拓宽调速范围的盾构刀盘液压控制系统.pdf

本发明公开了一种拓宽调速范围的盾构刀盘液压控制系统。电机经联轴器与恒压变量泵刚性连接，恒压变量泵出油口与总单向阀进油口连接，总单向阀出油口分别与蓄能器进油口、溢流阀进油口和四组结构相同的马达/泵部件连接。将液压马达/泵并联在回路中，通过恒压变量泵与蓄能器组成的恒压源提供动力。液压马达/泵实行单独控制，根据不同地质条件可实时调节各液压马达/泵的排量和工作状态以控制刀盘的转速和转矩。本发明采用液压马达/泵作为执行元件，实现马达和泵工作状态的切换，通过控制同时工作在不同状态的执行元件的数量使系统在供油液压泵排量不变的情况下实现高低转速工况的互换，拓宽了调速范围，增强了刀盘驱动系统对不同地质条件的适应性。

1、  一种拓宽调速范围的盾构刀盘液压控制系统，其特征在于：电机(2)经联轴器(3)与恒压变量泵(4)刚性连接，恒压变量泵(4)吸油口与油箱(1)连接，恒压变量泵(4)出油口与总单向阀(5)进油口连接，总单向阀(5)出油口分别与蓄能器(7)进油口、溢流阀(6)进油口和四组结构相同的马达/泵部件连接，溢流阀6出油口接油箱；现将其中第一组的马达/泵结构说明如下：总单向阀(5)出油口、蓄能器(7)进油口和溢流阀(6)进油口分别接第一三位四通换向阀(8.1)的P₁口和第一单向阀(9.1)的出油口；第二单向阀(11.1)和第三单向阀(10.1)的出油口相连后接第一单向阀(9.1)的进油口，第四单向阀(13.1)和第五单向阀(12.1)的进油口相连后接油箱，第二单向阀(11.1)的进油口和第四单向阀(13.1)的出油口相连后分别接第一三位四通换向阀(8.1)的B₁口和第一液压马达/泵(14.1)的一端口，第三单向阀(10.1)的进油口和第五单向阀(12.1)的出油口相连后分别接第一三位四通换向阀(8.1)的A₁口和第一液压马达/泵(14.1)的另一端口，第一三位四通换向阀(8.1)的T₁口与第二、第三和第四三位四通换向阀的T₂口、T₃口和T₄口相连，第一液压马达/泵(14.1)的输出轴通过第一齿轮减速器G驱动刀盘(15)转动。

拓宽调速范围的盾构刀盘液压控制系统
技术领域
本发明涉及流体压力执行机构，尤其涉及一种拓宽调速范围的盾构刀盘液压控制系统。
背景技术
盾构掘进机是一种专用于地下隧道工程施工的现代化高科技掘进装备，广泛应用在各种地质条件复杂多变和施工环境恶劣的隧道工程建设中。盾构掘进在地下空间开发和利用中发挥着其它掘进形式不可替代的作用。随着科技发展和社会进步，盾构掘进将逐步取代传统方法。
刀盘是盾构掘进机的关键部件之一，其主要功能有开挖、稳定和搅拌。因为整个施工过程中掘进断面的土质状况变化范围很大，掘进深度不同，刀盘所需的切削力矩及转速有很大区别，导致刀盘驱动的工况很复杂，驱动功率大且变化范围宽。
由于盾构在软质地层中掘进时刀盘的典型工况为低速大扭矩，而在硬质地层中掘进时的工况为高速小扭矩。传统刀盘驱动液压系统在设计中兼顾这两种工况，使得系统总装机功率十分巨大。能耗如此大的系统在低负载工况下能量利用率不高对系统整体性能有极其重要的影响。因此，如何拓宽刀盘驱动系统的调速范围使系统能够以较小的总装机功率适应各种地层掘进需要是刀盘驱动中的一个关键技术问题。
发明内容
为了克服盾构施工过程中存在的问题兼顾系统整体性能的要求，本发明的目的在于提供一种拓宽调速范围的盾构刀盘驱动液压控制系统。驱动刀盘的每个液压马达可以单独实现工作状态的切换，在低负载工况时通过减少工作在马达状态的执行元件个数达到用较小排量泵实现刀盘高转速的目的，同时工作在泵状态下的执行元件也可以作为动力源与液压泵一起驱动工作在马达状态的执行元件，大大增加了系统的调速范围。刀盘也可通过调节液压泵和执行元件的排量来实现无级调速。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
电机经联轴器与恒压变量泵刚性连接，恒压变量泵吸油口与油箱连接，恒压变量泵出油口与总单向阀进油口连接，总单向阀出油口分别与蓄能器进油口、溢流阀进油口和四组结构相同的马达/泵部件连接，溢流阀出油口接油箱；现将其中第一组的马达/泵结构说明如下：总单向阀出油口、蓄能器进油口和溢流阀进油口分别接第一三位四通换向阀的P₁口和第一单向阀的出油口；第二单向阀和第三单向阀的出油口相连后接第一单向阀的进油口，第四单向阀和第五单向阀的进油口相连后接油箱，第二单向阀的进油口和第四单向阀的出油口相连后分别接第一三位四通换向阀的B₁口和第一液压马达/泵的一端口，第三单向阀的进油口和第五单向阀的出油口相连后分别接第一三位四通换向阀的A₁口和第一液压马达/泵的另一端口，第一三位四通换向阀的T₁口与第二、第三和第四三位四通换向阀的T₂口、T₃口和T₄口相连，第一液压马达/泵的输出轴通过第一齿轮减速器G驱动刀盘转动。
