CN110939613A - 一种新型柔臂tbm推进液压系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型柔臂TBM推进液压系统及控制方法，包括相连接的恒压泵源和控制器，还包括N个并联设置的推进油缸机构，N≥2，恒压泵源通过并联设置的主油路和外控油路与推进油缸机构相连接，主油路上设有系统加载阀，外控油路上设有减压阀。本发明适用于多自由度并联机器人带动的刀盘开挖隧道，多个推进油缸机构的配合使用，控制器和液压的主油路和外控油路配合，对推进油缸机构进行精确控制，以实现对并联油缸驱动的刀盘姿态进行精确控制。

Description

一种新型柔臂TBM推进液压系统及控制方法

技术领域

本发明涉及柔臂TBM技术领域，特别是指一种新型柔臂TBM推进液压系统及控制方法。

背景技术

岩石隧道掘进机（TBM）是一种集机、电、液等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前TBM的开挖断面基本为圆形，矩形、马蹄形等异形断面的案例均是应用于软土隧道施工中，并且开挖断面一旦确定，在施工过程中就无法改变，造成其开挖断面形状单一，应用范围受限。国内外岩石隧道施工现状及规划表明，采用异形断面的工程越来越多，如果采用传统的掘进机定制化方案，势必大幅增加设备生产周期，不仅提高了施工成本，还会造成资源浪费。

针对目前工程多样化带来的掘进机制造难题，提出了基于机器人支撑的柔臂掘进机（Robotic TBM）概念。柔臂掘进机可依靠机器人支撑刀盘在较大范围内实现多自由度运动，实现以小直径刀盘开挖大直径任意形状断面隧道。柔臂掘进机的推进系统采用多油缸控制，多自由度并联机器人控制方式，相比较常用多自由度并联机器人系统，该柔臂掘进机负载大，且运动轨迹范围大，对安全性能要求更高。相对应的对液压控制系统要求也更高，现有的液压控制系统，在控制精度和节能性不能满足该柔臂掘进机，因此，针对该特点，发明一种新型柔臂TBM推进液压系统及控制方法很有必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种新型柔臂TBM推进液压系统及控制方法，用以解决上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种新型柔臂TBM刀盘推进液压系统，包括相连接的恒压泵源和控制器，还包括N个并联设置的推进油缸机构，N≥2，恒压泵源通过并联设置的主油路和外控油路与推进油缸机构相连接，主油路上设有系统加载阀，外控油路上设有减压阀。

所述推进油缸机构包括与刀盘连接的柔臂油缸，柔臂油缸上设有位移传感器，柔臂油缸的进油管路上设有串联设置的平衡阀和伺服阀，主油路和外控油路均与伺服阀相连接。

所述主油路上设有第一过滤器，外控油路上设有第二过滤器，主油路和外控油路通过总油路与恒压泵源相连接。

所述总油路上设有蓄能器、安全阀和泵加载阀；恒压泵源上连接有电机。

所述推进油缸机构还包括第一梭阀，第一梭阀设置在柔臂油缸的进油管路上，且与恒压泵源相连接。

所述N个并联设置的推进油缸机构上的N个第一梭阀均通过第二梭阀与恒压泵源。

一种新型柔臂TBM推进液压系统的控制方法，步骤如下：

S1：开始工作时，在电机的作用下，恒压泵源内的液压油一部分经外控油路进入伺服阀，并打开伺服阀；

S2：然后恒压泵源内的液压油经主油路、伺服阀进入柔臂油缸，驱动柔臂油缸进行伸缩动作；

S3：N个并联设置的推进油缸机构的柔臂油缸配合动作，对刀盘的位置和角度进行调节；位移传感器将柔臂油缸的伸缩位移量信号传递给控制器，控制器控制伺服阀进行液压油流量和压力的调节，使柔臂油缸按设定位移量伸缩；

S4：正常柔臂油缸不动作时，泵加载阀不得电，恒压泵源为待命压力；当柔臂油缸进行步骤S2和S3中的动作时，泵加载阀得电，泵加载至恒压设定压力；

S5：第一梭阀在步骤S1~S4的任意时刻，取柔臂油缸的最大压力，然后通过第二梭阀将最大压力反馈到恒压泵源的进油口，使恒压泵源出口压力始终比恒压泵源负载需要的最大压力高一个固定值，该固定值就是泵源的待命压力；

S6：平衡阀10紧贴柔臂油缸的油口，在不主动供油时，锁定柔臂油缸位置，同时，遇到爆管时起到锁定油缸，防止出现失控情况。

本发明适用于多自由度并联机器人带动的刀盘开挖隧道，多个推进油缸机构的配合使用，控制器和液压的主油路和外控油路配合，对推进油缸机构进行精确控制，以实现对并联油缸驱动的刀盘姿态进行精确控制。且本发明相应阀体的设置如加载阀、梭阀的配合使用，提高液压系统的节能性和安全性，与新型柔臂TBM融合性高，具有较高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1结构示意图。

