CN111997949A - 一种盾构机被动铰接液压控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机被动铰接液压控制系统及控制方法，盾构机被动铰接液压控制系统包括：至少两个第一换向阀，第一回油油路，缩回、释放油路以及减压、锁压油路；第一换向阀处于断电状态或得电状态中的一者时，有杆腔直接与缩回、释放油路连通；第一换向阀处于断电状态或得电状态中的另一者时，有杆腔通过减压、锁压油路与缩回、释放油路连通。本发明提供的盾构机被动铰接液压控制系统使盾尾姿态由被动不可控变成可控，改善了盾构机应对施工过程中突发不良施工问题的能力，改善了衬砌作业效率；实现了整体缩回、整体释放铰接液压缸以及被动铰接液压缸的分区收回和分区释放，避免液压缸行程差过大，提高液压缸使用寿命、隧道施工质量和效率。

Description

一种盾构机被动铰接液压控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，更具体地说，涉及一种盾构机被动铰接液压控制系统。此外，本发明还涉及一种适用于上述盾构机被动铰接液压控制系统的控制方法。

背景技术

现有的盾构机被动铰接液压控制系统中，将所有的铰接液压缸的有杆腔串联在一起，构成一个整体密闭容腔，将所有铰接液压缸无杆腔串联在一起通回油，在地层包裹负载和隧道管片与盾尾密封刷摩擦负载等外负载力的作用下，液压缸有杆腔内油液受到压缩建立压力以抵抗负载力，受力平衡拖动盾尾跟随盾构机掘进。当盾构机掘进中转弯或纠偏时，铰接液压缸会被动跟随转弯趋势，液压缸有杆腔内油液能在整体密闭容腔内流动平衡，从液压缸行程较大的区域流动至行程较小的区域，即液压缸有杆腔内的油液自动流动，液压缸无杆腔则通过回油管实现补油，此时铰接液压缸会跟随盾构机转弯趋势出现行程差，减小盾构机的转弯半径。

随着盾构机转弯或纠偏趋势的加大，铰接液压缸的行程差也会随之增加。当部分区域液压缸行程达到极限工况时，即液压缸活塞杆完全伸出或完全缩回时，此时如果盾构机继续掘进，铰接液压缸由液压弹簧的柔性连接变成了机械刚性连接，容易损坏失效，引起盾构机故障。此外，铰接液压缸行程差过大时也会使隧道衬砌作业效率下降，影响施工进度和质量。

盾构机转弯或纠偏过程中，铰接液压缸完全伸出或完全缩回的状态不一定会同时出现，当出现其中一种极限工况时，需要盾构司机主动收回或释放液压缸加以调整，以保护盾构机。收回工况是让铰接液压缸有杆腔与油源相通，缩回液压缸；释放工况是将铰接液压缸有杆腔克服外负载建立的油液压力与回油相通，将压力释放掉，在外负载的作用下被动释放出来。

现有的被动铰接液压控制系统中，由于铰接液压缸有杆腔都串联在一起，缩回工况时均与油源相通，所有液压缸整体被收回，会使行程较长的区域液压缸被收回的同时，使原本行程很小或已经没有行程的区域液压缸也一起被收回，加剧了极限工况。此时需要将已经没有行程的液压缸慢慢释放出来；同理，在释放行程小的区域液压缸时，行程较长的区域液压缸更容易被放出来，行程差再一次加大，如此往复，进入一个恶性循环，需要频繁操作收回和释放铰接液压缸，对盾构机使用者提出了较高的技术要求。

盾构机转弯或纠偏过程中，当铰接液压缸出现行程差过大时，现有被动铰接液压控制系统只能通过改善盾构机掘进姿态来改善上述问题，有时可能需要牺牲一段区域，使盾构机掘进中偏离了隧道的设计轴线，影响隧道施工质量。因此现有的被动铰接形式的盾构机更多只能适用于隧道转弯较少，或隧道转弯半径较大的隧道施工中，具有一定的局限性。盾构法隧道施工过程复杂多变，不仅对施工技术人员要求较高，当富水地层注浆不及时或不饱满出现管片上浮、软土地层盾构机由于自重出现载头、盾尾与管片间隙过小影响衬砌作业等不良施工问题出现时，盾尾姿态被动不可控，对操作者的技术要求及应急反应能力要求较高。

综上所述，如何提供一种避免铰接油缸行程差过大的盾构机被动铰接液压控制系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种盾构机被动铰接液压控制系统，可以实现分区收回和分区释放，使使用者可以提前做出转弯预判，及时纠偏，避免被动铰接液压缸行程差过大，甚至出现极限工况，提高了液压缸使用寿命和隧道施工质量及效率。

本发明的另一目的是提供一种适用于上述盾构机被动铰接液压控制系统的控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构机被动铰接液压控制系统，包括：

至少两个第一换向阀，用于与铰接液压缸的有杆腔连接；

第一回油油路，用于与所述铰接液压缸的无杆腔连接；

缩回、释放油路，用于与所述第一换向阀连接，以为所述有杆腔提供油源或使所述有杆腔通回油；

减压、锁压油路，用于与所述第一换向阀连接，为所述有杆腔提供减压之后的所述油源液压油或使所述有杆腔实现锁压；

且所述第一换向阀处于断电状态或得电状态中的一者时，所述有杆腔直接与所述缩回、释放油路连通，以使所述有杆腔缩回或释放；

所述第一换向阀处于断电状态或得电状态中的另一者时，所述有杆腔通过所述减压、锁压油路与所述缩回、释放油路连通，以使所述有杆腔通低压油源而保持不动；

与同一所述第一换向阀连接的所述铰接液压缸的有杆腔串联连接，与不同的所述第一换向阀连接的所述铰接液压缸的有杆腔并联连接。

优选的，所述缩回、释放油路包括缩回油路和释放油路，且所述缩回油路包括缩回阀和与所述缩回阀连接的油源；所述释放油路包括释放阀和与所述释放阀连接的第二回油油路；且所述释放阀和所述缩回阀均与所述第一换向阀连接。

