比例反馈控制及蓄能器补油的盾构螺旋输送机液压系统 所属技术领域
本发明涉及流体压力执行机构，尤其涉及一种比例反馈控制及蓄能器补油的盾构螺旋输送机液压系统。
背景技术
盾构是一种专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。在一个既能支撑地层压力又能在地层中推进的圆形或矩形和马蹄形等特殊形状钢筒结构的掩护下，它能完成挖掘、出土、隧道支护等工作。其最大特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称作护盾的钢结构的掩护下完成的，可最大限度地避免坍塌和地表变形。与传统的隧道掘进技术相比，盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构。
现代盾构控制地表沉降和减少对土体扰动的最基本和有效的方法是采用压力平衡(泥水平衡和土压平衡)技术。要求根据工作面实际压力的变化及时调整出土量，保证工作面有合适的支撑压力。目前常用的方法是通过预先设定土舱内压力值以达到稳定地层的目的，在施工中根据地表沉降情况再进行调整，是一种“滞后式”的土压纠正。由于开挖面上土层的原始应力比较复杂，这种预先设定与滞后调整的结果会使地面产生较大隆起或塌陷，地层稳定和地表沉降控制的效果在很大程度上取决于施工人员的经验，施工质量难以保证。因此，如何根据工作面土压或地表变形实时调整螺旋输送机的转速是关系盾构可靠掘进的关键技术问题。
螺旋输送机是盾构的重要组成部分，它主要用来从盾构密封舱内将刀盘切削下来的泥土排出盾体，同时保持密封舱压力。泥土通过螺旋杆输送压缩形成密封土塞，形成一定的阻力，可保持密封舱内压力稳定在预定范围内。盾构施工中保持密封舱压力与工作面水土压力相平衡地有效方式是根据土舱压力实时调整出土量，要求螺旋输送机液压系统能根据土舱压力的反馈信号实时精确控制输送机转速。密封舱在任何情况下都应该能可靠密闭以防止发生喷涌事故，要求螺旋输送机闸门在任何情况下均能可靠关闭。
【发明内容】
为了克服背景技术中盾构施工过程存在的问题及满足盾构施工的要求，本发明的目的在于提供一种比例反馈控制及蓄能器补油的盾构螺旋输送机液压系统，可以实时控制螺旋输送机的转速，并保证隧道施工的安全。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：两个三位四通电磁换向阀，马达，转速传感器，单向阀，节流阀，两个液控单向阀，二位二通电磁换向阀，液压缸，位移传感器，行程开关，截止球阀，卸荷球阀，溢流阀，蓄能器。第一个三位四通电磁换向阀的进油口P1分别与第二个三位四通电磁换向阀的进油口P2、单向阀的进油口A5连通；第一个三位四通电磁换向阀的回油口T1分别与第二个三位四通电磁换向阀的回油口T2、卸荷球阀的回油口T3、溢流阀的回油口T4连通；第一个三位四通电磁换向阀的出油口A1与马达的工作油口A连通，第一个三位四通电磁换向阀的出油口B1与马达的工作油口B连通；转速传感器安装在马达的输出轴上；第一液控单向阀的进油口A3与第二个三位四通电磁换向阀的出油口A2连通，第一液控单向阀的出油口B3和液压缸的无杆腔连通；第二液控单向阀的进油口A4与第二个三位四通电磁换向阀的出油口B2连通，第二液控单向阀的出油口B4分别与二位二通电磁换向阀的出油口B7、液压缸的有杆腔连通；位移传感器内置于液压缸里面；行程开关固定安装在液压缸两端；单向阀的出油口B5分别与节流阀的进油口A6、截止球阀的工作油口A8连通，节流阀的出油口B6与二位二通电磁换向阀的进油口A7连通，截止球阀的工作油口B8分别与蓄能器的工作油口S、溢流阀的进油口P4、卸荷球阀的进油口P3连通。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
