一种管片拼装机回转运动电液控制系统.pdf

本发明公开了一种的管片拼装机回转运动电液控制系统，包括电机、定量泵、三个溢流阀、回油管、两个三位四通比例换向阀、液压锁、液压马达、力矩转速传感器、两个压力传感器。由于本发明采用了两个三位四通比例换向阀对液压马达进油口流量和回油口背压实施独立控制，通过对管片拼装机回转运动加速、匀速和减速运动过程中液压马达回油口的背压进行控制，可以提高管片拼装机回转运动加速过程中的加速度、降低管片拼装机回转运动匀速运动过程中的能耗和外负载变化干扰作用下的转速波动、提高管片拼装机回转运动减速运动过程中的平稳性和定位精度，从而使管片拼装机回转运动电液控制系统的动态特性和稳态精度均获得提高。

权利要求书
1.  一种的管片拼装机回转运动电液控制系统，其特征在于：包括电机(1)、 定量泵(2)、溢流阀A(3)、回油管(4)、三位四通比例换向阀A(5)、三位 四通比例换向阀B(12)、液压锁(6)、溢流阀B(7)、溢流阀C(13)、液压马 达(8)、力矩转速传感器(9)、压力传感器A(10)、压力传感器B(11)；
所述的电机(1)与定量泵(2)刚性连接；所述的定量泵(2)的吸油口S 与油箱连通，定量泵(2)的出油口P分别与溢流阀A(3)的进油口P3、三位 四通比例换向阀A(5)的进油口P5和三位四通比例换向阀B(12)的进油口 P10连通；三位四通比例换向阀A(5)的出油口B5和三位四通比例换向阀B (12)的出油口B10均封住；所述的三位四通比例换向阀A(5)的出油口A5 和三位四通比例换向阀B(12)的出油口A10分别与液压锁(6)的油口P6和 油口P9连通，液压锁(6)的油口T6分别与溢流阀B(7)的进油口P7和液压 马达(8)的油口A8连通，溢流阀B(7)的出油口T7与油箱连通；液压马达 (8)的另外一个油口B8分别与溢流阀C(13)的进油口P8和液压锁(6)的 油口T9连通，溢流阀C(13)的出油口T8与油箱连通；液压锁(6)的油口 P9与三位四通比例换向阀B(12)的出油口A10连通，三位四通比例换向阀A (5)的回油口T5和三位四通比例换向阀B(12)的回油口T10均经回油管(4) 与油箱连通；力矩转速传感器(9)固定安装在液压马达(8)的输出轴上；压 力传感器A(10)与三位四通比例换向阀A(5)的出油口A5连通，压力传感 器B(11)与三位四通比例换向阀B(12)的出油口A10连通。

说明书一种管片拼装机回转运动电液控制系统
技术领域
本发明涉及流体压力执行机构，尤其涉及一种盾构掘进机的管片拼装机回 转运动电液控制系统。
背景技术
盾构掘进机是一种用于非硬岩类地质隧道施工的大型复杂掘进装备，它能 够实现隧道施工过程中的开挖、支护、排渣、衬砌等步骤的工厂化、自动化作 业。与采用人工开挖的隧道施工方法相比，盾构法隧道施工不仅安全、高效， 而且极大的提高了隧道的质量，降低了对隧道周围环境的影响，因此越来越多 的隧道采用盾构掘进机进行开挖。
管片拼装机是盾构掘进机的关键组成部分，主要负责将管片拼接成环，形 成衬砌，从而对开挖成型的隧道壁面进行支护。管片拼装的具体过程如下：首 先，管片拼装机从管片输运车上抓取管片，然后通过旋转运动、隧道径向和轴 向的平移运动三个定位运动将管片搬运到其目标位置点，之后通过俯仰、偏转 和横摇三个姿态调整运动将管片的姿态进行调整，以使管片与邻接管片良好配 合，最后用连接螺栓将安装到位的管片进行固定与连接，从而形成衬砌。隧道 施工过程中管片拼装工作量大、耗时长，因此要求管片拼装机具有较高的运动 速度以提高拼装效率；管片拼装定位精度直接影响衬砌质量，因此要求大惯量 管片拼装机高速运动过程中具有较高的运动控制精度。
管片拼装机回转运动具有负载惯量大、运动范围广的特点。现行管片拼装 机回转运动电液控制系统采用单一比例阀控制进入管片拼装机驱动液压马达进 油口的流量来控制马达转速，液压马达的进油口和回油口分别与该比例阀内联 动的两个节流口连通，因此无法对液压马达回油口的压力进行独立控制，在回 转运动启动加速阶段，过小的液压马达回油口的节流口使得马达回油口存在较 大的背压，限制了回转运动的加速能力，使得回转运动加速过程缓慢；在回转 运动减速阶段，也无法通过对马达回油口的背压进行控制使管片拼装机平稳准 确的停车。另一方面，现行管片拼装机回转运动电液控制系统中用来进行减速 和定位的平衡阀，由于其自身较高的开启压力、启闭延迟特性和启闭时机的不 可控性，进一步降低了管片拼装机回转运动电液控制系统的动态特性、稳定性 和回转运动的定位精度。因此，现行管片拼装机回转运动电液控制系统仍然存 在较大改善的空间。