优选的，所述油源包括低压油源和高压油源，且所述低压油源和所述高压油源可选择的与所述缩回阀连接。

优选的，所述减压、锁压油路包括第二换向阀、与所述第二换向阀连接的减压阀以及与所述减压阀连接的单向阀，所述第二换向阀与所述缩回、释放油路连接，所述单向阀与所述第一换向阀连接；

所述有杆腔通过所述减压、锁压油路与所述缩回、释放油路连通，且所述第二换向阀、所述减压阀和所述单向阀均处于打开状态下，减压之后的所述油源液压油经所述第一换向阀流入所述有杆腔；

所述有杆腔通过所述减压、锁压油路与所述缩回、释放油路连通，所述第二换向阀、所述减压阀和所述单向阀均处于闭合状态下，所述有杆腔实现锁压。

优选的，还包括设置于所述减压、锁压油路的第一安全阀。

优选的，所述减压、锁压油路包括第三换向阀和与所述第三换向阀连接的先导型比例减压阀，且液压油在所述先导型比例减压阀内只可单向流动。

优选的，所述第一换向阀的数量为四个，且所述铰接液压缸沿盾尾的周向分为四组分区，四组所述铰接液压缸与所述第一换向阀一一对应连接。

优选的，任意一组所述铰接液压缸中均设置有用于实时测量所述铰接液压缸行程的行程传感器以及用于实时测量所述铰接液压缸有杆腔压力的压力传感器。

一种控制方法，适用于上述任一项的盾构机被动铰接液压控制系统，包括：

步骤S1，判断所述铰接液压缸是否出现极限工况；若是，则控制所述铰接液压缸整体释放或整体收回，若否，则进入步骤S2；

步骤S2，判断所述铰接液压缸的行程差或行程是否大于或等于预设值，若是，则进入步骤S3，若否则进入步骤S4；

步骤S3，控制所述铰接液压缸分区释放或分区收回；

步骤S4，恢复至整体被动铰接控制工况，不再人为主动干预铰接液压缸分区行程。

优选的，所述控制所述铰接液压缸分区释放或分区收回，包括：

步骤S31，判断是否存在所述铰接液压缸的行程接近完全伸出状态，若是，则控制所述铰接液压缸分区收回液压缸行程较大的区域；若否，则进入步骤S32；

步骤S32，判断是否存在所述铰接液压缸的行程接近完全缩回状态，若是，则控制所述铰接液压缸分区释放液压缸行程较小的区域；若否，则进入步骤S4。

优选的，所述控制所述铰接液压缸分区收回液压缸行程较大的区域，包括：

控制所述液压缸行程较大的区域所对应的第一换向阀、释放阀失电，控制其余所述第一换向阀、缩回阀和第二换向阀得电，以使所述液压缸行程较大的区域的所述铰接液压缸的有杆腔与油源接通，实现所述液压缸行程较大的区域的所述铰接液压缸的收回；

或控制所述液压缸行程较大的区域所对应的第一换向阀、释放阀失电，控制其余所述第一换向阀、缩回阀和第三换向阀得电，控制先导型比例减压阀输出较小电流，以使所述液压缸行程较大的区域的所述铰接液压缸的有杆腔与油源接通，实现所述液压缸行程较大的区域的所述铰接液压缸的收回。

优选的，所述控制所述铰接液压缸分区释放液压缸行程较小的区域，包括：

控制所述液压缸行程较小的区域所对应的第一换向阀、缩回阀、第二换向阀失电，控制其余所述第一换向阀、释放阀得电，使所述液压缸行程较小的区域的所述铰接液压缸的有杆腔与回油连通，实现所述液压缸行程较小的区域的所述铰接液压缸的释放；

或控制所述液压缸行程较小的区域所对应的第一换向阀、第三换向阀、缩回阀失电，控制其余所述第一换向阀、释放阀得电，控制先导型比例减压阀输出较大电流，以使所述液压缸行程较小的区域的所述铰接液压缸的有杆腔与回油接通，实现所述液压缸行程较小的区域的所述铰接液压缸的释放。

优选的，所述控制所述铰接液压缸分区收回或分区释放，包括：

控制所述铰接液压缸分区收回时，使需要收回的所述铰接液压缸的有杆腔与缩回、释放油路中的油源连通，通过减压、锁压油路向另外的所述铰接液压缸的有杆腔注入减压之后的油源液压油。

控制所述铰接液压缸分区释放时，使需要释放的所述铰接液压缸的有杆腔与缩回、释放油路中的第二回油路连通泄压，使另外的所述铰接液压缸的有杆腔通过减压、锁压油路实现锁压。

优选的，所述控制所述铰接液压缸整体释放或整体收回包括：

控制所有第一换向阀、第二换向阀或第三换向阀、缩回阀失电，控制释放阀得电，使四个分区的所述铰接液压缸的有杆腔与回油连通，以控制所有所述铰接液压缸整体释放；

控制所有所述第一换向阀、所述第二换向阀或所述第三换向阀、所述释放阀失电，控制所述缩回阀得电，使四个分区的所述铰接液压缸与油源连通，以控制所有所述铰接液压缸整体缩回。