图2为本发明实施例1液压控制原理图。

图3为本发明实施例2结构示意图。

图4为本发明实施例2液压控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，实施例1，一种新型柔臂TBM刀盘推进液压系统，包括相连接的恒压泵源1和控制器，还包括N个并联设置的推进油缸机构100，N=6，6个并联推进油缸机构采用恒压输出方式，恒压输出系统更节能。恒压泵源1通过并联设置的主油路14和外控油路15与推进油缸机构100相连接，推动油缸机构进行伸缩运动。主油路14上设有系统加载阀7，系统加载阀7起到安全保护作用，主要是伺服阀卡阀或者控制器程序异常导致运动轨迹异常时，控制器直接让系统加载阀7失电，整个系统主油路停止供油，防止出现失控情况；外控油路15上设有减压阀8，减压阀8为伺服阀9提供减压后的外控油源。

进一步，所述推进油缸机构100包括与刀盘13连接的柔臂油缸11，即6个并联柔臂油缸将刀盘与主机连接，6个柔臂油缸配合用于对刀盘的位置和角度的调节，即调节刀盘的姿态，进行对掌子面的摆动开挖。柔臂油缸11上设有位移传感器12，位移传感器12采用磁致伸缩位移传感器，用于实时检测油缸行程，并把位移信号反馈给控制器，起到PID闭环反馈控制作用。柔臂油缸11的进油管路上设有串联设置的平衡阀10和伺服阀9，平衡阀10对油缸起位置锁定作用，同时，也对油缸的动作起平稳作用；伺服阀9控制推进油缸的伸缩动作，外控增加可靠性，同时伺服阀9跟磁致伸缩位移传感器联合作用，形成完整的大闭环PID控制，即磁致伸缩位移传感器将柔臂油缸的伸缩位移传递给控制器，控制器控制伺服阀调节进入柔臂油缸的流量和压力；主油路14和外控油路15均与伺服阀9相连接。伺服阀9控制主油路14和外控油路15的流量和压力。

进一步，所述主油路14上设有第一过滤器4，第一过滤器主油路高压过滤器，外控油路15上设有第二过滤器5，第二过滤器5的为伺服阀外控油路高压过滤器，精度高，保证伺服阀外控油的清洁度，避免卡阀。主油路14和外控油路15通过总油路16与恒压泵源1相连接。所述总油路16上设有蓄能器6、安全阀2和泵加载阀3；恒压泵源1上连接有电机17，电机为恒压泵源提供动力。蓄能器6主要是起节能作用，正常情况下，蓄能器蓄能，泵源流量只需要满足正常工况稍微富余就行，快速动作时，蓄能器跟泵源同时供油，实现推进油缸的快速动作；蓄能器6的使用，可以降低泵源的排量规格和功率规格，实现节能，同时，负载敏感控制，使泵源根据负载需求自动调节，压力始终在待命压力与恒压压力之间运行，起到节能的目的。安全阀2对油源起安全保护作用，在恒压阀失效时保护系统，不至于使系统压力过高。泵加载阀3起到节能作用，正常推进油缸不动作时，加载阀3不得电，恒压泵源为待命压力（低压），当推进油缸动作时，加载阀3得电，泵加载至恒压设定压力。

如图3、4所示，实施例2，一种新型柔臂TBM刀盘推进液压系统，所述刀盘通过柔臂油缸带动的四连杆机构与主支撑连接，柔臂油缸包括1个摆动油缸和2个仰俯油缸，即N=3，当N≤3时，系统采用梭阀负载敏感控制，节能性更好。即所述推进油缸机构100还包括第一梭阀18，第一梭阀18设置在柔臂油缸11的进油管路上，且与恒压泵源1相连接。所述3个并联设置的推进油缸机构100上的3个第一梭阀18均通过第二梭阀19与恒压泵源1，即每个柔臂油缸上都连接一个第一梭阀，然后第一梭阀通过一个第二梭阀与恒压泵源连接。梭阀3的主要作用是在任意时刻，取俯仰油缸和摆动油缸的最大压力，然后反馈到恒压泵源1的X口即进油口，使泵源出口压力始终比负载需要的最大压力高一个固定值，该固定值就是泵源的待命压力，控制器对相应油缸、恒压泵源的负载进行精确控制，节能性更佳。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种新型柔臂TBM推进液压系统的控制方法，其特征在于：步骤如下：