高回转运动速度、高运动定位精度、低冲击与能耗是管片拼装机的发展方 向。通过对回转运动驱动马达进油口流量和回油口背压进行独立控制对于改善 大惯量管片拼装机回转运动动态特性，提高管片拼装机高速运动过程中的定位 精度，降低能耗和大惯量管片拼装机高速回转运动过程中的冲击载荷具有重要 意义。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既可以实现大惯量管 片拼装机回转高速运动过程中的运动速度和定位精度的准确控制，又可以实现 回转运动驱动马达回油口背压的控制，可以有效的改善动态响应特性和节能特 性的管片拼装机回转运动电液控制系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种的管片拼装机回转运动 电液控制系统，包括电机、定量泵、溢流阀A、回油管、三位四通比例换向阀A、 三位四通比例换向阀B、液压锁、溢流阀B、溢流阀C、液压马达、力矩转速传 感器、压力传感器A、压力传感器B；
所述的电机与定量泵刚性连接；所述的定量泵的吸油口S与油箱连通，定 量泵的出油口P分别与溢流阀A的进油口P3、三位四通比例换向阀A的进油口 P5和三位四通比例换向阀B的进油口P10连通；三位四通比例换向阀A的出油 口B5和三位四通比例换向阀B的出油口B10均封住；所述的三位四通比例换 向阀A的出油口A5和三位四通比例换向阀B的出油口A10分别与液压锁的油 口P6和油口P9连通，液压锁的油口T6分别与溢流阀B的进油口P7和液压马 达的油口A8连通，溢流阀B的出油口T7与油箱连通；液压马达的另外一个油 口B8分别与溢流阀C的进油口P8和液压锁的油口T9连通，溢流阀C的出油 口T8与油箱连通；液压锁的油口P9与三位四通比例换向阀B的出油口A10连 通，三位四通比例换向阀A的回油口T5和三位四通比例换向阀B的回油口T10 均经回油管与油箱连通；力矩转速传感器固定安装在液压马达的输出轴上；压 力传感器A与三位四通比例换向阀A的出油口A5连通，压力传感器B与三位 四通比例换向阀B的出油口A10连通。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1、由于本发明采用了两个三位四通比例换向阀对液压马达进油口流量和回 油口背压实施独立控制，通过对管片拼装机回转运动加速、匀速和减速运动过 程中液压马达回油口的背压进行控制，可以提高管片拼装机回转运动加速过程 中的加速度、降低管片拼装机回转运动匀速运动过程中的能耗和外负载变化干 扰作用下的转速波动、提高管片拼装机回转运动减速运动过程中的平稳性和定 位精度，从而使管片拼装机回转运动电液控制系统的动态特性和稳态精度均获 得提高。
2、由于本发明采用液压锁代替平衡阀实现管片拼装机回转运动电液控制系 统的保压和定位，而液压锁的开启和响应速度远远快于平衡阀，这样能够提高 管片拼装机回转运动电液控制系统的动态响应速度和闭环控制过程中的稳定 性。
附图说明
图1是本发明具体实施的原理示意图。
图中：1、电机，2、定量泵，3、溢流阀A，4、回油管，5、三位四通比 例换向阀A，6、液压锁，7、溢流阀B，8、液压马达，9、力矩转速传感器，10、 压力传感器A，11、压力传感器B，12、三位四通比例换向阀B，13、溢流阀C。