一种压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统.pdf

本实用新型公开了一种压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统，包括由电机通过联轴器与定量泵连接组成的油源系统，该油源同时向管片拼装部分供油。推进系统采用分区控制，分为四个区，每个区内有比例流量阀和比例溢流阀组成的控制部分，分流阀、二位三通阀和成组液压缸组成的压力同步和流量同步切换单元。本实用新型主油路采用的是定量泵阀控的开式控制系统，在推进过程中可以实现推进模式选择，可以实现压力同步和流量同步的复合控制，同时管片拼装系统和推进系统共用一套油源，可以减少装机功率，蓄能器的设置一方面吸收震动和冲击，同时当推进缸回退或是遇到冲击负载时也可以作为辅助能源，从而进一步减小系统的装机功率。

权利要求书
1.  一种压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统，其特征在于，包括油箱(1)、吸油口过滤器(2)、电磁溢流阀(3)、定量泵(4)、联轴器(5)、电机(6)、电液三位四通换向阀(7)、二位三通插装阀(8)、电磁截止阀(9)、出油口过滤器(10)、压力继电器(11)、闸阀(13)、蓄能器(14)和四个区；
其中，电机(6)通过联轴器(5)与定量泵(4)刚性连接，定量泵(4)的吸油口与吸油口过滤器(2)连通，变量泵(6)的出油口分别与电磁溢流阀(3)的一端、电磁截止阀(9)的一端、第二单向阀的一端(12.2)和出油口过滤器(10)进油口连接，出油口过滤器(10)的排油口与电液三位四通换向阀(7)的P口连接，电磁截止阀(9)的另一端分别同压力继电器(11)、第一单向阀的一端和闸阀(13)相连接，第一单向阀(12.1)的另一端和第二单向阀(12.2)的另一端分别和管片拼装系统相连接；闸阀(13)的另一端和蓄能器(14)相连接，电液三位四通换向阀(7)的T口和油箱相连，A口分别和二位三通插装阀(8)的进油口A和各个区的输入端相连，电液三位四通换向阀(7)的B口和各个区的输出端相连。

2.  根据权利要求1所述压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统，其特征在于，每个区包括：第一单向阀(12.1)、第二单向阀(12.2)、第三单向阀(12.3)、第四单向阀(12.4)、第一二位三通电磁换向阀(15.1)、第二二位三通电磁换向阀(15.2)、第三二位三通电磁换向阀(15.3)、第四二位三通电磁换向阀(15.4)、第五二位三通电磁换向阀(15.5)、比例流量阀(16)、比例溢流阀(17)、第一分流阀(18.1)、第二分流阀(18.2)、第一单向节流阀(19.1)、第二单向节流阀(19.2)、第三单向节流阀(19.3)、第一安全阀(20.1)、第二安全阀(20.2)、第三安全阀(20.3)、第一液压缸(21.1)、第二液压缸(21.2)、第三液压缸(21.3)、第一梭阀(22.1)、第二梭阀(22.2)、位移传感器(23)、压力传感器(24)；其中，第一二位三通电磁换向阀(15.1)的A、B口分别同比例流量阀(16)的一端、第三单向阀(12.3)的一端相连接；比例流量阀(16)的另一端、第三单向阀(12.3)的另一端、第四单向阀(12.4)的另一端、比例溢流阀(17)的一端和第二二位三通电磁换向阀(15.2)的P口相连接；第二二位三通电磁换向阀(15.2)的A口分别与第一单向节流阀(19.1)一端、第二单向节流阀(19.2)一端和第三单向节流阀(19.3)一端相连接，第二二位三通电磁换向阀(15.2)的B口和第一分流阀(18.1)进油口相连接；第一分流阀(18.1)的两个分流口分别同第二分流阀(18.2)进油口、第五二位三通电磁换向阀(15.5)的B相连接，第三二位三通电磁换向阀(15.3)的A、B分别同第一单向节流阀(19.1)的另一端、第二分流阀(18.2)一个分流口相连接，第三二位三通电磁换向阀(15.3)的P口分别同第一安全阀(20.1)一端、第一液压缸(21.1)的无杆腔和第二梭阀(22.2)一端相连接；第四二位三通电磁换向阀(15.4)的A、B分别同第二单向节流阀(19.2)的另一端、第二分流阀(18.2)另一个分流口相连接，第四二位三通电磁换向阀(15.4)的P口分别