CN1707068A - 惯性能再利用的盾构土压平衡系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了惯性能再利用的盾构土压平衡系统及控制方法，它在调节螺旋输送机转速(出土量)进行盾构土仓的土压平衡控制过程中，利用工作于液压恒压网络上的变量马达/泵的正反向排量调节功能，转换泵和马达的工况，在螺旋输送机减速、制动时以液压能形式回收负载的惯性能量，加速时再以液压能形式向负载输送回收的能量；该系统克服了传统的盾构土压平衡系统存在装机容量大等缺点，可使原动机工作在高效率区，提高整个系统的工作效率；该系统响应速度快，抗负载干扰能力强，土压平衡控制精度高，可降低地基沉降的危险程度；系统结构简单，工作原理可行，易于工程实现。

Description

惯性能再利用的盾构土压平衡系统及控制方法

技术领域

本发明属于隧道机械领域，涉及盾构土压平衡系统及控制方法，具体涉及惯性能再利用的盾构土压平衡系统及控制方法。

背景技术

随着城市建设快速发展和城市人口急剧膨胀，许多城市都不同程度地出现了建筑用地紧张、生存空间拥挤、交通阻塞、基础设施落后、生态失衡、环境恶化等城市病，给人们的居住生活带来了很大的影响，也制约了城市经济与社会的进一步发展。开发利用地下空间，已成为城市实现立体化交通、提高运行效率的重要途径。为此，地下空间开发技术已取得了重大进展，具有代表性的是发展了隧道盾构法暗挖施工技术，但也存在一些问题，其中确保盾构开挖面稳定和提高设备运行效率问题成为急需解决的主要技术难题。

土压平衡(Earth Pressure Balance，简称EPB)技术是隧道挖掘盾构机较为广泛采用的稳定开挖面的技术。该技术利用开挖的泥土支撑挖掘面，通过调节螺旋输送机的转速(出土量)控制推进转刀室(盾构土仓)的泥土压力，以将地基沉降减至最低程度。螺旋输送机的转速EPB自动控制通常是由电液伺服变量泵和液压定量马达等组成的泵控系统来实现的。由于受挖掘的土质、变量泵的死区特性等时变和非线性因素以及盾构推进速度的影响，该泵控系统的控制精度和动态特性难以达到工程要求，由此可能带来开挖面崩塌等潜在的危险。而且，该系统与盾构机的液压刀盘系统、液压推进系统等均是各自独立工作的，盾构机泵站数量多，装机容量大，能量利用也不尽合理。

盾构法施工技术是目前国内外广泛采用的地下隧道全机械化开挖施工技术，其技术本身具有先进性和复杂性，因盾构机液压系统具有功率大、负载多和总效率低等特点，使得对其可靠性提出了更高的要求。

盾构机产生于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术(如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换等)的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。

目前，确保盾构开挖面稳定的土压平衡控制技术主要采用流量耦联的液压容积传动技术，即通过动力源液压泵流量的调节实现对液压马达驱动的螺旋输送机的转速控制。流量耦联的液压系统缺点是响应速度慢、无法回收制动能量。80年代德国学者提出了一种压力耦联的液压容积传动技术，即将多个负载马达连接在同一个恒压源上，组成液压恒压网络，通过各负载马达的排量调节实现驱动负载的控制。近年研究表明，这种压力耦联液压系统不但能够实现制动能量的回收，也比流量耦联系统响应速度快。因此，将该技术原理应用于大型盾构机液压系统，不但可以实现能量回收、减少泵站数量、降低工程成本，也可以提高盾构EPB系统的动态特性和控制精度，使盾构开挖面崩塌等危险减至最低程度。

目前，有关隧道盾构法施工机械的发明或实用新型专利，多集中在新型盾构机设备、施工工艺和具体结构等方面，如“半盾构挖掘机”(专利号：02105894，日本：株式会社小松制作所)、“隧道挖掘机”(专利号：02122451，日本：三菱重工业株式会社)、“盾构掘进式隧道钻孔机”(专利号：95120602.8，日本：大丰建设株式会社)、“组合刀盘式土压平衡矩形顶管机”(专利号：02136207，中国：上海隧道工程股份有限公司)等均属于新型盾构机设备的发明，“盾构法掘进隧道用挠性扇形衬砌块”(专利号：93120718.5，日本：维克托利克株式会社)、盾构掘进机的刀头”(专利号：02107428.3，日本株式会社小松制作所)等均属于施工工艺和具体结构的发明。各发明专利所属的技术领域，均未涉及基于液压恒压网络的“惯性能再利用的盾构土压平衡系统及控制方法”。

目前，有关基于液压恒压网络的工业应用的发明或实用新型专利多出自德国，如德国力士乐(REXROTH)公司的“静油压驱动装置”(专利号：3525097)、“可变泵马达”(专利号：3844401)、“板成形的流体驱动装置”(专利号：4308198)等，其专利所属的技术领域也尚未涉及基于液压恒压网络的“惯性能再利用的盾构土压平衡系统及控制方法”。

