變轉速變排量複合控制的刀盤閉式液壓驅動系統的製作方法

2023-05-19 09:10:11

專利名稱：變轉速變排量複合控制的刀盤閉式液壓驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種流體壓力執行機構，尤其涉及一種採用變轉速變排量複合控制的 盾構刀盤閉式節能液壓控制系統。
背景技術：
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。與傳統的 施工方法相比，盾構法具有施工安全、快速、工程質量高、地面擾動小、勞動強度低等許多優 點。由於採用了先進的開挖面穩定技術，盾構掘進尤其在地質條件複雜多變和施工環境惡 劣的隧道工程建設中顯出了獨特的優勢。此外，盾構在滿足複雜路線掘進方面也發揮著其 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。刀盤驅動系統是盾構掘進機的重要組成部分，刀盤轉動負責切削前方的土體，刀 盤系統所需能量大，在盾構機中扮演越來越重要的作用，同推進系統、螺旋輸送機、管片拼 裝系統構成了完整的盾構機。這幾部分系統同步運作、緊密配合，共同完成盾構掘進任務。 由於盾構工作條件惡劣且負載很大，刀盤系統、推進系統、螺旋系統、管片拼裝系統均採用 液壓驅動。盾構刀盤驅動是一種典型的大功率、大負載工況，根據不同的地質條件刀盤轉速 變化範圍大，功率變化範圍廣，在能耗如此大的系統中，工作效率對系統性能而言是一個極 其重要的影響因素。傳統盾構刀盤中大多採用閥控方式，開式系統，該控制方式從一定程度 上會造成很大的節流和溢流損失，最終造成系統整體效率降低和能量的損失。系統效率低 不僅浪費了能量、影響了設備壽命，而且惡化了施工環境，帶來諸多不利因素。相對於閥控 系統而言泵控馬達的閉式容積調速系統雖然能夠調高系統的效率，但是單獨泵控系統會限 制調速的範圍，同時有響應慢，存在滯後的缺點，壓力不能連續可調。單獨的變轉速控制會 受到泵轉速極限的限制，這些問題在一些情況下可能影響了盾構的整體性能的提高，因此 如何在確保盾構掘進系統正確高效完成掘進任務的情況下實現液壓系統的實現快速響應 性和拓寬刀盤調速範圍是盾構掘進中的一個關鍵技術問題。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有盾構刀盤系統在施工過程中存在系統響應慢、刀盤 調速範圍受限的問題，提供了一種變轉速變排量複合控制的刀盤閉式液壓驅動系統。本發明的目的和效果是通過以下技術方案來實現的一種變轉速變排量複合控制 的刀盤閉式液壓驅動系統，包括高壓蓄能器、低壓蓄能器、二位四通插裝閥、第一壓力表、 第二壓力表、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第一過濾器、第二過濾器、變頻器和第一電 機、第一聯軸器、雙向變量泵、電磁截止閥、第一安全閥、第二安全閥、第一單向閥、第二單向 閥、第三單向閥、第四單向閥、第五單向閥、第六單向閥、比例溢流閥、梭閥、馬達組、第二電 機、第二聯軸器、定量泵、吸油口過濾器、油箱、出油口過濾器、電磁溢流閥。變頻器和第一電機通過第一聯軸器與雙向變量泵剛性連接，雙向變量泵的吸油口
