测量第一扭矩油缸401和第四扭矩油缸404无杆腔压力，第二压力传感器411测量第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403无杆腔压力。

反扭子系统4在初始工况时，反扭子系统4内第一二位二通换向阀44、第二二位二通换向阀45、第一二位三通换向阀48、第二二位三通换向阀49不得电，供油口P压力经过固定阻尼41调至5bar，第一二位三通换向阀48的进油口a8与出油口b8导通，第二二位三通换向阀49的进油口a9与出油口b9导通，四支扭矩油缸无杆腔的压力为5bar，有杆腔连通回油口T，四支扭矩油缸处于被动状态，扭矩油缸活塞杆弱伸出与盾构体相接触。

反扭子系统4在工作工况时，刀盘1旋转切削岩土层并受到工作面的反作用力，该反作用力传递至刀盘驱动模块2形成反扭矩信号；从铰盘6向刀盘1看，刀盘1顺时针方向转动，而刀盘驱动模块2趋向于在盾构体内逆时针旋转，第二二位三通换向阀49得电，第二二位三通换向阀49的进油口c9与出油口b9导通，第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403处于激活状态，第一扭矩油缸401和第四扭矩油缸404仍处于被动状态；若第一扭矩油缸401和第四扭矩油缸404的位移传感器显示行程比第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403大，第一二位二通换向阀44得电，第一二位二通换向阀44的进油口p4和出油口t4导通，供油口P高压油经过第一可调阻尼43调定直达第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403的无杆腔，第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403无杆腔油液压力大于第一扭矩油缸401和第四扭矩油缸404无杆腔油液压力，从而形成顺时针反扭力矩，且反扭力矩形成速度由第一可调阻尼43控制；若第一扭矩油缸401和第四扭矩油缸404的位移传感器显示行程比第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403小，第二二位二通换向阀45得电，第二二位二通换向阀45的进油口p5和出油口t5导通，第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403的无杆腔油液经过第二可调阻尼47调定直达回油口，第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403油液压力逐渐降低，刀盘驱动模块2逆时针回正，且回正速度由第二可调阻尼47控制。从铰盘6向刀盘1看，刀盘1逆时针方向转动，而刀盘驱动模块2趋向于在盾构体内顺时针旋转，第一二位三通换向阀48得电，第一二位三通换向阀48的进油口c8与出油口b8导通，第一扭矩油缸401和第四扭矩油缸404处于激活状态，第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403处于被动状态；根据被动状态油缸、激活状态油缸的位移传感器信号差对激活状态油缸进行与刀盘1顺时针转动时相同的液压调节。

刀盘1和刀盘驱动模块2由伸缩摆动子系统5内伸缩摆动油缸轴向支撑。伸缩摆动子系统5内第三二位二通换向阀52得电，第三二位二通换向阀52的进油口P2和出油口T2阻断，禁止快速卸荷。第三溢流阀51确保伸缩摆动子系统5液压回路供油压力不超过设定值315bar。第四溢流阀56和第五溢流阀57起到安全阀作用，确保伸缩摆动油缸无杆腔压力不超过350bar。第三压力传感器58测量伸缩摆动油缸510无杆腔压力，第四压力传感器59测量伸缩摆动油缸510有杆腔压力，压力超过设定值350bar进行提示和报警。

刀盘1和刀盘驱动模块2需要前移时，第一组伸缩油缸控制回路501内三位四通换向阀53阀芯置于右位，三位四通换向阀53的进油口P3口和出油口A3导通、回油口T3和出油口B3导通，供油口P高压油经过三位四通换向阀53的P3-A3路径、第一单向节流阀54的单向阀直达第一组伸缩摆动油缸510的无杆腔，第一组伸缩摆动油缸510的有杆腔油液经过第二单向节流阀55的节流阀、三位四通换向阀53的B3-T3路径回到回油口T，第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路同步第一组伸缩油缸控制回路操作，六支活塞同步伸出，推动刀盘驱动模块2和刀盘1前移。

刀盘1和刀盘驱动模块2需要后缩时，第一组伸缩油缸控制回路501内三位四通换向阀53阀芯置于左位，三位四通换向阀53的进油口P3口和出油口B3导通、回油口T3和出油口A3导通，供油口P高压油经过三位四通换向阀53的P3-B3路径、第二单向节流阀55的单向阀直达第一组伸缩摆动油缸510的有杆腔，第一组伸缩摆动油缸510的无杆腔油液经过第一单向节流阀54的节流阀、三位四通换向阀53的A3-T3路径回到回油口T，第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路同步第一组伸缩油缸控制回路操作，六支活塞同步缩回，带动刀盘驱动模块2和刀盘1回缩。