本发明具有的有益效果是：
液压系统的执行元件马达/泵实行单独控制，每个执行元件工作在马达状态时驱动刀盘转动，工作在泵状态时给系统补充液压油，通过组合优化各个执行元件的工作状态，可以使刀盘转速在不增大液压泵规格的情况下具有更大的调节范围，更好地适应复杂地质环境。
附图说明
附图是本发明的结构原理示意图。
图中：1、油箱，2、电机，3、联轴器，4、恒压变量泵，5、单向阀，6、溢流阀，7、蓄能器，8.1、8.2、8.3、8.4、三位四通换向阀，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为单向阀，14.1、14.2、14.3、14.4为液压马达/泵，15、刀盘，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为管路。
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。
如附图所示，本发明的电机2经联轴器3与恒压变量泵4刚性连接，恒压变量泵4吸油口经管路18与油箱1连接，恒压变量泵4出油口经管路19与总单向阀5进油口连接，总单向阀5出油口经管路17分别与蓄能器7进油口、溢流阀6进油口和四组结构相同的马达/泵部件连接，溢流阀6出油口经管路16接油箱；现将其中第一组的马达/泵结构说明如下：总单向阀5出油口、蓄能器7进油口和溢流阀6进油口分别经管路20接第一三位四通换向阀的P₁口和经管路21接第一单向阀9.1的出油口；第二单向阀11.1和第三单向阀10.1的出油口经管路38相连后经管路39接第一单向阀9.1的进油口，第四单向阀13.1和第五单向阀12.1的进油口相连后经管路40接油箱，第二单向阀11.1的进油口经管路36和第四单向阀13.1的出油口经管路37相连后分别经管路35接第一三位四通换向阀的B₁口和第一液压马达/泵14.1的一端口，第三单向阀10.1的进油口经管路33和第五单向阀12.1的出油口经管路34相连后分别经管路32接第一三位四通换向阀的A₁口和第一液压马达/泵14.1的另一端口，第一三位四通换向阀的T₁口经管路28和管路29与第二三位四通换向阀的T₂口相连，第二三位四通换向阀的T₂口经管路29和管路30与第三三位四通换向阀的T₃口相连，第三三位四通换向阀的T₃口经管路30和管路31与第四三位四通换向阀的T₄口相连，第一液压马达/泵14.1的输出轴通过第一齿轮减速器G驱动刀盘15转动。
第二组的马达/泵结构说明如下：总单向阀5出油口、蓄能器7进油口和溢流阀6进油口分别经管路22接第二三位四通换向阀的P₂口和经管路23接第六单向阀9.2的出油口；第七单向阀11.2和第八单向阀10.2的出油口经管路48相连后经管路44接第六单向阀9.2的进油口，第九单向阀13.2和第十单向阀12.2的进油口相连后经管路49接油箱，第七单向阀11.2的进油口经管路46和第九单向阀13.2的出油口经管路47相连后分别经管路45接第二三位四通换向阀的B₂口和第二液压马达/泵14.2的一端口，第八单向阀10.2的进油口经管路42和第十单向阀12.2的出油口经管路43相连后分别经管路41接第二三位四通换向阀的A₂口和第二液压马达/泵14.2的另一端口，第二液压马达/泵14.2的输出轴通过第二齿轮减速器G驱动刀盘15转动。
第三组的马达/泵结构说明如下：总单向阀5出油口、蓄能器7进油口和溢流阀6进油口分别经管路24接第三三位四通换向阀的P₃口和经管路25接第十一单向阀9.3的出油口；第十二单向阀11.3和第十三单向阀10.3的出油口经管路57相连后经管路55接第十一单向阀9.3的进油口，第十四单向阀13.3和第十五单向阀12.3的进油口相连后经管路58接油箱，第十二单向阀11.3的进油口经管路54和第十四单向阀13.3的出油口经管路53相连后分别经管路56接第三三位四通换向阀的B₃口和第三液压马达/泵14.3的一端口，第十三单向阀10.3的进油口经管路51和第十五单向阀12.3的出油口经管路52相连后分别经管路50接第三三位四通换向阀的A₃口和第三液压马达/泵14.3的另一端口，第三液压马达/泵14.3的输出轴通过第三齿轮减速器G驱动刀盘15转动。