1)采用土舱压力电反馈及变量泵比例反馈液压控制技术，实现了螺旋输送机转速的实时可调，能较好地控制盾构掘进时对土体的扰动，减小地表变形；
2)采用蓄能器补油实现了断电状态或突发性的故障停机状态时出泥口闸门的可靠关闭，保证隧道施工的安全。
本发明能够使盾构螺旋机系统适应各种复杂的地层，系统可靠性高。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图是本发明的结构原理示意图。
图中：1.三位四通电磁换向阀，2.马达，3.转速传感器，4.单向阀，5.三位四通电磁换向阀，6.节流阀，7.液控单向阀，8.二位二通电磁换向阀，9.液控单向阀，10.液压缸、11.移传感器，12.行程开关，13.截止球阀，14.卸荷球阀，15.溢流阀，16.蓄能器。
【具体实施方式】
如附图所示，本发明包括两个三位四通电磁换向阀1、5，马达2，转速传感器3，单向阀4，节流阀6，两个液控单向阀7、9，二位二通电磁换向阀8，液压缸10，位移传感器11，行程开关12，截止球阀13，卸荷球阀14，溢流阀15，蓄能器16。第一个三位四通电磁换向阀1的进油口P1分别与第二个三位四通电磁换向阀5的进油口P2、单向阀4的进油口A5连通；第一个三位四通电磁换向阀1的回油口T1分别与第二个三位四通电磁换向阀5的回油口T2、卸荷球阀14的回油口T3、溢流阀15的回油口T4连通；第一个三位四通电磁换向阀1的出油口A1与马达2的工作油口A连通，第一个三位四通电磁换向阀1的出油口B1与马达2的工作油口B连通；转速传感器3安装在马达2的输出轴上；第一液控单向阀9的进油口A3与第二个三位四通电磁换向阀5的出油口A2连通，第一液控单向阀9的出油口B3和液压缸10的无杆腔连通；第二液控单向阀7的进油口A4与第二个三位四通电磁换向阀5的出油口B2连通，第二液控单向阀7的出油口B4分别与二位二通电磁换向阀8的出油口B7、液压缸10的有杆腔连通；位移传感器11内置于液压缸10里面；行程开关12固定安装在液压缸10两端；单向阀4的出油口B5分别与节流阀6的进油口A6、截止球阀13的工作油口A8连通，节流阀6的出油口B6与二位二通电磁换向阀8的进油口A7连通，截止球阀13的工作油口B8分别与蓄能器16的工作油口S、溢流阀15的进油口P4、卸荷球阀14的进油口P3连通。
本发明的的工作原理如下：
盾构螺旋输送机排土时，出泥口闸门的启闭为最优先级，此时应先把出泥口闸门打开，然后才启动马达2。系统压力油经进入三位四通电磁换向阀5的进油口P2，此时三位四通电磁换向阀5处于b位置，三位四通电磁换向阀5中的进油口P2和出油口A2连通，回油口T2和出油口B2连通，压力油经三位四通电磁换向阀5的出油口A2流出，进入液控单向阀9的进油口A3，从液控单向阀9的出油口B3流出，进入液压缸10的无杆腔，推动液压缸的活塞杆向前运动。液压缸有杆腔的压力油进入液控单向阀7的出油口B4，从液控单向阀7的进油口A4流出，进入三位四通电磁换向阀5的出油口B2，然后从三位四通电磁换向阀5的回油口T2流出，最后流回油箱。液压缸活塞杆向前推进时，出泥口闸门打开，其开口量逐渐增大。位移传感器11用来实时检测液压缸10的推进位移，当检测到的推进位移等于预先设定的位移时，三位四通电磁换向阀5断电处于中位，液压缸的活塞杆固定在设定位置。系统中的行程开关12用来提供出泥口闸门液压缸的极限位置信息。
液压缸10的活塞杆向前推进到设定位置时，三位四通电磁换向阀1得电处于d位置，三位四通电磁换向阀1中的进油口P1和出油口A1连通，回油口T1和出油口B1连通，系统压力油进入三位四通电磁换向阀1的进油口P1，经三位四通电磁换向阀1的出油口A1流出，进入马达2的工作油口A，马达2正转，压力油通过马达2工作油口B进入三位四通电磁换向阀1的出油口B1，然后从三位四通电磁换向阀1的回油口T1流出，最后流回油箱。