刀盘1需要倾斜工作时，伸缩摆动子系统5的三组伸缩摆动油缸将被单独控制，三组伸缩摆动油缸的伸缩量由目标扩挖量计算得到，并由位移传感器反馈调节。刀盘1需要向上分区扩挖时，第一组伸缩摆动油缸510受控缩回，第二组伸缩摆动油缸512和第三组伸缩摆动油缸514受控伸出，三组伸缩摆动油缸带动刀盘驱动模块2在球轴承3中向上偏转，刀盘1随着刀盘驱动模块2同步向上倾斜。刀盘1需要向左分区扩挖时，第二组伸缩摆动油缸512受控缩回，第一组伸缩摆动油缸510和第三组伸缩摆动油缸514受控伸出，三组伸缩摆动油缸带动刀盘驱动模块2在球轴承3中向左偏转，刀盘1随着刀盘驱动模块2同步向左倾斜。刀盘1需要向右分区扩挖时，第三组伸缩摆动油缸514受控缩回，第一组伸缩摆动油缸510和第二组伸缩摆动油缸512受控伸出，三组伸缩摆动油缸带动刀盘驱动模块2在球轴承3中向右偏转，刀盘1随着刀盘驱动模块2同步向右倾斜。

反扭子系统4将刀盘驱动模块2的反扭矩传递到盾构体，可有效避免刀盘驱动模块2在刀盘1转动时相对盾体转动。伸缩摆动子系统5控制刀盘驱动模块2、刀盘1的伸缩滑动和角度调整，为换刀工作提供空间，同时在受困的情况下实现盾构体脱困，提高了盾构施工效率和安全性。

实施例1

盾构机向前掘进过程中，刀盘1顺时针转动切削坚硬岩土层，并受到工作面反作用力。该反作用力传递到刀盘驱动模块2，驱使刀盘驱动模块2在盾构体内逆时针旋转，同时，反扭子系统4内第二二位三通换向阀49得电，激活第二扭矩油缸402和第三扭矩油缸403。第一扭矩油缸401和第四扭矩油缸404处于被动状态。岩土工作面性质不稳定，刀盘1受到的反作用力亦不稳定，根据被动状态、激活状态扭矩油缸的位移传感器信号差异，实时控制第一二位二通换向阀与第二二位二通换向阀得失电，实现激活状态油缸无杆腔充放油动作，生成与工作面反作用力相适应的反扭矩，将刀盘驱动模块2反扭矩平稳地传递到盾构体，确保系统正常运转。二位二通换向阀控制策略的详细内容参考反扭子系统4工作工况。

实施例2

盾构机向前掘进过程中，刀盘1持续切削坚硬岩土，直到刀具磨损失效，维修师需要进行刀具更换作业。操作员通过控制室操作面板对伸缩摆动子系统5进行控制，同步缩回三组伸缩摆动油缸，伸缩摆动油缸带动刀盘驱动模块2和刀盘1缩回，从而在刀盘1正前方留出一定量的空间，方便维修师进入空间检查和更换刀具。维修师更换完刀具、确认无误后返回盾构体。操作员对伸缩摆动子系统5进行控制，同步伸出三组伸缩摆动油缸，伸缩摆动油缸带动刀盘驱动模块2和刀盘1伸出，直到原工作面。

Claims (4)

