專利名稱：全局功率自適應(yīng)的盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)電液控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，尤其涉及一種全局功率自適應(yīng)的盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)電液控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)是一種專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備。在一個(gè)既能支撐地層壓力又能在地層中推進(jìn)的圓形或矩形等特殊形狀鋼筒結(jié)構(gòu)的掩護(hù)下，它能完成挖掘、出土、隧道支護(hù)等工作。其最大特點(diǎn)就是整個(gè)隧道掘進(jìn)過程都是在這個(gè)被稱作護(hù)盾的鋼結(jié)構(gòu)掩護(hù)下完成的，可最大限度地避免坍塌和地表變形。與傳統(tǒng)的隧道掘進(jìn)技術(shù)相比，盾構(gòu)法施工具有安全可靠、機(jī)械化程度高、工作環(huán)境好、土方量少、進(jìn)度快、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水位高而隧道埋深較大時(shí)，只能依賴盾構(gòu)。
盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由切削刀、刀盤、液壓馬達(dá)、減速機(jī)、回轉(zhuǎn)軸承、密封土艙等組成，其工作機(jī)理是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，安裝在刀盤上的切削刀切削開挖面土體或巖石，刀盤每旋轉(zhuǎn)一周都能貫入開挖面土體或巖石一定深度。刀盤旋轉(zhuǎn)切削下來的具有良好塑性的土體進(jìn)入密封艙，形成一定的土壓力，與開挖面的原始水土壓力相平衡，可頂住開挖面。
盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有功率大、功率變化范圍寬的特點(diǎn)。負(fù)載是隨斷面的土質(zhì)狀況變化的，切削硬巖和切削軟土所需的切削力矩及轉(zhuǎn)速的變化很大。如果采用閥控馬達(dá)的系統(tǒng)形式，系統(tǒng)功率必然按所需的最大功率設(shè)計(jì)，在遇到欠負(fù)載工況時(shí)，系統(tǒng)效率低下，大量的功率將通過熱的形式耗散，使系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重。采用全局功率自適應(yīng)的泵控馬達(dá)系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑，也是盾構(gòu)電液驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中盾構(gòu)施工過程存在的問題及滿足盾構(gòu)施工的要求，本發(fā)明的目的在于提供一種全局功率自適應(yīng)的盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)電液控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)控制刀盤的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，適應(yīng)隨時(shí)變化的負(fù)載工況要求。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括電機(jī)、變量泵、變量缸、三位四通比例換向閥、位移傳感器、插裝閥、二位四通電磁換向閥、低壓先導(dǎo)溢流閥、高壓先導(dǎo)溢流閥、單向閥、三位四通電液換向閥、馬達(dá)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。電機(jī)和變量泵剛性連接；變量泵的吸油口S和油箱連通，變量泵的出油口P分別與插裝閥的進(jìn)油口A2、單向閥的進(jìn)油口A1、三位四通電液換向閥的控制油口X連通；變量缸的左腔與三位四通比例換向閥的出油口B5連通，變量缸的右腔與三位四通比例換向閥的出油口A5連通；三位四通比例換向閥的進(jìn)油口P5與外部先導(dǎo)壓力油口R連通，三位四通比例換向閥的回油口T5與油箱連通；位移傳感器安裝在變量缸的活塞桿上；插裝閥的出油口B2與油箱連通，插裝閥的控制油口C2分別與高壓先導(dǎo)溢流閥的進(jìn)油口P1、二位四通電磁換向閥的進(jìn)油口P3連通；高壓先導(dǎo)溢流閥的出油口T1與油箱連通；二位四通電磁換向閥的回油口T3與油箱連通，二位四通電磁換向閥的出油口A3與低壓先導(dǎo)溢流閥的進(jìn)油口P2連通；低壓先導(dǎo)溢流閥的出油口T2與油箱連通；單向閥的出油口B1與三位四通電液換向閥的進(jìn)油口P4連通；三位四通電液換向閥的回油口T4與油箱連通，三位四通電液換向閥的出油口A4與馬達(dá)的工作油口A連通，三位四通電液換向閥的工作油口B4與馬達(dá)的工作油口B連通；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器固定安裝在馬達(dá)的輸出軸上。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是1)采用全局功率自適應(yīng)的比例反饋電液控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了刀盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)可調(diào)，能較好地適應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)負(fù)載工況的變化；2)本發(fā)明能夠使盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)各種復(fù)雜工況，系統(tǒng)節(jié)能效果好。