在使用本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统的过程中，不仅可以控制多个铰接液压缸整体收回或整体释放，当铰接液压缸的行程差较大时或液压缸出现极端工况时，还可以通过控制第一换向阀，缩回、释放油路以及减压、锁压油路的动作实现分区收回或分区释放。

当需要分区收回时，通过控制第一换向阀，使需要被收回的铰接液压缸的有杆腔直接与缩回、释放油路的油源连通，此时与需要被收回的铰接液压缸的有杆腔连通的油源的压力较大，可以使需要被收回的铰接液压缸的有杆腔的压力增加，使需要被收回的铰接液压缸收回；使不需要被收回的铰接液压缸的有杆腔通过减压、锁压油路与缩回、释放油路连通，由于需要被收回的铰接液压缸收回的过程中，会带动其它液压缸的有杆腔动作，此时经减压、锁压油路减压之后的液压油压力较小，不会使不需要被收回的铰接液压缸的有杆腔缩回，但是减压之后的液压油的流入，可以平衡不需要被收回的铰接液压缸因需要被收回的铰接液压缸的收回而带来的移动，即实现补油。

当需要分区释放时，通过控制第一换向阀，使需要被释放的铰接液压缸的有杆腔直接与缩回、释放油路的回油油路连通，使需要被释放的铰接液压缸的有杆腔中的液压油可以流出实现回油，使需要被释放的铰接液压缸的有杆腔的压力减小，使需要被释放的铰接液压缸在外负载力作用下伸出；使不需要被释放的铰接液压缸的有杆腔通过减压、锁压油路与缩回、释放油路连通，由于需要被释放的铰接液压缸释放的过程中，减压、锁压油路此处关闭状态，可以避免油源进入不需要被释放的铰接液压缸的有杆腔，同时不需要被释放的铰接液压缸的有杆腔中的液压油也不会流出，实现锁压，从而实现分区释放。

相比于现有技术，本发明提供的盾构机被动铰接液压控制系统打破了现有盾构机被动铰接系统使用上的局限性，使盾尾姿态由被动不可控变成可控，改善了盾构机应对施工过程中突发不良施工问题的能力和隧道衬砌工况，提高了管片拼装作业效率；并且可以实现分区收回和分区释放，使使用者可以提前做出转弯预判，及时纠偏，避免被动铰接液压缸行程差过大，甚至出现极限工况，提高了液压缸使用寿命和隧道施工质量。

此外，本发明还公开了一种适用于上述盾构机被动铰接液压控制系统的控制方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为安装有本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统的中盾与盾尾的连接关系的具体实施例的结构示意图；

图2为本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统中铰接液压缸的分布示意图；

图3为本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统的控制原理的具体实施例一的液压结构示意图；

图4为本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统的控制原理的具体实施例二的液压结构示意图。

图1-4中：

01为中盾、02盾尾、03为盾尾刷、04为推进液压缸、05为铰接密封、06为衬砌管片、1为第一换向阀、2为铰接液压缸、3为释放阀、4为缩回阀、5为低压油源、6为高压油源、7为第二回油油路、8为第二换向阀、9为减压阀、10为第一安全阀、11为单向阀、12为第三换向阀、13为先导型比例减压阀、14为第一回油油路、15为第二安全阀。

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做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。

本发明的核心是提供一种盾构机被动铰接液压控制系统，可以实现分区收回和分区释放；也可以实现整体收回和整体释放；使用者可以提前做出转弯预判，及时纠偏，避免被动铰接液压缸行程差过大，甚至出现极限工况，提高了液压缸使用寿命和隧道衬砌质量及效率。本发明的另一核心是提供一种适用于上述盾构机被动铰接液压控制系统的控制方法。

请参考图1-4，图1为安装有本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统的中盾与盾尾的连接关系的具体实施例的结构示意图；图2为本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统中铰接液压缸的分布示意图；图3为本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统的控制原理的具体实施例一的液压结构示意图；图4为本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统的控制原理的具体实施例二的液压结构示意图。

本具体实施例提供了一种盾构机被动铰接液压控制系统，包括：至少两个第一换向阀1，用于与铰接液压缸2的有杆腔连接；第一回油油路14，用于与铰接液压缸2的无杆腔连接；缩回、释放油路，用于与第一换向阀1连接，为有杆腔提供油源或使有杆腔通回油；减压、锁压油路，用于与第一换向阀1连接，为有杆腔提供减压之后的油源液压油或使有杆腔实现锁压；且第一换向阀1处于断电状态或得电状态中的一者时，有杆腔直接与缩回、释放油路连通，以使有杆腔缩回或释放；第一换向阀1处于断电状态或得电状态中的另一者时，有杆腔通过减压、锁压油路与缩回、释放油路连通，以使有杆腔保持不变；与同一第一换向阀1连接的铰接液压缸2的有杆腔串联连接，与不同的第一换向阀1连接的铰接液压缸2的有杆腔并联连接。

在使用本具体实施例所提供的盾构机被动铰接液压控制系统的过程中，不仅可以控制多个铰接液压缸2整体收回或整体释放，当铰接液压缸2的行程差较大时或出现极限工况时，还可以通过控制第一换向阀1，缩回、释放油路以及减压、锁压油路的动作实现分区收回或分区释放。

