CN113606205B - 一种基于分布式主动柱塞的tbm撑靴装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式主动柱塞的TBM撑靴装置，其特征在于，包括双作用单出杆液压缸和撑靴机架，所述撑靴机架上设有多个双作用单出杆液压缸和导向套筒，所述导向套筒中设有末端支撑体，所述末端支撑体上设有复位弹簧，末端支撑体与双作用单出杆液压缸之间直接接触，所述双作用单出杆液压缸与液压回路连接。其优点在于，在实现撑靴液压系统撑紧功能的前提下，可以将撑靴油缸的推力通过分布式主动柱塞均匀的加载到围岩内壁，可以有效的避免撑靴机构的应力集中，并提高撑靴机构的最大静摩擦力，对避免撑靴打滑有重要意义。

Description

一种基于分布式主动柱塞的TBM撑靴装置
技术领域
本发明涉及一种应用于撑靴末端的分布式主动柱塞的TBM撑靴装置，属于应用于盾构机外围岩土支撑的液压控制系统。
背景技术
TBM撑靴装置及其液压系统是一种应用于盾构机外围岩土支撑的液压控制系统，传统TBM撑靴装置依靠外围撑靴铆钉实现与周围岩土的接触，无法实现将撑靴力均布在每个撑靴铆钉上，难以避免集中应力的出现，且撑靴机构的最大静摩擦力不足，现需要设计一种新型的分布式主动柱塞的TBM撑靴装置及其液压系统。
发明内容
基于上述问题，本申请设计了一套新型的分布式主动柱塞的TBM撑靴装置。本系统设有十个均布在撑靴面的主动柱塞，每个主动柱塞均设有复位弹簧，每个主动柱塞基于一个双作用单出杆液压缸驱动，实现主动柱塞的恒力撑紧，避免了集中应力的产生。其技术方案为：
一种基于分布式主动柱塞的TBM撑靴装置，包括撑靴机架，所述撑靴机架上设有多个双作用单出杆液压缸和导向套筒，所述导向套筒中设有末端支撑体，所述末端支撑体上设有复位弹簧，末端支撑体与双作用单出杆液压缸之间直接接触，所述双作用单出杆液压缸与液压回路连接。
优选的，所述导向套筒末端设有台肩，台肩四周均布有螺纹孔，导向套筒内部设有环形凹槽用于安装复位弹簧；末端支撑体末端设有台肩用于限制其轴向位移和安装复位弹簧；复位弹簧设有预压缩量，在双作用单出杆液压缸不工作时，在复位弹簧的回复力作用下末端支撑体处于缩回状态。
优选的，所述液压回路包括油源、油箱、液控单向阀、单向阀和三位四通电磁换向阀，所述油源和油箱分别连接三位四通电磁换向阀的P口和T口，所述三位四通电磁换向阀A口连接液控单向阀的A口，三位四通电磁换向阀B口连接液控单向阀的C口和单向阀的B口，所述液控单向阀的B口与双作用单出杆液压缸的无杆腔连接，单向阀的A口通过安全溢流阀与双作用单出杆液压缸的无杆腔连接，所述单向阀的B口与双作用单出杆液压缸的有杆腔连接；所述双作用单出杆液压缸的无杆腔与液控单向阀之间设有压力传感器。
优选的，所述油源与三位四通电磁换向阀之间设有可变节流阀。
优选的，本设备的恒力撑紧与自锁步骤如下：
当TBM撑靴机构与围岩内壁撑紧后，三位四通电磁换向阀转换至右位，油源内的高压油经可变节流阀流入三位四通电磁换向阀，液压油经三位四通电磁换向阀后流入液控单向阀，液压油经液控单向阀后分别流入压力传感器和双作用单出杆液压缸的无杆腔，在无杆腔内的液压油的作用下，双作用单出杆液压缸做伸出运动，双作用单出杆液压缸有杆腔内的液压油经三位四通电磁换向阀流回油箱，双作用单出杆液压缸的运动通过运动副传递至末端支撑体，末端支撑体做伸出运动，复位弹簧不断压缩，当末端支撑体与周围岩土接触并撑紧后，三位四通电磁换向阀转换至中位，此时液控单向阀处于单向导通状态，双作用单出杆液压缸的无杆腔处于断开状态，双作用单出杆液压缸的无杆腔内的液压油无法流出。
当围岩内壁对双作用单出杆液压缸的作用力过大时，双作用单出杆液压缸无杆腔内的液压油的压力达到安全溢流阀的预设值，双作用单出杆液压缸无杆腔内的液压油经安全溢流阀后流出，安全溢流阀流出的液压油经单向阀流入三位四通电磁换向阀，液压油经三位四通电磁换向阀后流回油箱，实现分布式主动柱塞的TBM撑靴装置恒力撑紧与自锁功能。