第四组的马达/泵结构说明如下：总单向阀5出油口、蓄能器7进油口和溢流阀6进油口分别经管路26接第四三位四通换向阀的P₄口和经管路27接第十六单向阀9.4的出油口；第十七单向阀11.4和第十八单向阀10.4的出油口经管路67相连后经管路65接第十六单向阀9.4的进油口，第十九单向阀13.4和第二十单向阀12.4的进油口相连后经管路66接油箱，第十七单向阀11.4的进油口经管路63和第十九单向阀13.4的出油口经管路62相连后分别经管路64接第四三位四通换向阀的B₄口和第四液压马达/泵14.4的一端口，第十八单向阀10.4的进油口经管路60和第二十单向阀12.4的出油口经管路61相连后分别经管路59接第四三位四通换向阀的A₄口和第四液压马达/泵14.4的另一端口，第三液压马达/泵14.4的输出轴通过第四齿轮减速器G驱动刀盘15转动。
本发明的工作原理如下：
电机2得电启动，驱动恒压变量泵4转动，恒压变量泵4吸油口从油箱1中吸油，恒压变量泵4打出的压力油通过管路19、总单向阀5送到恒压管路27，同时有一部分油液进入溢流阀6和蓄能器7的进油口以及管路20、21、22、23、24、25、26、27。
盾构掘进时，如果遇到软土地层条件则刀盘的工况为低速大扭矩，此时四组马达/泵同时工作，使系统输出大扭矩。由于四组马达/泵工作原理相同，现以第一组为例进行说明。
三位四通换向阀8.1左位电磁铁得电，管路27中的高压油经三位四通换向阀8.1P1口、三位四通换向阀8.1A1口、管路32流进马达/泵14.1一端油口，马达/泵14.1另一端油口液压油经管路35、三位四通换向阀8.1B1口、三位四通换向阀8.1T1口、管路28流回油箱。管路32中的一部分高压油通过单向阀10.1、管路38、管路39至单向阀9.1进油口。由于管路27中的高压油经管路21至单向阀9.1出油口，其压力略高于经换向阀口节流损失之后的管路38中液压油的压力，因此单向阀9.1不打开。此时刀盘正向转动。
三位四通换向阀8.1右位电磁铁得电，管路27中的高压油经三位四通换向阀8.1P1口、三位四通换向阀8.1B1口、管路35流进马达/泵14.1另一端油口，马达/泵14.1一端油口液压油经管路32、三位四通换向阀8.1A1口、三位四通换向阀8.1T1口、管路28流回油箱。管路35中的一部分高压油通过单向阀11.1、管路38、管路39至单向阀9.1进油口。由于管路27中的高压油经管路21至单向阀9.1出油口，其压力略高于经换向阀口节流损失之后的管路38中液压油的压力，因此单向阀9.1不打开。此时刀盘反向转动。
当盾构掘进遇到硬岩地层条件时，刀盘工作在高速小扭矩工况。此时在不增大恒压变量泵排量的情况下，通过改变马达/泵的工作状态，使系统输出转速增大。实际工作中可根据工况条件确定马达/泵执行元件工作在泵状态和马达状态的元件数量，且尽可能使驱动元件沿刀盘主轴承周向均匀布置以减小偏心效应。马达/泵工作状态的切换是通过控制三位四通换向阀电磁铁通断电来实现的。下面以第二组马达/泵工作在泵状态，其它各组马达/泵工作在马达状态为例进行说明，而工作在马达状态下的系统原理与上述情况相同。
当马达/泵14.1、14.3、14.4正向转动时，通过齿轮减速器带动刀盘15正向转动，由于马达/泵14.2与刀盘15通过减速器齿轮刚性连接在一起，马达/泵14.2在旋转刀盘15的带动下被迫正向转动。此时三位四通换向阀8.2电磁铁断电，管路41和管路45被切断，且管路41中短时间内形成一定的负压。油箱中的液压油经管路49、单向阀12.2、管路43到达马达/泵14.2一端油口，并从马达/泵14.2另一端油口经管路46、单向阀11.2、管路48、管路44、单向阀9.2、管路23流回到主油路27中。主油路27中液压油流量的增加以及工作于马达状态的执行器马达/泵元件数量的减少，使得系统在不增加主驱动泵排量的前提下，能够实现大范围调速。
当马达/泵14.1、14.3、14.4反向转动时，通过齿轮减速器带动刀盘15反向转动，由于马达/泵14.2与刀盘15通过减速器齿轮刚性连接在一起，马达/泵14.2在旋转刀盘15的带动下被迫反向转动。此时三位四通换向阀8.2电磁铁断电，管路41和管路45被切断，且管路45中短时间内形成一定的负压。油箱中的液压油经管路49、单向阀13.2、管路47到达马达/泵14.2另一端油口，并从马达/泵14.2一端油口经管路42、单向阀10.2、管路48、管路44、单向阀9.2、管路23流回到主油路27中。
当盾构刀盘需要停止转动时，三位四通换向阀8.1、8.2、8.3、8.4电磁铁断电，所有液压马达/泵在旋转盾构刀盘的惯性作用下瞬间继续转动，然后按照与上述液压马达/泵14.2在三位四通换向阀8.2电磁铁断电情况下相同的工作原理完成制动过程，并将制动能量回馈到主油路27中。
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。