拓寬調速範圍的盾構刀盤液壓控制系統的製作方法

2023-05-16 07:13:21

專利名稱：拓寬調速範圍的盾構刀盤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，尤其涉及一種拓寬調速範圍的盾構刀盤液 壓控制系統。
技術背景盾構掘進機是一種專用於地下隧道工程施工的現代化高科技掘進裝備，廣 泛應用在各種地質條件複雜多變和施工環境惡劣的隧道工程建設中。盾構掘進 在地下空間開發和利用中發揮著其它掘進形式不可替代的作用。隨著科技發展 和社會進步，盾構掘進將逐步取代傳統方法。刀盤是盾構掘進機的關鍵部件之一，其主要功能有開挖、穩定和攪拌。因 為整個施工過程中掘進斷面的土質狀況變化範圍很大，掘進深度不同，刀盤所 需的切削力矩及轉速有很大區別，導致刀盤驅動的工況很複雜，驅動功率大且 變化範圍寬。由於盾構在軟質地層中掘進時刀盤的典型工況為低速大扭矩，而在硬質地 層中掘進時的工況為高速小扭矩。傳統刀盤驅動液壓系統在設計中兼顧這兩種 工況，使得系統總裝機功率十分巨大。能耗如此大的系統在低負載工況下能量 利用率不高對系統整體性能有極其重要的影響。因此，如何拓寬刀盤驅動系統 的調速範圍使系統能夠以較小的總裝機功率適應各種地層掘進需要是刀盤驅動 中的一個關鍵技術問題。 發明內容為了克服盾構施工過程中存在的問題兼顧系統整體性能的要求，本發明的 目的在於提供一種拓寬調速範圍的盾構刀盤驅動液壓控制系統。驅動刀盤的每 個液壓馬達可以單獨實現工作狀態的切換，在低負載工況時通過減少工作在馬 達狀態的執行元件個數達到用較小排量泵實現刀盤高轉速的目的，同時工作在 泵狀態下的執行元件也可以作為動力源與液壓泵一起驅動工作在馬達狀態的執 行元件，大大增加了系統的調速範圍。刀盤也可通過調節液壓泵和執行元件的 排量來實現無級調速。本發明解決技術問題所採用的技術方案是電機經聯軸器與恆壓變量泵剛性連接，恆壓變量泵吸油口與油箱連接，恆 壓變量泵出油口與總單向閥進油口連接，總單向閥出油口分別與蓄能器進油口、溢流閥進油口和四組結構相同的馬達/泵部件連接，溢流閥出油口接油箱；現將 其中第一組的馬達/泵結構說明如下總單向閥出油口、蓄能器進油口和溢流閥 進油口分別接第一三位四通換向閥的& 口和第一單向閥的出油口；第二單向閥 和第三單向閥的出油口相連後接第一單向閥的進油口，第四單向閥和第五單向 閥的進油口相連後接油箱，第二單向閥的進油口和第四單向閥的出油口相連後 分別接第一三位四通換向閥的B！ 口和第一液壓馬達/泵的一埠，第三單向閥的 進油口和第五單向閥的出油口相連後分別接第一三位四通換向閥的A, 口和第一 液壓馬達/泵的另一埠，第一三位四通換向閥的T,口與第二、第三和第四三位 四通換向閥的T2 口、 T3 口和T4 口相連，第一液壓馬達/泵的輸出軸通過第一齒 輪減速器G驅動刀盤轉動。 本發明具有的有益效果是-液壓系統的執行元件馬達/泵實行單獨控制，每個執行元件工作在馬達狀態 時驅動刀盤轉動，工作在泵狀態時給系統補充液壓油，通過組合優化各個執行 元件的工作狀態，可以使刀盤轉速在不增大液壓泵規格的情況下具有更大的調 節範圍，更好地適應複雜地質環境。


附圖是本發明的結構原理示意圖。圖中1、油箱，2、電機，3、聯軸器，4、恆壓變量泵，5、單向閥，6、 溢流閥，7、蓄能器，8.1、 8.2、 8.3、 8.4、三位四通換向閥，9.1、 9.2、 9.3、 9.4、10.1、 10.2、 10.3、 10.4、 11.1、 11.2、 11.3、 11.4、 12.1、 12.2、 12.3、 12.4、 13.1、13.2、 13,3、 13.4為單向閥，14.1、 14.2、 14.3、 14.4為液壓馬達/泵，15、刀盤， 16、 17、 18、 19、 20、 21、 22、 23、 24、 25、 26、 27、 28、 29、 30、 31、 32、 33、 34、 35、 36、 37、 38、 39、 40、 41、 42、 43、 44、 45、 46、 47、 48、 49、 50、 51、 52、 53、 54、 55、 56、 57、 58、 59、 60、 61、 62、 63、 64、 65、 66、 67為管路。