马达2反转时，三位四通电磁换向阀1得电处于c位置，三位四通电磁换向阀1中的进油口P1和出油口B1连通，回油口T1和出油口A1连通，系统压力油进入三位四通电磁换向阀1的进油口P1，经三位四通电磁换向阀1的出油口B1流出，进入马达2的工作油口B，压力油通过马达2工作油口A进入三位四通电磁换向阀1的出油口A1，然后从三位四通电磁换向阀1的回油口T1流出，最后流回油箱。
盾构施工过程中，为了控制对土体的扰动，减小地表变形，一个重要因素是要保持密封舱中的进土量和排土量相匹配。在刀盘转速和推进速度一定的条件下，密封舱中的排土量和螺旋输送机的转速成正比，因而施工中应特别注意调整螺旋输送机的转速，以使密封舱压力波动控制在最小幅度。此时可根据位于密封舱内的土压传感器实测的土压力来调整螺旋输送机的转速。当土压力超过目标土压设定的上限时，螺旋输送机的转速增大，加大排土量；当土压力低于目标土压设定的下限时，螺旋输送机的转速降低，减少排土量；当土压力位于目标土压设定的范围内时，螺旋输送机以定速旋转排土。系统中马达2的转速由安装在其输出轴上的转速传感器3实时检测，转速传感器3检测得到控制参数输出量，经过整形、比较和增益调整放大，通过比例放大控制器控制主驱动泵的比例控制阀，使主驱动泵排量相应的成比例变化，从而达到所需螺旋输送机的转速。采用土舱压力电反馈和变量泵比例反馈液压控制马达转速的控制策略，可实时控制螺旋输送机的排土量，能较好地控制盾构掘进时对土体的扰动，减小地表沉降。
盾构停止施工或者管片安装时，应先关闭出泥口闸门，然后马达停转。系统压力油进入三位四通电磁换向阀5的进油口P2，此时三位四通电磁换向阀5处于a位置，三位四通电磁换向阀5中的进油口P2和出油口B2连通，回油口T2和出油口A2连通，压力油经三位四通电磁换向阀5的出油口B2流出，进入液控单向阀7的进油口A4，从液控单向阀7的出油口B4流出，进入液压油缸10的无杆腔，推动液压缸的活塞杆向后运动。液压缸无杆腔的压力油进入液控单向阀9的出油口B3，从液控单向阀9的进油口A3流出，进入三位四通电磁换向阀5的出油口A2，然后从三位四通电磁换向阀5的回油口T2流出，最后流回油箱。当位移传感器11检测到的液压缸10的回退位移处于行程开关12左边的极限位置时，三位四通电磁换向阀5断电处于中位，出泥口闸门关闭。此时三位四通电磁换向阀1也断电处于中位，马达2停转。
系统正常工作时，二位二通电磁换向阀8得电处于关闭状态，压力油进入单向阀4的进油口A5，从单向阀4的出油口B5流出，进入截止球阀13的工作油口A8，从截止球阀13的工作油口B8流出，进入蓄能器16的工作油口S，蓄能器16进行充压蓄能。
在断电状态或突发性的故障停机状态，为了防止发生喷涌事故，应能保证螺旋机出泥口闸门的可靠关闭，以确保土压舱的土压平衡。系统突然断电时，蓄能器16充当泵的功能，压力油经蓄能器16工作油口S进入截止球阀13的工作油口B8，从截止球阀13的工作油口A8流出，进入节流阀6的进油口A6，从节流阀6的出油口B6流出，进入二位二通电磁换向阀8的进油口A7，从二位二通电磁换向阀8的出油口B7流出，进入液压缸10的有杆腔，给液压缸10提供流量，使出泥口闸门缓慢关闭，液压缸无杆腔的液压油进入液控单向阀9的出油口B3，经液控单向阀9的进油口A3流出，进入三位四通电磁换向阀5的出油口A2，然后从三位四通电磁换向阀5的回油口T2流出，最后流回油箱。出泥口闸门的关闭速度可由节流阀6调节。在较长时间的停机情况，应及时关闭管路上的截止球阀13，以防由于泄漏引起闭合压力过低，造成密封不良的现象。
溢流阀15和卸荷球阀14起安全保护作用，可防止蓄能器16超压。蓄能器16压力超过溢流阀15设定的压力时，溢流阀15的进油口P4和出油口T4导通，蓄能器16的压力油从溢流阀15流出，流回油箱。此时也可打开卸荷球阀14，蓄能器16的压力油从卸荷球阀14流出，最后流回油箱。