3與帶油訊發生裝置的吸油口過濾器連通，雙向變量泵的出油口與帶有油訊發生裝置的出油 口過濾器進油口連接，出油口過濾器出油口與主油路連接；二位四通插裝閥的進油口 T、第 一單向閥一端、第四單向閥一端、第五單向閥一端、第一安全閥一端、第二安全閥一端、第二 壓力表和馬達組的一端與主油路連接，二位四通插裝閥的P 口、第一壓力表、第一安全閥另 一端、第二安全閥的另一端、第二單向閥一端、第三單向閥一端、第六單向閥一端和馬達組 的另一端與主回油路連接；第一單向閥的另一端、第二單向閥另一端和比例溢流閥的出口 端連接；第三單向閥另一端、第四單向閥另一端和比例溢流閥進油口相連；梭閥的一個進 油口和馬達組的一端連接，梭閥的另一個進油口和馬達組的另一端連接，梭閥的出口同電 磁截止閥相連，電磁截止閥的另一端同雙向變量泵的控制口相連接；定量泵通過第二聯軸 器和第二電機剛性連接，定量泵的吸油口和吸油口過濾器的排油口連接，定量泵的排油口 分別與出油口過濾器的排油口和電磁溢流閥的一端連接；出油口過濾器的另一端分別與第 五單向閥另一端和第六單向閥另一端相連接、電磁溢流閥出油口分別與吸油口過濾器的吸 油口與和油箱連接。本發明與背景技術相比，具有的有益效果是1)通過單向閥和比例溢流閥的組合可以實現盾構刀盤在正反轉過程中，實現系統 壓力的連續可調。2)在掘進過程中，變轉速調速控制作為第一級，傳遞效率高，響應快，當系統轉速 受到限制時，可以通過調節變量泵的排量進行控制，大大提高的刀盤的轉速範圍。3)通過梭閥將馬達兩端較高的壓力作為反饋壓力來調節泵的排量，響應高，反應 快。4)蓄能器的出油口可以根據刀盤的正反轉可以及時通過控制二位四通插裝閥來 改變方向，始終能將高壓蓄能器和高壓端連接，低壓蓄能器和低壓端連接，蓄能器在關鍵時 候可以充當輔助能源的作用，同時在遇到衝擊負載的時候可以很好的吸收震動，減小裝機 功率。5)液壓系統採用閉環系統，故油液循環流動，所需要的油箱較小，同時佔用空間比 較小，這對於地下施工的盾構掘進而言具有一定的實用價值。


圖1是本發明變轉速變排量複合控制的刀盤閉式液壓驅動系統原理圖；圖中高壓蓄能器1、低壓蓄能器2、二位四通插裝閥3、第一壓力表4. 1、第二壓力 表4. 2、第一壓力傳感器5. 1、第二壓力傳感器5. 2、第一過濾器6. 1、第二過濾器6. 2、變頻器 和第一電機7、第一聯軸器8、雙向變量泵9、電磁截止閥10、第一安全閥11. 1、第二安全閥
11.2、第一單向閥12. 1、第二單向閥12. 2、第三單向閥12. 3、第四單向閥12. 4、第五單向閥
12.5、第六單向閥12. 6、比例溢流閥13、梭閥14、馬達組15、第二電機16、第二聯軸器17、定 量泵18、吸油口過濾器19、油箱20、出油口過濾器21、電磁溢流閥22。
具體實施例方式下面根據附圖詳細描述本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所示，本發明變轉速變排量複合控制的刀盤閉式液壓驅動系統包括高壓
4蓄能器1、低壓蓄能器2、二位四通插裝閥3、第一壓力表4. 1、第二壓力表4. 2、第一壓力傳 感器5. 1、第二壓力傳感器5. 2、第一過濾器6. 1、第二過濾器6. 2、變頻器和第一電機7、第 一聯軸器8、雙向變量泵9、電磁截止閥10、第一安全閥11. 1、第二安全閥11. 2、第一單向閥 12. 1、第二單向閥12. 2、第三單向閥12. 3、第四單向閥12. 4、第五單向閥12. 5、第六單向閥 12. 6、比例溢流閥13、梭閥14、馬達組15、第二電機16、第二聯軸器17、定量泵18、吸油口過 濾器19、油箱20、出油口過濾器21、電磁溢流閥22。