全局功率自适应的盾构刀盘驱动电液控制系统.pdf

本发明公开了一种全局功率自适应的盾构刀盘驱动电液控制系统。它包括电机、变量泵、变量缸、三位四通比例换向阀、位移传感器、插装阀、二位四通电磁换向阀、先导溢流阀、单向阀、三位四通电液换向阀、马达、转矩转速传感器。盾构刀盘驱动电液控制系统中采用转矩转速传感器实时检测刀盘的转矩转速，根据合适的策略控制变量机构位移，继而控制变量泵排量。形成按工况负载需要进行连续实时可控的刀盘驱动电液控制系统。本发明由于采用了全局功率自适应的比例反馈电液控制技术，实现了刀盘转矩转速的实时可调，能较好地适应盾构掘进时负载工况的变化。能够使刀盘液压驱动系统适应掘进中的复杂工况，系统节能效果好。

1、  一种全局功率自适应的盾构刀盘驱动电液控制系统，其特征在于包括：电机(1)、变量泵(2)、变量缸(3)、三位四通比例换向阀(4)、位移传感器(5)、插装阀(6)、二位四通电磁换向阀(7)、低压先导溢流阀(8)、高压先导溢流阀(9)、单向阀(10)、三位四通电液换向阀(11)、马达(12)、转矩转速传感器(13)；电机(1)和变量泵(2)刚性连接；变量泵(2)的吸油口S和油箱连通，变量泵(2)的出油口P分别与插装阀(6)的进油口A2、单向阀(10)的进油口A1、三位四通电液换向阀(11)的控制油口X连通；变量缸(3)的左腔与三位四通比例换向阀(4)的出油口B5连通，变量缸(3)的右腔与三位四通比例换向阀(4)的出油口A5连通；三位四通比例换向阀(4)的进油口P5与外部先导压力油口R连通，三位四通比例换向阀(4)的回油口T5与油箱连通；位移传感器(5)安装在变量缸(3)的活塞杆上；插装阀(6)的出油口B₂与油箱连通，插装阀(6)的控制油口C₂分别与高压先导溢流阀(9)的进油口P₁、二位四通电磁换向阀(7)的进油口P₃连通；高压先导溢流阀(9)的出油口T₁与油箱连通；二位四通电磁换向阀(7)的回油口T₃与油箱连通，二位四通电磁换向阀(7)的出油口A₃与低压先导溢流阀(8)的进油口P₂连通；低压先导溢流阀(8)的出油口T₂与油箱连通；单向阀(10)的出油口B₁与三位四通电液换向阀(11)的进油口P₄连通；三位四通电液换向阀(11)的回油口T₄与油箱连通，三位四通电液换向阀(11)的出油口A₄与马达(12)的工作油口A连通，三位四通电液换向阀(11)的工作油口B₄与马达(12)的工作油口B连通；转矩转速传感器(13)固定安装在马达的输出轴上。

全局功率自适应的盾构刀盘驱动电液控制系统
所属技术领域
本发明涉及流体压力执行机构，尤其涉及一种全局功率自适应的盾构刀盘驱动电液控制系统。
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。
盾构刀盘驱动系统由切削刀、刀盘、液压马达、减速机、回转轴承、密封土舱等组成，其工作机理是由液压系统驱动液压马达转动，带动刀盘旋转，安装在刀盘上的切削刀切削开挖面土体或岩石，刀盘每旋转一周都能贯入开挖面土体或岩石一定深度。刀盘旋转切削下来的具有良好塑性的土体进入密封舱，形成一定的土压力，与开挖面的原始水土压力相平衡，可顶住开挖面。
盾构刀盘驱动系统具有功率大、功率变化范围宽的特点。负载是随断面的土质状况变化的，切削硬岩和切削软土所需的切削力矩及转速的变化很大。如果采用阀控马达的系统形式，系统功率必然按所需的最大功率设计，在遇到欠负载工况时，系统效率低下，大量的功率将通过热的形式耗散，使系统发热严重。采用全局功率自适应的泵控马达系统是解决这一问题的有效途径，也是盾构电液驱动的发展趋势。
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全局功率自适应的盾构刀盘驱动电液控制系统，可以实时控制刀盘的转矩转速，适应随时变化的负载工况要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：电机、变量泵、变量缸、三位四通比例换向阀、位移传感器、插装阀、二位四通电磁换向阀、低压先导溢流阀、高压先导溢流阀、单向阀、三位四通电液换向阀、马达、转矩转速传感器。