当需要分区收回时，通过控制第一换向阀1，使需要被收回的铰接液压缸2的有杆腔直接与缩回、释放油路的油源连通，此时与需要被收回的铰接液压缸2的有杆腔连通的油源的压力较大，可以使需要被收回的铰接液压缸2的有杆腔的压力升高，使需要被收回的铰接液压缸2收回；使不需要被收回的铰接液压缸2的有杆腔通过减压、锁压油路与缩回、释放油路连通，由于需要被收回的铰接液压缸2收回的过程中，会带动其它液压缸的有杆腔动作，此时经减压、锁压油路减压之后的液压油压力较小，不会使不需要被收回的铰接液压缸2的有杆腔缩回，但由于减压之后的液压油的流入，可以平衡不需要被收回的铰接液压缸2因需要被收回的铰接液压缸2的收回而带来的移动，实现补油。

当需要分区释放时，通过控制第一换向阀1，使需要被释放的铰接液压缸2的有杆腔直接与缩回、释放油路的回油油路连通，使需要被释放的铰接液压缸2的有杆腔中的液压油可以通回油泄压，使需要被释放的铰接液压缸2的有杆腔的压力减小，从而使需要被释放的铰接液压缸2在外负载力的作用下伸出。使不需要被释放的铰接液压缸2的有杆腔通过减压、锁压油路与缩回、释放油路连通，由于需要被释放的铰接液压缸2释放的过程中，减压、锁压油路此处关闭状态，可以避免油源进入不需要被释放的铰接液压缸2的有杆腔，同时不需要被释放的铰接液压缸2的有杆腔中的液压油也不会流出，实现锁压，从而实现分区释放。

相比于现有技术，本具体实施例提供的盾构机被动铰接液压控制系统打破了现有盾构机被动铰接系统使用上的局限性，使盾尾02姿态由被动不可控变成可控，改善了盾构机应对施工过程中突发不良施工问题的能力和隧道衬砌工况，提高了衬砌管片06拼装作业效率；并且可以实现分区收回和分区释放，使使用者可以提前做出转弯预判，及时纠偏，避免被动铰接液压缸行程差过大，甚至出现极限工况，提高了液压缸使用寿命和隧道施工质量。

需要进行说明的是，如图1、2所示，铰接液压缸2一般用于连接中盾01与盾尾02，盾尾02设置有盾尾刷03，还包括用于推进盾构机前进的推进液压缸04，以及用于使中盾01与盾尾02的铰接连接处密封的铰接密封05；并且沿周向设置有多个铰接液压缸2，在设置控制系统的过程中，可以将铰接液压缸2设置为至少两个分区，通过控制各个分区的收回和释放，使盾构机实现绕竖直方向中心轴的左、右偏转和绕水平方向中心轴的上、下偏转。为了操作方便，还可以将铰接液压缸2划分为两个分区、四个分区、六个分区、八个分区，或其它的分区数量，具体根据实际情况确定。

如图2-4所示，优选的，可以将铰接液压缸2划分为四个分区，分别为A区、B区、C区、D区，其中各个分区中所包含的铰接液压缸2的数量需要根据铰接液压缸2在周向的分布位置确定，为了方便控制，同一分区的铰接液压缸2一般相邻设置，且在工作的过程中，盾构机一般会绕水平方向中心轴或竖直方向中心轴转动，因此，可以将A区、B区、C区、D区沿周向均匀分布，且A区、B区关于水平方向中心轴对称，C区、D区关于水平方向中心轴对称，A区、D区关于竖直方向中心轴对称，B区、C区关于竖直方向中心轴对称。

如图2-4所示，A区设置有三个铰接液压缸2、B区设置有四个铰接液压缸2、C区设置有四个铰接液压缸2、D区设置有三个铰接液压缸2，当然，还可以是其它数量的铰接液压缸2，具体根据实际情况确定。

为了方便控制，使A区、B区、C区、D区各个分区的铰接液压缸2串联之后再与对应的第一换向阀1连接，处于不同分区的铰接液压缸彼此并联连接，由不同的第一换向阀1控制。

为了方便控制，可以在任意一分区铰接液压缸2中均设置用于实时测量铰接液压缸2行程的行程传感器以及用于实时测量铰接液压缸2有杆腔压力的压力传感器。

如图2所示，每个分区中深颜色的铰接液压缸2内设置有行程传感器。

如图2-4所示，在控制各个分区铰接液压缸2分区缩回和分区释放的过程中，为了安全考虑，需要使相邻两个分区的铰接液压缸2同时收回或释放，可以通过PLC程序进行控制，例如，分区数量为四个时，需要控制相邻两组同时缩回或释放，在分区数量为八个时，且各个分区沿周向均匀分布的情况下，需要控制相邻四个分区同时缩回或释放；优选的，相邻的四个分区位于竖直方向中心轴或水平方向中心轴的同一侧。

在上述实施例的基础上，可以使缩回、释放油路包括缩回油路和释放油路，且缩回油路包括缩回阀4和与缩回阀4连接的油源；释放油路包括释放阀3和与释放阀3连接的第二回油油路7；且释放阀3和缩回阀4均与第一换向阀1连接。

在使用的过程中，当铰接液压缸2与缩回、释放油路直接连通的情况下，若释放阀3处于得电状态、缩回阀4处于失电状态，则铰接液压缸2的有杆腔与第二回油油路7连通，可以实现回油，使铰接液压缸2有杆腔泄压，在外负载力的作用下实现释放；若释放阀3处于失电状态，缩回阀4处于得电状态，则铰接液压缸2的有杆腔与油源连通，可以使油源提供的液压油进入有杆腔，使铰接液压缸2有杆腔压力升高，克服外负载力实现收回。