同第二安全阀(20.2)一端、第二液压缸(21.2)无杆腔和第一梭阀(22.1)一端相连接；第五二位三通电磁换向阀(15.5)的A、B分别同第三单向节流阀(19.3)的另一端、第一分流阀(18.1)另一个分流口相连接，第五二位三通电磁换向阀(15.5)的P口分别同第三安全阀(20.3)一端、第三液压缸(21.3)无杆腔和第一梭阀(22.1)另一端相连接；第一安全阀(20.1)的另一端、第二安全阀(20.2)的另一端、第三安全阀(20.3)的另一端和油箱连接；第一梭阀(22.1)的输出端和第二梭阀(22.2)的另一端相连接，第二梭阀(22.2)的输出端和压力传感器(24)连接；第一液压缸(21.1)另一端、第二液压缸(21.2)另一端和第三液压缸(21.3)另一端作为该区的输出端，第一二位三通电磁换向阀(15.1)的P口作为该区的输入端。

说明书一种压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统
技术领域
本实用新型涉及一种流体压力执行机构，尤其涉及一种采用压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统。
背景技术
盾构掘进机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。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点。随着科技发展和社会进步，盾构掘进将逐步取代传统方法。
推进系统同刀盘系统、螺旋输送机、管片拼装系统构成了完整的盾构机盾构系统。推进系统是盾构的关键系统之一，它主要承担着整个盾构的顶进任务，要求完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步控制等。推进系统的调整主要是通过调整液压缸来控制姿态的，推进工作通常由沿盾构周向分布的一定数量液压缸的协调顶伸动作来完成。推进系统的控制不仅直接关系到对隧道施工正确性和完整性起决定作用的盾构掘进姿态控制，而且对地下工程施工中一个最为关键的控制对象即地表变形也产生极大的影响。掘进施工土质地层及其水土压力的复杂多变性，以及盾构前方存在的种种不可预见因素，对推进系统的输出推力和速度提出了更高的控制要求。因此，推进液压系统的压力和流量必须实时连续可调，确保合理的推进力和推进速度，以配合其它执行机构维持掘进过程中水土压力平衡。
盾构掘进是一种典型的大功率、大负载工况，因此系统的装机功率巨大。在能耗如此大的系统中，工作效率和能量的合理分配对系统性能而言是一个极其重要的影响因素。传统盾构掘进机中管片拼装部分和推进部分单独供油，必然增加了系统的装机功率，同时系统繁琐；区内液压缸采用直接并联，当推进载荷发生变化时，推进方向发生变化，同步性能较差，从一定程度上增加了纠偏系统的压力。为了提高工作效率，传统的推进流程分为推进和快退部分，通过运用高低压泵互联的形式分别对推进和快退供油，增加系统的成本和功率损失，同时，管片拼装部分有一部分势能没有充分利用起来，因此都会增加系统的装机功率和能量损耗，因此如何在确保盾构掘进系统正确高效完成掘进任务的情况下实现液压系统的节能控制和实现推进同步性是盾构掘进中的一个关键技术问题。
实用新型内容
为了满足背景技术中盾构施工过程中存在的问题兼顾满足盾构施工的要求，本实用新型的目的在于提供一种压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统，本实用新型既可以实现推进缸之间的同步控制和防过偏，又可以大大降低系统的装机功率，同时也增加了推进系统协调控制的灵活性。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种采用压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统，包括：油箱、吸油口过滤器、电磁溢流阀、定量泵、联轴器、电机、电液三位四通换向阀、二位三通插装阀、电磁截止阀、出油口过滤器、压力继电器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、闸阀、蓄能器、第一二位三通电磁换向阀、第二二位三通电磁换向阀、第三二位三通电磁换向阀、第四二位三通电磁换向阀、第五二位三通电磁换向阀、比例流量阀、比例溢流阀、第一分流阀、第二分流阀、第一单向节流阀、第二单向节流阀、第三单向节流阀、第一安全阀、第二安全阀、第三安全阀、第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸、第一梭阀、第二梭阀、位移传感器、压力传感器。