电机和变量泵刚性连接；变量泵的吸油口S和油箱连通，变量泵的出油口P分别与插装阀的进油口A₂、单向阀的进油口A₁、三位四通电液换向阀的控制油口X连通；变量缸的左腔与三位四通比例换向阀的出油口B5连通，变量缸的右腔与三位四通比例换向阀的出油口A5连通；三位四通比例换向阀的进油口P5与外部先导压力油口R连通，三位四通比例换向阀的回油口T5与油箱连通；位移传感器安装在变量缸的活塞杆上；插装阀的出油口B₂与油箱连通，插装阀的控制油口C₂分别与高压先导溢流阀的进油口P₁、二位四通电磁换向阀的进油口P₃连通；高压先导溢流阀的出油口T₁与油箱连通；二位四通电磁换向阀的回油口T₃与油箱连通，二位四通电磁换向阀的出油口A₃与低压先导溢流阀的进油口P₂连通；低压先导溢流阀的出油口T₂与油箱连通；单向阀的出油口B₁与三位四通电液换向阀的进油口P₄连通；三位四通电液换向阀的回油口T₄与油箱连通，三位四通电液换向阀的出油口A₄与马达的工作油口A连通，三位四通电液换向阀的工作油口B₄与马达的工作油口B连通；转矩转速传感器固定安装在马达的输出轴上。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
1)采用全局功率自适应的比例反馈电液控制技术，实现了刀盘转矩转速的实时可调，能较好地适应盾构掘进时负载工况的变化；
2)本发明能够使盾构刀盘液压驱动系统适应各种复杂工况，系统节能效果好。
附图说明
附图是本发明的结构原理示意图。
图中：1.°电机，2.变量泵，3.变量缸，4.三位四通比例换向阀，5.位移传感器，6.插装阀，7.二位四通电磁换向阀，8.低压先导溢流阀，9.高压先导溢流阀，10.单向阀，11.三位四通电液换向阀，12.马达，13.转矩转速传感器。
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，本发明包括电机1，变量泵2，变量缸3，三位四通比例换向阀4，位移传感器5，插装阀6，二位四通电磁换向阀7，低压先导溢流阀8，高压先导溢流阀9，单向阀10，三位四通电液换向阀11，马达12，转矩转速传感器13。电机1和变量泵2刚性连接；变量泵2的吸油口S和油箱连通，变量泵2的出油口P分别与插装阀6的进油口A₂、单向阀10地进油口A₁、三位四通电液换向阀11的控制油口X连通；变量缸3的左腔与三位四通比例换向阀4的出油口B₅连通，变量缸3的右腔与三位四通比例换向阀4的出油口A₅连通；三位四通比例换向阀4的进油口P₅与外部先导压力油口R连通，三位四通比例换向阀4的回油口T₅与油箱连通；位移传感器5安装在变量缸3的活塞杆上；插装阀6的出油口B₂与油箱连通，插装阀6的控制油口C₂分别与高压先导溢流阀9的进油口P₁、二位四通电磁换向阀7的进油口P₃连通；高压先导溢流阀9的出油口T₁与油箱连通；二位四通电磁换向阀7的回油口T₃与油箱连通，二位四通电磁换向阀7的出油口A₃与低压先导溢流阀8的进油口P₂连通；低压先导溢流阀8的出油口T₂与油箱连通；单向阀10的出油口B₁与三位四通电液换向阀11的进油口P₄连通；三位四通电液换向阀11的回油口T₄与油箱连通，三位四通电液换向阀11的出油口A₄与马达12的工作油口A连通，三位四通电液换向阀11的出油口B₄与马达的工作油口B连通；转矩转速传感器13固定安装在马达12的输出轴上。
本发明的工作原理如下：
电机1得电启动，带动变量泵2转动，变量泵2通过吸油口S从油箱中吸油，变量泵2打出的压力油通过出油口P分别进入插装阀6的进油口A₂、单向阀10的进油口A₁以及三位四通电液换向阀11的控制油口X，系统压力油一路通过插装阀6的进油口A₂进入控制腔，另一路从单向阀10的进油口A₁流入，经出油口B₁进入三位四通电液换向阀11的进油口P₄。
刀盘正转时，马达12工作油口A为高压油口，工作油口B为低压油口，此时三位四通电液换向阀11先导阀的电磁铁d得电，系统压力油通过控制油口X进入三位四通电液换向阀11主阀阀芯右腔，使得三位四通电液换向阀11的进油口P₄与出油口A₄连通，回油口T₄与出油口B₄连通。系统压力油通过三位四通电液换向阀11的出油口A₄进入马达12的工作油口A，马达12正转，压力油通过马达12的工作油口B进入三位四通电液换向阀11的出油口B₄，然后从三位四通电磁换向阀11的回油口T₄流出，最后流回油箱。
刀盘反转时，马达12工作油口B为高压油口，工作油口A为低压油口，三位四通电液换向阀11先导阀的电磁铁c得电，系统压力油通过控制油口X进入三位四通电液换向阀11主阀阀芯左腔，使得三位四通电液换向阀11的进油口P₄与出油口B₄连通，回油口T₄与出油口A₄连通。系统压力油通过三位四通电液换向阀11的出油口B₄进入变量马达12的工作油口B，马达12反转，压力油通过马达12工作油口A进入三位四通电液换向阀11的出油口A₄，然后从三位四通电磁换向阀11的回油口T₄流出，最后流回油箱。