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种采用负载口独立控制技术的管片拼装机回转运动电液控 制系统(以下简称“系统”)，包括电机1、定量泵2、溢流阀A3、回油管4、三 位四通比例换向阀A5、三位四通比例换向阀B12、液压锁6、溢流阀B7、溢流 阀C13、液压马达8、力矩转速传感器9、压力传感器A10、压力传感器B11； 电机1与定量泵2刚性连接；定量泵2的吸油口S与油箱连通，定量泵2的出 油口P分别与溢流阀A3的进油口P3、三位四通比例换向阀A5的进油口P5、 三位四通比例换向阀B12的进油口P10连通；三位四通比例换向阀A5的出油 口B5、三位四通比例换向阀B12的出油口B10均封住；三位四通比例换向阀 A5的出油口A5、三位四通比例换向阀B12的出油口A10分别与液压锁6的油 口P6、油口P9连通，液压锁6的油口T6与溢流阀B7的进油口P7和液压马达 8的油口A8连通，溢流阀B7的出油口T7与油箱连通；液压马达8的另外一个 油口B8与溢流阀C13的进油口P8和液压锁6的油口T9连通，溢流阀C13的 出油口T8与油箱连通；液压锁6的一个油口P9与三位四通比例换向阀B12的 出油口A10连通，三位四通比例换向阀A5的回油口T5、三位四通比例换向阀 B12的回油口T10均与回油管4连通，回油管4与油箱连通；力矩转速传感器9 固定安装在液压马达8的输出轴上；第一压力感器10与三位四通比例换向阀 A5的出油口A5连通，第二压力感器11与三位四通比例换向阀B12的出油口 A10连通。
本发明的工作原理如下：
电机1得电启动，驱动定量泵2转动，定量泵2通过吸油口S从油箱中吸 油，定量泵2输出的压力油通过出油口P分别进入溢流阀A3的进油口P3、三 位四通比例换向阀A5的进油口P5和三位四通比例换向阀B12的进油口P10； 在系统正常工作过程中，溢流阀A3处于开启状态，系统多余的液压油从定量泵 2的出口P流出进入溢流阀A3的进油口P3，然后通过溢流阀A3的出油口T3 流出回到油箱，将系统供油压力稳定在溢流阀A3的设定值。
当驱动管片拼装机进行回转运动的液压马达8顺时针旋转时，液压马达8 的工作油口A8为高压油口，工作油口B8为低压油口，此时三位四通比例换向 阀A5的电磁铁b5得电，使得三位四通比例换向阀A5的进油口P5与出油口 A5连通，回油口T5与出油口B5连通；三位四通比例换向阀B12的电磁铁a10 得电，使得三位四通比例换向阀B12的进油口P10与出油口B10连通，回油口 T10与出油口A10连通；三位四通比例换向阀A5的出油口B5和三位四通比例 换向阀B12的出油口B10均始终封住。系统压力油通过三位四通比例换向阀A5 的出油口A5流入液压锁6的油口P6，然后通过液压锁6的油口T6进入液压马 达8的工作油口A8，驱动液压马达8转动，从而驱动管片拼装机进行顺时针回 转运动；之后，液压油从液压马达8的另外一个工作油口B8流出，进入液压锁 6的油口T9，然后从液压锁6的油口P9流出，进入三位四通比例换向阀B12 的出油口A10，之后液压油从三位四通比例换向阀B12的回油口T10流出进入 回油管4，最终流回油箱。当管片拼装机转动预定角度后，三位四通比例换向阀 A5的电磁铁b5失电，电磁铁a5得电，使得三位四通比例换向阀A5的进油口 P5与出油口B5连通，回油口T5与出油口A5连通；三位四通比例换向阀B12 的电磁铁a10继续保持得电，使得三位四通比例换向阀B12的进油口P10与出 油口B10连通，回油口T10与出油口A10连通；液压锁6的油口P6通过三位 四通比例换向阀A5的出油口A5与三位四通比例换向阀A5的回油口T5连通， 然后通过回油管4与油箱连通，液压锁6的油口P9通过三位四通比例换向阀 B12的出油口A10与三位四通比例换向阀B12的回油口T10连通，然后通过回 油管4与油箱连通，此时液压锁的油口T6和油口T9关闭，将管片拼装机锁止 在目标位置。
当驱动管片拼装机进行回转运动的液压马达8逆时针旋转时，液压马达8 的工作油口B8为高压油口，工作油口A8为低压油口，此时三位四通比例换向 阀A5的电磁铁a5得电，使得三位四通比例换向阀A5的进油口P5与出油口B5 连通，回油口T5与出油口A5连通；三位四通比例换向阀B12的电磁铁b10得 电，使得三位四通比例换向阀B12的进油口P10与出油口A10连通，回油口T10 与出油口B10连通；三位四通比例换向阀A5的出油口B5和三位四通比例换向 阀B12的出油口B10均始终封住。系统压力油通过三位四通比例换向阀B12的 出油口A10流入液压锁6的油口P9，然后通过液压锁6的油口T9进入液压马 达8的工作油口B8，驱动液压马达8转动，从而驱动管片拼装机进行逆时针回 转运动；之后，液压油从液压马达8的另外一个工作油口A8流出，进入液压锁 6的油口T6，然后从液压锁6的油口P6流出，进入三位四通比例换向阀A5的 出油口A5,之后液压油从三位四通比例换向阀A5的回油口T5流出进入回油管 4，最终流回油箱。