一種比例閥控蓄能器的盾構刀盤迴轉驅動壓力適應液壓控制系統的製作方法

2023-05-06 12:56:36 1

專利名稱：一種比例閥控蓄能器的盾構刀盤迴轉驅動壓力適應液壓控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及流體壓力執行機構，尤其是涉及一種比例閥控蓄能器的盾構刀盤迴轉
驅動壓力適應液壓控制系統。
背景技術：
盾構是集機、電、液壓、傳感、信息技術於一體的現代化隧道施工成套設備，具有高
效、快速、優質、安全等特點。尤其在長隧道與城市地下隧道的建設中，對施工條件、施工周
期、與施工安全等因素的綜合影響適應性好，能夠在更加複雜的環境下進行隧道掘進，對周
圍環境尤其是城市環境的影響更小，能夠更加安全、快速高效地完成掘進任務。 盾構刀盤迴轉驅動系統是盾構的核心組成部分，用於掘進過程中為刀盤提供合適
的轉速和扭矩，保證刀盤能夠在推進過程中持續旋轉切削巖石，具有功率大、速比大、功率
變化範圍寬的特點。傳統的盾構迴轉刀盤驅動液壓系統通常採用閉式系統，具有緊湊、質量
小、換向平穩、傳動效率高等優點。但閉式系統也具有不易散熱，系統汙染不易排出，維護較
為困難等缺點。尤其是面對複雜的地層環境，刀盤通常在啟動、運行、制動乃至於刀盤卡死
等過程中受到較大的衝擊，系統無法較好地適應這種劇烈地衝擊，以往較為普遍的解決辦
法是採用溢流閥溢流來進行安全保護，這樣既無法完全避免衝擊，還會導致壓力油液過多
的溢流而使系統效率降低、溫度升高，造成液壓系統的工作環境變得更為惡劣，維護成本及
難度提高，並且在極端的情況下還會因為長時間的頻繁衝擊或溢流閥的響應不及時而導致
刀具或者損壞。 比例閥控蓄能器液壓迴路可以通過壓力傳感器對不同地質的複雜負載進行判別， 由預先設定的模糊自適應PID控制策略對比例方向閥進行調節，合理地控制蓄能器的開口 方向、大小與持續時間，來有效地吸收不同的負載衝擊，從而擺脫了以往閉式系統在地層復 雜的掘進環境中應對複雜負載突變產生的衝擊損害和頻繁溢流的功率損失，並能將衝擊能 進行儲存和再利用，提高了盾構刀盤驅動系統對地層的適應性與能量的利用率。

發明內容
本發明的目的在於提供一種比例閥控蓄能器的盾構刀盤迴轉驅動壓力適應液壓 控制系統，採用比例閥控蓄能器技術實現負載自適應的盾構刀盤迴轉驅動液壓控制系統， 系統能夠實時檢測負載的衝擊變化，並以此來控制蓄能器吸收負載突變產生的衝擊。
本發明所採用的技術方案是 其主迴路中的電機經聯軸器與恆功率變量泵相連；恆功率變量泵的吸油口接吸油 濾油器的入油口 ，出油口並聯壓力表後與高壓濾油器入口相連；高壓濾油器的出油口與插 裝閥的入油口並聯後接單向閥的入油口 ；比例溢流閥和控制蓋板內置的安全閥的入油口通 過控制蓋板與插裝閥的控制油口相連；插裝閥、安全閥和比例溢流閥的出油口與回油濾油 器的入油口相連，回油濾油器的出油口接油箱；電液換向閥的P 口與單向閥的出油口相連，T 口與油箱相連，A 口與比例換向閥的P 口、第一壓力傳感器、第一溢流閥的入油口並聯後與 馬達一側油口相連，B 口與比例換向閥的T 口、第二壓力傳感器、第二溢流閥的入油口並聯 後與馬達另一側油口相連，控制油口與單向閥的入油口並聯；比例換向閥的A 口接蓄能器， B 口堵死；第一溢流閥與第二溢流閥內置於馬達，出油口與油箱相連；馬達的傳動軸與減速 機相連。 本發明具有的有益效果是 1)採用基於模糊自適應PID控制策略下的電液比例控制蓄能器的開口方向、大小 與持續時間，根據高低壓側設置的壓力傳感器實時檢測盾構掘進過程中負載的變化來調整 蓄能器的接入狀態，能有效地吸收負載突變帶來的壓力衝擊，避免系統頻繁溢流產生的能 量損失，還可以將衝擊能量儲存再利用，提高了系統的效率和可靠性，從而實現複雜地質環 境下的壓力自適應。 2)採用恆功率變量泵控制定量馬達，以容積調速取代節流調速，通過壓力傳感器