为了满足软岩和硬岩的不同要求，根据实际工作情况，将该液压控制系统设计为两级工况。即软岩工况时的低速大扭矩和硬岩工况时的高速小扭矩。这两种工况的转换可通过控制二位四通电磁换向阀7来实现。
刀盘切削硬岩时，刀盘转速高，扭矩小。马达12所需流量大，但系统压力低，需要变量泵2大排量向马达12供油。此时二位四通电磁换向阀7的电磁铁e失电，二位四通电磁换向阀7的进油口P₃和出油口A₃连通，出油口B₃和回油口T₃连通，当系统压力超过低压先导溢流阀8设定压力时，低压先导溢流阀8的进油口P₂和出油口T₂连通，插装阀6控制腔的压力油通过控制油口C₂进入二位四通电磁换向阀7的进油口P₃，从二位四通电磁换向阀7的出油口A₃流出，进入低压先导溢流阀8的进油口P₂，从低压先导溢流阀8的出油口T₂流出，最后回油箱。由于插装阀6控制腔的压力油直接回油箱，控制腔卸荷，插装阀6进油腔压力远大于控制腔压力，导致插装阀6主阀芯打开，插装阀6的进油口A₂和出油口B₂连通，系统按低压先导溢流阀8设定压力以低速大扭矩工作，多余的压力油进入插装阀6进油口A₂，从插装阀6的出油口B₂流出回油箱。
刀盘切削软岩时，刀盘转速低，扭矩大。马达12所需流量小，但系统压力高，需要变量泵2小排量向马达12供油。此时二位四通电磁换向阀7的电磁铁e得电，二位四通电磁换向阀7的进油口P₃和出油口B₃连通，出油口A₃和回油口T₃连通，当系统压力超过高压先导溢流阀9设定压力时，高压先导溢流阀9的进油口P₁和出油口T₁连通，插装阀6控制腔的压力油通过控制油口C₂进入高压先导溢流阀9的进油口P₁，从高压先导溢流阀9的出油口T₁流出，最后回油箱。由于插装阀6控制腔的压力油直接回油箱，控制腔卸荷，插装阀6进油腔压力远大于控制腔压力，导致插装阀6主阀芯打开，插装阀6的进油口A₂和出油口B₂连通，系统按高压先导溢流阀9设定的压力以低速大扭矩工作，多余的压力油进入插装阀6进油口A₂，从插装阀6出油口B₂流出回油箱。
盾构刀盘转动切削时，负载是随断面的土质状况变化的，切削硬岩和切削软土所需的切削力矩及转速的变化很大，如果采用阀控马达的方式，系统功率必然按所需的最大功率设计，在遇到欠负载工况时，系统效率低下，大量的功率将通过热的形式耗散，使系统发热严重。采用全局功率自适应的泵控马达系统可有效地解决这一问题，通过调节变量泵2的排量来实现刀盘转矩转速的实时可调，使系统输出的功率始终与负载的功率相匹配。具体控制措施是：
安装在马达12输出轴上的转矩转速传感器13实时检测刀盘的转矩转速，检测到的信号通过A/D转换输入给PLC控制单元，通过计算机的编译，其输出信号通过D/A转换输入给比例放大器，并与系统设定的初始值相比较，如果设定值和实际检测值之差为正时，比例放大器的输出信号作用在三位四通比例换向阀4的电磁铁b上，三位四通比例换向阀4的进油口P₅和工作油口B₅连通，工作油口A₅和回油口T₅连通，外部先导压力油通过控制油口R进入三位四通比例换向阀4的进油口P₅，从三位四通比例换向阀4的工作油口B₅流出，进入变量缸3的左腔，推动变量缸3的活塞杆向右移动，变量缸3右腔的压力油进入三位四通比例换向阀4的工作油口A₅，从三位四通比例换向阀4的回油口T₅流出回油箱。变量缸3的活塞杆向右移动时，变量泵2的转角增大，导致变量泵2的排量增大，刀盘的转矩转速也增大。
如果设定值和实际检测值之差为负时，比例放大器的输出信号则作用在三位四通比例换向阀4的电磁铁a上，三位四通比例换向阀4的进油口P₅和工作油口A₅连通，工作油口B₅和回油口T₅连通，外部先导压力油通过控制油口R进入三位四通比例换向阀4的进油口P₅，从三位四通比例换向阀4的工作油口A₅流出，进入变量缸3的右腔，推动变量缸3的活塞杆向左移动，变量缸3左腔的压力油进入三位四通比例换向阀4的工作油口B₅，从三位四通比例换向阀4的回油口T₅流出回油箱。变量缸3的活塞杆向左移动时，变量泵2的转角减小，导致变量泵2的排量减小，刀盘的转矩转速也相应减小。
变量缸3活塞杆左右移动时，安装在其轴上的位移传感器5可实时检测移动位移，其输出信号返回给比例放大器，与设定值相比较，根据其差值来进一步控制变量泵2的转角，从而控制变量泵2的排量。通过这两个大小闭环反馈控制，可根据负载工况的变化来实时调节变量泵2的排量，使系统输出功率始终与负载所需功率相适应。