当管片拼装机转动预定角度后，三位四通比例换向阀B12的 电磁铁b10失电，电磁铁a10得电，使得三位四通比例换向阀B5的进油口P10 与出油口B10连通，回油口T10与出油口A10连通；三位四通比例换向阀A5 的电磁铁a5继续保持得电，使得三位四通比例换向阀A5的进油口P5与出油口 B5连通，回油口T5与出油口A5连通；液压锁6的油口P6通过三位四通比例 换向阀A5的出油口A5与三位四通比例换向阀A5的回油口T5连通，然后通过 回油管4与油箱连通，液压锁6的油口P9通过三位四通比例换向阀B12的出油 口A10与三位四通比例换向阀B12的回油口T10连通，然后通过回油管4与油 箱连通，此时液压锁的出油口T6和出油口T9关闭，将管片拼装机锁止在目标 位置。
当管片拼装机在进行顺时针回转运动过程中由于出现异常工况而导致系统 压力超出正常值时，溢流阀B7开启，液压马达8工作油口A8处的高压液压油 通过溢流阀B7的进油口P7进入溢流阀B7，从溢流阀B7的出油口T7流出进入 油箱，完成压力释放，对系统进行保护；当管片拼装机在进行逆时针回转运动 过程中由于出现异常工况而导致系统压力超出正常值时，溢流阀C13开启，液 压马达8工作油口B8处的高压液压油通过溢流阀C13的进油口P8进入溢流阀 C13，从溢流阀C13的出油口T8流出进入油箱，完成压力释放，对系统进行保 护。
在计算机控制单元控制作用下，系统实现负载口独立控制的工作原理为： 计算机控制单元输出控制信号，控制信号经D/A转换后传递给三位四通比例换 向阀A5的比例放大器1和三位四通比例换向阀B12的比例放大器2，放大后的 控制信号分别传递给三位四通比例换向阀A5的比例电磁铁和三位四通比例换 向阀B12的比例电磁铁，从而对两个三位四通比例换向阀的工作阀位和阀口大 小进行控制。
I.管片拼装机进行顺时针回转运动：安装在液压马达8输出轴处的力矩转速 传感器9实时检测液压马达8的输出转速，力矩转速传感器9测得的液压马达8 转速信号经过A/D转换后传递给计算机控制单元，计算机控制单元对液压马达 8实际转速和目标转速进行比较并计算出二者的差值，当液压马达8实际转速低 于目标转速时，计算机控制单元将增大对比例放大器1的控制信号，以提高三 位四通比例换向阀A5电磁铁b5的控制电压，从而增大三位四通比例换向阀A5 阀口开度，使阀的节流作用减弱，从而提高管片拼装机的回转速度，直至液压 马达8实际转速和目标转速达到相等；反之，当液压马达8实际转速高于目标 转速时，计算机控制单元将减小对比例放大器1的控制信号，以降低三位四通 比例换向阀A5电磁铁b5的控制电压，从而减小三位四通比例换向阀A5阀口 开度，使阀的节流作用增强，从而降低管片拼装机的回转速度，直至液压马达8 实际转速和目标转速达到相等；由此，通过对三位四通比例换向阀A的节流口 进行控制，控制液压马达8进油口流量，实现液压马达8转速的精确控制。在 管片拼装机进行顺时针回转运动的加速阶段，计算机控制单元将增大对比例放 大器2的控制信号，以提高三位四通比例换向阀B12电磁铁a10的控制电压， 从而增大三位四通比例换向阀B12阀口开度，使阀的节流作用减弱，从而降低 液压马达8工作油口B8的系统背压，提高管片拼装机回转运动加速度并降低系 统能耗；在管片拼装机进行顺时针回转运动的减速阶段，计算机控制单元将减 小对比例放大器2的控制信号，以降低三位四通比例换向阀B12电磁铁a10的 控制电压，从而减小三位四通比例换向阀B12阀口开度，使阀的节流作用增强， 从而提高液压马达8工作油口B8的系统背压，使管片拼装机平稳刹车，减小系 统超调，从而提高系统定位精度和减小系统冲击；在管片拼装机进行顺时针回 转运动的匀速运动阶段，压力传感器B11实时检测液压马达8回油口背压，压 力信号经过A/D转换后传递给计算机控制单元，计算机控制单元对系统背压的 实际值和目标值进行比较，当液压马达8工作油口B8处的实际压力低于目标压 力时，计算机控制单元将减小对比例放大器2的控制信号，以降低三位四通比 