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如附圖所示，本發明的電機2經聯軸器3與恆壓變量泵4剛性連接，恆壓 變量泵4吸油口經管路18與油箱1連接，恆壓變量泵4出油口經管路19與總 單向閥5進油口連接，總單向閥5出油口經管路17分別與蓄能器7進油口、溢 流閥6進油口和四組結構相同的馬達/泵部件連接，溢流閥6出油口經管路16接 油箱；現將其中第一組的馬達/泵結構說明如下總單向閥5出油口、蓄能器7進油口和溢流閥6進油口分別經管路20接第一三位四通換向閥的Pi 口和經管路 21接第一單向閥9.1的出油口；第二單向閥11.1和第三單向閥10.1的出油口經 管路38相連後經管路39接第一單向閥9.1的進油口，第四單向閥13.1和第五 單向閥12.1的進油口相連後經管路40接油箱，第二單向閥11.1的進油口經管 路36和第四單向閥13.1的出油口經管路37相連後分別經管路35接第一三位四 通換向閥的B, 口和第一液壓馬達/泵14.1的一埠，第三單向閥10.1的進油口 經管路33和第五單向閥12.1的出油口經管路34相連後分別經管路32接第一三 位四通換向閥的A 口和第一液壓馬達/泵14.1的另一埠，第一三位四通換向 閥的T！ 口經管路28和管路29與第二三位四通換向閥的T2 口相連，第二三位四 通換向閥的T2 口經管路29和管路30與第三三位四通換向閥的T3 口相連，第三 三位四通換向閥的T3口經管路30和管路31與第四三位四通換向閥的T4口相連， 第一液壓馬達/泵14.1的輸出軸通過第一齒輪減速器G驅動刀盤15轉動。第二組的馬達/泵結構說明如下總單向閥5出油口、蓄能器7進油口和溢 流閥6進油口分別經管路22接第二三位四通換向閥的P2 口和經管路23接第六 單向閥9.2的出油口；第七單向閥11.2和第八單向閥10.2的出油口經管路48相 連後經管路44接第六單向閥9.2的進油口，第九單向閥13.2和第十單向閥12.2 的進油口相連後經管路49接油箱，第七單向閥11.2的進油口經管路46和第九 單向閥13.2的出油口經管路47相連後分別經管路45接第二三位四通換向閥的 82口和第二液壓馬達/泵14.2的一埠，第八單向閥10.2的進油口經管路42和 第十單向閥12.2的出油口經管路43相連後分別經管路41接第二三位四通換向 閥的A2 口和第二液壓馬達/泵14.2的另一埠 ，第二液壓馬達/泵14.2的輸出軸 通過第二齒輪減速器G驅動刀盤15轉動。第三組的馬達/泵結構說明如下總單向閥5出油口、蓄能器7進油口和溢 流閥6進油口分別經管路24接第三三位四通換向閥的P3 口和經管路25接第十 一單向閥9.3的出油口；第十二單向閥11.3和第十三單向閥10.3的出油口經管 路57相連後經管路55接第十一單向閥9.3的進油口，第十四單向閥13.3和第 十五單向閥12.3的進油口相連後經管路58接油箱，第十二單向閥11.3的進油 口經管路54和第十四單向閥13.3的出油口經管路53相連後分別經管路56接第 三三位四通換向閥的B3 口和第三液壓馬達/泵14.3的一埠，第十三單向閥10.3 的進油口經管路51和第十五單向閥12.3的出油口經管路52相連後分別經管路 50接第三三位四通換向閥的A3 口和第三液壓馬達/泵14.3的另一埠，第三液 壓馬達/泵14.3的輸出軸通過第三齒輪減速器G驅動刀盤15轉動。