电机通过联轴器与定量泵刚性连接，定量泵的吸油口与吸油口过滤器连通，变量泵的出油口分别与电磁溢流阀的一端、电磁截止阀的一端、第二单向阀的一端和出油口过滤器进油口连接，出油口过滤器的排油口与电液三位四通换向阀的P口连接，电磁截止阀的另一端分别同压力继电器、第一单向阀的一端和闸阀相连接，第一单向阀的另一端和第二单向阀的另一端分别和管片拼装系统相连接。闸阀的另一端和蓄能器相连接，电液三位四通换向阀的T口和油箱相连，A口分别和二位三通插装阀的进油口A和各个区的输入端相连，电液三位四通换向阀的B口和各个区的输出端相连。由于推进系统分为四区，每个区内布置一样，以一区的布置为例来进行说明：第一二位三通电磁换向阀的A、B口分别同比例流量阀的一端、第三单向阀的一端相连接。比例流量阀的另一端、第三单向阀的另一端、第四单向阀的另一端、比例溢流阀的一端和第二二位三通电磁换向阀的P口相连接。第二二位三通电磁换向阀的A口分别与第一单向节流阀一端、第二单向节流阀一端和第三单向节流阀一端相连接，第二二位三通电磁换向阀的B口和第一分流阀进油口相连接。第一分流阀的两个分流口分别同第二分流阀进油口、第五二位三通电磁换向阀的B相连接，第三二位三通电磁换向阀的A、B分别同第一单向节流阀的另一端、第二分流阀一个分流口相连接，第三二位三通电磁换向阀的P口分别同第一安全阀一端、第一液压缸的无杆腔和第二梭阀一端相连接。第四二位三通电磁换向阀的A、B分别同第二单向节流阀的另一端、第二分流阀另一个分流口相连接，第四二位三通电磁换向阀的P口分别同第二安全阀一端、第二液压缸无杆腔和第一梭阀一端相连接。第五二位三通电磁换向阀的A、B分别同第三单向节流阀的另一端、第一分流阀另一个分流口相连接，第五二位三通电磁换向阀的P口分别同第三安全阀一端、第三液压缸无杆腔和第一梭阀另一端相连接。第一安全阀的另一端、第二安全阀的另一端、第三安全阀的另一端和油箱连接。第一梭阀的输出端和第二梭阀的另一端相连接，第二梭阀的输出端和压力传感器连接。第一液压缸另一端、第二液压缸另一端和第三液压缸另一端作为该区的输出端，第一二位三通电磁换向阀的P口作为该区的输入端。
本实用新型与背景技术相比，具有的有益效果是：
1)推进系统和管片拼装系统共用一个油源，考虑到管片拼装和推进系统在空间和时间上都有一定的先后性，故该措施可行，可以大大减小系统的装机功率，这一点特别是在大型盾构掘进设备中具有明显的优势。
2)推进系统的各个分区内采用压力和流量同步两种控制方式，在盾构直线推进过程中采用流量同步控制可以满足推进方向正确性，当推进系统发生偏转时采用压力同步，通过调节各个分区的压力来调节，调节效果好。
3)推进系统推进和后退过程内只用一个定量泵供油，不同于传统的双定量泵供油，该系统中增加了成组蓄能器，该蓄能器在管片拼装过程中充分吸收拼装过程中重力势能从而向蓄能器充油，当回退过程时蓄能器和定量泵一同向推进系统供油，满足系统退回快速性的要求。
4)推进系统可以实现平均分区，克服了传统不均匀分区给系统控制带来的不便。
附图说明
图1是流量压力复合同步控制的推进系统液压原理图；
图2是推进液压缸分区图；
图中：油箱1、吸油口过滤器2、电磁溢流阀3、定量泵4、联轴器5、电机6、电液三位四通换向阀7、二位三通插装阀8、电磁截止阀9、出油口过滤器10、压力继电器11、第一单向阀12.1、第二单向阀12.2、第三单向阀12.3、第四单向阀12.4、闸阀13、蓄能器14、第一二位三通电磁换向阀15.1、第二二位三通电磁换向阀15.2、第三二位三通电磁换向阀15.3、第四二位三通电磁换向阀15.4、第五二位三通电磁换向阀15.5、比例流量阀16、比例溢流阀17、第一分流阀18.1、第二分流阀18.2、第一单向节流阀19.1、第二单向节流阀19.2、第三单向节流阀19.3、第一安全阀20.1、第二安全阀20.2、第三安全阀20.3、第一液压缸21.1、第二液压缸21.2、第三液压缸21.3、第一梭阀22.1、第二梭阀22.2、位移传感器23、压力传感器24。
具体实施方式