例换向阀B12电磁铁a10的控制电压，从而减小三位四通比例换向阀B12阀口 开度，使阀的节流作用增强，从而提高液压马达8的工作油口B8处的背压，直 至实际系统背压与目标背压达到相等；反之，当液压马达8工作油口B8处的实 际压力高于目标压力时，计算机控制单元将提高对比例放大器2的控制信号， 以增大三位四通比例换向阀B12电磁铁a10的控制电压，从而增大三位四通比 例换向阀B12阀口开度，使阀的节流作用减弱，从而降低液压马达8的工作油 口B8处的背压，直至实际系统背压与目标背压达到相等；由此，通过对三位四 通比例换向阀B的节流口大小进行控制，实现液压马达8回油口背压的独立控 制。
II.管片拼装机进行逆时针回转运动：安装在液压马达8输出轴处的力矩转速 传感器9实时检测液压马达8的输出转速，力矩转速传感器9测得的液压马达 转速信号经过A/D转换后传递给计算机控制单元，计算机控制单元对液压马达 8实际转速和目标转速进行比较并计算出二者的差值，当液压马达8实际转速低 于目标转速时，计算机控制单元将增大对比例放大器2的控制信号，以提高三 位四通比例换向阀B12电磁铁b10的控制电压，从而增大三位四通比例换向阀 B12阀口开度，使阀的节流作用减弱，从而提高管片拼装机的回转速度，直至液 压马达8实际转速和目标转速达到相等；反之，当液压马达8实际转速高于目 标转速时，计算机控制单元将减小对比例放大器2的控制信号，以降低三位四 通比例换向阀B12电磁铁b10的控制电压，从而减小三位四通比例换向阀B12 阀口开度，使阀的节流作用增强，从而降低管片拼装机的回转速度，直至液压 马达8实际转速和目标转速达到相等；由此，通过对三位四通比例换向阀B的 节流口进行控制，控制液压马达8进油口流量，实现液压马达8转速的精确控 制。在管片拼装机进行逆时针回转运动的加速阶段，计算机控制单元将增大对 比例放大器1的控制信号，以提高三位四通比例换向阀A5电磁铁a5的控制电 压，从而增大三位四通比例换向阀A5阀口开度，使阀的节流作用减弱，从而降 低液压马达8工作油口A8的系统背压，提高管片拼装机回转运动加速度并降低 系统能耗；在管片拼装机进行顺时针回转运动的减速阶段，计算机控制单元将 减小对比例放大器1的控制信号，以降低三位四通比例换向阀A5电磁铁a5的 控制电压，从而减小三位四通比例换向阀A5阀口开度，使阀的节流作用增强， 从而提高液压马达8工作油口A8的系统背压，使管片拼装机平稳刹车，减小系 统超调，从而提高系统定位精度和减小系统冲击；在管片拼装机进行顺时针回 转运动的匀速运动阶段，压力传感器A10实时检测液压马达8回油口背压，压 力信号经过A/D转换后传递给计算机控制单元，计算机控制单元对系统背压的 实际值和目标值进行比较，当液压马达8工作油口A8处的实际压力低于目标压 力时，计算机控制单元将减小对比例放大器1的控制信号，以降低三位四通比 例换向阀A5电磁铁a5的控制电压，从而减小三位四通比例换向阀A5阀口开度， 使阀的节流作用增强，从而提高液压马达8的工作油口A8处的背压，直至实际 系统背压与目标背压达到相等；反之，当液压马达8工作油口A8处的实际压力 高于目标压力时，计算机控制单元将提高对比例放大器1的控制信号，以增大 三位四通比例换向阀A5电磁铁a5的控制电压，从而增大三位四通比例换向阀 A5阀口开度，使阀的节流作用减弱，从而降低液压马达8的工作油口A8处的 背压，直至实际系统背压与目标背压达到相等；由此，通过对三位四通比例换 向阀A的节流口大小进行控制，实现液压马达8回油口背压的独立控制。由于 液压马达8进油口流量和回油口背压的控制是通过两个独立三位四通比例换向 阀控制完成，实现了液压马达8进出油口的独立控制。
通过采用负载口独立控制技术，不仅能够实现驱动管片拼装机回转运动的 液压马达8转速的精确控制，而且能够对液压马达8的回油口背压进行独立控 制，改善系统的动态特性，提高了系统的加速能力，降低了系统的压力冲击和 能耗。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本 发明的精神和权利要求书的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都 落入本发明的保护范围。