优选的，分布式主动柱塞的TBM撑靴装置复位功能步骤如下：
三位四通电磁换向阀转换至左位，油源内的高压油经可变节流阀流入三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀流出的液压油分别经液控单向阀的C口流入液控单向阀，使得液控单向阀处于双向导通状态，经双作用单出杆液压缸的B口流入双作用单出杆液压缸的有杆腔，双作用单出杆液压缸做缩回运动，双作用单出杆液压缸的无杆腔内的液压油流入液控单向阀，液压油经液控单向阀后流入三位四通电磁换向阀，液压油经三位四通电磁换向阀后直接流回油箱，在复位弹簧的作用下末端支撑体做缩回运动，末端支撑体与周围岩土发生脱离，实现分布式主动柱塞的TBM撑靴装置复位功能。
有益效果
1.针对上述问题，本申请设计了一套新型的分布式主动柱塞的TBM撑靴装置。本系统设有十个均布在撑靴机架上的末端支撑体，每个末端支撑体均设有复位弹簧，每个末端支撑体基于一个双作用单出杆液压缸驱动，实现末端支撑体的恒力撑紧，避免了集中应力的产生。
2.在分布式主动柱塞的TBM撑靴装置撑紧功能的前提下，可以将撑靴油缸的推力通过分布式主动柱塞均匀的加载到围岩内壁，可以有效的避免撑靴机构的应力集中，并提高撑靴机构的最大静摩擦力，对避免撑靴打滑有重要意义。
附图说明
图1为本申请结构示意图；
图2为图1中A部分的放大图；
图3为液压回路原理图；
其中1-压力传感器，2-双作用单出杆液压缸一，3-双作用单出杆液压缸二，4-双作用单出杆液压缸三，5-双作用单出杆液压缸四，6-双作用单出杆液压缸五，7-可变节流阀，8-三位四通电磁换向阀，9-液控单向阀，10-安全溢流阀，11-单向阀，12-双作用单出杆液压缸六，13-双作用单出杆液压缸七，14-双作用单出杆液压缸八，15-双作用单出杆液压缸九，16-双作用单出杆液压缸十，17-油源，18-油箱，19-末端支撑体，20-导向套筒，21-撑靴机架，22-复位弹簧。
具体实施方式
以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
一种基于分布式主动柱塞的TBM撑靴装置，包括撑靴机架21，所述撑靴机架21上均匀分布十个双作用单出杆液压缸(分别标记为双作用单出杆液压缸一2、双作用单出杆液压缸二3、双作用单出杆液压缸三4、双作用单出杆液压缸四5、双作用单出杆液压缸五6、双作用单出杆液压缸六12、双作用单出杆液压缸七13、双作用单出杆液压缸八14、双作用单出杆液压缸九15、双作用单出杆液压缸十16)和与之匹配的导向套筒，以双作用单出杆液压缸一2的安装为例，所述导向套筒20中设有末端支撑体19，所述末端支撑体19上设有复位弹簧22，末端支撑体19与双作用单出杆液压缸2之间直接接触，两者之间属于运动副连接关系，所述双作用单出杆液压缸2与液压回路连接。所述导向套筒20末端设有固定台肩20-1，固定台肩20-1四周均布有螺纹孔，导向套筒20内部设有环形凹槽用于安装复位弹簧22；末端支撑体19的末端设有限位台肩19-1用于限制其轴向位移和安装复位弹簧22；复位弹簧22设有预压缩量，在双作用单出杆液压缸不工作时，在复位弹簧22的回复力作用下末端支撑体19处于缩回状态。
为了清楚的表述个部件之间的连接关系，附图1标号采用部件编号加字母的表示方式，如三位四通电磁换向阀8的A口在图中标记为8A，三位四通电磁换向阀8的B口在图中标记为8B,三位四通电磁换向阀8的P口在图中标记为8P，三位四通电磁换向阀8的T口在图中标记为8T。