變頻器和第一電機7通過第一聯軸器8)與雙向變量泵9剛性連接，雙向變量泵9 的吸油口與帶油訊發生裝置的吸油口過濾器6. 1連通，雙向變量泵9的出油口與帶有油訊 發生裝置的出油口過濾器6. 2進油口連接，出油口過濾器6. 2出油口與主油路連接；二位四 通插裝閥3的進油口 T、第一單向閥13. 1—端、第四單向閥13. 4—端、第五單向閥13. 5 — 端、第一安全閥11. 1 一端、第二安全閥11. 2 一端、第二壓力表4. 2和馬達組16的一端與主 油路連接，二位四通插裝閥3的P 口、第一壓力表4. 1、第一安全閥11. 1另一端、第二安全閥
11.2的另一端、第二單向閥12. 2 一端、第三單向閥12. 3 一端、第六單向閥12. 6 一端和馬達 組16的另一端與主回油路連接；第一單向閥12. 1的另一端、第二單向閥12. 2另一端和比 例溢流閥13的出口端連接；第三單向閥12. 3另一端、第四單向閥12. 4另一端和比例溢流 閥13進油口相連；梭閥15的一個進油口和馬達組16的一端連接，梭閥15的另一個進油口 和馬達組16的另一端連接，梭閥15的出口同電磁截止閥10相連，電磁截止閥10的另一端 同雙向變量泵9的控制口相連接；定量泵18通過第二聯軸器17和第二電機16剛性連接， 定量泵18的吸油口和吸油口過濾器19的排油口連接，定量泵18的排油口分別與出油口過 濾器21的排油口和電磁溢流閥22的一端連接；出油口過濾器21的另一端分別與第五單向 閥12. 5另一端和第六單向閥12. 6另一端相連接、電磁溢流閥22出油口分別與吸油口過濾 器19的吸油口與和油箱20連接。本發明的工作過程如下第一電機7得電啟動，驅動雙向變量泵9轉動，雙向變量泵9的吸油口同吸油口過 濾器19相連從油箱20吸油，雙向變量泵9排出的壓力油通過出油口過濾器21送到恆壓管 路中，同時有一部分油液分別進入第一安全閥11. 1、第二安全閥11. 2、梭閥14和馬達組15 的的進油口，從單向閥和比例溢流閥13組成的橋路的一端進入到比例溢流閥13的進油口。 雙向變量泵9兩端的壓力傳感器實時的檢測系統壓力並傳遞到調節器中，通過調節變頻器 的頻率來改變電機轉速來使得系統流量和壓力相匹配。梭閥14是把馬達組15兩端的高壓 油經過電磁截止閥10引入到雙向變量泵9控制口來控制排量，當變轉速控制滿足系統要 求時，電磁截止閥10關閉，當變轉速控制達到極限不能滿足系統要求時，電磁截止閥10得 電開通，通過馬達組15高壓端的控制油直接控制雙向變量泵9來進行調速，這種液控直調 方式能夠提高響應速度。第一安全閥11. 1、第二安全閥11. 2是用來保證液壓油在正反向 流動時候，保證在刀盤系統壓力過高時來限制系統最高的壓力即通過從高壓油端進入低壓 油端。二位四通插裝閥3與高壓蓄能器1和低壓蓄能器2的連接的目的主要是為了能夠實 現刀盤正反轉時高低壓蓄能器和雙向變量泵9高低壓端相匹配，更好的吸收震動和衝擊， 同時系統流量大，為了減小節流損失故選用插裝閥設計。定量泵18系統主要是為了及時向 系統內補充油液來補償洩漏。比例溢流閥13用來保證系統壓力的無級調節。第一單向閥