的電信號來控制泵的流量輸出大小，從而滿足不同地質條件下的不同功率需求，實現對刀
盤迴轉驅動的功率自適應。以有效地提高系統的效率，避免大量的溢流損失。 3)採用比例溢流閥控制插裝閥的啟閉，通過設定比例溢流閥的電磁鐵的電信號大
小，來控制刀盤在不同工況下的扭矩，並可以在軟巖和硬巖之間各種工況下平滑過渡。 4)採用開式系統，較之閉式系統能夠更好地散熱、保持系統清潔，維護也更為簡單。 5)在泵出口設置單向閥，為電液換向閥提供換向控制壓力，同時可以在系統出現 較大衝擊時迅速關閉，防止泵受到衝擊。


圖1是本發明的比例閥控蓄能器的盾構刀盤迴轉驅動壓力適應液壓控制系統結 構原理圖。 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明其主迴路中的電機4經聯軸器5與恆功率變量泵6相連；恆功 率變量泵6的吸油口接吸油濾油器2的出油口，出油口並聯壓力表7後與高壓濾油器8的 入口相連；高壓濾油器8出油口與插裝閥9的入油口並聯後接單向閥13的入油口 ；比例溢 流閥12和控制蓋板10內置的安全閥11的入油口通過控制蓋板10與插裝閥9的控制油口 相連；插裝閥9、安全閥11和比例溢流閥12的出油口與回油濾油器1的入油口相連；電液 換向閥14的P1 口與單向閥13的出油口相連，Tl 口與油箱3相連，Al 口與比例換向閥15 的P2 口、第一壓力傳感器17、第一溢流閥20的入油口並聯後與馬達19一側油口相連，Bl 口與比例換向閥15的T2 口、第二壓力傳感器18、第二溢流閥21的入油口並聯後與馬達19 另一側油口相連，控制油口與單向閥13的入油口並聯；比例換向閥15的A2 口接蓄能器16， B2 口堵死；第一溢流閥20與第二溢流閥21內置於馬達19，出油口與油箱3相連；馬達19 的傳動軸與減速機22相連。
本發明的工作原理如下
當電機4得電啟動，經聯軸器5驅動恆功率變量泵6轉動，恆功率變量泵6的吸油 口通過吸油濾油器2從油箱3吸油。壓力表7用於檢測恆功率變量泵6出油口的壓力。恆 功率變量泵6排出的油液經過高壓濾油器8過濾後分三路第一路接插裝閥9，由控制蓋板 10內置的安全閥11和比例溢流閥12共同控制插裝閥9的開啟，安全閥ll起保護系統安全 作用，比例溢流閥12可以根據具體工況設定不同的開啟壓力，起限壓作用。當壓力濾油器 8出口壓力達到安全閥11或者比例溢流閥12的開啟壓力，插裝閥9打開，油液通過插裝閥 9直接溢流回油箱3。第二路在單向閥13入油口前接入電液換向閥14的控制油口，用於控 制換向閥14換向。第三路通過單向閥13進入電液換向閥14的Pl 口 ，單向閥13為電液換 向閥14提供換向控制壓力，同時可以在系統出現較大衝擊時迅速關閉，防止恆功率變量泵 6受到衝擊。 當電液換向閥14左右電磁鐵都不得電時，電液換向閥14工作在中位M型機能， A1、B1 口關閉，Pl 口與T1 口接通，油液直接通過P1 口由T1 口流回油箱3。當電液換向閥 14左電磁鐵得電時，電液換向閥14的P1 口與A1 口接通，B1 口與T1 口接通，高壓油通過P1 口從A1 口流出後分為三路第一路接比例換向閥15的P2 口。比例換向閥15的A2 口接蓄 能器16，B2 口堵死，P2 口和T2 口分別接馬達19的兩側油路。比例換向閥15主要通過左右 電磁鐵的得電分別來控制蓄能器16接入馬達19的左右側油路，當左右側電磁鐵都不得電 時，蓄能器16不接入系統。通過控制比例換向閥15的兩側電磁鐵的輸入電流或者電壓大 小，可以控制比例換向閥15的開口度，從而控制蓄能器16接入系統的流量。當比例換向閥 15的左電磁鐵得電，比例換向閥15的P2 口與A2 口接通，蓄能器16接入馬達19的左側油 路。當比例換向閥15的右電磁鐵得電，比例換向閥15的A2 口與T2 口接通，蓄能器16接 入馬達19的右側油路。第二路接第一壓力傳感器17，第一壓力傳感器17用於檢測馬達19 左側油路的壓力。