1.一种主动式盾构机伸缩摆动系统，其特征在于：包括刀盘（1）、刀盘驱动模块（2）、球轴承（3）、反扭子系统（4）、伸缩摆动子系统（5）、铰盘（6）和盾构体；所述刀盘（1）尾部固定于刀盘驱动模块（2）内；所述刀盘驱动模块（2）为活动结构；所述球轴承（3）内圈固定于刀盘驱动模块（2），外圈固定于盾构体；所述伸缩摆动子系统（5）内六支伸缩摆动油缸固定在刀盘驱动模块（2）和铰盘（6）之间，伸缩摆动子系统（5）内液压控制部件置于盾构体后部，通过液压管路与伸缩摆动油缸连接；所述铰盘（6）与盾构体固定连接；所述反扭子系统（4）内四支扭矩油缸一端固定于刀盘驱动模块（2）的一角，另一端呈球型固定在盾构体；内部液压控制部件置于盾构体后部，通过液压管路与扭矩油缸连接；所述反扭子系统（4）包括固定阻尼（41）、第一溢流阀（42）、第一可调阻尼（43）、第一二位二通换向阀（44）、第二二位二通换向阀（45）、第二溢流阀（46）、第二可调阻尼（47）、第一二位三通换向阀（48）、第二二位三通换向阀（49）、第一压力传感器（410）、第二压力传感器（411）、第一扭矩油缸（401）、第一位移传感器（405）、第二扭矩油缸（402）、第二位移传感器（406）、第三扭矩油缸（403）、第三位移传感器（407）、第四扭矩油缸（404）和第四位移传感器（408）；所述固定阻尼（41）的进油口a1与供油口P连通，出油口b1与第一溢流阀（42）的进油口p2、第一二位三通换向阀（48）的进油口a8、第二二位三通换向阀（49）的进油口a9连通；所述第一溢流阀（42）的出油口t2与回油口T连通；所述第一可调阻尼（43）的进油口a3与供油口P连通，出油口b3与第一二位二通换向阀（44）的进油口p4连通；所述第一二位二通换向阀（44）的出油口t4与第二二位二通换向阀（45）的进油口p5、第二溢流阀（46）的进油口p6、第一二位三通换向阀（48）的进油口c8、第二二位三通换向阀（49）的进油口c9连通；所述第二二位二通换向阀（45）的出油口t5与第二可调阻尼（47）的进油口a7连通；所述第二溢流阀（46）的出油口t6与回油口T连通；所述第二可调阻尼（47）的出油口b7与回油口T连通；所述第一二位三通换向阀（48）的出油口b8与第一压力传感器（410）、第一扭矩油缸（401）的无杆腔、第四扭矩油缸（404）的无杆腔连通；所述第二二位三通换向阀（49）的出油口b9与第二压力传感器（411）、第二扭矩油缸（402）的无杆腔、第三扭矩油缸（403）的无杆腔连通；所述第一扭矩油缸（401）的有杆腔与回油口T连通，配有第一位移传感器（405）；所述第二扭矩油缸（402）的有杆腔与回油口T连通，配有第二位移传感器（406）；所述第三扭矩油缸（403）的有杆腔与回油口T连通，配有第三位移传感器（407）；所述第四扭矩油缸（404）的有杆腔与回油口T连通，配有第四位移传感器（408）。

2.根据权利要求1所述的一种主动式盾构机伸缩摆动系统，其特征在于：所述反扭子系统（4）在初始工况时，反扭子系统（4）内第一二位二通换向阀（44）、第二二位二通换向阀（45）、第一二位三通换向阀（48）、第二二位三通换向阀（49）不得电；供油口P处压力经由固定阻尼（41）调至5bar；第一二位三通换向阀（48）的进油口a8与出油口b8导通，第二二位三通换向阀（49）的进油口a9与出油口b9导通；四支扭矩油缸无杆腔内压力为5bar，有杆腔连通回油口T，四支扭矩油缸处于被动状态，扭矩油缸活塞杆伸出与盾构体相接触；所述反扭子系统（4）在工作工况时，刀盘（1）旋转切削岩土层并受到工作面的反作用力，该反作用力传递到刀盘驱动模块（2）形成反扭矩信号；刀盘（1）顺时针方向转动，而刀盘驱动模块（2）趋向于在盾构体内逆时针旋转，第二二位三通换向阀（49）得电，第二二位三通换向阀（49）的进油口c9与出油口b9导通，第二扭矩油缸（402）和第三扭矩油缸（403）处于激活状态，第一扭矩油缸（401）和第四扭矩油缸（404）处于被动状态；若第一扭矩油缸（401）和第四扭矩油缸（404）的位移传感器显示行程比第二扭矩油缸（402）和第三扭矩油缸（403）大， 第一二位二通换向阀（44）得电，第一二位二通换向阀（44）的进油口p4和出油口t4导通，供油口P高压油经过第一可调阻尼（43）调定直达第二扭矩油缸（402）和第三扭矩油缸（403）的无杆腔，第二扭矩油缸（402）和第三扭矩油缸（403）无杆腔油液压力大于第一扭矩油缸（401）和第四扭矩油缸（404）无杆腔油液压力，从而形成顺时针反扭力矩，且反扭力矩形成速度由第一可调阻尼（43）控制；若第一扭矩油缸（401）和第四扭矩油缸（404）的位移传感器显示行程比第二扭矩油缸（402）和第三扭矩油缸（403）小， 第二二位二通换向阀（45）得电，第二二位二通换向阀（45）的进油口p5和出油口t5导通，第二扭矩油缸（402）和第三扭矩油缸（403）的无杆腔油液经过第二可调阻尼（47）调定直达回油口，第二扭矩油缸（402）和第三扭矩油缸（403）油液压力逐渐降低，刀盘驱动模块（2）逆时针回正，且回正速度由第二可调阻尼（47）控制；