12.1、第二單向閥12. 2、第三單向閥12. 3、第四單向閥12. 4的連接主要是為了在盾構刀盤正反轉過程中都能保證變量泵的排油口都能和比例溢流閥13的進油口相一致；第五單向 閥12. 5、第六單向閥12. 6主要是避免閉式系統中的液壓油回流到定量泵18系統中來。由於盾構的工作地質環境是複雜多變的，所以我們分別以沙質地層，粘性土，硬巖 地層等複合地質條件下來分析該系統原理。首先第二電機16啟動，通過第二聯軸器17帶動定量泵18啟動，定量泵18通過吸 油口過濾器19從油箱20吸油，定量泵18的出油口通過出油口過濾器21進入閉式油路從 而向閉式油路供油以補償洩漏，當系統壓力穩定時電磁溢流閥22得電，定量泵18卸荷從而 減小溢流和節流損失，閉式系統壓力不足時，電磁溢流閥22得電對閉式系統進行供油。第 二電機16正轉時，雙向變量泵9順時針轉動，油液在系統中也是順時針轉動，此時雙向變量 泵9上端壓力高於下端壓力，此時二位四通插裝閥3上的電磁閥得電使得高壓蓄能器1和 雙向變量泵9的上端相連，低壓蓄能器2和雙向變量泵9的下端相連；當第二電機16轉速 相反時，二位四通插裝閥3上的電磁閥失電，由於彈簧的作用使其工作在左位，由於第二電 機16轉速相反，雙向變量泵9下端壓力高於上端壓力，使得高低壓蓄能器仍和變量泵的高 低壓端相一致。以第二電機16正轉為例，變量泵的排出油通過第二過濾器6. 2，經第二壓力表4. 2 進入主油路，一分支直接到達馬達組15的進油口，流經馬達組15後進入到回油區；另一支 路通過第四單向閥12. 4進入到比例溢流閥13的入口，有一部分從比例溢流閥13溢流出 來，經第二單向閥12. 2進入回油區；其餘支路分別連接到第一安全閥11. 1進油口、第二安 全閥11. 2的回油口。回油路的油液經過第一過濾器6. 1、第一壓力表4. 1進入到雙向變量 泵9的吸油口。盾構在不同的地質中進行掘進時，由於不同的地質中液壓系統所需要的參數比如 壓力、流量變化很大，故其調節的範圍也很大，當從一種地質進入到另一種地質過程中，系 統參數往往變化很大。當盾構機在沙質地層工作的時候，在沙質地層中由於含水量比較低，故其土質粘 性比較低，同時運動對周圍土體擾動較大，這種工況下刀盤所受扭矩比較低，同時轉速中 等，這時候比例溢流閥13的壓力調定為中等，同時變轉速控制能夠滿足系統要求，電磁截 止閥10關閉，通過變轉速調速控制能滿足系統要求。當進入到硬巖區時候，轉速提高，推進 位移減小，扭矩減小，由於考慮到變轉速調速有一定滯後現象，這時候，通過調節電磁截止 閥10使之得電，當負載壓力變化時，通過液控直調首先改變轉速，當穩定後通過變轉速控 制來調節，當系統調節轉速範圍受到限制，變轉速和變排量控制同時作用，可以拓寬調速範 圍。當盾構刀盤工作在粘土層時候，該地層的工作特點是轉速較低，扭矩較大，而且刀盤的 轉動對周圍土體擾動比較大，此時調節比例溢流閥13的壓力為重載模式，同時轉速偏低， 故此時實行調節變轉速控制可以滿足系統要求，在掘進過程中由於負載的隨機性和多變 性，可以實時的調節系統流量和壓力以滿足和地質狀況實時適應，通過蓄能器可以吸收系 統的一些衝擊振動，使系統穩定運行。梭閥14的作用主要是為了提取進油路和回油路的高壓油來調節變量泵的排量， 實現負載敏感和恆壓控制。第二單向閥12. 2和第三單向閥12. 3起到防止油液倒流同時起 到防吸空作用。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
6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