下面根据附图详细描述本实用新型，本实用新型的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，本实用新型压力流量复合同步控制的节能型盾构推进系统包括：油箱1、吸油口过滤器2、电磁溢流阀3、定量泵4、联轴器5、电机6、电液三位四通换向阀7、二位三通插装阀8、电磁截止阀9、出油口过滤器10、压力继电器11、第一单向阀12.1、第二单向阀12.2、第三单向阀12.3、第四单向阀12.4、闸阀13、蓄能器14、第一二位三通电磁换向阀15.1、第二二位三通电磁换向阀15.2、第三二位三通电磁换向阀15.3、第四二位三通电磁换向阀15.4、第五二位三通电磁换向阀15.5、比例流量阀16、比例溢流阀17、第一分流阀18.1、第二分流阀18.2、第一单向节流阀19.1、第二单向节流阀19.2、第三单向节流阀19.3、第一安全阀20.1、第二安全阀20.2、第三安全阀20.3、第一液压缸21.1、第二液压缸21.2、第三液压缸21.3、第一梭阀22.1、第二梭阀22.2、位移传感器23、压力传感器24。
电机6通过联轴器5与定量泵4刚性连接，定量泵4的吸油口与吸油口过滤器2连通，变量泵6的出油口分别与电磁溢流阀3的一端、电磁截止阀9的一端、第二单向阀的一端12.2和出油口过滤器10进油口连接，出油口过滤器10的排油口与电液三位四通换向阀7的P口连接，电磁截止阀9的另一端分别同压力继电器11、第一单向阀的一端和闸阀13相连接，第一单向阀12.1的另一端和第二单向阀12.2的另一端分别和管片拼装系统相连接。闸阀13的另一端和蓄能器14相连接，电液三位四通换向阀7的T口和油箱相连，A口分别和二位三通插装阀8的进油口A和各个区的输入端相连，电液三位四通换向阀7的B口和各个区的输出端相连。由于推进系统分为四区，每个区内布置一样，以一区的布置为例来进行说明：第一二位三通电磁换向阀15.1的A、B口分别同比例流量阀16的一端、第三单向阀12.3的一端相连接。比例流量阀16的另一端、第三单向阀12.3的另一端、第四单向阀12.4的另一端、比例溢流阀17的一端和第二二位三通电磁换向阀(15.2)的P口相连接。第二二位三通电磁换向阀15.2的A口分别与第一单向节流阀19.1一端、第二单向节流阀19.2一端和第三单向节流阀19.3一端相连接，第二二位三通电磁换向阀15.2的B口和第一分流阀18.1进油口相连接。第一分流阀18.1的两个分流口分别同第二分流阀18.2进油口、第五二位三通电磁换向阀15.5的B相连接，第三二位三通电磁换向阀15.3的A、B分别同第一单向节流阀19.1的另一端、第二分流阀18.2一个分流口相连接，第三二位三通电磁换向阀15.3的P口分别同第一安全阀20.1一端、第一液压缸21.1的无杆腔和第二梭阀22.2一端相连接。第四二位三通电磁换向阀15.4的A、B分别同第二单向节流阀19.2的另一端、第二分流阀18.2另一个分流口相连接，第四二位三通电磁换向阀15.4的P口分别同第二安全阀20.2一端、第二液压缸21.2无杆腔和第一梭阀22.1一端相连接。第五二位三通电磁换向阀15.5的A、B分别同第三单向节流阀19.3的另一端、第一分流阀18.1另一个分流口相连接，第五二位三通电磁换向阀15.5的P口分别同第三安全阀20.3一端、第三液压缸21.3无杆腔和第一梭阀22.1另一端相连接。第一安全阀20.1的另一端、第二安全阀20.2的另一端、第三安全阀20.3的另一端和油箱连接。第一梭阀22.1的输出端和第二梭阀22.2的另一端相连接，第二梭阀22.2的输出端和压力传感器24连接。第一液压缸21.1另一端、第二液压缸21.2另一端和第三液压缸21.3另一端作为该区的输出端，第一二位三通电磁换向阀15.1的P口作为该区的输入端。
本实用新型的工作过程如下：
电机6得电启动，驱动定量泵4转动，定量泵4通过吸油口从油箱1内吸入压力油，压力油通过第二单向阀12.2向管片拼装系统供油，同时压力油通过管路向推进系统进行供油。蓄能器14一端和管片拼装系统连接，充分吸收拼装过程中由于重力作用产生的势能损失，另一端通过压力继电器11和电磁截止阀9和推进系统主油路连接。在推进系统中压力油通过主管路流经电液三位四通换向阀7的P口、第一二位三通电磁换向阀15.1、进入到比例流量阀16和比例溢流阀17，此时主油路上采用比例压力流量调节方式进行控制，随后在区内，油液通过第二二位三通电磁换向阀15.2和第一分流阀18.1分别流入到第一单向节流阀19.1、第二单向节流阀19.2、第三单向节流阀19.3，最终通过第三二位三通电磁换向阀15.3、第四二位三通电磁换向阀15.4、第五二位三通电磁换向阀15.5流到第一液压缸21.1、第二液压缸21.2、第三液压缸21.3的一端，此时可以选择推进缸并联压力同步工作或者是分流阀流量同步控制方式。第一液压缸21.1另一端、第二液压缸21.2另一端、第三液压缸21.3的另一端通过电液三位四通换向阀7回油箱。