S1：开始工作时，在电机17的作用下，控制器控制打开伺服阀9，恒压泵源1内的液压油一部分经外控油路15进入伺服阀9；

S2：然后恒压泵源1内的液压油经主油路14、伺服阀9进入柔臂油缸11，驱动柔臂油缸11进行伸缩动作；

S3：N个并联设置的推进油缸机构的柔臂油缸11配合动作，对刀盘13的位置和角度进行调节；位移传感器12将柔臂油缸11的伸缩位移量信号传递给控制器，控制器控制伺服阀9进行液压油流量和压力的调节，使柔臂油缸11按设定位移量伸缩；

S4：正常柔臂油缸不动作时，泵加载阀3不得电，恒压泵源1为待命压力；当柔臂油缸进行步骤S2和S3中的动作时，泵加载阀3得电，泵加载至恒压设定压力；

S5：第一梭阀18在步骤S1~S4的任意时刻，取柔臂油缸11的最大压力，然后通过第二梭阀19将最大压力反馈到恒压泵源1的进油口，使恒压泵源1出口压力始终比恒压泵源1负载需要的最大压力高一个固定值，该固定值就是泵源的待命压力；

S6：平衡阀10紧贴柔臂油缸的油口，在不主动供油时，锁定柔臂油缸位置，同时，遇到爆管时起到锁定油缸，防止出现失控情况。

其他结构与实施例1或2相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型柔臂TBM刀盘推进液压系统，包括相连接的恒压泵源（1）和控制器，其特征在于：还包括N个并联设置的推进油缸机构（100），N≥2，恒压泵源（1）通过并联设置的主油路（14）和外控油路（15）与推进油缸机构（100）相连接，主油路（14）上设有系统加载阀（7），外控油路（15）上设有减压阀（8）。

2.根据权利要求1所述的新型柔臂TBM推进液压系统，其特征在于：所述推进油缸机构（100）包括与刀盘（13）连接的柔臂油缸（11），柔臂油缸（11）上设有位移传感器（12），柔臂油缸（11）的进油管路上设有串联设置的平衡阀（10）和伺服阀（9），主油路（14）和外控油路（15）均与伺服阀（9）相连接。

3.根据权利要求1或2所述的新型柔臂TBM推进液压系统，其特征在于：所述主油路（14）上设有第一过滤器（4），外控油路（15）上设有第二过滤器（5），主油路（14）和外控油路（15）通过总油路（16）与恒压泵源（1）相连接。

4.根据权利要求3所述的新型柔臂TBM推进液压系统，其特征在于：所述总油路（16）上设有蓄能器（6）、安全阀（2）和泵加载阀（3）；恒压泵源（1）上连接有电机（17）。

5.根据权利要求1或4所述的新型柔臂TBM推进液压系统，其特征在于：所述推进油缸机构（100）还包括第一梭阀（18），第一梭阀（18）设置在柔臂油缸（11）的进油管路上，且与恒压泵源（1）相连接。

6.根据权利要求5所述的新型柔臂TBM推进液压系统，其特征在于：所述N个并联设置的推进油缸机构（100）上的N个第一梭阀（18）均通过第二梭阀（19）与恒压泵源（1）。

7.一种如权利要求1或6所述的新型柔臂TBM推进液压系统的控制方法，其特征在于：步骤如下：

S1：开始工作时，在电机（17）的作用下，恒压泵源（1）内的液压油一部分经外控油路（15）进入伺服阀（9），并打开伺服阀（9）；

S2：然后恒压泵源（1）内的液压油经主油路（14）、伺服阀（9）进入柔臂油缸（11），驱动柔臂油缸（11）进行伸缩动作；

S3：N个并联设置的推进油缸机构的柔臂油缸（11）配合动作，对刀盘（13）的位置和角度进行调节；位移传感器（12）将柔臂油缸（11）的伸缩位移量信号传递给控制器，控制器控制伺服阀（9）进行液压油流量和压力的调节，使柔臂油缸（11）按设定位移量伸缩；

S4：正常柔臂油缸不动作时，泵加载阀（3）不得电，恒压泵源（1）为待命压力；当柔臂油缸进行步骤S2和S3中的动作时，泵加载阀（3）得电，泵加载至恒压设定压力；

S5：第一梭阀（18）在步骤S1~S4的任意时刻，取柔臂油缸（11）的最大压力，然后通过第二梭阀（19）将最大压力反馈到恒压泵源（1）的进油口，使恒压泵源（1）出口压力始终比恒压泵源（1）负载需要的最大压力高一个固定值，该固定值就是泵源的待命压力；

S6：平衡阀（10）紧贴柔臂油缸的油口，在不主动供油时，锁定柔臂油缸位置，同时，遇到爆管时起到锁定油缸，防止出现失控情况。

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