优选的，可以使油源包括低压油源5和高压油源6，在盾尾02所受外负载较小时由低压油源5供油，并且在盾尾所受外负载较大时，由高压油源6供油，合理利用盾构机功率，节能高效；盾尾02所受的负载大小可以通过各个分区中的压力传感器进行实时测量，并通过PLC控制油源的切换。

优选的，可以在第二回油油路7设置第二安全阀15，起压力保护作用。

如图3所示，可以使减压、锁压油路包括第二换向阀8、与第二换向阀8连接的减压阀9以及与减压阀9连接的单向阀11，第二换向阀8与缩回、释放油路连接，单向阀11与第一换向阀1连接；有杆腔通过减压、锁压油路与缩回、释放油路连通，且第二换向阀8、减压阀9和单向阀11均处于打开状态下，减压之后的油源液压油经第一换向阀1流入有杆腔；有杆腔通过减压、锁压油路与缩回、释放油路连通，第二换向阀8、减压阀9和单向阀11均处于闭合状态下，有杆腔实现锁压。

在具体操作的过程中，当盾构机掘进过程中某分区铰接液压缸2行程接近完全伸出状态，需要使A区、B区、C区、D区所对应的铰接液压缸2整体收回，此时需要使A区、B区、C区、D区所对应的第一换向阀1全部失电，第二换向阀8、释放阀3失电，缩回阀4得电，A区、B区、C区、D区四个分区所对应的铰接液压缸2的有杆腔均与油源直接连通，实现整体收回。

当盾构机掘进过程中某分区铰接液压缸2行程接近完全缩回状态，此时需要整体被动释放铰接液压缸2，使A区、B区、C区、D区所对应的铰接液压缸2整体释放，此时需要使A区、B区、C区、D区所对应的第一换向阀1全部失电，第二换向阀8、缩回阀4失电，释放阀3得电，A区、B区、C区、D区四个分区所对应的铰接液压缸2的有杆腔均与第二回油油路7连通泄压，在外负载力作用下实现整体释放。

假设盾构机正在上坡掘进，A、D分区铰接液压缸2行程为零，B、C分区铰接液压缸2行程达到最大，铰接液压缸2行程差过大，使用分区收回功能，主动收回行程较大的B、C分区铰接液压缸2，使A、D分区对应的第一换向阀1得电，B、C分区对应的第一换向阀1失电，同时使第二换向阀8、减压阀9、缩回阀4得电，释放阀3失电，使B、C分区中的铰接液压缸2的有杆腔直接与油源连通，油源中的液压油经缩回阀4、第一换向阀1进入B、C分区中的铰接液压缸2的有杆腔，压力升高，使其克服外负载缩回；由于使A、D分区对应的第一换向阀1得电状态，使A、D分区对应的铰接液压缸2的有杆腔与减压、锁压油路连通，油源中的液压油经第二换向阀8、减压阀9、单向阀11流入A、D分区对应的铰接液压缸2的有杆腔，由于经减压阀9减压之后的液压油的压力较小，可认为不能够使有杆腔收回，但是由于盾尾02结构是一个整体圆环钢套筒，当B、C分区对应的铰接液压缸2的有杆腔收回的过程中，会带动A、D分区对应的铰接液压缸2的有杆腔运动，通过减压、锁压油路向A、D分区对应的铰接液压缸2的有杆腔输送减压之后的液压油，可以平衡B、C分区对应的铰接液压缸2的有杆腔收回而带来的A、D分区对应的铰接液压缸2的有杆腔的移动，即补油工况，实现铰接液压缸2的分区收回。

当然，还可以通过控制不同的阀体的开关，实现A、B分区，或A、D分区，或C、D分区的分区收回，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

假设盾构机正在掘进中转弯或纠偏，当出现分区铰接液压缸2行程为零的工况，需要使用分区释放功能，将没有行程或行程较小的分区铰接液压缸2释放出来。假设A、D分区铰接液压缸2处于完全缩回状态，此时需要使A、D分区铰接液压缸2释放出来。需要使B、C分区对应的第一换向阀1以及释放阀3得电，使A、D分区对应的第一换向阀1、第二换向阀8、减压阀9、缩回阀4失电，A、D分区对应的铰接液压缸2的有杆腔与第二回油油路7连通，可以实现回油泄压，从而使A、D分区对应的铰接液压缸2的有杆腔在外负载力的作用下释放出来；此时，由于第二换向阀8、减压阀9均处于失电状态，且单向阀11只可以实现向B、C分区对应的铰接液压缸2的有杆腔供油，不可以回流，使B、C分区对应的铰接液压缸2的有杆腔中的液压油既不可以流入、也不可以流出，实现锁压，以实现分区释放功能。

当然，还可以通过控制不同的阀体的开关，实现A、B分区，或B、C分区，或C、D分区的分区释放，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

优选的，第一换向阀1、第二换向阀8和第三换向阀12均为两位三通换向阀，减压阀9为先导型减压阀，释放阀3和缩回阀4为两位两通电磁换向阀。

优选的，可以还包括设置于减压、锁压油路的第一安全阀10，在分区释放工况下，起压力保护作用。

在上述实施例的基础上，如图4所示，可以使减压、锁压油路包括第三换向阀12和与第三换向阀12连接的先导型比例减压阀13，且液压油在先导型比例减压阀13内只可单向流动。

在使用的过程中，当盾构机掘进过程中某分区铰接液压缸2行程接近完全伸出状态，需要使A区、B区、C区、D区所对应的铰接液压缸2整体收回，此时需要使A区、B区、C区、D区所对应的第一换向阀1全部失电，第三换向阀12、释放阀3失电，缩回阀4得电，A区、B区、C区、D区四个分区所对应的铰接液压缸2的有杆腔均与油源直接连通，实现整体收回。