刀盘（1）逆时针方向转动，而刀盘驱动模块（2）趋向于在盾构体内顺时针旋转，第一二位三通换向阀（48）得电，第一二位三通换向阀（48）的进油口c8与出油口b8导通，第一扭矩油缸（401）和第四扭矩油缸（404）处于激活状态，第二扭矩油缸（402）和第三扭矩油缸（403）处于被动状态；根据被动状态油缸、激活状态油缸的位移传感器信号差对激活状态油缸进行与刀盘（1）顺时针转动时相同的液压调节。

3.根据权利要求1所述的一种主动式盾构机伸缩摆动系统，其特征在于：所述伸缩摆动子系统（5）包括安全回路（500）、第一组伸缩油缸控制回路（501）、第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路，三组伸缩油缸控制回路相同且能被单独控制；所述安全回路（500）包括第三溢流阀（51）、第三二位二通换向阀（52）；所述第一组伸缩油缸控制回路（501）包括三位四通换向阀（53）、第一单向节流阀（54）、第二单向节流阀（55）、第四溢流阀（56）、第五溢流阀（57）、第三压力传感器（58）、第四压力传感器（59）、第一组伸缩摆动油缸（510）和第五位移传感器（511）；第三溢流阀（51）的进油口P1与供油口P连通，第三溢流阀（51）的出油口T1与回油口T连通；第三二位二通换向阀（52）的进油口P2与供油口P连通，第三二位二通换向阀（52）的出油口T2与回油口T连通；三位四通换向阀（53）的进油口P3与供油口P连通，三位四通换向阀（53）的回油口T3与回油口T连通，三位四通换向阀（53）的出油口A3与第一单向节流阀（54）的进油口A4连通，三位四通换向阀（53）的出油口B3与第二单向节流阀（55）的进油口A5连通；第一单向节流阀（54）的出油口B4与第四溢流阀（56）的进油口P6、第三压力传感器（58）、第一组伸缩摆动油缸（510）的无杆腔连通；第二单向节流阀（55）的出油口B5与第五溢流阀（57）的进油口P7、第四压力传感器（59）、第一组伸缩摆动油缸（510）的有杆腔连通；第四溢流阀（56）的出油口T6与回油口T连通；第五溢流阀（57）的出油口T7与回油口T连通；第一组伸缩摆动油缸（510）配有第五位移传感器（511）；第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路与第一组伸缩油缸控制回路（501）完全一样。

4.根据权利要求3所述的一种主动式盾构机伸缩摆动系统，其特征在于：所述伸缩摆动子系统（5）的工作方式为：第三二位二通换向阀（52）得电，第三二位二通换向阀（52）的进油口P2和出油口T2阻断，禁止快速卸荷；若刀盘（1）和刀盘驱动模块（2）需要前移，第一组伸缩油缸控制回路（501）内三位四通换向阀（53）阀芯置于右位，三位四通换向阀（53）的进油口P3和出油口A3导通、回油口T3和出油口B3导通，供油口P高压油经过三位四通换向阀（53）的P3-A3路径、第一单向节流阀（54）直达第一组伸缩摆动油缸（510）的无杆腔，第一组伸缩摆动油缸（510）的有杆腔油液经过第二单向节流阀（55）、三位四通换向阀（53）的B3-T3路径回流至回油口T，第二组伸缩油缸控制回路、第三组伸缩油缸控制回路与第一组伸缩油缸控制回路同步操作，六支活塞同步伸出，推动刀盘驱动模块（2）和刀盘（1）前移；若刀盘（1）和刀盘驱动模块（2）需要后缩，伸缩摆动子系统（5）内三组伸缩摆动油缸液压回路中的三位四通换向阀同步置于左位，伸缩摆动油缸有杆腔同时充满高压油，六支活塞同步缩回，带动刀盘驱动模块（2）和刀盘（1）回缩；若刀盘（1）需要进行倾斜工作，伸缩摆动子系统（5）的三组伸缩摆动油缸将被单独控制，三组伸缩摆动油缸的伸缩量由目标扩挖量计算得到，并由位移传感器反馈调节；各组伸缩摆动油缸的压力传感器监视伸缩摆动油缸两腔的压力值，超过设定值350bar时进行提示与报警。

Images