系统液压回路：油箱17与可变节流阀7的A口(7A)相连；可变节流阀7的B口(7B)与三位四通电磁换向阀8的P口(8P)相连；油箱18与三位四通电磁换向阀8的T口(8T)相连；三位四通电磁换向阀8的A口(8A)与液控单向阀9的A口(9A)相连；三位四通电磁换向阀8的B口(8B)分别与液控单向阀9的C口(9C)，单向阀11的B口(11B)，双作用单出杆液压缸一2的B口(2B)，双作用单出杆液压缸二3的B口(3B)，双作用单出杆液压缸三4的B口(4B)，双作用单出杆液压缸四5的B口(5B)，双作用单出杆液压缸五6的B口(6B)，双作用单出杆液压缸六12的B口(12B)，双作用单出杆液压缸七13的B口(13B)，双作用单出杆液压缸八14的B口(14B)，双作用单出杆液压缸九15的B口(15B)，双作用单出杆液压缸十16的B口(16B)相连；液控单向阀9的B口(9B)分别与压力传感器1的A口(1A)，安全溢流阀10的P口(10P)，双作用单出杆液压缸一2的A口(2A)，双作用单出杆液压缸二3的A口(3A)，双作用单出杆液压缸三4的A口(4A)，双作用单出杆液压缸四5的A口(5A)，双作用单出杆液压缸五6的A口(6A)，双作用单出杆液压缸六12的A口(12A)，双作用单出杆液压缸七13的A口(13A)，双作用单出杆液压缸八14的A口(14A)，双作用单出杆液压缸九15的A口(15A)，双作用单出杆液压缸十16的A口(16A)相连；安全溢流阀10的T口(10T)与单向阀11的A口(11A)相连。
三位四通电磁换向阀8处于中位时，其P口(8P)处于断开状态，T口(8T)、A口(8A)与B口(8B)处于连通状态；处于左位时，其P口(8P)与B口(8B)处于连通状态，其T口(8T)与A口(8A)处于连通状态；处于右位时，其P口(8P)与A口(8A)处于连通状态，其T口(8T)与B口(8B)处于连通状态。
液控单向阀9的C口(9C)与高压油连通时，其A口(9A)与B口(9B)处于双向导通状态；当其C口(9C)与油箱连通时，其A口(9A)与B口(9B)处于单向导通状态(A口(9A)至B口(9B)导通。
恒力撑紧与自锁功能：当TBM撑靴机构与围岩内壁撑紧后，三位四通电磁换向阀8转换至右位，油源17内的高压油经可变节流阀7的A口(7A)流入可变节流阀7，液压油经可变节流阀7的调节后由其B口(7B)流出，可变节流阀7的B口(7B)流出的液压油经三位四通电磁换向阀8的P口(8P)流入三位四通电磁换向阀8，液压油经三位四通电磁换向阀8后由其A口(8A)流出，三位四通电磁换向阀8的A口(8A)流出的液压油经液控单向阀9的A口(9A)流入液控单向阀9，液压油经液控单向阀9后由其B口(9B)流出，液控单向阀9的B口(9B)流出的液压油分别经压力传感器1的A口(1A)流入压力传感器1，经双作用单出杆液压缸一2的A口(2A)流入双作用单出杆液压缸一2的无杆腔，经双作用单出杆液压缸二3的A口(3A)流入双作用单出杆液压缸二3的无杆腔，经双作用单出杆液压缸三4的A口(4A)流入双作用单出杆液压缸三4的无杆腔，经双作用单出杆液压缸四5的A口(5A)流入双作用单出杆液压缸四5的无杆腔，经双作用单出杆液压缸五6的A口(6A)流入双作用单出杆液压缸五6的无杆腔，经双作用单出杆液压缸六12的A口(12A)流入双作用单出杆液压缸六12的无杆腔，经双作用单出杆液压缸七13的A口(13A)流入双作用单出杆液压缸七13的无杆腔，经双作用单出杆液压缸八14的A口(14A)流入双作用单出杆液压缸八14的无杆腔，经双作用单出杆液压缸九15的A口(15A)流入双作用单出杆液压缸九15的无杆腔，经双作用单出杆液压缸十16的A口(16A)流入双作用单出杆液压缸十16的无杆腔，在无杆腔内的液压油的作用下，双作用单出杆液压缸做伸出运动，双作用单出杆液压缸一2的有杆腔内的液压油经其B口(2B)流出，双作用单出杆液压缸二3的有杆腔内的液压油经其B口(3B)流出，双作用单出杆液压缸三4的有杆腔内的液压油经其B口(4B)流出，双作用单出杆液压缸四5的有杆腔内的液压油经其B口(5B)流出，双作用单出杆液压缸五6的有杆腔内的液压油经其B口(6B)流出，双作用单出杆液压缸六12的有杆腔内的液压油经其B口(12B)流出，双作用单出杆液压缸七13的有杆腔内的液压油经其B口(13B)流出，双作用单出杆液压缸八14的有杆腔内的液压油经其B口(14B)流出，双作用单出杆液压