发明内容

本发明主要针对目前盾构机存在的土压平衡控制精度不高、系统响应速度慢和能耗较大等问题，提出了基于液压恒压网络的盾构土压平衡控制原理，在此原理基础上，提出了螺旋机惯性能再利用的盾构土压平衡控制方法，并设计制造了惯性能再利用的盾构土压平衡系统。

本发明的惯性能再利用的盾构土压平衡系统，包括有螺旋输送机、液压变量马达/泵、液压变压器、蓄能器、液压恒压变量泵、土压平衡控制器和土压传感器；上述螺旋输送机的旋转轴与液压变量马达/泵的传动轴通过联轴器直接连接；液压恒压变量泵作为液压恒压油源，输出油液的压力恒定，流量与负载相适应；上述液压变压器是一种变压比可调的压力转换液压元件；上述液压变量马达/泵、液压变压器、蓄能器、液压恒压变量泵通过液压管路相互连接；上述土压平衡控制器与液压变量马达/泵、液压变压器、土压传感器通过信号线连接，实现设定、监测土压以及运算和输出土压平衡控制信号、液压变压器的控制信号。

上述螺旋输送机的旋转轴与液压变量马达/泵的传动轴通过减速器连接。

上述的液压变量马达/泵是电液比例(伺服)变量马达/泵。

上述液压变压器由一个变量元件和一个定量元件同轴刚性连接组成，其中变量元件是电液比例(伺服)变量马达/泵，定量元件是液压定量马达/泵。

上述土压平衡控制器由工业控制计算机及数据采集卡组成。

上述土压平衡控制器由可编程序控制器构成。

本发明的惯性能再利用的盾构土压平衡控制方法包括如下步骤：

1)当盾构土仓的土压低于设定的土压时，需要螺旋输送机减速以控制土压增加，维持土压平衡，这时土压平衡控制器控制液压变量马达/泵反向调节排量，使其由原来的马达工况转为泵工况，依靠负载的惯性带动旋转，在减速调节过程中，蓄能器通过液压变压器回收螺旋转动泥土加在螺旋输送机旋转轴上的惯性能量；

2)当盾构土仓的土压高于设定的土压时，需要螺旋输送机加速以控制土压减小，维持土压平衡，这时土压平衡控制器控制液压变量马达/泵恢复正向调节排量，使其返回马达工况，在加速调节过程中，蓄能器通过液压变压器与液压恒压变量泵一起向液压变量马达/泵提供负载所需的流量，在控制土压减小的过程中，重新利用了蓄能器回收的能量；

3)当盾构机在工作每一环后停车时，需要控制螺旋输送机减速制动，这时液压变量马达/泵转为泵工况，蓄能器也同样通过液压变压器回收螺旋输送机旋转轴上负载的惯性能量，回收的能量供下一工作循环周期再利用。

该发明是用于地下隧道工程土压平衡式盾构机实现螺旋输送机转速调节的节能型液压系统。它在调节螺旋输送机转速(出土量)进行盾构土仓泥土压力的土压平衡控制过程中，能够利用工作于液压恒压网络上的液压变量马达/泵，以液压能形式回收并再利用螺旋输送机旋转轴上的惯性能。该系统采用连接在液压恒压网络上的液压变量马达/泵驱动螺旋输送机，克服了传统的泵控定量马达驱动方式存在的装机容量大等缺点，能够利用液压变量马达/泵具有正反向调节排量的功能，转换泵和马达的工况，在螺旋输送机减速、制动时以液压能形式回收负载的惯性能量，加速时再以液压能形式向负载输送回收的能量，因而可减小装机功率，使原动机工作在高效率区，提高整个系统的工作效率；比采用传统的泵控定量马达驱动响应速度快，抗负载干扰能力强，因而可提高土压平衡控制的精度，降低地基沉降的危险性；在液压恒压网络上，可以并联多个液压变量马达/泵，实现多个螺旋输送机的土压平衡协调控制与能量回收和再利用，为实现大断面异型盾构的土压平衡控制与高效节能提供了技术可能性；该系统采用普通的液压元、辅件组成，系统结构简单，工作原理可行，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明系统装置示意图