附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖中1.°電機(jī)，2.變量泵，3.變量缸，4.三位四通比例換向閥，5.位移傳感器，6.插裝閥，7.二位四通電磁換向閥，8.低壓先導(dǎo)溢流閥，9.高壓先導(dǎo)溢流閥，10.單向閥，11.三位四通電液換向閥，12.馬達(dá)，13.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如附圖所示，本發(fā)明包括電機(jī)1，變量泵2，變量缸3，三位四通比例換向閥4，位移傳感器5，插裝閥6，二位四通電磁換向閥7，低壓先導(dǎo)溢流閥8，高壓先導(dǎo)溢流閥9，單向閥10，三位四通電液換向閥11，馬達(dá)12，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器13。電機(jī)1和變量泵2剛性連接；變量泵2的吸油口S和油箱連通，變量泵2的出油口P分別與插裝閥6的進(jìn)油口A2、單向閥10的進(jìn)油口A1、三位四通電液換向閥11的控制油口X連通；變量缸3的左腔與三位四通比例換向閥4的出油口B5連通，變量缸3的右腔與三位四通比例換向閥4的出油口A5連通；三位四通比例換向閥4的進(jìn)油口P5與外部先導(dǎo)壓力油口R連通，三位四通比例換向閥4的回油口T5與油箱連通；位移傳感器5安裝在變量缸3的活塞桿上；插裝閥6的出油口B2與油箱連通，插裝閥6的控制油口C2分別與高壓先導(dǎo)溢流閥9的進(jìn)油口P1、二位四通電磁換向閥7的進(jìn)油口P3連通；高壓先導(dǎo)溢流閥9的出油口T1與油箱連通；二位四通電磁換向閥7的回油口T3與油箱連通，二位四通電磁換向閥7的出油口A3與低壓先導(dǎo)溢流閥8的進(jìn)油口P2連通；低壓先導(dǎo)溢流閥8的出油口T2與油箱連通；單向閥10的出油口B1與三位四通電液換向閥11的進(jìn)油口P4連通；三位四通電液換向閥11的回油口T4與油箱連通，三位四通電液換向閥11的出油口A4與馬達(dá)12的工作油口A連通，三位四通電液換向閥11的出油口B4與馬達(dá)的工作油口B連通；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器13固定安裝在馬達(dá)12的輸出軸上。
本發(fā)明的工作原理如下電機(jī)1得電啟動(dòng)，帶動(dòng)變量泵2轉(zhuǎn)動(dòng)，變量泵2通過吸油口S從油箱中吸油，變量泵2打出的壓力油通過出油口P分別進(jìn)入插裝閥6的進(jìn)油口A2、單向閥10的進(jìn)油口A1以及三位四通電液換向閥11的控制油口X，系統(tǒng)壓力油一路通過插裝閥6的進(jìn)油口A2進(jìn)入控制腔，另一路從單向閥10的進(jìn)油口A1流入，經(jīng)出油口B1進(jìn)入三位四通電液換向閥11的進(jìn)油口P4。
刀盤正轉(zhuǎn)時(shí)，馬達(dá)12工作油口A為高壓油口，工作油口B為低壓油口，此時(shí)三位四通電液換向閥11先導(dǎo)閥的電磁鐵d得電，系統(tǒng)壓力油通過控制油口X進(jìn)入三位四通電液換向閥11主閥閥芯右腔，使得三位四通電液換向閥11的進(jìn)油口P4與出油口A4連通，回油口T4與出油口B4連通。系統(tǒng)壓力油通過三位四通電液換向閥11的出油口A4進(jìn)入馬達(dá)12的工作油口A，馬達(dá)12正轉(zhuǎn)，壓力油通過馬達(dá)12的工作油口B進(jìn)入三位四通電液換向閥11的出油口B4，然后從三位四通電磁換向閥11的回油口T4流出，最后流回油箱。
刀盤反轉(zhuǎn)時(shí)，馬達(dá)12工作油口B為高壓油口，工作油口A為低壓油口，三位四通電液換向閥11先導(dǎo)閥的電磁鐵c得電，系統(tǒng)壓力油通過控制油口X進(jìn)入三位四通電液換向閥11主閥閥芯左腔，使得三位四通電液換向閥11的進(jìn)油口P4與出油口B4連通，回油口T4與出油口A4連通。系統(tǒng)壓力油通過三位四通電液換向閥11的出油口B4進(jìn)入變量馬達(dá)12的工作油口B，馬達(dá)12反轉(zhuǎn)，壓力油通過馬達(dá)12工作油口A進(jìn)入三位四通電液換向閥11的出油口A4，然后從三位四通電磁換向閥11的回油口T4流出，最后流回油箱。
為了滿足軟巖和硬巖的不同要求，根據(jù)實(shí)際工作情況，將該液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)工況。即軟巖工況時(shí)的低速大扭矩和硬巖工況時(shí)的高速小扭矩。這兩種工況的轉(zhuǎn)換可通過控制二位四通電磁換向閥7來實(shí)現(xiàn)。