缸九15的有杆腔内的液压油经其B口(15B)流出，双作用单出杆液压缸十16的有杆腔内的液压油经其B口(16B)流出，所有双作用单出杆液压缸的B口流出的液压油一同经三位四通电磁换向阀8的B口(8B)流入三位四通电磁换向阀8，液压油经三位四通电磁换向阀8的后由其T口(8T)流回油箱18，所有双作用单出杆液压缸的运动通过运动副传递至相应的末端支撑体，末端支撑体做伸出运动，复位弹簧不断压缩，当末端支撑体与周围岩土接触并撑紧后，三位四通电磁换向阀8转换至中位，此时液控单向阀9处于单向导通状态，双作用单出杆液压缸一2的A口(2A)，双作用单出杆液压缸二3的A口(3A)，双作用单出杆液压缸三4的A口(4A)，双作用单出杆液压缸四5的A口(5A)，双作用单出杆液压缸五6的A口(6A)，双作用单出杆液压缸六12的A口(12A)，双作用单出杆液压缸七13的A口(13A)，双作用单出杆液压缸八14的A口(14A)，双作用单出杆液压缸九15的A口(15A)和双作用单出杆液压缸十16的A口(16A)均处于断开状态，双作用单出杆液压缸的无杆腔内的液压油无法流出，当围岩内壁对双作用单出杆液压缸的作用力过大时，双作用单出杆液压缸的无杆腔内的液压油的压力达到安全溢流阀10的预设值，液压油经安全溢流阀10的P口(10P)流入安全溢流阀10，液压油经安全溢流阀10后由其T口(10T)流出，安全溢流阀10的T口(10T)流出的液压油经单向阀11的A口(11A)流入单向阀11，液压油经单向阀11后由其B口(11B)流出，单向阀11的B口(11B)流出的液压油经三位四通电磁换向阀8的B口(8B)流入三位四通电磁换向阀8，液压油经三位四通电磁换向阀8的后由其T口(8T)流回油箱18，实现TBM撑靴机构液压控制系统的恒力撑紧与自锁功能。
复位功能：三位四通电磁换向阀8转换至左位，油源17内的高压油经可变节流阀7的A口(7A)流入可变节流阀7，液压油经可变节流阀7的调节后由其B口(7B)流出，可变节流阀7的B口(7B)流出的液压油经三位四通电磁换向阀8的P口(8P)流入三位四通电磁换向阀8，液压油经三位四通电磁换向阀8后由其B口(8B)流出，三位四通电磁换向阀8的B口(8B)流出的液压油分别经液控单向阀9的C口(9C)流入液控单向阀9，此时液控单向阀9处于双向导通状态，经双作用单出杆液压缸一2的B口(2B)流入其有杆腔，经双作用单出杆液压缸二3的B口(3B)流入其有杆腔，双作用单出杆液压缸三4的B口(4B)流入其有杆腔，双作用单出杆液压缸四5的B口(5B)流入其有杆腔，双作用单出杆液压缸五6的B口(6B)流入其有杆腔，双作用单出杆液压缸六12的B口(12B)流入其有杆腔，双作用单出杆液压缸七13的B口(13B)流入其有杆腔，双作用单出杆液压缸八14的B口(14B)流入其有杆腔，双作用单出杆液压缸九15的B口(15B)流入其有杆腔，双作用单出杆液压缸十16的B口(16B)流入其有杆腔，在有杆腔内的液压油的作用下所有的双作用单出杆液压缸做缩回运动，双作用单出杆液压缸一2的无杆腔内的液压油经其A口(2A)流出，双作用单出杆液压缸二3的无杆腔内的液压油经其A口(3A)流出，双作用单出杆液压缸三4的无杆腔内的液压油经其A口(4A)流出，双作用单出杆液压缸四5的无杆腔内的液压油经其A口(5A)流出，双作用单出杆液压缸五6的无杆腔内的液压油经其A口(6A)流出，双作用单出杆液压缸六12的无杆腔内的液压油经其A口(12A)流出，双作用单出杆液压缸七13的无杆腔内的液压油经其A口(13A)流出，双作用单出杆液压缸八14的无杆腔内的液压油经其A口(14A)流出，双作用单出杆液压缸九15的无杆腔内的液压油经其A口(15A)流出，双作用单出杆液压缸十16的无杆腔内的液压油经其A口(16A)流出，所有双作用单出杆液压缸A口流出的液压油经液控单向阀9的B口(9B)流入液控单向阀9，液压油经液控单向阀9后由其A口(9A)流出，液控单向阀9的A口(9A)流出的液压油经三位四通电磁换向阀8的