在此，以盾构工作的先后顺序进行说明：
首先在推进系统空载向前推进过程时，管片拼装系统停止动作，电机6带动定量泵4单独对推进系统供油，此时电液三位四通换向阀7的控制阀电磁铁左端得电，此时其上端的液动换向阀由于左端压力高于右端压力，故工作在左位，二位三通插装阀(8)的控制阀失电，在弹簧作用下工作在左位，同时第一二位三通电磁换向阀15.1失电，第三单向阀12.3将比例流量阀16短路，此时第三二位三通电磁换向阀15.3、第四二位三通电磁换向阀15.4、第五二位三通电磁换向阀15.5全部失电，故油液通过第一单向节流阀19.1的单向阀、第二单向节流阀19.2的单向阀、第三单向节流阀19.3的单向阀进入到第一液压缸21.1、第二液压缸21.2、第三液压缸21.3的无杆腔，有杆腔的油液通过电液三位四通换向阀7的B口流入到二位三通插装阀8的P口，然后流入到电液三位四通换向阀7的A口，此时系统采用差动连接，且此时系统流量损失很小，定量泵4全流量进行供油，推进系统快速前进。
当推进系统带负载进行前进时，管片拼装系统停止动作，电机6带动定量泵4单独对推进系统供油，此时电液三位四通换向阀7的电磁铁左端得电，此时其上端的液动换向阀由于左端油压高于右端油压故工作在左位，二位三通插装阀8的控制阀得电，同时第一二位三通电磁换向阀15.1得电，第二二位三通电磁换向阀15.2得电，第三二位三通电磁换向阀15.3得电，第四二位三通电磁换向阀15.4得电，第五二位三通电磁换向阀15.5得电，此时系统在主油路上采用比例压力流量复合同步控制，在区内液压缸之间采用分流阀控制的流量同步控制，该控制方法分流效果好，在遇到冲击负载时，由于分流阀的反馈作用使流量同步响应快，同步效果好。第一梭阀22.1、第二梭阀22.2的安装主要是为了引出第一液压缸21.1、第二液压缸21.2、第三液压缸21.3的高压油并检测，通过控制器来实时控制比例溢流阀17的信号。位移传感器23的安装为了实时的检测推进缸的位置并和比例流量控制形成闭环控制，使推进系统的位置控制更加准确。
当推进系统要转弯时，此时第二二位三通电磁换向阀15.2、第三二位三通电磁换向阀15.3、第四二位三通电磁换向阀15.4、第五二位三通电磁换向阀15.5全部失电，此时推进系统区间采用液压缸直接并联的压力同步控制来偏转，此时没有节流损失，同时偏转的结果同压力相关，控制效果好。
当推进缸到达行程极限时，管片拼装系统开始工作，电机6带动定量泵4单独对管片拼装系统供油，管片在调整过程中，将电磁截止阀9通电，定量泵4向蓄能器14供部分油，在管片拼装过程结束时，由于液压缸的自重产生的重力势能的损失可以转化为蓄能器14里的能量，此时当压力传感器(24)检测到压力超过限定值的时候，电磁截止阀9断电，此时蓄能器14保压。
当管片拼装过程结束后，推进缸实现快退的功能，此时电液三位四通换向阀7的控制阀右端得电，左端失电，液控阀的左端油压小于右端油压，故其工作在右位，此时蓄能器14和定量泵4一同向系统进行供油，油液进入到第一液压缸21.1、第二液压缸21.2、第三液压缸21.3的有杆腔。此时第一二位三通电磁换向阀15.1、第二二位三通电磁换向阀15.2、第三二位三通电磁换向阀15.3、第四二位三通电磁换向阀15.4、第五二位三通电磁换向阀15.5都失电，第一液压缸21.1、第二液压缸21.2、第三液压缸21.3的无杆腔的油液经过第一单向节流阀19.1、第二单向节流阀19.2、第三单向节流阀19.3后汇合为一路经过第二二位三通电磁换向阀15.2、第三单向阀12.3、电液三位四通换向阀7T口回油，实现了推进缸的快速退回。
第一安全阀20.1、第二安全阀20.2、第三安全阀20.3的作用主要是为了防止推进过程中液压缸有杆腔油压过大，第一单向阀12.1主要是管片拼装过程中将重力势能转化为蓄能器里的液压能同时防止回流作用。
上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。