第四組的馬達/泵結構說明如下總單向閥5出油口、蓄能器7進油口和溢 流闊6進油口分別經管路26接第四三位四通換向閥的P4 口和經管路27接第十 六單向閥9.4的出油口；第十七單向閥1L4和第十八單向閥10.4的出油口經管 路67相連後經管路65接第十六單向閥9.4的進油口，第十九單向閥13.4和第 二十單向閥12.4的進油口相連後經管路66接油箱，第十七單向閥11.4的進油 口經管路63和第十九單向閥13.4的出油口經管路62相連後分別經管路64接第 四三位四通換向閥的B4 口和第四液壓馬達/泵14.4的一埠，第十八單向閥10.4 的進油口經管路60和第二十單向閥12.4的出油口經管路61相連後分別經管路 59接第四三位四通換向閥的A4口和第四液壓馬達/泵14.4的另一埠，第三液 壓馬達/泵14.4的輸出軸通過第四齒輪減速器G驅動刀盤15轉動。本發明的工作原理如下電機2得電啟動，驅動恆壓變量泵4轉動，恆壓變量泵4吸油口從油箱1 中吸油，恆壓變量泵4打出的壓力油通過管路19、總單向閥5送到恆壓管路27， 同時有一部分油液進入溢流閥6和蓄能器7的進油口以及管路20、 21、 22、 23、 24、 25、 26、 27。盾構掘進時，如果遇到軟土地層條件則刀盤的工況為低速大扭矩，此時四 組馬達/泵同時工作，使系統輸出大扭矩。由於四組馬達/泵工作原理相同，現以 第一組為例進行說明。三位四通換向閥8.1左位電磁鐵得電，管路27中的高壓油經三位四通換向 閥8.1P1 口、三位四通換向閥8.1A1 口、管路32流進馬達/泵14.1一端油口，馬 達/泵14.1另一端油口液壓油經管路35、三位四通換向閥8.1B1 口、三位四通換 向閥8.1T1口、管路28流回油箱。管路32中的一部分高壓油通過單向閥10.1、 管路38、管路39至單向閥9.1進油口。由於管路27中的高壓油經管路21至單 向閥9.1出油口，其壓力略高於經換向閥口節流損失之後的管路38中液壓油的 壓力，因此單向閥9.1不打開。此時刀盤正向轉動。三位四通換向閥8.1右位電磁鐵得電，管路27中的高壓油經三位四通換向 閥8.1P1 口、三位四通換向閥8.1B1 口、管路35流進馬達/泵14.1另一端油口， 馬達/泵14.1 一端油口液壓油經管路32、三位四通換向閥8.1A1 口、三位四通換 向閥8.1T1口、管路28流回油箱。管路35中的一部分高壓油通過單向閥11.1、 管路38、管路39至單向閥9.1進油口。由於管路27中的高壓油經管路21至單 向閥9.1出油口，其壓力略高於經換向閥口節流損失之後的管路38中液壓油的 壓力，因此單向閥9.1不打開。此時刀盤反向轉動。當盾構掘進遇到硬巖地層條件時，刀盤工作在高速小扭矩工況。此時在不 增大恆壓變量泵排量的情況下，通過改變馬達/泵的工作狀態，使系統輸出轉速 增大。實際工作中可根據工況條件確定馬達/泵執行元件工作在泵狀態和馬達狀 態的元件數量，且儘可能使驅動元件沿刀盤主軸承周向均勻布置以減小偏心效 應。馬達/泵工作狀態的切換是通過控制三位四通換向閥電磁鐵通斷電來實現的。 下面以第二組馬達/泵工作在泵狀態，其它各組馬達/泵工作在馬達狀態為例進行 說明，而工作在馬達狀態下的系統原理與上述情況相同。當馬達/泵14.1、 14.3、 14.4正向轉動時，通過齒輪減速器帶動刀盤15正向 轉動，由於馬達/泵14.2與刀盤15通過減速器齒輪剛性連接在一起，馬達/泵14.2 在旋轉刀盤15的帶動下被迫正向轉動。此時三位四通換向閥8.2電磁鐵斷電， 管路41和管路45被切斷，且管路41中短時間內形成一定的負壓。油箱中的液 壓油經管路49、單向閥12.2、管路43到達馬達/泵14.2—端油口，並從馬達/泵 14.2另一端油口經管路46、單向閥11.2、管路48、管路44、單向閥9.2、管路 23流回到主油路27中。