刀盤切削硬巖時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速高，扭矩小。馬達(dá)12所需流量大，但系統(tǒng)壓力低，需要變量泵2大排量向馬達(dá)12供油。此時(shí)二位四通電磁換向閥7的電磁鐵e失電，二位四通電磁換向閥7的進(jìn)油口P3和出油口A3連通，出油口B3和回油口T3連通，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過低壓先導(dǎo)溢流閥8設(shè)定壓力時(shí)，低壓先導(dǎo)溢流閥8的進(jìn)油口P2和出油口T2連通，插裝閥6控制腔的壓力油通過控制油口C2進(jìn)入二位四通電磁換向閥7的進(jìn)油口P3，從二位四通電磁換向閥7的出油口A3流出，進(jìn)入低壓先導(dǎo)溢流閥8的進(jìn)油口P2，從低壓先導(dǎo)溢流閥8的出油口T2流出，最后回油箱。由于插裝閥6控制腔的壓力油直接回油箱，控制腔卸荷，插裝閥6進(jìn)油腔壓力遠(yuǎn)大于控制腔壓力，導(dǎo)致插裝閥6主閥芯打開，插裝閥6的進(jìn)油口A2和出油口B2連通，系統(tǒng)按低壓先導(dǎo)溢流閥8設(shè)定壓力以低速大扭矩工作，多余的壓力油進(jìn)入插裝閥6進(jìn)油口A2，從插裝閥6的出油口B2流出回油箱。
刀盤切削軟巖時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速低，扭矩大。馬達(dá)12所需流量小，但系統(tǒng)壓力高，需要變量泵2小排量向馬達(dá)12供油。此時(shí)二位四通電磁換向閥7的電磁鐵e得電，二位四通電磁換向閥7的進(jìn)油口P3和出油口B3連通，出油口A3和回油口T3連通，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過高壓先導(dǎo)溢流閥9設(shè)定壓力時(shí)，高壓先導(dǎo)溢流閥9的進(jìn)油口P1和出油口T1連通，插裝閥6控制腔的壓力油通過控制油口C2進(jìn)入高壓先導(dǎo)溢流閥9的進(jìn)油口P1，從高壓先導(dǎo)溢流閥9的出油口T1流出，最后回油箱。由于插裝閥6控制腔的壓力油直接回油箱，控制腔卸荷，插裝閥6進(jìn)油腔壓力遠(yuǎn)大于控制腔壓力，導(dǎo)致插裝閥6主閥芯打開，插裝閥6的進(jìn)油口A2和出油口B2連通，系統(tǒng)按高壓先導(dǎo)溢流閥9設(shè)定的壓力以低速大扭矩工作，多余的壓力油進(jìn)入插裝閥6進(jìn)油口A2，從插裝閥6出油口B2流出回油箱。
盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)切削時(shí)，負(fù)載是隨斷面的土質(zhì)狀況變化的，切削硬巖和切削軟土所需的切削力矩及轉(zhuǎn)速的變化很大，如果采用閥控馬達(dá)的方式，系統(tǒng)功率必然按所需的最大功率設(shè)計(jì)，在遇到欠負(fù)載工況時(shí)，系統(tǒng)效率低下，大量的功率將通過熱的形式耗散，使系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重。采用全局功率自適應(yīng)的泵控馬達(dá)系統(tǒng)可有效地解決這一問題，通過調(diào)節(jié)變量泵2的排量來實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)可調(diào)，使系統(tǒng)輸出的功率始終與負(fù)載的功率相匹配。具體控制措施是安裝在馬達(dá)12輸出軸上的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器13實(shí)時(shí)檢測刀盤的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，檢測到的信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換輸入給PLC控制單元，通過計(jì)算機(jī)的編譯，其輸出信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換輸入給比例放大器，并與系統(tǒng)設(shè)定的初始值相比較，如果設(shè)定值和實(shí)際檢測值之差為正時(shí)，比例放大器的輸出信號(hào)作用在三位四通比例換向閥4的電磁鐵b上，三位四通比例換向閥4的進(jìn)油口P5和工作油口B5連通，工作油口A5和回油口T5連通，外部先導(dǎo)壓力油通過控制油口R進(jìn)入三位四通比例換向閥4的進(jìn)油口P5，從三位四通比例換向閥4的工作油口B5流出，進(jìn)入變量缸3的左腔，推動(dòng)變量缸3的活塞桿向右移動(dòng)，變量缸3右腔的壓力油進(jìn)入三位四通比例換向閥4的工作油口A5，從三位四通比例換向閥4的回油口T5流出回油箱。變量缸3的活塞桿向右移動(dòng)時(shí)，變量泵2的轉(zhuǎn)角增大，導(dǎo)致變量泵2的排量增大，刀盤的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速也增大。
如果設(shè)定值和實(shí)際檢測值之差為負(fù)時(shí)，比例放大器的輸出信號(hào)則作用在三位四通比例換向閥4的電磁鐵a上，三位四通比例換向閥4的進(jìn)油口P5和工作油口A5連通，工作油口B5和回油口T5連通，外部先導(dǎo)壓力油通過控制油口R進(jìn)入三位四通比例換向閥4的進(jìn)油口P5，從三位四通比例換向閥4的工作油口A5流出，進(jìn)入變量缸3的右腔，推動(dòng)變量缸3的活塞桿向左移動(dòng)，變量缸3左腔的壓力油進(jìn)入三位四通比例換向閥4的工作油口B5，從三位四通比例換向閥4的回油口T5流出回油箱。變量缸3的活塞桿向左移動(dòng)時(shí)，變量泵2的轉(zhuǎn)角減小，導(dǎo)致變量泵2的排量減小，刀盤的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速也相應(yīng)減小。