A口(8A)流入三位四通电磁换向阀8，液压油经三位四通电磁换向阀8后由其T口(8T)流出，三位四通电磁换向阀8的T口(8T)流出的液压油流回油箱18，在相应的复位弹簧的作用下末端支撑体做缩回运动，末端支撑体与周围岩土发生脱离，实现分布式主动柱塞的TBM撑靴装置复位功能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于分布式主动柱塞的TBM撑靴装置，其特征在于，包括撑靴机架，所述撑靴机架上设有多个双作用单出杆液压缸和导向套筒，所述导向套筒中设有末端支撑体，所述末端支撑体上设有复位弹簧，末端支撑体与双作用单出杆液压缸之间直接接触，所述双作用单出杆液压缸与液压回路连接；
所述液压回路包括油源、油箱、液控单向阀、单向阀和三位四通电磁换向阀，所述油源和油箱分别连接三位四通电磁换向阀的P口和T口，所述三位四通电磁换向阀A口连接液控单向阀的A口，三位四通电磁换向阀B口连接液控单向阀的C口和单向阀的B口，所述液控单向阀的B口与双作用单出杆液压缸的无杆腔连接，单向阀的A口通过安全溢流阀与双作用单出杆液压缸的无杆腔连接，所述单向阀的B口与双作用单出杆液压缸的有杆腔连接；所述双作用单出杆液压缸的无杆腔与液控单向阀之间设有压力传感器；所述油源与三位四通电磁换向阀之间设有可变节流阀；
分布式主动柱塞的TBM撑靴装置恒力撑紧与自锁功能步骤如下：当TBM撑靴机构与围岩内壁撑紧后，三位四通电磁换向阀转换至右位，油源内的高压油经可变节流阀流入三位四通电磁换向阀，液压油经三位四通电磁换向阀后流入液控单向阀，液压油经液控单向阀后分别流入压力传感器和双作用单出杆液压缸的无杆腔，在无杆腔内的液压油的作用下，双作用单出杆液压缸做伸出运动，双作用单出杆液压缸有杆腔内的液压油经三位四通电磁换向阀流回油箱，双作用单出杆液压缸的运动通过运动副传递至末端支撑体，末端支撑体做伸出运动，复位弹簧不断压缩，当末端支撑体与周围岩土接触并撑紧后，三位四通电磁换向阀转换至中位，此时液控单向阀处于单向导通状态，双作用单出杆液压缸的无杆腔处于断开状态，双作用单出杆液压缸的无杆腔内的液压油无法流出；当围岩内壁对双作用单出杆液压缸的作用力过大时，双作用单出杆液压缸无杆腔内的液压油的压力达到安全溢流阀的预设值，双作用单出杆液压缸无杆腔内的液压油经安全溢流阀后流出，安全溢流阀流出的液压油经单向阀流入三位四通电磁换向阀，液压油经三位四通电磁换向阀后流回油箱，实现分布式主动柱塞的TBM撑靴装置恒力撑紧与自锁功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式主动柱塞的TBM撑靴装置，其特征在于，所述导向套筒末端设有台肩，台肩四周均布有螺纹孔，导向套筒内部设有环形凹槽用于安装复位弹簧；末端支撑体末端设有台肩，用于限制其轴向位移和安装复位弹簧；复位弹簧设有预压缩量，在双作用单出杆液压缸不工作时，在复位弹簧的回复力作用下末端支撑体处于缩回状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式主动柱塞的TBM撑靴装置，其特征在于，分布式主动柱塞的TBM撑靴装置复位功能步骤如下：三位四通电磁换向阀转换至左位，油源内的高压油经可变节流阀流入三位四通电磁换向阀，液压油经三位四通电磁换向阀后流出，三位四通电磁换向阀流出的液压油分别经液控单向阀的C口流入液控单向阀，使得液控单向阀处于双向导通状态，经双作用单出杆液压缸的B口流入双作用单出杆液压缸的有杆腔，双作用单出杆液压缸做缩回运动，双作用单出杆液压缸的无杆腔内的液压油流入液控单向阀，液压油经液控单向阀后流入三位四通电磁换向阀，液压油经三位四通电磁换向阀后直接流回油箱，在复位弹簧的作用下末端支撑体做缩回运动，末端支撑体与周围岩土发生脱离，实现分布式主动柱塞的TBM撑靴装置复位功能。
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