一種變轉速變排量複合控制的刀盤閉式液壓驅動系統，其特徵在於，包括高壓蓄能器(1)、低壓蓄能器(2)、二位四通插裝閥(3)、第一壓力表(4.1)、第二壓力表(4.2)、第一壓力傳感器(5.1)、第二壓力傳感器(5.2)、第一過濾器(6.1)、第二過濾器(6.2)、變頻器和第一電機(7)、第一聯軸器(8)、雙向變量泵(9)、電磁截止閥(10)、第一安全閥(11.1)、第二安全閥(11.2)、第一單向閥(12.1)、第二單向閥(12.2)、第三單向閥(12.3)、第四單向閥(12.4)、第五單向閥(12.5)、第六單向閥(12.6)、比例溢流閥(13)、梭閥(14)、馬達組(15)、第二電機(16)、第二聯軸器(17)、定量泵(18)、吸油口過濾器(19)、油箱(20)、出油口過濾器(21)、電磁溢流閥(22)。
2.根據權利要求1所述變轉速變排量複合控制的刀盤閉式液壓驅動系統，其特徵在 於，所述變頻器和第一電機⑵通過第一聯軸器⑶與雙向變量泵(9)剛性連接。雙向變 量泵(9)的吸油口與帶油訊發生裝置的吸油口過濾器(6. 1)連通。雙向變量泵(9)的出 油口與帶有油訊發生裝置的出油口過濾器(6.2)進油口連接，出油口過濾器(6.2)出油 口與主油路連接。二位四通插裝閥(3)的進油口 T、第一單向閥(13. 1) 一端、第四單向閥 (13.4) —端、第五單向閥(13. 5) 一端、第一安全閥(11.1) 一端、第二安全閥(11.2) —端、 第二壓力表(4.2)和馬達組(16)的一端與主油路連接，二位四通插裝閥(3)的P 口、第一 壓力表(4. 1)另一端、第一安全閥(11. 1)另一端、第二安全閥(11. 2)的另一端、第二單向 閥(12. 2) 一端、第三單向閥(12. 3) 一端、第六單向閥(12.6) —端和馬達組(16)的另一端 與主回油路連接；第一單向閥(12. 1)的另一端、第二單向閥(12.2)另一端和比例溢流閥 (13)的出口端連接。第三單向閥(12.3)另一端、第四單向閥(12.4)另一端和比例溢流閥 (13)進油口相連；梭閥(15)的一個進油口和馬達組(16)的一端連接，梭閥(15)的另一個 進油口和馬達組(16)的另一端連接，梭閥(15)的出口同電磁截止閥(10)相連，電磁截止 閥(10)的另一端同雙向變量泵(9)的控制口相連接；定量泵(18)通過第二聯軸器(17)和 第二電機(16)剛性連接，定量泵(18)的吸油口和吸油口過濾器(19)的排油口連接，定量 泵(18)的排油口分別與出油口過濾器(21)的排油口和電磁溢流閥(22)的一端連接；出油 口過濾器(21)的另一端分別與第五單向閥(12.5)另一端和第六單向閥(12.6)另一端相 連接、電磁溢流閥(22)出油口分別與吸油口過濾器(19)的吸油口與和油箱(20)連接。
全文摘要
本發明公開了一種變轉速變排量複合控制的刀盤閉式液壓驅動系統，本發明主油路採用的是變轉速控制作為一級調速控制，變排量調速控制作為第二級調速控制的泵控馬達閉式系統，變頻調速節能效果好，效率高，變排量泵控馬達閉式系統減少了溢流損失和節流損失，提高了系統的效率，同時可以彌補當變頻調速範圍超出泵的極限轉速的限制；由於刀盤轉速範圍廣，功率變化範圍大，變轉速變排量複合控制拓寬了刀盤的調速範圍；單向閥和比例溢流閥的組合可以使得刀盤雙向壓力連續可調；變量泵兩端蓄能器的安裝可以吸收系統油液的衝擊震動，減小了系統的裝機功率。
文檔編號E21D9/093GK101967980SQ201010173608
公開日2011年2月9日 申請日期2010年5月17日 優先權日2010年5月17日
發明者劉懷印, 周如林, 應群偉, 汪慧, 龔國芳 申請人:浙江大學;杭州鍋爐集團股份有限公司;杭州杭鍋通用設備有限公司