当盾构机掘进过程中某分区铰接液压缸2行程接近完全缩回状态，此时需要整体被动释放铰接液压缸2，使A区、B区、C区、D区所对应的铰接液压缸2整体释放，此时需要使A区、B区、C区、D区所对应的第一换向阀1全部失电，第三换向阀12、缩回阀4失电，释放阀3得电，A区、B区、C区、D区四个分区所对应的铰接液压缸2的有杆腔均与第二回油油路7连通，实现整体释放。

假设盾构机当前正在上坡掘进，A、D分区铰接液压缸2行程为零，B、C分区铰接液压缸2行程达到最大，使用分区收回功能，主动收回行程较大的B、C分区铰接液压缸2，使阀A、D分区对应的第一换向阀1、第三换向阀12、缩回阀4得电，B、C分区对应的第一换向阀1、释放阀3失电，PLC控制先导型比例减压阀13输出较小电流，B、C分区铰接液压缸2的有杆腔正常与油源相通，使油源中的液压油可进入B、C分区铰接液压缸2的有杆腔，实现B、C分区铰接液压缸2的缩回，A、D分区铰接液压缸2的有杆腔则与经过先导型比例减压阀13降压后的低压油路相通，压力很小不能主动使铰接液压缸2缩回。由于盾尾02结构是一个整体圆环套筒，当B、C分区铰接液压缸2拉动盾尾02运动时，A、D分区铰接液压缸2也会轻微跟随运动，此时通过阀第三换向阀12和先导型比例减压阀13给A、D分区铰接液压缸2的有杆腔补油，实现铰接液压缸分区收回功能。

当然，还可以通过控制不同的阀体的开关，实现A、B分区，或A、D分区，或C、D分区的分区收回，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

假设盾构机正在掘进中转弯或纠偏，当出现分区铰接液压缸2行程为零的工况时使用分区释放功能。假设A、D分区铰接液压缸2行程为零，使B、C分区对应的第一换向阀1、释放阀3得电，使A、D分区对应的第一换向阀1、第三换向阀12失电，PLC控制先导型比例减压阀13输出较大电流，将A、D分区铰接液压缸2的有杆腔通过与第二回油油路7相通泄压，则A、D分区铰接液压缸2在外负载的作用下慢慢被拉出来，液压缸行程变长；此时，由于先导型比例减压阀13具有逆向锁止的功能，液压油不可以通过先导型比例减压阀13由有杆腔流出，同时第三换向阀12关闭，因此B、C分区铰接液压缸2有杆腔内的压力油通过阀B、C分区对应的第一换向阀1、先导型比例减压阀13实现锁压，故不会被拉出，实现铰接液压缸2的分区释放功能。

当然，还可以通过控制不同的阀体的开关，实现A、B分区，或B、C分区，或C、D分区的分区释放，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

上述实施例中先导型比例减压阀13的控制电流的大小与释放阀3、缩回阀4相关联，当释放阀3得电时，先导型比例减压阀13输出较大的控制电流，当缩回阀4得电时，先导型比例减压阀13输出较小的控制电流，上述电流的输出情况，可通过PLC控制系统进行控制。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的图3、4所示方案，只是若干可行方案中的两个具体实施例，任何参照本申请文件所提供思路所提供的另外的实施例，均在本申请文件的保护范围内。

除了上述盾构机被动铰接液压控制系统，本发明还提供一种适用于上述实施例公开的盾构机被动铰接液压控制系统的控制方法，包括：

步骤S1，判断铰接液压缸2是否出现极限工况；若是，则控制铰接液压缸2整体释放或整体收回，若否，则进入步骤S2。

步骤S2，判断铰接液压缸2的行程差或行程是否大于或等于预设值，若是，则进入步骤S3，若否则进入步骤S4；

在上述步骤S2中，行程差的预设值需要事先设定，并且在判断的过程中，需要根据不同的铰接液压缸2的释放、收回情况，判断具体是分区收回还是分区释放。

步骤S3，控制铰接液压缸2分区释放或分区收回。

步骤S4，恢复至整体被动铰接控制工况，不再人为主动干预铰接液压缸2分区行程。

在上述步骤S3中，控制铰接液压缸2分区释放时，使需要释放的铰接液压缸2的有杆腔与缩回、释放油路中的第二回油路连通泄压，使另外的铰接液压缸2的有杆腔通过减压、锁压油路实现锁压；

控制铰接液压缸2分区收回时，使需要收回的铰接液压缸2的有杆腔与缩回、释放油路中的油源连通，通过减压、锁压油路向另外的铰接液压缸2的有杆腔注入减压之后的油源液压油。

在上述实施例的基础上，上述步骤S3包括：

步骤S31，判断是否存在铰接液压缸2的行程接近完全伸出状态，若是，则控制铰接液压缸2分区收回液压缸行程较大的区域；若否，则进入步骤S32；

步骤S32，判断是否存在铰接液压缸2的行程接近完全缩回状态，若是，则控制铰接液压缸2分区释放液压缸行程较小的区域；若否，则进入步骤S4。

上述步骤S31中控制铰接液压缸2分区收回液压缸行程较大的区域，包括：

在图3所示的控制原理图的情况下，控制液压缸行程较大的区域所对应的第一换向阀1、释放阀3失电，控制其余第一换向阀1、缩回阀4和第二换向阀8得电，以使液压缸行程较大的区域的铰接液压缸2的有杆腔与油源接通，实现液压缸行程较大的区域的铰接液压缸2的收回。