第三路從左側油口進入馬達19，馬達19內置的第一溢流閥20在左側入 口處接入，防止馬達19左側油路高壓對馬達19造成損害。馬達19內置的第二溢流閥21並 聯於馬達19右側油口處，防止馬達19右側油路高壓對馬達19造成損害。此時馬達19正向 轉動，帶動減速機22正轉，減速機22以特定的減速比降低馬達19的轉速以滿足刀盤的轉 速需求。馬達19排出的油液由右側油口流出後分為三路第一路接第二壓力傳感器18，第 二壓力傳感器18用於檢測馬達19右側油路的壓力。第一壓力傳感器17和第二壓力傳感 器18可以通過對馬達左右兩側油路進行實時檢測，將壓力信號轉換為電信號並進行比較， 來判斷馬達19的高壓油路，從而得出負載的變化情況，並控制恆功率變量泵6和比例換向 閥15。第二路接比例換向閥15的T2 口。第三路接電液換向閥14的B1 口，通過T1 口油液 流回油箱3。當電液換向閥14右電磁鐵得電時，電液換向閥14的P1 口與B1 口接通，A1 口 Tl與口接通，高壓油通過P1 口從B1 口流出後分為三路第一路接比例換向閥15的T2 口。 第二路接第二壓力傳感器18。第三路從右側油口進入馬達19，馬達19內置的第二溢流閥 21在右側入口處接入。馬達19內置的第一溢流閥20並聯於馬達19左側油口處。此時馬 達19反向轉動，帶動減速機22反轉。馬達19排出的油液由左側油口流出後分為三路第 一路接第一壓力傳感器17。第二路接比例換向閥15的P2 口。第三路接電液換向閥14的 Al 口，通過T1 口油液流回油箱3。
權利要求
一種比例閥控蓄能器驅動盾構刀盤壓力適應液壓控制系統，其特徵在於其主迴路中的電機(4)經聯軸器(5)與恆功率變量泵(6)相連；恆功率變量泵(6)的吸油口接吸油濾油器(2)的出油口，出油口並聯壓力表(7)後與高壓濾油器(8)的入口相連；高壓濾油器(8)出油口與插裝閥(9)的入油口並聯後接單向閥(13)的入油口；比例溢流閥(12)和控制蓋板(10)內置的安全閥(11)的入油口通過控制蓋板(10)與插裝閥(9)的控制油口相連；插裝閥(9)、安全閥(11)和比例溢流閥(12)的出油口與回油濾油器(1)的入油口相連，回油濾油器(1)的出油口接油箱(3)；電液換向閥(14)的P1口與單向閥(13)的出油口相連，T1口與油箱(3)相連，A1口與比例換向閥(15)的P2口、第一壓力傳感器(17)、第一溢流閥(20)的入油口並聯後與馬達(19)一側油口相連，B1口與比例換向閥(15)的T2口、第二壓力傳感器(18)、第二溢流閥(21)的入油口並聯後與馬達(19)另一側油口相連，控制油口與單向閥(13)的入油口並聯；比例換向閥(15)的A2口接蓄能器(16)，B2口堵死；第一溢流閥(20)與第二溢流閥(21)內置於馬達(19)，出油口與油箱(3)相連；馬達(19)的傳動軸與減速機(22)相連。
全文摘要
一種比例閥控蓄能器的盾構刀盤迴轉驅動壓力適應液壓控制系統，本發明包括電機、恆功率變量泵、插裝閥、控制蓋板、比例溢流閥、單向閥、電液換向閥、比例換向閥、蓄能器、定量馬達、減速機組成的主液壓迴路和壓力適應迴路。該系統通過壓力傳感器對系統壓力進行檢測來判斷刀盤切削巖體時的負載特性，根據預先設定的模糊自適應PID控制策略、按照壓力信號的變化調節比例換向閥，合理地控制蓄能器的開口方向、大小與持續時間，來吸收不同工況下的負載衝擊，並將衝擊能儲存再利用於刀盤驅動，有效地控制因為接入蓄能器而導致系統容腔加大、剛性變低的影響。通過採用比例閥控蓄能器，系統能夠更好地適應複雜地層帶來的負載衝擊，有較好的節能性和可靠性。
文檔編號E21D9/06GK101718200SQ200910044768
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月18日 優先權日2009年11月18日
發明者周喜溫, 夏毅敏, 張魁, 滕韜, 羅德志 申請人:中南大學