變量缸3活塞桿左右移動(dòng)時(shí)，安裝在其軸上的位移傳感器5可實(shí)時(shí)檢測移動(dòng)位移，其輸出信號(hào)返回給比例放大器，與設(shè)定值相比較，根據(jù)其差值來進(jìn)一步控制變量泵2的轉(zhuǎn)角，從而控制變量泵2的排量。通過這兩個(gè)大小閉環(huán)反饋控制，可根據(jù)負(fù)載工況的變化來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變量泵2的排量，使系統(tǒng)輸出功率始終與負(fù)載所需功率相適應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種全局功率自適應(yīng)的盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)電液控制系統(tǒng)，其特征在于包括電機(jī)(1)、變量泵(2)、變量缸(3)、三位四通比例換向閥(4)、位移傳感器(5)、插裝閥(6)、二位四通電磁換向閥(7)、低壓先導(dǎo)溢流閥(8)、高壓先導(dǎo)溢流閥(9)、單向閥(10)、三位四通電液換向閥(11)、馬達(dá)(12)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(13)；電機(jī)(1)和變量泵(2)剛性連接；變量泵(2)的吸油口S和油箱連通，變量泵(2)的出油口P分別與插裝閥(6)的進(jìn)油口A2、單向閥(10)的進(jìn)油口A1、三位四通電液換向閥(11)的控制油口X連通；變量缸(3)的左腔與三位四通比例換向閥(4)的出油口B5連通，變量缸(3)的右腔與三位四通比例換向閥(4)的出油口A5連通；三位四通比例換向閥(4)的進(jìn)油口P5與外部先導(dǎo)壓力油口R連通，三位四通比例換向閥(4)的回油口T5與油箱連通；位移傳感器(5)安裝在變量缸(3)的活塞桿上；插裝閥(6)的出油口B2與油箱連通，插裝閥(6)的控制油口C2分別與高壓先導(dǎo)溢流閥(9)的進(jìn)油口P1、二位四通電磁換向閥(7)的進(jìn)油口P3連通；高壓先導(dǎo)溢流閥(9)的出油口T1與油箱連通；二位四通電磁換向閥(7)的回油口T3與油箱連通，二位四通電磁換向閥(7)的出油口A3與低壓先導(dǎo)溢流閥(8)的進(jìn)油口P2連通；低壓先導(dǎo)溢流閥(8)的出油口T2與油箱連通；單向閥(10)的出油口B1與三位四通電液換向閥(11)的進(jìn)油口P4連通；三位四通電液換向閥(11)的回油口T4與油箱連通，三位四通電液換向閥(11)的出油口A4與馬達(dá)(12)的工作油口A連通，三位四通電液換向閥(11)的工作油口B4與馬達(dá)(12)的工作油口B連通；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(13)固定安裝在馬達(dá)的輸出軸上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全局功率自適應(yīng)的盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)電液控制系統(tǒng)。它包括電機(jī)、變量泵、變量缸、三位四通比例換向閥、位移傳感器、插裝閥、二位四通電磁換向閥、先導(dǎo)溢流閥、單向閥、三位四通電液換向閥、馬達(dá)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)電液控制系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測刀盤的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，根據(jù)合適的策略控制變量機(jī)構(gòu)位移，繼而控制變量泵排量。形成按工況負(fù)載需要進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)可控的刀盤驅(qū)動(dòng)電液控制系統(tǒng)。本發(fā)明由于采用了全局功率自適應(yīng)的比例反饋電液控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了刀盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)可調(diào)，能較好地適應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)負(fù)載工況的變化。能夠使刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)掘進(jìn)中的復(fù)雜工況，系統(tǒng)節(jié)能效果好。
文檔編號(hào)E21D9/093GK1587644SQ200410052760
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者龔國芳, 胡國良, 楊華勇 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)