在图4所示的控制原理图的情况下，控制液压缸行程较大的区域所对应的第一换向阀1、释放阀3失电，控制其余第一换向阀1、缩回阀4和第三换向阀12得电，控制先导型比例减压阀13输出较小电流，以使液压缸行程较大的区域的铰接液压缸2的有杆腔与油源接通，实现液压缸行程较大的区域的铰接液压缸2的收回。

上述步骤S32中控制铰接液压缸2分区释放液压缸行程较小的区域，包括：

在图3所示的控制原理图的情况下，控制液压缸行程较小的区域所对应的第一换向阀1、缩回阀4、第二换向阀8失电，控制其余第一换向阀1、释放阀3得电，使液压缸行程较小的区域的铰接液压缸2的有杆腔与回油连通，实现液压缸行程较小的区域的铰接液压缸2的释放。

在图4所示的控制原理图的情况下，控制液压缸行程较小的区域所对应的第一换向阀1、第三换向阀12、缩回阀4失电，控制其余第一换向阀1、释放阀3得电，控制先导型比例减压阀13输出较大电流，以使液压缸行程较小的区域的铰接液压缸2的有杆腔与回油接通，实现液压缸行程较小的区域的铰接液压缸2的释放。

上述步骤S1中，控制铰接液压缸2整体释放或整体收回，包括：

控制铰接液压缸2整体释放，即控制所有第一换向阀1、第二换向阀8或第三换向阀12、缩回阀4失电，控制释放阀3得电，使四个分区的铰接液压缸2的有杆腔与回油连通，以控制所有铰接液压缸2整体释放；此处控制所有第一换向阀1、第二换向阀8或第三换向阀12、缩回阀4失电是指在图3所示的控制原理图的情况下，则控制所有第一换向阀1、第二换向阀8、缩回阀4失电，在图4所示的控制原理图的情况下，则控制所有第一换向阀1、第三换向阀12、缩回阀4失电。

控制所有第一换向阀1、第二换向阀8或第三换向阀12、释放阀3失电，控制缩回阀4得电，使四个分区的铰接液压缸2与油源连通，以控制所有铰接液压缸2整体缩回。其中控制所有第一换向阀1、第二换向阀8或第三换向阀12、释放阀3失电是指，在图3所示的控制原理图的情况下，则控制所有第一换向阀1、第二换向阀8、释放阀3失电，在图4所示的控制原理图的情况下，则控制所有第一换向阀1、第三换向阀12、释放阀3失电。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的控制先导型比例减压阀13输出较大电流、控制先导型比例减压阀13输出较小电流中的较大电流和较小电流是一种相对的关系，即较大电流大于较小电流，具体的电流数值需要根据实际情况确定；此外，本申请文件中提到的液压缸行程较小的区域和液压缸行程较大的区域中的较小的区域与较大的区域也是一种相对关系，在行程差或行程是否大于或等于预设值，此时铰接液压缸2的行程较大或较小的区域，具体的参考值需要根据实际情况确定，在此不做赘述。

上述步骤中提到的整体被动铰接控制工况为所有第一换向阀1、第二换向阀8、释放阀3、收缩阀均处于失电状态，即所有铰接液压缸有杆腔串联在一起，铰接液压缸行程差被动跟随盾构机掘进姿态变化。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一换向阀1、第二换向阀8和第三换向阀12，第一回油油路14和第二回油油路7中的第一、第二和第三只是为了区分位置的不同，并没有先后顺序之分。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的盾构机被动铰接液压控制系统及控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1.一种盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，包括：

至少两个第一换向阀(1)，用于与铰接液压缸(2)的有杆腔连接；

第一回油油路(14)，用于与所述铰接液压缸(2)的无杆腔连接；

缩回、释放油路，用于与所述第一换向阀(1)连接，以为所述有杆腔提供油源或使所述有杆腔通回油；

减压、锁压油路，用于与所述第一换向阀(1)连接，为所述有杆腔提供减压之后的所述油源液压油或使所述有杆腔实现锁压；

且所述第一换向阀(1)处于断电状态或得电状态中的一者时，所述有杆腔直接与所述缩回、释放油路连通，以使所述有杆腔缩回或释放；

所述第一换向阀(1)处于断电状态或得电状态中的另一者时，所述有杆腔通过所述减压、锁压油路与所述缩回、释放油路连通，以使所述有杆腔通低压油源而保持不动；

与同一所述第一换向阀(1)连接的所述铰接液压缸(2)的有杆腔串联连接，与不同的所述第一换向阀(1)连接的所述铰接液压缸(2)的有杆腔并联连接。

2.根据权利要求1所述的盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，所述缩回、释放油路包括缩回油路和释放油路，且所述缩回油路包括缩回阀(4)和与所述缩回阀(4)连接的油源；所述释放油路包括释放阀(3)和与所述释放阀(3)连接的第二回油油路(7)；且所述释放阀(3)和所述缩回阀(4)均与所述第一换向阀(1)连接。

3.根据权利要求2所述的盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，所述油源包括低压油源(5)和高压油源(6)，且所述低压油源(5)和所述高压油源(6)可选择的与所述缩回阀(4)连接。

4.根据权利要求1所述的盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，所述减压、锁压油路包括第二换向阀(8)、与所述第二换向阀(8)连接的减压阀(9)以及与所述减压阀(9)连接的单向阀(11)，所述第二换向阀(8)与所述缩回、释放油路连接，所述单向阀(11)与所述第一换向阀(1)连接；