图中各编号含义

1螺旋输送机    2液压变量马达/泵    3液压变压器    4蓄能器

5液压恒压变量泵    6土压平衡控制器    7土压传感器

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

惯性能再利用的盾构土压平衡系统，如说明书附图所示，主要由螺旋输送机1、液压变量马达/泵2、液压变压器3、蓄能器4、液压恒压变量泵5、土压平衡控制器6等和土压传感器7组成；液压恒压变量泵5作为液压恒压油源，输出油液的压力恒定，流量与负载相适应；液压变量马达/泵2是电液比例(伺服)变量马达/泵，其排量正反向调节由土压平衡控制器6控制，其传动轴与螺旋输送机1的旋转轴直接(或通过减速器)连接；为了提高能量回收率，这里采用的液压变压器3是实现压力转换的一种液压元件，由一对液压马达/泵同轴刚性连接组成，其中元件a为电液比例(伺服)变量马达/泵，其排量由土压平衡控制器6控制，元件b为液压定量马达/泵，两者组成一个变压比可调的液压变压器。上述液压变量马达/泵2、液压变压器3、蓄能器4、液压恒压变量泵5通过液压管路相互连接；上述土压平衡控制器6由工业控制计算机和数据采集卡构成，与液压变量马达/泵2、液压变压器3和土压传感器7通过信号线连接，实现设定、监测土压以及运算和输出土压平衡控制信号和液压变压器的控制信号。

当盾构土仓的土压低于设定的土压时，需要螺旋输送机1减速以控制土压增加，维持土压平衡；这时土压平衡控制器6控制液压变量马达/泵2反向调节排量，使其由原来的马达工况转为泵工况，依靠负载的惯性带动旋转；在减速调节过程中，蓄能器4通过液压变压器3回收螺旋转动泥土加在螺旋输送机1旋转轴上的惯性能量。

当盾构土仓的土压高于设定的土压时，需要螺旋输送机1加速以控制土压减小，维持土压平衡；这时土压平衡控制器6控制液压变量马达/泵2恢复正向调节排量，使其返回马达工况。在加速调节过程中，蓄能器4通过液压变压器3与液压恒压变量泵5一起向液压变量马达/泵2提供负载所需的流量，在控制土压减小的过程中，重新利用了蓄能器4回收的能量。

当盾构机在工作每一环后停车时，需要控制螺旋输送机1减速制动。这时液压变量马达/泵2转为泵工况，蓄能器4也同样通过液压变压器3回收螺旋输送机1旋转轴上负载的惯性能量，回收的能量供下一工作循环周期再利用。

Claims (7)

1.一种惯性能再利用的盾构土压平衡系统，包括有螺旋输送机、液压变量马达/泵、液压变压器、蓄能器、液压恒压变量泵、土压平衡控制器和土压传感器，其特征在于，上述螺旋输送机的旋转轴与液压变量马达/泵的传动轴通过联轴器直接连接；液压恒压变量泵作为液压恒压油源，输出油液的压力恒定，流量与负载相适应；上述液压变压器是一种变压比可调的压力转换液压元件；上述液压变量马达/泵、液压变压器、蓄能器、液压恒压变量泵通过液压管路相互连接；上述土压平衡控制器与液压变量马达/泵、液压变压器、土压传感器通过信号线连接，实现设定、监测土压以及运算和输出土压平衡控制信号、液压变压器的控制信号。

2.根据权利要求1所述的惯性能再利用的盾构土压平衡系统，其特征在于，上述的螺旋输送机的旋转轴与液压变量马达/泵的传动轴通过减速器连接。

3.根据权利要求1所述的惯性能再利用的盾构土压平衡系统，其特征在于，上述的液压变量马达/泵是电液比例(伺服)变量马达/泵。

4.根据权利要求1所述的惯性能再利用的盾构土压平衡系统，其特征在于，上述液压变压器由一个变量元件和一个定量元件同轴刚性连接组成，其中变量元件是电液比例(伺服)变量马达/泵，定量元件是液压定量马达/泵。

5.根据权利要求1所述的惯性能再利用的盾构土压平衡系统，其特征在于，上述土压平衡控制器由工业控制计算机及数据采集卡组成。

6.根据权利要求1所述的惯性能再利用的盾构土压平衡系统，其特征在于，上述土压平衡控制器由可编程序控制器构成。

7.一种权利要求1所述的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)当盾构土仓的土压低于设定的土压时，需要螺旋输送机减速以控制土压增加，维持土压平衡，这时土压平衡控制器控制液压变量马达/泵反向调节排量，使其由原来的马达工况转为泵工况，依靠负载的惯性带动旋转，在减速调节过程中，蓄能器通过液压变压器回收螺旋转动泥土加在螺旋输送机旋转轴上的惯性能量；

2)当盾构土仓的土压高于设定的土压时，需要螺旋输送机加速以控制土压减小，维持土压平衡，这时土压平衡控制器控制液压变量马达/泵恢复正向调节排量，使其返回马达工况，在加速调节过程中，蓄能器通过液压变压器与液压恒压变量泵一起向液压变量马达/泵提供负载所需的流量，在控制土压减小的过程中，重新利用了蓄能器回收的能量；

3)当盾构机在工作每一环后停车时，需要控制螺旋输送机减速制动，这时液压变量马达/泵转为泵工况，蓄能器也同样通过液压变压器回收螺旋输送机旋转轴上负载的惯性能量，回收的能量供下一工作循环周期再利用。

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