主油路27中液壓油流量的增加以及工作於馬達狀態的 執行器馬達/泵元件數量的減少，使得系統在不增加主驅動泵排量的前提下，能 夠實現大範圍調速。當馬達/泵14.1、 14.3、 14.4反向轉動時，通過齒輪減速器帶動刀盤15反向 轉動，由於馬達/泵14.2與刀盤15通過減速器齒輪剛性連接在一起，馬達/泵14.2 在旋轉刀盤15的帶動下被迫反向轉動。此時三位四通換向閥8.2電磁鐵斷電， 管路41和管路45被切斷，且管路45中短時間內形成一定的負壓。油箱中的液 壓油經管路49、單向閥13.2、管路47到達馬達/泵14.2另一端油口，並從馬達/ 泵14,2—端油口經管路42、單向閥10.2、管路48、管路44、單向閥9.2、管路 23流回到主油路27中。當盾構刀盤需要停止轉動時，三位四通換向閥8.1、 8.2、 8.3、 8.4電磁鐵斷 電，所有液壓馬達/泵在旋轉盾構刀盤的慣性作用下瞬間繼續轉動，然後按照與 上述液壓馬達/泵14.2在三位四通換向閥8.2電磁鐵斷電情況下相同的工作原理 完成制動過程，並將制動能量回饋到主油路27中。上述具體實施方式
用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本 發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落 入本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種拓寬調速範圍的盾構刀盤液壓控制系統，其特徵在於電機(2)經聯軸器(3)與恆壓變量泵(4)剛性連接，恆壓變量泵(4)吸油口與油箱(1)連接，恆壓變量泵(4)出油口與總單向閥(5)進油口連接，總單向閥(5)出油口分別與蓄能器(7)進油口、溢流閥(6)進油口和四組結構相同的馬達/泵部件連接，溢流閥6出油口接油箱；現將其中第一組的馬達/泵結構說明如下總單向閥(5)出油口、蓄能器(7)進油口和溢流閥(6)進油口分別接第一三位四通換向閥(8.1)的P1口和第一單向閥(9.1)的出油口；第二單向閥(11.1)和第三單向閥(10.1)的出油口相連後接第一單向閥(9.1)的進油口，第四單向閥(13.1)和第五單向閥(12.1)的進油口相連後接油箱，第二單向閥(11.1)的進油口和第四單向閥(13.1)的出油口相連後分別接第一三位四通換向閥(8.1)的B1口和第一液壓馬達/泵(14.1)的一埠，第三單向閥(10.1)的進油口和第五單向閥(12.1)的出油口相連後分別接第一三位四通換向閥(8.1)的A1口和第一液壓馬達/泵(14.1)的另一埠，第一三位四通換向閥(8.1)的T1口與第二、第三和第四三位四通換向閥的T2口、T3口和T4口相連，第一液壓馬達/泵(14.1)的輸出軸通過第一齒輪減速器G驅動刀盤(15)轉動。
全文摘要
本發明公開了一種拓寬調速範圍的盾構刀盤液壓控制系統。電機經聯軸器與恆壓變量泵剛性連接，恆壓變量泵出油口與總單向閥進油口連接，總單向閥出油口分別與蓄能器進油口、溢流閥進油口和四組結構相同的馬達/泵部件連接。將液壓馬達/泵並聯在迴路中，通過恆壓變量泵與蓄能器組成的恆壓源提供動力。液壓馬達/泵實行單獨控制，根據不同地質條件可實時調節各液壓馬達/泵的排量和工作狀態以控制刀盤的轉速和轉矩。本發明採用液壓馬達/泵作為執行元件，實現馬達和泵工作狀態的切換，通過控制同時工作在不同狀態的執行元件的數量使系統在供油液壓泵排量不變的情況下實現高低轉速工況的互換，拓寬了調速範圍，增強了刀盤驅動系統對不同地質條件的適應性。
文檔編號F15B11/02GK101403309SQ200810122370
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月11日 優先權日2008年11月11日
發明者虎 施, 朱北鬥, 楊華勇, 龔國芳 申請人:浙江大學