所述有杆腔通过所述减压、锁压油路与所述缩回、释放油路连通，且所述第二换向阀(8)、所述减压阀(9)和所述单向阀(11)均处于打开状态下，减压之后的所述油源液压油经所述第一换向阀(1)流入所述有杆腔；

所述有杆腔通过所述减压、锁压油路与所述缩回、释放油路连通，所述第二换向阀(8)、所述减压阀(9)和所述单向阀(11)均处于闭合状态下，所述有杆腔实现锁压。

5.根据权利要求4所述的盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，还包括设置于所述减压、锁压油路的第一安全阀(10)。

6.根据权利要求1所述的盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，所述减压、锁压油路包括第三换向阀(12)和与所述第三换向阀(12)连接的先导型比例减压阀(13)，且液压油在所述先导型比例减压阀(13)内只可单向流动。

7.根据权利要求1-6任一项所述的盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，所述第一换向阀(1)的数量为四个，且所述铰接液压缸(2)沿盾尾(02)的周向分为四组分区，四组所述铰接液压缸(2)与所述第一换向阀(1)一一对应连接。

8.根据权利要求7所述的盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，任意一组所述铰接液压缸(2)中均设置有用于实时测量所述铰接液压缸(2)行程的行程传感器以及用于实时测量所述铰接液压缸(2)有杆腔压力的压力传感器。

9.一种控制方法，适用于上述权利要求1-8任一项的盾构机被动铰接液压控制系统，其特征在于，包括：

步骤S1，判断所述铰接液压缸(2)是否出现极限工况；若是，则控制所述铰接液压缸(2)整体释放或整体收回，若否，则进入步骤S2；

步骤S2，判断所述铰接液压缸(2)的行程差或行程是否大于或等于预设值，若是，则进入步骤S3，若否则进入步骤S4；

步骤S3，控制所述铰接液压缸(2)分区释放或分区收回；

步骤S4，恢复至整体被动铰接控制工况，不再人为主动干预铰接液压缸(2)分区行程。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述铰接液压缸(2)分区释放或分区收回，包括：

步骤S31，判断是否存在所述铰接液压缸(2)的行程接近完全伸出状态，若是，则控制所述铰接液压缸(2)分区收回液压缸行程较大的区域；若否，则进入步骤S32；

步骤S32，判断是否存在所述铰接液压缸(2)的行程接近完全缩回状态，若是，则控制所述铰接液压缸(2)分区释放液压缸行程较小的区域；若否，则进入步骤S4。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述铰接液压缸(2)分区收回液压缸行程较大的区域，包括：

控制所述液压缸行程较大的区域所对应的第一换向阀(1)、释放阀(3)失电，控制其余所述第一换向阀(1)、缩回阀(4)和第二换向阀(8)得电，以使所述液压缸行程较大的区域的所述铰接液压缸(2)的有杆腔与油源接通，实现所述液压缸行程较大的区域的所述铰接液压缸(2)的收回；

或控制所述液压缸行程较大的区域所对应的第一换向阀(1)、释放阀(3)失电，控制其余所述第一换向阀(1)、缩回阀(4)和第三换向阀(12)得电，控制先导型比例减压阀(13)输出较小电流，以使所述液压缸行程较大的区域的所述铰接液压缸(2)的有杆腔与油源接通，实现所述液压缸行程较大的区域的所述铰接液压缸(2)的收回。

12.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述铰接液压缸(2)分区释放液压缸行程较小的区域，包括：

控制所述液压缸行程较小的区域所对应的第一换向阀(1)、缩回阀(4)、第二换向阀(8)失电，控制其余所述第一换向阀(1)、释放阀(3)得电，使所述液压缸行程较小的区域的所述铰接液压缸(2)的有杆腔与回油连通，实现所述液压缸行程较小的区域的所述铰接液压缸(2)的释放；

或控制所述液压缸行程较小的区域所对应的第一换向阀(1)、第三换向阀(12)、缩回阀(4)失电，控制其余所述第一换向阀(1)、释放阀(3)得电，控制先导型比例减压阀(13)输出较大电流，以使所述液压缸行程较小的区域的所述铰接液压缸(2)的有杆腔与回油接通，实现所述液压缸行程较小的区域的所述铰接液压缸(2)的释放。

13.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述铰接液压缸(2)分区收回或分区释放，包括：

控制所述铰接液压缸(2)分区收回时，使需要收回的所述铰接液压缸(2)的有杆腔与缩回、释放油路中的油源连通，通过减压、锁压油路向另外的所述铰接液压缸(2)的有杆腔注入减压之后的油源液压油；

控制所述铰接液压缸(2)分区释放时，使需要释放的所述铰接液压缸(2)的有杆腔与缩回、释放油路中的第二回油路连通泄压，使另外的所述铰接液压缸(2)的有杆腔通过减压、锁压油路实现锁压。

14.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述铰接液压缸(2)整体释放或整体收回包括：

控制所有第一换向阀(1)、第二换向阀(8)或第三换向阀(12)、缩回阀(4)失电，控制释放阀(3)得电，使四个分区的所述铰接液压缸(2)的有杆腔与回油连通，以控制所有所述铰接液压缸(2)整体释放；

控制所有所述第一换向阀(1)、所述第二换向阀(8)或所述第三换向阀(12)、所述释放阀(3)失电，控制所述缩回阀(4)得电，使四个分区的所述铰接液压缸(2)与油源连通，以控制所有所述铰接液压缸(2)整体缩回。

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